專利名稱：無(wú)軸水輪機(jī)及其使用方法與調(diào)速調(diào)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)軸水輪機(jī)及其使用方法與調(diào)速調(diào)能裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在人們利用水能做動(dòng)力的水輪機(jī)都是由一條位于中心部位的葉輪軸和葉片組成葉輪和位于葉輪外圍帶格柵的機(jī)座組成，組成葉輪的葉片在離軸越遠(yuǎn)的部位所受到的力度越大但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度卻越小，這樣就形成了葉輪受力的部位與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的矛盾，增加了水輪機(jī)的技術(shù)難度；同時(shí)，現(xiàn)有的水輪機(jī)需要一個(gè)特定的安裝環(huán)境，如必須修建水壩，而修建水壩就必須淹沒(méi)大量土地和資源，造成對(duì)環(huán)境及地理結(jié)構(gòu)的改變；加上與水輪機(jī)配套的做功機(jī)械如發(fā)電機(jī)都必須安裝在水輪機(jī)的上方或前方，在維修水輪機(jī)時(shí)必須首先拆去做功機(jī)械，使維修難度加大；還有是現(xiàn)在的水輪機(jī)只適宜有固定水流方向的江河中，不適用于往復(fù)流動(dòng)的水流和無(wú)固定流向的水流區(qū)域，如海洋中。加之位于中心部位的葉輪軸和支座的格柵條是水中垃圾纏繞的主要部件，容易影響到水輪機(jī)的運(yùn)行。因此，現(xiàn)在的水輪機(jī)(不管是葉輪式或者蝸輪式)的前邊都必須裝設(shè)密度較大的攔污裝置來(lái)阻擋水中垃圾對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的影響，而這種方法在海洋中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這也說(shuō)明傳統(tǒng)的水輪機(jī)在海洋能利用方面是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，如我國(guó)自50年代以來(lái)建成的多處海洋能電站，至今只有個(gè)別電站仍在運(yùn)行，大部分原因均是垃圾對(duì)機(jī)械的影響或破壞造成的。還有如歐美等國(guó)正在研究開發(fā)的蝸輪式海洋能發(fā)電機(jī)，也要“頻繁地改變蝸輪機(jī)的位置”來(lái)避開垃圾的影響。(摘自中國(guó)科學(xué)信息研究所，網(wǎng)址http://sdep.cei.gov.cn/envir-sub/sonice/ce/ca2005022406.htm。因此，現(xiàn)有的水輪機(jī)除在江河中使用要受到諸多條件的限制外，更不適宜安裝在海洋中利用海洋能做功。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)軸水輪機(jī)，以改變現(xiàn)有水輪機(jī)的技術(shù)缺點(diǎn)和適用范圍。本發(fā)明同時(shí)提供無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，它既擴(kuò)大了水輪機(jī)在江河中的適用范圍和江河水力能的利用率，更能適用于海洋能(包括潮汐能、波浪能和海流能)的開發(fā)利用。本發(fā)明還提供一種與無(wú)軸水輪機(jī)使用功能相適應(yīng)的調(diào)速調(diào)能裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的無(wú)軸水輪機(jī)的葉輪中心部位沒(méi)有輪軸，是在一個(gè)圓形的輪環(huán)的內(nèi)環(huán)面固定安裝若干片輪葉，輪葉的頭部呈向心狀態(tài)朝向輪環(huán)的圓心，輪葉的平面與輪環(huán)的環(huán)平面有一個(gè)夾角；輪環(huán)的外圓面固定有的限位環(huán)和動(dòng)力輸出輪；動(dòng)力輸出輪用于與傳動(dòng)裝置聯(lián)接，向其它做功機(jī)械輸出動(dòng)力；限位環(huán)的外面圍繞一圈軸承，軸承放置在一個(gè)圓環(huán)支架內(nèi)，圓環(huán)支架除用于放置軸承外，同時(shí)用于與其它構(gòu)件的安裝固定，同時(shí)，圓環(huán)的外圓面還用于安裝水輪機(jī)護(hù)殼；軸承的作用是既可聯(lián)結(jié)輪環(huán)與圓環(huán)支架，又可以使輪環(huán)與圓環(huán)支架不結(jié)合到一起，使輪環(huán)能在圓環(huán)支架內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)起減少摩擦力的作用。整個(gè)無(wú)軸水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀猶如一個(gè)軸承的內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)面上安裝有輪葉一樣。將無(wú)軸水輪機(jī)上的動(dòng)力輸出輪用傳動(dòng)裝置與其它做功機(jī)械如發(fā)電機(jī)或流體(氣體或液體)壓縮機(jī)聯(lián)接即可帶動(dòng)做功機(jī)械工作。它既可以應(yīng)用于江河中，利用江河水流作為動(dòng)力來(lái)做功，也可安裝在海洋中，利用海洋中的波浪能、潮汐能或海流能作為動(dòng)力來(lái)做功。
如果與無(wú)軸水輪機(jī)的傳動(dòng)裝置聯(lián)接的是電動(dòng)機(jī)，在外護(hù)殼上連接水管，由電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，利用反傳動(dòng)原理，無(wú)軸水輪機(jī)就成為了無(wú)軸水泵，即可以作為輸水機(jī)械。
下面提供無(wú)軸水輪機(jī)的幾種使用方法一.在江河或海洋水底制作用于安裝機(jī)架的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上安裝立柱，立柱之間用橫梁連接形成一個(gè)機(jī)架，將無(wú)軸水輪機(jī)安裝在機(jī)架之間，在機(jī)架上部安裝一個(gè)設(shè)備平臺(tái)，將變速、調(diào)速機(jī)構(gòu)和做功機(jī)械如發(fā)電機(jī)或壓縮機(jī)安裝在設(shè)備平臺(tái)上，用傳動(dòng)裝置將無(wú)軸水輪機(jī)上動(dòng)力輸出輪與變速裝置聯(lián)接，變速裝置與發(fā)電機(jī)聯(lián)接，當(dāng)水流撞擊無(wú)軸水輪機(jī)上的輪葉時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)輪環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，輪環(huán)外環(huán)面上的動(dòng)力輸出輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)即將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置傳遞到變速機(jī)構(gòu)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這樣即組成一臺(tái)完整的無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組。
二.在機(jī)架上同時(shí)安裝多臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)，即可以豎向排列，也可以橫向排列，或成點(diǎn)陣式排列，其動(dòng)力傳遞裝置可以垂直傳遞，也可以橫向傳遞或組合傳遞。這種形式的無(wú)軸水輪機(jī)適宜于江河水流方向較固定的地方，或者是大陸與海島或海島與海島之間水流往復(fù)運(yùn)行的地方。單層或橫向多臺(tái)組合的無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組也適宜于海岸沿線安裝使用。
