专利名称：通用水轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通用水轮机，以及由该机使用方法所涉及的两种可以随意安装、灵活拆迁的立体水电站。
在为中国专利88104917-5所公开的合叶式水轮机制作模型时，苦于找不到承活匠工，且自己又无动手能力，悔当初设计太繁，偶然间茅塞顿开，想出了通用水轮机，后才发现该水轮机不仅优于合叶式水轮机，而且是轴流式水轮机绝好的替代产品。因此，可以这样认为中国专利说明书88104917-5公开了一种利用江河自然流力发电的合叶式水轮机，该水轮机的中心轮的每根轮辐上铰接有两片叶片，两片叶片在水流的作用下开合。该水轮机最大缺点是结构比本发明复杂，因此用料必然多，只能卧轴使用，而且造得不能太宽，太宽会影响功率输出，因为每一组叶片在顺流侧都有一个被水冲开的过程。
目前，各国普遍使用的轴流式水轮机，虽不断改进，但脱离不了转子轴上固定叶片的传统。轴流式水轮机的缺点在于1、转轮的结构原始。水流沿轴方向流来，作用在所有叶片上的力均未直接推动水轮转子旋转，而是依靠倾斜叶片在流水的压下的不平衡，而产生推动转轴旋转的驱动力矩。这种反击式的作用，用力大效果差、相当于抬着车子向前走;2、由于作用力的方向是与轴平行的，水流自上而下流来，同时会产生巨大的重力作用，这个重力同时加大了转轮的重量，增加了轴瓦之间的摩擦力，极大地影响了水轮的转速和出力;3、水流从水道进入水轮机室，再进入导水机构，由导水机构流入转轮，几次改变流向，最终还是间接驱动转子旋转。对于水能和压力能的损耗极大。
本发明的目的是针对中国专利说明书88104917-5的缺点提出的。其目的是简化水轮机的结构，节省用料、提高效率、扩大应用范围。具体做法是改两片合叶为一片叶片，改径向布置叶片为轴向布置叶片。改卧轴组合使用为竖轴单独使用、竖轴组合使用和卧轴组合使用兼备。
本发明的另一个目的是针对世界普遍使用的轴流式水轮机的缺点提出的。其目的是废除轴流式水轮机转子上倾斜安装的叶片，使轴流式水轮机转轮上的剩余物与通用水轮机结合，形成一种全新式的水轮机，使水轮机的驱动力矩增至最大限度，使水轮机的阻力矩减至最小限度。从而大幅度地提高出水的利用率，使现有筑坝电站的发电量成倍提高。
本发明的第三个目的是针对中国专利说明书88104917-5关于水轮机组合方法以及利用该方法建设的水电站而提出的，其目的是把串联方式提高至机组集体合的方式，使之具有吸收江河横截面立体流力能的能力;把在河床底部钢筋混凝土桩上安装卧轴串联式水轮机的方式提高到，干脆全由工厂制备零件。能在大江大河上随处安装，可以拆迁的大、中、小型水电站。
本发明的通用水轮机的目的是这样实现的在由两个相同边轮和一个带有固定转轴通孔轮毂构成的机架上，设有连接两边轮各相对轮辐端头的连杆，同时还设有与连杆等长并平行焊接的挡杆。在每根连杆上铰接有一片叶片，每一轴向布置的叶片面积，与连杆和边轮轮辐等长宽。每一叶片均以连杆为轴可在360°内左右自由转动。卧轴使用时，每一叶片在重力的作用下均向下垂，当叶片转至顺流测，叶片的自由端被挡杆阻挡，叶片阻止水流通过，形成最大驱动水轮转子旋转的驱动力矩，当叶片转至逆流侧，叶片在水流的作用下翻转180°，随连杆飘移，允许水流通过，形成最小阻止水轮旋转的阻力矩。用长轴将多台通用水轮机串联成水轮机组，卧轴或竖轴等距离安装在矩形钢铁框架上，构成一个通用水轮机组集合体。其动力通过设在集合体框架一侧接力机构端头的一轮输出。该集合体为后面所述的两种立体水电站备用。
本发明通用水轮机的另一个目的是这样实现的把现有普遍使用的轴流式水轮机动轮转子上的所有叶片去掉，然后把通用水轮机通过轮毂上固定转轴的通孔套入轴流式水轮机动轮转子的光轴上固定。顺流侧始终保持一叶片与水流形成直冲状态，使之获得最大驱动水轮转子旋转的驱动力矩。逆流侧叶片翻转180°逆水飘移允许水流通过，使之形成只有叶片的重力和叶片与水流的摩擦力，这二者之和的最小阻止水轮转子旋转的阻力矩，从而使水道中的流水利用率大幅度地提高，使发电量成倍增长。
