活塞式水力发电机的制作方法

专利名称：活塞式水力发电机的制作方法
用水推动水轮机(图-1的示意)或反击式发电机(图-2的示意)发电，(图中1叶片，2轴心，3发电机，4支架)从分析上看，它们的叶片是偏斜的，水总是斜推叶片，不是直推叶片，推力是分散的，有部份水是推动叶片转动，是做了功的，有部份水是压在轴心上，在由轴心传压在支架上，不起做功作用，有浪费水的现象，所以功率不高，因此才设计用活塞代替叶片，因活塞的耗水量少，可节省1.57倍的水，水的压力又是在密封的容器里，垂直的向活塞推去，没有浪费点水，让95％以上的水都能做功，提高功率。
提高功率的原因有三点。
1、用水推动水轮机或反击式发电机转动一转并带动发电机转动一转发电，因它们是弧线转动，耗水量是园的周长，根据园的周长以直径之比，可设圆周率3.14作比例计算(如图＝1的示意)用水推动活塞来回运动一次，并带动发电机转动一转发电，因它是直线运动，耗水量是圆的直径来一次，回一次，设直径的长1+1＝2计算，从耗水量对比，用3.14÷(1+1)＝1.57，也就是说，水轮等比活塞多浪费水1.57倍，是水轮和反击式发电机功率不高的原因之一，假设改用活塞发电，如图三1和图三2的示意，图中1大活塞，2小活塞，3发电机，4推杆，5大齿轮，6小齿轮，7曲轴，8控制进水和排水的小轮，9气缸，10连杆。图三1是直线运动，能节省1.57倍的水，将节省的水用去发电，可多发1.57倍的电，除去损失，可多发1.4倍左右的电，但是要笨重些，易于制造。也可制向图三2的形式，就可将笨重和磨擦减到轻便灵巧的程度，能经久耐用，但是要多消耗点水，因它是弧线运动，图中甲表示推杆越短，弧越弯，耗水量越大，乙表示推杆越长，弧越直，耗水量越小，可以制成能节省耗水量1.45倍左右，加上轻便灵巧，也能多发1.4倍左右的电，是提高功率的原因之一。
关于节省水1.57倍的分析，可将图二1的圆面积，补上两条虚线(如图二2的示意)用甲的行程表示为水轮等的耗水量，用乙的行程表示为活塞的耗水量，在计算耗水量和动力性的大小，不能用虚线计算，要用箭头表示的线计算，它是三条线的平均线条，也是平均耗水量和行程，就可算出水轮等需要1×3.14＝3.14的水，才能推动发电机转动一转发一倍的电，活塞只需直径的长去1回1等于2,1×2＝2的水，就可推动发电机转动一转发一倍的电，用3.14÷2＝1.57，这是活塞能节省水1.57倍的分析。
在设计时，如果甲的面积为1倍的，活塞面积应为1.57倍，它们的耗水量就大致相等(甲1(面积)×3.14(行程)＝3.14的耗水量，乙1.57(面积)×2(行程)＝3.14的耗水量)，所不同的是甲只有1倍的动力推动发电机转动一转，发1倍的电，乙有1.57倍的动力，推动发电机转动一转，发1.57倍的电，所以就有提高功率1.57倍的差异，除去损失，可多发1.4倍左右的电。
2、由于水轮等的叶片是偏斜的，从分析上看，有75％左右的水是推动叶片转动，是做了功的，有25％左右的水是压在叶片上，经叶片传压在轴心上，在由轴心传压在支架上(地面上)所以不起做功作用，有效动力不足1，只有0.75倍左右，好比我们用100斤力斜推汽车一样，因推力是分散的，有部份力是推汽车前进，是做了功的，有部份力是推汽车偏倒向一边，不起做功作用，100斤力只能当75斤左右用，如果用100斤力垂直的推汽车，因推力没有分散，100斤力能当100斤用，是水轮等斜推叶片功率不高的原因之二(其中水轮的损失要大些，反击式的损失较小)，用活塞发电，水是在密封的容器里，垂直的向活塞推去，推力没有分散，100斤力能当100斤用，由于没有浪费25％左右的力，所以就能提高功率1.2倍左右，是提高功率的原因之二。