三.在水底的基礎(chǔ)上安裝一條立柱，立柱外套裝一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)筒，在轉(zhuǎn)筒外安裝機(jī)架，在機(jī)架上再安裝無(wú)軸水輪機(jī)，在立柱的上部安裝設(shè)備平臺(tái)，通過(guò)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將無(wú)軸水輪機(jī)所獲得的動(dòng)力傳遞到做功機(jī)械如發(fā)電機(jī)。這種無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組適宜海水較深、而海流方向相對(duì)不固定的的區(qū)域。
四.在海洋底面制作基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上安裝立柱，立柱上安裝一條可以橫向活動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)擺動(dòng)機(jī)架，擺動(dòng)機(jī)架可以繞轉(zhuǎn)軸活動(dòng)，在機(jī)架上靠近轉(zhuǎn)軸的位置安裝無(wú)軸水輪機(jī)，將變速機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)與無(wú)軸水輪機(jī)安裝在一起，在軸梁的遠(yuǎn)處安裝一個(gè)浮體，浮體的浮力大于機(jī)架與無(wú)軸水輪機(jī)的重量，當(dāng)海浪起伏或海潮漲落時(shí)，浮體就會(huì)帶動(dòng)無(wú)軸水輪機(jī)做上下運(yùn)動(dòng)，無(wú)軸水輪機(jī)上、下的水體流經(jīng)輪葉時(shí)就會(huì)帶動(dòng)輪葉轉(zhuǎn)動(dòng)，與無(wú)軸水輪機(jī)安裝在一起的發(fā)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電。這種形式的無(wú)軸水輪機(jī)組適宜于海流方向不固定，海浪較大，水位高低變化頻繁的海洋區(qū)域使用。
在上述幾處使用方法中，為適應(yīng)安裝在海洋中無(wú)軸水輪機(jī)所獲得的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不停地變化的特性，在其動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)中應(yīng)安裝換向器，換向器最好安裝在變速裝置的前面，使變速裝置輸出的轉(zhuǎn)向一致，而使發(fā)電發(fā)出的電能極性一致。
五.為了適應(yīng)海洋潮汐引起的海水位變化，在立柱外的套筒上安裝浮體，使機(jī)架和無(wú)軸水輪機(jī)能夠隨海水位變化而起落，可以使水輪機(jī)基本處于一個(gè)較恒定的水位中，獲得的能量也較均恒。
六.將無(wú)軸水輪機(jī)安裝在江河水壩上的任何位置，如專用的水輪機(jī)安裝口、水壩排水口、泄洪口、沖沙孔，甚至大型水壩船閘的充排水口，充分利用水庫(kù)的余水做功。安裝方式可以采取閘口形式或漏斗形式。當(dāng)采用閘口形式安裝時(shí)，在無(wú)軸水輪機(jī)的圓環(huán)支架外加裝一閘楔，在水壩口上開鑿一閘槽，將閘楔連同無(wú)軸水輪機(jī)放入水壩的閘口內(nèi)，從無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪上引出一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)至變速裝置，變速裝置與發(fā)電機(jī)聯(lián)接。水流通過(guò)無(wú)軸水輪機(jī)時(shí)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)、變速裝置后，即可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
七.無(wú)軸水輪機(jī)也可以采用漏斗式安裝在水壩上制作一個(gè)水槽，在水槽的底部開設(shè)一泄水洞，無(wú)軸水輪機(jī)安裝在泄水洞口部，水流從無(wú)軸水輪機(jī)上部下泄時(shí)沖擊輪葉，帶動(dòng)輪環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)安裝在水槽上面平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)工作。
八.在江河岸邊制作一個(gè)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上安裝立柱，在立柱的外面套裝一套筒，套筒的下部安裝無(wú)軸水輪機(jī)的機(jī)架，機(jī)架上安裝無(wú)軸水輪機(jī)，套筒上部固定一拉繩與機(jī)架的遠(yuǎn)端拉結(jié)，對(duì)機(jī)架起懸吊承重作用，機(jī)架的后面安裝一個(gè)伸縮式支撐裝置(也可以在江河上游安裝拉繩代替支撐裝置)，機(jī)架上無(wú)軸水輪機(jī)上安裝變速裝置和發(fā)電機(jī)。如果機(jī)架上安裝有多臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)時(shí)，可將其動(dòng)力輸出輪上引出的傳動(dòng)軸用一條通軸聯(lián)接起來(lái)，集中帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作。這樣，在江河水位正常時(shí)可獲得江河水流的能量，又可以在洪水時(shí)將無(wú)軸水輪機(jī)收攏到岸邊，不影響江河防洪要求，同時(shí)又不需要修建水壩。
上述無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組既可以單個(gè)安裝在一個(gè)地方，也可以多臺(tái)安裝在同一地方形成一個(gè)無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組群，發(fā)揮較大的功能。在其發(fā)電機(jī)安裝的位置也可以安裝流體(氣體或液體)壓縮機(jī)，流體壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮流體再通過(guò)輸送管輸送到儲(chǔ)能器儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)后再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。或者將發(fā)電機(jī)直接安裝在與無(wú)軸水輪機(jī)動(dòng)力輸出輪靠近的位置，但這樣對(duì)發(fā)電機(jī)等設(shè)備的防水密封要求較高。
本發(fā)明還提供一種用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力的自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置。因江河或海水的運(yùn)動(dòng)具有不恒定的現(xiàn)象，在現(xiàn)有的水力發(fā)電系統(tǒng)中，是由一個(gè)剎車制動(dòng)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)的，使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在額定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以保證電源的頻率在規(guī)定值，這種調(diào)速裝置除需消耗一定的能量外，其技術(shù)要求和維修頻率也較高，同時(shí)也不完全適用于水流速度、力度變化范圍大而且變化頻繁的水能動(dòng)力裝置。