本发明属于农村、城镇和城市节能、减排和资源回收综合利用领域，尤其涉及一种适合于回收雨水及生活污水重力势能并将其转化为转动动能使用的重力势能转化转动能装置。
背景技术：
随着水资源的日益匮乏和人们环境意识的日益加强,雨水和家庭厨房、浴室洗涤及其他生活杂排水等生活污水的回收利用，已成为人们关注的课题。
雨水通常用作消防，环境景观，洗车，蓄水冲厕、冷却水补给等生活杂用水。生活污水通常用于冲洗马桶。众多的利用过的雨水污水聚集后通常被直接排入污水管道，污水先流到垂直的污水管道，再流入水平总污水管道排走。污水从高处下落时蕴藏着丰富的势能。污水从污水管道上端进入作加速下落运动到底端，有不小的动能，但是在目前的排水系统中没有被进一步利用，而是白白流走，造成了能源和水资源浪费和环境污染等诸多问题。
污水发电是污水资源二次利用有效途径之一。目前公开的污水发电装置以单台单级水轮发电机居多，这些装置普遍存在运行时间短，污水发电量小，使用价值低，发电效率低等缺点。如CN201520273780公开一种生活污水利用装置，该装置包括水轮发电机和抽水机。CN201410610057公开一种下水道污水发电装置。CN201220668834公开一种高楼污水发电机，七层高楼生活污水垂直下冲水轮机叶轮。CN200920254486公开一种楼道绿色公共照明装置，该装置包括水轮机、大变速齿轮、小变速齿轮和微小型发电机，水轮机叶轮带动大变速齿轮转动，大变速齿轮和小变速齿轮啮合，小变速齿轮带动微小型发电机主轴转动。CN201310376624公开一种节能型液体重力发电系统，该系统基于杠杆原理，设置两个重力贮液箱。
污水管道中设置多台发电机，可以产生更多的电能，提高污水发电效率，但普遍存在设备多，系统复杂，因下水管空间狭小而难以安装多台发电机。CN201420841429公开一种冲击水斗式污水发电照明系统，该系统包括多个小型水力发电装置单元，引水管为分段式结构，相邻两段之间为小型水力发电装置单元，每一段引水管末端设置喷嘴，喷嘴喷出污水流入位于喷嘴正下方的水轮发电机水斗内。CN201320793265公开一种高楼污水发电装置，该装置包括两台以上发电机，置于污水管道内的相邻发电机之间高度差1.5m～3m。 CN201320217083公开一种分离型污水发电泵，排污管中段纵向排列多个水轮机，通过组合变速箱带动发电机发电。
开发设备少、系统简单、安装方便、运行时间长、能量转化量大、使用价值高、能量转化率高的新型重力势能转化转动能装置，可以提高水资源二次利用率，部分补充人们生活中所需要的高品质能源问题，从而促进我国两型社会建设和可持续发展。
技术实现要素：
为了克服传统污水势能回收利用使用单台单级水轮机存在的运行时间短、发电量小、使用价值低及发电效率低，使用多台单级水轮机存在的设备多、系统复杂及不便安装等诸多问题，发明提供一种“使用单台水轮机，水轮机具有多级叶轮、叶轮呈阶梯状布置”等结构特点，“冲击式多级水轮机叶轮转动、屋顶雨水及各楼层生活污水独立或同时使用”等技术特点，“设备少、系统简单、能量转化量大、使用价值高、能量转化效率高、安装方便”等技术优势的重力势能转化转动能装置。
重力势能转化转动能装置，主要包括水轮机，雨水管，二楼污水管和一楼污水管，一楼污水管，二楼污水管，雨水管和水轮机主轴四者竖直布置且中心轴线重合，以水轮机主轴为中心由内向外依次套装雨水管，二楼污水管和一楼污水管，水轮机主轴底部自上向下依次布置上层叶轮，中层叶轮和下层叶轮，下层叶轮布置在二楼污水管外壁面延伸面和一楼污水管内壁面之间的环形通道内，下层叶轮各叶片最高点在一楼污水管底面上，中层叶轮布置在雨水管外壁面延伸面和二楼污水管内壁面之间的环形通道内，中层叶轮各叶片最高点在二楼污水管底面上，上层叶轮布置在雨水管内壁面和水轮机主轴外壁面之间的环形通道内，上层叶轮各叶片最高点在雨水管底面上，雨水管顶面高出上层叶轮的距离，二楼污水管顶面高出中层叶轮的距离，和一楼污水管顶面高出下层叶轮的距离均超过3.2m。
农村、城镇和城市节能减排和水资源回收综合利用领域，回收雨水、工业污水及生活污水重力势能，并将其转化为转动动能使用等场所，都可以使用本发明。
