CN1869435A - 无轴水轮机及其使用方法与调速调能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴水轮机及其使用方法，同时公开了一种与之配套的调速调能装置。无轴水轮机的主要特征是水轮机的中心部位没有机轴，由若干片轮叶的根部固定在一个圆形的轮环的内圆面，轮叶的头部呈向心状态朝向轮环的圆心，轮叶在轮环上的安装线与轮环的环平面形成一个夹角；轮环的外圆面有限位环和动力输出轮、轴称和圆环支架，轴承在限位环与圆环支架之间起隔离和减少磨擦的作用。无轴水轮机既可以多种方式安装在江河水坝上，也可以直接安装在江河中，利用江河水流力发电；也可以多种方式安装在海洋中，利用海洋的潮汐能、波浪能、海流能发电，是一种全新海洋能利用机械。它的结构强度和能量利用率都先进于现有水轮机。

Description

无轴水轮机及其使用方法与调速调能装置

所属技术领域

本发明涉及一种无轴水轮机及其使用方法与调速调能装置。

背景技术

现在人们利用水能做动力的水轮机都是由一条位于中心部位的叶轮轴和叶片组成叶轮和位于叶轮外围带格栅的机座组成，组成叶轮的叶片在离轴越远的部位所受到的力度越大但其结构强度却越小，这样就形成了叶轮受力的部位与结构强度的矛盾，增加了水轮机的技术难度；同时，现有的水轮机需要一个特定的安装环境，如必须修建水坝，而修建水坝就必须淹没大量土地和资源，造成对环境及地理结构的改变；加上与水轮机配套的做功机械如发电机都必须安装在水轮机的上方或前方，在维修水轮机时必须首先拆去做功机械，使维修难度加大；还有是现在的水轮机只适宜有固定水流方向的江河中，不适用于往复流动的水流和无固定流向的水流区域，如海洋中。加之位于中心部位的叶轮轴和支座的格栅条是水中垃圾缠绕的主要部件，容易影响到水轮机的运行。因此，现在的水轮机(不管是叶轮式或者蜗轮式)的前边都必须装设密度较大的拦污装置来阻挡水中垃圾对水轮机运行的影响，而这种方法在海洋中是无法实现的，这也说明传统的水轮机在海洋能利用方面是无法实现的，如我国自50年代以来建成的多处海洋能电站，至今只有个别电站仍在运行，大部分原因均是垃圾对机械的影响或破坏造成的。还有如欧美等国正在研究开发的蜗轮式海洋能发电机，也要“频繁地改变蜗轮机的位置”来避开垃圾的影响。(摘自中国科学信息研究所，网址：http://sdep.cei.gov.cn/envir-sub/sonice/ce/ca2005022406.htm。因此，现有的水轮机除在江河中使用要受到诸多条件的限制外，更不适宜安装在海洋中利用海洋能做功。

发明内容

本发明的目的是提供一种无轴水轮机，以改变现有水轮机的技术缺点和适用范围。本发明同时提供无轴水轮机的使用方法，它既扩大了水轮机在江河中的适用范围和江河水力能的利用率，更能适用于海洋能(包括潮汐能、波浪能和海流能)的开发利用。本发明还提供一种与无轴水轮机使用功能相适应的调速调能装置。

为达到上述目的，本发明的无轴水轮机的叶轮中心部位没有轮轴，是在一个圆形的轮环的内环面固定安装若干片轮叶，轮叶的头部呈向心状态朝向轮环的圆心，轮叶的平面与轮环的环平面有一个夹角；轮环的外圆面固定有的限位环和动力输出轮；动力输出轮用于与传动装置联接，向其它做功机械输出动力；限位环的外面围绕一圈轴承，轴承放置在一个圆环支架内，圆环支架除用于放置轴承外，同时用于与其它构件的安装固定，同时，圆环的外圆面还用于安装水轮机护壳；轴承的作用是既可联结轮环与圆环支架，又可以使轮环与圆环支架不结合到一起，使轮环能在圆环支架内自由转动时起减少摩擦力的作用。整个无轴水轮机的结构形状犹如一个轴承的内环内侧面上安装有轮叶一样。将无轴水轮机上的动力输出轮用传动装置与其它做功机械如发电机或流体(气体或液体)压缩机联接即可带动做功机械工作。它既可以应用于江河中，利用江河水流作为动力来做功，也可安装在海洋中，利用海洋中的波浪能、潮汐能或海流能作为动力来做功。

如果与无轴水轮机的传动装置联接的是电动机，在外护壳上连接水管，由电动机作为动力源，利用反传动原理，无轴水轮机就成为了无轴水泵，即可以作为输水机械。

下面提供无轴水轮机的几种使用方法：

一.在江河或海洋水底制作用于安装机架的基础，基础上安装立柱，立柱之间用横梁连接形成一个机架，将无轴水轮机安装在机架之间，在机架上部安装一个设备平台，将变速、调速机构和做功机械如发电机或压缩机安装在设备平台上，用传动装置将无轴水轮机上动力输出轮与变速装置联接，变速装置与发电机联接，当水流撞击无轴水轮机上的轮叶时，即可驱动轮环转动，轮环外环面上的动力输出轮随之转动即将动力通过传动装置传递到变速机构，再带动发电机发电。这样即组成一台完整的无轴水轮发电机组。

