專利名稱：大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水輪發(fā)電技術(shù),具體涉及一種大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)現(xiàn)有文獻資料記載，現(xiàn)階段以煤炭、石油為動力的火力發(fā)電為第一大電力能源，裝機容量約7億千瓦，可再生可持續(xù)的水力發(fā)電為第二大電力能源，裝機容量約2億千瓦，按照國民經(jīng)濟遠景發(fā)展規(guī)劃，到2020年國民經(jīng)濟將翻一番，作為國民經(jīng)濟能源保障的電力也將相應增加，按照翻一番的規(guī)劃裝機容量將達20億千瓦，如果按照現(xiàn)在的火電裝機容量，翻一番將達到14億千瓦，年需燃煤40多億噸標煤，那樣不僅會加速煤資源的枯竭沒有可持續(xù)性，而且會產(chǎn)生巨大的環(huán)境污染，人類創(chuàng)造財富的同時帶來的將是環(huán)境災難，國民經(jīng)濟遠景規(guī)劃將無從保證，2013年I月上、中旬發(fā)生在我國大面積“霧霾”天氣，空氣重度污染現(xiàn)象，就給我們敲響了環(huán)境警鐘，因此，尋求持續(xù)可再生、環(huán)保無污染的清潔能源已刻不容緩，現(xiàn)實中，蘊藏量巨大、取之不盡用之不竭的水能、風能等可持續(xù)再生的清潔能源沒有得到科學、高效、充分地開發(fā)利用。在我國，主要江河水系具有路徑長落差大的特點，水能資源豐富，開發(fā)利用空間巨大。目前，我國主要采用筑壩蓄能利用水流落差的方式進行水力發(fā)電，存在的問題是發(fā)電后巨大的尾水水能沒有得到利用，白白地浪費掉，其次，分布范圍廣水能資源豐富不適宜筑壩的自然江河、海洋水能資源沒有得到開發(fā)利用，據(jù)有關(guān)資料記載，我國已建、在建、籌建的大型筑壩式水電站裝機容量如下
長江干流大型水電站
三峽2250萬千瓦向家壩600萬千瓦
葛洲壩 271. 5萬千瓦觀音巖300萬千瓦
朱陽溪 300萬千瓦魯?shù)乩?10萬千瓦
石硼213萬千瓦金安橋240萬千瓦
小南海 175萬千瓦阿海210萬千瓦
烏東德 870萬千瓦梨園228萬千瓦
白鶴灘 1305萬千瓦兩家人400萬千瓦
溪洛渡 1260萬千瓦龍盤(即虎跳峽)420萬千瓦
龍開口180萬千瓦
長江支流雅礱江
二灘330萬千瓦楊房溝200萬千瓦
錦屏一級 360萬千瓦兩河口300萬千瓦
錦屏二級 480萬千瓦牙根140萬千瓦
官地240萬千瓦楞古270萬千瓦長江支流大渡河
瀑布溝 330萬千瓦雙江口200萬千瓦
大崗山 260萬千瓦猴子巖176萬千瓦
長河壩 260萬千瓦 長江其他支流
烏江彭水 175萬千瓦淸江水布 184萬千瓦
烏江構(gòu)皮灘300萬千瓦沅水五強溪120萬千瓦
淸江隔河巖120萬千瓦 中國水能蘊藏量第二的流域一雅魯藏布江 墨脫水電站4380萬千瓦 中國水能蘊藏量第三的流域一瀾滄江
景洪175萬千瓦黃登160萬千瓦
糯扎渡 585萬千瓦托巴164萬千瓦
大朝山 135萬千瓦古學120萬千瓦
漫灣150萬千瓦真達140萬千瓦
小灣420萬千瓦苗尾220萬千瓦
鐵門坎 178萬千瓦 中國水能蘊藏量第四的流域 一黃河
大柳樹 200萬千瓦公伯峽150萬千瓦
李家峽 200萬千瓦黑山峽(即小觀音)140萬千瓦
小浪底 180萬千瓦磧口180萬千瓦
拉西瓦 420萬千瓦古賢256萬千瓦
中國水能蘊藏量第五的流域一珠江
天生橋一級(即大灣)120萬千瓦龍灘630萬千瓦
天生橋二級132萬千瓦
中國水能蘊藏量第六的流域一怒江
松塔420萬千瓦碧江150萬千瓦
丙中洛160萬千瓦亞碧羅180萬千瓦
馬吉420萬千瓦瀘水240萬千瓦
鹿馬登200萬千瓦
