CN2334897Y - 浮力扬水装置 - Google Patents

Abstract

一种浮力扬水装置,该装置是利用具有一定落差和流量的水的势能使装置中具有适当体积、并能作升降运动的浮体从水中获得足够大的浮力作为动力工作,把水从低处源源水断的提升到高处的一种提水机械装置,包括至少由一个容器(2)、浮体(6)、活塞泵(8)、蓄能器(12)等组成的液压工作机构和换向阀(4)及与换向阀(4)相连接的杠杆机构(14)等组成的自动控制机构。该装置工作效率高,出水压力大、扬程高,广泛适用于在各种低落差、小流量的水源条件下工作。

Description

浮力扬水装置

一种扬水装置，特别是一种浮力扬水装置。该装置是利用具有一定落差和流量的水的势能使装置中具有适当体积、并能作升降运动的浮体从水中获得足够大的浮力作为动力工作，把水从低处源源不断地提升到高处的一种提水机械装置。

水利是农业的命脉，干旱缺水始终是威胁农业的主要灾害。提水、蓄水是农业抗御干旱灾害、保障生产的重大课题。对农业和整个国民经济都有着十分重要的意义。

提水蓄水需要能源。在自然界，有着分布广泛的、无以计数的小河小溪，它们蕴藏着大量的低能量能源。长期以来，人们在这些小河小溪上节节筑堤修堰，拦水蓄水，作为取水的重要来源。这些低矮堤堰内的水一般落差不大，流量较小，一年之中，多数时候，任水白白流淌，水的势能也很少得到开发利用。

水往低处流，人在高处愁。要把水从低处提升到高处，完全利用现有的技术设备，还存在很多难以克服的困难。例如在山地丘陵田野里到处实施远距离输送电力，还不现实；用内燃机作动力，需要大量燃油。如果利用这些广泛存在的小河小溪的水的势能，把水从低处提升到高处以便于利用，这样既开发利用了这些小河小溪蕴藏的能源，又满足了农业对提水、蓄水的需要，其总量是十分可观的，意义是巨大的！

然而，现有的利用水的势能作功的提水机械，即使是现代的水轮机，在这些小河小溪上的低矮堤堰所形成的低落差，小流量的水源条件下，由于不可能获得强大的动力工作，其性能发挥也将受到很大的局限，不能满足人们的要求。

至于把水的势能转换为水对浮体的浮力，并以此作为动力工作，目前，在公开的应用领域还未见有先例。但作为技术方案，国内外均有人研究。例如，英国1985年3月20日公告的专利申请GB2145164A、中国专利局1990年4月4日公告的发明专利申请CN1007444B、1991年4月24日公告的发明专利申请CN1050923A、1991年8月7日公告的发明专利申请CN1053662A等。上述专利申请无一例外地都是利用浮体的浮力和重物的重力作为动力工作。因此，上述专利申请在工作原理方面都存在一个同样的严重缺陷，主要表现在：浮体在上升行程由浮体的浮力作功，在下降行程由浮体的重力作功。问题在于：重力在下降行程作功以后，重物必须重新上升到一个高度后才能再次作功，而将该重物上升到原来的高度所消耗的功必须至少等于或大于该重物由此高度下降时所作的功。显然，在这里，综合的结果，重力并没有输出有用功。然而，为了使浮体在下降行程利用浮体的重力作功，就必须使该浮体在上升行程具有足够大的浮力，以便在克服浮体重力的同时，还要驱动机械作功，且所作的功的大小应与浮体在下降行程由浮体的重力所作的功的大小相等。这样，就必须使所述的浮体获得二倍于自身重力的浮力。现在，若将该浮体称为重力浮体，又另外假想一个很轻的、其自身重力可以略去不计的浮体，这个假想浮体所获得的最大浮力与重力浮体的重力相等。由阿基米德浮力定理可知，所说重力浮体的体积必为假想浮体的体积的2倍。现在再假定将重力浮体和假想浮体分别放置于仅能容许该浮体作上升、下降运动的容器内。在其余条件完全等同的情况下，当向所说的两个容器充水时，两个容器内的浮体均上升作功。但是两个浮体的上升运动将出现明显区别，这就是重力浮体所在的容器充水时间长，重力浮体上升的速度慢；假想浮体所在的容器充水时间短，假想浮体上升的速度快；两个容器充水时间的长短之比及两个浮体上升速度的快慢之比均为两个浮体的体积之比，即2∶1。反之，当所说的两个容器排水时，两个浮体均下降，只是重力浮体下降时作功，假想浮体下降时不作功。但是，重力浮体所在的容器排水时间长，重力浮体下降的速度慢；假想浮体所在的容器排水时间短，假想浮体下降的速度快：两个容器排水时间的长短之比及两个浮体下降速度的快慢之比亦均为两个浮体的体积之比，即2∶1。于是重力浮体在完成上升、下降一次工作循环的时间里作功两次；而在相同时间里，假想浮体完成上升、下降两次工作循环，亦作功两次。可见，重力浮体的体积虽然是假想浮体的体积的2倍之大，但是在相同时间里，它所作的有用功却仅仅相当于假想浮体所作的功。上述分析，借用了一个假想浮体与重力浮体进行对比，以便于使人容易理解上述专利申请在工作原理方面存在的缺陷。此外1995年1月22日，中国专利局授予专利权的《浮力发电装置》(专利号：ZL93239797·2，专利权人：祝天镇)采用两个结构大小完全相同的容器和浮体，两个浮体在水的浮力作用下交替上升或下降，浮体在上升行程由浮力作功，在下降行程不作功。该装置的浮体结构轻巧，装置工作效率高，但该装置的浮体直接与机械传动装置相联系，若用于提水，必须另外配置水泵。

