專利名稱:空氣作中間介質(zhì)的水力電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及水力電力系統(tǒng)，特別是將液體水頭能量(但不局限于這種形式的能量)轉(zhuǎn)換到易于使用的能量形式(例如電能)的氣動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。本發(fā)明特別適用于河道這樣的低水頭情況以及可能出現(xiàn)潮汐的地方。本說明書所述的低水頭是指1-10米的水頭，采用本系統(tǒng)生產(chǎn)的電力功率在100千瓦到10兆瓦的范圍。雖然本發(fā)明系統(tǒng)特別適用于上述范圍的低水頭，但是本發(fā)明系統(tǒng)并非不能適用于更高水頭、更低水頭或者更高功率、更低功率的情況。實(shí)際上，它可以用來轉(zhuǎn)換液體的動能。
當(dāng)人們提起生產(chǎn)電能的傳統(tǒng)裝置時(shí)，人們馬上會想到利用礦物燃料的火力發(fā)電站和利用水的壓頭去驅(qū)動水輪機(jī)的水力發(fā)電裝置。本發(fā)明系統(tǒng)類似于將水的壓頭和動能轉(zhuǎn)化成易于使用能量形式的水電站;但是本發(fā)明系統(tǒng)與上述水力發(fā)電站和利用礦物燃料的火力發(fā)電站這兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，有較低的單位成本。
低水頭水力發(fā)電自上世紀(jì)末以來得到廣泛應(yīng)用，那時(shí)候在許多歐洲河流上筑堰或堰壩來控制其流動以提供必要的水頭。大多數(shù)河流上的建筑目前仍保留著，但未利用它作為動力源，因?yàn)槭褂闷胀ǖ乃啓C(jī)將這種建筑結(jié)構(gòu)的低水頭轉(zhuǎn)換為電能只有較低的經(jīng)濟(jì)效益。這是由于用大直徑低速水輪機(jī)轉(zhuǎn)換低水頭能量費(fèi)用昂貴。鑒于近來電能生產(chǎn)成本迅速增加，這些閑置的建筑結(jié)構(gòu)已引起人們更多的關(guān)注。
例如，對于發(fā)展中國家，從經(jīng)濟(jì)考慮水電站看來是最有吸引力的向本國供電的設(shè)施，但在多數(shù)情況高昂的基建成本和缺少配電設(shè)施使得這種傳統(tǒng)的水電站超出發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)力量限度，而利用小水頭的大量設(shè)計(jì)反而成為可行的比較經(jīng)濟(jì)的電力源。
在英國，最近制定的法律允許私營組織生產(chǎn)電能賣給中央電力管理局，對于那些在合適水力發(fā)電地點(diǎn)附近的私營組織來說，利用低水頭能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從這些現(xiàn)成的水頭來生產(chǎn)電能常常會產(chǎn)生很大的吸引力。在英國，有許多象磨坊這樣的地方，在那里可輸出小功率的電力向國營電網(wǎng)供電或滿足電力用戶的需要。
人們認(rèn)為，在不遠(yuǎn)的將來，低水頭水力發(fā)電的潛力可能會是很可觀的。
最近至少已經(jīng)提出了兩種將低水頭能量轉(zhuǎn)換為另一種易于生產(chǎn)電能的能量形式的系統(tǒng)。第一種系統(tǒng)在英國專利申請2096706A中已公布，該申請公開了一種具有多個葉片的水力發(fā)動機(jī)，這些葉片排列成一個堰壩，在堰壩一側(cè)的水頭和/或動能對葉片產(chǎn)生一個反作用，驅(qū)動葉片沿著堰壩移動，直至達(dá)到極限位置，此時(shí)葉片改變其傾角，水的反作用使葉片向相反方向移動。這種葉片的機(jī)械往復(fù)運(yùn)動可用來生產(chǎn)電能。人們認(rèn)為，這種裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)問題。
另一種低水頭系統(tǒng)，已在Coventry Lanchester工業(yè)大學(xué)1984年9月提出的論文中公開，作者是Peatfield、Duckers、Locktt、Loughridge、White和West。該論文也以英國書No2143284形式出版了。該系統(tǒng)有一個密閉室，依靠開關(guān)其進(jìn)口閥和出口閥來控制進(jìn)入該密閉室的水流，該進(jìn)、出口閥的開關(guān)是以這樣的方式來進(jìn)行的使所選定地點(diǎn)處的大部分水頭能被充分利用，變成充水和排空循環(huán)的有效驅(qū)動壓力。運(yùn)行循環(huán)從打開水的進(jìn)口閥開始，讓水流入空室內(nèi)，此時(shí)排水閥是關(guān)閉的，往室里充水和在壓力作用下驅(qū)使空氣通過一個韋爾斯渦輪機(jī)排出，這種渦輪機(jī)為雙向驅(qū)動型，推進(jìn)流體可以雙向流過其葉片驅(qū)動渦輪機(jī)，此渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動方向與通用的單向渦輪機(jī)相同，而通用的單向渦輪機(jī)卻要求流體單向流過其葉片。在接近于完成一個充水循環(huán)的適當(dāng)時(shí)刻，關(guān)上入口閥，然后打開出口閥，允許水流至擋水結(jié)構(gòu)側(cè)的下游。這個排空過程將空氣從仍在轉(zhuǎn)動的韋爾斯渦輪機(jī)抽回到密閉室中，于是從充水到排空的循環(huán)過程中韋爾斯渦輪機(jī)以最佳的效率來抽取能量。然后，在接近循環(huán)排空結(jié)束的恰當(dāng)時(shí)刻關(guān)上出口閥，再從打開入口閥開始下一個循環(huán)程序。
