专利名称：桨轮堰型水能转换自动提水机、机组的制作方法
技术领域：
本发明提出的“桨轮堰型水能转换自动提水机、机组”设备设施可利用河流自身拥有的水能直接进行提水作业，属于水利工程设备设施产品全新种类开发技术领域。
今年的《政府工作报告》已将农村、山区、城镇饮水解困工程列为国家未来长期大力实施的重点工程；日前新修订实施的国家《生活饮用水卫生标准》提出的众多新增严格指标对于许多城市、乡镇生活饮用水清洁水源的供应也增加了更多供给需要。
此外，广泛建设人工湿地进行水质的生物净化和改善生态环境、减洪防旱灌溉的农田水利建设、广泛大量提、调、蓄水发展水产养殖产业……等均需要高效、长效、低耗、低投入的提水、调水、蓄水工程建设。
临近或靠近河流而无水可用，饮水、用水、灌溉时常发生困难是我国多数山区和许多城市、乡镇的现实写照，世界许多国家和地区也同样存在着上述尴尬处境。但是真正有效解决该问题其实并不容易，因为如果采用电力提水引水，需要的超高提水高程所产生的电费累计消耗额度巨大，电力提水还需供电设备、线路设施的紧密配合，这在农村山区建设其投资和维护的支出将十分巨大；此外，在可大量提水蓄水的季节也正直年度用电高峰季节，电网还难有电力的大量有效供给。如果是超高扬程提水还极易使水泵产生气蚀破坏，设备运行损耗很大，长期检修与更换形成的累计费用也将十分可观；而如果采用建设“重力(势能)转换自动提水机、机组、机群”(中国发明专利号02129279.5)进行提水作业则需要建设较高的河道水坝，使其形成一定的水流落差才能实现通过水体自身势能的转换进行提水作业的原理要求，但在许多河流，尤其是在大中型河流上建设该提水方式需要的较高水坝，对于该河流的行洪能力和其它影响会很大，建坝的投资巨大，因此单纯为了少量提水建坝也难于达到经济性要求；其最好是在已有水坝的基础上顺便附加建设该形式的提水设施，或是在实现以建库蓄水为主要目标的建坝前提下，顺便一同实现其势能提水功能所需的水坝建设，因此其可适合一部分条件状况下的水利建设需求；可填补上述技术功能空缺的是“水能转换自动提水机、机组、机群”(中国发明专利号200510063101.4)，其可方便廉价地适合在大中型(包括中小型)河流上建设进行无坝形式的河流自身水能转换直接提水作业，但是其需要所建河段要具备较强的水流速度才能实现，而拥有较强流速的河段并非广泛普遍存在，因此其对于更多存在的水流在多数时间内处于低速缓慢流动形态的中小型河流河段还难于采用，因此其也只适合另一部分状况条件下的水利建设需求；由此可见，虽然上述两种创新产品功效的市场需求领域同样十分巨大，但其还难于实现“在更为普遍存在、方便在中小河流上建设、更加适用于在中低水流速度条件下实现水能转换自动提水目标的更为广泛与全面的理想要求。
本发明的目的就是提供可满足上述更为广泛与全面要求的再一种全新种类的水能转换自动提水设备设施——桨轮堰型水能转换自动提水机、机组，(“堰”字典中的名词解释是高度较低的挡水建筑物，桨轮堰即是由桨轮机座排列构成的堰。)其同样可直接利用河流水流自身拥有的水能进行出力转换实现直接提调水作业，并可方便地实现对不同提水高度、对不同提水水量需求的工程设计和其运行能力的自动或方便调控。
本发明提出的“桨轮堰型水能转换自动提水机、机组”是由“桨轮型水能机(1)”与“桨轮机座(2)”的相互紧密配合实现的水能最大转换出力，通过同轴联动的传动方式(或通过齿轮、或链条的方式)进行传动，直接带动“链条提水机(3)”实现水能转换自动提水目标，通过一机上设置多个提水机的设置方式，或通过多机的并列设置方式可实现其机组形式；对上述桨轮堰型水能转换自动提水机、机组主要功能部件的具体描述是(1)桨轮型水能机——桨轮型水能机是由①桨轮板、②桨轮辊、桨轮轴等主要功能部件构成(见示意