本实用新型的目的，是要提供一种能将各种低水头、小流量的水源具有的势能，通过水对浮体的浮力转换为机械能，进而利用所产生的能量自动地把水从低处提升到高处的性能优异的浮力扬水装置。

本实用新型的目的是这样得以实现的：在蓄水堰的下游一侧，设置至少一个容器，容器内有根据所受水的浮力变化作升降运动的浮体，浮体上的活塞杆与一个活塞缸内的活塞联接；与活塞缸联接的吸水管和出水管上分别设置有单向阀；吸水管与蓄水堰相通，出水管与一蓄积高压脉冲水流的蓄能器相通；蓄能器上有输水管；所述的容器至少有一个进水和排水共用的通道用管道与一个换向阀接通；换向阀用两个管道分别与蓄水堰的上游和下游接通；换向阀与杠杆自动控制机构相连接。

所述的换向阀至少与一个容器的一个进水和排水共用的通道用管道接通；所述的杠杆自动控制机构与浮体上的换向器相联系；所述的输水管上有主阀门；所述的输水管上有歧管和歧管阀门。

当蓄水堰上游高水位的水经管道、换向阀进入容器，容器内的浮体在水的浮力作用下上升，浮体通过活塞杆推动活塞缸内的活塞，对活塞缸内事先已从吸水管吸入的水加压，被加压的高压水经单向阀、出水管进入蓄能器；当浮体上升到行程末端，浮体上的换向器推动杠杆自动控制机构使换向阀换向，于是来自蓄水堰上游高水位的水不再进入所述的容器，而该容器内完成了能量交换的水则经进水和排水共用的通道及换向阀流入蓄水堰的下游；随着容器内水位下降，浮体及活塞缸内的活塞随之下降，蓄水堰内的水经吸水管、单向阀被吸入活塞缸内；当浮体下降到行程末端，杠杆自动控制机构又使换向阀换向，于是来自蓄水堰上游高水位的水又经管道、换向阀进入容器，容器内的浮体在水的浮力作用下上升，进入第二次工作循环；如此周而复始，不停工作，把水压入蓄能器内；当打开输水管上的主阀门，蓄能器内的高压水则源源不断地沿输水管被输送到设定的高处加以利用。输水管上的歧管阀门备用，通常处于关闭状态。打开歧管阀门，可利用蓄能器输出的高压水冲动另外配置的动力机械工作；或者在本实用新型停止工作以后，排出蓄能器及输水管内的水。

本实用新型所述的容器、浮体、活塞杆、活塞缸、活塞、吸水管、出水管以及蓄能器、输水管构成了一个紧凑的液压工作机构，其动力来自于浮体所受水的浮力；起心脏作用的换向阀以及与换向阀连接的杠杆自动控制机构构成了一个严谨的自动控制系统，对本实用新型实现可靠的自动控制。

本实用新型的扬程(或蓄能器出水口的压力水头)由下式确定： $h={\left(\frac{D}{d}\right)}^2\·H-h_1-h_2$

式中h-扬程或蓄能器出水口的压力水头高

    D-浮体直径或浮体为非园截面时的当量直径

    d-活塞缸直径

    H-浮体高度

    h₁-与浮体自重相当的水头高

    h₂-与摩擦损失相当的水头高从上述计算公式可以看出，本实用新型的扬程h与蓄水堰的落差大小无关；浮体的自重很小，h₁就很小，因而h值就大；当水源条件一定时，通过改变d、D、H三个参数，就可获得几米、几十米甚至百米以上的扬程！

本实用新型的应用，根据自然地理条件，可布置在已建成的蓄水堰的下游一侧；在小河流及可利用海潮的地方，可以将多个相同的容器直接作为坝体，横列布置，安装在位于水下低矮的坝基上工作。

