CN201606182U - 水力发电产生极高效率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

水轮机运行时会产生很大的漏损、尾水动能损耗。此外，水流与转轮叶片、蜗壳等高速摩擦产生热能也损耗相当大的一部分水能。所以水轮机的效率不高。又由于水轮机存在固有的效率区特性，实际发电时，水轮机往往偏离效率区运行，造成实际效率更低，最低时还不到80％，一些中、小型水电站还不到70％；水轮机运行时还会产生空蚀、磨蚀，需频繁检修、更换新轮才能保证正常运行。该实用新型通过特殊结构的活塞装置克服了水轮机的上述缺点，能以大功率、极低的尾水动能损耗、零的漏损、热损发电，具有99％以上的极高效率。该装置能广泛适用于各种水头发电。用于中水头和高水头发电时，能展现出非常理想的性价比。该发明装置结构简单、运行稳定可靠，其组件不易磨损、具有超长寿命，安装、维修也很简便。目前全国年水力发电总量约为11388亿度，提高10％的效率，则每年可多发电1138.8亿度。全国尚有约4.2亿千瓦的水电资源可开发，提高10％的效率，则将来开发的电力中，每年可多发电3679.2亿度。因此，用本实用新型装置建造和改造水电站，能显著提高发电量和经济效益。该实用新型装置施加保温措施后，还可以安装在火力电站、核电站等热力电站的汽轮机前面，通过做功发电来大幅度降低蒸气的温度，进而大幅度提高电站的热效率。该实用新型装置涉及一种新型活塞、环保润滑剂和自润滑活塞环，以及一种性能非常优异的新型阀门，即卷帘式节能快速阀和复合型卷帘式节能快速阀。该阀门密封性非常好，为零泄漏，并且只需很小的力就能实现快速启闭，其性能优于目前最先进的蝶阀，容易制造出超大通径的阀门。

Description

水力发电产生极高效率的方法及装置

所属技术领域

本实用新型涉及一种水力发电的方法及装置，尤其是能使水力发电产生极高效率的方法及装置。

背景技术

目前，水轮机运行时会产生很大的漏损、尾水动能损耗。此外，水流与转轮叶片、蜗壳等高速摩擦产生热能也损耗相当大的一部分水能。所以水轮机的效率不高。又由于水轮机存在固有的效率区特性，实际发电时，水轮机往往偏离效率区运行，造成实际效率更低，最低时还不到80％，一些中、小型水电站还不到70％；水轮机运行时还会产生严重的空蚀、磨蚀，需频繁检修、更换新轮才能保证正常运行。

发明内容

为了克服水轮机发电效率不高及产生严重的空蚀、磨蚀和需要频繁检修、更换新轮的缺陷，本实用新型提供一种水力发电的方法及装置，该装置具有高达99％以上的极高效率，能广泛适用各种水头发电，尤其用于中水头和高水头发电时，能展现出非常理想的性价比。

目前全国年水力发电总量约为11388亿度，提高10％的效率，则每年可多发电1138.8亿度。全国尚有约4.2亿千瓦的水电资源可开发，提高10％的效率，则将来开发的电力中，每年可多发电3679.2亿度。因此，用本发明装置建造和改造水电站，能显著提高发电量和经济效益。

本实用新型解决其技术问题所采用技术方案是：在安装有新型节能快速阀的两个缸体中，两个惯性动能吸收弹簧分别安装在左右两个缸体上，两个安装有承重轮和防摆轮的活塞通过齿条相连接，齿条、棘轮、惯性飞轮、增速器顺序机械啮合，进水阀门、排水阀门、触动开关、继电器、控制箱顺序电连接，缸体(1)在缸体(2)的左面，与缸体(2)对峙，阀门(5)安装在缸体(1)的左端，阀门(6)安装在缸体(2)的右端，分别与进水管(4)连通，阀门(7)安装在缸体(1)的左端，与尾水管(9)连通，阀门(8)安装在缸体(2)的右端，与尾水管(10)连通，活塞(11)在缸体(1)内，活塞(12)在缸体(2)内，活塞(11)和活塞(12)通过齿条(13)连接，棘轮(20)正向、棘轮(21)反向安装在齿条(13)的下方，并与齿条(13)啮合，棘轮(20)通过轴(58)与齿轮(59)固定，齿轮(59)啮合惯性飞轮(22)，棘轮(21)通过轴(60)与齿轮(61)固定，齿轮(61)与介轮(23)啮合，介轮(23)与惯性飞轮(22)啮合，惯性飞轮(22)耦合增速器(24)，增速器(24)与发电机耦合，惯性动能吸收弹簧(25)安装在缸体(1)的右端，惯性动能吸收弹簧(26)安装在缸体(2)的左端，触动开关(27)、(28)安装在弹簧(25)处，触动开关(31)、(32)安装在弹簧(26)处。

