本发明涉及一种无需要有落差的水力发电方法，其特点是无需要筑坝将上游水位提高，而是利用自然水流的动力发电，所以它对水流无落差要求。
其工作原理是(见图1)当将水轮叶片插入流水中时，由于上下游水位基本相同，对水轮叶片的压力基本相等，而推动水轮发电又需要力，所以水轮处于静止状态。
由于水轮的阻力，上游水位开始上升，水轮也开始慢慢转动，上游的水也开始向下游流动，当水流达到正常流量时，水轮开始匀速转动，上游水位不再上升发电机进入正常发电阶段。我们现在来看流水对水轮叶片的作用力设流量Q＝30米3/秒，平均流速V＝0.5米/秒，水深H＝2米，水流宽度B＝30米上游水位上升了△H＝0.5米。当流水由上游流到下游时，上游水位升高部份的水体产生了位能损失，这些损失的位能变成了动能推动叶轮旋转，其大小Z＝ (ΔH)/2 ＝ 0.5/2 ＝0.25米。
由于上游水位升高，叶轮处过水断面增大，至使流速减小，这时叶轮处的平均水流速度V＝ 30/(2.5×30) ＝0.4米/秒，取a1＝a2＝1，S＝0.2根据总流能量方程Z1+ (P1)/(r) + (a1V21)/(2g) -F-Z2+ (P2)/(r) + (a2V22)/(2g) +hw我们得作用在叶轮J上的动力即F的大小为F=30×2.52+30×(2.522)2+1.0992+30×1×0.422×9.8-30×22]]>
-30×4+0.8492-30×1×0.522×9.8-30×0.2×0.52×9.8]]>F＝30×(1.25+3.313+0.008-1-2.173-0.013-0.002)F＝41.49(T/秒)
上面的计算证明，自然水流所据有的动能是完全可以发电的。
无落差(自然水流)水力发电有如下几个优点1、它不象一般电站那样要筑很高的拦河水坝，因此效经济。
2、也不会因为拦河后水位上升而淹没农田和村镇，因此凡有河流流水有一定流速和流量的地方都能发电，建站条件充足。
3、发电后1-2年即可收回全部投资，发电量越大收回投资的时间越短，经济效益很高。
由于本发明无需筑坝，对水流的条件要求也不高，所以在地球上具备上述条件的河面简直无法计数，所能建的电站数目也是无法计数的(每千米即可建两座电站)，这些电站所发出的电力，足以满足得了地球上的村镇工农业及照明用电的需求了，由其当前工农业发展特快的我国农村正大步向电汽化，现代化迈进，而电力又极端紧缺的时候，更显出了本发明的重要位置及其发展的瑰丽前景，所以本发明无论在工业、农业、经济、民用及实用方面都站据着特别重要的位值。
本发明由支承框架(17)，水轮(叶片装在水轮轴(11)上)，升降机构、传动机构、发电机构及自动控制机构所组成。支承框架为钢筋混凝土结构，基部镶在岩层内1.3～1.5米，可用钻孔桩形式建造。升降机构由半边齿轮(7)柱状齿杆(5)、传动齿杆(A)、减速器(2)及电动机(1)所组成。传动机构由动力齿轮(12)及加速齿轮(组)(13)组成。自动控制机构(这里是指水轮升降的自动控制)见图2及图3。
方法1、在河面建支承框架，用钻孔桩方法在河面钻孔，然后放入钢筋，浇灌混凝土，钻孔应钻入岩层内130～150公分，孔的大小，钢筋混凝土的标号，根据桩的深度及承载力决定，孔桩的(两组桩间)距离根据水流量及水轮负荷决定，应尽量以经济为宜，孔桩的(一组中两条桩间)宽度为最高(历史最高)水位减最低水位的一半加一米左右(以半边齿轮(7)与柱状齿杆(5)能齿合为准)。
2、在齿轮承台(H)上安装半边齿轮(7)，半边齿轮(7)的齿与装在另一承台上的柱状齿杆(5)的齿相齿合，柱状齿杆(5)作为支承架用并同时作为升降杆用，水轮(11)装在半边齿轮(7)上，柱状齿杆(5)的顶部齿轮(4)与传动杆(A)的传动齿轮(6)(与柱状齿杆的齿轮同为螺旋状)相齿合，传动杆(A)与减速器(2)相连接，减速器(2)由电动机(1)驱动。见图5、图6。