下面，通过实施例对本实用新型的技术内容及工作过程中作更详细的说明：

图1为浮力扬水装置实施例一的原理图；

图2为浮力扬水装置实施例二的平面图。

在图1中，蓄水堰(1)的下游一侧并列地设置有两个结构大小及所属部件完全相同的容器(2)及(2′)，其相同部件的编号均以两个相同的数字并在其中一个数字的右上角加符号“′”一一对应。

当蓄水堰(1)上游高水位的水经进水管(3)、换向阀(4)、管道(5)进入容器(2)，容器(2)内的浮体(6)在水的浮力作用下上升；浮体(6)通过活塞杆(7)推动活塞缸(8)内的活塞(9)对活塞缸(8)内事先已吸入的水加压；活塞缸(8)内被加压的水经单向阀(10)，管道(11)进入蓄积高压脉冲水流的蓄能器(12)；当浮体(6)上升到行程末端；固定于浮体(6)上的换向器(13)推动杠杆机构(14)运动，杠杆机构(14)带动换向阀(4)换向；换向阀(4)换向后，在换向阀(4)内部通道流动的水流改变流向，第一路：来自蓄水堰(1)上游高水位的水流不再进入容器(2)，而改变流向经管道(5′)进入容器(2′)，容器(2′)内的浮体(6′)在浮力作用下上升；浮体(6′)通过活塞杆(7′)推动活塞缸(8′)内的活塞(9′)对活塞缸(8′)内事先已吸入的水加压；活塞缸(8′)内被加压的水经单向阀(10′)、管道(11′)进入蓄能器(12)；第二路：容器(2)内的水经管道(5)、换向阀(4)、排水管(15)排入蓄水堰(1)下游；随着容器(2)内的水位下降，浮体(6)、活塞杆(7)、活塞(9)随之下降；直至下降到行程末端；蓄水堰(1)内的水经吸水管(16)、单向阀(17)被吸入活塞缸(8)；当容器(2′)内的浮体(6′)上升到行程末端，固定于浮体(6′)上的换向器(13′)推动杠杆机构(14′)运动，杠杆机构(14′)又带动换向阀(4)换向，在换向阀(4)内部通道流动的水流又改变流向，第一路：来自蓄水堰(1)上游高水位的水流不再进入容器(2′)，而改变流向经管道(5)进入容器(2)，于是容器(2)内的浮体(6)重复刚才第一次工作循环的运动，开始第二次工作循环；第二路：容器(2′)内的水经管道(5′)、换向阀(4)、排水管(15)排入蓄水堰(1)下游；随着容器(2′)内的水位下降，浮体(6′)、活塞杆(7′)、活塞(9′)随之下降；蓄水堰(1)内的水经吸水管(16′)、单向阀(17′)被吸入活塞缸(8′)；当容器(2′)内的浮体(6′)下降到行程末端时，则容器(2)内的浮体(6)上升到行程末端……，这样周而复始，不停工作，把水压入蓄能器(12)内；当打开阀门(18)，蓄能器(12)内的高压水则源源不断地沿输水管(19)被输送到设定的高处加以利用。

在必要时，例如需要发电时，可打开输水管(19)上的歧管(20)的阀门(21)，利用蓄能器(12)不停输出的高压水和从输水管(19)顶端高处水库回流下来的高压水冲动另外配置的水轮发电机发电。

图2是浮力扬水装置应用于小河流及可利用海潮的地方的平面布置图，由多个相同的容器(22)、(23)、(24)、(25)……直接作为坝体，横列布置，安装在低矮坝基上的情形。

Claims (5)

1、一种扬水装置，特别是一种利用水的势能作功的浮力扬水装置，该装置包括至少一个设置在蓄水堰(1)下游一侧的容器(2)，容器(2)内有根据所受水的浮力变化作升降运动的浮体(6)；浮体(6)上的活塞杆(7)与活塞缸(8)内的活塞(9)联接；与活塞缸(8)联接的出水管(11)和吸水管(16)上分别设置有单向阀(10)和(17)；吸水管(16)与蓄水堰(1)接通，出水管(11)与一蓄积高压脉冲水流的蓄能器(12)接通；蓄能器(12)上有输水管(19)；其特征在于：容器(2)至少有一个进水和排水共用的通道用管道(5)与换向阀(4)接通；换向阀(4)用管道(3)和(15)分别与蓄水堰(1)的上、下游接通；换向阀(4)与杠杆自动控制机构(14)相连接。

2、根据权利要求1所述的浮力扬水装置，其特征是换向阀(4)至少与一个容器(2)的一个进水和排水共用的通道用管道(5)相接通。

3、根据权利要求1所述的浮力扬水装置，其特征是杠杆自动控制机构(14)与浮体(6)上的换向器(13)相联系。

4、根据权利要求1所述的浮力扬水装置，其特征是输水管(19)上有阀门(18)。

5、根据权利要求1、4所述的浮力扬水装置，其特征是输水管(19)上有歧管(20)和阀门(21)。

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