图1)，对其具体的描述是①多个或众多个桨轮板各个相同规格的桨轮板均间距排列在桨轮辊上，桨轮板一般为平板形状，也可采用C、L等更加有利于集中水力、同时有利于其自身强度加强的结构。在一个桨轮型水能机上设置的桨轮板的数量、规格、排列密度、设计强度、选择材料、设计直径等可依该提水机站建设地点所拥有的水流强度、桨轮堰设计利用的回水距离、设计的提水高度、提水能力等的实际要求确定。
桨轮板一般采用钢材或玻璃钢或其结合为主体材料，也可采用其它材料，为了加强各个桨轮板的抗压强度，在其两板之间的间隔空间内一般分布设置加强板(或杆)。
②桨轮辊桨轮辊为圆柱型辊体，在辊表面上均匀分布桨轮板，桨轮辊一般采用钢材或玻璃钢或其结合为主体材料，也可采用其它材料，为了加强桨轮板面的强度，在其板、轴之间的间隔空间内分布设置加强板(或杆)。
桨轮辊的设计直径和长度可依建设地点拥有的水流强度、可利用水能流程(堰高度形成的水库回水)、河流宽度、提水高度、提水能力等的实际要求确定；③桨轮轴在桨轮辊的中心设置桨轮型水能机的动力输出轴(桨轮轴)，在桨轮轴上的一处或两处(或多处)设置链条提水机的动力链轮形成一体化的同轴传动形式(见示意图3；也可在相同位置设置传动齿轮或传动链轮，形成上述其它多种形式的传动，由于是非首选，不一一表述)。桨轮轴的设计直径和长度可依建设地点拥有的水流强度、可利用水能流程、河流宽度、提水高度、提水能力等的实际要求确定；桨轮型水能机的设计长度与规格可依不同的实际需要进行具体设计，也可形成标准化的系列规格，并进行标准化的生产。
(2)桨轮机座——其主要作用是集中水力，并与桨轮型水能机形成配合，使其实现最大出力，并可通过溢水顶板、冲压口闸门自动或人工调节控制水流，其主要功能部分包括①冲压桨轮口；②冲压口闸门；③桨轮机挡水堰体；④溢流顶板；⑤桨轮轴座。
可见一个有效的桨轮机座是横向位于河流水道之上，可形成由一个或由多个桨轮机座(包括其它辅助挡水建筑物)排列并列联合构成的较低挡水建筑物(简称桨轮堰；其形态如同在河道上设置了橡胶坝)，在其上游可形成一定距离的堰坝回水水面，通过桨轮堰实现的水能分段集中可使该段水能加强；在同一个桨轮堰上还可由2-多个单独作用的桨轮型水能机共同构成；在一个河段长度内可分阶段分布设置多个桨轮堰，将该河段的全部水能转换用于提水利用(见示意图5)。
对桨轮机座组成件功能结构更具体的描述是①冲压桨轮口在桨轮机座下部设置的与桨轮板设计高度相同或略高些(或略低些)的冲压桨轮口，其可将桨轮机座堰形成的水力集中切向作用在桨轮型水能机的最大力矩处形成最大出力，因此冲压桨轮口的前下部结构还可设计为与桨轮板紧密配合的圆弧结构。
②冲压口闸门其可调控冲压桨轮口的水流强度和其开闭控制。在一个桨轮堰上可分别单独设置多个冲压口闸门，并可实现分别单独调控各个冲压口闸门状态，通过冲压口闸门的开启与封闭及其开闭大小的控制可随时方便地调控该冲压口闸门控制段内冲压口的水流和强度，形成不同的水流出力能力。
③桨轮机挡水堰体桨轮机挡水堰体与桨轮型水能机设计高度相当，通过其作用可将水能集中作用于冲压桨轮口，并可阻挡水流对桨轮机的无序冲击，为了加强其强度设置堰加强体，在堰加强体上可方便设置冲压口闸门。
④溢流顶板在桨轮机的顶部设置有与桨轮机直径相同或略宽些的溢流顶板，其功能是将冲压桨轮口无法消化的多余河流水量可直接越过溢流顶板泻于下游，使其不会对桨轮机的运行产生影响(见示意图2)。
⑤桨轮轴座一般情况下桨轮型水能机的设计长度很长，因此在桨轮机座上间接分布设置可稳定固定桨轮轴的桨轮轴座(见示意图2)。
机站其它基础设施设置还可同时建设分流、通航水道、泻洪控制闸门等设施，其不属于创新范围，不进行表述)(3)链条提水机——链条提水机是将从桨轮型水能机上获得的动力，直接传动带动提水箱链条及其串联的提水箱在从河水水面之下、到提水机卸水平台上之间进行上下循环转动实现提水目的的机械部分，其主要是由①串联的提水箱、②提水箱链条(或用钢丝绳)、③传动轮、④提水机机架、卸水平台和引水输水管道设施等主要功能部件构成(见示意图4)，对提水机结构部件及其功能的具体描述是①提水箱提水箱的侧剖面形状如同G形，可使通过水面下入水水满后的提水箱在链轮升起过程出现的倾斜情况下顺利提出水面并保持水满。其可采用圆、方等形式与不同的容积规格设计，可采用金属、防水布、玻璃钢等材料制造。
