一种水力发电模组及充电方法

1.本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种水力发电模组及充电方法。


背景技术：

2.涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种，被广泛应用在发电、航空、航海等领域。涡轮发动机按照流体介质的不同，大致分为燃气涡轮发动机、水力涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机；其中，水力涡轮发动机的主体部件是由水轮机和发电机两部分构成的，水流经过水轮机的受水面时，水能转换为机械能并带动水轮机实现旋转，水轮机的转轴又带动发电机的转子实现旋转，机械能转换成电能并输出供电。
3.目前，水轮机转轮能够进行不断旋转的现有常规方法是：参见图1所示，示出的是常规水力涡轮发动机的工作原理示意图，上游的河流通过渠道流到水轮机的转轮受水面上，之后又通过渠道汇入到下游的河流中，利用上游和下游河流之间的高度差，上游的水流会持续不断的流向下游，与此同时，水流不断冲击水轮机的转轮并使其转动。
4.但是，上述水轮机转轮的常规旋转方法存在的问题在于：一旦上游河流由于干旱等原因出现液位降低的情况时，就不能继续利用上、下游河流的高度差使上游水汇入下游，最终导致水轮机的转轮因未受到水流冲击而无法进行旋转。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水力发电模组及充电方法，在上游水位降低时，如何使水轮机的转轮继续进行旋转。
6.第一方面，本发明公开了一种水力发电模组，包括壳体，壳体内转动连接有主轴，主轴一端与发电机上附接的转子连接，发电机固定于壳体内；主轴的另一端连接水轮机，水轮机的转轮与下游水流接触；壳体一侧设有涡流管，涡流管一端用于和置于上游水流中的导水管连接，涡流管的另一端与水轮机的转轮相对；在主轴上安装有辅助提速装置，辅助提速装置以低速旋转的转轮为动力、且辅助提速装置用于将下游水流引到水轮机转轮上并对水轮机的转轮进行驱动。
7.作为对水轮机的进一步限定，水轮机包括转轮，转轮的内毂上环形阵列有两个以上的弧形叶片，弧形叶片的一端缘形成用于受水的内弧面，弧形叶片的背缘形成外弧面，且外弧面向远离内弧面的方向突出；转轮的外毂上环形阵列有至少两个助力叶，助力叶上形成内、外弧面，助力叶的内弧面为受水面，助力叶、弧形叶片的内弧面处于同侧。
8.作为对涡轮管、弧形叶片位置关系的进一步限定：涡流管的出水口与弧形叶片内弧面的末梢端相对。
9.作为对辅助提速装置的进一步限定，辅助提速装置包括容腔，容腔的安装口上设有盖板，容腔内叠层、对扣放置有两环套，环套上等间距形成至少两个推流板，推流板末端与环套内缘壁以可转动方式贴合，不同环套上的相邻推流板可贴合适配；环套内缘壁上等
间隔形成至少两段齿牙，齿牙段数与推流板个数等同，相邻两段齿牙间的环套内缘壁上形成凹槽；环套内设有缺齿轮，缺齿轮的轮齿部分与对应环套上的各段齿牙一一对应且啮合适配，缺齿轮的弧面部分与对应环套上的凹槽间隙配合，两环套上的缺齿轮分别同心固定于主轴上；不同环套上的相邻两推流板两侧、容腔上分别设有入流管、出流管，入流管的另一端用于放入下游水流中，出流管的另一端悬空置于转轮的上方用于推动转轮旋转。
10.作为对出流管、弧形叶片位置关系的优化：出流管另一端口与转轮上弧形叶片的内弧面相对。
11.作为对两缺齿轮与各自齿牙运动关系的进一步限定，上方或下方环套内缺齿轮弧面进入凹槽首端时，下方或上方环套内缺齿轮的轮齿与相邻段的齿牙首端啮合，不同环套上的相邻两推流板进行贴合。
