專(zhuān)利名稱(chēng)：水庫(kù)清沙并能收集沙石及漂物的虹吸發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利涉及的是一種能夠清理水庫(kù)底部沉積物，水面的漂浮物，并能將清理出的沙石、漂浮物篩分后收集。且能利用沙漿沖擊水輪發(fā)電的虹吸發(fā)電系統(tǒng)。
目前水庫(kù)的清淤、清漂是靠沖沙閘、排漂閘開(kāi)放，讓大流量水把淤物及漂物沖向下游。不但造成大量水資源損失，還會(huì)給下游造成礙航危害及下游的河道環(huán)境污染。夾沙紊流還會(huì)沖刷河岸，使河床改道及河堤蹦踏。再者靠挖沙船用泵管伸入庫(kù)底撈沙。挖沙船耗能高、效率低深水作業(yè)困難，對(duì)整治淤害能力有限?！八畮?kù)是水利水電工程綜合利用水資源的重要組成部分，在水庫(kù)蓄水運(yùn)用的情況下，隨著泥沙在庫(kù)區(qū)的淤積，水庫(kù)的有效容量日益減少，終至淤?gòu)U，我國(guó)北方多沙河流水庫(kù)，迄今已有不少水庫(kù)淤?gòu)U。如陜西省庫(kù)容大于100萬(wàn)立方米水庫(kù)共192座，截止1973年已淤?gòu)U43座，黃河青銅峽水庫(kù)1969年蓄水運(yùn)用，截止1980年有效庫(kù)容已淤積86％。美國(guó)1935年前修建的水庫(kù)已有10％的水庫(kù)淤?gòu)U。”(摘自《三峽工程泥沙研究》)本發(fā)明提供一種集清理庫(kù)底淤積和水面漂物，兼發(fā)電于一身的虹吸發(fā)電系統(tǒng)，其目的是充分利用水力資源，增大發(fā)電量，根治水庫(kù)淤積而廢棄的沉疴頑癥，使水庫(kù)永保青春，為人類(lèi)造福。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，在水庫(kù)的大壩或庫(kù)堤設(shè)置一路虹吸管路，其一端伸入庫(kù)底最深部排沙閘下的深槽里，端部裝有電動(dòng)吸沙漿閥，在靠近吸沙漿閥一定距離裝設(shè)向上方向一路管路與主虹吸管相通，其長(zhǎng)短主要避開(kāi)沙區(qū)，保證能吸入清水，最上部安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在管路靠近水庫(kù)水面附近，安裝一臺(tái)引水泵和引水閥，水泵吸水龍頭置于水庫(kù)水中。水泵出水口與引水閥通過(guò)管路連在一齊，引水閥另一端通過(guò)管路與虹吸管相連。在虹吸管最高處裝設(shè)一排空氣閥，并通過(guò)管路與虹吸管最高處相連通，另一端安裝一段管子置于空氣中，虹吸管成半園拱形跨過(guò)大壩，(條件允許的話(huà)最好是從靠近庫(kù)水面附近穿通大壩為好，可減少壓頭損失)虹吸管直伸到水輪機(jī)上端，虹吸管端部裝有電動(dòng)出沙漿閥，閥下有厚鋼板制成的水輪機(jī)90°-120°園弧形定子，并與水輪機(jī)架構(gòu)成沙漿通道。出沙閥口的中心與水輪機(jī)葉片上的園形底下裝有彈簧的墊板對(duì)應(yīng)，水輪機(jī)的軸心與水輪機(jī)定子的90°-120°弧同園心。水輪機(jī)下部裝有卵石篩運(yùn)送機(jī)。卵石篩運(yùn)送機(jī)下面裝有粗沙篩運(yùn)送機(jī)。粗沙篩下部裝有運(yùn)送細(xì)沙漿的渡槽。用于排漂時(shí)，如圖2所示，不需要粗沙篩及細(xì)沙漿渡槽。其吸漂閥所在虹吸管端部應(yīng)安裝于水庫(kù)水面下1-2米處，且吸口向上。用于水庫(kù)中、上游清淤時(shí)，如圖3所示，虹吸管橫穿大堤，吸漿閥與調(diào)節(jié)閥一端應(yīng)置于水庫(kù)易淤處人工開(kāi)挖的較深的存沙池底部。