專利名稱：浮力揚水裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種揚水裝置，特別是一種浮力揚水裝置。該裝置是利用具有一定落差和流量的水的勢能使裝置中具有適當(dāng)體積、并能作升降運動的浮體從水中獲得足夠大的浮力作為動力工作，把水從低處源源不斷地提升到高處的一種提水機械裝置。
水利是農(nóng)業(yè)的命脈，干旱缺水始終是威脅農(nóng)業(yè)的主要災(zāi)害。提水、蓄水是農(nóng)業(yè)抗御干旱災(zāi)害、保障生產(chǎn)的重大課題。對農(nóng)業(yè)和整個國民經(jīng)濟都有著十分重要的意義。
提水蓄水需要能源。在自然界，有著分布廣泛的、無以計數(shù)的小河小溪，它們蘊藏著大量的低能量能源。長期以來，人們在這些小河小溪上節(jié)節(jié)筑堤修堰，攔水蓄水，作為取水的重要來源。這些低矮堤堰內(nèi)的水一般落差不大，流量較小，一年之中，多數(shù)時候，任水白白流淌，水的勢能也很少得到開發(fā)利用。
水往低處流，人在高處愁。要把水從低處提升到高處，完全利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備，還存在很多難以克服的困難。例如在山地丘陵田野里到處實施遠(yuǎn)距離輸送電力，還不現(xiàn)實；用內(nèi)燃機作動力，需要大量燃油。如果利用這些廣泛存在的小河小溪的水的勢能，把水從低處提升到高處以便于利用，這樣既開發(fā)利用了這些小河小溪蘊藏的能源，又滿足了農(nóng)業(yè)對提水、蓄水的需要，其總量是十分可觀的，意義是巨大的！然而，現(xiàn)有的利用水的勢能作功的提水機械，即使是現(xiàn)代的水輪機，在這些小河小溪上的低矮堤堰所形成的低落差，小流量的水源條件下，由于不可能獲得強大的動力工作，其性能發(fā)揮也將受到很大的局限，不能滿足人們的要求。
至于把水的勢能轉(zhuǎn)換為水對浮體的浮力，并以此作為動力工作，目前，在公開的應(yīng)用領(lǐng)域還未見有先例。但作為技術(shù)方案，國內(nèi)外均有人研究。例如，英國1985年3月20日公告的專利申請GB2145164A、中國專利局1990年4月4日公告的發(fā)明專利申請CN1007444B、1991年4月24日公告的發(fā)明專利申請CN1050923A、1991年8月7日公告的發(fā)明專利申請CN1053662A等。上述專利申請無一例外地都是利用浮體的浮力和重物的重力作為動力工作。因此，上述專利申請在工作原理方面都存在一個同樣的嚴(yán)重缺陷，主要表現(xiàn)在浮體在上升行程由浮體的浮力作功，在下降行程由浮體的重力作功。問題在于重力在下降行程作功以后，重物必須重新上升到一個高度后才能再次作功，而將該重物上升到原來的高度所消耗的功必須至少等于或大于該重物由此高度下降時所作的功。顯然，在這里，綜合的結(jié)果，重力并沒有輸出有用功。然而，為了使浮體在下降行程利用浮體的重力作功，就必須使該浮體在上升行程具有足夠大的浮力，以便在克服浮體重力的同時，還要驅(qū)動機械作功，且所作的功的大小應(yīng)與浮體在下降行程由浮體的重力所作的功的大小相等。這樣，就必須使所述的浮體獲得二倍于自身重力的浮力?，F(xiàn)在，若將該浮體稱為重力浮體，又另外假想一個很輕的、其自身重力可以略去不計的浮體，這個假想浮體所獲得的最大浮力與重力浮體的重力相等。由阿基米德浮力定理可知，所說重力浮體的體積必為假想浮體的體積的2倍?，F(xiàn)在再假定將重力浮體和假想浮體分別放置于僅能容許該浮體作上升、下降運動的容器內(nèi)。在其余條件完全等同的情況下，當(dāng)向所說的兩個容器充水時，兩個容器內(nèi)的浮體均上升作功。