本發(fā)明提供的自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置是在變速器的輸出軸上固定一個(gè)卡盤，卡盤通過(guò)活動(dòng)銷連接一組甩桿，甩桿末端固定甩球，甩桿中部通過(guò)活動(dòng)銷連接拉桿，拉桿連接一個(gè)滑動(dòng)盤，滑動(dòng)盤連接一個(gè)可沿變速裝置軸做縱向滑動(dòng)的長(zhǎng)輪，長(zhǎng)輪外圍繞有二個(gè)或更多的接觸傳動(dòng)齒輪，接觸傳動(dòng)齒輪分別與發(fā)電機(jī)連接。這個(gè)裝置可以根據(jù)無(wú)軸水輪機(jī)獲得的動(dòng)力大小和變速裝置輸出的轉(zhuǎn)速自動(dòng)改變所帶動(dòng)的做功機(jī)械的數(shù)量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)軸水輪機(jī)改變了傳統(tǒng)水輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，使水輪機(jī)輪葉的受力更合理，使用壽命延長(zhǎng)且維修頻率減少，降低了垃圾對(duì)水輪機(jī)的影響程度，改善了水輪機(jī)的工作狀態(tài)，擴(kuò)大了水輪機(jī)的適用范圍，大大增加了水能的開發(fā)利用率，特別是其適用于海洋中使用的特點(diǎn)，解決了海洋能利用的許多技術(shù)問(wèn)題，極大地有利于海洋的開發(fā)利用。
下面對(duì)照附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明無(wú)軸水輪機(jī)的的立體局部剝開示意圖；圖2是本發(fā)明無(wú)軸水輪機(jī)的外表面的三視圖；圖3是圖1(A-A)的斷面示意圖；圖4是圖3的多種形式示意圖；圖5是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例江河海洋通用無(wú)軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的示意圖；圖6是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例另一種江河海洋通用無(wú)軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的示意圖；圖7是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例海洋專用型無(wú)軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的示意圖；圖8是本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例另一種海洋專用型無(wú)軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的示意圖；
圖9是本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例江河有壩型無(wú)軸水輪機(jī)的安裝示意圖；圖10是本發(fā)明第六個(gè)實(shí)施例另一種江河有壩型無(wú)軸水輪機(jī)的安裝示意圖；圖11是本發(fā)明第七個(gè)實(shí)施例江河無(wú)壩型無(wú)軸水輪機(jī)的安裝示意圖；圖12是本發(fā)明的自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置的示意圖；圖13所示是可升降變位的傳動(dòng)裝置的構(gòu)造示意圖；圖14是本發(fā)明無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉的多種形式示意圖；圖15是無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉與輪環(huán)的夾角大小與功能關(guān)系示意圖。
附圖標(biāo)號(hào)1.輪葉，2.輪環(huán)，3.動(dòng)力輸出輪，4.軸承，5.限位環(huán)，6.圓環(huán)支架，7.外護(hù)殼，8.清淤孔，9.傳動(dòng)窩，10.基礎(chǔ)，100.傳動(dòng)軸，101.傳動(dòng)輪A，102.傳動(dòng)輪B，104.傳動(dòng)組合，12.立柱，121.套筒，122.清纏槽，123.扁擔(dān)梁，13.支架橫梁，14.變速裝置，141.變速后軸，142.變速前輪，145.變速器、發(fā)電機(jī)總成，15.發(fā)電機(jī)，20.設(shè)備平臺(tái)，21.舵板，22.圓盤狀雙面齒輪，32.套輪組合，80.擺動(dòng)機(jī)架，81.軸梁，82.浮體，90.水壩，91.閘楔，92閘槽，93.水槽，94.泄水洞，95.泄水槽，111.伸縮式支撐裝置，51.固定卡盤，52.活動(dòng)銷，53.甩桿，54.甩球，55.拉桿，56.滑動(dòng)盤，57.滑動(dòng)長(zhǎng)輪，58.接觸傳動(dòng)齒輪，α.輪葉與輪環(huán)平面的夾角，β.輪葉的拖曳角，L.輪葉的拖曳線，a、b、c、d輪葉的邊線，902.卡盤軸承，903.卡盤環(huán)，904.花軸凸，905.卡盤槽。
具體實(shí)施方案在圖1、圖2、圖3和圖4所示實(shí)施例中，在一個(gè)圓形輪環(huán)(2)的內(nèi)環(huán)面固定有若干片輪葉(1)，輪葉(1)的頭部呈向心狀態(tài)朝向輪環(huán)(2)的圓心但互不接觸，中心部位亦沒(méi)有葉輪軸，輪葉(1)根部(c)的寬度大于頭部(d)的寬度，根部的厚度也大于頭部的厚度，輪葉的面積和長(zhǎng)度需根據(jù)水輪機(jī)的大小和輪葉的制作材料確定。輪葉(1)的平面與輪環(huán)(2)的環(huán)平面有一個(gè)夾角(α)，最佳角度在45度左右，可根據(jù)無(wú)軸水輪機(jī)安裝使用的位置和水流大小做適當(dāng)選擇，水流速度較快、沖擊力度較大地方使用的無(wú)軸水輪機(jī)的(α)值應(yīng)適當(dāng)增大，但不應(yīng)大于60度，水流速度小、特別是如海洋中水流呈往復(fù)狀態(tài)運(yùn)行的地點(diǎn)，其(α)值宜小，但不應(yīng)小于30度。輪環(huán)(2)的外圓面固定有整圈的限位環(huán)(5)和動(dòng)力輸出輪(3)，當(dāng)輪環(huán)(2)運(yùn)動(dòng)時(shí)，限位環(huán)(5)和動(dòng)力輸出輪(3)會(huì)同時(shí)運(yùn)動(dòng)；限位環(huán)(5)的斷面的形狀可選擇雙凹、雙凸、單凹、單凸、或偏凸等多種形狀；動(dòng)力輸出輪(3)宜采用齒輪傳動(dòng)，但也可以采用接觸磨擦的傳動(dòng)方式。限位環(huán)(5)的外面圍繞是一圈軸承(4)，軸承(4)外圍是圓環(huán)支架(6)，也可以是方形支架，或?qū)⑤S承(4)直接固定到一個(gè)機(jī)架上。軸承的形式可以是圓球形、圓柱形，軸承的支座與外周的圓環(huán)支架(6)組合在一起，對(duì)限位環(huán)(5)和輪環(huán)(2)起支撐和限位作用，其數(shù)量根據(jù)水輪機(jī)大小確定，但不少于3組。圓環(huán)支架(6)的內(nèi)圓面用于固定軸承(4)，外圓面用于固定水輪機(jī)外護(hù)殼(7)，同時(shí)用于與安裝機(jī)架相連結(jié)；圓環(huán)支架也可以直接置放于水壩閘槽一類的固定的安裝位置內(nèi)，其形狀可以是一個(gè)整體的圓柱狀，也可加工成有一些空腔形狀，以減輕其重量。外護(hù)殼(7)與圓環(huán)支架(6)結(jié)合在一起，對(duì)輪環(huán)(2)的外圓面、限位環(huán)(3)、軸承(4)和圓環(huán)支架(6)起包圍防污作用。如果無(wú)軸水輪機(jī)安裝在機(jī)架內(nèi)或水壩等固定結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)，外護(hù)殼(7)應(yīng)與機(jī)架或水壩等固定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系到一起，起保護(hù)防污作用。外護(hù)殼(7)與輪環(huán)(2)的間隙之間可選擇適當(dāng)?shù)姆绞阶龌顒?dòng)式密封，以減少污物進(jìn)入相互之間形成的空腔內(nèi)，對(duì)軸承(4)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，影響到整個(gè)系統(tǒng)的功能效果。對(duì)于水體含泥沙量大的地方使用的無(wú)軸水輪機(jī)，可以在其外殼(7)的上方設(shè)置若干個(gè)沖水口，下方設(shè)置排泥口，每隔一個(gè)時(shí)間進(jìn)行注水沖洗護(hù)殼的內(nèi)部，防止泥沙影響軸承的運(yùn)動(dòng)。外護(hù)殼(7)上的傳動(dòng)窩(9)用于動(dòng)力輸出輪(3)與外部傳動(dòng)裝置聯(lián)接的位置，其方向和部位不受限制，只要與動(dòng)力輸出輪(3)相對(duì)應(yīng)即可。