二.在机架上同时安装多台无轴水轮机，即可以竖向排列，也可以横向排列，或成点阵式排列，其动力传递装置可以垂直传递，也可以横向传递或组合传递。这种形式的无轴水轮机适宜于江河水流方向较固定的地方，或者是大陆与海岛或海岛与海岛之间水流往复运行的地方。单层或横向多台组合的无轴水轮发电机组也适宜于海岸沿线安装使用。

三.在水底的基础上安装一条立柱，立柱外套装一个可以转动的转筒，在转筒外安装机架，在机架上再安装无轴水轮机，在立柱的上部安装设备平台，通过中间传动机构将无轴水轮机所获得的动力传递到做功机械如发电机。这种无轴水轮发电机组适宜海水较深、而海流方向相对不固定的的区域。

四.在海洋底面制作基础，基础上安装立柱，立柱上安装一条可以横向活动的转轴，转轴上安装一个摆动机架，摆动机架可以绕转轴活动，在机架上靠近转轴的位置安装无轴水轮机，将变速机构和发电机与无轴水轮机安装在一起，在轴梁的远处安装一个浮体，浮体的浮力大于机架与无轴水轮机的重量，当海浪起伏或海潮涨落时，浮体就会带动无轴水轮机做上下运动，无轴水轮机上、下的水体流经轮叶时就会带动轮叶转动，与无轴水轮机安装在一起的发电机就会转动而发电。这种形式的无轴水轮机组适宜于海流方向不固定，海浪较大，水位高低变化频繁的海洋区域使用。

在上述几处使用方法中，为适应安装在海洋中无轴水轮机所获得的转动方向不停地变化的特性，在其动力传递机构中应安装换向器，换向器最好安装在变速装置的前面，使变速装置输出的转向一致，而使发电发出的电能极性一致。

五.为了适应海洋潮汐引起的海水位变化，在立柱外的套筒上安装浮体，使机架和无轴水轮机能够随海水位变化而起落，可以使水轮机基本处于一个较恒定的水位中，获得的能量也较均恒。

六.将无轴水轮机安装在江河水坝上的任何位置，如专用的水轮机安装口、水坝排水口、泄洪口、冲沙孔，甚至大型水坝船闸的充排水口，充分利用水库的余水做功。安装方式可以采取闸口形式或漏斗形式。当采用闸口形式安装时，在无轴水轮机的圆环支架外加装一闸楔，在水坝口上开凿一闸槽，将闸楔连同无轴水轮机放入水坝的闸口内，从无轴水轮机的动力输出轮上引出一传动机构至变速装置，变速装置与发电机联接。水流通过无轴水轮机时带动叶轮转动，经过传动、变速装置后，即可带动发电机发电。

七.无轴水轮机也可以采用漏斗式安装：在水坝上制作一个水槽，在水槽的底部开设一泄水洞，无轴水轮机安装在泄水洞口部，水流从无轴水轮机上部下泄时冲击轮叶，带动轮环转动，通过传动机构带动安装在水槽上面平台上的发电机工作。

八.在江河岸边制作一个基础，基础上安装立柱，在立柱的外面套装一套筒，套筒的下部安装无轴水轮机的机架，机架上安装无轴水轮机，套筒上部固定一拉绳与机架的远端拉结，对机架起悬吊承重作用，机架的后面安装一个伸缩式支撑装置(也可以在江河上游安装拉绳代替支撑装置)，机架上无轴水轮机上安装变速装置和发电机。如果机架上安装有多台无轴水轮机时，可将其动力输出轮上引出的传动轴用一条通轴联接起来，集中带动一台发电机工作。这样，在江河水位正常时可获得江河水流的能量，又可以在洪水时将无轴水轮机收拢到岸边，不影响江河防洪要求，同时又不需要修建水坝。

上述无轴水轮发电机组既可以单个安装在一个地方，也可以多台安装在同一地方形成一个无轴水轮发电机组群，发挥较大的功能。在其发电机安装的位置也可以安装流体(气体或液体)压缩机，流体压缩机产生的压缩流体再通过输送管输送到储能器储存、调节后再带动发电机发电。或者将发电机直接安装在与无轴水轮机动力输出轮靠近的位置，但这样对发电机等设备的防水密封要求较高。

