CN1737361A - 自来水管道余压回收利用的方法及管道式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自来水管道余压回收利用的方法及管道式水轮机。它是在与自来水供水管道1连接的用户端管道2上，安装与之相适应的管道式水轮机5，管道式水轮机5与相配套的发电机6联接，用多条上面连接有电流止逆元件7的输电线路62将多台发电机的电能连接到一起后输送到储电器8储存或做功。或者由水轮机带动流体压缩机做功。这种方法既节约了大量的能量资源，又不影响人们正常的生产生活。其所提供的管道式水轮机则适宜在自来水管道的安装使用，也适用于在其它有一定水位高差位置的管道上安装使用，如建筑屋面的雨管上或在河流、小溪上安装使用。

Description

自来水管道余压回收利用的方法及管道式水轮机

所属技术领域

本发明涉及一种自来水管道余压回收利用的方法，该方法是在自来水用户端管道上安装相适应的水轮机，在用户使用自来水的同时，利用管道内水流压力带动水轮机，然后带动发电机或流体压缩机工作，并将所发电能或经压缩流体储存起来重新使用。本发明还涉及利用自来水管道余压做功的管道式水轮。

背景技术

现在人们所用的自来水都是在自来水厂通过一定压力将水输送到供水管网或高位水塔后供用户使用，这个过程均需要消耗大量的电能或其它动力能，因此，在供水管网或水塔系统中，就储存了等量的压力能(不考虑管道磨擦所消耗的能量)。但是，人们在使用水的时候，只利用了管道中的水，而管道中所具有的压力在自来水流出时则随之而白白地流失掉，造成极大的能源浪费，而这种浪费至今未能被世人所察觉。还有，大量建筑物在下雨时屋面的雨水通过排水管时也有大量的水流动力能没有被利用。

同时，现在人们用于水力发电的水轮发电机都必须依靠土建工程来修建拦水坝和进、排水水道，无论是大型、小型或者微型水轮发电机，其工作方式不管是冲击式、斜击式或是混流式，其进、排水道方向都是横进下排或者是上进下排，不适宜在走向多样的自来水管道上安装使用。

国家专利局公开的200410059605.4专利说明书也涉及一种“自来水发电方法和发电装置”，只局限于有供水水塔或其它储水器与用户连接的主水管道上，其作用只是用于发电和局部使用，且其水轮机的安装位置和方向及使用均有一定的条件要求，不适宜自来水管网的管道位置和走都向的千变万化。

发明内容

本发明的目的是要提供一种将自来水余压利用回收的方法和与之相适应的管道式水轮机。

达到上述目的的方法是在自来水供水管网的用户端任意走向的管道上安装与管道大小相适应的管道式水轮机，水轮机与相适应的发电机联接，由于自来水管道的分布范围广，又与千家万户紧密相连，当用来发电时，为了安全起见，应选用直流发电机，或发电压为24伏以下的交流发电机。当用户打开自来水阀门时，水流通过管道式水轮机时管道内水流的压力作用于水轮机，带动水轮机转动，水轮机带动与其相联接的发电机发电，发出的电能通过充电元件输送到蓄电池储存，供用户在需要时使用，如果是单独的用户，因其用水都有时间间隙，所获得的电能十分有限，必须连接蓄电池作为储电器，作为应急或备用电源。如果由自来水供水单位或者区域性单位统一安装使用，将多个用户所得到的电能用线路连接收集到一起，则可获得极大的电能。这时，需要在每个用户端的发电机出线上安装一套电流止逆元件，防止同一线路上各用户分机的电流相互干扰，各区之间设立中间收集站，可以在区站直接进行充电、转换、储存或直接使用，也可以再集中输送到一个更大的系统中进行充电、储存、转换、使用。特别是供水单位统一安装使用时，可以将所回收的电能引入供水泵站的供水电源，当用户用水量增大时，其供水泵的功率即联动增加，成为一个自动调节的供水系统。根据各区域所获得电能的大小，还可以知道各区域所用水量的多少。