這種無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉(1)呈三角形或梯形狀，中間互不連接(當(dāng)在江河中使用時(shí)，如果在上游安裝攔污柵時(shí)，輪葉的頭部也可以相互連接一起，以增加輪葉的工作強(qiáng)度)，每片葉面之間有均勻的間隔，其相對(duì)于輪環(huán)(2)的平面是一個(gè)斜面，朝向上下游方向的邊是圓弧形光滑的純邊，它可以減少輪葉運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)海洋生物的碰傷力，也可以在垃圾纏繞物接觸到輪葉時(shí)，在水流的作用下，纏繞物就會(huì)自動(dòng)向輪葉中心部位漂移，從輪葉之間的間隔或輪葉頂端通過(guò)而不會(huì)纏繞到輪葉上。如遇到塊狀垃圾，只要是小于輪葉之間間隔的，都可以自動(dòng)通過(guò)而不阻礙水流的通過(guò)。當(dāng)遇到的垃圾的體積大于輪葉間隔時(shí)，如果是安裝在海洋中的，則會(huì)在水流變換時(shí)自動(dòng)沖走。如果是安裝在江河中時(shí)，則需在水輪機(jī)的上游安裝一個(gè)網(wǎng)孔較粗的格柵即可。
外護(hù)殼(7)和圓環(huán)支架(6)既可以分開制造，也可以是一個(gè)整體。
圖2是無(wú)軸水輪機(jī)帶外護(hù)殼(7)時(shí)的三視圖，外護(hù)殼的外形的投影可以是帶楞邊的方形，也可以是圓弧形。
圖3是圖1中A-A斷面的剖視圖，具體表現(xiàn)了無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉(1)與輪環(huán)(2)的相互位置關(guān)系，輪葉上的線條是為了表現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的輪廓，實(shí)際上應(yīng)盡量加工成光滑的、帶圓弧的純邊，以盡量減少與纏繞物一類垃圾的磨擦。其夾角(α)代表輪葉(1)的根部安裝線與輪環(huán)(2)的圓平面所形成的夾角，其角度在30至60之間(在本說(shuō)明書后面有詳細(xì)分析)。
圖4是無(wú)軸水輪機(jī)的輪環(huán)(2)、限位環(huán)(5)、軸承(4)、動(dòng)力輸出輪(3)、圓環(huán)支架(6)、外護(hù)殼(7)的多種關(guān)系示意圖，它們之間的一些關(guān)系和結(jié)構(gòu)形狀也是可以互相替換的。圖中4-1、4-2、4-3、4-4的結(jié)構(gòu)形式通用于水流方向固定或不固定的位置選用，4-5、4-6的結(jié)構(gòu)形式適合有固定水流的方向使用，4-6最適合于底泄式或漏斗式無(wú)軸水輪機(jī)上使用。
在圖5所示實(shí)施例中，在江河或海洋水底制作基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)上安裝立柱(12)，立柱之間用橫梁(13)聯(lián)結(jié)，立柱(12)的上部安裝一個(gè)設(shè)備平臺(tái)(20)，用于安裝變速裝置(14)和發(fā)電機(jī)(15)等設(shè)備，將一臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)安裝在由立柱(12)和橫梁(13)組成的機(jī)架之間，通過(guò)一個(gè)由傳動(dòng)軸(100)和傳動(dòng)輪A(101)、傳動(dòng)輪B(102)組成的傳動(dòng)裝置連接無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪(3)和變速裝置(14)的變速前輪(142)聯(lián)接，變速裝置(14)通過(guò)變速后軸(141)與發(fā)電機(jī)(15)聯(lián)接。這樣，當(dāng)水體中的無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉(1)受到水流撞擊時(shí)，輪葉(1)即受到一個(gè)壓力，這個(gè)壓力分解成一個(gè)與水流方向平行的推力和垂直方向的推力，橫向的推力推動(dòng)輪葉(1)帶動(dòng)輪環(huán)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在輪環(huán)(2)外圓面的動(dòng)力輸出輪(3)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，與動(dòng)力輸出輪(3)相聯(lián)接的傳動(dòng)輪A(101)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)軸(100)傳遞到傳動(dòng)輪B(102)，傳動(dòng)輪B(102)與變速前輪(142)聯(lián)接帶動(dòng)變速裝置(14)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)速度調(diào)整后，將動(dòng)力傳遞到發(fā)電機(jī)(15)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，這樣即形成一臺(tái)無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組。這種無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組適宜在江河中有一定水流方向的地方使用。當(dāng)將這種無(wú)軸水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組安裝到海洋中時(shí)，因?yàn)槠渌鞣较虿灰恢拢喨~(1)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也正反轉(zhuǎn)地變化不定，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向都會(huì)不停地變化，會(huì)降低運(yùn)行效率，因此應(yīng)在傳動(dòng)系統(tǒng)中(變速裝置前)安裝一個(gè)換向器(見國(guó)家專利局公開的本發(fā)明人的發(fā)明專利申請(qǐng)200410085463.9中換向器)，將兩個(gè)不同運(yùn)轉(zhuǎn)的方向變換成統(tǒng)一的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。
由于這種方式安裝的無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)的立柱(12)兩側(cè)都有水流通過(guò)，可能纏繞上一些垃圾，為解決這個(gè)問(wèn)題，在立柱(12)上加工一條清纏槽(122)，當(dāng)運(yùn)行中發(fā)生垃圾纏繞時(shí)，可以用鉤形工具沿清纏槽(122)上下鉤撈清除纏繞物。