3、密封性不如活塞的好，因水轮和反击发电机是用反冲运动的原理制成，需要流出的水反冲叶片转动，流出的水或多或少，是要扩散点的，从分析上看，要扩散1.15倍左右的水，扩散部份是损失的部分，是功率不高的原因之三。用活塞发电，水是在密封的容器里推动活塞做功，流进气缸的水不会扩散出去，流进多少就能做多少功，由于没有损失1.15倍的水，可就提高功率1.1倍左右，是提高功率的原因之三。但是水轮和反击式发电机是圆周转动，带有圆周转动的惯性力做功，转速较高，适应于发电的需要，是它们的优点。
以上3点是活塞的优点，缺点是活塞是来回运动，不是直线运动，转速不高，不大适应于发电的需要，因活塞笨重，在做来回运动时，需要急时的停止前进，又要急时的返回后退，因转速高，不可停顿片刻，由于需要急时的停止前进，又要急时的返回后退，这就要消耗很大的动力才能做到，有效功率，只有0.7倍左右，损失0.3倍左右的有用功，是活塞的缺点，是人们不大利用活塞做功的原因，关于这个缺点，可用下面三点改进来克服。
改进一可在活塞里安装小活塞，分别叫做大活塞和小活塞，小活塞能在大活塞里来回运动一定的距离，现将气缸分成十个等份，如图四各图的示意，在做每一次行程时，大活塞行0.85的行程(8.5个等份)耗水量为0.85，其余0.15的行程(1.5个等份)由小活塞继续行完，0.85+0.15＝1，也就行完了一次行程，现在来看大、小活塞来回运动的经过图三的大活塞带动小活塞行至8.5等份，就停止了前进，如图四1的示意，由小活塞代替它继续行至10等份，变成了图四2的示意，小活塞立急返回后退，行至9.5等份的地方，如图四3的示意，水已进入推动大活塞回行运动了，并追上小活塞，带动小活塞返回运动做功，从图四3变成了图四4，等到大活塞行至1.5等份，又停止了运动，如图四5，由小活塞代替它继续行至0等份，如图四6的示意，在由0等份返回，行至0.05等份，如图四7，水已进入推动大活塞回行追上小活塞，带动小活塞向10等份运动做功，又变成了图四1的示意了。小活塞的安装是起到代替大活塞作急时回行的作用，大活塞是起到做功的作用，因小活塞的面积小，容易急时停止前进，又容易作急时的返回后退，小活塞在大活塞里，代替大活塞继续行完0.15的行程的这个时间里，大活塞就有个多余的时间作急时的停止前进，又作急时的起动回行运动，并追上小活塞，带动小活塞返回运动做功，克服大活塞来回运动的损失，改变成相当于直线运动来提高功率。
改进二活塞来回运动发电，转速不高，是活塞的另一个缺点，这个缺点可以利用大齿轮带动小齿轮转动，将慢速转动，改变成快速转动的原理来克服，而不影响功率减少，如果是用现有的水轮机的一切设备来设计，只改用活塞做动力，一切机件照常使用的话，那就扩大活塞的面积和行程，也可用两个活塞来代替水轮一更好。(其中一个做功，另一个做准备工作回行，向内燃机那样，一个做功，三个做准备工作)，消耗以水轮一样多的水，虽然活塞来回运动慢些和来回运动的次数少些，但是活塞的面积和行程已增大了，受力面积也被增大，动力也随着增大，面积以行程相乘，如果是增大8倍，大齿轮的齿数就是小齿轮齿数的8倍，就可利用大齿轮带动小齿轮转动来提高转速，就可克服转速不高的缺点了，达到发电机转速上的需要，如图三的示意，从耗水量、转速、时间、大齿轮、小齿轮、曲轴、推杆等来计算，是不会影响功率降低。
