CN201090364Y - 斧式水轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水轮机技术领域，具体的说，是一种把河道低落差流水能量传给发电机发电的斧式水轮机。斧式水轮机由钢轴、斧式叶片、安装曲柄、升降机构、传动应变机构等组成。加工完好的长1000mm、宽300mm其根部和安装曲柄焊接在一起的斧式叶片。用螺栓把这些斧式叶片以400mm轴长为一组，每组五片等角辐射安装在已加工有若干组螺栓眼孔的一根足够长的钢轴上。斧式叶片的迎水面呈梭形密封槽，最大限度的接收流水的能量。斧式叶片的背水面呈斧形且由根部到端部有一条很窄的斧刃，增加了叶片的抗弯折强度。升降机构解决了因水位发生变化斧式水轮机所需要的升降问题。传动应变机构保证斧式水轮机能量的正常输出。

Description

斧式水轮机

技术领域：

本实用新型涉及水轮机技术领域，具体的说，是一种把河道低落差流水能量传给发电机发电的斧式水轮机。

技术背景：

古式水轮车是中国古代最早水能源的利用。也是低落差水轮机的最早代表，在人类发展史上起到了重要作用。古式水轮车的构造比较简单：一个直径很大的木质轮在轮的周边安装无数的木板以接受来自河道低落差流水的动力使大木轮旋转，再通过轮上的水槽把河水提到高处由水渠灌入良田。古式水轮车由于木轮直径很大，其转速很慢。它所获得的动力较小，因此不适应带动较大功率的机器运作。这就是低落差水利发电历史上被人类忽视的原因。

我国水利资源非常丰富，大江大河遍布全国各地，水利开发建设快速发展，水利发电突飞猛进。但是当前的水力发电都采用高落差水利发电技术，即把大江大河利用堤坝提高其水位，然后利用水的自由落下产生的高落差动力推动“轴流式水轮机”、“混流式水轮机”旋转带动发电机发电。高落差水流发电的优势是由于水位高落差大获取水的能量大，因此，高落差水动力可以带动大型发电机发电。尽管水库投资很大，但建成后可长期开发电力很受人类青睐。但美中不足的是堤坝修建工期长、困难大、投资大，且对地理环境、自然环境、人类居住环境都造成较大的影响和改变，甚至对陆地板块也造成一定的影响。而大江大河河道的低落差流水蕴藏着巨大的水能量，但有史以来它所产生的能量都白白的跑掉了。大江大河低落差流水所产生的能量是大自然送给人类无价、巨大、无污染、无穷无尽的能源。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种斧式水轮机，把它安装在河道低落差水流中，在水流的能量作用下推动其叶片产生旋转机械能，再通过动力传动机构传输给发电机发电，以开发大型河道低落差水利发电工程。因此，斧式水轮机可以带动较大功率的发电机运转。

斧式水轮机的技术方案：

斧式水轮机由钢轴、斧式叶片、安装曲柄、升降机构、传动应变机构等组成。

加工完好的长1000mm、宽300mm其根部和安装曲柄焊接在一起的斧式叶片。用螺栓把这些斧式叶片以400mm轴长为一组，每组五片，共100片斧式叶片以相等角度辐射安装在已加工有20组螺栓眼孔的一根足够长(如十米)的钢轴上。钢轴的一端装有轴承座的轴承，另一端安装有相同型号的轴承、防水密封圈、轴端装有直径500mm且于有足够强度承载能力的伞形齿轮。

在河道的两条平行的墩墙上分别安装有龙门，把两根套装有平台的螺旋丝杠垂直的安装在龙门内。在平台的中间部位安装有轴承座，是钢轴上两轴承的配套部件，也就是说斧式水轮机的整体结构安装在两平台上。

传动应变机构安装在斧式水轮机伞形齿轮的正面，升降伞齿轮套装在升降齿轮轴上，而升降齿轮轴垂直安装在应变机构框架内。目的是保证升降伞齿轮和伞形齿轮成直角捏合并适应斧式水轮机的升降变化。升降齿轮轴的上端安装有变速齿轮，变速齿轮和传动变速机构连接，以进一步提高斧式水轮机的转速。