上述系統(tǒng)必須每10秒鐘打開和關(guān)上水流入口閥和出口閥一次，所以存在控制上的一些問題，長時(shí)間以如此高的頻率進(jìn)行操作，可能導(dǎo)致運(yùn)行故障。
本發(fā)明與Coventry Lanchester工業(yè)大學(xué)論文中的系統(tǒng)有一些相似之處用水來排擠出空氣，被排出的空氣驅(qū)動韋爾斯渦輪機(jī)這樣的裝置。雖然在大多數(shù)情況下采用空氣作為介質(zhì)，但必須指出，也可以采用任何一種具有本說明書解釋部分所提到的那些特性的氣態(tài)或汽化態(tài)的介質(zhì)。同樣，水是本發(fā)明最經(jīng)常采用的液體，而人們也可以用另一種不同的液體來代替水。因此，在下面直接采用水和空氣這兩個術(shù)語來進(jìn)行描述。
為了從低水頭水電系統(tǒng)中獲得期望的輸出功率，必須提取在大流量低水頭水中所貯存的能量。例如，本發(fā)明中水能被轉(zhuǎn)換為空氣的能量，用高速空氣渦輪機(jī)產(chǎn)生電能。水-空氣能量轉(zhuǎn)換器實(shí)際上起著齒輪變速箱的作用，而不需要昂貴的水輪機(jī)。空氣渦輪發(fā)電機(jī)的成本比較低，而且可安裝于高于水位的任一合適位置。
本發(fā)明包含使用一種由增強(qiáng)橡膠這類材料制成的柔性隔膜裝置，它作為堅(jiān)固的水和空氣的交界面以進(jìn)行有效的能量傳遞。下面描述一下本發(fā)明的依據(jù)。通過兩側(cè)分別是水和空氣的隔膜來進(jìn)行動力或能量傳遞時(shí)，為適應(yīng)不同應(yīng)用情況，可以選擇不同的隔膜、水、空氣的位置布置隔膜是垂直的，水和空氣位于其兩側(cè);空氣位于隔膜上方，而水位于隔膜下方;或者水位于隔膜上方，而空氣位于隔膜下方。因?yàn)樵诤笠环N情況，隔膜的能量轉(zhuǎn)換特性類似于具有負(fù)彈簧剛性系數(shù)的彈簧，這事實(shí)上意味著，如果壓縮隔膜下的空氣，隔膜向上偏移，在整個工作過程中，隨著隔膜向上偏移，使隔膜偏移所需的力減小了。事實(shí)上這就意味著，可以將其看作一種適于產(chǎn)生振蕩的構(gòu)型的非穩(wěn)定條件。本發(fā)明考慮到這種特性，作了這樣的安排讓空氣在兩個氣室之間流動，這兩個氣室至少各有一部分被承受水壓的柔性隔膜裝置所限定，該水壓力至少有一個重力分量輪流壓扁氣室，這樣隨著一個氣室的內(nèi)凹，該氣室內(nèi)空氣會被排入到另一氣室，從而排走另一隔膜上方的水，因此在氣室之間的空氣流動可用來驅(qū)動渦輪機(jī)這樣的裝置。
在一種簡單而有效的裝置中，構(gòu)成低水頭源的液體流過一根封閉的通道，封閉通道中裝有形成兩個獨(dú)立空腔的袋形的柔性隔膜裝置。流入通道的水依次流過上述空腔。當(dāng)向下流動的水流經(jīng)過第一袋上方時(shí)，將其壓凹，并迫使袋中空氣進(jìn)入第二個袋中，當(dāng)空氣這樣流動時(shí)，驅(qū)動了位于兩個空腔連接通道中的韋爾斯渦輪機(jī)。當(dāng)水流經(jīng)過第二個袋的上方時(shí)，將其壓凹，通過上述連接通道將空氣從第二袋送回第一袋，使第一袋重新膨脹，該膨脹具有負(fù)彈簧剛性系數(shù)的特點(diǎn)。空氣經(jīng)過上述連接通道的反向流動繼續(xù)推動韋爾斯渦輪機(jī)，從而連續(xù)發(fā)電。
可以看出，在起始狀態(tài)一個袋被壓凹，而另一個袋中裝有空氣。本發(fā)明系統(tǒng)在第一個袋內(nèi)充滿空氣第二個袋排空或第二個袋充滿空氣第一個袋排空的兩個狀態(tài)之間作振蕩。實(shí)際上，當(dāng)水團(tuán)依次流過通道時(shí)，建立了自振蕩狀態(tài)。水的流動可以由水源的低水頭或水源的動能來產(chǎn)生。
必須指出，本發(fā)明可以有許多實(shí)施例，這些實(shí)施例的基本思想是交替增加和減小由柔性隔膜裝置所限定的氣室或氣袋的大小，水以重力作用在此柔性隔膜上，當(dāng)加壓空氣位于隔膜下側(cè)且使隔膜向上移動時(shí)，隔膜上方的水具有類似于“負(fù)彈簧剛性系數(shù)”彈簧那樣的特性。在這里，給出幾個例子。
下面參照附圖來解釋本發(fā)明的基本思想和它的特殊的實(shí)施例圖1A、1B、1C表示出當(dāng)隔膜、空氣、水的位置不同時(shí)，在一側(cè)是水另一側(cè)是空氣的隔膜上如何得到不同的壓力位移曲線;
圖1D是圖1A-1C情況下的壓力位移特性圖;
圖2A和2B表示了在管道中怎樣使用此隔膜來作為一種由空氣控制的水閥;
圖2C和2D類似于圖2A和2B，表示怎樣用隔膜形成水閥和氣密;
圖3A是本發(fā)明一系列的俯視圖;
圖3B是圖3A所示系統(tǒng)一種工況下的側(cè)視圖;
圖3C是圖3B所示系統(tǒng)另一種工況的側(cè)視圖;
圖3D和3E表示出正向和反向工況的剖視簡圖及有關(guān)尺寸;
圖3F與圖3A類似，但其表示了并聯(lián)的管道系統(tǒng);
圖4A和4B與圖3A和3B類似，但表示了一種改進(jìn)的空氣系統(tǒng)的布置;
圖5A/B到8A/B表示出本發(fā)明的不同實(shí)施例及其壓力位移特性;