这里所指的用户端管道，可以是一家一户进户管，也可以是一幢楼或一个片区的进户管。

也可选用流体压缩机(空气或水)与管道式水轮机联接，由水轮机带动流体压缩机工作，用压缩流体管道将许多用户的经压缩的流体集中收集起来，储存于一个大的压力容器内，通过压力调节装置后驱动气动机械工作再带动发电机工作，同样可以产生大量的电能。也可以由气动机械直接带动其它机械工作。在压缩机的出口或收集管道上应安装止逆阀，以防止处于工作状态的压缩机所产生的压缩流体从没有工作的压缩机处泄漏而降低功效。

以上方法的有益效果是：当人们在使用自来水时，可以将与水流同时流失的自来水管道内压力得到回收利用，极大地节约了能源，减少供水企业的成本，又不会影响人们对自来水的正常使用。

为使上述目的能够实现，本发明同时提供与之相适应的管道式水轮机。

第一种为侧击式管道式水轮机，按水流进出形式分横进横出和横进竖出。它由可以与自来水管道连接的进水管、出水管、水轮壳、水轮和水封件组成，水轮壳分为轮壳盖和轮壳体组成，进水管开口于轮壳体的侧面，冲击水轮一侧的叶片，使水轮转动。水轮是一个由一条轮轴和固定在一起的滚筒以及呈等距对称放射状分布在滚筒周围的四片以上轮叶组成的，轮叶的迎水面为一个平面或稍微凹陷的粗糙表面，以增加与水体的磨擦力，它的背水面为一个光滑的流线形面，以减少水的阻力；轮轴的一端置于轮壳体底部的轮轴窝内，另一端从轮壳盖上的轮轴孔穿过后与发电机或流体压缩机联接；轮轴上的滚筒的外圆周线不应超过进水管口最低点的内侧延伸线；轮轴与轮壳盖之间有水封件密封，防止漏水。自来水通过冲击水轮后从轮壳体的出水口流出，出水口的过水面积应大于轮壳体进水口的过水面积，出水管可以与管道连接，也可以直接安装上水咀或出水阀门。轮壳盖与轮壳体之间可以由螺纹结合，也可以是法兰式结合。轮壳体上的出水口既可以是横向设置(横进横出式)，其开口角度可以在离开进水口最远点水平90度以外的任何角度。也可以从轮壳体底部垂直排水(即横进竖出式)，当从轮壳底部垂直排水时，轮壳底在进水口处至少应留有占轮壳底1/4以上的面积不可去掉，使轮壳盖、轮壳体与水轮共同构成一个相对封闭的腔体。水轮的轮叶与轮壳盖、轮壳体之间的间隙应在0.5至2毫米(即根据水轮机的大小确定其间隙大小)之内，不可过大。当用户用水时，出水管形成低水压，水流从进水管口进入冲击水轮叶片，带动水轮机转动，水轮机带动发电机或流体压缩机工作。

另一种为混流式管道式水轮机，按轮壳管形式有直进弯排和直进直排形式。它由进水管、叶轮管体、叶轮组成，进水管内有3片以上的导流片组成导流体，当水通过时会形成一个呈旋转涡流；叶轮管体与进水管接口端有一朝向进水管由多片弧形叶片构成的叶轮，叶片呈斜面分布在叶轮轴的四周，叶片的圆弧面与进水管内的导流片的形成一个等于或大于90度的夹角，利于接受水的冲击力。叶轮管体可以是弯曲状的(直进弯排式)，叶轮的轮轴从弯弧处穿过管壁，与安装在管体外的支架上的发电机或流体压缩机联接；叶轮管体也可以是直管(直进直排式)，叶轮轴安装在管内的一条带有减摩轴承的轮轴梁上，通过一组伞形齿轮折转一个角度后，穿过管壁与管外支架上的发电机或流体压缩机联接。水轮机的出口可以与管道连接，也可以直接安装用水设备连接。当用户打开开关时，叶轮管体的进、出口端形成压力差，水流从进水管流经导流体对叶轮产生一个冲击力，使叶轮转动，通过叶轮轴带动安装在管体外的发电机或流体压缩机工作。

上述各种水轮机还可以安装在屋面雨水下水管中间，此时应在雨水管的落水口上增加一个拦污罩。它与管道的连接方式或以采用螺纹连接，亦可采用法兰连接或卡环连接。

上述两种管道式水轮机的最大特点是：在实际应用中不受管道的走向、角度和位置的限制，只要用户终端出水口的出水压力大于0.04Mpa，即可使用。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的工作流程示意图；