改进三推杆的安装是为了增大活塞的行程，减少活塞来回运动的次数；又可将来回运动的速度变慢些，就可大大的克服来不及回行运动的损失了，又是为了适应于带动曲轴转动做功的需要才安装的，有利益功率上的提高，有利于设计上的需要。
以上三点改进，是用来克服活塞来回运动的损失，改变成相当于直线运动，就没有来回运动的损失了，或损失不大，可算损失0.05倍。
另外的损失，还有活塞在推动曲轴转动时，有推力大，有推力小，是会损失部份有用功的，因曲轴是作圆周转动，将曲轴的转动画成圆周，又将圆周分成360°，曲轴转动在0°和180°附近，即上止点和下止点的地方不起做功作用，将损失25％的有用功，即损失0.25，加上来回运动所损失的0.05，就是损失0.3倍的有用功，现在又将活塞的优点，能提高功率的数1.4倍、1.2倍、1.1倍加起来，0.4+0.2+0.1＝0.7，减去它的缺点，所损失的功就是提高功率的数了，用0.7-0.3＝0.4，活塞能提高功率1.4倍左右，也就是说，假设改用活塞发电，就可增加发电量1.4倍左右，至少也能增加发电量1.2倍以上，只要能提高功率。其它困难，如活塞的笨重，大、小活塞来回运动的碰撞(可用橡胶块来克服)，活塞来回运动次数的要求，发电机转速上的要求，活塞惯性力的产生(可在小齿轮上安装飞轮，就可产生有水轮等一样大小的惯性力做功了)。进水和排水的控制和要求等都可克服，适用于中、小型水电站、大型电站，可用活塞组，是可以的，现在以有水轮发电，反击式发电，在增加活塞式水力发电，各有特长，以上所写的，不一定很对，写给国内国外作参考选用，希望爱好科学者、水电部门和有关单位及技师和个人，多作指教和支持，共同的分析和设计制造，盼早日实现增加发电量1.4倍左右。
权利要求
1.设计一种活塞式水力发电机。好处是耗水量少，不容易浪费水，让95％以上的水都能做功，增加发电量。设计特征和组成部份，主要的是需要在大活塞里安装小活塞，需要安装推杆、大齿轮、小齿轮、曲轴、发电机、气缸、连杆等才能组成活塞式水力发电机。
2.如权利要求1所述的在大活塞里安装小活塞，是用来缓和大活塞来不及回行运动的困难，克服大活塞来回运动，对功率上的损失，将来回运动，改变成相当于直线运动来提高功率。
3.如权利要求1所述的推杆是用来增大活塞来回运动的行程，又可减少来回运动的次数，有利益功率上的提高，有利益带动曲轴转动。
4.如权利要求1所述的大齿轮和小齿轮的安装，是用来将慢速转动，转变成快速转动，而不影响功率降低，以好适应于发电机转速上的需要。
5.如权利要求1所述的大活塞、小活塞、推杆、大齿轮、小齿轮、曲轴、发电机、气缸、连杆等，是活塞式水力发电机的主要的组成部份，是设计上不可缺少的主要的零件。
全文摘要
用水推动水轮机或反击式发电机发电，因耗水量大，叶片又是偏斜的，水总是斜推叶片，有部份水是推动叶片转动，是做了功的，有部份水是压在轴心上，不起做功作用，所以功率不高，因此，才设计用活塞代替叶片，因活塞可节省水1.45倍，水的压力又是在密封的容器里垂直的向活塞推去，没有浪费点水，除去损失，可多发1.4倍的电，但是需要在大活塞里安装小活塞，需要安装推杆、大齿轮和小齿轮等，用来克服大活塞来回运动对功率上的损失和克服发电机转速上的需要，才能提高功率1.4倍左右。
文档编号F03C1/00GK1450262SQ0214835
公开日2003年10月22日 申请日期2002年11月6日 优先权日2002年11月6日
发明者杨元祥 申请人:杨元祥