这种全新式的通用水轮机直接安装在水道中，不要水轮机室，不要导水机构。其驱动叶片堵挡了半个水道，水流直接推动叶片使其轴转动。水轮机始终有一个动力臂与作用力方向保持垂直角度。水能压力能损耗极小。该机的过流量由水闸控制，设尾水管。一条贯流式水道中可安装两台通用水轮机。一台顺时针转动，另一台逆时针转动，吸收95%以上的流水动能和压力能。遇高水头，一条水道中可安装四台通用水轮机，可以单独使用。也可以实行联动，通用水轮机优于所有反击式水轮机，可以看作一种贯流冲击式水轮机。它的适用性强，高水头大容量可用，低水头大容量可用，自然小流量亦可用，相比之下，通用水轮机具有一般人意想不到的效果。根据理论对比，比轴流式水轮机的输出水能效率约可高出一倍以上。因此我们可以预言，现有筑坝电站若改用通用水轮机，那么，改造一座相当于又建了两三座装机容量相同的电站。
本发明的第三个目的是这样实现的在大江大河水深流急处，用预制的钢筋混凝土架骨，安装在梯形体立体架。在梯形体立架上面铺设平台、建立发电厂房和通用水轮机组集合体插道。将安装好的通用水轮机组集合体插入插道内，每一集合体通过传动装置将动力传至设在发电厂房内的发电机。该梯形体立体架上所使用的通用水轮机组集合体是这样构成的。在一个钢铁矩形框架上卧轴安装多组由长轴串联成的通用水轮机组，每组水轮机所输出的动力是由设在集合体一侧的密封接力传动机构联接的，并将动力传至设在其顶端的裸露轮，在梯形体立体水电站平台上可以建立多个集合体插道，每个插道内可插入一个集合体为一台大型发电机提供动力。这种梯形体立体水电站所安装的多个集合体可以重复截获江河横截面的流力能。由于它安装于江河的一侧。江河的另一侧仍可通行船只。利用通用水轮机组集合体安装的三角体立体水电站是这样实现的建站前基本不对河床站点进行处理，先把一个带众多钉刺的三角形基座吊入河床，使其钉刺深扎于江河河床的泥土或石砾中，再把预制的钢筋混凝土架骨安装在三角基座上，安装好的三角体立体架上面铺设平台。在三角体立体架的三个立面上卡入通用水轮机组集合体，平台上面再安装上动力联接机构。通过一系列的联接传动变速系统将动力传至设在其上面的发电机。三角体立体水电站所安装的通用水轮机组集合体是在一个矩形钢铁框架上竖轴安装多组由长轴串联的水轮机。每组水轮机所输出的动力由设在集合体上面的密封接力传动机构联接。最后积于其顶端一裸露轮。平台上面的动力联接机构将三个集合体的动力积于一轴，为一台发电机提供动力。这种三角体立体水电站适合为地处大江大河边的小村庄提供电力。这种水电站建站速度相当快，安装时间只需一天。
本发明的通用水轮机结构非常简单，由它所涉及的几种用法以及两种水电站，是发展提高、建设水电站的绝好产品和方法。它将为人类大规模地开发水力资源做出巨大贡献。因此，易于推广。
下面结合附图对本发明作详细说明，其中
图1是卧轴式通用水轮机的轴测图;
图2是轴流式水轮机动轮剩余物与通用水轮机结合的轴测图;
图3是通用水轮机在水道中安装联动示意图;
图4、是通用水轮机组集合体示意图，A为卧轴式，B为竖轴式;
图5是梯形体立体水电站俯瞰图;
图6是三角体立体水电站轴测图。
下面结合图1详细说明依据本发明提出的卧轴通用水轮机的细节以及工作情况。
该水轮机由两个边轮(1)和一个轮毂(2)构成水轮机架，连杆(3)和挡杆(4)焊接在两边轮(1)的相对轮辐之间。叶片(5)的一长边以连杆为轴铰接其上，使叶片(5)的自由端在360度内可以左右自由旋转。轮毂(2)有一个可以固定转轴的通孔。
卧轴使用时，叶片(5)在重力的作用下始终下垂。顺流侧叶片(5)的自由端被挡杆(4)阻挡，阻止水流通过，形成驱动转子旋转的最大驱动力矩;逆流侧叶片(5)的自由端立刻翻转180度，与水流保持平行，允许水流通过，形成只有叶片重力和其与水流摩擦力的阻止转子旋转的最小阻力矩，在流水中只有水轮机上部叶片能够形成驱动力矩。因此，在相同流向的情况下，水轮机的转向不可调变。