合計約24183. 5萬千瓦，巨大的尾水水能沒有開發(fā)利用，白白地浪費掉。另外，已公開的無壩或低壩水力發(fā)電技術(shù)沒有得到有效應用，其原因在于其技術(shù)缺乏高效性和存在種種利用的局限性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是充分、高效利用大型水電站尾水水能，江河、海洋自然流動的水能，提供可持續(xù)、環(huán)保無污染的綠色能源。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征包括高效水輪、水輪軸、增速機構(gòu)、發(fā)電機組，所述高效水輪包括多個葉片、水輪架、偏力矩助力機構(gòu)、水輪輪轂，所述多個葉片均勻分布在水輪架上，水輪架與偏力矩助力機構(gòu)連接，偏力矩助力機構(gòu)與水輪輪轂連接，所述高效水輪通過水輪輪轂安裝于水輪軸上，水輪軸通過增速機構(gòu)連接發(fā)電機組。其中，所述多個葉片為仿簸箕形，其底由直線段和弧線段組成，直線段沿水輪半徑線徑向設(shè)置，直線段的作用是水沿水輪切線方向做功的力垂直作用于葉片受力面，不產(chǎn)生分力，避免弧形面引起的水漩渦，減少水能損失，尾端弧線段的作用是增加水的向心力，為了增強葉片強度在其背面設(shè)置葉片支架，葉片向心端與偏力矩助力機構(gòu)連接，尾部弧線段與水輪架連接，所述葉片處于水輪外端，具有長力臂結(jié)構(gòu)。另外，葉片與水輪架的連接方式可分為固定連接和可轉(zhuǎn)動鉸鏈連接，轉(zhuǎn)動鉸鏈連接時，葉片重心與水輪中心間距隨著水輪的旋轉(zhuǎn)而變化，當葉片處于迎水面即正力矩側(cè)做功時，由葉片支架定位中心間距保持不變，即力臂不變，當水輪葉片處于離水面即負力矩側(cè)不做功(做負功)時，由于葉片自重作用中心間距變短，即力臂變短，產(chǎn)生力臂差，產(chǎn)生偏力矩助力，此外，葉片與水輪架采用轉(zhuǎn)動鉸鏈連接時，在每個葉片與葉片支架之間設(shè)置阻尼機構(gòu)。所述偏力矩助力機構(gòu)由多個圓周方向均勻分布的偏力矩力臂單元構(gòu)成，所述偏力矩力臂單元為連通器結(jié)構(gòu)，主要由兩個容積相等的密閉圓桶及一個或多個將兩個圓桶連通的連通管組成，其中，一個圓桶處于水輪中心端與水輪輪轂連接，另一個圓桶處于水輪外端與水輪架及葉片連接，在兩個圓桶內(nèi)填充一個圓桶容積量的流體介質(zhì)，連通管一端與一個圓桶的頂部連通，另一端與另一個圓桶的底部連通，保持一定斜度，保證偏力矩力臂單元處于水平中心線位置時流體介質(zhì)全部處于一個圓桶內(nèi)，且盛滿流體介質(zhì)產(chǎn)生正力矩的圓桶處于最大力矩位置、產(chǎn)生負力矩的圓桶處于最小力矩位置，在360度圓周內(nèi)由多個均勻分布的偏力矩力臂單元構(gòu)成一個偏力矩助力機構(gòu)；當流水作用于葉片帶動水輪轉(zhuǎn)動時，偏力矩助力機構(gòu)圓桶內(nèi)的流體介質(zhì)流動，當葉片處于迎水面即正力矩側(cè)做功時，流體介質(zhì)處于水輪外端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生長力臂，當葉片處于離水面即負力矩側(cè)不做功(做負功)時，流體介質(zhì)處于水輪中心端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生短力臂，長短力臂之差構(gòu)成了偏力矩，偏力矩使水輪產(chǎn)生持續(xù)不斷的助力，偏力矩助力提高裝置效率。所述增速機構(gòu)采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)，采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)時主動齒輪固定于水輪上，可采用較大直徑，主動齒輪與從動齒輪嚙合獲取大轉(zhuǎn)速比，從而提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速與發(fā)電效率。本發(fā)明裝置葉片處于水輪外端具有長力臂，產(chǎn)生大力矩，葉片直線段使水輪切線方向做功的力垂直作用于葉片受力面，不產(chǎn)生分力，且避免了弧線曲面引起的水流漩渦，減少水能損失，尾端設(shè)置弧線段能夠有效增加水的向心力，提高水的動力性，偏力矩助力機構(gòu)通過流體介質(zhì)重心位置的變化產(chǎn)生偏力矩，有助于提高裝置的動力性，增速機構(gòu)與水輪結(jié)合獲取大轉(zhuǎn)速比。因此包括葉片、偏力矩助力機構(gòu)的水輪具有大力矩驅(qū)動偏力矩助力的特性，具有高效性，包括高效水輪的本發(fā)明裝置能夠有效提高發(fā)電效率，實現(xiàn)高效發(fā)電之目的。本發(fā)明裝置突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、效率高、適用性強，可廣泛應用于筑壩水電站尾水發(fā)電、自然江河海洋自然流水水能發(fā)電，應用空間廣闊。