上述由两个完全一样的缸体对峙构成活塞装置，通过启闭安装在缸头的卷帘式节能快速阀门使两个新型活塞做功，由两个新型活塞推动齿条，再由齿条啮合一正一反安装的两个棘轮把功率耦合到惯性飞轮，惯性飞轮通过增速器把功率传递给发电机发电。在该装置中设置了惯性动能吸收弹簧，用来确定活塞止点和吸收水头至引水管、缸体、尾水管内的水和活塞、齿条的惯性动能，确保了装置的效率；本实用新型装置通过提前关闭安装在进水管前端的阀门的方法，避免了阀门换向时，即由开启到关闭和由关闭到开启过渡时的瞬间漏水，从而该装置实现了零漏损；在水头、流量恒定时，增大缸径(或增加该装置的数量)，可以使活塞运动速度降低，又因为在该装置中，尾水流速与活塞运动速度相等，因此增大缸径可以使尾水流速降低，当缸径增大到足够大时，活塞运动速度将向零趋近，尾水流速也将向零趋近，尾水动能损耗将趋近零，效率将趋近100％。

卷帘式节能快速阀门的卷帘用整张弹性薄片制造，卷帘轴为空心管，质轻而惯性小，可实现在工作面上快速滚动卷起或展开而启闭出水孔，达到快速通断流体的目的。该卷帘式阀门密封性非常好，为零泄漏。

该卷帘式节能快速阀门，用于高压场合则复合一个由两个套筒构成的套筒阀，构成复合型卷帘式节能快速阀门，转动套筒时，能使卷帘提前打开出水孔边上的尖缺口先行泄压，并当出水孔达到一定的开度时，套筒阀再滞后开启，其开度滞后于卷帘阀出水孔的开度。该复合型阀门的独特结构和工作方式，消除了开启该阀门时卷帘所受的正面压力，因此，只需很小的力就能使该阀门快速开启和关闭。该阀门的性能优于目前最先进的蝶阀，容易制造出超大通径的阀门。

本实用新型装置的新型活塞设置了自润滑活塞环以及承重轮和防摆轮，以消除磨损和延长活塞寿命。

本装置仍采取较低的活塞速度，用在热力发电上，例如火力、核电站等的发电***，能极大地提高其热效率。其方案如下：尾蒸汽输送管与汽轮机连通；在两个缸体之间做一个形成一个密闭空间壳体，齿条和棘轮在壳体内，棘轮通过加长轴伸出与外部机构耦合；进水管、缸体、壳体和尾蒸汽输送管以及阀门的外表面均包裹绝热保温材料，并外面包裹高反光薄膜，确保热能不外泄。从锅炉出来的高温、高压蒸汽进入缸体做功，做功后的高压蒸汽其温度已下降到相当低的水平，然后排入尾蒸汽输送管送入汽轮机做功发电。通过把本发明装置安装在汽轮机前面，做功后大幅度降低蒸汽温度，再把低温蒸汽送入汽轮机发电的方法，能带来两个效应：直接提高该***的热效率；可使锅炉里蒸汽的温度、压力突破目前的极限值，而再度提高若干台阶，使热效率进一步提高。

附图说明

图1、2是本实用新型剖面构造图。

图3是本实用新型的活塞构造图。

图4是本实用新型的电路图。

图5是本实用新型的工作面为平面的卷帘式节能快速阀门的结构图。

图6是本实用新型的工作面为圆曲面的转动控制型卷帘式节能快速阀门的结构图。

图7是本实用新型的复合型卷帘式节能快速阀门的结构图。

图8是本实用新型的自润滑活塞环剖面示意图。

图中1、2.缸体，3、5、6、7、8.阀门，4.进水管，9、10.尾水管，11、12.活塞，13.齿条，14、17.承重轮，15、16.防摆轮，20、21.棘轮，22.惯性飞轮，23.介轮，24.增速器，25、26.弹簧，27、28、31、32.触动开关，29.继电器，30、33.控制箱，34.密封圈，35.工作面，36.出水孔，37.承帘栅，38.卷帘，39.卷帘轴，40、41.轴承，42、43.伸缩杆，44.转动轴，46、47.套筒，48.套筒阀，49.进水口，50.胶环体，51.空腔，52.润滑油，58、60.轴，59、61.齿轮。