3、水轮(11)轴头上的动力传动齿轮(12)与加速部份的加速齿轮(13)齿合，加速器(13)与发电机连接。见图4。
4、电动机(1)的起动(水轮(11)的升降)与停止，由自动控制系统控制。
工作原理1、当流水推动水轮(11)时，水轮轴头上的动力传动齿轮(2)就会带动加速器齿轮(13)转动，加速器又带动发电机转动，这样就发出电来了。
但是由于河水的水位变化相当频繁，如大雨后水位上涨，长时间不下雨水位会下降，春夏两季水位上涨，秋冬两季水位下降等都说明水位变化是相当频繁的，为了稳定发电量和不让上涨的河水将水轮淹掉不能发电，水轮(11)的位置就必须能跟随河水水位的上涨和下降而上下移动，又为了水轮(11)上下移动时水轮轴(11)头上的动力传动齿轮(12)始终能跟加速齿轮(13)齿合，所以水轮(11)上下移动的方式必须是以加速齿轮(13)的传动轴为园心，以加速齿轮(13)的半径加动力传动齿轮(12)半径减齿深(等于半边齿轮)(7)的轴至水轮(11)的轴的距离。半边齿轮(7)的轴与加速齿轮(13)的轴在同一轴线上)为半径作园周运动，所以将水轮(11)装在半边齿轮(7)上。当河水上涨时，水的流速及流量均增加，水力增强水轮(11)旋转速度加快，发电机发出的电电压增高，当增高到应调节的成度时，自动控制机构就自动将电动机(1)的电源接通，电动机(1)开始正转，将水轮提起，当电压恢复正常时，自动控制机构又自动将电动机(1)的电源切断。当河水下降时，发电机发出的电电压降低，当降到应当调节的成度(调节范围由自己确定后再设计制造自动控制系统)时，自动控制机构又将电动机(1)的电源接通，电动机开始反转，水轮(11)下降，当电压恢复正常时，控制机构又自动将电动机(1)的电源切断。这样发电机发出的电的电量及电压就能稳定在某一数值及其永许偏差数值范围内，这样发电任务就完成了。
自动控制机构的构造及工作原理(见图2、图3)图2为自动控制系统电路图，图3为一经过改装的电压计，改装的方法是在电压计转动轴(Z)的一端上固定一个滑动多触头开关(见图3)。
当电路中通入电流时，DDK8得电动作，1、2、4、A、B线断电。当电压升高时，转轴(Z)带着电桥DQ向顺时针方向转动。当DQ接近2线时，由于2线无电所以不会产生电弧，当DQ接上2线断开3线时，DDK8失电释放，2线接通DDK1、DDK2、DDK3、DDK6、DDK7、得电动作将1、3、4、A、B线断开。当DQ接近1、A线时由于1、A线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上1、A线断开2线时，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7、失电释放，1、A线接通，ZC得电动作，电动机(1)正转，同时付触点ZC接通，DDK4得电动作将2线断开。
当电压下降时，转轴(Z)带着电桥DQ反时针方向转动。当DQ接近2线时，由于2线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上2线断开1、A线时，DDK4失电释放，2线接通，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7得电动作，1、3、4、A、B线断开。而1线由于付触点ZC的接通而继续带电，电动机(1)照常运转。
当DQ接近3线时由于3线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上3线断开2线时，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7失电释放，3线接通，DDK8得电动作，1、2、4、AB线断电，ZC失电释放，电动机(1)停止运转，付触点ZC断开，这时电压恢复正常。