本发明还提供一种用于调节转速和动力的自动调速调能装置。因江河或海水的运动具有不恒定的现象，在现有的水力发电系统中，是由一个刹车制动装置进行调节的，使水轮机的转速保持在额定的转速范围内，以保证电源的频率在规定值，这种调速装置除需消耗一定的能量外，其技术要求和维修频率也较高，同时也不完全适用于水流速度、力度变化范围大而且变化频繁的水能动力装置。本发明提供的自动调速调能装置是在变速器的输出轴上固定一个卡盘，卡盘通过活动销连接一组甩杆，甩杆末端固定甩球，甩杆中部通过活动销连接拉杆，拉杆连接一个滑动盘，滑动盘连接一个可沿变速装置轴做纵向滑动的长轮，长轮外围绕有二个或更多的接触传动齿轮，接触传动齿轮分别与发电机连接。这个装置可以根据无轴水轮机获得的动力大小和变速装置输出的转速自动改变所带动的做功机械的数量，达到自动调整发电机转速和发电机输出功率的目的。

本发明的优点是：无轴水轮机改变了传统水轮机的基本结构，使水轮机轮叶的受力更合理，使用寿命延长且维修频率减少，降低了垃圾对水轮机的影响程度，改善了水轮机的工作状态，扩大了水轮机的适用范围，大大增加了水能的开发利用率，特别是其适用于海洋中使用的特点，解决了海洋能利用的许多技术问题，极大地有利于海洋的开发利用。

下面对照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明无轴水轮机的的立体局部剥开示意图；

图2是本发明无轴水轮机的外表面的三视图；

图3是图1(A-A)的断面示意图；

图4是图3的多种形式示意图；

图5是本发明第一个实施例江河海洋通用无轴水轮机发电机组的示意图；

图6是本发明第二个实施例另一种江河海洋通用无轴水轮机发电机组的示意图；

图7是本发明第三个实施例海洋专用型无轴水轮机发电机组的示意图；

图8是本发明第四个实施例另一种海洋专用型无轴水轮机发电机组的示意图；

图9是本发明第五个实施例江河有坝型无轴水轮机的安装示意图；

图10是本发明第六个实施例另一种江河有坝型无轴水轮机的安装示意图；

图11是本发明第七个实施例江河无坝型无轴水轮机的安装示意图；

图12是本发明的自动调速调能装置的示意图；

图13所示是可升降变位的传动装置的构造示意图；

图14是本发明无轴水轮机的轮叶的多种形式示意图；

图15是无轴水轮机的轮叶与轮环的夹角大小与功能关系示意图。

附图标号：1.轮叶，2.轮环，3.动力输出轮，4.轴承，5.限位环，6.圆环支架，7.外护壳，8.清淤孔，9.传动窝，10.基础，100.传动轴，101.传动轮A，102.传动轮B，104.传动组合，12.立柱，121.套筒，122.清缠槽，123.扁担梁，13.支架横梁，14.变速装置，141.变速后轴，142.变速前轮，145.变速器、发电机总成，15.发电机，20.设备平台，21.舵板，22.圆盘状双面齿轮，32.套轮组合，80.摆动机架，81.轴梁，82.浮体，90.水坝，91.闸楔，92闸槽，93.水槽，94.泄水洞，95.泄水槽，111.伸缩式支撑装置，51.固定卡盘，52.活动销，53.甩杆，54.甩球，55.拉杆，56.滑动盘，57.滑动长轮，58.接触传动齿轮，α.轮叶与轮环平面的夹角，β.轮叶的拖曳角，L.轮叶的拖曳线，a、b、c、d轮叶的边线，902.卡盘轴承，903.卡盘环，904.花轴凸，905.卡盘槽。

具体实施方案

在图1、图2、图3和图4所示实施例中，在一个圆形轮环(2)的内环面固定有若干片轮叶(1)，轮叶(1)的头部呈向心状态朝向轮环(2)的圆心但互不接触，中心部位亦没有叶轮轴，轮叶(1)根部(c)的宽度大于头部(d)的宽度，根部的厚度也大于头部的厚度，轮叶的面积和长度需根据水轮机的大小和轮叶的制作材料确定。轮叶(1)的平面与轮环(2)的环平面有一个夹角(α)，最佳角度在45度左右，可根据无轴水轮机安装使用的位置和水流大小做适当选择，水流速度较快、冲击力度较大地方使用的无轴水轮机的(α)值应适当增大，但不应大于60度，水流速度小、特别是如海洋中水流呈往复状态运行的地点，其(α)值宜小，但不应小于30度。轮环(2)的外圆面固定有整圈的限位环(5)和动力输出轮(3)，当轮环(2)运动时，限位环(5)和动力输出轮(3)会同时运动；限位环(5)的断面的形状可选择双凹、双凸、单凹、单凸、或偏凸等多种形状；动力输出轮(3)宜采用齿轮传动，但也可以采用接触磨擦的传动方式。限位环(5)的外面围绕是一圈轴承(4)，轴承(4)外围是圆环支架(6)，也可以是方形支架，或将轴承(4)直接固定到一个机架上。轴承的形式可以是圆球形、圆柱形，轴承的支座与外周的圆环支架(6)组合在一起，对限位环(5)和轮环(2)起支撑和限位作用，其数量根据水轮机大小确定，但不少于3组。圆环支架(6)的内圆面用于固定轴承(4)，外圆面用于固定水轮机外护壳(7)，同时用于与安装机架相连结；圆环支架也可以直接置放于水坝闸槽一类的固定的安装位置内，其形状可以是一个整体的圆柱状，也可加工成有一些空腔形状，以减轻其重量。外护壳(7)与圆环支架(6)结合在一起，对轮环(2)的外圆面、限位环(3)、轴承(4)和圆环支架(6)起包围防污作用。如果无轴水轮机安装在机架内或水坝等固定结构内时，外护壳(7)应与机架或水坝等固定的结构联系到一起，起保护防污作用。外护壳(7)与轮环(2)的间隙之间可选择适当的方式做活动式密封，以减少污物进入相互之间形成的空腔内，对轴承(4)的运动产生阻力，影响到整个系统的功能效果。对于水体含泥沙量大的地方使用的无轴水轮机，可以在其外壳(7)的上方设置若干个冲水口，下方设置排泥口，每隔一个时间进行注水冲洗护壳的内部，防止泥沙影响轴承的运动。外护壳(7)上的传动窝(9)用于动力输出轮(3)与外部传动装置联接的位置，其方向和部位不受限制，只要与动力输出轮(3)相对应即可。