下面结合图2图3说明依据本发明提出的与轴流式水轮机动轮的剩余物相结合的通用水轮机的细节以及工作情况。
图2是把图1的卧轴通用水轮机竖轴单独使用。该机是把原轴流式水轮机动轮(1)的全部倾斜安装的叶片去掉，使其下部只剩转子的光轴，然后把相匹配的通用水轮机(2)通过其轮毂所设固定转轴的通孔，套入轴流式水轮机的光轴上固定。其叶片的旋转点处均设置一个通穿连杆连接支点和叶片的滚动装置(3)。该机轴下端去掉泄水锥改作导轴承的轴。卧轴与竖轴使用区别之处是在相同流向中竖轴水轮机转向可以调变。调变的方法是当需顺时针旋转时，把叶片均置放于挡杆的D边;当需逆时针旋转时，把叶片均放置于挡杆的C边。在一条水道中至少安装两台通用水轮机。一台顺时针转，另一台逆时针转，两台水轮机各用一半流水。在高水头大流量中可安装四台通用水轮机，其动力可以单机输出，亦可实行联动输出，联动输出的方法是将压力水道修成倾斜式水道(1)将通用水轮机(2)等距间隔安装在水道中，其上下各设有一导轴(3)。水道中所安装的水轮机依次一个顺时针转，一个逆时针转。各水轮机上轴端设有一个齿轮盘(4)，齿轮盘(4)之间啮合实现联动。使用时将尾水闸关闭，待水注满水道后启开尾水闸。这种联动输出方式适用于坝后式水电站，引水式水电站。同时可用在流量为5-10米3/秒的有阶梯的小河上输出自然流力能。
下面结合图4详细说明依据本发明提出的通用水轮机组集合体的细节及工作情况。在钢铁框架(1)上平行等距安装由长轴串联的通用水轮机组(2)，所有机组(2)通过设在其上部或一侧的密封接力机构(3)实现联动，并将动力传至设在其端头的裸露轮(4)。在流水中集合体的面正迎或侧迎着水流，最大限度吸收着江河横截面立体流水动能，使集合体吸收的全部动能积于裸露轮(4)。
下面结合图5详细说明依据本发明提出的梯形体立体水电站的细节及工作情况。在站址的江河一岸建立堤墙及基地。处理好河床底部，架起由钢筋混凝土预制件构成的梯形体立体架(1)。在该架上铺设平台，在平台上建立发电厂房(2)，建立集合体插道(3)。将卧轴安装的通用水轮机组集合体插入插道(3)内。每一集合体输出的动力通过传动装置传至电房(2)内的发电机。安装好后整个梯形体立体架(平台以下)均罩以铁丝罩网(4)。防止水中杂物进入。该种水电站安装在大江大河水深流急处的一侧，另一侧仍可自由通航。在江河中该电站不受江河地理位置限制。只要水深流急，该电站可以一个接一个地排列。毛主席生前讲，将来要叫高峡出平湖。现在看来除了综合利用外，筑坝电站是对水力资源的一种浪费，当然叫三峡出平湖也不例外。若在长江三峡上安装该种电站，193公里中可以安装上百座大中型水电站，该发明的成功将会导致人们重新估评全国水力蕴藏量。
下面结合图6详细说明依据本发明提出的三角体立体水电站的细节及工作情况。三角体立体水电站属于安装在大江河中的小型水电站。安装时基本对河基不做处理。三角基座(1)下面设有许多长钉，深深插入河基的石砾或泥土中。三角基座(1)的上面安装预制的钢筋混凝土三角体立体架(2)。立体架(2)上铺设平台，平台夹层中设置联接传动变速机构(3)。竖轴安装的通用水轮机组集合体卡入三角立体架的三个立面。发电房(4)安装在平台上，该房在洪水到来时可以密封。立体架的下面(平台以下)罩以圆柱形罩网(5)。整个三角体立体架的顶角迎着流向，底边的两个立柱上斜顶着两根顶柱(6)以防洪水冲倒电站。
权利要求
1.一种通用水轮机，其转子轮毂设有固定转轴的通孔，转子轮毂至外缘间沿圆周方向等距离地设有多个轴向布置的叶片，当叶片转至顺流侧，叶片阻止水流通过，形成最大驱动转子旋转的驱动力矩，当叶片转至逆流侧，叶片允许水流通过形成最小阻止转子旋转的阻力矩，其特征在于所述水轮机转子由两个边轮和连接两边轮的连杆和档杆以及轴皮构成，两边轮每相对轮辐的两端头设有连杆和档杆各一根，每根连杆上铰结有一片叶片，当叶片转至顺流侧，叶片自由端被挡杆阻挡，当叶片转至逆流侧，叶片翻转180°，随连杆飘移。
