CN201351569Y - 梯形囤船水电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种梯形囤船水电站，主要是利用自然界水流形成的能量转化为电能的装置。本实用新型的主要技术特征在于：通过两端有固定桩的跨江钢绳、船头斜拉线、锚杆、横拉线固定梯形囤船。梯形囤船两边船舷安装多组V形叶片的冲动式水轮机。V形叶片安装在叶轮上，叶轮内有钢梁、内圈、轴承、轮轴组成。每个水轮机的轮轴安装在船舷和船内轴柱中间的滑道里，轴柱上下部位有固定轮轴高低位置的闩钉孔和活动闩钉。驱动轮与被动轮啮合，传动轴上的斜齿轮与传动总轴的斜齿轮啮合。组合式的各轴连接处用万向节机件连接。每个水轮机的动力通过轮轴、传动轴、传动总轴、过轮、传给变速器带动发电机发电。本实用新型的有益效果在于将存在的自然现象加以利用，使之能转化为可供人们使用的清洁能源。

Description

梯形囤船水电站

技术领域

本实用新型涉及一种能量转化的装置，其主要是利用自然界水流的动力转化为电能的装置。

背景技术

滔滔的江水，奔流不息，咆哮的波涛汹涌澎湃，奔泻的流水蕴藏着惊人的能量。河水暴涨，惊涛的洪水能毁坏房屋，冲毁良田，破坏桥梁......。在江河某些弯道的河段，一夜之间，洪水能搬走或者搬来几百吨、几千吨、甚至几万吨的沙、卵石。建水电站，垒围堰搞截流时，急流的江水能冲走或者冲动10吨、20吨的组合石头。长江的江水每年就要把4亿3000万吨的泥沙运输到河口和海里去，世界上每年共有160亿立方米的泥沙被江水带入海中。但在人们的操控下，它也非常温顺听话，可以昼夜不停的冲动大型单机容量800mw的水轮发电机发电，年发电量可达38.375亿度，为人们作出无穷的贡献。

水能这惊人的动力，确是我们理想的巨大的再生的清洁能源。我们伟大的祖国有较大的河流1500多条，世界第三大河流的长江，水力的潜在能力就大约等于美国水力资源的9倍，我国蕴藏的水力资源达6.8亿千瓦，居世界之冠。当今社会，人口众多，能源缺乏，寻找新能源，实施节能减排，保护地球生态平衡，净化人类生存环境，造福人类，因此我们必须走创新之路，科学、合理、巧妙地开发利用水能，这是我们每个公民的重任。

目前用常规的筑坝蓄水，人造落差的方法修建一座大、中型水电站，略谈它淹没大量的土地和良田，就是开始的基础建设，修道路、架桥梁、凿隧道、修涵洞、移坡填谷、治理边坡防护工程、建住房、修水渠、修地下厂房引水发电系统、挖掘引航道、沙石加工输送系统、混凝土生产系统，然后垒围堰，筑堤坝等等。这些复杂的，浩大的工程项目，耗时较长，耗资巨大，再说移民搬迁工作，这一世界性的难题，是党和政府最难做的一项极端艰巨的工作。原来修建一座大、中型水电站，一般规划在20年左右的时间，即是现在有比较先进的机械设备，但至少也得要几年或十几年的时间，这样的时间也实在是太漫长了。在当今世界激烈的、争分夺秒的竞争年代，赢得时间就是胜利，赢得时间就是财富，赢得了时间，就赢得了祖国的强大、民族的威望、人民的安宁......