这种无轴水轮机的轮叶(1)呈三角形或梯形状，中间互不连接(当在江河中使用时，如果在上游安装拦污栅时，轮叶的头部也可以相互连接一起，以增加轮叶的工作强度)，每片叶面之间有均匀的间隔，其相对于轮环(2)的平面是一个斜面，朝向上下游方向的边是圆弧形光滑的纯边，它可以减少轮叶运动时对海洋生物的碰伤力，也可以在垃圾缠绕物接触到轮叶时，在水流的作用下，缠绕物就会自动向轮叶中心部位漂移，从轮叶之间的间隔或轮叶顶端通过而不会缠绕到轮叶上。如遇到块状垃圾，只要是小于轮叶之间间隔的，都可以自动通过而不阻碍水流的通过。当遇到的垃圾的体积大于轮叶间隔时，如果是安装在海洋中的，则会在水流变换时自动冲走。如果是安装在江河中时，则需在水轮机的上游安装一个网孔较粗的格栅即可。

外护壳(7)和圆环支架(6)既可以分开制造，也可以是一个整体。

图2是无轴水轮机带外护壳(7)时的三视图，外护壳的外形的投影可以是带楞边的方形，也可以是圆弧形。

图3是图1中A-A断面的剖视图，具体表现了无轴水轮机的轮叶(1)与轮环(2)的相互位置关系，轮叶上的线条是为了表现其结构的轮廓，实际上应尽量加工成光滑的、带圆弧的纯边，以尽量减少与缠绕物一类垃圾的磨擦。其夹角(α)代表轮叶(1)的根部安装线与轮环(2)的圆平面所形成的夹角，其角度在30至60之间(在本说明书后面有详细分析)。

图4是无轴水轮机的轮环(2)、限位环(5)、轴承(4)、动力输出轮(3)、圆环支架(6)、外护壳(7)的多种关系示意图，它们之间的一些关系和结构形状也是可以互相替换的。图中4-1、4-2、4-3、4-4的结构形式通用于水流方向固定或不固定的位置选用，4-5、4-6的结构形式适合有固定水流的方向使用，4-6最适合于底泄式或漏斗式无轴水轮机上使用。

在图5所示实施例中，在江河或海洋水底制作基础(10)，基础上安装立柱(12)，立柱之间用横梁(13)联结，立柱(12)的上部安装一个设备平台(20)，用于安装变速装置(14)和发电机(15)等设备，将一台无轴水轮机安装在由立柱(12)和横梁(13)组成的机架之间，通过一个由传动轴(100)和传动轮A(101)、传动轮B(102)组成的传动装置连接无轴水轮机的动力输出轮(3)和变速装置(14)的变速前轮(142)联接，变速装置(14)通过变速后轴(141)与发电机(15)联接。这样，当水体中的无轴水轮机的轮叶(1)受到水流撞击时，轮叶(1)即受到一个压力，这个压力分解成一个与水流方向平行的推力和垂直方向的推力，横向的推力推动轮叶(1)带动轮环(2)转动，固定在轮环(2)外圆面的动力输出轮(3)跟着转动，与动力输出轮(3)相联接的传动轮A(101)随着转动，通过传动轴(100)传递到传动轮B(102)，传动轮B(102)与变速前轮(142)联接带动变速装置(14)转动，经过速度调整后，将动力传递到发电机(15)，带动发电机工作，这样即形成一台无轴水轮发电机组。这种无轴水轮发电机组适宜在江河中有一定水流方向的地方使用。当将这种无轴水轮机发电机组安装到海洋中时，因为其水流方向不一致，轮叶(1)的转动方向也正反转地变化不定，整个系统运转的方向都会不停地变化，会降低运行效率，因此应在传动系统中(变速装置前)安装一个换向器(见国家专利局公开的本发明人的发明专利申请200410085463.9中换向器)，将两个不同运转的方向变换成统一的运转方向。

