基于齿轮链条结构传力的竖井能量回收装置及方法与流程

文档序号:15579051发布日期:2018-09-29 06:22

本发明涉及城市深层隧道排水技术领域,具体涉及竖井入流水流的消能及储能装置,用于将进入竖井的水流的能量转换为机械液压能并达到消能及储能目的。



背景技术:

随着我国城市化进程的加快,传统城市建设模式带来的内涝频发、径流污染加剧、水资源流失、水生态环境恶化等突出雨水问题,已成为制约社会发展的限制性因素之一。在环境承载能力日益饱和的今天,建设 “海绵城市”成为当今我国社会发展的必然需求。针对城市中心城区水面率低、建筑密度高、地下管线错综复杂、人口密集和防汛安全压力大等特点,采用大型深层调蓄隧道,作为托底工程,辅以源头径流控制,成为解决城市内涝以及初雨污染的有效手段。

为了避开对地下管线以及地铁等设施的影响,城市深层隧道调蓄排水隧道一般建设在地下40m-60m处,当发生暴雨时,地面汇集的大量雨水通过入流竖井流入地下隧道,存储部分雨水。因而入流竖井高度较高,如果水流直接从竖井顶部直接跌入到竖井底部,水流的势能转换为动能,必然会对竖井底部产生非常大的冲击,破坏竖井结构,引起竖井内产生振动、噪声以及挟带大量气体进入隧道等问题,影响工程的安全运行。为了解决水流的消能问题,目前工程中常常在竖井中建造消能结构,比如传统的折板式结构、滑道式结构、阶梯式结构等等,当水流流过这些结构时,能量发生耗散,从而达到消能的目的。但该类消能措施一方面容易在竖井内出现旋涡、空化和空蚀、掺气水流等多种复杂的水力流动现象,同时在竖井中建造的结构受到水流的冲刷,带来过大的结构振动问题,威胁结构安全。另外,入流竖井较高,水流的落差较大,具备较多的势能,如何利用这部分能量,在目前城市深隧入流竖井的设计中,还未出现类似的观念以及结构。本发明提出并设计了一种新型的深隧系统入流竖井结构,在保证水流安全流入的前提下,将原本靠竖井消能结构耗散掉的能量,通过新型的装置转换为机械能,进而转换为液压能储存起来,用于深隧系统中机械装置,如闸门、检修电梯等设备的供能。



技术实现要素:

发明目的:目前的深层隧道调蓄排水系统中,入流竖井的水流大多采用单纯的消能措施以避免水流对竖井的破坏,但该部分水流能量因此也被浪费,为克服目前的竖井消能中存在的缺点,本发明旨在将竖井水流的能量储存为机械液压能,可用于为调蓄排水系统中各部分闸门等部件的运行提供能量。

技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供的基于齿轮链条结构传力的竖井能量回收装置包括安装在竖井内的集水系统、能量转换装置和传动系统,

所述集水系统包括一块由抛物线沿竖井直径拉伸形成的第一曲面、与第一曲面在连接处相切用于将水流引至转轮叶片远离转轮主轴一侧的平面集水板,由抛物线沿竖井半个圆扫掠形成的第二曲面,及与第二曲面相接用于引导水流的圆柱面;

所述能量转换装置具有半圆形叶片;

所述传动系统包括齿轮和链条,用于联接能量转换装置与储能装置。

具体地,所述储能装置是齿轮泵,所述半圆形叶片在主轴上间隔45°均匀排列,所述主轴的两端对称地安装链轮

具体地,集水板远离主流一侧为抛物线沿直线拉伸后处于竖井内部的曲面部分,靠近主流一侧的集水板为抛物线沿竖井截面半个圆周扫略得到的曲面,以减少水流从竖井井口流下时对集水板的冲击作用。其中靠近主流一侧集水板主要起到防止水流沿竖井边壁流下,防止产生较大的渗漏损失,也防止水流不经过转轮消能以较大流速沿竖井内壁直接流下而对深隧产生较为严重的破坏作用。

具体地,集水板喷嘴处的部分由一块与远离主流一侧集水板在相接处相切的平面,以及一块半圆柱侧面的曲面围成。在保证竖井一定过流能力的前提下尽可能的将水流引向远离转轮主轴的一侧,从而对转轮主轴产生尽可能大的力矩。

具体地,集水板喷嘴具有一定的高度,保证通过喷嘴的水流可以具有较好的流态,当水流经过集水板喷嘴后水流可较为平顺的落到转轮叶片上。

具体地,转轮叶片形状为半圆形,叶片边缘与竖井内壁保持一定安全距离,防止叶片因热胀冷缩或冲击变形等原因与竖井内壁发生摩擦碰撞而引发事故。

具体地,转轮叶片的构型为平板型,根据转轮的能量守恒方程:

其中:γ为水的容重,Qe为通过转轮的流量,V与r分别表示与叶片垂直的速度与对应力臂,下标1、2分别表示转轮的进出位置,ω表示转轮转动的角速度。

由附图5所示,水流通过集水板3时在集水板3的作用下水流具有与距水流出口最近转轮叶片的垂直方向速度,此时部分水流与上述叶片发生撞击,剩余水流在重力作用下流速方向逐渐变为接近竖直向下,此时该部分水流与下一块叶片(指按顺时针顺序上述叶片的下一块叶片)发生撞击,此时水流速度方向同样接近与此块叶片垂直,即采用平板叶片时,在水流重力的矫正作用下可以使得Vu1保持较大值,而当水流与转轮叶片发生撞击后,水流流出方向基本平行于叶片方向,故使用平板叶片可使得Vu2保持较小值。根据能量守恒,其他参数都是固定值,故采用平板叶片时可使得能量转换的效率最高。

具体地,起传力作用的链条可具有一定富裕长度,即当竖井处于冬季最低气时,链条长度刚好连接转轮主轴及竖井井口位置处的齿轮,并能正常工作,防止冬季在热胀冷缩的作用下链条过紧而产生较大的应力。

具体地,转轮主轴带动主轴端部的齿轮转动,在链条的作用下带动竖井井口处的齿轮转动,竖井井口处的齿轮与齿轮泵连接在同一根轴上,从而带动齿轮泵工作实现竖井水流能量的回收。

使用时,本发明将进入竖井的水流利用四块集水板集中至竖井一侧,利用水流的重力及所具有的动能带动集水板下方的能量转换装置转轮的转动,转轮主轴带动其端部的齿轮转动,该齿轮通过链条带动竖井井口处的齿轮转动从而带动齿轮泵工作,通过齿轮泵的运作实现将水流的能量转换为机械液压能的目的,实现竖井水流能量的回收,并可同时达到消能的目的。在集水板位置可根据集水板所能承受的水流冲击力及竖井高度合理确定,以防止集水板距离井口太远致使集水板受到较大的冲击。

有益效果:在过去的方案中,通过竖井的水流仅仅通过其他消能设施以防止水流对竖井及隧洞的破坏,但水流的能量也因此浪费。本发明将竖井水流的能量储存为机械液压能,落水的动能被吸收并转储,避免了这部分能量在地下管道内形成水锤,同时为调蓄排水系统中各部分闸门等部件的运行提供能量。

附图说明:

图1为本发明在竖井上部用于集中水流的集水板结构俯视图;

图2为本发明在竖井上部用于集中水流的集水板结构左视图;

图3为本发明在齿轮与链条连接处的局部示意图;

图4为本发明整体结构前视图;

图5为本发明在竖井内部侧视图;

图6为本发明在竖井内部整体结构示意图;

图中标记为:第一集水板1,第二集水板2,第三集水板3,第四集水板4,冲击式水转轮叶片5,转轮主轴6,主齿轮7,链条8,从齿轮9,从动轴10,竖井内壁11,齿轮泵12。

具体实施方式:

实施例:

本实施例的应用于集水竖井的消能及储能装置的具体结构如图1-5所示。包括第一集水板1、第二集水板2、第三集水板3、第四集水板4、冲击式水转轮叶片5、转轮主轴6、主齿轮7、链条8、从齿轮9、从动轴10和齿轮泵12。

其中,第一集水板1为抛物线沿直线拉伸后处于竖井内部的曲面部分,主要起到防止水流沿竖井边壁流下,防止产生较大的渗漏损失,也防止水流不经过转轮消能以较大流速沿竖井内壁直接流下而对深隧产生较为严重的破坏作用。

第二集水板2为抛物线沿竖井截面半个圆周扫略得到的曲面,以减少水流从竖井井口流下时对集水板的冲击作用。

第三集水板3是远离主流一侧集水板在相接处相切的平面,第四集水板4是一块半圆柱侧面的曲面。在保证竖井一定过流能力的前提下尽可能的将水流引向远离转轮主轴的一侧,从而对转轮主轴产生尽可能大的力矩。

第一集水板1、第二集水板2、第三集水板3和第四集水板4共同组成集水系统。

冲击式水转轮叶片5的形状为半圆形,叶片边缘与竖井内壁11保持一定安全距离,防止叶片因热胀冷缩或冲击变形等原因与竖井内壁发生摩擦碰撞而引发事故。

链条8起传力作用,可具有一定富裕长度,即当竖井处于冬季最低气时,链条长度刚好连接转轮主轴及竖井井口位置处的齿轮,并能正常工作,防止冬季在热胀冷缩的作用下链条过紧而产生较大的应力。

使用时如图6所示,水流从井口位置流入竖井后,在远离主流一侧的第一集水板1和靠近主流一侧的第二集水板2的作用下将水流引至竖井一侧,与第一集水板1在连接处相切将水流引至靠近边壁的第三集水板3,以及垂直于水平面与第二集水板2相接引导水流的第四集水板4的约束作用下将水流引至转轮叶片中距转轮主轴最远的位置,水流带动冲击式水转轮叶片5 及转轮主轴6转动,联接的主齿轮7再通过链条8带动竖井井口位置处的从齿轮9转动,再由从动轴10带动齿轮泵12运作,从而实现将水流的能量转换为机械液压能的目的。在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化,在本发明的原理和技术思想的范围内,对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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