但是兩個浮體的上升運動將出現(xiàn)明顯區(qū)別，這就是重力浮體所在的容器充水時間長，重力浮體上升的速度慢；假想浮體所在的容器充水時間短，假想浮體上升的速度快；兩個容器充水時間的長短之比及兩個浮體上升速度的快慢之比均為兩個浮體的體積之比，即2∶1。反之，當(dāng)所說的兩個容器排水時，兩個浮體均下降，只是重力浮體下降時作功，假想浮體下降時不作功。但是，重力浮體所在的容器排水時間長，重力浮體下降的速度慢；假想浮體所在的容器排水時間短，假想浮體下降的速度快兩個容器排水時間的長短之比及兩個浮體下降速度的快慢之比亦均為兩個浮體的體積之比，即2∶1。于是重力浮體在完成上升、下降一次工作循環(huán)的時間里作功兩次；而在相同時間里，假想浮體完成上升、下降兩次工作循環(huán)，亦作功兩次?？梢?，重力浮體的體積雖然是假想浮體的體積的2倍之大，但是在相同時間里，它所作的有用功卻僅僅相當(dāng)于假想浮體所作的功。上述分析，借用了一個假想浮體與重力浮體進行對比，以便于使人容易理解上述專利申請在工作原理方面存在的缺陷。此外1995年1月22日，中國專利局授予專利權(quán)的《浮力發(fā)電裝置》(專利號ZL93239797·2，專利權(quán)人祝天鎮(zhèn))采用兩個結(jié)構(gòu)大小完全相同的容器和浮體，兩個浮體在水的浮力作用下交替上升或下降，浮體在上升行程由浮力作功，在下降行程不作功。該裝置的浮體結(jié)構(gòu)輕巧，裝置工作效率高，但該裝置的浮體直接與機械傳動裝置相聯(lián)系，若用于提水，必須另外配置水泵。
本實用新型的目的，是要提供一種能將各種低水頭、小流量的水源具有的勢能，通過水對浮體的浮力轉(zhuǎn)換為機械能，進而利用所產(chǎn)生的能量自動地把水從低處提升到高處的性能優(yōu)異的浮力揚水裝置。
本實用新型的目的是這樣得以實現(xiàn)的在蓄水堰的下游一側(cè)，設(shè)置至少一個容器，容器內(nèi)有根據(jù)所受水的浮力變化作升降運動的浮體，浮體上的活塞桿與一個活塞缸內(nèi)的活塞聯(lián)接；與活塞缸聯(lián)接的吸水管和出水管上分別設(shè)置有單向閥；吸水管與蓄水堰相通，出水管與一蓄積高壓脈沖水流的蓄能器相通；蓄能器上有輸水管；所述的容器至少有一個進水和排水共用的通道用管道與一個換向閥接通；換向閥用兩個管道分別與蓄水堰的上游和下游接通；換向閥與杠桿自動控制機構(gòu)相連接。
所述的換向閥至少與一個容器的一個進水和排水共用的通道用管道接通；所述的杠桿自動控制機構(gòu)與浮體上的換向器相聯(lián)系；所述的輸水管上有主閥門；所述的輸水管上有歧管和歧管閥門。
當(dāng)蓄水堰上游高水位的水經(jīng)管道、換向閥進入容器，容器內(nèi)的浮體在水的浮力作用下上升，浮體通過活塞桿推動活塞缸內(nèi)的活塞，對活塞缸內(nèi)事先已從吸水管吸入的水加壓，被加壓的高壓水經(jīng)單向閥、出水管進入蓄能器；當(dāng)浮體上升到行程末端，浮體上的換向器推動杠桿自動控制機構(gòu)使換向閥換向，于是來自蓄水堰上游高水位的水不再進入所述的容器，而該容器內(nèi)完成了能量交換的水則經(jīng)進水和排水共用的通道及換向閥流入蓄水堰的下游；隨著容器內(nèi)水位下降，浮體及活塞缸內(nèi)的活塞隨之下降，蓄水堰內(nèi)的水經(jīng)吸水管、單向閥被吸入活塞缸內(nèi)；當(dāng)浮體下降到行程末端，杠桿自動控制機構(gòu)又使換向閥換向，于是來自蓄水堰上游高水位的水又經(jīng)管道、換向閥進入容器，容器內(nèi)的浮體在水的浮力作用下上升，進入第二次工作循環(huán)；如此周而復(fù)始，不停工作，把水壓入蓄能器內(nèi)；當(dāng)打開輸水管上的主閥門，蓄能器內(nèi)的高壓水則源源不斷地沿輸水管被輸送到設(shè)定的高處加以利用。輸水管上的歧管閥門備用，通常處于關(guān)閉狀態(tài)。打開歧管閥門，可利用蓄能器輸出的高壓水沖動另外配置的動力機械工作；或者在本實用新型停止工作以后，排出蓄能器及輸水管內(nèi)的水。