发明经济性好，节能环保效益显著。应用表明：发明投资少，安装方便，布置紧凑，安全性高；雨水污水获取不需要支付任何费用，无水资源浪费、无生活污水污染环境；装置启动无需外界能量补充；污水重力势能转化量大，使用价值高；污水重力势能转化转动效率高达75％以上。
附图说明
图1为重力势能转化转动能装置竖直剖视图。图1中，1为水轮机，11 为上层叶轮，12为中层叶轮，13为下层叶轮，2为雨水管，21为雨水导流管， 3为二楼污水管，31为二楼污水导流管，4为一楼污水管，41为一楼污水导流管。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步的说明。
如附图1所示，重力势能转化转动能装置，主要包括水轮机1，雨水管2，二楼污水管3和一楼污水管4。一楼污水管4，二楼污水管3和雨水管2均为圆管，管材可以是耐腐蚀金属或塑料。一楼污水管4，二楼污水管3，雨水管 2和水轮机1主轴四者竖直布置且四者中心轴线重合。以水轮机1主轴为中心由内向外依次套装雨水管2，二楼污水管3和一楼污水管4。一楼污水管4内布置二楼污水管3，二楼污水管3内布置雨水管2，雨水管2内布置水轮机1 主轴。水轮机1主轴底部自上向下依次布置上层叶轮11，中层叶轮12和下层叶轮13。下层叶轮13布置在二楼污水管3外壁面延伸面和一楼污水管4 内壁面之间的环形通道内，下层叶轮13各叶片最高点在一楼污水管4底面上。中层叶轮12布置在雨水管2外壁面延伸面和二楼污水管3内壁面之间的环形通道内，中层叶轮12各叶片最高点在二楼污水管3底面上。上层叶轮11布置在雨水管2内壁面和水轮机1主轴外壁面之间的环形通道内，上层叶轮11各叶片最高点在雨水管2底面上。上层叶轮11布置在雨水管2内侧，可以控制雨水流动方向，而不发生垂直于水轮机1主轴方向流动而干扰一楼污水下落及一楼污水下落。中层叶轮12布置在二楼污水管3内侧，可以控制二楼污水流动方向，而不发生垂直于水轮机1主轴方向流动而干扰一楼污水下落。下层叶轮13布置在一楼污水管4内侧，可以控制一楼污水流动方向，使其垂直下落。
二楼污水管3伸出一楼污水管4顶面，雨水管2伸出二楼污水管3顶面，水轮机1主轴伸出雨水管2顶面。二楼污水管3底面在下层叶轮13各叶片最高点所处平面之上，雨水管2底面在中层叶轮12各叶片最高点所处平面之上。上层叶轮11各叶片最外点与雨水管2内壁面间距，中层叶轮12各叶片最外点与二楼污水管3内壁面间距，下层叶轮13各叶片最外点与一楼污水管4内壁面间距均控制在10mm～15mm范围。一楼污水管4顶部设置一楼污水导流管 41，二楼污水管3顶部设置二楼污水导流管31，雨水管2顶部设置雨水导流管21。雨水管2顶面高出上层叶轮11各叶片最高点所处平面距离，二楼污水管3顶面高出中层叶轮12各叶片最高点所处平面距离，和一楼污水管4顶面高出下层叶轮13各叶片最高点所处平面距离超过3.2m。
上层叶轮11各叶片与水轮机1主轴连接，中层叶轮12各叶片与水轮机1 主轴连接，和下层叶轮13各叶片与水轮机1主轴均采用连杆连接，连杆一端与叶片连接和连杆另一端与水轮机1主轴连接均为焊接连接。连接下层叶轮 13与水轮机1主轴的连杆长度大于连接中层叶轮12与水轮机1主轴的连杆长度，连接中层叶轮12与水轮机1主轴的连杆长度大于连接上层叶轮11与水轮机1主轴的连杆长度。上层叶轮11各叶片宽度，中层叶轮12各叶片宽度和下层叶轮13各叶片宽度均相等。上层叶轮11叶片，中层叶轮12叶片和下层叶轮13叶片数量相等且沿圆周方向均匀分布。自上向下垂直投影，和上层叶轮11相连接的连杆投影线在和中层叶轮12相连接的连杆投影线上，和中层叶轮12相连接的连杆投影线在和下层叶轮13相连接的连杆投影线上。水轮机1主轴外壁面与雨水管2内壁面之间的环形通道宽度，雨水管2外壁面与二楼污水管3内壁面之间的环形通道宽度，和二楼污水管3外壁面与一楼污水管4内壁面环形通道宽度相等。
