三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机的制作方法

本发明涉及一种三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机，属水利工程、生态工程领域。

背景技术：

河流对水生生物来说不仅仅是单纯的廊道，而且是水生生物生存和生态健康的重要组成部分。水利水电工程存在多种可能破坏河道生态完整性的方式，例如水库大坝的建设使河流生态系统的物质循环、能量流动及信息传递等方面发生一系列的变化，对鱼类的种群特征产生巨大的影响。鱼类溯河产卵需长途跋涉，往往必须通过许多潜在的障碍才能到达其产卵场，工程建设带来的障碍会使鱼类受到显著影响。通过阻止鱼类回到原有重要栖息地，产生大量被隔离的异质种群，以致河流系统的某些鱼类数量大量减少甚至灭绝，并最终破坏生态系统的稳定性和完整性。

上述措施虽然具有一定的成效，但是建设费用高、效率低，而且仍然会有大量的鱼通过水轮机时受到伤害，达不到预期的效果。在我国，对于洄游鱼类及整个生态环境保护方面的考虑还非常缺乏。

现代水轮机的开发与设计起始于20世纪初，受当时观念及各方面技术的限制，在设计时没有将保护洄游鱼类安全通过水轮机的问题纳入设计的考虑范畴。水轮机叶片打击是造成伤鱼的主源，造成伤鱼的其他机制已证实。试验结果表明，水轮机过鱼生存率与鱼长呈负相关。随着水头增加，生存率也下降，这是由于更高的转速相应地使鱼群被叶片击中的概率更大。高转速也会产生更高的打击速度，从而使鱼群被击中时受伤更大。鉴于此种情况，设计了一种以轴流式水轮机为基础的三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机。普通的轴流式水轮机分为轴流定桨式和轴流转桨式两种，适用于较低水头、较大流量的水利资源，叶片数目一般为3至8片，低水头少叶片，高水头多叶片。轴流定桨式水轮机转轮叶片是固定在轮毂上，结构简单，造价便宜。但是，轴流定桨式水轮机只能通过调节导水机构控制出力，工作水头低、功率小，在水头与负荷变化较大时，水轮机效率会有较大下降。轴流转桨式水轮机效率较高，目前最高效率有的已超过94％。正是因为轴流转桨式水轮机效率过高，对通过水轮机的鱼类伤害也较大。三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机在保证水轮机出力及运行效率的基础上改变水轮机的结构设计和运行参数，增大了工作水头并尽可能地将水轮机对鱼类造成的伤害降低至最小。三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机旨在使水电能源与自然生态协调发展，实现水利工程对生态环境的有效补偿，实现人与自然的和谐发展。

技术实现要素：

本发明的目的是解决鱼类过坝及鱼类穿过水轮机死亡率较高的问题，设计的一种生态型过鱼水轮机。三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机降低了鱼类穿过水轮机死亡率，保证了水轮机出力及运行效率。

为了达到本发明的目的，本发明采用一种三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机，包括转轮室和安装在其内的转轮主轴，转轮主轴通过传动机构与发电机传动连接，在所述转轮主轴上安装有主动链轮，在所述发电机转轴上连接副轴并在副轴上安装有三级链轮，三级链轮通过环形链条与所述主动链轮传动连接；在三级链轮的轴架上设置有变速推进器，以及在环形链条中段设置有张紧轮；所述副轴的中部设置有花键，三级链轮的轴管内壁上设置有花键槽，副轴的花键与三级链轮的花键槽匹配嵌套在一起；所述变速推进器包括一根与所述副轴平行的活动轴，活动轴的两端或者中部套装在轴架上的轴套内仅能轴向活动，活动轴的两端设置有固定在轴架上的电磁线圈，活动轴的两端分别为伸缩端一和伸缩端二，都能与对应电磁线圈匹配套装，伸缩端一和伸缩端二上分别固定有磁性吸盘；同时，在活动轴磁性吸盘位置分别设置有拨叉，两侧拨叉平行且位于所述三级链轮的两侧，两侧拨叉的叉头分别套装在副轴上并与副轴间隙配合，在两拨叉中部的轴架上设置有弹簧座，两侧拨叉分别通过拨叉拉簧连接在弹簧座上。

进一步地，在位于靠近三级链轮位置的环形链条外侧套装有定位器，该定位器包括固定座、平行叉杆和定位套，两个平行叉杆分别固定在固定座两侧，在每个叉杆上套装有定位套，环形链条位于两个平行的定位套内侧。

为了保持环形链条稳定不脱落，又在三级链轮的两侧分别固定有挡板，两侧挡板的直径分别大于相邻链轮的直径。

为实现自动化控制，在转轮主轴上安装有转速检测器。以及设置有水位传感器和处理器，水位传感器或转速检测器的信号线与处理器的信号端连接，处理器的输出端分别控制两端的电磁线圈。