結(jié)合附圖對本發(fā)明裝置技術(shù)特征進一步說明。圖1為本發(fā)明裝置方案一主視圖。圖2為圖1的俯視圖。附圖3為本發(fā)明裝置方案二主視圖，此方案葉片采用可轉(zhuǎn)動鉸鏈連接。附圖4為本發(fā)明裝置葉片主視圖、側(cè)剖視圖。附圖5為本發(fā)明裝置偏力矩助力機構(gòu)軸測示意圖。附圖6為本發(fā)明裝置偏力矩力臂單元軸測示意圖。附圖7為本發(fā)明裝置橋梁固定式應用舉例示意圖。附圖8為本發(fā)明裝置框架固定式應用舉例示意圖。附圖標記1、水輪,2、葉片，3水輪架，4、葉片支架，5、偏力矩助力機構(gòu)，6、偏力矩力臂單元，7、圓桶，8、連通管，9、流體介質(zhì)，10、水輪輪轂，11、水輪軸，12、增速機構(gòu)，13、發(fā)電機組，14、轉(zhuǎn)動鉸鏈，15、阻尼裝置，16、檢修起吊裝置，17、橋梁固定體，18、檢修平臺，19、支撐框架，20、框架基礎(chǔ)。
具體實施例方式結(jié)合附圖進一步闡明本發(fā)明裝置具體實施方式
。本發(fā)明裝置包括高效水輪1、水輪軸11、增速機構(gòu)12、發(fā)電機組13，高效水輪I包括多個葉片2、水輪架3、葉片支架4、偏力矩助力機構(gòu)5、水輪輪轂10，多個葉片I均勻分布在水輪架3上，水輪架3與偏力矩助力機構(gòu)5連接，偏力矩助力機構(gòu)5與水輪輪轂10連接，高效水輪I通過水輪輪轂10安裝于水輪軸11上，水輪軸11通過增速機構(gòu)12連接發(fā)電機組13。其中，葉片I為仿簸箕形，其底由直線段和弧線段組成，直線段使水輪切線方向做功的力垂直作用于葉片I受力面，不產(chǎn)生分力，且避免了弧線曲面引起的水流漩渦，減少水能損失，尾端設(shè)置弧線段能夠有效增加水的向心力，提高水的動力性。偏力矩助力機構(gòu)5由多個圓周方向均勻分布的偏力矩力臂單元6構(gòu)成，所述偏力矩力臂單元6為連通器結(jié)構(gòu)，主要由兩個容積相等的密閉圓桶7及一個或多個將兩個圓桶7連通的連通管8組成，兩個圓桶7，一個處于水輪I中心端與水輪輪轂10連接，另一個處于水輪I外端與水輪架3及葉片2連接，在兩個圓桶7內(nèi)填充一個圓桶7容積量的流體介質(zhì)9，連通管8 一端與一個圓桶7的頂部連通，另一端與另一個圓桶7的底部連通，保持一定斜度，保證偏力矩力臂單元6處于水平中心線位置時流體介質(zhì)9全部處于一個圓桶7內(nèi)，且盛滿流體介質(zhì)9產(chǎn)生正力矩的圓桶7處于最大力矩位置、產(chǎn)生負力矩的圓桶7處于最小力矩位置。當流水作用于葉片帶動水輪轉(zhuǎn)動時,偏力矩助力機構(gòu)圓桶內(nèi)的流體介質(zhì)流動，當葉片處于迎水面即正力矩側(cè)做功時，流體介質(zhì)處于水輪外端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生長力臂，當葉片處于離水面即負力矩側(cè)不做功(做負功)時，流體介質(zhì)處于水輪中心端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生短力臂，長短力臂之差構(gòu)成了偏力矩，偏力矩使水輪產(chǎn)生持續(xù)不斷的助力。