該發(fā)電機(jī)運(yùn)用前首先關(guān)閉出沙漿閥，然后打開(kāi)排氣閥、調(diào)節(jié)閥和吸漿閥，使虹吸管內(nèi)水位上升，直到接近水庫(kù)水面時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥及吸漿閥，打開(kāi)引水閥，開(kāi)啟引水泵，往虹吸管內(nèi)灌引水，當(dāng)排氣閥向上噴水時(shí)，關(guān)閉排氣閥及引水閥，停止引水泵，打開(kāi)出沙漿閥及調(diào)節(jié)閥，此時(shí)便有大量水流沖向水輪機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。待發(fā)電穩(wěn)定后再開(kāi)啟吸沙漿閥，清沙開(kāi)始運(yùn)作。調(diào)節(jié)閥用來(lái)調(diào)節(jié)沙漿水沙比例達(dá)到最佳值。同時(shí)使水輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在規(guī)定值內(nèi)。如果用于老水庫(kù)，可開(kāi)啟螺旋滾筒機(jī)，將沉淀已久的淤沙攪勻，便于虹吸管吸入。開(kāi)啟卵石運(yùn)送機(jī)把篩上的卵石運(yùn)送到卵石倉(cāng)里，粗細(xì)沙從卵石篩運(yùn)送機(jī)的底部及兩側(cè)槽壁的密布孔中注入粗沙篩運(yùn)送機(jī)。開(kāi)啟粗沙運(yùn)送機(jī)把篩過(guò)的粗沙運(yùn)送進(jìn)粗沙倉(cāng)，細(xì)沙漿便從粗沙篩兩側(cè)壁孔中流入細(xì)沙漿渡槽。沿著水平設(shè)置或略有下坡的渡槽，細(xì)沙漿流入選定好的山谷細(xì)沙存放場(chǎng)中沉淀，積滿(mǎn)后清水流出，細(xì)沙可挖出造磚及做建材使用，或填谷造田。粗沙較為昴貴不愁出售。卵石可挑出精美的做成工藝品出售或做建筑材料。
本發(fā)明主要根據(jù)虹吸現(xiàn)象，物理學(xué)中能量守恒定律及能量轉(zhuǎn)換規(guī)律、勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能與路途無(wú)關(guān)，其虹吸管的流量取決于水庫(kù)水面與出漿口的標(biāo)高差，即為壓頭，單位米。以H表示，則H＝RTQ2<1>
RT—阻力系數(shù)(s2/m5)Q—管內(nèi)流量(m3/s)RT=8π2g[λxlxdxs+λplpdps+Σϵx1dxs+(Σϵp+1)1dps](s2/m5)---⟨2⟩]]>λxλp—沿程阻力損失系數(shù) g——重力加速度LxLp—沿程管路長(zhǎng)度∑εx∑εp—管路上局部阻力損失系數(shù)之和(<1>、<2>式來(lái)源于煤炭工業(yè)出版社出版，淮南礦業(yè)學(xué)院白銘聲、陳祖蘇教授合編的《流體機(jī)械》一書(shū))虹吸管路要求沿程所有處的內(nèi)徑必須保持一致，且大于吸沙漿口直徑，為此計(jì)算時(shí)只考慮按一種直徑計(jì)算，局部阻力損失系數(shù)也就忽略不計(jì)了，即按下式計(jì)算。RT=8π2gλxlxdxs]]>管內(nèi)流體出力以P為標(biāo)示，則P＝9.81QH(公式來(lái)源于中國(guó)水利水電出版社出版，河海大學(xué)劉大愷教授主編的《水輪機(jī)》)為此發(fā)電機(jī)的功率與壓頭H和流量Q有關(guān)，而Q又取決于阻力系數(shù)RT和壓頭H，阻力系數(shù)直接與管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度有關(guān)由于采用上述方案，可有以下幾個(gè)方面有益效果；1、能夠清除水庫(kù)底部的淤積物，使水庫(kù)較長(zhǎng)時(shí)期服務(wù)于人類(lèi)；2、清除水面上的漂浮物，并能將這些白色垃圾收集回收再利用，減少下游河道的環(huán)境污染；3、由于沙石被收集減少下游河道淤積便于通航，減少下游清淤費(fèi)用；4、能把沖沙、沖漂及庫(kù)容外水資源充分利用進(jìn)行發(fā)電增加水庫(kù)的發(fā)電能力；5、沙石及漂物被收集重新加以利用，變有害于社會(huì)有害于人類(lèi)為有利于社會(huì)有利于人類(lèi)；6、有價(jià)能源消耗極少，只是灌引水開(kāi)閘閥，運(yùn)送沙石及漂物機(jī)耗能，而吸沙吸漂物是充分利用大壩的勢(shì)能而已，決不消耗其他有價(jià)能源；7、由于超前將沉沙收入管內(nèi)，流徑水庫(kù)主發(fā)電機(jī)水輪機(jī)的流水含沙量大大減少，減少主發(fā)電機(jī)水輪機(jī)的磨損量，延長(zhǎng)主水輪機(jī)的使用壽命也會(huì)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益?？偟膩?lái)說(shuō)該項(xiàng)發(fā)明的經(jīng)濟(jì)，社會(huì)效益是很難用數(shù)量表示清楚的。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)一步說(shuō)明；

圖1為本發(fā)明安裝在水庫(kù)攔水大壩的清沙發(fā)電的剖面圖。
圖2為本發(fā)明專(zhuān)利安裝在水庫(kù)攔水大壩上清漂發(fā)電機(jī)剖面3為本發(fā)明用于水庫(kù)中上游清理易淤處淤積物發(fā)電的剖面圖。
圖4是本發(fā)明用于大壩的側(cè)視中1、虹吸管；2、電動(dòng)吸沙漿閥；3、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；4、電動(dòng)出沙漿閥、出漂物閥；5、排空氣閥；6、引水閥；7、引水泵；8、水輪機(jī)；9、卵石篩運(yùn)送機(jī)；10、粗沙篩運(yùn)送機(jī)；11、細(xì)沙漿渡槽；12、水庫(kù)攔水大壩；13、帶割刀的螺旋滾筒機(jī)；14、虹吸管固定螺栓；15、虹吸管固定腰帶；16、沖沙閘積沙深槽；17、水庫(kù)水面；18、發(fā)電機(jī)；19、水庫(kù)下游水面；20、水庫(kù)庫(kù)堤；21、水庫(kù)底；22、積沙池；23、排漂虹吸管底托架；24、水輪機(jī)90°-120°園弧定子；25、水輪機(jī)機(jī)架；26、裝于水輪機(jī)葉片上由彈簧支撐的防砸墊板；27、彈簧；
圖1中虹吸管1伸入水庫(kù)底部的一端與吸沙漿閥2、調(diào)節(jié)閥3相連，調(diào)節(jié)閥3應(yīng)遠(yuǎn)離沙區(qū)一定距離，以保證能吸進(jìn)清水?？拷?7附近有引水泵7，其出水口通過(guò)管路與引水閥6相連，6的另一端通過(guò)管路與虹吸管1相連，在虹吸管最高處有排空氣閥5通過(guò)管路與虹吸管1相連，另端安一定長(zhǎng)度管子置于空氣中。虹吸管1的另一端與出沙漿閥4相連，并置于水輪機(jī)架25的上部，其中心對(duì)著水輪機(jī)8的葉片上的彈簧墊板26中心，26與葉片之間有彈簧27相連；機(jī)架25上部與兩側(cè)面與水輪機(jī)90°-120°定子構(gòu)成沙漿通道，水輪機(jī)半邊葉片夾于通道中，沙漿沖擊葉片使水輪機(jī)8旋轉(zhuǎn)。帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，通道出口的下面裝有卵石篩運(yùn)送機(jī)9，運(yùn)送機(jī)可由煤礦用大型刮板機(jī)括大改制，溜槽底和幫密布所定小于最小卵石直徑的孔。以便于卵石篩出運(yùn)走。可挑選精美的做工藝品出售，其它做建筑材料。沙漿從密布孔中流進(jìn)再下面的粗沙篩運(yùn)送機(jī)10。10和9大致相同，只是密布孔徑小于篩選粗沙最小粒度直徑，篩上的粗沙被機(jī)器運(yùn)進(jìn)倉(cāng)，而細(xì)沙漿流入最下面的細(xì)沙漿渡槽11，細(xì)沙漿順著略有下坡的渡槽流進(jìn)山谷沙場(chǎng)，沉淀后，清水流入下游河道。細(xì)沙可用于造磚及建筑材料或填谷造田。排氣閥5引水閥6及引水泵7的設(shè)置，只是為啟動(dòng)該系統(tǒng)所用，一旦該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，它們便完成使命，只要虹吸管內(nèi)滿(mǎn)水，再也不會(huì)再用它們。調(diào)節(jié)閥3是用來(lái)調(diào)節(jié)水沙比例，以選擇最佳運(yùn)作，同時(shí)它也可以用來(lái)調(diào)節(jié)流量達(dá)到附節(jié)發(fā)電頻率的目的。它的另一個(gè)作用是關(guān)機(jī)時(shí)清理虹吸管內(nèi)積沙，關(guān)機(jī)時(shí)先完全打開(kāi)調(diào)節(jié)閥3，關(guān)閉吸沙漿閥2，待出沙漿口完全是清水時(shí)再同時(shí)關(guān)閉出沙漿閥4和調(diào)節(jié)閥3。虹吸發(fā)電機(jī)用于水庫(kù)中上游清沙時(shí)，必須選定易于淤沙的地方深挖積沙池，以便把水庫(kù)順?biāo)e沙和高水位蓄水形成回流水所沉淀積沙收留積存，便于虹吸管采沙。使用本發(fā)明的關(guān)鍵問(wèn)題是必須出沙口與庫(kù)水而有一定的落差，且出口低于水面。螺旋滾筒機(jī)13由綱板與閥2相連。用于廢庫(kù)清淤。
下面假設(shè)該發(fā)明在舉世聞名的長(zhǎng)江三硤水庫(kù)完全竣工后使用情況粗略分析計(jì)算如下；已知三硤大壩最大高度185m，正常蓄水水位175m，枯水季節(jié)蓄水水位155m，假定出沙漿口與庫(kù)水面落差為120m。
則虹吸管長(zhǎng)度 Q=HRT]]>RT=8π2gλx343dxs]]>這里λ的值計(jì)算難以找到合適的公式只有采用舍維列夫舊鋼管及舊鑄鐵管的公式。 這里的λ被認(rèn)為在粗糙且銹蝕嚴(yán)重的舊管中流體的阻力系數(shù)，而我們虹吸管一旦使用其內(nèi)管壁肯定會(huì)被沙石磨的很光滑，可以說(shuō)按此公式計(jì)算是比較保守的，下面選定Ф2mФ2.5mФ3m三種管徑分別計(jì)算如下 RT2＝0.0151 RT2.5＝0.00474 RT3＝0.001761將上述RT值代入 Q2＝89.15m3/s Q2.5＝159.11m3/sQ3＝261m3/s虹吸管內(nèi)流水出力為P2＝9.81×89.15×120＝10.5萬(wàn)千瓦P2.5＝9.81×159.11×120＝18.7萬(wàn)千瓦P3＝9.81×261×120＝30.7萬(wàn)千瓦不難看出如果把7個(gè)沖沙閘，還有泄洪閘及沖漂閘，船閘都安裝使用該發(fā)明技術(shù)，可使沖沙、沖漂及庫(kù)容外水資源得到全面的利用，同時(shí)水庫(kù)將增加非?？捎^的發(fā)電容量。更不難看出這么大吸動(dòng)力在水庫(kù)底部抽吸，沙石是很難再進(jìn)入下游河床了，再加上中上游分段設(shè)置幾處，三峽水庫(kù)的淤沙問(wèn)題何用再愁。
該項(xiàng)發(fā)明負(fù)面影響及存在的問(wèn)題。
事物的發(fā)展都有兩面性，即能對(duì)社會(huì)和人類(lèi)產(chǎn)生積極影響給人類(lèi)造福的一面，同時(shí)也有不利的影響，現(xiàn)分析如下1、由于采用本發(fā)明基本上能把水庫(kù)所存粗沙，卵石捕捉且運(yùn)到有用的地方，細(xì)沙歸場(chǎng)。這樣水庫(kù)下游河床的沙石將漸漸缺少，以后有可能水流直截沖擊河底，有可能造成河堤的維修量加大，建議使用本發(fā)明技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)兩岸及大堤打鉆注水泥漿防止河岸及大堤踏方。
2、排漂虹吸發(fā)電設(shè)備啟動(dòng)后，給靠近吸口附近造成強(qiáng)大的旋渦。為此吸口附近一定距離需架設(shè)圍柵，以防小船及泳人被吸進(jìn)管內(nèi)造成財(cái)產(chǎn)及人員傷亡。
3、一些瀕臨滅絕的珍貴生物，有可能誤入吸管，當(dāng)越過(guò)吸管最高處后基本上作自由落體運(yùn)動(dòng)而被摔死。為此建議應(yīng)研究發(fā)明恐嚇干擾信號(hào)，驅(qū)趕珍貴生物遠(yuǎn)離虹吸管口。
4、沙漿及漂物流流經(jīng)虹吸管時(shí)，對(duì)大壩產(chǎn)生一壓力，此力和開(kāi)啟沖沙閘比較起來(lái)可能要小，但其越過(guò)大壩頂端，此力相對(duì)大壩根部產(chǎn)生一力矩，應(yīng)在固定虹吸管處增加鋼筋混凝土墩，以防對(duì)大壩的破壞作用。
5、水庫(kù)尾部淤積問(wèn)題本技術(shù)還無(wú)法解決，該段還必須使用挖沙船作業(yè)，該技術(shù)必須有一定的水位落差才行。
6、本發(fā)明技術(shù)水輪機(jī)實(shí)際上是做為對(duì)越過(guò)虹吸管最高處的卵石作自由落體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖力的一種緩解。它設(shè)置在哪里就是挨砸的，為此其發(fā)電效率肯定不盡人意，同時(shí)根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，水輪機(jī)必須做成質(zhì)量很大才能滿(mǎn)足正常使用要求，為此比較費(fèi)鋼鐵。
7、根據(jù)清淤要求，能吸起的卵石直徑越大越好，但根據(jù)能量轉(zhuǎn)換公式計(jì)算，直徑達(dá)1米的卵石在壓頭為120時(shí)，沖擊在水輪機(jī)葉片上的沖力達(dá)3000多噸，為此確定吸引卵石的直徑必須限制在0.5-0.6米(Ф0.5為300多噸，Ф0.6為600噸)吸沙漿口應(yīng)加?xùn)畔拗疲蚍支?.5mФ0.6m多處吸口。
8、該技術(shù)的操作比較簡(jiǎn)單最好能使用計(jì)算機(jī)控制，但缺少水下監(jiān)視吸沙漿口的傳感器，為此建議能加強(qiáng)這些方面的研究，盡快使用計(jì)算機(jī)控制水沙比例，及發(fā)電機(jī)頻率。
9、此水輪的轉(zhuǎn)速不會(huì)太快為此需研究大功率多磁極對(duì)數(shù)發(fā)電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種水庫(kù)清沙并能收集沙石、漂物的虹吸發(fā)電系統(tǒng)，由壩、堤、虹吸管、吸沙漿閥、調(diào)節(jié)閥、出沙漿閥、排氣閥、引水閥、引水泵、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、卵石篩運(yùn)送機(jī)、粗沙篩運(yùn)送機(jī)、細(xì)沙漿運(yùn)送渡槽、螺旋滾筒機(jī)組成，其特征是虹吸管橫跨或橫穿壩、堤。布置在壩堤橫斷面的兩邊，一端伸入庫(kù)底最深處或水庫(kù)水面下1-2米處。端部接有吸沙漿閥或吸漂物閥，在距吸沙漿閥一定距離的虹吸管上向上方向接一管。其端部接調(diào)節(jié)閥置于能避開(kāi)沙區(qū)，吸到清水的地方。虹吸管接近水面附近由一管引水閥相接，引水閥另一端再由管與引水泵出水口相連，引水泵吸水口置水庫(kù)水里，虹吸管的最高處由一管與排氣閥相接，排氣閥另一端接一段管置于空氣中，虹吸管的另一端與出沙漿閥相接出沙漿閥另一端對(duì)準(zhǔn)水輪機(jī)葉片上彈簧墊板。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的水庫(kù)清沙并能收集沙石及漂物的虹吸發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于水輪機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子組成，轉(zhuǎn)子上有葉片支撐的墊板，定子是由鋼板制成90°——120°園弧與機(jī)架兩邊相連，構(gòu)成沙漿通道，水輪機(jī)葉片從通道中轉(zhuǎn)過(guò)。水輪機(jī)軸心即為定子弧的園心，其軸與發(fā)電機(jī)軸相連。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的水庫(kù)清沙并能收集沙石及漂物的發(fā)電系統(tǒng)，其特證在于卵石篩運(yùn)送機(jī)裝于水輪機(jī)架與園弧形成的沙漿通道下部。結(jié)構(gòu)和煤礦用大型板運(yùn)輸機(jī)相似，只是槽底及幫密布所定分類(lèi)最小卵石直徑的孔。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的水庫(kù)沙并能收集沙石及漂物的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于粗沙篩運(yùn)送機(jī)裝于卵石篩運(yùn)送機(jī)下面，兩機(jī)基本相同。不同的是密布的孔徑更小，是所定最小粗沙粒直徑，而槽幫的上部孔徑大些。
5.根據(jù)權(quán)力要求1所述的水庫(kù)清沙并能收集沙石及漂物的發(fā)電系統(tǒng)其特征在于細(xì)沙漿運(yùn)送渡槽安裝于粗沙篩運(yùn)送機(jī)下面直至山谷沙場(chǎng)，該渡槽水平設(shè)置或略有下坡。
6.根據(jù)權(quán)力要求1所述水庫(kù)清沙并能收集沙石及漂物的發(fā)電系統(tǒng)其特征在于吸沙漿閥下部有一托架，托架上還固定有螺旋滾筒機(jī)，螺旋滾筒上設(shè)有數(shù)把堅(jiān)硬的割刀。
全文摘要
一種能夠清理庫(kù)底淤積物,水面漂浮物,并將清理出的沙石、漂物篩分后收集,還可利用沙漿沖擊水輪發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)。由虹吸管1、吸沙漿閥2、調(diào)節(jié)閥3、出沙漿閥4、水輪機(jī)8、發(fā)電機(jī)18、卵石篩運(yùn)機(jī)9、粗沙篩運(yùn)機(jī)10、細(xì)沙運(yùn)送渡槽11構(gòu)成。清沙、清漂是利用壩的勢(shì)能,不消耗有價(jià)能源,充分利用沖沙、沖漂及庫(kù)容外水資源增大發(fā)電量。根治水庫(kù)淤積之沉疴頑癥,使水庫(kù)永葆青春,長(zhǎng)久造福人類(lèi)。
文檔編號(hào)F03B13/08GK1352352SQ0114307
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期2001年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月15日
發(fā)明者陳亞洲 申請(qǐng)人:陳亞洲