节约水能、燃料能的新方法和装置.pdf

本发明是用于水电站、火力发电站、内燃机、蒸气机的节能新方法及装置。
    在水电站、当船要通过水库坝时，开闸之后总有不少的水会流失，造成浪费。而在水紧张的节季，往往是为了节水而封航，几个月都不能通行。现在使用的各种发电机，其利用水能、蒸气能的方法，均是通过水轮机、蒸气轮机，这两机中的各种各样的叶轮都因设计的不合理，效率均不高，再加上由于流体从高压区入低压区会自损能量，以蒸气轮机为例：由于蒸气轮叶所在环境与外界相通属低压区，所以在高压容器内的蒸气可以被挤出来冲击轮叶，但由于高压区进入低压区的蒸气，其体积会立即向四周剧烈膨胀，而气体体积膨胀会吸热降温，消耗大量能量，这种膨胀做功所放出的能量轮叶是无法全面接收的，其仅能接收的是蒸气向轮叶冲击这一个方向的动能，就是这一动能也不能全部接收到，因为蒸气（水）冲击叶轮时发生的是非弹性碰撞，甚至可以说是完全非弹性碰撞，又因蒸气这种气体的比重太小，在体积有限的情况下，少质量地蒸气动能更是十分有限。所以更大部分的能量是因气体体积膨胀、非弹性碰撞或热传递而降温流失掉了。现在的内燃机，（蒸气机）其活塞几乎都是往复式直线运动，活塞通过连杆推动曲轴转动，连杆推力的方向、角度随曲轴的转动始终在变化，做动冲程中仅有一个点的位置，在曲轴的切线上而最有效（实际上此时连杆和活塞的推力方向却不在同一条直线上，对于活塞来讲，仍不是最有效），其它各点均有一分力穿过轴心浪费了连杆的能量，另外三个冲程则以相同的性质浪费了曲轴上的能量。这种曲轴也限制了活塞的行程（行程等于曲轴转动半径的两倍）使活塞运动到行程的极限时，即使还有再大的气压，也要浪费性地放掉，同时又增加了排气冲程所浪费的能量。通过计算，连杆和曲轴间每一冲程都要损失一半的能量，连杆和活塞间的损失要依曲轴半径、连杆长度来确定。在当今能源紧张的情况下，以上种种情形都十分可惜。

    为了解决各种轮叶都因设计不合理及轮叶接受水、蒸气冲击时发生非弹性碰撞而损失的能量的问题;为了解决内燃机、（蒸气机）活塞通过连杆推动曲轴转动中非摩擦性所损失的能量的问题而提出本发明。