增速機構(gòu)12與水輪I結(jié)合采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)，采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)時主動齒輪固定于水輪I上,可采用較大直徑,達10米以上，主動齒輪與從動齒輪嚙合可獲取近1000的大轉(zhuǎn)速比，從而提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速與發(fā)電效率。本發(fā)明適宜建造大中小裝置，可根據(jù)水力資源確定，利用大型筑壩水電站尾水發(fā)電，可建造大型裝置，水輪I直徑可達60米以上，葉片吃水深度達10米以上時，單個葉片迎水面積可達100平方米，單機容量可達10兆瓦以上，由于流水具有反復利用的特點，本發(fā)明裝置可采用串聯(lián)或并聯(lián)方式建設(shè)集群電站，例如，利用三峽大壩尾水發(fā)電，建設(shè)集群電站，裝機容量可達數(shù)千兆瓦，利用尾水發(fā)電可以同筑壩發(fā)電站同時建設(shè)，建造固定方式，可采用橋梁式以橋體17連接固定(參照圖7)，為了便于檢修可提供檢修起吊裝置16，利用江河自然流水水能發(fā)電可采用框架19固定方式，框架19固定于框架基礎(chǔ)20 (參照圖8)，采用集群建設(shè)可將框架連結(jié)，設(shè)置檢修平臺18，建造規(guī)模根據(jù)水資源狀況選擇，，建造時需要對水道基礎(chǔ)與水輪I外廓尺寸進行吻合處理。本發(fā)明實施中，水力作用于葉片2帶動水輪I轉(zhuǎn)動時，葉片2處于水輪I外端具有長力臂，產(chǎn)生大力矩，葉片2其底由直線段和弧線段組成，直線段使水輪I切線方向做功的力垂直作用于葉片受力面，不產(chǎn)生分力，且避免了弧線曲面引起的水流漩渦，減少水能損失，尾端設(shè)置弧線段能夠有效增加水的向心力，提高水的動力性；偏力矩助力機構(gòu)5通過流體介質(zhì)9重心位置的變化產(chǎn)生偏力矩，偏力矩助力有利于提高裝置的動力性，因此包括葉片2，偏力矩助力機構(gòu)5的水輪具有大力矩驅(qū)動偏力矩助力的高效性,構(gòu)成高效水輪I,高效水輪I帶動水輪軸11，通過增速機構(gòu)12驅(qū)動發(fā)電機組13，實現(xiàn)無壩水力高效發(fā)電。
權(quán)利要求
1.一種大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征包括高效水輪(I)、水輪軸(11)、增速機構(gòu)(12 )、發(fā)電機組(13)，所述高效水輪(I)包括多個葉片(2 )、水輪架(3 )、偏力矩助力機構(gòu)(5 )、水輪輪轂(10 )，所述多個葉片(2 )均勻分布在水輪架(3 )上，水輪架(3 )與偏力矩助力機構(gòu)(5)連接，偏力矩助力機構(gòu)(5)與水輪輪轂(10)連接，所述高效水輪(I)通過水輪輪轂(10)安裝于水輪軸(11)上，水輪軸(11)通過增速機構(gòu)(12)連接發(fā)電機組(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片(2)為仿簸箕形，其底由直線段和弧線段組成，直線段沿水輪(I)半徑線徑向設(shè)置，使水輪(I)切線方向做功的力垂直作用于葉片(2)受力面，不產(chǎn)生分力，避免弧形面引起的水流漩渦，尾端設(shè)計為弧線段，增加水的向心力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片(2)處于高效水輪(I)外端，具有長力臂結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片(2)與水輪架(3)的連接方式可分為固定連接和可轉(zhuǎn)動鉸鏈(14)連接，轉(zhuǎn)動鉸鏈(14) 連接時，葉片(2)重心與水輪(I)中心間距隨著水輪(I)的旋轉(zhuǎn)而變化，當葉片(2)處于迎水面即正力矩側(cè)做功時，由葉片支架(4)定位，中心間距保持不變即力臂不變，當水輪葉片(2)處于離水面即負力矩側(cè)不做功(做負功)時，由于葉片(2)自重作用中心間距變短，即力臂變短，產(chǎn)生力臂差，產(chǎn)生偏力矩助力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述葉片(2)與水輪架(3)采用轉(zhuǎn)動鉸鏈(14)連接，其特征在于， 