12.作为对本技术的优化方案：出流管上外接有喷淋管，喷淋管的出口与主轴相对。
13.第二方面，本发明公开了一种水力发电模组充电方法，包括以下步骤：步骤1，壳体安装于下游河流的堤坝或岸边，水轮机的转轮与下游水接触。
14.步骤2，当上游水位高于下游水位时，上游水流通过涡流管冲击在转轮上用于推动转轮旋转，且下游水及辅助提速装置用于带动转轮发生旋转；当上游水位低于下游水位时，上游水无法流到转轮上，下游水及辅助提速装置用于带动转轮发生旋转。
15.步骤3，转轮旋转后带动发电机的转子发生旋转，发电机与充电桩连接；充电桩用于为过往船只、高压线供电。
16.本发明的有益效果在于以下几点：第一，本技术通过将辅助提速装置与转轮相结合，依靠下游水低速旋转的转轮可以为主轴旋转，从而为辅助提速装置的运转提供启动力，而辅助提速装置则可以将下游水流抽起并喷射到转轮上，将水能转换为机械能，辅助转轮实现高速运转；本技术可以保证在上游水流不足时，依然可以利用下游水流将转轮进行高速驱动，工作效率高。
附图说明
17.图1为常规水力涡轮发动机的工作原理示意图。
18.图2为本技术的整体结构示意图。
19.图3为水轮机的整体结构示意图。
20.图4为辅助提速装置的结构示意图。
21.图5为辅助提速装置的炸开结构示意图。
22.图6为环套、缺齿轮的配合结构示意图。
23.图7为辅助提速装置的运动状态结构示意图。
24.图8为入流管、出流管的安装结构示意图。
25.图9为出流管与弧形叶片的位置结构示意图。
26.图中，壳体1、主轴2、发电机3、转轮4、弧形叶片401、助力叶402、涡流管5、导水管6、辅助提速装置7、容腔701、盖板702、环套703、推流板704、齿牙705、凹槽706、缺齿轮707、入流管8、出流管9、喷淋管10。
具体实施方式
27.为了清楚的理解本技术技术方案，下面将结合具体实施例和附图对本技术提供的一种水力发电模组及充电方法进行详细说明。
28.以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个、两个或两个以上。
29.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“一个实施例”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
30.实施例1本实施例提供了一种水力发电模组，参考图2，示出本技术的整体结构示意图，包括壳体1，壳体1内以旋转方式支承有主轴2，主轴2的上端缘通过联轴器与发电机3上附接的转子连接，发电机3的机体则以栓接的方式与壳体1的就近端固定。主轴2的下端缘上装配有水轮机，在上游水位正常时（即：上游的水位高于下游的水位），上游和下游之间产生水流落差，产生落差的水流以高速对水轮机的转轮4冲击以使转轮4旋转，间接保证发电机3能够持续向负荷供电（转轮4通过主轴2带动发电机3运转发电）；因此，壳体1的一侧安装有涡流管5，涡流管5经由外凸缘连接导水管6，导水管6从如图2中所示的上游位置处（如河流、溪流等）进行取水，涡流管5经由内凸缘与水轮机的转轮4相对。在安装水轮机过程中，使水轮机的转轮4与下游水进行接触（注：在实际安装过程中，需要将壳体1安装在下游河流的堤坝上或岸边，等，参见图2），在上游水位较下游水位较低或等高时，依靠下游水的低速流动依然可带动水轮机的转轮4发生旋转，在上游水位恢复之前，依然能够确保发电机3的正常发电（此发电方式为应急方案，相较于第一种发电方式，发电效率稍差，但可以保证供电不出现间断）；另一方面，为确保水轮机的转轮4在依靠下游水流发电过程中，发电效率能够进一步提升，在主轴2上安装有辅助提速装置7，通过辅助提速装置7确保水轮机的转轮4能够实现高速旋转。