②提水箱链条或采用钢丝绳或钢丝绳上附带有间隔固定结(固定结即在钢丝绳上附加固定设置的凸出物体)的钢丝绳代替链条。在一个提水机提水箱上一般左右设置两个提水链条共同带动一组串联的提水箱，其设计强度、节距、长度等可依该提水机的提水能力、传动轮直径和提水高度实际需要确定。
③传动轮其包括取水轮和卸水轮，取水轮的下部设置在水面下，卸水轮的上部设置在卸水平台上，其两者之间的距离是该提水机设计的最大扬程。
④提水机机架、卸水平台和引水输水管道设施等功能部件提水机机架还可依山坡建设，使提水水箱直接上山，这可大大减少提水机建设与施工的成本。可在斜型机架上设置必要的导轨。提水机机架还包括提水机安装基础与安装机架、机座等；⑤卸水平台和引水输水管道设施的功能包括其可承接提水箱反转后卸出的水流，并且将其压力输水到用水处或长远输水。
(4)传动机构桨轮型水能机与链条提水机之间一般采用同轴联动的机械传动方式，也可采用多种形式传动方式的传动齿轮，或传动链条实现传动，但是采用齿轮的结构复杂、成本高，采用传动链条形成的传动力较小，因此其更多是采用同轴联动的传动方式(见示意图3)。
本发明对于桨轮堰型水能转换自动提水机、机组设备设施基本运行方法的描述是可在一切具有一定水流速度或更加适合在缓慢水流速度的河段内设置桨轮堰型水能转换自动提水机、机组，并使其排列形成桨轮堰，通过桨轮机座上设置的冲压桨轮口的作用将桨轮堰高所集中加强的水能直接切向作用于桨轮型水能机各个桨轮板的最大力矩处形成最大水能转换出力，使桨轮型水能机转动，并通过同轴传动或其它传动方式直接传动力于链条提水机上，使其带动提水箱链条及其串联的提水箱实现上下循环转动，由水箱通过水面下取水到水箱通过卸水平台上实现横向倾斜卸水过程完成提水作业；可通过冲压口闸门对其实现出力或流量的控制；当河流水流量无法通过冲压桨轮口完全泻出时，可通过其上部设置的溢流顶板泻于下游。
在运行使用过程中对于水能转换自动提水机、机组出力能力和提水能力、运行稳定性与季节水量的适应性调节方法有①其可实现自动调节控制，无须人工干预因为桨轮型水能机与水流的配合出力方式是非刚性的，况且桨轮堰的高度所能够形成的水流速度和强度是有一个度的(有一个范围值)，因此桨轮型水能机在遇到更大输出阻力下所能提供的输出力能力值也有一个范围，水能机出力能力加大就会导致水能机运行速度加快，导致提水机运行速度的加快，导致提水能力的提高，单位时间内提水能力的提高又需要有更大的输出动力配合，因此其间形成的相互抵消制约结果是在一个允许的宽泛出力范围内，在一个链条提水机设备运行能力允许的宽泛速度范围值内，可达到水能机与提水机的动态平衡实现自控；②在一个桨轮型水能机上设置2-多个链条提水机的情况下可采用脱离与连接配合传动的链条提水机数量的方式实现提水能力的大幅度增加与减小。
③通过开启与关闭冲压口闸门进行水流与出力能力的调节，多关闭可减少作用于桨轮型水能机上的过流水力，反之则增加出力能力。
本发明提出的桨轮堰型水能转换自动提水机、机组具有强大的设备过流能力，并通过形成排列形式自然构成运行需要的堰，可将其设计安装流程所处坡段内形成的水能高效转换形成提水出力利用；其机组的多设计形态和调控方法可适合多种不同的复杂情况需求，从而可实现出力效率高、运行成本低，建设适用条件更广泛、建设方式灵活多样，对自然河流与水流无实质性影响与改变等诸多优势功效集合”的设计目的。
下面结合示意图说明桨轮堰型水能转换自动提水机及其设施的主要功能结构。
图1为桨轮型水能机的横向剖面的主视结构示意图。
图2为桨轮机座与桨轮型水能机配合作用(桨轮堰)的横向剖面结构示意图。
图3为桨轮型水能机与链条提水机通过同轴联动传动配合的结构示意图。