由于这种方式安装的无轴水轮发电机的立柱(12)两侧都有水流通过，可能缠绕上一些垃圾，为解决这个问题，在立柱(12)上加工一条清缠槽(122)，当运行中发生垃圾缠绕时，可以用钩形工具沿清缠槽(122)上下钩捞清除缠绕物。

在图6所示实施例中，将二台无轴水轮机安装在同一个机架上，上面一台无轴水轮机的动力从垂直方向输出，与设备的联接方式与图5所示相同，下面一个的动力先以横向传动，再通过一个伞形齿轮组(104)转换方向后向上输出，它的动力可以单独输出到一套变速装置(14)后再带动发电机(15)工作，也可以与上面的无轴水轮机共同带动一台发电机工作，但必须使上、下两台无轴水轮机的转向相同，才能最大地发挥共同的作用，否则就会产生相反的效果。根据这种安装方式，也可以在同一机架上安装多套无轴水轮机，形成一个大的水轮机组合，这种方式适宜使用在江河中、或者海洋中海流有明显方向的地方。如果在有往复水流的地方选择在同一机架上安装多台无轴水轮机，而又让多台水轮机共同带动一套变速装置和发电机时，则应分别在每台水轮机的传动装置中安装换向器，但不应将换向器安装在变速装置后面。

为了适应海洋水位的变化，可以在立柱(12)的外面套装套筒，套筒上部安装浮体，再用横梁(13)将套筒联结起来形成一个可浮动的机架，在机架中间安装无轴水轮机，浮体的浮力应大于机架和无轴水轮机的重量。当海洋水位变化时，浮体就可使整个机架随水位而变化，使无轴水轮机的动力部分基本保持一个较恒定的淹没深度。这时，由于整个机架的高低在浮体的作用下上、下变化，如果立柱(12)上的平台(20)是固定的，则无轴水轮机与变速装置(14)之间的距离也会随之而变化，使传动轮A(101)或传动轮B(102)与变速装置(14)的输入轮(142)难以对合，这时，就需要在传动轴(100)的上端加工成传动花轴(1000)，在平台(20)上安装一个卡盘与花心轮组合的传动装置(在后面内容中有详细介绍，见图14所示)，以保证不管机架的高低如何改变，但传动轴(100)传输的动力始终能够传递给变速装置(14)。

在图7所示实施例中，在海洋底部制作基础(10)，基础上安装一条立柱(12)，在立柱外套装一套筒(121)，套筒上、下安装扁担梁(123)，在扁担梁两端各安装一台无轴水轮机，无轴水轮机的动力输出轮(3)各自通过横向传动机构的传动轮A(101)、传动轴(100)、传动组合(104)后，一台经圆盘状双面齿轮(22)后，将动力传递到平台(20)上面的传动轮B(102)；另一台无轴水轮机的动力传递到一个套轮组合(32)，再传递到平台(20)上面另一传动轮B(102)，传动轮(102)再与变速装置或其它传动机构相联接。圆盘状双面齿轮(22)与套轮组合(32)与立柱(12)的关系犹如闹钟的时针轴与分针轴、秒针轴的关系，相互重叠但又能各自分别转动而不产生干扰(见图7-4及其说明)。

这种无轴水轮机可以在套筒(121)上安装浮体，使整个水轮机可以随海水位的变化而升降变化，只要在平台(20)上的每一条传动轴(100)上安装一套图13所示的装置即可。

图7-2是图7-1的俯视图，它表示出2台无轴水轮机与扁担梁(123)、立柱(12)的位置关系。

图7-3是在图7-2的基础上增加了一片舵板(21)，它相似于现在人们利用风能发电的风车上的偏航器，安装在2台无轴水轮机的中间位置的上、下扁担梁(123)的中部与立柱(20)对应的位置上，面积小时对无轴水轮机起平衡作用，面积较大时，在受到海水撞击时，就会带动无轴水轮机摆动，使轮叶(1)获得动力而转动。

图7-4是图7所示实施例中的圆盘状双面齿轮(22)、套轮组合(32)、立柱(12)的关系示意图，立柱(12)相似于闹钟的秒针轴，套轮组合(32)的套筒相似于闹钟的分针轴，圆盘状双面齿轮(22)相似于闹钟的时针轴，它们之间用轴承分隔以减少磨擦且互不干扰。

在图8所示实施例中，在海洋底部制作基础(10)，基础可以是单个的，也可以由二个组成，在基础(10)上安装立柱(12)，立柱上端安装一条可转动的轴梁(81)，轴梁上安装一个摆动机架(80)，摆动机架的近轴梁的位置安装一台无轴水轮机，远轴端安装一个浮体(82)，浮体的浮力大于活动机架(80)与无轴水轮机的总重量，浮体(82)本身的重量也适宜大于活动机架加无轴水轮机的总重量，当海水运动或海潮涨落时，整个活动机架和无轴水轮机就会在海水中上下活动，无轴水轮机上下面的海水就会不停地通过轮环(2)，撞击轮叶(1)，使无轴水轮机转动而做功。由于整个机架在不停地运动，其位置不停地变化，给动力的传递带来不方便，所以，将变速装置、换向机构和发电机组成一个变速器、发电机总成(145)安装在机架上面随机架活动，发电机发出的电能通过沿摆动机架(80)、立柱(12)敷设的电缆引至陆地即可。采用这种无轴水轮发电机组成时，其浮体(80)可以是圆球形的，也可以是圆柱形的。浮体的活动范围应在最高水位与最低水位之间，而轴梁(81)的安装高度最好能高于最低水位，使无轴水轮机获得的能量最大。且变速器、发电机(145)要密封严密，同时不能用油类物质做润滑剂，以免污染海水。