为了充分利用我国丰富的水力资源来建设社会主义现代化强国，根据水流有巨大的能量，用跨江钢绳、斜拉线、锚杆、横拉线固定安装有多组V形叶片冲动式水轮机的梯形囤船。根据轮轴的原理，利用水流的冲击动力，推动水轮机V形叶片做功，这样驱动轮就得到了大于水施加在叶片上的力，通过传动变速装置，然后带动一定千瓦的发电机发电，经过升压输送，降压处理，最后得到供人们使用的电能。下面通过实验测量计算来说明。

测量水每秒钟的流速

在江河边选一段水流比较规则的水面，先用皮尺在江岸边量出一定的长度，然后把漂浮物甩在水面上，用秒表测出漂浮物从起点到止点所需要的时间，这样我们就能计算出每秒钟的流速。

测量水流对微型水轮机V形叶片的冲击压力：

自制一个微型的冲动式水轮机，叶片做成V形(实验时只安装一片叶片)。在轮轴支架上左边做一个放弹簧秤的平板，平板尾端做一个固定的钩，轮轴左段的中间处做一个固定的钉。测量时弹簧秤下端的钩挂在平板尾端的固定钩上，弹簧秤上端提环用软绳与轴左段固定的钉连接，当水流冲击V形叶片时，水轮机轴的阻力臂和V形叶片的动力臂都绕支点旋转，这样连接弹簧秤的软绳绕在随同旋转的轴上，水流使V形叶片转动的冲击力，弹簧秤上的指针就指示出来了。根据轮轴的原理：“轮半径是轴半径的几倍，作用在轮上的力就是轴半径阻力的几分之一”。通过计算我们就能得出水流对微型水轮机一片V形叶片的冲击压力。

计算水流对微型水轮机V形叶片的冲击压强

例：江水9秒钟流了10m长的距离。V形叶片长5cm、宽12cm，“假设的轮半径”8cm，轴半径1.15cm。测量时弹簧秤的指针点在3kg的刻度上，求水流对微型水轮机V形叶片的冲击压强有多大？

实验用的微型水轮机，由于V形叶片是安装在轴上两端的叶柱上，叶柱上的刻度，就是安装叶片叶轮半径大小的数字，目的是为了做实验时可以任意调节叶片与轮轴的距离，即可以任意调节轮半径与轴半径的比值。测量时水流作用在整片叶片面积上，这样叶片长度的上下两端离轴就有远近两点，为了计算轮半径是轴半径的多少倍？这里的轮半径就要以V形叶片长度的中点为准，即V形叶片长度的1/2加上叶柱刻度数，叶柱刻度数为5.5cm。这个轮半径与安装叶片叶轮的半径是不同的，为了不混淆，我们称它为“假设的轮半径”。

假设的轮半径：5.5cm+5cm÷2＝8cm

水的流速： $\mathrm{\υ}=\frac{10m}{9s}\≈1.111m/s$

假设的轮半径是轴半径的多少倍？8cm÷1.15cm≈6.9561.11m/s的水流对V形叶片的冲击压力：3kg÷6.956≈0.4312kg

已知：F≈0.4312kg    叶片长5cm    宽12cm

求：P

解S＝5cm×12cm＝60cm² $P=\frac{F}{S}=\frac{0.4312\mathrm{kg}}{{60\mathrm{cm}}^2}\≈0.0071\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2$

答：流速为1.111m/s的水，对微型水轮机V形叶片的冲击压强为0.0071kg/cm²。

用上面原始的土办法计算水流的快慢，它对微型水轮机V形叶片产生压强的大小为：

水的流速	对微型水轮机V形叶片产生的压强
		0.370m/s	≈0.0011kg/cm2
0.555m/s	≈0.0029kg/cm2
		0.833m/s	≈0.0038kg/cm2
1.75m/s	≈0.0227kg/cm2
		3.65m/s	≈0.0377kg/cm2

求1组水轮机驱动轮获得的动力

例：水的流速为1.111m/s，对水轮机V形叶片的冲击压强为0.0071kg/cm²，设水轮机的轮半径100cm，轮轴上的驱动轮半径10cm(轴半径)，1片V形叶片的面积150cm×150cm，1个水轮机14片叶片，囤船左右两边的两个水轮机称为1组水轮机。1个水轮机做有效功叶片的面积大概是1个水轮机总叶片面积的28.8％，求这组水轮机驱动轮获得的总动力有多大？