本发明在集现有先进的生态过鱼技术基础上，以轴流式水轮机为例进行改进，构筑发电和鱼过坝新技术。发明所采取的技术方包括链轮变速传动组合和转轮装置系统两大部分。其中，链轮变速传动组合是将轴流式水轮机转轮主轴断开，采用链条将主动链轮与三级小链轮连接，通过链轮传动组合及变速器来变速保证发电机的发电转速要求，以此减少水轮机叶片数，通过减少轮叶叶片数来降低鱼类通过水轮机时受到的机械撞击和研磨损伤等其他损伤因素。普通的轴流式水轮机叶片数目一般为3至8片，三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机叶片设定为3片，大大降低了水轮机叶片对鱼类过坝的伤害，链轮变速传动组合又保证了水轮机工作的稳定性、出力及运行效率。转轮装置系统内主要有转轮室、转轮叶和泄水锥组成，转轮叶和泄水锥采用光滑表面，以减少对鱼的潜在摩擦伤害和鱼鳞损伤。

主动链轮与三级小链轮通过链条连接线，则主动链轮与三级小链轮线速度相同，其关系式如下：

v=2πnr(1)

n1r1=n0r(2)

n1r2=n0r(3)

n1r3=n0r(4)

式中：v为线速度（m2/s）；n为转速（r/s）；r为半径（m）；n0为主动链轮转速（r/s）；r为主动链轮转速半径（m）；n1为一级小链轮转速（r/s）；n2为二级小链轮转速（r/s）；n3为三级小链轮转速（r/s）；r1为一级小链轮转速半径（m）；r2为二级小链轮转速半径（m）；r3为三级小链轮转速半径（m）。

本三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机创新功能明显。第一，减少轮叶片的个数，以降低鱼类所受撞击和擦伤的概率；第二，三级链轮组合及变速器在水轮机叶片减少的情况保证了副轴转速，以维持稳定发电转速和发电量；第三，轮叶、泄水锥和尾水管上部锥管采用光滑表面，以减少对鱼的潜在摩擦伤害和鱼鳞损伤。第四，适用于水位变化比较大的发电站，在水位变化时，通过变速器调节三级链轮链条传动系统保证了水轮机工作稳定。

本发明不仅可以通过手动控制实现电磁线圈对活动轴的正向或反向吸引，从而驱动三级链轮实现轴心平移规定距离，实现控制变速目的。而且，本发明还可以利用传感器提供水位高程信号给处理器，或者同时检测转轮主轴的转速，通过处理器判断水力势能和转轮的速度情况，来根据情况控制变速程度。

附图说明

图1是生态型过鱼水轮机结构示意图。

图2是生态型过鱼水轮机链轮组传动机构示意图。

图3是图1中变速推进器的结构示意图。

图4是图2中定位器的结构示意图。

图5是利用传感器实现自动控制变速的控制系统框图。

图中标号：1为发电机，2为副轴，201为花键，201为花键套，203为轴承，3为一级小链轮，4为二级小链轮，5为三级小链轮，6为变速推进器，601为活动轴，6011为伸缩端一，6012为伸缩端二，602为电磁线圈，603为磁性吸盘，604为弹簧座，605为双平行拨叉，606为叉头，607为拨叉拉簧，7为环形链条，8为转轮主轴，9为主动链轮，10为进水口，11为转轮叶，12为转轮室，13为泄水锥，14为出水口，15为挡板，16为转速检测器，17为摆杆，18为固定轴，19为张紧链轮，20为张紧拉簧，21为定位器，211为固定座，212为平行叉杆，213为定位套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

实施例1：本发明采用如图1所示的三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机，是在现有水轮机基础上进行改进，包括现有水轮机主体结构，即需要包括转轮室12和安装在水轮室12内的转轮主轴8，转轮主轴8通过轴承安装在支架上，支架位于水轮室主体的上侧。

现有转轮主轴8通过传动机构与发电机1传动连接。在本实施例中，传动机构是在转轮主轴8上安装有主动链轮9，又在发电机1转轴上连接副轴2并在副轴2上安装有三级链轮。该三级链轮是由直径依次增大的三个链轮平列固定在一体构成的链轮组。三级链轮通过环形链条7与所述主动链轮9传动连接。

参见图2所示，本实施例中，设置在三级链轮的轴架上有变速推进器6，为配合变速，又在环形链条7中段设置有张紧轮。

参见图3所示，变速推进器6包括一根与副轴2平行的活动轴601，活动轴601的两端或者中部套装在轴架上的轴套内仅能轴向活动。活动轴601的被控制向上或向下轴向移动：在活动轴601的两端设置有固定在轴架上的电磁线圈602，活动轴601的两端分别为伸缩端一6011和伸缩端二6012，伸缩端一6011和伸缩端二6012都能与对应电磁线圈602匹配套装。并且在伸缩端一6011和伸缩端二6012上分别固定有磁性吸盘603。从而，当电磁线圈602通电后，能够对对应的磁性吸盘603进行吸引。该处需要强调的是，磁性吸盘603的磁性可以通过提供正反向电流的方式通知磁性方向，例如，需要向上移动活动杆时，控制上侧的电磁线圈602对上侧的磁性吸盘603形成吸引力，同时通知下侧的电磁线圈602对下侧的磁性吸盘603形成排斥力，实现上拉下推的驱动作用。同理，当需要向下移动活动该时，分别改变上侧电磁线圈602和下侧电磁线圈602的电流方向即可。