以每层楼净高3.2m的二层居住建筑为例，雨水导流管21入口和屋顶雨水池出口法兰联结，二楼污水导流管31入口和二楼污水池出口法兰联结，一楼污水导流管41入口和一楼污水池出口法兰联结。水轮机1的三层叶轮安装地下室内，上层叶轮11各叶片最低点所处平面与一楼污水管41污水入口距离超过3.2m。一楼污水管4顶面高出上层叶轮11各叶片最低点所处平面距离，二楼污水管3顶面高出一楼污水管4顶面距离,雨水管2顶面高出二楼污水管3顶面距离均超过3.2m。上层叶轮11与中层叶轮12间隙，和中层叶轮12 与下层叶轮13间隙均控制在10mm～15mm。上层叶轮11各叶片最低点所处平面高出中层叶轮12各叶片最低点所处平面距离，中层叶轮12各叶片最低点所处平面高出下层叶轮13各叶片最低点所处平面距离均为10mm～15mm。
高层建筑屋顶安置雨水池，储存雨水到一定液位时自动阀门动作开闸排放。一楼安装生活杂排水池，储存污水到一定液位时自动阀门动作开闸排放。二楼安装生活杂排水池，储存污水到一定液位时自动阀门动作开闸排放。雨水池雨水经雨水导流管21进入雨水管2加速下落，雨水重力势能转化为动能，表现出以一定速度冲击上层叶轮11。上层叶轮11带动水轮机1主轴转动，通过“雨水垂直下落+水轮机1主轴转动”途径将雨水重力势能转化为水轮机1 主轴转动动能。二楼污水池污水经二楼污水导流管31进入二楼污水管3加速下落，雨水重力势能转化为动能，表现出以一定速度冲击中层叶轮12，中层叶轮12带动水轮机1主轴转动，通过“污水垂直下落+水轮机1主轴转动”途径将二楼污水重力势能转化为水轮机1主轴转动动能。一楼污水池污水经一楼污水导流管41进入一楼污水管4加速下落，雨水重力势能转化为动能，表现出以一定速度冲击下层叶轮13，下层叶轮13带动水轮机1主轴转动，通过“污水垂直下落+水轮机1主轴转动”途径将一楼污水重力势能转化为水轮机1主轴转动动能。获得的转动动能为各楼栋屋顶雨水及各楼层污水重力势能转化为转动动能总和。雨水冲击上层叶轮11后不继续冲击中层叶轮12和下层叶轮13。二楼污水冲击中层叶轮12后不继续冲击下层叶轮13。下层叶轮13，中层叶轮12和上层叶轮11中任一叶片转动，均会带动其它叶片围绕水轮机1主轴转动。雨水管2，二楼污水管3和一楼污水管4的存在不阻碍水轮机1叶轮转动。在建筑层数超过2层时，沿垂直向下方向在保持阶梯形状条件下相应增加叶轮层数。
以单层楼净高3.2m以上的两层居住建筑为例，雨水管2、二楼污水管3、一楼污水管4和水轮机1安装在居住小区中心。水轮机1四周各建筑的雨水导流管21沿雨水管2圆周方向均匀分布，在雨水入口平面上均匀设置和各雨水导流管21连接的雨水入口。二楼污水导流管31沿二楼污水管3圆周方向均匀分布，在二楼污水入口平面均匀设置和各二楼污水导流管31连接的二楼污水入口。一楼污水导流管41沿一楼污水管4圆周方向均匀分布，在一楼污水入口平面上均匀设置和各一楼污水导流管41连接的一楼污水入口。单层楼净高3.2m以上可以保证重力势能转化转动动能最小量。
安装发明所指的余能回收装置时，先垂直固定水轮机1主轴，上层叶轮 11，中层叶轮12和下层叶轮13。水轮机1上层叶轮11，中层叶轮12和下层叶轮13在一楼地平面以下，上层叶轮11距离一楼地平面3.2m以上，中层叶轮12与上层叶轮11间距10mm～15mm，下层叶轮13与中层叶轮12间距10mm～ 15mm。和水轮机1主轴同中心轴线，先套入雨水管2并调整雨水管2底面位置，使上层叶轮11各叶片最高点全部落在雨水管2底面上；再套入二楼污水管3并调整二楼污水管3底面位置，使中层叶轮12各叶片最高点全部落在二楼污水管3底面上；再套入一楼污水管4并调整一楼污水管4底面位置，使下层叶轮13各叶片最高点全部落在一楼污水管4底面上。试运行过程中要避免水轮机1主轴的偏离中心轴线旋转故障出现，避免雨水污水因不垂直下落碰及水轮机1主轴、雨水管2、二楼污水管3和一楼污水管4而损失重力势能现象出现。由于各雨水和各污水都是以一定速度冲击叶片，雨水通道和污水通道不出现硬质杂物堵塞，各叶片上不会积留污垢污泥，自然免除了水轮机1 各层叶轮各叶片所需的日常清洗维护工作。
发明结构创新、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：
发明具有“使用单台水轮机”结构特征。发明所指的重力势能转化转动能装置包括一根雨水管2、一根二楼污水管3、一根一楼污水管4和一台水轮机1，占空间体积及占地面积小，设备少系统简单，适合于目前排水管网节能技改使用，投资小。而CN201420841429和CN201320793265包括多台水轮机和发电机，CN201320217083包括多台水轮机和变速箱，安装需要高的空间或大的占面面积，设备多系统复杂。