具体实施方式

在图1、2、3中，两个完全一样的缸体(1)和缸体(2)对峙构成双缸装置，缸体(1)在缸体(2)的左面，阀门(3)安装在进水管(4)的前端，阀门(5)安装在缸体(1)的左端，阀门(6)安装在缸体(2)的右端，分别与进水管(4)连通，阀门(7)安装在缸体(1)的左端，与尾水管(9)连通，阀门(8)安装在缸体(2)的右端，与尾水管(10)连通；活塞(11)在缸体(1)内，活塞(12)在缸体(2)内，活塞(11)和活塞(12)通过齿条(13)连接；承重轮(14)和防摆轮(15)、(16)呈等边三角形分布，承重轮(14)在正下方，安装在活塞(11)上；承重轮(17)和防摆轮(18)、(19)呈等边三角形分布，承重轮(17)在正下方，安装在活塞(12)上；棘轮(20)正向、棘轮(21)反向安装在齿条(13)的下方，并与齿条(13)啮合，棘轮(20)通过轴(58)与齿轮(59)固定，齿轮(59)啮合惯性飞轮(22)，棘轮(21)通过轴(60)与齿轮(61)固定，齿轮(61)与介轮(23)啮合，介轮(23)与惯性飞轮(22)啮合，惯性飞轮(22)耦合增速器(24)，增速器(24)与发电机耦合。

在上述装置中，阀门(5)、(6)和阀门(3)的通径与进水管(4)的管径相等，阀门(7)、(8)的通径与尾水管(9)、(10)的管径相等，并与缸体(1)、(2)的缸径相等；阀门(3)与水头引水管相连接，尾水管(9)、(10)伸入下游侧水中，该装置安装在缸体的最高点离下游侧水位不超过十米的位置，利用虹吸原理能够充分吸收尾水管中尾水的势能。该装置摒弃了传统的曲柄、曲轴结构，功率由活塞推动齿条啮合两个棘轮联合输出，输出功率获得巨大的提升。该装置的冲程很长，可以做成数米、数十米甚至数百米的冲程，冲程越长，阀门开启与关闭的频率越低，对阀门的节能有利。本实用新型的阀门(3)用具有自动复位开启功能的阀门，阀门(5)、(6)、(7)、(8)用具有锁定全开启和锁定全关闭状态功能的阀门，阀门(3)、(5)、(6)、(7)、(8)为节能型快速启闭阀门。

本实用新型还设置了弹簧(25)、(26)。弹簧(25)安装在缸体(1)的右端，弹簧(26)安装在缸体(2)的左端，用来确定活塞止点和吸收水头至引水管、缸体、尾水管内的水和活塞、齿条的惯性动能。当活塞向右运行，活塞(11)到达弹簧(25)处时，弹簧(25)受到压缩，弹簧(25)的反作用力使活塞在右止点停止，惯性动能吸收完毕，安装在此处的触动开关(27)、(28)相继闭合，触动开关(27)稍提前闭合，与其相连的继电器(29)闭合，迅速关闭阀门(3)，接着触动开关(28)闭合，控制箱(30)迅速关闭阀门(5)、(8)和开启阀门(6)、(7)完成换向，此时活塞开始向左运行，触动开关(27)、(28)相继复位断开，阀门(3)复位开启；当活塞(12)运行至压缩弹簧(26)时，弹簧(26)的反作用力使活塞在左止点停止，惯性动能吸收完毕，安装在此处的触动开关(31)、(32)相继闭合，触动开关(31)稍提前闭合，关闭阀门(3)，接着触动开关(32)闭合，控制箱(33)迅速开启阀门(5)、(8)和关闭阀门(6)、(7)完成换向，如此反复。

该装置通过提前关闭安装在进水管(4)处的阀门(3)的方法，避免了阀门(5)、(6)、(7)、(8)换向时，即由开启到关闭和由关闭到开启过渡时的瞬间漏水，从而该装置实现了零漏损。本装置运行过程中不会产生高速水流，因此不会产生热损耗；在水头、流量恒定时，增大缸径(或增加该装置的数量)，可以使活塞运动速度降低。又因为在该装置中，尾水流速与活塞运动速度相等，因此，增大缸径可以使尾水流速降低。当缸径增大到足够大时，活塞运动速度将向零趋近，尾水流速也将向零趋近，尾水动能损耗将趋近零，此时，效率将趋近100％。

在图4中，触动开关(27)与触动开关(31)并联，并连接继电器(29)，继电器(29)控制阀门(3)；触动开关(28)与控制箱(30)相连，关闭阀门(5)、(8)和开启阀门(6)、(7)；触动开关(32)与控制箱(33)相连，开启阀门(5)、(8)和关闭阀门(6)、(7)。