假设的轮半径：100cm+150cm÷2＝175cm

假设的轮半径是轴半径的多少倍？175cm÷10cm＝17.5

已知：P≈0.0071kg/cm²

1片叶片的面积：150cm×150cm＝22500cm²

1个水轮机做有效功叶片的总面积：

S＝150cm×150cm×14×28.8％＝90720cm²

求：F

解：F＝0.0071kg/cm²×90720cm2×2×17.5＝22543.9kg

答：这组水轮机驱动轮获得的总动力是22543.9kg

水流速的快慢，流量的大小，做有效功叶片面积的大小，轮半径与轴半径倍数的大小，它们与驱动轮所获得的动力成正比。水轮机是安装在梯形囤船船舷的两边，这样V形叶片面积的大小不受空间的限制，叶片的面积可以适当的增大缩小，在驱动轮上我们就可以得到需要大小的动力。通过计算，在梯形囤船上安装V形叶片的冲动式水轮机能获得很大的动力，我们完全可以用它的动力来带动发电机发电。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种梯形囤船水电站对祖国丰富的水能资源加以开发利用。

本实用新型提供一种梯形囤船水电站的技术方案是：通过两端有固定桩的跨江钢绳、船头斜拉线、船头船尾锚杆、横拉线固定梯形囤船。梯形囤船左右两边船舷安装多组V形叶片的冲动式水轮机。水轮机包括V形叶片、叶轮、钢梁、内圈、轴承、轮轴。每个水轮机的轮轴安装在船舷和船内轴柱中间的滑道里，每根轴柱上下部位有固定轮轴的闩钉孔和活动闩钉，驱动轮与被动轮啮合，传动轴上的斜齿轮与传动总轴的斜齿轮啮合，各个水轮机的动力通过传动总轴的过轮传给变速器带动发电机发电。

本实用新型的有益效果在于将存在的自然现象加以利用，使之能转化为可供人们使用的清洁能源。

附图说明

图为梯形囤船与船上配套设备及其电站结构图：

在图中，梯形囤船1，船头横拉线2，船头横拉线柱3，V形叶片4，轮轴轴柱5，轮轴滑道6，头舱江水装卸口7，轴承8，避雷杆避雷针9，滑道活动闩钉10，发电机11，升压变压器12，底舱舱格13，电杆14，工人生活检修工具房15，船尾右舱江水装卸口16，电杆横梁17，高压输电线18，1次高压变电所19，2次高压变电所20，工厂21，低压变电所22，一般用电客户23，小船小钢绳24，小船25，船尾横拉线26，船尾右角锚杆27，梯子28，轮轴29，驱动轮30，门31，被动轮32，传动轴33，传动轴斜齿轮34，传动总轴斜齿轮35，船尾左角锚杆36，传动总轴37，叶轮38，船尾左舱江水装卸口39，变速器40，传动总轴过轮41，传动总轴轴柱42，叶轮内圈43，万向节44，船头锚杆45，叶轮圈梁46，船头斜拉线47，跨江钢绳48，跨江钢绳螺卡49，跨江钢绳固定桩50。

具体实施方式

设置在梯形囤船1左右两边船舷安装多组V形叶片4的冲动式水轮机，梯形囤船采用两端有固定桩50的跨江钢绳48，船头斜拉线47，船头锚杆45，船尾左角锚杆36，船尾右角锚杆27，船头横拉线2，船尾横拉线26固定梯形囤船。V形叶片4安装在叶轮38上，叶轮内有圈梁46，内圈43，轴承8，轮轴29安装在船舷和船内轮轴轴柱5中间的滑道6里，轮轴上移或者下移到一定位置，就用活动闩钉10插入闩钉孔里把轮轴固定在一定位置上。轮轴上的驱动轮30与传动轴33上的被动轮32啮合，传动轴上的斜齿轮34与传动总轴37上的斜齿轮35啮合，各个水轮机的动力通过传动总轴上的过轮41传给变速器40，变速器带动发电机11发电。