传动变速机构和发电机系统相联接，把斧式水轮机传来的能量传给发电机发电。

具体地说：钢轴是斧式水轮机的主体部件，是安装斧式叶片、轴承、伞形齿轮的载体，也是把水流能量转化为旋转机械能的部件。

其形状是：一根足够长的钢轴(如十米)它的直径大小要由承载所有叶片重量条件下不弯曲不变形来决定。在轴的两端加工成和所安装的轴承内径相同的轴径。

斧式叶片的形状为斧型和流线型，槽口密封。斧式叶片的宽度为300mm。从根部到端部是其长度，为1000mm。安装曲柄是安装斧式叶片的连接部件，和斧式叶片焊接在一起，用螺栓安装在钢轴上。其形状是：一面呈内圆弧形的长方形厚铁板，在铁板上加工有一对和钢轴上的螺栓眼孔相对应的等径螺栓眼孔。

伞形齿轮是直径500mm的具有足够强度载荷能力的能量输出部件。

龙门是斧式水轮机升降机构的载体，也是斧式水轮机的载体。

龙门是由大工字钢焊接及用大的螺栓组装连接而组成的框架，龙门必须用大型螺栓牢固的安装在墙墩上。

斧式水轮机的升降机构安装在龙门内。升降机构由平台和两根大直径螺旋丝杠组成。平台和螺旋丝杠是斧式水轮机的载体。两根螺旋丝杠的上下两端用轴承平行的垂直安装在龙门横梁和墩墙上。螺旋丝杠的上端高出龙门上梁的部分安装驱动齿轮。两螺旋丝杠的直径相同，螺纹相同。平台的两端加工有螺纹光孔，螺纹光孔的直径和螺旋丝杠的直径相等，其螺纹和螺旋丝杠的螺纹相同。两根螺旋丝杠分别插装在平台的两螺纹光孔内，即平台在两螺旋丝杠转动时能随意上下移动。

平台上平面的中间部位安装有轴承座，是斧式水轮机钢轴上轴承的同一配套部件。因此，平台是斧式水轮机的载体。

驱动齿轮：两驱动齿轮的直径、齿数完全相同，分别安装在两根螺旋丝杠的顶端。在两驱动齿轮的中间安装有驱动主齿轮，并且和驱动主齿轮的轮齿相啮合，驱动主齿轮由电动机来驱动。电动机安装有反向控制器，可以根据需要进行正反两个方向的转动操作。

平台的上下移动：当俯视龙门时驱动主齿轮在电动机的驱动下做顺时针转动，这时两驱动齿轮在主驱动齿轮的作用下同时作逆时针转动，两螺旋丝杠自然同时作逆时针转动，平台随之缓慢上升，斧式水轮机同时缓缓上升。反之，驱动主齿轮做逆时针转动，两螺旋丝杠作顺时针转动，平台则缓缓下降，斧式水轮机随之缓缓下降。

当然，斧式水轮机的上升或下降需要水轮机两端两个平台的同步运作，因此，两龙门上的电动机应该用同一个通电开关控制操作，保证斧式水轮机的两端同步上下移动。

升降机构的作用：

升降机构解决了因水位发生变化斧式水轮机所需要的升降问题。并为安装、维修创造了条件。

斧式水轮机的动力传动系统

目的是把斧式水轮机产生的动力传递给发电机发电。但必须完成下面两个目标。

一、由于斧式水轮机随着河道水位的升高而升高，随着水位的下降而下降，因此，斧式水轮机的传动机构必须适应这一特殊环境。

二、由于斧式水轮机的转速不适应发电机每秒五十转的实际需要，因此斧式水轮机的传动机构还必须完成提高转速的目的。

要解决这两个问题必须依靠：传动应变机构、传动变速机构。

传动应变机构：

由内径加工有限空转卡桩的升降伞齿轮、轴杆上加工有凹槽的升降齿轮轴、应变机构框架、变速齿轮组成

应变机构框架垂直安装在斧式水轮机伞形齿轮正面，升降齿轮轴安装在应变机构框架内。目的是实现升降伞齿轮和斧式水轮机上安装的伞形齿轮成直角啮合。应变机构框架的最低位置是：保证升降伞齿轮与伞形齿轮的最低位置时的直角啮合。升降伞齿轮套装在升降齿轮轴上，升降伞齿轮内径加工有条形限空转卡桩并卡装在升降齿轮轴的凹槽内，确保升降伞齿轮和升降齿轮轴的同步转动。当然，当升降伞齿轮在升降齿轮轴上的位置确定之后必须用固定螺栓加以固定，防止运转时升降伞齿轮的滑脱。升降齿轮轴两端用轴承安装在应变机构框架内。升降齿轮轴上端露出固定支架外部分安装有变速齿轮，变速齿轮是连接传动变速机构的部件。变速齿轮的直径要大于升降伞齿轮，目的是为进一步提高斧式水轮机的转速。