在图9所示实施例中，是将无轴水轮机安装在一个水坝(90)结构上，先在水坝的水口制作闸槽(92)，在无轴水轮机的圆环支架上安装闸楔(91)，然后将无轴水轮机的闸楔(91)放置到闸槽(92)内，用传动装置将无轴水轮机的动力输出轮(3)的动力引向水坝(90)上面，即可根据需要再连接变速器和发电机等设备。本实施例中水坝(90)上的闸槽(92)和无轴水轮机上的闸楔(91)的关系是可以互换的。

在图10所示实施例中，是将无轴水轮机以底泄的方式安装在一个水坝的水槽内。在水坝修建一条水槽(93)，在水槽底部开底泄孔(94)(这是现有水轮机的常用安装方式)，在水槽(93)上口安装一个设备平台(20)，平台上安装变速装置及发电机等设备，用传动装置将无轴水轮机的动力输出轮与设备联接，当水流经水槽(93)通过无轴水轮机下泄时，即可将动力传递到发电机而发电。其工作原理同现有水轮机工作的工作原理相同，只是现有的水轮机的传动轴位于水轮机轮叶中部，而无轴水轮机是通过不结合在一起的传动轴从侧边将动力传递到发电机，但其维修比现有的水轮机更方便，使用寿命会更长。

无轴水轮机也可以安装在泄水洞(94)的下部，水流从水槽(93)进入后即坠即入泄水洞(94)，再从泄水槽(95)排出，也可达到相同效果，但无轴水轮机的安装和维修难度较大。

在图11所示的实施例中，在江河的岸边水底修建一个基础(10)，基础上安装一立柱(12)，立柱外套装一可以转动的套筒(121)，在套筒的一侧安装延伸出上、下扁担梁(123)组成一个机架，在扁担梁之间安装无轴水轮机，从套筒(121)上端至扁担梁(123)的远端引出一条拉杆(或拉绳)(124)，用于支承机架和水轮机的重量，在机架后面(河流的下游)与立柱(12)同一侧的河堤上安装一套伸缩式支撑装置(111)，组成一套可伸缩的河道式无轴水轮机，机架在拉杆(124)和可伸缩支撑装置(111)的作用下可以做水平运动。在正常情况下，由伸缩式支撑装置(111)将河道式无轴水轮机撑向河道中，利用河流水力做功，在洪水到来前，调整伸缩式支撑装置(111)，将水轮机收缩到岸边，就不会影响到江河的行洪排洪功能。可伸缩支撑装置(111)也可用在河道上游安装拉绳的办法代替。

机架上安装的无轴水轮机的数量可以视河道的宽度和深度选择，当机架上同时安装多台无轴水轮机时，可以各自配套自己的变速、发电设备，也可以用一条通轴将各台无轴水轮机的动力集中起来，再通过变速装置后带动发电机发电。

图12所示是一种自动调速调能装置，主要适用于获得的动力或转速不稳定的机械装置中，如本发明的无轴水轮机，或是现有的风力发电机械上。即在变速器(14)的变速后轴(141)上固定一个卡盘(51)，固定卡盘通过活动销(52)连接一组甩杆(53)，甩杆末端固定甩球(54)，甩杆(53)中部通过活动销连接拉杆(55)，拉杆连接一个滑动盘(56)，滑动盘连接一个滑动长轮(57)，滑动长轮(57)与滑动盘(56)可以沿变速后轴(141)灵活纵向滑动，但在轴销(59)的限制下不能横向转动。在滑动长轮(57)的外围围有二个以上接触传动齿轮(58)，接触传动齿轮(58)分别与发电机或其它做功机械连接，滑动长轮(57)的长度根据水轮机所能获得的能量大小和外围的接触传动齿轮(58)的数量所决定，而接触传动齿轮的数量由选择的做功机械的功率大小决定。其工作原理是：当水轮机获得的速度和力度较小时，变速装置(14)通过变速后轴(141)输出的速度就慢，甩球(54)获得的离心力小，滑动长轮(57)只接触到一个接触传动齿轮(58)，只带动一台发电机工作。当变速装置输出的速度较快时，甩球(54)获得的离心力就大，向外甩动时由甩杆(53)拉动拉杆(55)的同时拉动滑动长轮(57)滑动，就可接触到多个接触传动齿轮(58)，就会带动多台(2台或更多)发电机工作。这样，就减少了水轮机在获得的能量过大时通过传统的制动方法调速时所消耗的能量，同时也降低了设备制造的技术难度。