在图5、6中，密封圈(34)嵌在工作面(35)周边上，略高出工作面(35)，边上开有尖缺口的出水孔(36)在密封圈(34)的中间，承帘栅(37)在孔(36)内，栅面与工作面(35)齐平，承帘栅(37)起支撑卷帘(38)的作用，卷帘(38)的一端固定在工作面(35)上的一侧，另一端固定在卷帘轴(39)上，卷帘(38)在常态下做成卷紧状态，紧卷在卷帘轴(39)上，卷帘轴(39)的两端分别安装轴承(40)、(41)，轴承(40)、(41)分别连接伸缩杆(42)、(43)，伸缩杆(42)、(43)的另一端固定在工作面(35)上。上述阀门的工作面(35)为平面，适合用气动或液动控制。该卷帘式阀门的工作面(35)亦可设计成圆曲面，以增大通径和改变控制方式成为适合转动控制的场合，可设计成手动、电动、气动或液动，此时承帘栅(37)的栅面也为圆曲面，伸缩杆(42)、(43)改成转动杆，一端分别与轴承(40)、(41)固定，另一端固定在转动轴(44)上，转动轴(44)安装在工作面(35)的圆轴心(45)上。卷帘(38)用整张弹性薄片制造，卷帘轴(39)为空心管，质轻而惯性小，可实现在工作面(35)上快速滚动卷起或展开而启闭出水孔(36)，达到快速通断流体的目的。该卷帘式阀门密封性非常好，为零泄漏。

在图7中，用于高压场合的卷帘式节能快速阀门，在转动控制型卷帘阀的转动轴(44)处复合一个由套筒(46)、(47)构成的套筒阀(48)，构成复合型卷帘式节能快速阀门，结构如下：转动杆(42)、(43)缩短，分别固定在套筒(46)两端的圆周上，使卷帘轴(39)固定到套筒(46)上并与之联动。套筒(47)的右端封闭，左端开口，此开口即为进水口(49)，套筒(46)的右端封闭，左端开口，右端中心与转动轴(44)固定连接，套筒(46)的内径比套筒(47)的外径稍大，套筒(46)套上套筒(47)，能灵活转动而不摩擦，套筒(46)和套筒(47)上均对称两开孔，设计好该开孔的位置，转动套筒(46)时，能使卷帘(38)提前打开出水孔(36)边上的尖缺口先行泄压，并当出水孔(36)达到一定的开度时，套筒阀(48)再滞后开启，其开度滞后于卷帘阀出水孔(36)的开度。该复合型阀门的独特结构和工作方式，消除了开启该阀门时卷帘(38)所受的正面压力，因此，只需很小的力就能使该阀门快速开启和关闭。该阀门的性能优于目前最先进的蝶阀，容易制造出超大通径的阀门。

该极高效率水力发电装置的润滑可用植物油调配动物脂肪，再添加适量的超细天然松烟、油烟、石墨粉，组成环保润滑剂，加温后用喷枪以喷雾的形式定期喷到活塞和齿条上即可，以确保得到润滑而水资源不受污染。

在图8中，自润滑活塞环的构造为：胶环体(50)布满毛细孔，胶环体(50)中心为空腔(51)，里面注入润滑油(52)。该活塞环在工作时受到挤压，润滑油微渗出胶环体表面，达到自润滑效果。

本装置仍采取较低的活塞速度，用在热力发电上，例如火力、核电站等的发电***，能极大地提高其热效率。其结构和方案、原理如下：把该装置的阀门(3)、继电器(29)和触动开关(27)、(31)去掉，阀门(5)、(6)、(7)、(8)的通径和尾水管(9)、(10)的管径可缩小，尾水管(9)、(10)连通在一起，构成尾蒸汽输送管(53)，尾蒸汽输送管(53)与汽轮机(54)连通；在缸体(1)、(2)之间做一个壳体(55)，形成一个密闭空间，齿条和棘轮在壳体(55)内。棘轮通过加长轴伸出与外部机构耦合；进水管(4)、缸体(1)、缸体(2)、壳体(55)和尾蒸汽输送管(53)以及阀门(5)、(6)、(7)、(8)的外表面均包裹绝热保温材料，构成保温层(56)，保温层(56)的外面包裹高反光薄膜(57)，确保热能不外泄；从锅炉出来的高温、高压蒸汽经进水管(4)进入缸体(1)、(2)做功，做功后的高压蒸汽其温度已下降到相当低的水平，然后排入尾蒸汽输送管(53)送入汽轮机(54)做功发电；通过把本发明装置安装在汽轮机前面，做功后大幅度降低蒸汽温度，再把低温蒸汽送入汽轮机发电的方法，能带来两个效应：直接提高该***的热效率；可使锅炉里蒸汽的温度、压力突破目前的极限值，而再度提高若干台阶，使热效率进一步提高。