圖9表示了本發(fā)明的一種帶有堰壩的系統(tǒng);
圖10表示了本發(fā)明的另一種系統(tǒng);
圖11表示了本發(fā)明另一種布置的透視圖;
圖12表示了本發(fā)明單級運(yùn)行、三級運(yùn)行、三相運(yùn)行及雙通道交叉相運(yùn)行的示意圖;
圖13表示了本發(fā)明另一實(shí)施例的俯視圖。
參見附圖，首先參見圖1A、圖1B和圖1C，在每幅附圖中畫出的都是管子10，在這些管子中裝有柔性隔膜12，該隔膜最好用增強(qiáng)橡膠制成，它作為堅(jiān)固的水與空氣的交界面能夠有效地傳遞能量。圖1A給出的布置與有正彈簧剛性系數(shù)的彈簧類似，必須增加壓力P才能增加柔性隔膜12的偏移。圖1B給出的布置與具有零彈簧剛性系數(shù)的彈簧類似，壓力不變就可以增加位移。在圖1C的布置中，事實(shí)上隨著柔性隔膜向上位移的增加，壓力P減小，使得此系統(tǒng)與具有彈簧剛性系數(shù)的彈簧類似。圖1A-圖1C中所示系統(tǒng)的壓力位移特性在圖1D的壓力位移圖中用A、B、C表示。應(yīng)當(dāng)理解到這些特性僅適用于隔膜和其連接點(diǎn)的物理極限范圍內(nèi)。
本發(fā)明應(yīng)用了圖1C表示的有負(fù)彈簧剛性系數(shù)特性的系統(tǒng)，圖1C的方案提供了一種將水的能量有效地傳遞到空氣中的設(shè)備，下面參照圖2A/2D加以解釋。
圖2A和圖2B中，隔膜16位于一封閉的管道內(nèi)，管道橫截面的形狀由U形槽道和連接該槽道兩側(cè)壁頂端的凸頂組成，如圖2A/2B所示，隔膜連接在凸頂與槽道側(cè)壁相交的位置上。
如果槽道內(nèi)隔膜16下方含有空氣，水波或水團(tuán)如圖2A所示那樣沿著隔膜和凸頂之間的管道流動，水會將隔膜16擠到如圖2A所示的位置，隔膜下面的空氣將如圖2B所示沿管道向兩個方向流動，于是被擠開了的空氣會協(xié)助移動隔膜，將隔膜從遠(yuǎn)離水波或水團(tuán)位置移動到圖2B表示的緊靠著管道凸頂下邊的位置。
在圖2C/2D的方案中，管道斷面為橢園形，隔膜可位于分別由圖2C和圖2D所示的管道的底部或頂部下邊，因而當(dāng)水波或水團(tuán)流過圖1所示的管道，水和隔膜產(chǎn)生空氣閥密封的作用，因此僅僅沿著管道的一個方向推動空氣，該方向與水流動方向是相同的，事實(shí)上管道起到了蠕動泵的作用。圖2A/2B方案的運(yùn)行原理導(dǎo)致產(chǎn)生一組空氣往復(fù)流動的設(shè)備系列，而圖2C/2D方案導(dǎo)致產(chǎn)生第二組單向空氣流的設(shè)備系列。
如果將圖2A和2B所示的隔膜方案放到一個傾斜的管道中去，形成兩個空氣袋，這兩個袋通過一個雙向空氣渦輪機(jī)(例如韋爾斯渦輪機(jī))連接在一起，那么就得到了本發(fā)明實(shí)施例的自振蕩功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這樣的一個實(shí)施例如圖3A和圖3B所示。圖3A和圖3B中，傾斜的管道用20表示，構(gòu)成泵腔的兩個空氣袋內(nèi)部用22和24表示，它們被一中間隔膜26隔開，因而在管道20的長度方向上形成了順序設(shè)置的兩個獨(dú)立的空氣袋。空氣袋22、24的另一端分別在位置17、19處與管道底部連接。這兩個袋在圖3B中表示得很清楚。流經(jīng)管道的水流由袋子內(nèi)部22和24之間的空氣交換來控制，低水頭中所包含的能量轉(zhuǎn)換為來回流動的空氣的能量，該空氣能量接著借助于渦輪發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換為電能。渦輪發(fā)電裝置包括連接空氣袋22和24的管道28和安置在該管道中的韋爾斯渦輪機(jī)30。不管空氣是從空氣袋內(nèi)部22流到空氣袋內(nèi)部24還是反過來流動，該韋爾斯渦輪機(jī)30被單向驅(qū)動。水在管道中流動，交替地壓扁空氣袋或使其膨脹，在這兩個空氣袋中產(chǎn)生不同的空氣壓力，該壓差等于可應(yīng)用水頭的一半。比例為1∶15的模型試驗(yàn)預(yù)示一臺30米長、額定功率為150千瓦的裝置循環(huán)時(shí)間約為12秒，在水頭為2米時(shí)，水流量大約為10立方米/秒。一臺1兆瓦的裝置在4米水頭時(shí)，長為60米，其循環(huán)時(shí)間為17秒。對于更高額定容量的情況可以采用幾臺裝置串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。
可以看到，用箭頭32表示的水流順序地流過空氣袋，并如圖2A所示那樣將空氣袋壓到管子底部。當(dāng)?shù)诙€空氣袋上方的水從管道流出時(shí)，從空氣腔22排出的空氣經(jīng)過通道28使第二個空氣腔24脹大。當(dāng)流動的水流過第一個袋上方到達(dá)第二個袋時(shí)，將壓扁第二個袋，使空氣返回到第一個袋。