当电压继续下降，DQ接近2线时，由于2线无电，所以不会产生电弧。当DQ接上2线断开3线时，DDK8失电释放2线接通。DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7得电动作，1、3、4、A、B线断开。当DQ接近4、B线时，因4、B线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上4、B线，断开2线时，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7失电释放，4、B线接通，FC得电动作，电动机(1)反转，同时付触点FC接通，DDK3得电动作将2线断开。
当电压回升，DQ顺时针转动接近2线时，由于2线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上2线断开4、B线时，DDK3失电释放2线接通，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7得电动作，1、3、4、A、B线断开，而4线由于付触点FC的接通而继续带电，电动机(1)照常运转。
当DQ接近3线时，由于3线断开无电，所以不会产生电弧。当DQ接上3线断开2线时，DDK1、DDK2、DDK5、DDK6、DDK7、失电释放，3线接通。DDK8得电动作，1、2、4、A、B线断电，FC失电释放电动机(1)停止运转，同时付触点FC断开，这时电压恢复正常。
以上就是自动控制机构的工作原理，及灭弧原理。
必须注意的是，当电桥DQ离开某一线(滑动多触头开关HK上的某一触头)时，为了动断触头(磁力继电器DDK)能不受放电电流影响而顺利释放，并且不产生电弧，磁力继电器的复位弹簧(3)的力量必须大于放电时产生的引力和电桥复位时产生的摩擦力的和。在易燃易爆的厂矿及车间用的仍需做成防爆型。
由于本发明是利用自然水流发电的，水流速度一般都很小，叶轮和动力传动机械，升降机械的运转都十分缓慢或运转的时候很少，所以它的主要问题并不是机械磨损，而是防止腐蚀的问题，所以这部份机械及暴露在露天的会长期水浸的钢铁构件必须搪上瓷或作其它防腐蚀处理，齿面包一公分后的不锈钢，这样这些机械将可用百年以上，这对降低成本，延长使用年限是关键的一着，必须注意！可能水浸的轴承必须密封！为了充分利用水力，河的两边水效浅没装轮机的地方用堤堵住，将水赶往装机部份流，以提高发电能力(参看图4)。
河面(水面以下1米往上，流速效大时可由水面以下1.5米往上)须用铁丝网拦住，以防上游流下的杂物撞击叶轮影响发电。
本无落差(自然水流)水力发电站与其它形式水力发电站(比喻水头(落差)发电、波浪发电等)在技术要求和性能上的比效1、比波浪发电及落差发电简单，而且发电量稳定可靠。
2、对动力传动机械部份在技术上的要求比波浪发电及落差发电低得多，容易制造，由其是水轮(因为转速慢、受力小，由于絮流而造成的锤击现象很小，由其是水流速度慢时几呼是层流，锤击现象为零)。
3、如果让上游水位，升高1米，2米，发电量将比水位升高0.5米时的发电量增加0.8倍和2倍如果在水深流急的地方建站发电量会更大。又因为它的负荷始终很小，所以无须特殊的技术处理，只须将支承框架水轮及传动机械的负载能力相应增强就行，潜力很可观4、由于机械的受力小，转速慢，所以服务年限特长(但是必须做好防腐蚀的工作)。
以上四条是波浪发电落差发电无发与之媲美的！本发明可使用两个发电机组，春夏一组，秋冬一组，水轮按大机组发电量设计。
图2ZC、FC磁力开关，常开触点ZC、FC与磁力开关ZC、FC联动。CK安全总开关;DDK动断触点(磁力继电器)。
1、2、3、4、A、B滑动开关接线柱;DCK电路总开关。
图3是一个经过改良的电压计，改良的方法是在电压计无指针的一端旋转轴上固定一个(加一个)多触头滑动开关。