2.根据权利要求1所述的通用水轮机，其特征在于卧轴状态叶片在重力作用下均向下垂，在流水中当连杆高于档杆时，叶片立即产生驱动力，当挡杆高于连杆时叶片立即翻转180°，所设叶片均为等面积矩形叶片。
3.一种与轴流式水轮机动轮剩余物相匹配的通用水轮机，废除了轴流式水轮机的全部叶片，使其动轮下部只留光轴，与通用水轮机紧紧地结合在一起，其特征在于轴流式水轮机的光轴插入通用水轮机的轮毂固定转轴的通孔后固定，每一叶片以挡杆为界左右可旋转360°，需顺时针转动时，叶片均置放于挡杆的这边，需逆时针转动时，叶片均置放于挡杆的那边。
4.根据权利要求3所述的水轮机，其特征在于水轮机在作业中，始终保持一叶片与水流成直冲状态，且每一叶片面内的任何一点均在同一平面内，每一叶片的旋转支点设有一个通穿连杆连接支点和叶片的滚动装置。
5.一种通用水轮机组集合体，包括钢框架和框架上安装的由长轴串联成的通用水轮机组，其特征在于多台由长轴串联成的通用水轮机组平行安装于矩形钢框架上，框架的一侧设有联接集合体内所有串联通用水轮机组的接力传递机构。
6.根据权利要求5所述的通用水轮机组集合体，其特征在于集合体的全部动力通过接力传递机构最后积于其顶端一轮，该集合体形似一个巨大的珠算算盘，接力机构除顶端一轮外其余全部密封。
7.一种梯形体立体水电站，包括钢筋混凝土预制件所组合安装的梯形体立体架，和安装在该架上的卧轴通用水轮机组集合体，通过每一通用水轮机组集合体顶端的一轮将该集合体截获的江河横截面流力能传至设在梯形体立体架上面的发电机，其特征在于该梯形体立体架安装于大江大河水深流急的河道一侧，通用水轮机集合体的面迎着流向间隔插入集合体插道内，从而形成连续重复利用江河横截面立体流力能的通用水轮机组集合体群。
8.根据权利要求7所述的梯形体立体水电站，其特征在于该水电站可安装于任何一种具有水力动能的水域，在江河中该水电站利用江河河道的一半自然流力发电，另一半用来行船。
9.一种三角体立体水电站，包括带有钉刺的三角形底座，由钢筋混凝土预制件组装的三角体立体架，竖轴安装的通用水轮机组集合体，通过一系列传动装置将水轮机组集合体所截获的江河自然流力能传至设在三角体立体架上面的发电机，其特征在于三角底座深扎于大江河的河床底部，三角体立体架安装其上，通用水轮机组集合体卡入三角立体架的立面，动力联接机构设置于三角立体架的上部，从而形成一种能随意安装、灵活搬迁的小型水电站。
10.根据权利要求9所述的三角体立体水电站，其特征在于整机可安放于任何一种具有水力动能的水域，其顶端的发电房在遇洪水没顶时可以密封。
11.一种通用水轮机的联动方法，包括倾斜修建的矩形口压力水道，和安装在水道中的竖轴通用水轮机，其特征在于若干通用水轮机等距间隔依水道坡度安装，其轴与水道底平面垂直，水轮机依次一个顺时针转另一个逆时针转，各水轮机的转轴露出水道上面，由安装在水轮机轴端的齿轮盘之间的啮合实现联动。
12.根据权利要求11所述的联动方法，其特征在于矩形口水道首尾大小一致，其倾斜坡度直至垂直于下水平面。
全文摘要
一种通用水轮机，一机多用。竖轴单独使用可以改造轴流式水轮机，使现有筑坝水电站的发电量成倍提高；卧轴串联使用可以建成利用自然流力能发电的无坝水电站。经过卧轴串联、集合可构成通用水轮机组集合体。利用该集合体，可以建成全由工厂制备零件，在大江大河上安装的大、中型梯形体立体水电站；利用竖轴串联、集合而成的集合体可以建成全由工厂制备零件，在大江大河上安装的小型三角体立体水电站；可用在流量为5-10米/秒的有阶梯的小河上输出自然流力能。
文档编号F03B13/00GK1061076SQ9010874
公开日1992年5月13日 申请日期1990年10月23日 优先权日1990年10月23日
发明者贺学术 申请人:贺学术