如果空氣系統(tǒng)充入一半空氣，即空氣只能充滿一個袋，那么水團(tuán)能進(jìn)入并充滿管道的上半部，使所有的空氣從袋22移動到袋24，當(dāng)移動的水團(tuán)到達(dá)袋24，在有限的空氣體積內(nèi)將產(chǎn)生壓力脈動，這將會在水頭最低的管道入口處產(chǎn)生雙穩(wěn)作用。雙穩(wěn)作用會使管道入口封閉，使水流不會進(jìn)一步流入，而水團(tuán)繼續(xù)向?qū)Ч芟路搅魅?，將空氣從?4排回到袋22。當(dāng)水團(tuán)開始離開管道出口，空氣系統(tǒng)壓力突然降低，在管道入口處引起雙穩(wěn)作用，允許下一個水團(tuán)進(jìn)入管道，循環(huán)就結(jié)束了。循環(huán)的第一步即當(dāng)空氣從袋22移動到袋24時(shí)，可稱為正向工況，循環(huán)的第二步即當(dāng)空氣從袋24返回到袋22時(shí)可稱為反向工況。正向和反向工況的運(yùn)行分別如圖3B和圖3C所示。
很明顯，系統(tǒng)是一個自振蕩系統(tǒng)，水流間歇地流入和流出管道，而空氣連續(xù)地來回流過渦輪機(jī)。通過管道的水流由在空氣袋之間產(chǎn)生空氣交換來控制，可應(yīng)用水頭的能量轉(zhuǎn)換為空氣來回流動的能量，接著空氣的能量又通過渦輪發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換為電能。管道中壓力-流動循環(huán)的試驗(yàn)給出一個有用的關(guān)系渦輪機(jī)前后的空氣壓力差名義上是水頭的一半，而空氣流量是平均水流量的兩倍。
為了試驗(yàn)該系統(tǒng)的性能、測量其功率輸出和效率，已在實(shí)驗(yàn)室中2米長流動槽道內(nèi)完成了模型試驗(yàn)。該模型功率轉(zhuǎn)換管道與模擬韋爾斯渦輪機(jī)特性的線性空氣調(diào)節(jié)器配合在一起證明了水頭中的能量可以以簡單有效的方式平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換為空氣的能量，系統(tǒng)的損失似乎是取決于入口和出口的速度頭，仔細(xì)設(shè)計(jì)可使其減至最小。對于高功率、快循環(huán)(循環(huán)周期為3秒)的情況，水能轉(zhuǎn)換到空氣能量的效率已達(dá)70%、對于低功率、慢循環(huán)(周期為5秒)的情況效率已達(dá)96%。
決定功率轉(zhuǎn)換管道的大小和比例的尺寸關(guān)系是復(fù)雜的，難以作最佳選擇。實(shí)際全尺寸裝置的設(shè)計(jì)約束條件與材料性能、機(jī)構(gòu)的動作和可能碰到的水頭變化情況有關(guān)。柔性隔膜的強(qiáng)度、變形和壽命特性決定了管道橫斷面的縱橫比。為適應(yīng)大流量，需要加大管道橫斷面，因此界于2∶1和3∶1之間的寬高比看來是最佳折中方案。管道的長度和斜度滿足這樣的關(guān)系沿管道的水頭降落應(yīng)大約等于管道的高度，以保證最小的壓力脈動能引起隔膜的雙穩(wěn)開關(guān)作用。斜度、或高度與長度之比為1/10到1/20就能確保平穩(wěn)運(yùn)行而不產(chǎn)生其他的工況。這些尺寸導(dǎo)致設(shè)計(jì)水頭、管道橫斷面的高度和管道的水頭降落大致相等的結(jié)果。從這些關(guān)系可看出，對于給定水頭H的功率輸出被限制為KH3.5，K可根據(jù)實(shí)際管道尺寸關(guān)系從5到20之間選擇。例如，在2米水頭下，對于55千瓦和220千瓦間的額定空氣功率可設(shè)計(jì)成單管系統(tǒng)。更高或更低的額定功率必須使用并聯(lián)或串聯(lián)的裝置。
圖3D和圖3E分別給出了單管系統(tǒng)正向和反向工況的剖面示意圖。在圖上還給出了水平面和管道端部間的相對水頭以及水團(tuán)的位置。基本的靜力學(xué)分析能夠確定簡單的壓力、流量和功率之間的關(guān)系。
上述的單管系統(tǒng)在水的上游和下游產(chǎn)生間歇流動。雖然在管道入口和出口處變化相對平穩(wěn)，由于柔性隔膜的調(diào)節(jié)，在水位上發(fā)生一些不希望發(fā)生的變化，其結(jié)果是產(chǎn)生了波的反射。這些慣性效應(yīng)會引起能量損失，增加了正向和反向工況間的開關(guān)作用的時(shí)間常量，但使用如圖3F所示及下面所描述的并聯(lián)管道能在一定范圍內(nèi)使它們減小。
韋爾斯自調(diào)整空氣渦輪機(jī)是一種高比速、低壓、大流量渦輪機(jī)。它由曾當(dāng)過貝爾法斯特女王大學(xué)民用工程學(xué)教授的A.A.韋爾斯博士發(fā)明的，特別應(yīng)用在波動能量裝置中，直到現(xiàn)在它還因其它應(yīng)用的需要而作為一種商品來提供。韋爾斯渦輪機(jī)由幾個安設(shè)在轉(zhuǎn)子上的對稱翼組成，其翼弦位于與其旋轉(zhuǎn)軸及空氣旋轉(zhuǎn)方向相垂直的平面內(nèi)。這將保證不管空氣的流動方向如何，轉(zhuǎn)子總是以同一方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
韋爾斯渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度適于與同步高速運(yùn)轉(zhuǎn)的交流發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接配合使用。它對空氣流量呈現(xiàn)出線性調(diào)節(jié)特性。在無流量狀態(tài)時(shí)有低的損耗系數(shù)，它能夠自起動并有過速分流特性。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子制造簡單，如果需要可直接安裝在發(fā)電機(jī)軸上。固定的導(dǎo)向葉片用來給空氣流導(dǎo)向，提高了效率。