    本发明的要点是：将水的全部势能先转化成弹性势能，又同时将弹性势能转化成转动能供给发电机或者将水轮的轮轴和轮叶做成空心的新式水轮，取名为旋龙（图3），水从轴流入，龙角尾流出，流出的方向垂直于轴，并在以轴为园心的园的切线上，使水的反作用力对旋龙的推动力矩最大，旋龙外围设置一个“蒸气轮叶环”吸收已做了功的水能，旋龙置于水位控制室的水面之上;将内燃机、蒸气机往复式直线运动的活塞能，也先转化成弹性势能，同时又将弹性势能转化成转动能，或者象用半踏跨自行车时作往复式直线运动的链条一样，把能量直接传递出去，或者先储存在飞轮里再传出去;将自行车飞轮的单向吃力，演化成缺齿轮间歇吃力，用两缺齿齿轮和一（推杆）齿条配合，把带着活塞能的齿条的往复式直线运动转化成园周运动;将火力发电的蒸气压力先传给液体，再过旋龙发电。本发明由水箱（2）、（15），链条（1）、（14），（自行车）飞轮（4）、（12），轴（3），套在轴上的轴（7）、（11），发条弹簧（5）、（10）;齿条的往复式直线运动通过缺齿齿轮转化成园周运动（图5-8）;旋龙（图3）;稳定水位控制室（图2）;保温蒸气压转液压旋龙动力室（图4）等组成。当水箱（2）的水满了的时候就可带着链条（1）往下拉，链条（1）通过（自行车）飞轮（4）可带动轴（3）转动，因为是（自行车）飞轮，所以只能带着轴（3）向一个方向转，而轴（3）本身有棘爪控制不能倒转，只能按图示方向转动，发条弹簧（5）和轴（3）相连，转动的轴（3）可将弹簧象闹钟发条一样扭紧，其弹力越扭越大，可以使水箱正好下到水库坝外水面时速度为零，水的势能全部转化成了弹性势能，此时将水放掉，再重新把空水箱提起来装水。由于轴（3）不能倒转，扭紧的弹簧，就会通过（6）拉动和（6）是一个整体的轴（7）转动，轴（7）上有齿轮（8）带了负荷只能较缓慢地转。与水箱（2）相类似，水箱（15）拉着链条（14）通过（自行车）飞轮（12）带动不能倒转的轴（11）转动，将弹簧（10）扭紧，弹簧（10）再通过（9）使轴（7）向同一方向转动。用这样的方法还可以增加水箱的个数（如图1虚线所画），水箱上升和下降的时间可错开来使弹力均衡，轴（7）转动匀速，也可合并在一起，做成一个大水箱，让船都可能开进里面去。如果不考虑摩擦，从理论上就可以一箱一箱地将水所有的势能先转化成弹性势能，同时又将弹性势能转化成较落后的园周运动以转动能的形式传出去。在这里，连着水箱的链条就象半踏骑自行车时不断往返的自行车链条一样，链条的往复式直线运动转化成了连续的园周运动。链条的作用力始终作用在飞轮的切线上，内燃机、蒸气机的气缸活塞也是作往复式直线运动，依相类似的方式也可得到转动能。不过要在推杆上设齿（齿条），推杆就可相当于连着水箱（2）的链条。推杆上的齿可分成前后两部分，一部分在杆的左边，一部分在右边。气缸内气体猛烈燃烧瞬间可理解为小能量的爆炸，在爆炸直径内，气体体积由小高加速度变大，通过活塞推动推杆猛烈前进，推杆前端部分的齿等于爆炸直径，它可垂直地作用在象自行车飞轮一样只能单向吃力的斜齿轮上将一强劲弹簧猛然扭紧，弹簧的弹力和爆炸气体的体积一样由小高加速度地变大，从而将爆炸能全部转化成弹性势能。爆炸之后，由于贯性，气体体积仍在扩大，但速度已减少，这部分能量通过推杆后端部分的牙，转化在另一只较细长的弹簧里，利用类似的方式，在蒸气机向气缸里充入高压蒸气时在高压蒸气的行程内，通过前齿用强劲弹簧储能，充气结束后通过后齿用细长弹簧储余能，或者内燃机、蒸气机均不通过细长弹簧，或者连弹簧都不使用，而是象自行车链条一样把能量直接传出去，或先储在大容量的飞轮里然后再传出去。链传动的效率一般可达95-97%。也可将（自行车）飞轮的单向吃力演变成缺齿齿轮单向间歇吃力。为了和气缸活塞的四冲程相吻合，可用两个缺齿齿轮和一齿条配合，只要满足下面的条件就可以将齿条的往复式直线运动和两缺齿轮的连续的园周运动互相转化：（一）一齿轮使齿条往，一齿轮使齿条复（二）往齿轮的齿部分的弧长等于复齿轮的齿部分的弧长（三）一齿轮的齿对齿条起作用的时间等于另一齿轮的无齿而不起作用的时间，根据这二个条件可作出无数种各种特性的配合。