实施方式说明

采用梯形囤船的主要目的，是为了前面的水轮机与后面的水轮机错位，不在一条直线上做功，从而达到更有效地利用水流的冲击动力，提高水轮机的功率。另外梯形囤船从船头向船尾逐渐增加宽度，几乎成了一个等腰三角形的囤船，并船头、船尾共设有3处锚杆孔和锚杆，几何学告诉我们：“三脚能够支撑和稳定物体”。这样增强了囤船的稳定性，减少了囤船在急流中的颠簸。梯形囤船的底部设有头舱、中舱、尾左舱、尾右舱，除中舱外，它们都设有江水装卸口，主要是用来调节囤船的浮力和平衡，使囤船浮在要求的吃水线上，从而达到水轮机叶片与江水很好的配合来做有效的功。水轮机轮轴上的两个轴承是嵌在方框盒里，方框盒是安装在船舷和船内两个轴柱中间的滑道里，目的是使水轮机在顶层起重和吊装设备的作用下，使水轮机轮轴在滑道中上下移动到需要的位置，叶尖脱离水面，在活动闩钉的固定下，这样便于维修叶片或其它水轮机部件。并且也能够调节叶片与江水很好的配合来做有效的功。如果叶尖不脱离水面，在水流中安装或维修叶片及水轮机部件这是非常困难的。叶片脱离水面也便于用机动船长途拖运梯形囤船，可以象商品一样销售到各地有条件的地方去。如果有浅滩、瀑布的江河，囤船无法拖运去的地方，工厂可把一切配套的部件计划制造好后，可用陆地的运输工具运到目的地，然后拼装、组合、焊接安装。叶片采用V形，这样水流对叶片的冲击集中不分散，还可以减少叶片做功后退时水对叶片的阻力，从而减少能量的无益损耗，从力学的理论来讲，V形叶片增强了抗水的冲击强度。为了防止藤渣对V形叶片的裹缠，叶片上不需加其它加固件，一般的藤渣叶片能够甩掉，并且能够承受一般水流的冲击。实验告诉我们，V形叶片的背梁要与叶轮的圆心垂直安装在叶轮上，做功的效率最佳。囤船的顶层设有工人生活、检修工具房、起重吊装设备、避雷杆、避雷针等，如果是近距离的供电给用户，“箱区变电站”都配置在囤船的顶层上。为了加工、制造、运输方便，传动轴、传动总轴等长、大件都要制造成组合式的，各轴之间的连接处都要用“万向节”机件连接。传动总轴上的过轮与变速器连接，变速器通过齿轮或皮带轮把动力传给一定千瓦的发电机发电。在囤船内经升压变压器升压后，用高压输电线配合绝缘器材直接拉到岸上的电杆上，再安装到变电所，把高电压降低伏数，其中一部份送往需要高电压的工厂，另一部份送到低压变电所降到220/380伏特送往用户。

为了工人上下班方便，囤船尾部横拉线的一端固定在囤船尾部的桩上，另一端固定在岸上钢柱的钢环上(水涨水落钢环可在钢柱上上下滑动)，连接小船小钢绳的另一端的小钢环套在船尾横拉线上，这样上下班的工人就可以直接拉动船尾横拉线，小船就可以往返移动，工人就可以上下囤船。

造一艘囤船，比船上一切机械设备的制造，耗时都长，耗资都大，因此要尽可能的在囤船上多安装一组水轮机，要尽可能利用船内的一切空间。为了保护囤船和水轮机，延长它们的使用寿命，水轮机要用不锈钢或高强度的特殊塑料制造。为了防止水对船舶的腐蚀作用，减少某些贝壳和虫子附着在囤船上，最好在囤船的吃水线下面和水轮机上涂上有毒质的红色氧化铁、氧化铜油漆。梯形囤船水电站的各部件，在设计、制造、安装等方面，要尽可能的简单实用。