本實用新型所述的容器、浮體、活塞桿、活塞缸、活塞、吸水管、出水管以及蓄能器、輸水管構(gòu)成了一個緊湊的液壓工作機構(gòu)，其動力來自于浮體所受水的浮力；起心臟作用的換向閥以及與換向閥連接的杠桿自動控制機構(gòu)構(gòu)成了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖詣涌刂葡到y(tǒng)，對本實用新型實現(xiàn)可靠的自動控制。
本實用新型的揚程(或蓄能器出水口的壓力水頭)由下式確定h=(Dd)2·H-h1-h2]]>式中h-揚程或蓄能器出水口的壓力水頭高D-浮體直徑或浮體為非園截面時的當(dāng)量直徑d-活塞缸直徑H-浮體高度h1-與浮體自重相當(dāng)?shù)乃^高h(yuǎn)2-與摩擦損失相當(dāng)?shù)乃^高從上述計算公式可以看出，本實用新型的揚程h與蓄水堰的落差大小無關(guān)；浮體的自重很小，h1就很小，因而h值就大；當(dāng)水源條件一定時，通過改變d、D、H三個參數(shù)，就可獲得幾米、幾十米甚至百米以上的揚程！本實用新型的應(yīng)用，根據(jù)自然地理條件，可布置在已建成的蓄水堰的下游一側(cè)；在小河流及可利用海潮的地方，可以將多個相同的容器直接作為壩體，橫列布置，安裝在位于水下低矮的壩基上工作。
下面，通過實施例對本實用新型的技術(shù)內(nèi)容及工作過程中作更詳細(xì)的說明


圖1為浮力揚水裝置實施例一的原理圖；圖2為浮力揚水裝置實施例二的平面圖。
在
圖1中，蓄水堰(1)的下游一側(cè)并列地設(shè)置有兩個結(jié)構(gòu)大小及所屬部件完全相同的容器(2)及(2′)，其相同部件的編號均以兩個相同的數(shù)字并在其中一個數(shù)字的右上角加符號“′”一一對應(yīng)。
當(dāng)蓄水堰(1)上游高水位的水經(jīng)進水管(3)、換向閥(4)、管道(5)進入容器(2)，容器(2)內(nèi)的浮體(6)在水的浮力作用下上升；浮體(6)通過活塞桿(7)推動活塞缸(8)內(nèi)的活塞(9)對活塞缸(8)內(nèi)事先已吸入的水加壓；活塞缸(8)內(nèi)被加壓的水經(jīng)單向閥(10)，管道(11)進入蓄積高壓脈沖水流的蓄能器(12)；當(dāng)浮體(6)上升到行程末端；固定于浮體(6)上的換向器(13)推動杠桿機構(gòu)(14)運動，杠桿機構(gòu)(14)帶動換向閥(4)換向；換向閥(4)換向后，在換向閥(4)內(nèi)部通道流動的水流改變流向，第一路來自蓄水堰(1)上游高水位的水流不再進入容器(2)，而改變流向經(jīng)管道(5′)進入容器(2′)，容器(2′)內(nèi)的浮體(6′)在浮力作用下上升；浮體(6′)通過活塞桿(7′)推動活塞缸(8′)內(nèi)的活塞(9′)對活塞缸(8′)內(nèi)事先已吸入的水加壓；活塞缸(8′)內(nèi)被加壓的水經(jīng)單向閥(10′)、管道(11′)進入蓄能器(12)；第二路容器(2)內(nèi)的水經(jīng)管道(5)、換向閥(4)、排水管(15)排入蓄水堰(1)下游；隨著容器(2)內(nèi)的水位下降，浮體(6)、活塞桿(7)、活塞(9)隨之下降；直至下降到行程末端；蓄水堰(1)內(nèi)的水經(jīng)吸水管(16)、單向閥(17)被吸入活塞缸(8)；當(dāng)容器(2′)內(nèi)的浮體(6′)上升到行程末端，固定于浮體(6′)上的換向器(13′)推動杠桿機構(gòu)(14′)運動，杠桿機構(gòu)(14′)又帶動換向閥(4)換向，在換向閥(4)內(nèi)部通道流動的水流又改變流向，第一路來自蓄水堰(1)上游高水位的水流不再進入容器(2′)，而改變流向經(jīng)管道(5)進入容器(2)，于是容器(2)內(nèi)的浮體(6)重復