图2是本发明第二个实施例的工作流程示意图；

图3是本发明的第一种侧击式管道式水轮机的轴测示意图(横进横出式)；

图4是本发明的第二种侧击式管道式水轮机的结构示意图(横进竖出式，4-1是轴测图，4-2是轮壳体的俯视图)；

图5是本发明的第一种混流式管道式水轮机的构造示意图；

图6是本发明的第二种混流式管道式水轮机的结构示意图(6-甲是横断面，6-乙是纵断面)；

图7是第一、二种混流管道式水轮机导流进水管与混流叶轮的关系示意图(7-1导流进水管与导流片的位置关系示意图，7-2导流叶片的加工形状示意图)。

附图标号：1.供水管道，2.用户管道，3.出水管道，4.用水设备，5.水轮机，6.发电机，7.电流止逆元件，8.储电器，9.阀门；10.流体压缩机，101.用户压缩流体管，102.压缩流体汇集管，103.流体止回阀，104.压缩流体储存器；51.水轮壳盖，511.水轮壳盖螺纹，52.水轮壳体，521.壳体螺纹，53.水轮，531.水轮滚筒，532.水轮叶，5311.水轮轴窝，5321.轮叶迎水面，5322.轮叶背水面，533.水轮轴，5331.轮壳盖孔，534.水封盖，535.水封盖螺丝，54.进水管，541.进水管接口螺纹，542.进水口，55.出水管，551.出水管接口螺纹，552.出水口；561.水轮轴封水环，562.水轮壳封水环；61.电机接线盒，62.电线，63.电机支架，64.支架螺丝，65.电线，66.连轴器；a1.导流进水管，a11.内螺纹，a12.外螺纹，a13.导流片a2.轮壳管，a21.轮壳管内螺纹，a3.轮壳管支架，a4.混流水轮，a41.混流叶片，a61.水轮轴，a62.伞齿轮组，a63.动力转输轴，a64.水轮轴梁，α.导向片扭转角，β.导向片与轮叶片夹角。

具体实施方式

图1为本发明的第1个实施例的工作流程图：在自来水供水管道1的用户端管道2上，安装一台与管道大小相适应的水轮机5，所选水轮机5的外壳必须是封闭不漏水的，水轮机5上配套安装一台发电机6，发电机的出线盒61与电源输出线62连接，在电源输出电线62上连接一个电流止逆元件7，然后与储电器8连接(也可直接连接上用电设备)。水轮机5的前后应安装一个水阀9，前端的水阀用于设备维修时用，后端的水阀用于用户用水开关水源用。如果是单独用户自己安装使用，输出电线上的电流止逆元件可以由充电器代替，水轮机后端的水阀也可以省略不装。如果是一个区域性的统一安装使用，可以先将各单独用户的输出电能连接到一起，经多级收集，再统一储存、转换、使用。

当用户用水时，用户端的管道与供水管道之间即形成一个压力差，水流冲击安装在管道上的水轮机的驱动机构，水轮机转动，带动与其联接的发电机工作即可发电，将多个发电机所发出的电能连接起来，即形成一个大的电源。这样，既不妨碍用户正常用水，又可以将随水流失的动力用来发电。

图2为本发明的第二个实施例的工作流程图：在自来水供水管道1的用户端管道2上，安装一台与管道大小相适应的水轮机5，水轮机5上配套安装一台流体(气体或液体)压缩机10，压缩机10的出口上连接用户压缩流体管101，在用户压缩流体管101上安装一个流体止逆阀103，以防止某些压缩机不工作时使其它压缩机产生的压缩流体返流或泄漏，用户压缩流体管101与压缩流体汇集管102连接，压缩流体汇集管102与压缩流体储存器104连接。如果单独用户安装水轮机5带动流体压缩机10时，压缩流体汇集管102则可省略，压缩流体经用户管101直接与压缩流体储存器104连接。但流体止回阀103不可省略。

与第一个实施例同，当用户用水时，用户端的管道与供水管道之间即形成一个压力差，水流冲击安装在管道上的水轮机的驱动机构，水轮机转动，带动与其联接的流体压缩机生产压缩流体，将多个流体压缩机所生产的压缩流体汇集到一起，即形成一个大的动力源。既不妨碍用户正常用水，又可以使随水流失的压力能重新得到利用。