在每個葉片(2)與葉片支架(4)之間設(shè)置阻尼機構(gòu)(15)(示例中只標示一個阻尼機構(gòu)其余未標不)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述偏力矩助力機構(gòu)(5 )由多個圓周方向均勻分布的偏力矩力臂單元(6 )構(gòu)成，所述偏力矩力臂單元(6)為連通器結(jié)構(gòu)，主要由兩個容積相等的密閉圓桶(7)及一個或多個將兩個圓桶(7)連通的連通管(8)組成，其中，一個圓桶(7)處于水輪(I)中心端與水輪輪轂(10)連接， 另一個圓桶(7)處于水輪(I)外端與水輪架(3)及葉片(2)連接，在兩個圓桶(7)內(nèi)填充一個圓桶(7)容積量的流體介質(zhì)(9)，連通管(8) —端與一個圓桶(7)的頂部連通，另一端與另一個圓桶(7)的底部連通，保持一定斜度，保證偏力矩力臂單元(6)處于水平中心線位置時流體介質(zhì)(9)全部處于一個圓桶(7)內(nèi)，且盛滿流體介質(zhì)(9)產(chǎn)生正力矩的圓桶(7)處于最大力矩位置、產(chǎn)生負力矩的圓桶(7)處于最小力矩位置，在360度圓周內(nèi)由多個均勻分布的偏力矩力臂單元(6)構(gòu)成一個偏力矩助力機構(gòu)(5);當流水作用于葉片帶動水輪轉(zhuǎn)動時,偏力矩助力機構(gòu)圓桶內(nèi)的流體介質(zhì)流動，當葉片處于迎水面即正力矩側(cè)做功時，流體介質(zhì)處于水輪外端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生長力臂，當葉片處于離水面即負力矩側(cè)不做功(做負功)時，流體介質(zhì)處于水輪中心端圓桶內(nèi)，產(chǎn)生短力臂，長短力臂之差構(gòu)成了偏力矩，偏力矩使水輪產(chǎn)生持續(xù)不斷的助力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述偏力矩助力機構(gòu)(5)，符合其特征，應用于其他不同領(lǐng)域、不同機構(gòu)部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述增速機構(gòu)(12)采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)，采用大轉(zhuǎn)速比結(jié)構(gòu)時主動齒輪固定于水輪(I)上，可采用較大直徑，主動齒輪與從動齒輪嚙合獲取大轉(zhuǎn)速比，提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速與發(fā)電效率。
全文摘要
一種大力矩驅(qū)動偏力矩助力高效水輪發(fā)電裝置，包括高效水輪、水輪軸、增速機構(gòu)、發(fā)電機組，高效水輪包括多個葉片、水輪架、偏力矩助力機構(gòu)、水輪輪轂，多個葉片均勻分布在水輪架上，水輪架與偏力矩助力機構(gòu)連接，偏力矩助力機構(gòu)與水輪輪轂連接，所述高效水輪通過水輪輪轂安裝于水輪軸上，水輪軸通過增速機構(gòu)連接發(fā)電機組。本發(fā)明裝置葉片處于水輪外端，產(chǎn)生大力矩，偏力矩助力機構(gòu)產(chǎn)生偏力矩，具有助力作用，大力矩驅(qū)動偏力矩助力構(gòu)成高效水輪，驅(qū)動發(fā)電機組實現(xiàn)高效發(fā)電。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、高效，可用于大型筑壩水電站尾水發(fā)電、自然江河無壩水力發(fā)電，不消耗資源、零污染、建造成本低，可建設(shè)大中小型發(fā)電站，極具開發(fā)應用價值。
文檔編號F03B3/12GK103047076SQ20131002929
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月26日
發(fā)明者索增志 申請人:索增志