31.其中，参考图2和图3（图3为水轮机的整体结构示意图），水轮机包括转轮4，转轮4的内毂上环形阵列形成有28个弧形叶片401（弧形叶片401的数量，根据实际情况具体决定，不限于本实施例中的28个），弧形叶片401的前缘形成内弧面，且内弧面为受水面，弧形叶片401的背缘相对于内弧面反向突出形成外弧面，由此，当弧形叶片401的内弧面（受水面）接受高速水流时（此处的高速水流，其一为上游水流产生，其二为辅助提速装置7产生），转轮4的整个轮体朝向弧形叶片401的背缘方向旋转以进行发电；由于转轮4需要依靠下游水域的自身流速进行旋转，因此，转轮4的外毂上等间距形成有10个助力叶402（此处的助力叶402数量也不固定，需要根据实际情况进行具体设计），助力叶402的内、外侧分别形成内、外弧面，助力叶402的内弧面为受水面并与弧形叶片401的内弧面处于同侧。无论弧形叶片401，
还是助力叶402，内、外弧面的设计均使内弧面受到的推力较大，而外弧面所受到的助力则减少。
32.其中，参考图2和图4（图4示出的是辅助提速装置7的结构示意图）以及图5，图5示出的是辅助提速装置7的炸开结构示意图，辅助提速装置7包括容腔701，容腔701的顶部形成有安装口，方便将其他部件通过安装口放入到容腔701内，同时为了方便能够及时掌握容腔701内其他部件的运行情况，安装口处密封连接的盖板702为透明材质制成（例如盖板702的材质可采用玻璃，等）；容腔701内叠层设有两环套703，两环套703的周壁上均等间距形成有4个推流板704，环套703内缘壁上等间隔形成有4段齿牙705，相邻两段齿牙705之间的环套703内缘壁上形成凹槽706（即缓冲区）；环套703内缘壁侧上布置有缺齿轮707（缺齿轮707的一侧端缘上形成有轮齿，缺齿轮707的另一侧端缘为平滑弧面），缺齿轮707上的轮齿与环套703内缘壁上的每段齿牙705分别对应且啮合适配，缺齿轮707上的弧面与环套703内缘壁上的凹槽706形成间隙配合；通过图6，可以清楚理解两环套703以及对应的缺齿轮707如何装配为一体，图6示出的是环套703、缺齿轮707的配合结构示意图，两环套703上的缺齿轮707以同轴共线的方式固定在主轴2上（焊接为固定的其中一种方式，但不仅限于焊接，等），两环套703以对扣的方式同心转接，不同环套703上的相邻推流板704可贴合适配；参考图4及图7中b所示，两环套703以转接的方式连接在容腔701内，推流板704末梢的端缘与环套703的内缘壁可转动的贴合，不同环套703上的相邻两推流板704两侧、容腔701上分别连接入流管8和出流管9；参考图8示出的入流管8、出流管9的安装结构示意图，入流管8的另一端接入到下游就近的水流中，出流管9的另一端悬空置于转轮4的上方，且出流管9另一端口与转轮4上弧形叶片401的内弧面相对（如图9所示，示出的是出流管9与弧形叶片401的位置结构示意图）。
33.辅助提速装置7的工作原理：当水轮机的转轮4依靠下游的水流旋转过程中，首先，在转轮4的旋转作用下带动主轴2沿b方向发生旋转，本实施例以图7中0线作为初始位置，参考图7中a所示，此时，上方环套703的其中一推流板704处于0线位置，0线位置的右侧以贴合上方环套703推流板704的方式设有下方环套703的推流板704，此时，上方环套703内的缺齿轮707平滑弧面即将进入到凹槽706中，下方环套703内的缺齿轮707上轮齿即将与相邻一段的齿牙705进行啮合；然后，参考图7中b所示，随着主轴2的旋转，连接在主轴2上的两缺齿轮707同步发生旋转，由于缺齿轮707平滑弧面与凹槽706间隙配合，相应的缺齿轮707旋转过程中并不会带动上方环套703及推流板704的旋转，缺齿