在圖6所示實(shí)施例中，將二臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)安裝在同一個(gè)機(jī)架上，上面一臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力從垂直方向輸出，與設(shè)備的聯(lián)接方式與圖5所示相同，下面一個(gè)的動(dòng)力先以橫向傳動(dòng)，再通過(guò)一個(gè)傘形齒輪組(104)轉(zhuǎn)換方向后向上輸出，它的動(dòng)力可以單獨(dú)輸出到一套變速裝置(14)后再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(15)工作，也可以與上面的無(wú)軸水輪機(jī)共同帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，但必須使上、下兩臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，才能最大地發(fā)揮共同的作用，否則就會(huì)產(chǎn)生相反的效果。根據(jù)這種安裝方式，也可以在同一機(jī)架上安裝多套無(wú)軸水輪機(jī)，形成一個(gè)大的水輪機(jī)組合，這種方式適宜使用在江河中、或者海洋中海流有明顯方向的地方。如果在有往復(fù)水流的地方選擇在同一機(jī)架上安裝多臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)，而又讓多臺(tái)水輪機(jī)共同帶動(dòng)一套變速裝置和發(fā)電機(jī)時(shí)，則應(yīng)分別在每臺(tái)水輪機(jī)的傳動(dòng)裝置中安裝換向器，但不應(yīng)將換向器安裝在變速裝置后面。
為了適應(yīng)海洋水位的變化，可以在立柱(12)的外面套裝套筒，套筒上部安裝浮體，再用橫梁(13)將套筒聯(lián)結(jié)起來(lái)形成一個(gè)可浮動(dòng)的機(jī)架，在機(jī)架中間安裝無(wú)軸水輪機(jī)，浮體的浮力應(yīng)大于機(jī)架和無(wú)軸水輪機(jī)的重量。當(dāng)海洋水位變化時(shí)，浮體就可使整個(gè)機(jī)架隨水位而變化，使無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力部分基本保持一個(gè)較恒定的淹沒(méi)深度。這時(shí)，由于整個(gè)機(jī)架的高低在浮體的作用下上、下變化，如果立柱(12)上的平臺(tái)(20)是固定的，則無(wú)軸水輪機(jī)與變速裝置(14)之間的距離也會(huì)隨之而變化，使傳動(dòng)輪A(101)或傳動(dòng)輪B(102)與變速裝置(14)的輸入輪(142)難以對(duì)合，這時(shí)，就需要在傳動(dòng)軸(100)的上端加工成傳動(dòng)花軸(1000)，在平臺(tái)(20)上安裝一個(gè)卡盤與花心輪組合的傳動(dòng)裝置(在后面內(nèi)容中有詳細(xì)介紹，見圖14所示)，以保證不管機(jī)架的高低如何改變，但傳動(dòng)軸(100)傳輸?shù)膭?dòng)力始終能夠傳遞給變速裝置(14)。
在圖7所示實(shí)施例中，在海洋底部制作基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)上安裝一條立柱(12)，在立柱外套裝一套筒(121)，套筒上、下安裝扁擔(dān)梁(123)，在扁擔(dān)梁兩端各安裝一臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)，無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪(3)各自通過(guò)橫向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)輪A(101)、傳動(dòng)軸(100)、傳動(dòng)組合(104)后，一臺(tái)經(jīng)圓盤狀雙面齒輪(22)后，將動(dòng)力傳遞到平臺(tái)(20)上面的傳動(dòng)輪B(102)；另一臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力傳遞到一個(gè)套輪組合(32)，再傳遞到平臺(tái)(20)上面另一傳動(dòng)輪B(102)，傳動(dòng)輪(102)再與變速裝置或其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)接。圓盤狀雙面齒輪(22)與套輪組合(32)與立柱(12)的關(guān)系猶如鬧鐘的時(shí)針軸與分針軸、秒針軸的關(guān)系，相互重疊但又能各自分別轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生干擾(見圖7-4及其說(shuō)明)。
這種無(wú)軸水輪機(jī)可以在套筒(121)上安裝浮體，使整個(gè)水輪機(jī)可以隨海水位的變化而升降變化，只要在平臺(tái)(20)上的每一條傳動(dòng)軸(100)上安裝一套圖13所示的裝置即可。
圖7-2是圖7-1的俯視圖，它表示出2臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)與扁擔(dān)梁(123)、立柱(12)的位置關(guān)系。
圖7-3是在圖7-2的基礎(chǔ)上增加了一片舵板(21)，它相似于現(xiàn)在人們利用風(fēng)能發(fā)電的風(fēng)車上的偏航器，安裝在2臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)的中間位置的上、下扁擔(dān)梁(123)的中部與立柱(20)對(duì)應(yīng)的位置上，面積小時(shí)對(duì)無(wú)軸水輪機(jī)起平衡作用，面積較大時(shí)，在受到海水撞擊時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)無(wú)軸水輪機(jī)擺動(dòng)，使輪葉(1)獲得動(dòng)力而轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖7-4是圖7所示實(shí)施例中的圓盤狀雙面齒輪(22)、套輪組合(32)、立柱(12)的關(guān)系示意圖，立柱(12)相似于鬧鐘的秒針軸，套輪組合(32)的套筒相似于鬧鐘的分針軸，圓盤狀雙面齒輪(22)相似于鬧鐘的時(shí)針軸，它們之間用軸承分隔以減少磨擦且互不干擾。
在圖8所示實(shí)施例中，在海洋底部制作基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)可以是單個(gè)的，也可以由二個(gè)組成，在基礎(chǔ)(10)上安裝立柱(12)，立柱上端安裝一條可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸梁(81)，軸梁上安裝一個(gè)擺動(dòng)機(jī)架(80)，擺動(dòng)機(jī)架的近軸梁的位置安裝一臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)，遠(yuǎn)軸端安裝一個(gè)浮體(82)，浮體的浮力大于活動(dòng)機(jī)架(80)與無(wú)軸水輪機(jī)的總重量，浮體(82)本身的重量也適宜大于活動(dòng)機(jī)架加無(wú)軸水輪機(jī)的總重量，當(dāng)海水運(yùn)動(dòng)或海潮漲落時(shí)，整個(gè)活動(dòng)機(jī)架和無(wú)軸水輪機(jī)就會(huì)在海水中上下活動(dòng)，無(wú)軸水輪機(jī)上下面的海水就會(huì)不停地通過(guò)輪環(huán)(2)，撞擊輪葉(1)，使無(wú)軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而做功。由于整個(gè)機(jī)架在不停地運(yùn)動(dòng)，其位置不停地變化，給動(dòng)力的傳遞帶來(lái)不方便，所以，將變速裝置、換向機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)組成一個(gè)變速器、發(fā)電機(jī)總成(145)安裝在機(jī)架上面隨機(jī)架活動(dòng)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)沿?cái)[動(dòng)機(jī)架(80)、立柱(12)敷設(shè)的電纜引至陸地即可。采用這種無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組成時(shí)，其浮體(80)可以是圓球形的，也可以是圓柱形的。浮體的活動(dòng)范圍應(yīng)在最高水位與最低水位之間，而軸梁(81)的安裝高度最好能高于最低水位，使無(wú)軸水輪機(jī)獲得的能量最大。且變速器、發(fā)電機(jī)(145)要密封嚴(yán)密，同時(shí)不能用油類物質(zhì)做潤(rùn)滑劑，以免污染海水。