單級韋爾斯渦輪機(jī)的額定功率由其運(yùn)轉(zhuǎn)速度決定。按照初步估計(jì)渦輪發(fā)電機(jī)的最大功率為2.7×109×N-2千瓦，對于以3000轉(zhuǎn)/分運(yùn)行的、與電網(wǎng)相連的設(shè)備，其最大功率為300千瓦，更大功率的、與電網(wǎng)相連的設(shè)備將必須在較低的同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行或者有多級轉(zhuǎn)子。
在已出版的英國上2100810A上公開并解釋了一種韋爾斯渦輪機(jī)的例子。
已證實(shí)了在單管系統(tǒng)中有兩個不希望有的效應(yīng)由于間歇水流而產(chǎn)生的慣性效應(yīng)，以及當(dāng)可用水頭發(fā)生變化時(shí)橫過渦輪機(jī)前后的空氣壓力在正向和反向工況之間發(fā)生改變?？梢杂脙蓚€相位相差180°的同樣的管道系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行來避免這兩個缺陷。
圖3F描述了一個并聯(lián)的管道系統(tǒng)，此系統(tǒng)有兩個分開的如圖3A所示的空氣系統(tǒng)。假設(shè)每個管道21、23彼此相位相反，則上游水流和下游水流是不變的，入口和出口隔膜起開關(guān)作用時(shí)水流不產(chǎn)生突然變化。此外，來自渦輪機(jī)的任何對稱的異相功率波形將疊加在一起，向電網(wǎng)輸送一個不變的電功率。傳遞到發(fā)電機(jī)的軸功率可能出現(xiàn)一些小的工況改變的瞬變，如果需要的話可通過在感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上附加一個飛輪使其平穩(wěn)。
圖3A和圖3F所示的系統(tǒng)可應(yīng)用在任一合適的場所，在特殊的場所要求其有相應(yīng)的泄水閘門和渦輪發(fā)電機(jī)廠房。
圖4A和4B給出了圖3A所示方案的改進(jìn)實(shí)施例。這個實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是提供單向空氣流，該單向空氣流通過不同的空氣管道布置形成比較平穩(wěn)的運(yùn)行，因而提供了比較平穩(wěn)的功率通量以及比較有效的渦輪機(jī)運(yùn)行，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中可使用一般的空氣渦輪機(jī)。在圖2C和2D所示的空腔里開有幾個孔，配上一個導(dǎo)引并加大空氣流的輸送系統(tǒng)就可基本上實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)實(shí)施例，下面將對此作出比較詳細(xì)的描述。
參見圖4A和圖4B，安排一個向下傾斜的管道10X接受來自水源12X的水，因而水將通過管道向下流到用14X表示的低水位處，水源12X和低水位14X之間的水頭用16X來表示。
由中間隔膜22X連接起來的柔性隔膜18X和20X置于管道10X內(nèi)，形成了兩個空腔(或氣室)24X和26X。事實(shí)上在任一時(shí)刻管道一半充滿水，一半充滿空氣，空氣位于上述空腔24X和26X內(nèi)。虛線28X和30X表示柔性隔膜18X和20X能膨脹起來的最大范圍。在圖3B所示狀態(tài)下，每個氣室24X和26X內(nèi)充滿一半空氣。
每個氣室24X和26X都有通向該室的兩個空氣孔，其中一個是上游的孔，另一個是下游的孔，這些孔沿管道10X的長度方向分開設(shè)置，因此開在空腔24X和26X的上游端和下游端?？涨?4X的孔用25X(上游)和27X(下游)表示，同樣空腔26X的孔用29X(上游)和31X(下游)表示。
如圖4B所示，孔29X通過流動通道33X直接與孔25X連通，同樣孔27X通過流動通道32X直接與孔31X連通。聯(lián)系通道34X將通道33X和32X連通起來，在聯(lián)系通道34X中安置了一臺空氣渦輪機(jī)36X，它可以是慣用的空氣渦輪機(jī)，當(dāng)空氣沿聯(lián)系通道36X流動時(shí)，就驅(qū)動了此空氣渦輪機(jī)。
下面將描述上述方案的運(yùn)行情況。假定此系統(tǒng)處于圖3B所示狀態(tài)，由于重力的作用水團(tuán)38X如箭頭21X所示那樣向管道10X下方流動，水團(tuán)40X也如箭頭23X所示那樣向管道下方流動?？諝鈴目涨?4X通過孔27X排出，并沿箭頭42X所示方向通過通道32X流到聯(lián)系通道34X的下端，在這里變換方向流入聯(lián)系通道34X，通過空氣渦輪機(jī)36X，并驅(qū)動它。從渦輪機(jī)流出的空氣如箭頭44X表示那樣通過孔29X進(jìn)入空腔26X。水團(tuán)38X沿管管10X前進(jìn)，直到空氣孔25X處的空氣頂起在其附近的柔性隔膜，造成水團(tuán)38X與水源12X的水隔開。水團(tuán)38X繼續(xù)向管道10X下方流動，直到水團(tuán)將孔29X封閉住，此時(shí)空氣開始從孔31X排出，排出的空氣通過通道32X流入通道34X，通過渦輪機(jī)36X從而繼續(xù)驅(qū)動渦輪機(jī)36X，排出的空氣通過通道33X進(jìn)入空腔24X。這樣渦輪機(jī)交替地被從一個空腔排出到另一空腔的空氣流或者反過來的空氣流所驅(qū)動，這樣的技術(shù)方案不需使用單向渦輪機(jī)，渦輪機(jī)前后空氣壓力差約為水頭16X的一半，空氣流量約為水流量的兩倍。系統(tǒng)效率較高，唯一明顯的損失與入口和出口速度頭有關(guān)。