第二页附图上的所有园都表示缺齿齿轮，虚线部分为无齿处，实线部分为有齿处，图中右边的长方形为气缸。图（6、7、8）均是上、下齿轮轴平行，转速、转向相同，夹着上下有齿的推杆齿条在中间。图（6）为1/4对称齿的配合，图示是吸气冲程刚开始的位置，上齿轮转动用齿（3）把齿条（4）向左拉，气缸吸气，下齿轮同时也在转动，用无齿处（8）对着齿条而不起作用，当上齿轮的齿（3）转了90°做完吸气冲程后进入无齿处（2）时，下齿轮也转了90°，使齿（7）转到齿条（4）下齿处，将齿条（4）向右推，做压缩冲程。下齿轮齿（7）转90°做完压缩冲程，转到无齿处（6），上齿轮也转90°正好使齿条（1）转到齿条（4）上，做功冲程开始，（推杆）齿条（4）通过齿（1）推动上齿轮转动，接着又是吸气冲程开始……这种配合的缺点是齿轮和齿条啮合和脱离的次数多（1/8、1/16…对称齿的次数更多），齿条的行程相对短，一个冲程使轴转90度，和现在的连杆曲轴差 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。如果将上齿轮改成一巨大的齿轮分成若干有齿和无齿的等份，下齿轮改成更小的齿轮分成更少的等份，每一等份的弧长和上齿轮每一等份的弧长相等，下齿则要用更高转速以使上下齿轮的线速相等才能和上齿轮吻合。这种配合由于上齿轮半径很大，通过做功冲程就可以得到巨大的转动力。图（7）为两半齿轮配合：上齿轮用齿（10）把齿条（11）向左拉，做吸气冲程，下齿轮则转到无齿处（13），上齿轮转180度到无齿处（14）时，下齿轮也转180度到齿（12）处，把齿条（11）向右推做压缩冲程。下齿轮又转180度到无齿处（13），上齿轮则转180度到齿（10），做功冲程开始，齿条（11）通过齿（10）推动上齿轮转动。又是吸气冲……这种配合的特征是啮合次数少，并且每次啮合都是原来啮合的两个齿相啮合，齿条的行程相对更长，一个冲程可使轴转180度。如果增加上齿轮的有齿部分，齿条的行程还可增大，下齿则要变成一巨大齿轮，其有齿部分的弧长和上齿部分的弧长相等，其无齿部分的弧长要满足无齿部分的运动时间等于上齿轮有齿部分的运动时间。这种配合的缺点是下齿轮太大，转的也太快，易损坏轮齿，优点是压缩冲程和排气冲程可高速进行。图（8）是上齿轮为不同半径的两个同轴异心1/4齿合并为半齿轮，齿条的上齿分为两种，前左面的浅齿（16）和小1/4齿（18）相吻合，并且其长度等于小1/4齿（18）所在园的弧长，后右的深齿（17）和大1/4齿（15）相吻合，其长度等于1/4大齿（15）所在园的弧长，这两弧长的总和等于下半齿轮的齿所在园的弧长。这种配合的运转情况则和图7的基本上一样。小1/4齿是为吸收做功冲程爆炸能，大1/4齿由于半径更大齿条用很小的力就可推动它，所以它可以用来吸收爆炸余能。用同样的方法还可以在上齿分成不同的份额。图（5）是两半齿轮配合式的两个气缸一前一后相差180度地推动同一个轴（19）转动。对于单气缸的情形，上下两缺齿齿轮的轴可不平行。由于齿条硬度很高，一下接触不好就可能使齿条撞断，所以可在齿轮的中间做一条槽，在齿条上做一和槽吻合的凸起，既可使齿条不易左右移动又可增加齿条的强度。齿轮无齿处的半径宜小些，齿条和活塞相连的过渡之处，接一弹簧钢板，使齿条开始接触齿轮齿时如果不吻合也有个回复余地。齿条也可制成空心的，做一和齿条平行的稳固棒（条）穿过上下齿交界的空间伸到齿条和齿轮刚接触还更进一点的位置上，使齿条在棒上滑行，既可大力支持齿条，又可减小齿条质量，减少能耗。一般情况下，齿轮传动的效率比链传动的更高。旋龙由轮轴（303）、龙角（302）、角尾（301）组成，所有龙角向一个方向呈螺旋状流线型，龙角横截面为一长轴与轮轴平行的椭园（连着轮轴的位置可与轮轴有微小的夹角，使轴和龙角之间的过渡连结园滑），角尾出水口的外缘是以旋龙的轴心为园心的一小段园弧（305）其弧长略大于出水口椭园短轴长（304），这和椭园长轴平行于轮轴一样，都是为更有效地使水从切线方向流出（因为出水口在旋转半径方向上跨度太宽难以控制出水方向）。