在圖9所示實(shí)施例中，是將無(wú)軸水輪機(jī)安裝在一個(gè)水壩(90)結(jié)構(gòu)上，先在水壩的水口制作閘槽(92)，在無(wú)軸水輪機(jī)的圓環(huán)支架上安裝閘楔(91)，然后將無(wú)軸水輪機(jī)的閘楔(91)放置到閘槽(92)內(nèi)，用傳動(dòng)裝置將無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪(3)的動(dòng)力引向水壩(90)上面，即可根據(jù)需要再連接變速器和發(fā)電機(jī)等設(shè)備。本實(shí)施例中水壩(90)上的閘槽(92)和無(wú)軸水輪機(jī)上的閘楔(91)的關(guān)系是可以互換的。
在圖10所示實(shí)施例中，是將無(wú)軸水輪機(jī)以底泄的方式安裝在一個(gè)水壩的水槽內(nèi)。在水壩修建一條水槽(93)，在水槽底部開底泄孔(94)(這是現(xiàn)有水輪機(jī)的常用安裝方式)，在水槽(93)上口安裝一個(gè)設(shè)備平臺(tái)(20)，平臺(tái)上安裝變速裝置及發(fā)電機(jī)等設(shè)備，用傳動(dòng)裝置將無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪與設(shè)備聯(lián)接，當(dāng)水流經(jīng)水槽(93)通過(guò)無(wú)軸水輪機(jī)下泄時(shí)，即可將動(dòng)力傳遞到發(fā)電機(jī)而發(fā)電。其工作原理同現(xiàn)有水輪機(jī)工作的工作原理相同，只是現(xiàn)有的水輪機(jī)的傳動(dòng)軸位于水輪機(jī)輪葉中部，而無(wú)軸水輪機(jī)是通過(guò)不結(jié)合在一起的傳動(dòng)軸從側(cè)邊將動(dòng)力傳遞到發(fā)電機(jī)，但其維修比現(xiàn)有的水輪機(jī)更方便，使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。
無(wú)軸水輪機(jī)也可以安裝在泄水洞(94)的下部，水流從水槽(93)進(jìn)入后即墜即入泄水洞(94)，再?gòu)男顾?95)排出，也可達(dá)到相同效果，但無(wú)軸水輪機(jī)的安裝和維修難度較大。
在圖11所示的實(shí)施例中，在江河的岸邊水底修建一個(gè)基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)上安裝一立柱(12)，立柱外套裝一可以轉(zhuǎn)動(dòng)的套筒(121)，在套筒的一側(cè)安裝延伸出上、下扁擔(dān)梁(123)組成一個(gè)機(jī)架，在扁擔(dān)梁之間安裝無(wú)軸水輪機(jī)，從套筒(121)上端至扁擔(dān)梁(123)的遠(yuǎn)端引出一條拉桿(或拉繩)(124)，用于支承機(jī)架和水輪機(jī)的重量，在機(jī)架后面(河流的下游)與立柱(12)同一側(cè)的河堤上安裝一套伸縮式支撐裝置(111)，組成一套可伸縮的河道式無(wú)軸水輪機(jī)，機(jī)架在拉桿(124)和可伸縮支撐裝置(111)的作用下可以做水平運(yùn)動(dòng)。在正常情況下，由伸縮式支撐裝置(111)將河道式無(wú)軸水輪機(jī)撐向河道中，利用河流水力做功，在洪水到來(lái)前，調(diào)整伸縮式支撐裝置(111)，將水輪機(jī)收縮到岸邊，就不會(huì)影響到江河的行洪排洪功能?？缮炜s支撐裝置(111)也可用在河道上游安裝拉繩的辦法代替。
機(jī)架上安裝的無(wú)軸水輪機(jī)的數(shù)量可以視河道的寬度和深度選擇，當(dāng)機(jī)架上同時(shí)安裝多臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)時(shí)，可以各自配套自己的變速、發(fā)電設(shè)備，也可以用一條通軸將各臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力集中起來(lái)，再通過(guò)變速裝置后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
圖12所示是一種自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置，主要適用于獲得的動(dòng)力或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的機(jī)械裝置中，如本發(fā)明的無(wú)軸水輪機(jī)，或是現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)械上。即在變速器(14)的變速后軸(141)上固定一個(gè)卡盤(51)，固定卡盤通過(guò)活動(dòng)銷(52)連接一組甩桿(53)，甩桿末端固定甩球(54)，甩桿(53)中部通過(guò)活動(dòng)銷連接拉桿(55)，拉桿連接一個(gè)滑動(dòng)盤(56)，滑動(dòng)盤連接一個(gè)滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)，滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)與滑動(dòng)盤(56)可以沿變速后軸(141)靈活縱向滑動(dòng)，但在軸銷(59)的限制下不能橫向轉(zhuǎn)動(dòng)。在滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)的外圍圍有二個(gè)以上接觸傳動(dòng)齒輪(58)，接觸傳動(dòng)齒輪(58)分別與發(fā)電機(jī)或其它做功機(jī)械連接，滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)的長(zhǎng)度根據(jù)水輪機(jī)所能獲得的能量大小和外圍的接觸傳動(dòng)齒輪(58)的數(shù)量所決定，而接觸傳動(dòng)齒輪的數(shù)量由選擇的做功機(jī)械的功率大小決定。其工作原理是當(dāng)水輪機(jī)獲得的速度和力度較小時(shí)，變速裝置(14)通過(guò)變速后軸(141)輸出的速度就慢，甩球(54)獲得的離心力小，滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)只接觸到一個(gè)接觸傳動(dòng)齒輪(58)，只帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作。當(dāng)變速裝置輸出的速度較快時(shí)，甩球(54)獲得的離心力就大，向外甩動(dòng)時(shí)由甩桿(53)拉動(dòng)拉桿(55)的同時(shí)拉動(dòng)滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)滑動(dòng)，就可接觸到多個(gè)接觸傳動(dòng)齒輪(58)，就會(huì)帶動(dòng)多臺(tái)(2臺(tái)或更多)發(fā)電機(jī)工作。這樣，就減少了水輪機(jī)在獲得的能量過(guò)大時(shí)通過(guò)傳統(tǒng)的制動(dòng)方法調(diào)速時(shí)所消耗的能量，同時(shí)也降低了設(shè)備制造的技術(shù)難度。
以上所述的自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置是在變速器(14)處于垂直狀態(tài)，其變速后軸(141)處于向下的狀態(tài)工作的，當(dāng)變速后軸處于橫向狀態(tài)時(shí)，應(yīng)在甩桿(53)之間設(shè)置拉力彈簧，以約束甩球(54)和甩桿(53)工作狀態(tài)。