以上所述的自动调速调能装置是在变速器(14)处于垂直状态，其变速后轴(141)处于向下的状态工作的，当变速后轴处于横向状态时，应在甩杆(53)之间设置拉力弹簧，以约束甩球(54)和甩杆(53)工作状态。

该自动调速调能装置同样适用于风力发电机械的调速系统。

图13所示是可变位传动装置的构造示意图，在设备平台(20)上固定一个轴承卡盘(903)，轴承卡盘中卡定一个花心轮(1022)，花心轮在轴承(902)的限位下可以自由转动而不能上下活动，花心轮(1022)中间制作有若干条卡槽(905)，花心轮的外围同样有传递动力的齿轮或是皮带轮，起传动轮B(102)的作用，在传动轴(100)的上部加工有与花心轮(1022)上卡槽(905)数量相同的轴凸(904)的花轴(1000)，花轴(1000)可以在花心轮(1022)中上下活动，在转动时则会带动花心轮转动，这样，当海水位变化带动水轮机机架及传动轴(100)上下活动时，传动花轴(1000)就会在花心轮中上下自由活动且同时转动，始终会将动力传递到花心轮(1022)，再传递到变速装置(14)。

图14是轮叶(14)的多种外形形式，其中14-1是一种通用型轮叶，它的叶头d边朝向轮环圆心部位且小于叶根c边，c边是与轮环(2)连接的边，而a、b两侧边相等，它适合作为各种无轴水轮机的轮叶。14-2是适宜作为在江河中使用的单向水流的无轴水轮机的轮叶，其d边朝向轮环(2)圆心部位且小于叶根c边，c边是与轮环(2)连接的边，两侧边的a边长于b边，a边朝向上游方向。14-3同样适宜于作为在江河中使用的单向水流的无轴水轮机的轮叶，a、b两边可以等长，也可以不等长，d边朝向轮环圆心部位，c边是与轮环(2)连接的边，叶面成一个弧形，其内弧面朝向水流上游。14-4是一种蜗叶形轮叶，叶面呈蜗叶形状，c边是与轮环(2)连接的边，它适宜作为漏斗式或下泄式安装的无轴水轮机的轮叶。

图15是轮叶(1)与轮环(2)平面的夹角位置的分析示意图。轮叶的运动受到两大因素的影响，即轮叶前面(以某一个运动方向为前提)受的推力与轮叶后方(同样是以某一个运动方向为前提)的阻力。

现假设水流从图示方向流向无轴水轮机，轮叶与轮环的环平面的夹角为α，轮叶受到水流垂直于轮环平面的撞力为F，这个力将分解成一个轮叶反作用的力F1和与轮叶垂直的力F2，而F2又会分解成对轮环的垂直压力F21和使轮环运动的推力F22，而做功所需的力是F22，这个力是越大越好，而F21是越小越好。为了获得这个效果，就必须使轮叶与轮环的角度α增大，当将角度α增大到90°时，F22就与轮环转动的力完全平行，所获得的力F22为最大值。但是，这时候水流对轮叶的作用力变为0值，则说明过大地增加夹角α的值是不可行的。而当轮叶处于水体中时，轮叶后方的水体对轮叶的阻力与角度α的关系是α值越小阻力越小。

再分析水力F与轮叶的作用力关系，为了获得水力F对轮叶的最大撞击力，轮叶与轮环的夹角是越小越好，当这个角度为0时，轮叶所获得的压力达最大值。但是，这时力F22却为0值，根本没有使轮环转动的力，这也不符合要求。因此，从理论上分析这个角度以0°至90°的中间值45°度为最合理。但实际上还不完全是这样，当水流力作用于轮叶时，它还有一个被轮叶反作用的分力F1，这个力被轮叶面反射后与分布在轮叶面的水体的力f仍然对轮叶产生一个撞击力，但这个f力因其滞后性会小于分力F1的值，当轮叶运动后，其运动速度越快，这个力就越小。同时力f还会受到垂直于轮环圆平面的水流力(即F)的作用，使其力向倾斜成f1，因而使分力F1的方向与f1之间形成一个夹角，这个夹角越接近直线，在轮叶上形成的合力越大。而要使这个力越大，只能调整轮叶(1)的角度，而f1的力向是不可依靠人力方法予以调整的，所以，从这个力的角度考虑，应使轮叶与轮环的夹角越小越好。在图表中用F1+f1合值表示能量的利用率，用F1+f1线表示。

另外，在轮叶受到水力作用运动时，在水流尾部即水流的下游还会产生一条拖曳线L，在拖曳线与轮叶线之间形成一个气蚀范围，拖曳线与轮叶线之间的夹角即拖曳角β，这个角度是消耗水力的一个重要因素，角度越大，消耗能量越大，且这个角度与轮叶与轮环之夹角的值成正比，因此，要减少β的值，就应该减少轮叶与轮环的夹角α的值，以增加水能利用率。在图表中用β反值表示能量的利用率，用-β线表示。