进水轴口要设置闸门，以控制水流量和旋龙转速，所有角尾出水口的出水面积总和要略微小于或等于进水轴的进水面积，因角尾出水口越小，水被挤压出来的速度就越快，但龙尾中的水不能及时出来就会被旋龙加速，浪费能量，影响出水速度，故而龙角的内径在旋龙能获得足够大的转动力和速度时宜小，而不能光靠减小角尾出水口来获取高速度水。角的个数不易过多，角过多会增加水与旋龙的总的接触面积而增加摩擦。进水轴要尽可能地短，因为轴旋转之后会带动轴内外的水都转动，转向和旋龙相同，而最终降低水离开角尾的速度，使水给旋龙的反作用力减小。旋龙两面可用两块园形金属板焊成园盘形，和轴平行的出水面则除了留出出水口、出水口外平（园）滑的山水过道外，均可制成封闭体，以避免每一个角都露在空气中，减少旋转时旋龙和空气正对的总面积，而降低阻力。轴进水口周围要设置导叶，既可使水流入的方向和旋龙转向相反，加快角尾出水速度，又可防止在进水口上方产生和旋龙转向相同的旋涡，但导叶所在平面到轴心的距离宜小。旋龙放的位置越低得到的水势能越大，所以旋龙放在水最珍贵的干旱时坝外最低水位之上。由于水的阻力比空气的大的多，所以旋龙要放在水面之上，这样涨水的时候就要控制水位，不让水淹到旋龙上。稳定水位控制室（图2）有一倒置的封闭室（201），下面有出水口（203），从旋龙里出来的水就被迫从下出水口流出去。控制水位则是用一口朝下放在水中的气罩（204），其上有一连通器（205）和控制室（201）相通，水位升高时，控制室（201）内的水位信号器得到信号后通知其它装置，将气罩（204）向下压，使控制室（201）内的水位下降，反之，也可使水位上升，把水位控制在所要的位置上。旋龙的下端轴伸入发电室（202），发电室和外界相通。对于小型发电机其旋龙可置于船上，船会随水上升和下降，控制其在最低水平面上。如果在旋龙进水轴口上再加一个螺旋方向相反的旋龙变成双旋龙，旋龙也会转。如果主动旋转旋龙，旋龙则可变成一个抽水（气）装置。旋龙比任何水轮的效率都高，这不关是因为旋龙的进水轴口面积，或者角尾总的出水面积比一般水电站的导管、泄水管面积小的多，可以使水的流速翻若干倍地提高，流量又以若干倍地减少，更主要是它可以最大限度地吸收一定速度的水的冲击力所做的功。这是因为：如果你手拿水皮管子（由于日常用水压力可能有时会太低，故而在皮管口上套一喷嘴或插一小木条以增加水流速）用水垂直地去冲击正对你的平板，平板在水力的作用下被推动了，但你跟前去保持水管口和平板的距离不变，这样平板就在水力的作用下做了功。因为是正对平板，所以没有任何水漏掉了，因而这是水利用其冲击力所能做的最大的功。根据作用力和反作用力的关系，水对平板有作用力，对皮管同样也有作用力，这两作用力实际上大小相等。如果不让水去推平板，而是让水推着皮管倒退，它对皮管也会做等量的功。现在让皮管变形，将它扭成只有一个龙角的旋龙让其旋转，由于向心力是不做功的，而旋龙的出水方向是既垂直于轴又在以轴为园心的园的切线上，所以水的反作用力不提供任何向心力而损耗掉能量，这样水的冲击力所发出的能量就可全部转化成旋龙的转动能。水之所以对旋龙有作用力是因为水和旋龙可看成一个系统，系统动量守恒（据此可算出旋龙得到的速度）。当旋龙刚出水之瞬间，旋龙相对于地面静止，水相对于地面速度最大，旋龙得到最大的反冲作用力迅速起动，旋龙相对于地面的速度越来越快，水相对于地面的速度则越来越慢，随着旋龙的转快，水对旋龙的反冲作用力越来越小，但只要相对地面还有速度，对旋龙就还会有反冲作用力，这一反冲作用力就要对旋龙加速下去。如果没有任何摩擦旋龙可加速到（旋龙刚出水之瞬间，旋龙静止）水所具有的相对地面的最大速度，此时水对旋龙就无法起作用了，进行了速度交换，水相对于地面静止了。还是用皮管来更详细地解释：水从皮管里冲出来，如果你以水冲出来的速度倒退皮管，水则会相对地面静止地从皮管口出来后自由下落，如果大于水冲出来的速度，水则会被拉着倒退，如果小于水冲出来的速度，水则仍会有一个更小的速度向前冲，此时水对皮管（对手）就一定还会有反冲作用力。