圖5A/B到圖8A/B用圖解方法表示了可替換的實(shí)施例，這些實(shí)施例的運(yùn)行基于本發(fā)明的原理，但空氣是作來回流動。圖5A中，空氣壓力P使隔膜向上鼓起，攔住水流。當(dāng)釋放空氣壓力時(shí)，隔膜40落下到圖示的打開位置，因此排出的空氣返回到另一個與隔膜40一樣的隔膜處，頂起該隔膜，使其成為關(guān)閉位置，阻止水的流動。隔膜的移動使空氣來回流動，驅(qū)動了韋爾斯渦輪機(jī)。
在圖6A的方案中，在槽道52內(nèi)設(shè)置隔膜50，空氣在隔膜50外邊的空間54內(nèi)。圖6A中示出的三個位置(1、2、3)分別代表當(dāng)空間54內(nèi)的空氣壓力增加時(shí)，隔膜或袋包含最大水量的位置、包含中等水量的位置和包含最小水量的位置?？諝鈮毫υ黾邮墙柚诹硪粋€與圖6A所示單元反相的單元實(shí)現(xiàn)的，在那里另一個隔膜50正在變?yōu)樽畲笏课恢?，將空氣從它的氣?4排至圖6A所示的氣室中。在圖6A所示方案中，水面敞開在大氣中，而圖7A所示方案基本上與圖6A所示的方案相同，但隔膜60包含在與圖2A/2B類似的封閉的管子62中，因而能在更高壓力下運(yùn)行。
圖8A所示的方案中，表示了兩個緊靠著的槽道A、B，各有柔性隔膜70，在此方案中從一個槽道A或B中隔膜70下方排出的空氣經(jīng)過一個裝有單向渦輪機(jī)的管道傳送到槽道A中隔膜的下方。
圖9表示了一個靠往復(fù)空氣流運(yùn)行的溢流堰型方案。水源80的低水頭水流過堰82，到達(dá)第一個柔性隔膜84的上方，位于室86內(nèi)的空氣在隔膜下方。由于水使隔膜84偏移到虛線所示的位置，室86內(nèi)的空氣流過裝有渦輪機(jī)89的通道88，到達(dá)第二個隔膜90的下方，第二個隔膜也被推到所示的虛線位置?？諝馔ㄟ^通道88的流動以及第二個隔膜90的膨脹使得原先由隔膜90保持住的水92流過輔助堰94，流到隨后的隔膜96處，使隔膜96偏移到虛線所示位置，隔膜96接著又推動空氣，使其從膜下方通過另一個裝有單向渦輪機(jī)91的通道98，如此繼續(xù)直到最后水到達(dá)低水位100。在水流到低水位100期間，水頭中的能量由空氣流吸收，并由單向渦輪機(jī)以及與之配合的發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換為電能。
圖10表示的方案類似于圖9的方案，只是分別用袋A、袋B、袋C……來描述的各個隔膜排列成鋸齒狀，水如箭頭102所示那樣順次流過這些袋，當(dāng)依次通過隔膜A到隔膜F后，從低水位104流出。圖10也表示出從氣動角度各個袋與位于連接通道的渦輪機(jī)T1、T2和T3是如何連接的。
圖11用透視圖表示了本發(fā)明的另一個實(shí)施例。事實(shí)上這個實(shí)施例設(shè)計(jì)成按圖6A所示實(shí)施例的原理運(yùn)行的，它包括帶有隔板112的槽道110，在隔板間延伸有多塊柔性隔膜或一塊柔性隔膜114，因而在每塊柔性隔膜下形成空氣室116。如118所說明的那樣，水向下流過柔性隔膜114，而當(dāng)每一部分水流過兩個堰間的柔性隔膜，柔性隔膜膨脹，將空氣從其下方排出，空氣通過未在圖上畫出的通道導(dǎo)至下游空氣室116的下部。在那個空氣室中隔膜下方的空氣壓力增加，將隔膜壓成扁平狀，因而隔膜上的水被壓到下游下一對隔板間的隔膜上方。
圖12表明了所有實(shí)施例的各個空腔是如何通過裝有渦輪機(jī)的通道相連通的，它們可以是單級的、三級的、三相的和兩個通道交叉相運(yùn)行的。
在圖3A、3F和圖4A、4B的系統(tǒng)中，每一空腔中的空氣都由一個水團(tuán)以蠕動的方式驅(qū)動。在一個可替換的運(yùn)行方式中，在一個較大的空腔內(nèi)在任何時(shí)刻可以同時(shí)存在兩個或更多的水團(tuán)，這些水團(tuán)以行進(jìn)波運(yùn)動的方式推動空氣。利用每一空腔上相隔開的氣孔，能保證該系統(tǒng)產(chǎn)生平穩(wěn)的功率通量，并提高渦輪機(jī)的效率。
根據(jù)是否要求較高的功率輸出和/或平穩(wěn)的總水流來確定空腔是串聯(lián)還是并聯(lián)?？涨恢g的各種不同連接方式可產(chǎn)生單相、多相或交叉相運(yùn)行。有些方案需要觸發(fā)機(jī)構(gòu)，以便觸發(fā)開關(guān)動作，或使那些并聯(lián)裝置同步運(yùn)行。
例如在圖13的方案中，兩個并聯(lián)管道100、101中各有一層單層隔膜102、103，并且每個管道還附有觸發(fā)袋102A、102B和103A、103B，它們分別位于主袋102、103的上游和下游，水流動方向是沿著管道100、101從入口105流到出口106。
由袋102、103構(gòu)成的空腔分別有出口107、109和入口108、110。這些孔口通過橫向管道112、113與裝有渦輪機(jī)111A的中央聯(lián)系通道111相連。上游觸發(fā)袋102A通過觸發(fā)通道114與下游觸發(fā)袋103B相通。下游觸發(fā)袋102B通過觸發(fā)通道115與上游觸發(fā)袋103A相通。