实验

科学技术是认真严肃的，一切都要通过实验进行验证。

首先在长方形微型囤船上(现在江河上一般的囤船形状)，安装第1组V形叶片的冲动式水轮机(以船头为第1组，船尾为第4组，每个水轮机8片V形叶片)。在水流中单独测量第1组时，弹簧秤上的指针点为750g，然后把其余3组都安装在微型囤船上，水流对第1组水轮机做功后，再对第2组水轮机做功，然后对第3组水轮机做功，这样水流由于受到1、2、3组水轮机V形叶片的阻力，水的流速减慢，单独测量第4组水轮机时，弹簧秤上的指针点为500g，比单独测量第1组水轮机少了250g，把1、2、3、4组水轮机的软绳一齐挂在弹簧秤上，当它们一齐转动时，弹簧秤上的指针点为1500g-1600g(弹簧秤指针摆的范围)。

不增减任何材料，把该长方形的微型囤船改为梯形囤船，在同一地点的水流中做实验，由于梯形囤船上的水轮机前后错位，它们没有在同一直线上转动，这时水流直接对每1个水轮机只做一次功，由于水流没有受阻，流速未减，1、2、3、4组水轮机一齐转动时，弹簧秤上的指针点为2000-2010g，比长方形微型囤船上水轮机的总动力增加了400多克。实验告诉我们，梯形囤船上的水轮机比长方形囤船上的水轮机做功的效率高。

计算梯形囤船上水轮机的动力

我们设梯形囤船长80m，船头宽3m，船尾宽50m，安装15组V形叶片的水轮机，叶轮半径100cm，驱动轮半径10cm(轴半径)，被动轮半径10cm，传动轴上的斜齿轮半径10cm，传动总轴上的斜齿轮半径10cm，传动总轴上的过轮半径10cm，每片V形叶片的面积150cm×150cm，每个水轮机安装14片V形叶片，如果水的流速为0.833m/s，传动总轴上的过轮能获得多大的动力？

1片V形叶片的面积：150cm×150cm＝22500cm²

1组水轮机V形叶片的面积：

22500cm²×14×2＝630000cm²

15组水轮机V形叶片的总面积：

630000cm2×15＝9450000cm²

15组水轮机V形叶片做有效功的面积：

9450000cm²×28.8％＝2721600cm²

假设的轮半径：100cm+150cm÷2＝175cm

假设的轮半径是过轮半径的多少倍？175cm×10cm＝17.5

这艘梯形囤船传动总轴上的过轮获得的动力：

0.0038kg×2721600cm2×17.5＝180986kg

如果水的流速为1.75m/s，这艘囤船上的传动总轴的过轮就能获得1081155kg的动力(但由于各部件的转动摩擦耗能，实际上传动总轴上的过轮获得的动力要少于这些数字)。获得了动力，就获得了能源，就可以带动一定千瓦的发电机发电。

Claims (1)

1、本实用新型涉及一种梯形囤船水电站，其特征是：设置在梯形囤船两边船舷安装多组V形叶片的冲动式水轮机，梯形囤船船头的斜拉线固定在两端有固定桩的跨江钢绳上，在船头和船尾的左右角没有锚杆孔和锚杆，船头船尾设有横位线；水轮机包括V形叶片、叶轮、圈梁、内圈、轴承、轮轴和驱动轮；V形叶片的背梁与叶轮圆心垂直安装在叶轮上；轮轴安装在船舷和船内轴柱中间的滑道里，轴桂上下部位设有闩钉孔和活动闩钉；轮轴上的驱动轮与传动轴上的被动轮啮合，传动轴上的斜齿轮与传动总轴上的斜齿轮啮合，组合式的各轴连接处用万向节机件连接，传动总轴上的过轮与变速器连接，变速器通过齿轮或皮带轮与发电机连接。

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