而轮叶后面的阻力在水流静止时与前面的推力相抵等于0，当水流运动时，它是随水流流动的，一般情况可忽略不计。将其纳入考虑范围时，其阻力的大小与α成正比，α值越小，其阻力就越小，在图表中用-f线表示。

水流力线用F线表示。

将上述各个力值以图表分析可知，轮叶(1)与轮环(2)的夹角值在稍小于45°为最适合。但过小会增加无轴水轮机上各个部件的强度负担，同时也对用于安装无轴水轮机的机架的强度要求更高，增加设备成本和建造难度，反而会降低经济效益。

在上述各个实施例中，发电机发出的电能可以单供电力机械直接使用，也可以通过充电器将电能储存到蓄电池中，经电源逆变装置逆变、升压后并入大电网，发挥更稳定的供电效果。

如果在安装发电机的位置安装流体(气体或液体)压缩机，然后将经压缩的流体输入到储能器储存，经流体调节器调节后，带动气动马达，再由气动马达带动发电机发电，由储能器、流体调节器代替蓄电池和电源逆变装置，这样发出的电能较稳定，更利于向电网供电，经济效益会更好。

如果在上述无轴水轮机的实施例中的发电机位置以电动机代替，反过来由电动机带动无轴水轮机运转，即成为一种无轴水泵，其排水功率较大，但因其转速较而扬程较低，适宜对水泵扬程要求不高的地方使用，更适宜在水体内杂质较多的环境中使用(但必须做好外护壳与轮环之间的密封)。这种形式的无轴水泵也属于本发明的范畴。

本发明的无轴水轮机中的各个部件不局限于说明书中所述的几种形式，只要是在叶轮的中心部位没有机轴的水轮机，均属于本发明的范畴。而凡利用本发明提供的无轴水轮机做为水能动力机械，亦属于无轴水轮机的使用范畴。

Claims (9)

1.一种无轴水轮机，其特征是：水轮机的中心部位没有轮轴，轮叶(1)的根部固定在一个圆形的轮环(2)的内圆面，轮叶(1)的头部呈向心状态朝向轮环(2)的圆心，轮叶(1)在轮环(2)上的安装线与轮环(2)的环平面有一个夹角(α)，轮环(2)的外圆面有限位环(5)和动力输出轮(3)，限位环(3)与圆环支架(6)之间有轴承(4)。

2.根据权利要求1所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：将一台或多台无轴水轮机安装在由水底基础(10)、立柱(12)和横梁(13)组成的机架上，立柱(12)的上部有设备平台(20)，平台(20)上有变速装置(14)和发电机(15)，由传动轴(100)、传动轮A(101)、传动轮B(102)将无轴水轮机的动力输出轮(3)与变速装置(14)联接，变速装置(14)与发电机(15)联接，组成一个无轴水轮发电机组。

3.根据权利要求1所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：无轴水轮机安装在扁担梁(123)的两端，扁担梁安装在水底基础(10)上的立柱(12)的外面的套筒(121)上，无轴水轮机的动力输出轮(3)通过传动轴(100)、传动轮A(101)、传动轮B(102)、套轮组合(32)、圆盘状双面齿轮(22)一系列中间传动装置，与平台(20)上的变速装置(14)联接，变速装置与发电机(15)联接。

4.根据权利要求1所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：在海洋底有基础(10)，基础上有立柱(12)，立柱上有轴梁(81)，轴梁连接摆动机架(80)，摆动机架上有无轴水轮机和浮体(82)，变速器、发电机总成(145)安装在摆动机架(80)上与无轴水轮机接近的地方。

5.根据权利要求1所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：在水坝(90)上有闸槽(92)，无轴水轮机的外护壳(7)上有闸楔(91)，闸楔(91)安装在闸槽(92)内，无轴水轮机的动力经传动轮(102)输出。

6.根据权利要求1所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：在江河的岸边水底有基础(10)，基础上有立柱(12)，立柱外有套筒(121)，在套筒上有扁担梁(123)组成的机架，在机架上有无轴水轮机，套筒(121)上端至扁担梁(123)的远端有拉杆(124)，机架后面有伸缩式支撑装置(111)。

7.根据权利要求1或权利要求3所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：在扁担梁(123)的中部与立柱(20)对应的位置装有舵板(21)。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的无轴水轮机的使用方法，其特征是：在发电机(15)的位置安装流体(气体或液体)压缩机代替发电机，由压缩流体驱动流体马达，由流体马达带动发电机发电。本特征同样适用于第2、3、4项权利要求。

9.一种适用于权利要求1的自动调速调能装置，其特征是：在变速器(14)的变速后轴(141)上有一固定卡盘(51)，固定卡盘由活动销(52)与甩杆(53)连接，甩杆上有甩球(54)，甩杆(53)中部连接拉杆(55)，拉杆连接滑动盘(56)，滑动盘连接滑动长轮(57)，滑动长轮(57)的外围有二个以上的接触传动齿轮(58)，接触传动齿轮(58)分别与发电机或其它做功机械连接。

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