圖13中的裝置運(yùn)行過程如下在如圖所示位置，進(jìn)入管道100中的水團(tuán)116將空氣從袋102中擠出，通過孔口108、橫向管道113、聯(lián)系通道111(在這里驅(qū)動渦輪機(jī)111A)、橫向管道112，然后排到袋103中。袋103充氣后阻止水流通過管道101，直到從管道103出口流出的水團(tuán)117離開管道為止。這時(shí)觸發(fā)袋103B通過觸發(fā)通道115發(fā)出一個信號，觸發(fā)袋102A充氣，使得袋102膨脹，于是阻止水流通過管道100，而另一水團(tuán)能進(jìn)入管道101，使袋103中的空氣從孔口110排出，通過橫向管道113進(jìn)入聯(lián)系通道111，推動渦輪機(jī)111A，然后再流過橫向管道112和孔口107。
可以在所述單向空氣流系統(tǒng)中采用貯氣箱和蓄氣器來貯存能量或使空氣流均勻流動，這樣便可提供均勻平穩(wěn)的功率通量。
隔膜可以使用任何適宜的材料制做，但在要進(jìn)行的全尺寸試驗(yàn)中將采用一種特殊材料。其性能指標(biāo)如下材料 有橡膠復(fù)蓋層的交叉尼龍簾布股線直徑 1毫米簾布股數(shù) 1000/米/每層編織層數(shù) 2簾布層走向 與管道軸線夾角為60°材料強(qiáng)度 橫向300千牛頓/米最大拉伸強(qiáng)度 橫向80千牛頓/米估計(jì)疲勞壽命 5到10年可以看出，本發(fā)明可以設(shè)計(jì)許多實(shí)施例，這些實(shí)施例可提供一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使低水頭和/或動能水電站取得可觀的功率輸出。初步試驗(yàn)表明，這種發(fā)電方式的成本比傳統(tǒng)的水電站或使用礦物燃料的火力發(fā)電站要低。
本發(fā)明系統(tǒng)是利用水流動造成的空氣移動來實(shí)現(xiàn)的，在那里柔性隔膜起著水和空氣之間交界面的作用。系統(tǒng)的動力來自連續(xù)流動的水，由于采用了隔膜裝置，該連續(xù)水流中斷了，而以水團(tuán)或波浪的形式流動，這與柔性隔膜相配合使空氣在由隔膜形成的空腔或氣室之間來回流動，以致系統(tǒng)自振蕩。
本系統(tǒng)最適宜用低水頭(如河道)的地方，但本發(fā)明也可用在利用其它的液體形式能量來驅(qū)動系統(tǒng)的地方。這些其它的能量形式包括潮汐能、波浪能和動能。
在所解釋的實(shí)施例中，柔性隔膜裝置形成兩個或更多的氣室或空腔。在一個可替換的結(jié)構(gòu)中，一個單層隔膜位于管道之中，當(dāng)水團(tuán)位于隔膜兩端之間并如圖2C所示將隔膜壓在管道底部時(shí)，此隔膜、管道和水團(tuán)一起形成兩個空腔，一個空腔在隔膜的一端，另一個空腔在隔膜的另一端。
此外，主實(shí)施例指出每一管道內(nèi)都有一個以上的空腔，運(yùn)動的水團(tuán)順序流過并壓扁這些空腔，但是在各個并聯(lián)管道內(nèi)形成兩個空腔也屬于本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)很容易復(fù)制、按比例變換或改裝。系統(tǒng)很容易進(jìn)行調(diào)節(jié)，如對隔膜壅水量的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)很適于作為農(nóng)場、公社這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的動力資源。在那些沒有能力投資于大規(guī)模水力發(fā)電配電系統(tǒng)的第三世界國家可以迅速發(fā)展本系統(tǒng)作為動力資源。本系統(tǒng)也可用于潮汐堰。

權(quán)利要求
1.一種液體能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中液體從一個位置流到另一個位置，在此流動過程中液體從柔性隔膜裝置上方流過，隔膜裝置下方是氣體介質(zhì)，因而當(dāng)液體順序流過各空腔時(shí)液體壓力起作用，至少其重力分量會壓扁空腔，隨著一個空腔被壓扁，空腔內(nèi)氣體介質(zhì)被排到另一個空腔，使位于第二個空腔上方的水排走，氣體介質(zhì)在兩個空腔之間的流動被利用來驅(qū)動一個能量轉(zhuǎn)換器，如氣體渦輪機(jī)。
2.按照權(quán)利要求
1所述的系統(tǒng)，其中隔膜裝置構(gòu)成兩個分離的空腔。
3.按照權(quán)利要求
2所述的系統(tǒng)，其中液體介質(zhì)流過一管道，管道內(nèi)包含有構(gòu)成上述空腔的柔性隔膜裝置。
4.按照權(quán)利要求
3所述的系統(tǒng)，其中兩空腔用一公用的中間隔膜相連。
5.按照權(quán)利要求
3或4所述的系統(tǒng)，其中連接空腔的通道內(nèi)裝有一臺被稱為韋爾斯渦輪機(jī)的雙向氣體渦輪機(jī)。
6.按照權(quán)利要求
3、4或5所述的系統(tǒng)，其中每一空腔都有一個入口和一個出口，它們分別是上游入口和下游入口，各個空腔的上游入口間和下游入口間用上游通道和下游通道來連接，在上游通道和下游通道之間有一聯(lián)系通道，在聯(lián)系通道內(nèi)有一單向氣體渦輪機(jī)。