传动应变机构的作用：

传动应变机构保证了能量的正常输出，很好适应了斧式水轮机因水位发生高低变化的特殊环境。传动应变机构实现了转速的第一次提高。

传动变速机构的作用：

传动变速机构是把传动应变机构传来的能量传递给发电机发电。同时通过各齿轮间齿数比例变化进一步实现斧式水轮机增速的目的。

斧式水轮机的有益效果：

斧式水轮机是把大江大河低落差流水能量转换为机械能传给发电机发电的设备。斧式水轮机结构简单，加工制造工艺简单，因此可以迅速投入批量生产。斧式水轮机的叶片以辐射状安装在同一根钢轴上，它旋转半径小、转速快、获取流水的能量大，因此，斧式水轮机可以带动较大功率发电机发电。大江大河的大部分河段都可开发水利发电工程，特别是中上游河段将是最佳选择。投资小、工期短、施工难度较小，对河道及大河两岸的自然环境、人居环境都无不良改变。另外，中小河流也可开发中小型水利发电工程，发展地方电力事业，解决偏远山区的电力需求。因此，斧式水轮机把河道低落差流水能量传给发电机发电是可行的。

附图说明：

图1是本实用新型斧式水轮机的整体示意图。

图2是本实用新型斧式叶片总成的俯视示意图。

图3是本实用新型的斧式叶片正视示意图。

图4是本实用新型的传动应变机构示意图

图5是本实用新型滑动伞齿轮9的示意图：

图6是本实用新型滑动轴杆10的截面示意图：

图7是本实用新型传动变速机构示意图：

图8是本实用新型龙门框架20和升降机构示意图。

具体实施方式：

斧式水轮机的技术方案：

加工完好的长1000mm、宽300mm其根部和安装曲柄2焊接在一起的斧式叶片1。用螺栓把这些斧式叶片1以400mm轴长为一组，每组五片，以相等角度辐射安装在已加工有若干组螺栓眼孔3的一根足够长的钢轴6上，。钢轴6的一端安装有轴承座的轴承4，另一端安装有相同型号的轴承4、防水密封圈5，端部装有直径500mm的伞形齿轮7。

在河道的两条平行的墩墙25上分别安装有龙门20，把两根套装有平台22的螺旋丝杠21垂直的安装在龙门20内。在平台22的中间部位安装有轴承座4，是钢轴6上轴承4的配套部件，也就是说斧式水轮机的整体结构安装在两平台22上。

传动应变机构安装在斧式水轮机伞形齿轮7的正面，升降伞齿轮9套装在升降齿轮轴10上，升降齿轮轴10垂直安装在应变机构框架11内。目的是保证升降伞齿轮9和伞形齿轮7在任意高度的直角捏合，以适应斧式水轮机的升降变化。升降齿轮轴10的上端安装有变速齿轮8，变速齿轮8和传动变速机构连接。

传动变速机构和发电机系统相联接，把斧式水轮机传来的能量传给发电机发电。

对各部件的具体描述：

结合图1

钢轴6：

其形状是：一根足够长的钢轴6(如十米)它的直径大小要由承载所有叶片1重量条件下不弯曲、不变形来决定。在钢轴6的一端加工有和轴承4内径相同的轴径，用以安装轴承4。在钢轴6的另一端到安装轴承4的位置也加工有和轴承4内经相同的轴径，用以安装另一轴承4、防水密封圈5、伞形齿轮7。轴承4的位置在墩墙25宽度的中心位置，即伞形齿轮7安装后伞形齿轮7内侧到安装斧式叶片1的中心位置。两轴承4的距离是两墩墙25的中心距离。在钢轴6上两轴承4距离的中点位置的两侧以轴长400mm为一组，共加工20组用以安装斧式叶片1的螺栓眼孔3。每组五对螺栓眼孔3以钢轴6圆周周长的五分之一等弧平行加工在钢轴6上。螺栓眼孔3的直径和安装曲柄2的螺栓眼孔3的直径相等。