发明具有“使用多级叶轮水轮机”结构特征。发明所指的重力势能转化转动能装置包括一台水轮机1，该水轮机主轴底部由上向下依次垂直连接着上中下三层叶轮。尽管CN201520273780，CN201410610057，CN201220668834， CN200920254486和CN201310376624涉及的水轮机数量上只有一台，但属于单级水轮机。
发明具有“雨水管污水管同中心轴线套筒式布置和三层叶轮呈阶梯状布置”结构特征。发明水轮机1自上向下在主轴底部包括上中下三层叶轮，中层叶轮12到主轴距离大于上层叶轮11到主轴距离，下层叶轮13到主轴距离大于中层叶轮12到主轴距离，三层叶轮整体上呈阶梯状布置。传统多级水轮机多安装在内径恒定的流道中，和主轴相连的各级叶轮与主轴距离相等。
发明三大结构特征直接导致“冲击式多级水轮机叶轮转动、各楼栋屋顶雨水及各楼层污水独立或同时回收使用”技术特征。由于发明雨水污水通道同中心轴线套筒式布置且选用单台叶轮阶梯状布置式的多级水轮机，上层叶轮11承接雨水管2内下落的雨水冲击，中层叶轮12承接环形通道内下落的二楼污水冲击，下层叶轮13承接环形通道内下落的一楼污水冲击。三层叶轮阶梯状布置，满足了水轮机1四周不同楼栋不同楼层雨水污水落下冲击叶轮需要。发明运行不受楼层数多少和雨水污水流量大小限制，可以单独收集雨水或污水重力势能，也可以同时雨水污水重力势能，可以收集单栋建筑雨水污水重力势能，也可以同时收集两栋及以上建筑的雨水污水重力势能。发明为大范围收集零散分布且低能流密度的雨水污水重力势能，增大转动动能输出量，和增加发明在广大居住小区实际应用的可能性等创造了条件。各楼栋各楼层雨水污水下落区域及冲击叶轮区域不重合，减小了不同楼栋不同楼层雨水污水因下落过程交叉混合而存在的能量损失，提高了重力势能回收利用效率。将不定时不连续下落排放的雨水、工业污水及生活污水聚集通过一台多级阶梯式水轮机，可以提高水轮机负荷率和时间利用率，延长转动动能输出时间，使转动动能输出大小基本恒定，最终提高水轮机重力势能转化转动动能效率，并增加转动动能的利用价值。传统多级水轮机选用有流道内主流速度大、动能大或能流密度大等条件限制。由于受到流动壁面限制，冲击过上游叶轮的水流继续冲击下游叶轮，存在明显的流道内流体交叉混合，转化为转动动能过程中热力学损失大，能量转化效率低。目前文献报道的使用单台单级水轮机回收利用污水能源输出的电能少，使用价值不大，在居住小区推广应用明显受到限制，回收利用相同重力势能需要三台及以上单级水轮机同时使用，回避不了设备多系统复杂问题。发明输出转动动能，能量转换过程短，量大且效率高，输出的转动动能使用价值高，适合于居民居住小区使用。目前文献报道的污水能源回收装置输出电能，能量转换过程长，输出的电能量少且效率低，输出的转动动能使用价值不大，居民居住小区难以规模使用。
上述三大结构特征和技术特征带来的综合技术效果是设备少系统简单、造价成本低、灵活布局、安装方便，进行大范围收集具有零散分布、能流密度低、不定时排放和不连续排放等特点的雨水污水能源资源，水轮机负荷率高，运行稳定，输出的转动动能量大，使用价值高，重力势能转化转动动能效率高。
农村、城镇和城市节能、减排和水资源回收综合利用领域高层楼宇及居民住宅小区雨水污水余能回收利用，回收雨水污水重力势能并将其转化为转动动能使用场所，和聚集溪流、水渠、池塘、火电厂循环水、水电厂排水、地下水源、城市排污水、企业排污水，建设小功率分布式电站建设场所，均可以使用本发明。
发明经济性好，节能环保效益显著。应用表明：发明投资少，安装方便，布置紧凑，安全性高；可以解决雨水污水散放存在的既浪费能源又污染生活环境等问题；可以为小功率磨机提供原动力，替代风机水泵所用的小功率电机等；配套小功率发电机发电，使这些不会被使用或被废弃的雨水和生活污水循环发电，能够自己提供额外的小区部分电能，增加居住小区电力供应的渠道；污水重力势能转化转动效率高达75％以上，是一种理想的分布广泛且廉价的小功率分布式能源新技术。