(fù)剛才第一次工作循環(huán)的運動，開始第二次工作循環(huán)；第二路容器(2′)內(nèi)的水經(jīng)管道(5′)、換向閥(4)、排水管(15)排入蓄水堰(1)下游；隨著容器(2′)內(nèi)的水位下降，浮體(6′)、活塞桿(7′)、活塞(9′)隨之下降；蓄水堰(1)內(nèi)的水經(jīng)吸水管(16′)、單向閥(17′)被吸入活塞缸(8′)；當(dāng)容器(2′)內(nèi)的浮體(6′)下降到行程末端時，則容器(2)內(nèi)的浮體(6)上升到行程末端……，這樣周而復(fù)始，不停工作，把水壓入蓄能器(12)內(nèi)；當(dāng)打開閥門(18)，蓄能器(12)內(nèi)的高壓水則源源不斷地沿輸水管(19)被輸送到設(shè)定的高處加以利用。
在必要時，例如需要發(fā)電時，可打開輸水管(19)上的歧管(20)的閥門(21)，利用蓄能器(12)不停輸出的高壓水和從輸水管(19)頂端高處水庫回流下來的高壓水沖動另外配置的水輪發(fā)電機發(fā)電。
圖2是浮力揚水裝置應(yīng)用于小河流及可利用海潮的地方的平面布置圖，由多個相同的容器(22)、(23)、(24)、(25)……直接作為壩體，橫列布置，安裝在低矮壩基上的情形。
權(quán)利要求1.一種揚水裝置，特別是一種利用水的勢能作功的浮力揚水裝置，該裝置包括至少一個設(shè)置在蓄水堰(1)下游一側(cè)的容器(2)，容器(2)內(nèi)有根據(jù)所受水的浮力變化作升降運動的浮體(6)；浮體(6)上的活塞桿(7)與活塞缸(8)內(nèi)的活塞(9)聯(lián)接；與活塞缸(8)聯(lián)接的出水管(11)和吸水管(16)上分別設(shè)置有單向閥(10)和(17)；吸水管(16)與蓄水堰(1)接通，出水管(11)與一蓄積高壓脈沖水流的蓄能器(12)接通；蓄能器(12)上有輸水管(19)；其特征在于容器(2)至少有一個進水和排水共用的通道用管道(5)與換向閥(4)接通；換向閥(4)用管道(3)和(15)分別與蓄水堰(1)的上、下游接通；換向閥(4)與杠桿自動控制機構(gòu)(14)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮力揚水裝置，其特征是換向閥(4)至少與一個容器(2)的一個進水和排水共用的通道用管道(5)相接通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮力揚水裝置，其特征是杠桿自動控制機構(gòu)(14)與浮體(6)上的換向器(13)相聯(lián)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮力揚水裝置，其特征是輸水管(19)上有閥門(18)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的浮力揚水裝置，其特征是輸水管(19)上有歧管(20)和閥門(21)。
專利摘要一種浮力揚水裝置,該裝置是利用具有一定落差和流量的水的勢能使裝置中具有適當(dāng)體積、并能作升降運動的浮體從水中獲得足夠大的浮力作為動力工作,把水從低處源源水?dāng)嗟奶嵘礁咛幍囊环N提水機械裝置,包括至少由一個容器(2)、浮體(6)、活塞泵(8)、蓄能器(12)等組成的液壓工作機構(gòu)和換向閥(4)及與換向閥(4)相連接的杠桿機構(gòu)(14)等組成的自動控制機構(gòu)。該裝置工作效率高,出水壓力大、揚程高,廣泛適用于在各種低落差、小流量的水源條件下工作。
文檔編號F03B17/00GK2334897SQ97237170
公開日1999年8月25日 申請日期1997年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月7日
發(fā)明者祝天鎮(zhèn) 申請人:祝天鎮(zhèn)