斧式叶片1

斧式叶片1以每组五片相等的角度辐射安装在钢轴6上。

轴承4

轴承4的位置确定是在一根足够长的钢轴6上限定斧式叶片1安装组数的范围。也是对两墩墙25的平行距离的限定。

防水密封圈5安装在轴承4和伞形齿轮7的中间位置。

伞形齿轮7

伞形齿轮7是大直径的伞形齿轮。它安装在钢轴6的一端。伞形齿轮7和升降伞齿轮9成直角啮合。

结合图2

斧式叶片1形状为斧型和流线型，槽口密封。安装曲柄2由长方体的厚铁板制成。长度和斧式叶片1根部长度相等。它是斧式叶片1和钢轴6的连接部件，安装曲柄2的内面为内圆弧形状，它的圆弧半径和钢轴6的外圆半径相等。安装曲柄2的上面呈平面，和斧式叶片1的根部焊接在一起。安装曲柄2的中心点两侧相等距离各加工有螺栓光孔3，其直径和钢轴6上的螺拴眼孔3直径相等，两螺栓光孔3的距离和钢轴6上两螺栓眼孔3的距离相等

结合图3

密封槽最宽距离是斧式叶片1的宽度为300mm，从叶片根部到叶片端部是斧式叶片1的长度为1000mm。

结合图8

龙门20和升降机构：

龙门20由大工字钢焊接或由大号螺栓连接组成。根据本文斧式水轮机的设计要求，龙门20的跨度应保证平台22的安装和上下移动正常运行。其高度必须根据河道常年水位变化的实际情况来决定。

升降机构安装在龙门20内，其中螺旋丝杠21用直径较大的钢柱加工制成。两根螺旋丝杠21的设计加工完全一致。其高度应根据龙门20的高度来决定。平台22用长方体的铸铁加工制成。在平台的两端内各有一个螺纹光孔，螺纹光孔的直径和螺旋丝杠21的直径相等，螺纹和螺旋丝杠21的螺纹一致，平台22水平安装在两螺旋丝杠21上，确保在螺旋丝杠21转动时的上下移动自如。在平台22上的中心位置安装有轴承座4。安装轴承座4的两个螺栓的圆心连线必须和平台22两螺纹光孔的圆心在同一条直线上。轴承座4和钢轴6上的轴承4是整体配套部件。因此，平台22是斧式水轮机的载体。平台22的长、宽、高应在确保承受斧式水轮机的全部荷载来决定。

两驱动齿轮23分别安装在两螺旋丝杠21的顶端。驱动主齿轮24安装在两驱动齿轮23的中间部位并相互啮合。驱动主齿轮24在较大功率电动机的驱动下转动。驱动主齿轮24的直径远远的小于两驱动齿轮23的直径。两驱动齿轮23的直径必须相等。

墩墙25似桥墩的墙，由钢筋水泥浇灌筑成，墩墙25的高度以该河段的最低水位来决定；长度由安装斧式水轮机的台数来决定；墩强隐藏在河道水下。

结合图4

传动应变机构：

传动应变机构由升降伞齿轮9、升降齿轮轴10、应变机构框架11、变速齿轮8组成。升降伞齿轮9和伞形齿轮7成直角啮合。升降伞齿轮9的直径要小于伞形齿轮7的直径，目的是提高转速。升降伞齿轮9套装在升降齿轮轴10上，并可延升降齿轮轴10上下移动。

应变机构框架11由槽钢焊接组成的四边框架，它牢固的安装在和敦墙连接在一起的钢筋水泥浇筑平台上。它是传动应变机构的载体。是升降伞齿轮9和伞形齿轮7在任何高度时都能正常啮合的保证。

变速齿轮8安装在升降轴杆10的顶端，是传动应变机构和传动变速机构的连接部件。

结合图5

升降伞齿轮9：

升降伞齿轮9内径设有限空转卡桩12，卡装在升降齿轮轴10的凹槽13的槽内，目的是保证升降伞齿轮9和升降齿轮轴10的同步转动。限空转卡桩12的宽、高尺寸和凹槽13的宽、高尺寸基本相等，目的是保证升降伞齿轮9和升降齿轮轴10不产生丝毫的松动。升降齿轮轴10的高度和凹槽13的长度必须满足斧式水轮机随水位高低变化时升降伞齿轮9上下移动的需要。