7.按照權(quán)利要求
3到5所述的系統(tǒng)，其中管道是敞頂?shù)模裟ぱb置是連接管道側(cè)壁頂端的柔性隔膜，管道壁與柔性隔膜下底面構(gòu)成上述空腔。
8.按照前面任何一權(quán)利要求
所述的系統(tǒng)，其中有多個空腔，這些空腔沿液體流動方向通過上述通道成對地相連。
9.按照權(quán)利要求
8所述的系統(tǒng)，其中每個空腔由位于不同高度的兩溢流堰頂端之間的隔膜來構(gòu)成，液體從隔膜上方流過。
10.按照權(quán)利要求
9所述的系統(tǒng)，其中堰順序排列成蛇形或階梯形的。
11.按照權(quán)利要求
3到5所述的系統(tǒng)，包括兩個并聯(lián)管道，在前述管道內(nèi)空腔的上游和下游有觸發(fā)腔，各個管道內(nèi)的空腔是相連通的，而且可以被觸發(fā)成反相運(yùn)行。
12.按照前面任一權(quán)利要求
所述的系統(tǒng)，其中隔膜由柔性增強(qiáng)橡膠制成。
13.一種流動液體能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括a)液體在其中流過的管道裝置;b)管道裝置中的柔性隔膜裝置，液體流過此隔膜裝置上方;c)該柔性隔膜裝置與管道裝置一起至少構(gòu)成含有氣體介質(zhì)的第一空腔和第二空腔，這些空腔排列得使液體順序流過其上方;d)連接第一空腔和第二空腔的通道裝置;e)位于上述通道裝置的、用氣體介質(zhì)驅(qū)動的能量轉(zhuǎn)換裝置在上述系統(tǒng)中，液體通過上述隔膜裝置上方，使氣體介質(zhì)從第一空腔排到第二空腔，直到第二空腔內(nèi)的氣體壓力達(dá)到一定程度時(shí)又使氣體介質(zhì)通過通道裝置返回到第一空腔，于是造成液體以液體團(tuán)的形式沿管道裝置流動，氣體介質(zhì)在第一和第二空腔之間不斷重復(fù)地往返流動，該系統(tǒng)在使用中自振蕩。
14.按照權(quán)利要求
13所述的系統(tǒng)，其中管道裝置是傾斜放置的封閉管道，液體從較高端流向較低端。
15.按照權(quán)利要求
14所述的系統(tǒng)，其中在管道內(nèi)由柔性隔膜裝置構(gòu)成兩個分離的空腔，一個是上游空腔，一個是下游空腔。
16.按照權(quán)利要求
14所述的系統(tǒng)，其中管道裝置包括兩個并聯(lián)管道，它們有一個公用的入口和一個公用的出口，每一管道內(nèi)設(shè)置了構(gòu)成第一和第二空腔的隔膜裝置，該兩空腔分別是上游空腔和下游空腔，在每個管道的兩個空腔之間用它們自己的通道裝置相連通，在該通道裝置內(nèi)裝有氣體介質(zhì)能量轉(zhuǎn)換裝置。
17.按照權(quán)利要求
13、14、15或16所述的系統(tǒng)，其中連接第一和第二空腔的通道裝置中有一個入口和一個出口，它們分別是上游入口和下游入口，而且各空腔的上游入口和下游入口由上游通道和下游通道連通起來。在上游通道和下游通道之間有一聯(lián)系通道，聯(lián)系通道內(nèi)裝有一臺氣體介質(zhì)驅(qū)動的能量轉(zhuǎn)換裝置。
18.一種液體能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中液體在管道中流過一柔性隔膜裝置的上方，將隔膜下方的氣體介質(zhì)排擠出，氣體介質(zhì)的移動用來推動一個原動機(jī)，然后氣體介質(zhì)又使隔膜充氣膨脹，從而暫時(shí)阻擋住液體沿管道的連續(xù)流動，因此隔膜裝置周期性地不斷充氣膨脹和放氣壓縮，管道中的液體流被分隔為水團(tuán)，系統(tǒng)自振蕩。
19.一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中第一種流體沿管道流動，第二種流體位于管道中隔膜的另一側(cè)，第二個隔膜位于該管道內(nèi)或位于另一個第一種流體流過的管道內(nèi)，因而第一種流體與第二個隔膜相接觸，第二種流體位于第二個隔膜的另一側(cè)，所以隨著第一種流體沿上述管道流動，由于第一種流體壓在第一個隔膜上，第二種流體被排擠出，第二種流體又排擠上述管道或另一管道內(nèi)的第二個隔膜，使第一種流體在通過第二個隔膜處的流動中斷，直到第一種流體流過了第一個隔膜時(shí)為止，此時(shí)系統(tǒng)換向，第一種流體擠壓第二個隔膜，第二種流體又壓扁第一個隔膜，使第一種流體通過第一個隔膜處的流動中斷，直到系統(tǒng)再次換向，系統(tǒng)形成了自振蕩。
專利摘要
本發(fā)明提供一種利用河流中流水之類的低水頭來發(fā)電的方法水順次從幾個柔性袋或柔性隔膜上面流過，將柔性袋或柔性隔膜下面的空氣排出，再利用空氣的流動來推動空氣渦輪機(jī)等發(fā)電設(shè)備。借助于把空氣從一個柔性隔膜下的空腔排入另一個柔性隔膜下的空腔來獲得平穩(wěn)的功率通量。水順次從隔膜上方流過，這樣隨著空氣在空腔間往返流動，系統(tǒng)自振蕩，而空氣的移動用來推動空氣渦輪機(jī)。最好采用雙向空氣渦輪機(jī)，如韋爾斯渦輪機(jī)。
文檔編號F03B13/18GK86103487SQ86103487
公開日1987年4月29日 申請日期1986年4月16日
發(fā)明者諾曼·韋斯特·貝拉米 申請人:水能聯(lián)合有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan