專利名稱：使用多個水輪的能量生成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用多個水輪的能量生成系統(tǒng)，并且具體地涉及借助于多個水輪 的整體構(gòu)型而對水電動力的生成的改進。本發(fā)明還涉及以提高水輪從流動的水中生成電能 的效率為目的而對單個水輪的整體形狀和構(gòu)造的改進。
背景技術(shù)：
水輪是從水流中獲取動力的水動力機器。最有效的最早的水輪是所謂的上射式水 輪，并且這些水輪包括水斗或吊桶、用于接收并暫時保持從上升的水頭流過水輪的水，這些 水接著使水輪轉(zhuǎn)動。其它的類型包括下沖式水輪和中射式水輪，但是它們的效率很低。上 射式水輪的優(yōu)點在于不但將流動水的一部分能量直接轉(zhuǎn)化為它的旋轉(zhuǎn)，而且將由于水的重 量所產(chǎn)生的力也轉(zhuǎn)化為它的旋轉(zhuǎn)。但是，這些上射式水輪具有多個導(dǎo)致大量的水被浪費/ 溢出的設(shè)計缺點，并且因此使得它們的效率相對較低。由于渦輪被證實更加有效并且在建造中成本更低，所以水輪逐漸被渦輪取代。但 是，渦輪一般需要在構(gòu)筑壩墻的同時進行安裝，而且它們的效率主要是它們的定位和設(shè)計 標準的函數(shù)。典型地利用導(dǎo)水管將來自水頭的水流連接至渦輪，其中相應(yīng)地，渦輪的性能也 直接是通過導(dǎo)水管的水流以及最終的水頭的函數(shù)。因此，在結(jié)構(gòu)上，基于渦輪的水動力系統(tǒng) 是針對具體的壩的配置的非常獨特的一次性設(shè)計，這是局限的。因此，為了最優(yōu)地利用水輪所具有的能量轉(zhuǎn)化的優(yōu)點、以及它能夠在壩墻已經(jīng)完 成之后進行安裝的優(yōu)點，需要提高在動力生成中使用水輪的效率以便與渦輪的效率相抗衡。同樣認識到的是由水輪所產(chǎn)生的能量實際上是簡單的杠桿原理的延伸，其中，在 輪中的水的重量與水輪上的輪輻的長度的乘積提供了在水輪的輪軸上旋轉(zhuǎn)的能量。這一能 量在輪旋轉(zhuǎn)時由各種樣式的摩擦力所造成的能量損失而抵消。發(fā)明目的因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用多個水輪的能量生成系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)旨在 提高水輪的效率，同時也減少由摩擦力所造成的能量損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種能量生成系統(tǒng)，包括主水輪，該主水輪用于接收來自頭部導(dǎo)水管(head penstock)的水，主水輪包括 多個能夠圍繞主軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，徑向臂終止在用于容納來自頭部導(dǎo)水管中的水的水斗 內(nèi)，主水輪限定了頭高度；至少一個另外的水輪，該至少一個另外的水輪定位在主水輪的頭高度范圍內(nèi)，另 外的水輪也包括多個能夠圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，徑向臂終止在用于容納來自頭部導(dǎo)水管 中的過量的水或者已經(jīng)從主水輪的水斗中溢出的水的水斗內(nèi)。在示例實施方式中，主水輪和至少一個另外的水輪豎直地定向。
在示例實施方式中，至少一個另外的水輪小于主水輪。在示例實施方式中，至少一個另外的水輪包括第二水輪，該第二水輪用于接收來 自頭部導(dǎo)水管中的過量的水。在示例實施方式中，第二水輪設(shè)置成將水傳送回主水輪的水 斗中。在示例實施方式中，至少一個另外的水輪包括第三水輪，該第三水輪用于接收已 經(jīng)從主水輪的水斗中溢出的水。在示例實施方式中，第二水輪的水斗的寬度小于主水輪的水斗的寬度，主水輪的 水斗的寬度接著小于第三水輪的水斗的寬度。在示例實施方式中，每一個水輪的徑向臂是具有錐度的，從而使得位于徑向臂的 最端部處的水斗變寬以便在盡可能靠近徑向臂的端部處承載最大量的水。在示例實施方式中，水斗由加重外輪緣在其端部處連接至一起以產(chǎn)生飛輪效果。在示例實施方式中，水斗限定有沿其邊緣的通氣孔。在示例實施方式中，水輪經(jīng)由其中心軸線附裝至齒輪機構(gòu)，該齒輪機構(gòu)接著連接 至交流發(fā)電機/發(fā)電機系統(tǒng)，每個交流發(fā)電機/發(fā)電機都能夠?qū)⒚總€水輪的旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化 為電能。在示例實施方式中，上部泵設(shè)備定位在頭部導(dǎo)水管的附近以便從頭部導(dǎo)水管所裝 配到的壩中提供通過頭部導(dǎo)水管的穩(wěn)定的水流。在示例實施方式中，水輪裝配有用于控制其旋轉(zhuǎn)的制動裝置。


將參照附圖對僅作為示例的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例實施方式的使用多個水輪的能量生成系統(tǒng)的截面?zhèn)纫?圖；圖2是圖1所示系統(tǒng)的截面俯視圖；圖3是可以使用在圖1和圖2所示系統(tǒng)中的水輪輪輻和水斗的一部分的細節(jié)圖， 重點突出了本發(fā)明使得水輪在其旋轉(zhuǎn)時較少受到來自靜止空氣的阻力的特征；以及圖4是與圖1類似的截面?zhèn)纫晥D，但是此處示出了期望的水流、以及將本發(fā)明的水 輪轉(zhuǎn)變成潛在的泵儲存裝置所必需的特性。
具體實施例方式本發(fā)明涉及利用下面參照上射式水輪所描述的優(yōu)選實施方式從下落的水中獲取 最大化的動力的問題。但是，可行的是類似的水輪構(gòu)型能夠使用其它類型的水輪，并且這些 構(gòu)型同樣包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。首先參照圖1至3，能量生成系統(tǒng)10示出為包括用于接收來自頭部導(dǎo)水管14中的 水的主水輪12，在該頭部導(dǎo)水管14中限定有第一出口 16。頭部導(dǎo)水管14設(shè)置成以多種已 知方式中的任一種接收來自壩15由壩墻15. 1所支承的水。例如，盡管未示出，但是可以設(shè) 置上部泵設(shè)備以將水抽至導(dǎo)水管14中、用于輸送至系統(tǒng)10。主水輪12包括多個能夠圍繞主軸線20旋轉(zhuǎn)的徑向臂18，徑向臂18終止在用于容 納來自頭部導(dǎo)水管14中的水的水斗22內(nèi)。主水輪12限定了有效的頭高度，該頭高度由標記為“h”的虛線表示。系統(tǒng)10還包括一對定位在主水輪12的頭高度“h”內(nèi)的水輪對、26。正如將要在 本說明書中進一步進行的更加詳細的描述，另外的水輪M、26典型地同樣分別包括多個能 夠圍繞軸線32、34旋轉(zhuǎn)的徑向臂觀、30，徑向臂觀、30分別終止在用于容納來自頭部導(dǎo)水管 14中的過量的水或者已經(jīng)從主水輪12的水斗22中溢出的水的水斗36、38內(nèi)。在示例實施方式中，主水輪12和另外的水輪MJ6豎直地定向。如最好在圖1中示出的，另外的水輪24 J6小于主水輪12。在示例實施方式中，另外的水輪M、26中的一個包括第二水輪M，該第二水輪M 用于接收經(jīng)由限定在其中的第二出口 40離開頭部導(dǎo)水管14的過量的水并且因此由該過量 的水進行驅(qū)動。如最好在圖1中示出的，第二水輪對可以設(shè)置成將水傳送回主水輪12的 水斗22中。另外的水輪M和沈中的另一個限定出第三水輪沈，該第三水輪沈用于接收已經(jīng) 從主水輪12的水斗22中溢出的水并且因此由該溢出的水進行驅(qū)動。因此能夠看到，第二 水輪M和第三水輪沈的提供旨在使得從下落的水中獲得的能量最大。如上所述，兩個另外的水輪M和沈包含在主水輪12的頭高度“h”內(nèi)，并且因此 它們的效率將添加至主輪的效率中。在該示例中，第二水輪M能夠放置介于偏離主水輪的 上止點50度至70度之間的水，因此延長了向主水輪12給水的周期，而且與此同時，第二水 輪M也在其自身的軸線上產(chǎn)生另外的轉(zhuǎn)矩。同時，第三水輪沈設(shè)置成捕獲從偏離主水輪 的上止點90度至135度的所有下落的水。如最好在圖2中示出的，第二水輪M的水斗36的寬度小于主水輪12的水斗22 的寬度，主水輪12的水斗22的寬度接著小于第三水輪沈的水斗38的寬度，以便使水的捕 獲達到最大。因此，本發(fā)明的另一特征是改變水斗22、36、38的寬度以確保在系統(tǒng)10中利 用盡可能多的下落的水，以便使能量的轉(zhuǎn)換達到最大。因此，與在水輪旋轉(zhuǎn)的同時排放出大 部分的驅(qū)動水輪的水的傳統(tǒng)的水輪配置不同，在本發(fā)明中，過量的下落的水用于提供使得 已經(jīng)策略性地放置在下落的水的路徑中的又一個水輪2436轉(zhuǎn)動所需要的力。從圖中清楚地看到，水輪12、24、沈設(shè)置成彼此足夠地接近并且具有設(shè)計的特征 (例如每一水斗的寬度)從而能夠捕獲盡可能多的來自更高水輪的下落的水并且能夠由在 其下方的水輪利用。如在圖中示出的，徑向臂18、28、30是具有錐度的，從而使得徑向臂18、28、30的最 端部(即水斗22、36、38的端部)承載最多的水，從而各個水輪12、24J6限定出有助于水 輪12、24J6旋轉(zhuǎn)的飛輪。具體地，水輪12、24、36的各個徑向臂18、28、30朝加重外輪緣42 向外逐漸變寬(taper out)并且朝限定軸線20、32、34的輪軸20. 1,32. 1和34. 1逐漸變窄 (taper inward)，從而整個水輪12、24、36在其轉(zhuǎn)動時具有飛輪的一些特征。這種具有錐度 的配置允許在盡可能遠離中心軸線20、32、34處容納最大量的水，因此使得由下落的水的 力所產(chǎn)生的杠桿作用達到最大。在示例實施方式中，各個水輪的水斗22、36、38由加重外輪緣42在它們的端部處 連接在一起而產(chǎn)生飛輪效果。在示例實施方式中，如最好在圖3中示出的，水斗22、36、38限定有沿它們的邊緣 的通氣孔44從而使空氣摩擦的效果達到最小。
因此，水斗22、36、38設(shè)計成提高它們在能量轉(zhuǎn)化中的效率并且減小由靜止空氣 所產(chǎn)生的阻力。此外，輪輻或徑向臂18、28、30是楔形的，從而進一步減小在水輪12、24、36 旋轉(zhuǎn)時由來自靜止空氣的摩擦阻力所產(chǎn)生的拖曳。在示例實施方式中，水輪12、24、36分別經(jīng)由它們的中心輪軸20. 1,32. 1和34. 1 附裝至齒輪機構(gòu)46、48、50，齒輪機構(gòu)46、48、50接著連接至交流發(fā)電機/發(fā)電機系統(tǒng)52、 M、56，各個交流發(fā)電機/發(fā)電機系統(tǒng)52、54、56都能夠?qū)⒏鱾€水輪12、24、36的旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn) 化為電能。轉(zhuǎn)向圖4，在使用中，典型的水流示出為來自于頭部導(dǎo)水管14并且順序地流動穿 過豎直設(shè)置的水輪12、對、36、迫使各個水輪旋轉(zhuǎn)并且因此分別經(jīng)由齒輪箱46、48、50通過 相應(yīng)的交流發(fā)電機/發(fā)電機系統(tǒng)52、54、56產(chǎn)生能量。在圖4中的箭頭表示下落的水的流 動方向。如果最終流過退水槽58的水被收集在貯水槽60中而不是被允許簡單地流走，那 么可以設(shè)置使水返回到頭部導(dǎo)水管14的外部泵62?？商鎿Q地、或者另外地，可以利用泵62 在低動力需求期間將水通過回水管64抽回到壩15內(nèi)。盡管未示出，上部抽吸設(shè)備可以定位在頭部導(dǎo)水管的附近，以便即使在壩15內(nèi)的 剩余水位變成低于導(dǎo)水管14的水位的情況下，也能夠從頭部導(dǎo)水管14所裝配到的壩15中 提供通過頭導(dǎo)水管14的穩(wěn)定的水流?；谖恢?，系統(tǒng)10可以由獨立的結(jié)構(gòu)工具支承、局部地或全部地封裝在地面中、 或者附裝至某些現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或自然特征。本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)點是其能夠在不對壩結(jié)構(gòu)進行大范圍改造的情況下改進配合至 現(xiàn)有的壩，因此不會損壞現(xiàn)有的壩的結(jié)構(gòu)完整性。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員現(xiàn)在可以看到，在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，能過 對在此參照示出的實施方式所公開的儀器和方法進行一定的變型。盡管上面已經(jīng)參照優(yōu)選 的實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是應(yīng)當理解的是，本發(fā)明適合于各種重新的配置、變型 和替換，并且所有這些重新的配置、變型和替換都將處于在此所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能量生成系統(tǒng)，包括主水輪，所述主水輪用于接收來自頭部導(dǎo)水管中的水，所述主水輪包括多個能夠圍繞 主軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，所述徑向臂終止在用于容納來自所述頭部導(dǎo)水管中的水的水斗內(nèi)， 所述主水輪限定了頭高度；至少一個另外的水輪，所述至少一個另外的水輪定位在所述主水輪的所述頭高度內(nèi)， 所述另外的水輪也包括多個能夠圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，所述徑向臂終止在用于容納來自 所述頭部導(dǎo)水管中的過量的水或者已經(jīng)自所述主水輪的所述水斗中溢出的水的水斗內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述主水輪和所述至少一個另外的水輪 豎直地定向。
