[发明专利]低水头水力抽水方法及微型水力抽水机

说明书

本发明涉及一种利用低水头（低能级）水能源抽水的方法。本发明又涉及一种在上述方法下而设计的微型水力抽水机。

《机械工程手册》第14卷，第77篇第10章（P77-109）、机械工业出版社1982年8月出版一书中的水能泵，是以水轮机为动力机，以动力泵为工作机。因动力泵需要高的转速才能正常工作，即需要高的水头，属较高能级的水能源的利用范围。水轮泵工作的最低水头大于1m，最低过水量大于0.1m/s。但由此而带来的拦河筑坝、修建水轮泵室和水的进出口通道等大型基建投资和花费大量的人力物力。其基建投资费用倍倍于水轮泵，加之因受地形要有较高的落差的影响，导致使用面小，使社会效益下降，同时还存在着小于等于1m水头的低能级水能资源，至今仍未用于抽水而造福于人类的问题。

根据水轮机的设计理论公式（参看长春水利电力学校编的《水轮机》一书，第6章，第5节，P99，中国工业出版社1965年7月出版）：

n = H 4 5 · n s 1.17 N ]]>

式中H-水轮机的水头。ns-水轮机的比转速。N-水轮机的功率。

可知，为了提高水轮机的转速n（动力泵所需的转速），比转速ns采用高比速（取大值）。则n与水头H的 4/5 次方成正比，与功率N的平方根成反比。因为功率N从实际出发，不可能做得太小。而H为低水头，即H值很小。所以在低水头条件下，水轮机的转速n很低。如果采用升速机构提高转速n，在低水头的情况下，会造成结构复杂，加工要求高，成本大大增高，效率下降而无实用价值。由于这个原因，给动力泵带来了两个问题：

1、不能达到使用中需要的扬程。动力泵设计理论可知，动力泵的速度图相似情况下，泵的杨程是与叶轮的圆周速度的平方成正比，也就是与nD乘积的平方成正比。因此，在低水头下必须要成倍地提高动力泵的转速n，或成倍地增大叶轮的直径D，才能达到需要的扬程。由上式可知，n在低水头下不能提高。而增大D，会使泵的结构尺寸宠大，成本大大提高而没有实用价值。

2、流量太小，效率太低，甚至流量为零。在扬程不变时，动力泵的转速n和流量Q的关系曲线和图1所示。（参看《叶片泵与透平压缩机》一书，第十一章，第84节，P471，机械工业出版社1983年10月出版[西德]C.普弗莱德黄尔著）图中，OC是一条渐近线。n与Q的关系是一条双曲线，有一条水平切线，它的切点就是临界点，nk表示临界点的转速。在低于这个临界点所属的转速时，动力泵就会断流。由于低水头下水轮机的转速n很低，必然会导致在这个临界点附近工作。

综上所述，正因为动力泵的这两个问题的存在，导致了现有水轮泵只能用于较高的水头。

本发明方法的任务是根据现有技术中，小于等于1m的低水头水能源不能用于抽水的问题，而提供了一种低水头水力抽水的方法，属低能水能源的利用范围。

本发明方法是采用下述方案实现的：以水轮机为动力机，以容积泵为工作机。参见附图2。适用于江河、沟渠的截流，利用水的低水头（势能）、动能推动水轮机，带动容积泵抽水。本发明只要有十厘米以上的水头，就可抽水。基本上不需要基建投资。输水采用输水胶管。我国水力资源居世界之首，江河、沟渠纵横，蕴藏着巨大的低水头水能。本发明对于开发低能级水能资源，解决农业的机械化灌溉问题，开辟了一条新的途径。并且，其能流密度大，是太阳能、风能的几十倍至数十倍，具有很大的开发价值。

由容积泵的设计理论可知：泵的扬程几乎是不受限制的（在泵的零部件强度满足的条件下），而转速n与流量Q的关系曲线和图4所示。由图4可知，n与Q的关系是线性关系，即Q正比于n，没有临界点nk。所以，容积泵在任何转速范围内，都会有流量输出。

本发明所述的容积泵，安装在水轮机的前面，形成微型水力抽水机，该机可采用绳索固定在水流中，也可将该机的挡水板固定在两岸的墩上，如图3所示。