图4为链条提水机与卸水平台和输水结构配合的示意图。
图5为在一个水流流程段内设置若干个桨轮型水能机组的宏观侧视示意图。
图6为在一个河段内设置的桨轮堰型水能转换自动提水机组的宏观俯视示意图。
图1中1.桨轮轴 2.桨轮辊 3.桨轮板加强板 4.桨轮板。
图2中5.通过溢流顶板的水流 6.桨轮机挡水堰体及其加强体 7.冲压口闸门 8.冲压桨轮口及水流 9.桨轮堰基础 10.桨轮型水能机 11.桨轮轴座12.溢流顶板。
图3中13.链箱提水机的运行方向 14.卸空下降的提水箱 15.溢流顶板 16.桨轮机挡水堰体 17.堰集中的水能 18.入水水满提升的提水箱 19.取水传动链轮20.链箱提水机链条。
图4中21.提水箱倾斜卸水 22.提水机上部回转的卸水传动轮 23.卸水输水平台 24.压力输水管 25.提水箱链条 26.卸空下行的提水箱 27.提水箱在两个回转卸水传动轮中横行卸水于卸水平台 28.满水上升的提水箱。
图3的上部与图4的下部删除部分对接即可形成一个完整的提水机。
图5中29.链箱提水机 30.桨轮堰 31.桨轮堰形成的水库回水 32.河流地理坡度 33.来水水流。
图6中34.河道河岸 35.桨轮堰水能机 36.提水机提水箱 37.桨轮机挡水堰加强体 38.水流方向。
权利要求
1.一种桨轮堰型水能转换自动提水机、机组”设备设施，其特征在于其是由“桨轮型水能机”与“桨轮机座”的相互紧密配合实现的水能最大转换出力，通过同轴联动的传动方式(或通过齿轮、或链条的方式)进行传动，直接带动“链箱提水机”实现水能转换自动提水目标，通过一机上设置多个提水机的设置方式，或通过多机的并列设置方式可实现其机组形式；对其主要功能部件具体的描述是(1)桨轮型水能机——桨轮型水能机是由①桨轮板、②桨轮辊、桨轮轴等主要功能部件构成①多个或众多个桨轮板各个相同规格的桨轮板均间距排列在桨轮辊上，桨轮板一般为平板形状，也可采用C、L等结构，在桨轮板两板之间的间隔空间内一般分布设置加强板(或杆)。桨轮板的设置数量、规格、排列密度、设计强度、选择材料、设计直径等可依水流强度、设计的回水距离、提水高度、提水能力等的实际要求确定。②桨轮辊桨轮辊为圆柱型辊体，在辊表面上均匀分布有上述形式的桨轮板，桨轮辊一般采用钢材或玻璃钢或其结合为主体材料，也可采用其它材料，为了加强桨轮板面的强度，在其板、轴之间的间隔空间内分布设置加强板(或杆)。③桨轮轴在桨轮辊的中心设置桨轮型水能机的动力输出轴(桨轮轴)，在桨轮轴上的一处或两处(或多处)设置链箱提水机的动力链轮形成一体化的同轴传动形式；(2)桨轮机座——其作用是集中水力，并与桨轮型水能机形成配合，使其实现最大出力，并可通过溢水顶板、冲压口闸门自动或人工调节控制水流，其主要功能部分包括①冲压桨轮口；②冲压口闸门；③桨轮机挡水堰体；④溢流顶板；⑤桨轮轴座。桨轮机座可形成一个由一个或多个桨轮机座并联并列联合构成的桨轮堰，在同一个桨轮堰上还可由2-多个单独作用运行的桨轮型水能机共同构成；在一个河段内可分阶段分布设置多个桨轮堰，对桨轮机座组成件功能结构更具体的描述是冲压桨轮口在桨轮机座下部设置与桨轮板设计高度相同或略高些(或略低些)的冲压桨轮口，其可将桨轮机座堰形成的水力集中切向作用在桨轮型水能机的最大力矩处形成最大出力，其前下部结构还可设计为与桨轮板紧密配合的圆弧结构。冲压口闸门其可调控冲压桨轮口的水流强度和其开闭控制。在一个桨轮堰上可分别单独设置多个冲压口闸门，并可实现分别单独调控各个冲压口闸门状态，通过冲压口闸门的开启与封闭及其开闭大小的控制可随时方便地调控该冲压口闸门控制段内冲压口的水流和强度，形成不同的水流出力能力。桨轮机挡水堰体桨轮机挡水堰体与桨轮型水能机设计高度相当，通过其作用可将水能集中作用于冲压桨轮口，并可阻挡水流对桨轮机的无序冲击，为了加强其强度设置堰加强体，在堰加强体上可方便设置冲压口闸门。