结合图6

升降齿轮轴10的截面示意：

升降齿轮轴10上延轴的长度加工有凹槽13，和升降伞齿轮9上限空转卡桩12相匹配，是保证升降伞齿轮9在升降齿轮轴10上任意位置的同步转动。

结合图7

传动变速机构：

传动变速机构由变速主齿轮、变速伞齿论14、高速伞齿轮15、主传动轴、变速机构框架16、定速齿轮17、变速二轴、变速伞齿轮18高速伞齿轮19组成。

变速一轴的一端装有变速主齿轮和传动应变机构的变速齿轮8相啮合。另一端安装有变速扇齿轮14。

变速伞齿轮14和高速伞齿轮15啮合。

高速伞齿轮15固装在主传动轴上，其直径比变速伞齿轮14的直径要小。

主传动轴安装在变速机构框架16内，其中一端露出在变速机构框架16外部分以安装定速齿轮17。

定速齿轮17是斧式水轮机最后能量输出的部件，是最终提高斧式水轮机转速达到每秒五十转目的的部件。是和发电机能量输入系统最后相连的部件。

变速二轴上的变速伞齿轮18、高速伞齿轮19是另一台斧式水轮机传动变速机构的传动变速部件，是为两台斧式水轮机共侍一台发电机而设计的。当然，如不需要两台斧式水轮机共侍一台发电机发电时变速二轴上的变速伞齿轮18、高速伞齿轮19都可以不安装。

连接：

在两条墩墙25上分别安装龙门20。然后把升降机构安装在龙门20内。两平台22均都提升到最高位置。

用吊车把斧式水轮机安装在同一高度的两平台22上。钢轴6两端上的轴承4落座在两平台22的轴承座4内并紧固轴承4座盖螺栓。安装并连接传动应变机构和传动变速机构。升降伞齿轮9在升降齿轮轴10呈滑动状态，固定螺栓暂时不能紧固。连接好电动机的通电设施。

最后实施：

按下电动机电源开关，斧式水轮机两端龙门20上的两主驱动齿轮24在两台电动机同时的驱动下做逆时针转动，这时驱动齿轮23带动螺旋丝杠21同时作顺时针转动，平台22载着斧式水轮机缓缓落下。在斧式叶片1接触到水面的时候斧式水轮机就开始旋转。在斧式水轮机钢轴6到达水面位置时要及时标记好升降伞齿轮9在升降齿轮轴10上的具体位置，然后斧式水轮机继续下降到底部。这时把升降伞齿轮9紧固在升降齿轮轴10已经标记好的位置上。最后斧式水轮机缓缓上升到升降伞齿轮9和伞形齿轮7的完全正常啮合的高度位置。

这时斧式水轮机各部件运转正常，然后接通和发电机的连接部件。

斧式水轮机和发电机的最后动力连接部件可采用离合器来完成。

Claims (5)

1.一种斧式水轮机，由钢轴、安装曲柄、斧式叶片、伞形齿轮、龙门、升降机构、传动应变机构、传动变速机构等组成，其特征在于斧式叶片其根部和安装曲柄焊接在一起，用螺栓把若干组斧式叶片以每组五片辐射安装在一根钢轴上，钢轴的一端安装有轴承，另一端安装有相同型号的轴承、防水密封圈及伞形齿轮，在墩墙上分别安装龙门，把两根套装有平台的螺旋丝杠垂直的安装在龙门内，在平台的中间部位安装有轴承座，传动应变机构安装在斧式水轮机伞形齿轮的正面，加工有限空转卡桩的升降伞齿轮套装在加工有凹槽的升降齿轮轴上，而升降齿轮轴垂直安装在应变机构框架内，升降齿轮轴的上端安装有变速齿轮，变速齿轮和传动变速机构连接，传动变速机构和发电机系统相联接。

2.根据权利要求1所述的斧式水轮机，其特征在于在钢轴上设有若干组安装斧式叶片的螺栓眼孔。

3.根据权利要求1所述的斧式水轮机，其特征在于安装曲柄设有和钢轴上螺栓眼孔相匹配的两螺栓光孔，是内面为圆弧形状，其圆弧半径和钢轴外圆半径相等的长圆弧形厚铁板。

4.根据权利要求1所述的斧式水轮机，其特征在于斧式叶片长1000mm、宽300mm。

5.根据权利要求1所述的斧式水轮机，其特征在于伞形齿轮是直径500mm的能量输出部件。

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