需要注意的是：如果用户管道2上连接有消防设施，则水轮机5应安装在消防设施接口的后端。

图3所示为本发明侧击式管道式水轮机与配套发电机的轴测图：侧击式管道式水轮机由进水54、水轮壳盖51和水轮壳体52、水轮53和出水管55构成。进水管54一端连接在水轮壳体52上，进水口542开口于水轮壳体52的侧面，另一端有与用户管道2连接的进水管接口螺纹541；水轮壳盖51的中间加工有轮壳盖孔5331，内面加工有与水轮壳体联接的水轮壳盖螺纹511，与水轮壳体之间有水轮壳封水环562，并且加工有用于安装发电机6或流体压缩机10的螺丝孔，用于安装发电机6或流体压缩机10；水轮壳体52是一个短圆柱形，圆柱壁有一个从一侧进入的进水管口542和出水口552，出水口552的过水面积大于进水口542的过水面积，轮壳体的底是封闭的，底上有水轮轴窝5311，用于定位水轮轴533的下端，水轮轴窝内可以安置减摩轴承或减摩轴套，水轮壳体52与水轮壳盖用壳体螺纹521与水轮壳盖联接并固定。出水管55的一端呈扁嗽叭状，出水口552开口于水轮壳体52侧壁，另一端通过出水管接口螺纹551与管道或用水设备连接；水轮53置于水轮壳体52与水轮壳盖51内，由固定在水轮轴533上的水轮滚筒531和呈等距放射状分布在水轮滚筒531上的若干块水轮叶532构成，水轮叶532的迎水面呈平面或微凹形状，表面粗糙，利于拉受水的推力，背面光滑呈流线形，以减少与水的阻力，水轮轴的一端置于轮壳体52底部的轮轴窝5311内，上端穿过水轮壳盖51，用于与发电机6或流体压缩机10联接。水轮轴533与水轮壳盖51之间的轮壳盖孔5331由水轮轴封水环561和水封盖共同密封止水，也可以采用封水装置或方法进行密封止水。

当用户用水时，打开出水上的水阀，出水管端即与进管端形成一个水压差，水流从高压的进水管进入冲击水轮叶片，即可带动水轮转动，水轮通过水轮轴带动与其联接的发电机或流体压缩机工作。

图4为第二种侧击式管道式水轮机，它的结构与工作原理相同于第图3所示的侧击式管道式水轮机，只是它的出水管55的开口552不是位于轮壳52的侧壁而是位于它的底部，出水方向垂直于进水管54的方向。需要注意的是：底部的出水口552的开口位置应离开进水口542有一个90度以上角度，即必须保留轮轴窝至进水口542中点的连线左右45度的范围，相当于1/4的底面积不可去掉。其工作原理与上述侧击式管道水轮机相同，不再重复。

图5所示为本发明的混流式管道式水轮机的结构图：由导流进水管a1、轮壳管a2、轮壳管a2内的混流水轮a4构成。导流进水管a1的一端有与管道连接的内螺纹a11，另一端有与轮壳管连接的外螺纹a12，内部固定有三片以上的导流片a13，每一片由一块平面呈梯形的材料(钢片或其它硬质材料)经扭制形成，使前后两条边互成15～30度的夹角α(见图7-2的F视向图)，此角不可大于30度；其中心组合线与导流进水管a1的纵轴线基本重合，向外呈放散状态，外沿与导流进水管a1管壁相连，如图7所示；轮壳管a2的一端有与导流进水管a1相连接的轮壳管内螺纹a21，另一端有与其它管道或用水设施连接的螺纹551，轮壳管a2为弯管形状，外固定有发电机6或流体压缩机10的轮壳管支架a3；导流进水管a1内的混流水轮a4由三片以上的混流叶片组成，混流叶片呈等距放射状分布在水轮轴周围，且呈一定倾斜角度，其外沿平行于水轮轴圆周切线的方向与导流片的纵向所成一个角度大于或等于90度的夹角β，此角不可小于90度(见图6-2)。混流水轮轴a61穿过轮壳管a2与外面支架上的发电机6或流体压缩机10联接。