轮707上轮齿由于与环套703上的齿牙705发生啮合，相应缺齿轮707则会带动下方环套703及推流板704沿a1方向发生旋转，推流板704在旋转过程中对入流管8内部产生抽力，直至将下游水流沿c方向抽到入流管8（不同环套703上的两推流板704与容腔701共同构成储流空间）；最后，当上方环套703内的缺齿轮707平滑弧面脱离凹槽706即将与环套703上相邻齿牙705进行啮合，下方环套703内的缺齿轮707上轮齿即将与相邻一段的齿牙705脱离啮合，此时，下方环套703上推流板704推动上方推流板704脱离0线位置，且下方环套703上推流板704置于0线位置，进入到储流空间中的水流通过出流管9沿d方向排出，从出流管9排出的水流高速喷射到转轮4的弧形叶片401上，为转轮4的旋转提供助力。其中，值得注意的是：当下方环套703的推流板704逐渐移动至0线位置时，上方环套703的推流板704是在下方环套703的推流板704推动下向a2方向移动，因此，上方环套703的推流板704、下方环套703的推流板704需要并行一小段距离。
34.本技术通过将辅助提速装置7与转轮4相结合，依靠下游水低速旋转的转轮4可以为主轴2旋转，从而为辅助提速装置7的运转提供启动力，而辅助提速装置7则可以将下游水流抽起并喷射到转轮4上，将水能转换为机械能，辅助转轮4实现高速运转；本技术可以保证在上游水流不足时，依然可以利用下游水流将转轮4进行高速驱动，工作效率高。
35.进一步的，为了保证本技术可以利用较小的水流即可将弧形叶片401进行推动旋转，涡流管5内凸缘的出水口与弧形叶片401内弧面的末梢端相对，根据杠杆原理，使用较小的推力即可推动转轮4发生高速、稳定的旋转，在上游整体水量较少的情况下，依然能够保证转轮4以接近正常水平旋转，工作效率较高。
36.本技术通过结合涡流管5以及转轮4，保证本技术既可以在上游水流充足时，利用上下游之间水位差来实现对转轮4的高效冲击旋转；同时，在上游水源出现不足时，本技术可以利用辅助提速装置7、转轮4将下游水流利用，确保在上游水位恢复期间，能够充分利用下游水使转轮4发生旋转，不会使转轮4出现不旋转的情况，确保本技术能够将水能持续不断的转化为机械能、再将机械能转换为电能，工作效率高。
37.实施例2主轴2在长期、高速旋转过程中，主轴2的表面难免会产生高温，高温会导致主轴2以及连接在主轴2上的设备出现损坏；为此，参见图8所示，在出流管9上外接有喷淋管10，水流在从出流管9喷出过程中，其中一小股水流进入喷淋管10并沿e方向喷出，实现对主轴2以及周围设备的降温效果，本技术通过将辅助提速装置7、转轮4与外接喷淋管10相结合，有效做到既可以利用水能进行发电，同时也可以做到对本技术的主轴2及周围设备进行降温。
38.值得注意的是，在转轮4旋转后会带动发电机3的转子发生旋转，从而确保发电机3持续不断的进行发电，发电机3上电连接有充电桩，充电桩为市面上常见的现有技术，图中并未示出，此处不再赘述。
39.实施例3本发明还提供了一种针对水力发电模组的充电方法，具体包括以下步骤：步骤1，将壳体1安装在下游河流的堤坝或岸边，并将水轮机的转轮4与下游水平面进行接触。
40.步骤2，当上游水位高于下游水位时，上游水流通过涡流管5冲击在转轮4上，驱动转轮4旋转，与此同时，下游水在流动过程中也能驱使转轮4发生旋转，辅助提速装置7也能辅助转轮4的旋转；当上游水位低于下游水位时，上游水无法流到转轮4上，此时，下游水在流动过程中对转轮4进行驱动，辅助提速装置7同步对转轮4进行冲击旋转。
41.步骤3，转轮4旋转后会带动发电机3的转子发生旋转，从而确保发电机3持续不断的进行发电，发电机3上电连接有充电桩；充电桩为过往船只以及高压线供电。