活动轴601的驱动三级链轮的结构：在活动轴601磁性吸盘603位置分别设置有拨叉，两侧拨叉平行且位于三级链轮的两侧，两侧拨叉的叉头606分别套装在副轴2上并与副轴2间隙配合。当驱动活动轴601向上或向下移动式，通过两侧平行的拨叉就能够控制三级链轮的向上或向下运动。

存在两种控制方式，第一种方式是利用双平行拨叉605仅驱动三级链轮轴心移动，但不对三级链轮进行约束。此时可以采用在两拨叉中部的轴架上设置有弹簧座604，两侧拨叉分别通过拨叉拉簧607连接在弹簧座604上，保持拨叉能够在对电磁线圈602断电后处于自动回位的状态。第二种方式是利用拨叉对三级链轮进行约束，此时在拨叉的插头上安装有压力轴承，利用压力轴承接触三级链轮，而且是长期接触，该状态下如果对上链轮和下链轮切换后，还需要保持电磁线圈602一直处于通电状态，即保持拨叉的插头通过压力轴承始终压贴在三级链轮侧壁，在切换于中间链轮时，对两端电磁线圈602断电并采用在两拨叉中部的轴架上设置有弹簧座604，两侧拨叉分别通过拨叉拉簧607连接在弹簧座604上，保持拨叉能够在对电磁线圈602断电后处于自动回位的状态。

三级链轮相对于副轴2发生轴心移动时，需要采用花键和花键轴配合关系，在本实施例中，参见图2和图3，在副轴2的中部设置有花键201，三级链轮的轴管为花键套202，其内壁上设置有花键槽，副轴2的花键201与三级链轮的花键槽匹配嵌套在一起。

为了保持环形链条7运行过程中稳定不脱落，在三级链轮的两侧分别固定有挡板15，两侧挡板15的直径分别大于相邻链轮的直径。

本实施例采用链条将主动链轮与三级小链轮连接，通过链轮传动组合及变速器来变速保证发电机的发电转速要求，以此减少水轮机叶片数，通过减少轮叶叶片数来降低鱼类通过水轮机时受到的机械撞击和研磨损伤等其他损伤因素。

实施例2：在实施例1基础上，为保证链条切换的顺利进行，又采用了定位器21对环形链条7进行约束。如图4所示，在位于靠近三级链轮位置的环形链条7外侧套装有定位器21，该定位器21包括固定座、平行叉杆和定位套，两个平行叉杆分别固定在固定座两侧，在每个叉杆上套装有定位套，环形链条7位于两个平行的定位套内侧。

实施例3：在实施例1基础上，在转轮主轴8上安装有转速检测器16，同时又设置有水位传感器和处理器，如图5所示，水位传感器或转速检测器16的信号线与处理器的信号端连接，处理器的输出端分别控制两端的电磁线圈602。在实施例1通过手动控制实现电磁线圈602对活动轴601的正向或反向吸引，驱动三级链轮实现轴心平移规定距离的基础上。本实施例利用传感器提供水位高程信号给处理器，或者同时检测转轮主轴8的转速，通过处理器判断水力势能和转轮的速度情况，来根据情况控制变速程度。

实施例4：发明所采取的技术方包括链轮变速传动组合和转轮装置系统两大部分。其中，三级链轮变速传动组合系统是将轴流式水轮机转轮主轴8断开，采用链条将主动链轮9与三种规格的小链轮连接，小链轮带动副轴2（转子）转动，通过链轮传动组合及变速器6来变速保证发电机的发电转速要求，以此水轮机转轮叶11数减少为3片。根据上游水位来确定链轮组合，高水头时通过变速器将链条调至三级链轮5，中水头时通过变速器将链条调至二级链轮4，低水头时通过变速器将链条调至一级链轮2，通过变速器6调节链轮组合保证了水轮机工作稳定。三级链轮链条传动式生态过鱼水轮机的叶片与普通水轮机相比，即使叶片叶片较少也能满足发电要求，又能降低鱼类在通过水轮机时受的伤害。转轮装置系统内主要有转轮室12、转轮叶11和泄水锥13组成，发电用水通过转轮叶经出水口14排出，转轮叶11、泄水锥13和转轮，室内壁采用光滑表面，以减少对鱼的潜在摩擦伤害和鱼鳞损伤。