3.如權(quán)利要求1或2所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述至少一個另外的水輪小于所述主 水輪。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述至少一個另外的水輪包 括第二水輪，所述第二水輪用于接收來自所述頭部導(dǎo)水管中的過量的水。
5.如權(quán)利要求4所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述第二水輪設(shè)置成將水傳送回所述主 水輪的所述水斗。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述至少一個另外的水輪包 括第三水輪，所述第三水輪用于接收已經(jīng)自所述主水輪的所述水斗中溢出的水。
7.如權(quán)利要求6所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述第二水輪的水斗的寬度小于所述主 水輪的所述水斗的寬度，所述主水輪的所述水斗的寬度又小于所述第三水輪的水斗的寬度。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，每個所述水輪的徑向臂是具 有錐度的，從而使得位于所述徑向臂的最端部處的所述水斗變寬以便在盡可能靠近所述徑 向臂的所述端部處承載最大量的水。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述水斗由加重外輪緣在其 端部處連接在一起以產(chǎn)生飛輪效果。
10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述水斗限定有沿其邊緣的 通氣孔。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，所述水輪經(jīng)由其中心軸線附 裝至齒輪機構(gòu)，所述齒輪機構(gòu)接著連接至交流發(fā)電機/發(fā)電機系統(tǒng)，每個所述交流發(fā)電機/ 發(fā)電機都能夠?qū)⒚總€所述水輪的旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為電能。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的能量生成系統(tǒng)，其中，上部泵設(shè)備定位在所述頭部 導(dǎo)水管的附近以便從所述頭部導(dǎo)水管所裝配到的壩中提供通過所述頭部導(dǎo)水管的穩(wěn)定的 水流。
13.基本上如此處所描述的和所示出的能量生成系統(tǒng)。
全文摘要
提供了一種能量生成系統(tǒng)，該能量生成系統(tǒng)包括用于接收來自頭部導(dǎo)水管或上部泵設(shè)備中的水的主水輪，主水輪包括多個能夠圍繞主軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，徑向臂終止在用于容納來自頭部導(dǎo)水管或上部泵設(shè)備中的水的水斗內(nèi)，主水輪限定了頭高度。該系統(tǒng)還包括定位在主水輪的頭高度范圍內(nèi)的至少一個另外的水輪，另外的水輪也包括多個能夠圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的徑向臂，徑向臂終止在用于容納來自頭部導(dǎo)水管或上部泵設(shè)備中的過量的水或者已經(jīng)自主水輪的水斗中溢出的水的水斗內(nèi)。在示例實施方式中，主水輪和至少一個另外的水輪豎直地定向。在示例實施方式中，至少一個另外的水輪小于主水輪。
文檔編號F03B7/00GK102144090SQ200880131020
公開日2011年8月3日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者安妮-瑪麗·米登, 肖恩·布賴恩·米登 申請人:安妮-瑪麗·米登, 肖恩·布賴恩·米登