溢流顶板在桨轮机的顶部设置有与桨轮机直径相同或略宽些的溢流顶板，其功能是将冲压桨轮口无法消化的多余河流水量可直接越过溢流顶板泻于下游，使其不会对桨轮机的运行产生影响。桨轮轴座在桨轮机座上间接分布设置可稳定固定桨轮轴的桨轮轴座。(3)链箱提水机——链箱提水机是将从桨轮型水能机上获得的动力，直接传动带动提水箱链条及其串联的提水箱在从河水水面之下、到提水机卸水平台上之间进行上下循环转动实现提水目的的机械部分，其主要是由①串联的提水箱、②提水箱链条(或用钢丝绳)、③传动轮、④提水机机架、卸水平台和引水输水管道设施等主要功能部件构成，对提水机结构部件及其功能的具体描述是①提水箱提水箱的侧剖面形状如同G形，可使通过水面下入水水满后的提水箱在链轮升起过程出现的倾斜情况下顺利提出水面并保持水满。其可采用圆、方等形式与不同的容积规格设计，可采用金属、防水布、玻璃钢等材料制造。②提水箱链条或采用钢丝绳或钢丝绳上附带有间隔固定结(固定结即在钢丝绳上附加固定设置的凸出物体)的钢丝绳代替链条。在一个提水机提水箱上一般左右设置两个提水链条共同带动一组串联的提水箱，其设计强度、节距、长度等可依该提水机的提水能力、传动轮直径和提水高度实际需要确定。③传动轮其包括取水轮和卸水轮，取水轮的下部设置在水面下，卸水轮的上部设置在卸水平台上，其两者之间的距离是该提水机设计的最大扬程。④提水机机架、卸水平台和引水输水管道设施等功能部件提水机机架还可依山坡建设，使提水水箱直接上山，这可大大减少提水机建设与施工的成本。可在斜型机架上设置必要的导轨。提水机机架还包括提水机安装基础与安装机架、机座等；⑤卸水平台和引水输水管道设施的功能包括其可承接提水箱反转后卸出的水流，并且将其压力输水到用水处或长远输水。(4)传动机构桨轮型水能机与链箱提水机之间一般采用同轴联动的机械传动方式，也可采用多种形式传动方式的传动齿轮，或传动链条实现传动。
2.一种桨轮堰型水能转换自动提水机、机组设备设施的基本运行方法，其特征在于可在一切具有一定水流速度或更加适合在缓慢水流速度的河段内设置桨轮堰型水能转换自动提水机、机组，并使其排列形成桨轮堰，通过桨轮机座上设置的冲压桨轮口的作用将桨轮堰高所集中加强的水能直接切向作用于桨轮型水能机各个桨轮板的最大力矩处形成最大水能转换出力，使桨轮型水能机转动，并通过同轴传动或其它传动方式直接传动力于链箱提水机上，使其带动提水箱链条及其串联的提水箱实现上下循环转动，由水箱通过水面下取水到水箱通过卸水平台上实现横向倾斜卸水过程完成提水作业；可通过冲压口闸门对其实现出力或流量的控制；当河流水流量无法通过冲压桨轮口完全泻出时，可通过其上部设置的溢流顶板泻于下游。在运行过程中对其出力能力、提水能力、稳定性与季节水量的适应性调节方法有①其可实现自动调节控制，无须人工干预；②在一个桨轮型水能机上设置2-多个链箱提水机的情况下，可采用脱离与连接配合传动的链箱提水机数量的方式实现提水能力的大幅度增加与减小。③通过开启与关闭冲压口闸门进行水流与出力能力的调节，多关闭可减少作用于桨轮型水能机上的过流水力，反之则增加出力能力。
全文摘要
一种“桨轮堰型水能转换自动提水机、机组”，其是由桨轮机座排列构成需要的堰(堰低高度的挡水建筑物)，其是由“桨轮型水能机”与“桨轮机座”的相互紧密配合实现水能的最大转换出力，通过同轴联动的传动方式进行传动，直接带动“链箱提水机”在水面下到卸水平台上之间的循环转动实现水能转换自动提水的目标，其可自动运行并有多种调控方式；其更加适合在中小型河流上建设、更适用于在中低水流速度条件下实现利用河流自身拥有的水能直接完成提水作业的理想目标；从而由“重力转换”、“水能转换”和“桨轮堰型水能转换”三大系列创新技术全景式地展现了用河流自身水能进行自动提水作业方式的广泛适应性和巨大发展潜力。
文档编号F03B13/22GK1664355SQ20051006459
公开日2005年9月7日 申请日期2005年4月18日 优先权日2005年4月18日
发明者陈晓通 申请人:陈晓通