Claims (7)

1.一种水力发电产生极高效率的装置，在安装有新型节能快速阀的两个缸体中，两个惯性动能吸收弹簧分别安装在左右两个缸体上，两个安装有承重轮和防摆轮的活塞通过齿条相连接，齿条、棘轮、惯性飞轮、增速器顺序机械啮合，进水阀门、排水阀门、触动开关、继电器、控制箱顺序电连接，其特征是：缸体(1)在缸体(2)的左面，与缸体(2)对峙，阀门(5)安装在缸体(1)的左端，阀门(6)安装在缸体(2)的右端，分别与进水管(4)连通，阀门(7)安装在缸体(1)的左端，与尾水管(9)连通，阀门(8)安装在缸体(2)的右端，与尾水管(10)连通，活塞(11)在缸体(1)内，活塞(12)在缸体(2)内，活塞(11)和活塞(12)通过齿条(13)连接，棘轮(20)正向、棘轮(21)反向安装在齿条(13)的下方，并与齿条(13)啮合，棘轮(20)通过轴(58)与齿轮(59)固定，齿轮(59)啮合惯性飞轮(22)，棘轮(21)通过轴(60)与齿轮(61)固定，齿轮(61)与介轮(23)啮合，介轮(23)与惯性飞轮(22)啮合，惯性飞轮(22)耦合增速器(24)，增速器(24)与发电机耦合，惯性动能吸收弹簧(25)安装在缸体(1)的右端，惯性动能吸收弹簧(26)安装在缸体(2)的左端，触动开关(27)、(28)安装在弹簧(25)处，触动开关(31)、(32)安装在弹簧(26)处。

2.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：承重轮(14)和防摆轮(15)、(16)呈三角形分布，承重轮(14)在正下方，安装在活塞(11)上。

3.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：卷帘式节能快速阀的密封圈(34)嵌在工作面(35)的周边上，略高出工作面(35)，边上开有尖缺口的出水孔(36)在密封圈(34)的中间，承帘栅(37)在孔(36)内，栅面与工作面(35)齐平，卷帘(38)的一端固定在工作面(35)上的一侧，另一端固定在卷帘轴(39)上，卷帘轴(39)的两端分别安装轴承(40)、(41)，轴承(40)、(41)分别连接伸缩杆或转动杆(42)、(43)，伸缩杆或转动杆(42)、(43)的另一端分别固定在工作面(35)上，或固定在转动轴(44)上，转动轴(44)安装在工作面(35)为圆曲面的圆轴心(45)上。

4.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：复合型卷帘式节能快速阀于转动轴(44)处复合一个由套筒(46)、套筒(47)构成的套筒阀(48)，转动杆(42)、(43)分别固定在套筒(46)两端的圆周上，使卷帘轴(39)固定在套筒(46)上并与之联动，套筒(47)的右端封闭，左端开口，此开口即为进水口(49)，套筒(46)的右端封闭，左端开口，右端中心与转动轴(44)固定连接，套筒(46)的内径比套筒(47)的外径稍大，套筒(46)套上套筒(47)，能灵活转动而不摩擦，套筒(46)和套筒(47)上均对称两开孔，转动套筒(46)时，能使卷帘(38)提前打开出水孔(36)边上的尖缺口先行泄压，并当出水孔(36)达到一定的开度时，套筒阀(48)再滞后开启，其开度滞后于卷帘阀出水孔(36)的开度。

5.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：尾蒸汽输送管(53)与汽轮机(54)连通；壳体(55)在缸体(1)、(2)之间，齿条(13)和棘轮(20)、(21)在壳体(55)内，棘轮通过加长轴伸出与外部机构耦合；进水管(4)、缸体(1)、缸体(2)、壳体(55)和尾蒸汽输送管(53)以及阀门(5)、(6)、(7)、(8)的外表面包裹保温层(56)，保温层(56)的外面包裹高反光薄膜(57)。

6.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：自润滑活塞环的胶环体(50)布满毛细孔，胶环体(50)中心为空腔(51)，里面注入润滑油(52)。

7.根据权利要求1所述的水力发电产生极高效率的装置，其特征是：环保润滑剂用植物油调配动物脂肪，再添加适量的超细天然松烟、油烟、石墨粉。

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