該自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置同樣適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)械的調(diào)速系統(tǒng)。
圖13所示是可變位傳動(dòng)裝置的構(gòu)造示意圖，在設(shè)備平臺(tái)(20)上固定一個(gè)軸承卡盤(903)，軸承卡盤中卡定一個(gè)花心輪(1022)，花心輪在軸承(902)的限位下可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)而不能上下活動(dòng)，花心輪(1022)中間制作有若干條卡槽(905)，花心輪的外圍同樣有傳遞動(dòng)力的齒輪或是皮帶輪，起傳動(dòng)輪B(102)的作用，在傳動(dòng)軸(100)的上部加工有與花心輪(1022)上卡槽(905)數(shù)量相同的軸凸(904)的花軸(1000)，花軸(1000)可以在花心輪(1022)中上下活動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則會(huì)帶動(dòng)花心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，當(dāng)海水位變化帶動(dòng)水輪機(jī)機(jī)架及傳動(dòng)軸(100)上下活動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)花軸(1000)就會(huì)在花心輪中上下自由活動(dòng)且同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，始終會(huì)將動(dòng)力傳遞到花心輪(1022)，再傳遞到變速裝置(14)。
圖14是輪葉(14)的多種外形形式，其中14-1是一種通用型輪葉，它的葉頭d邊朝向輪環(huán)圓心部位且小于葉根c邊，c邊是與輪環(huán)(2)連接的邊，而a、b兩側(cè)邊相等，它適合作為各種無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉。14-2是適宜作為在江河中使用的單向水流的無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉，其d邊朝向輪環(huán)(2)圓心部位且小于葉根c邊，c邊是與輪環(huán)(2)連接的邊，兩側(cè)邊的a邊長(zhǎng)于b邊，a邊朝向上游方向。14-3同樣適宜于作為在江河中使用的單向水流的無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉，a、b兩邊可以等長(zhǎng)，也可以不等長(zhǎng)，d邊朝向輪環(huán)圓心部位，c邊是與輪環(huán)(2)連接的邊，葉面成一個(gè)弧形，其內(nèi)弧面朝向水流上游。14-4是一種蝸葉形輪葉，葉面呈蝸葉形狀，c邊是與輪環(huán)(2)連接的邊，它適宜作為漏斗式或下泄式安裝的無(wú)軸水輪機(jī)的輪葉。
圖15是輪葉(1)與輪環(huán)(2)平面的夾角位置的分析示意圖。輪葉的運(yùn)動(dòng)受到兩大因素的影響，即輪葉前面(以某一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榍疤?受的推力與輪葉后方(同樣是以某一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榍疤?的阻力。
現(xiàn)假設(shè)水流從圖示方向流向無(wú)軸水輪機(jī)，輪葉與輪環(huán)的環(huán)平面的夾角為α，輪葉受到水流垂直于輪環(huán)平面的撞力為F，這個(gè)力將分解成一個(gè)輪葉反作用的力F1和與輪葉垂直的力F2，而F2又會(huì)分解成對(duì)輪環(huán)的垂直壓力F21和使輪環(huán)運(yùn)動(dòng)的推力F22，而做功所需的力是F22，這個(gè)力是越大越好，而F21是越小越好。為了獲得這個(gè)效果，就必須使輪葉與輪環(huán)的角度α增大，當(dāng)將角度α增大到90°時(shí)，F(xiàn)22就與輪環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的力完全平行，所獲得的力F22為最大值。但是，這時(shí)候水流對(duì)輪葉的作用力變?yōu)?值，則說(shuō)明過(guò)大地增加夾角α的值是不可行的。而當(dāng)輪葉處于水體中時(shí)，輪葉后方的水體對(duì)輪葉的阻力與角度α的關(guān)系是α值越小阻力越小。
再分析水力F與輪葉的作用力關(guān)系，為了獲得水力F對(duì)輪葉的最大撞擊力，輪葉與輪環(huán)的夾角是越小越好，當(dāng)這個(gè)角度為0時(shí)，輪葉所獲得的壓力達(dá)最大值。但是，這時(shí)力F22卻為0值，根本沒(méi)有使輪環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的力，這也不符合要求。因此，從理論上分析這個(gè)角度以0°至90°的中間值45°度為最合理。但實(shí)際上還不完全是這樣，當(dāng)水流力作用于輪葉時(shí)，它還有一個(gè)被輪葉反作用的分力F1，這個(gè)力被輪葉面反射后與分布在輪葉面的水體的力f仍然對(duì)輪葉產(chǎn)生一個(gè)撞擊力，但這個(gè)f力因其滯后性會(huì)小于分力F1的值，當(dāng)輪葉運(yùn)動(dòng)后，其運(yùn)動(dòng)速度越快，這個(gè)力就越小。同時(shí)力f還會(huì)受到垂直于輪環(huán)圓平面的水流力(即F)的作用，使其力向傾斜成f1，因而使分力F1的方向與f1之間形成一個(gè)夾角，這個(gè)夾角越接近直線，在輪葉上形成的合力越大。而要使這個(gè)力越大，只能調(diào)整輪葉(1)的角度，而f1的力向是不可依靠人力方法予以調(diào)整的，所以，從這個(gè)力的角度考慮，應(yīng)使輪葉與輪環(huán)的夾角越小越好。在圖表中用F1+f1合值表示能量的利用率，用F1+f1線表示。
另外，在輪葉受到水力作用運(yùn)動(dòng)時(shí)，在水流尾部即水流的下游還會(huì)產(chǎn)生一條拖曳線L，在拖曳線與輪葉線之間形成一個(gè)氣蝕范圍，拖曳線與輪葉線之間的夾角即拖曳角β，這個(gè)角度是消耗水力的一個(gè)重要因素，角度越大，消耗能量越大，且這個(gè)角度與輪葉與輪環(huán)之夾角的值成正比，因此，要減少β的值，就應(yīng)該減少輪葉與輪環(huán)的夾角α的值，以增加水能利用率。在圖表中用β反值表示能量的利用率，用-β線表示。
而輪葉后面的阻力在水流靜止時(shí)與前面的推力相抵等于0，當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，它是隨水流流動(dòng)的，一般情況可忽略不計(jì)。將其納入考慮范圍時(shí)，其阻力的大小與α成正比，α值越小，其阻力就越小，在圖表中用-f線表示。
水流力線用F線表示。
將上述各個(gè)力值以圖表分析可知，輪葉(1)與輪環(huán)(2)的夾角值在稍小于45°為最適合。但過(guò)小會(huì)增加無(wú)軸水輪機(jī)上各個(gè)部件的強(qiáng)度負(fù)擔(dān)，同時(shí)也對(duì)用于安裝無(wú)軸水輪機(jī)的機(jī)架的強(qiáng)度要求更高，增加設(shè)備成本和建造難度，反而會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益。
在上述各個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能可以單供電力機(jī)械直接使用，也可以通過(guò)充電器將電能儲(chǔ)存到蓄電池中，經(jīng)電源逆變裝置逆變、升壓后并入大電網(wǎng)，發(fā)揮更穩(wěn)定的供電效果。
如果在安裝發(fā)電機(jī)的位置安裝流體(氣體或液體)壓縮機(jī)，然后將經(jīng)壓縮的流體輸入到儲(chǔ)能器儲(chǔ)存，經(jīng)流體調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，帶動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)，再由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由儲(chǔ)能器、流體調(diào)節(jié)器代替蓄電池和電源逆變裝置，這樣發(fā)出的電能較穩(wěn)定，更利于向電網(wǎng)供電，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更好。