HK多触头滑动开关;DQ电桥图4中层动力机械部份C步级;4、柱状螺旋传动杆螺旋齿5、柱状螺旋传动杆轴;7、半边(升降)齿轮8、半边(升降)齿轮槽;9、轴承;10、轴11、水轮轴(叶片装在轴上);12、动力传动齿轮13、加速(器)齿轮;14、行人孔;15、齿轮孔16、片石挡水墙图5顶层升降机械部份1、电动机;2、减速器;3、联接头;B、轴承4、柱状螺旋传动杆顶部齿轮;5、柱状螺旋传动杆轴6、顶层螺旋传动杆螺旋齿;A、顶层螺旋传动杆轴图64、柱状螺旋传动杆顶部齿轮;5、柱状螺旋传动杆轴6、顶层及柱状螺旋传动杆螺旋齿;A、顶层螺旋传动杆轴B、轴承;7、半边(升降)齿轮;8、半边(升降)齿轮槽9、G、17、18轴承;10、半边(升降)齿轮轴;
11、水轮轴
14、行人孔;15、齿轮孔;16、片石挡水墙19、柱状螺旋传动杆槽;C、步级;H、承台;
E、挡水板;O、安全总开关CK;F、安全总开关行程板图7、8、半边(升降)齿轮槽;14、行人孔;15、齿轮孔16、片石挡水墙图814、行人孔;C、步级;15、半边(升降)齿轮孔19、柱状螺旋传动杆槽;H、承台图9是一个动断触点(磁力继电器)1、接线柱(触头);2、电桥(基部铸在塑料滑杆内)3、回位弹簧;4、励磁线圈盖板;5、塑料滑杆;
6、滑动磁极;7、固定磁极;8、外壳9、励磁线圈;10、励磁线圈引出线(滑动磁极6的基部铸在塑料滑杆内)图1J、水轮叶片
权利要求
1.一个由水轮(11)、动力传动齿轮(12)、加速器(13)、发电机及调节控制机构所组成的发电机构，一个由升降齿轮(半边齿轮)(7)柱状螺旋齿杆(5)，传动螺旋齿杆(A)减速器(2)、电动机(1)及自动升降控制电路所组成的自动升降控制系统所组成的无落差水力发电站，其特征是A、水轮(11)的转动轴装在设在升降齿轮(半边齿轮)(7)上的轴承(G)内，水轮轴头上的动力传动齿轮(12)带动加速齿轮(13)，加速齿轮(13)带动发电机旋转。B、由自动升降控制电路，(图1、图2)控制的电动机(1)带动减速器(2)，减速器(2)带动传动齿杆(A)，螺旋传动齿杆(A)带动柱状螺旋齿杆(5)，柱状螺旋齿杆(5)带动升降齿轮(7)，升降齿轮(7)带着装在齿轮上的水轮(11)上升和下降。
2.按权利要求1所规定的无落差水力发电站，其特征是水轮(11)在自动控制系统的操纵下，能随河水水位的上升而上升，下降而下降，以保证发电量及电压的稳定。
3.按权利要求1及2所规定的无落差水力发电站，其特征是对水流无落差要求，所以无需筑拦水坝，只要有一定流速及流量即可发电。
4.按权利要求1、2和3所规定的无落差(自然水流)水力发电站其特征是运转的速度很慢或运转的时候很少，暴露在露天及会长期水浸的部份机械和铁构件(包括拦河的铁丝网)均搪上瓷，齿轮的齿面包上不锈钢，受腐蚀的成度降到最低，使用年限特长。
5.本发明中使用的全灭弧自动控制电路，其特征是当电桥DQ将某一线接通时，该线前后的线均是断开的不能通电，当电桥DQ断开该线而接通前(后)线时，磁力继电器DDK才将原线路断开使接通该线通电，并又将接通该线的前(后)线断开，所以当电桥DQ接近前(后)线时便不会产生电弧，因而达到全灭弧的目的。
6.按权利要求1、2、3、4所规定的无落差(自然水流)水力发电站其特征是采用水轮截流的方式受力。
全文摘要
本发明涉及一种无须要有落差的水力发电方法，其特点是无需要筑坝将下游水位提高，而是利用自然水流的动力发电，所以它对水流无落差要求。在春夏季水位上涨和秋冬两季水位下降时，在自动控制系统的操纵下，水轮能随水位的上升而上升、下降而下降，因此能稳定发电量及电压，并能长年发电。本发明具有简单、技术要求低、易造、寿命长、经济实用投资少、效益高等特点，在我国四化建设中占有非常重要的位置。
文档编号F03B13/10GK1048432SQ8910261
公开日1991年1月9日 申请日期1989年4月20日 优先权日1989年4月20日
发明者卢智 申请人:卢智