当用户打开水阀时，出水管内的水压降低，压力较高的进水管内的水经导流进水管内顺着导流片形成一个旋转水流冲向混流水轮，这个水流与混流叶轮上的混流叶片正好形成一个相对角度，使混流叶片获得较大的冲击力，带动混流叶轮转动，然后带动安装在轮壳管外的发电机或流体压缩机转动而工作。

图6所示为另一种形式的混流式管道式水轮机的结构示意图(6-1为纵剖面图，6-2为导流片与混流叶片的相互关系图)：它的结构形式和工作原理与图5所示的混流式管道式水轮机基本相同，只是其轮壳管a2为直管形状，混流水轮a4的水轮轴a61通过一个伞形齿轮组a62转换方向后(见图6-1)再穿过轮壳管a2后与外面支架上的发电机6或流体压缩机10联接，带动它们工作。在此不再重复。

图7是图5和图6所示混流式管道式水轮机导流进水管a1内导流片a13的形状和与导流进水管a1、混流叶轮a4的相互位置关系示意图。B-B是混流叶轮a4与轮壳管的位置示意图，A-A是导流进水管a1的横断面示意图，C-C是导流进水管a1的纵断面示意图，

上述各种管道式水轮机与管道或用水设施的接口可以是螺纹连接，也可以是法兰或卡环连接。也不局限于管道的安装位置，示意图所标示的管道横或竖的方向仅是为绘图时的方便，说明中的横竖仅就页面图示的方向而论。所有管道的接口或流程示图均可适用于任意方向、任意角度的自来水管道，亦包括建筑屋面的下水管道。所述用户可以是包括一家一户的进户管，也可以是一幢楼、一个片区或一个工厂的进户管。

本发明中的管道式水轮机也可用于山区河流、溪涧具有一定水位差的地方用管道引水后做为水能动力机械使用。

Claims (7)

1.一种自来水管道余压回收利用的方法，它是将人们在使用自来水时随水流失的管道压力用于发，其特征是：在与自来水供水管道(1)相连接的任意走向与角度的用户管道(2)上安装管道式水轮机(5)，水轮机(5)上安装有与之配套的发电机(6)，发电机(6)的电机接线盒(61)通过连接有电流止逆元件的输电线(62)与储电器(8)连接，利用用户用水的时候水轮机(5)两端管道的压力差驱动水轮机，水轮机带动发电机发电。

2.根据权利要求1所述的自来水管道余压回收利用的方法，其特征是：发电机(5)发出的电能直接供用电设备使用。

3.根据权利要求1所述的自来水管道余压力回收利用的方法，其特征是：水轮机(5)与配套的流体压缩机(10)联接，流体压缩机通过管道与压缩流体储存器(104)连接，水轮机(5)转动时带动流体压缩机(10)工作。

4.一种实现权利要求1或权利要求2的侧击式管道式水轮机，它包括进水管(54)、出水管(55)、水轮壳和水轮(53)，其特征是：水轮壳由水轮壳盖(51)和水轮壳体(52)组成，水轮(53)置于水轮壳内，进水管(54)的进水口(542)开口于水轮壳体(52)的侧壁面对应于水轮(53)一侧的水轮叶(532)，水轮叶的迎水面(5321)为粗糙面，轮叶背水面(5322)呈光滑流线形，出水口(552)位于轮壳体(52)的侧壁面上。

5.一种实现权利要求1或2权利要求的侧击式管道水轮机，其特征是：它的出水口(522)开口于水轮壳体(52)的底部，其开口方向与进水管(54)的方向呈垂直状态。

6.一种实现权利要求1或权利要求2的混流式管道式水轮机，包括导流进水管(a1)、弯曲的轮壳管(a2)、混流水轮(a4)组成，其特征是：导流进水管(a1)内固定有三片或更多的导流片(a13)，导流片(a13)经扭转后使前后两条边的延长线形成一个夹角(α)，与轮壳管(a2)内的混流叶片(a41)的倾斜面形成的一个夹角(β)。

7.一种实现权利要求1或权利要求2的混流式管道式水轮机，其特征是：轮壳管(a2)为直管形状，混流水轮(a4)的水轮轴(a61)经过一组伞形齿轮(a62)转换成动力输出轴(a63)以垂直方向后从轮壳管(a2)的壁上穿出。

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