如果在上述無(wú)軸水輪機(jī)的實(shí)施例中的發(fā)電機(jī)位置以電動(dòng)機(jī)代替，反過(guò)來(lái)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)無(wú)軸水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，即成為一種無(wú)軸水泵，其排水功率較大，但因其轉(zhuǎn)速較而揚(yáng)程較低，適宜對(duì)水泵揚(yáng)程要求不高的地方使用，更適宜在水體內(nèi)雜質(zhì)較多的環(huán)境中使用(但必須做好外護(hù)殼與輪環(huán)之間的密封)。這種形式的無(wú)軸水泵也屬于本發(fā)明的范疇。
本發(fā)明的無(wú)軸水輪機(jī)中的各個(gè)部件不局限于說(shuō)明書中所述的幾種形式，只要是在葉輪的中心部位沒(méi)有機(jī)軸的水輪機(jī)，均屬于本發(fā)明的范疇。而凡利用本發(fā)明提供的無(wú)軸水輪機(jī)做為水能動(dòng)力機(jī)械，亦屬于無(wú)軸水輪機(jī)的使用范疇。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)軸水輪機(jī)，其特征是水輪機(jī)的中心部位沒(méi)有輪軸，輪葉(1)的根部固定在一個(gè)圓形的輪環(huán)(2)的內(nèi)圓面，輪葉(1)的頭部呈向心狀態(tài)朝向輪環(huán)(2)的圓心，輪葉(1)在輪環(huán)(2)上的安裝線與輪環(huán)(2)的環(huán)平面有一個(gè)夾角(α)，輪環(huán)(2)的外圓面有限位環(huán)(5)和動(dòng)力輸出輪(3)，限位環(huán)(3)與圓環(huán)支架(6)之間有軸承(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是將一臺(tái)或多臺(tái)無(wú)軸水輪機(jī)安裝在由水底基礎(chǔ)(10)、立柱(12)和橫梁(13)組成的機(jī)架上，立柱(12)的上部有設(shè)備平臺(tái)(20)，平臺(tái)(20)上有變速裝置(14)和發(fā)電機(jī)(15)，由傳動(dòng)軸(100)、傳動(dòng)輪A(101)、傳動(dòng)輪B(102)將無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪(3)與變速裝置(14)聯(lián)接，變速裝置(14)與發(fā)電機(jī)(15)聯(lián)接，組成一個(gè)無(wú)軸水輪發(fā)電機(jī)組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是無(wú)軸水輪機(jī)安裝在扁擔(dān)梁(123)的兩端，扁擔(dān)梁安裝在水底基礎(chǔ)(10)上的立柱(12)的外面的套筒(121)上，無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力輸出輪(3)通過(guò)傳動(dòng)軸(100)、傳動(dòng)輪A(101)、傳動(dòng)輪B(102)、套輪組合(32)、圓盤狀雙面齒輪(22)一系列中間傳動(dòng)裝置，與平臺(tái)(20)上的變速裝置(14)聯(lián)接，變速裝置與發(fā)電機(jī)(15)聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是在海洋底有基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)上有立柱(12)，立柱上有軸梁(81)，軸梁連接擺動(dòng)機(jī)架(80)，擺動(dòng)機(jī)架上有無(wú)軸水輪機(jī)和浮體(82)，變速器、發(fā)電機(jī)總成(145)安裝在擺動(dòng)機(jī)架(80)上與無(wú)軸水輪機(jī)接近的地方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是在水壩(90)上有閘槽(92)，無(wú)軸水輪機(jī)的外護(hù)殼(7)上有閘楔(91)，閘楔(91)安裝在閘槽(92)內(nèi)，無(wú)軸水輪機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)輪(102)輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是在江河的岸邊水底有基礎(chǔ)(10)，基礎(chǔ)上有立柱(12)，立柱外有套筒(121)，在套筒上有扁擔(dān)梁(123)組成的機(jī)架，在機(jī)架上有無(wú)軸水輪機(jī)，套筒(121)上端至扁擔(dān)梁(123)的遠(yuǎn)端有拉桿(124)，機(jī)架后面有伸縮式支撐裝置(111)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是在扁擔(dān)梁(123)的中部與立柱(20)對(duì)應(yīng)的位置裝有舵板(21)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的無(wú)軸水輪機(jī)的使用方法，其特征是在發(fā)電機(jī)(15)的位置安裝流體(氣體或液體)壓縮機(jī)代替發(fā)電機(jī)，由壓縮流體驅(qū)動(dòng)流體馬達(dá)，由流體馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。本特征同樣適用于第2、3、4項(xiàng)權(quán)利要求。
9.一種適用于權(quán)利要求1的自動(dòng)調(diào)速調(diào)能裝置，其特征是在變速器(14)的變速后軸(141)上有一固定卡盤(51)，固定卡盤由活動(dòng)銷(52)與甩桿(53)連接，甩桿上有甩球(54)，甩桿(53)中部連接拉桿(55)，拉桿連接滑動(dòng)盤(56)，滑動(dòng)盤連接滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)，滑動(dòng)長(zhǎng)輪(57)的外圍有二個(gè)以上的接觸傳動(dòng)齒輪(58)，接觸傳動(dòng)齒輪(58)分別與發(fā)電機(jī)或其它做功機(jī)械連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)軸水輪機(jī)及其使用方法，同時(shí)公開了一種與之配套的調(diào)速調(diào)能裝置。無(wú)軸水輪機(jī)的主要特征是水輪機(jī)的中心部位沒(méi)有機(jī)軸，由若干片輪葉的根部固定在一個(gè)圓形的輪環(huán)的內(nèi)圓面，輪葉的頭部呈向心狀態(tài)朝向輪環(huán)的圓心，輪葉在輪環(huán)上的安裝線與輪環(huán)的環(huán)平面形成一個(gè)夾角；輪環(huán)的外圓面有限位環(huán)和動(dòng)力輸出輪、軸稱和圓環(huán)支架，軸承在限位環(huán)與圓環(huán)支架之間起隔離和減少磨擦的作用。無(wú)軸水輪機(jī)既可以多種方式安裝在江河水壩上，也可以直接安裝在江河中，利用江河水流力發(fā)電；也可以多種方式安裝在海洋中，利用海洋的潮汐能、波浪能、海流能發(fā)電，是一種全新海洋能利用機(jī)械。它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和能量利用率都先進(jìn)于現(xiàn)有水輪機(jī)。
文檔編號(hào)F03B15/00GK1869435SQ20061000522
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月4日
發(fā)明者劉賀財(cái) 申請(qǐng)人:劉賀財(cái)