所以只要反冲作力存在旋龙就会得到加速，当有负荷的时候，这种反冲作用力会全部用来克服负荷，就象汽车的牵引力用来克服地面摩擦力一样，属于完全有用的力，而不是水从角尾出来后相对地面有速度就是浪费了水能。然而和汽车牵引力不一样，为克服负荷而带有速度的水能仍还可以回收。用一些锅瓢状的蒸气轮叶按同一方向连成一个内径比旋龙外径略大的“蒸气轮叶环”，该环的轴套在旋龙轴上，从旋龙角尾出来的水就会相当于喷嘴里出来的蒸气一样冲击环使之向旋龙转向相反的方向转动，再利用普通的机械原理，通过可变向变速的齿轮组将环的慢速转动变成比旋龙更快的齿轮转速后把该齿轮的转力加到旋龙轴上。虽然旋龙在不考虑摩擦时可以获得经过旋龙之水所带有的所有流动动能，乃至做完功的水可再次做功，效率超过100%，但旋龙吸收水能是建立在没有利用完水的真正意义上的全部势能之上的，这是因为水在自身压力下可以被压缩，水平面实际上就相当于下降了，水的总势能就不能用下降了的高度来算，而应该加上它下降了的高度。它下降了的高度可测定出来：取一定量的水，测出其在一个大气压下的高度，该高压可认为是表面水的高度，然后分别测出其在二个、三个…十个大气压下的高度，分别用后一高度去减其前一高度所的差的总和就是（或者近似）：水在十个大气压深度的地方下降的高度。由于水面实际下降了，所以液体的比重是随液体深度而变化的，但如果液体的压强公式：液体内部某处的压强等于那里的深度跟液体比重的乘积并没有错的话，那么该公式的含意就要发生变化了，即：液体内部某处的压强等于那里的深度跟液体在一个大气压下的比重的乘积，或者跟水面上的水的比重的乘积。为了充分地利用完水的真正意义上的全部势能，有条件的情况下可采用水箱式打水发电。当把水面上的水打走了时，水所受到的压力变小，体积膨胀，吸收外界能量（太阳能等）做功，使水位上升。不断地从表面打水，就有不断地水向表面补充，其上升的总高度可以等于其下降的总高度。这种发电法可把已转化成了内能的那部分势能都重新转化回来利用。在蒸气发电中可将蒸气通入旋龙中得到转动能，但这样很会浪费能量。最好先将高压蒸气经过阀（405）通到保温蒸气压转液压旋龙动力室（图4）中的封闭室（403）之液体上（流动性好，比重大，沸点高不易降温的油最好）。坚直的导液管（404）下端伸到封闭室（403）底，上端穿过封闭室的顶带着旋龙（406）伸到储液室（401）的顶上。高压液体就可经过导液管进入旋龙中转化成转动能传出去。从旋龙（406）出来的液体储在（401）室，（401）室和（403）室通过阀门相通。从相同出口在相同的压强下出来的液体和气体其所受到的压力相同，所以在同压强下，同压同体积（一封闭室403）的蒸气和液体从相同的出口被赶出来，赶完蒸气快的多。蒸气出来后就不受到压力作用了，而还没有被赶完的液体仍受到压力作用继续外流。这样液体所得到的冲量（力乘以力作用的时间）大的多，再加上液体的质量也大的多，所以所得到的动能大的多。这和用手以最大力掷棉花和铅球相类似：棉花在瞬间就达到很大速度而与你的手同速，使手推不着它，因而大大地减少了手对棉花的作用距离和时间，所以铅球可比棉花得到大的多的动能。由于这种方法不使用大量极易流动、膨胀的气体（蒸气）不停地去冲击蒸汽轮机，且蒸气是把液体慢慢压出来的，所以蒸气的实际产出量也减少很多，故而可大大地减少损失的能量。因赶液体而进入封闭室（403）的蒸气可通过阀（402）放出而它用。

    本发明克服了水，火力发电站各种轮叶因设计形状而必然存在的不能全面吸收水能、蒸气能，及因水、蒸气冲击轮叶时发生非弹性碰撞所损失能量的问题，克服了蒸气机、内燃机气缸活塞往复式直线运动转化成园周运动中非摩察力所造成的损失能量的问题，从而可节省大量能源，完成了本发明所提出的任务。

    附图：图1为水箱式往复直线运动转化成园周运动结构图

    图2为旋龙水位控制发电室。

    图3为旋龙的府视图。

    图4为保温蒸气压转液压旋龙动力室。

    图5是齿条和两半齿轮配合式的两缸内燃机工作原理图。

    图（6、7、8）分别是齿条和1/4对称缺齿齿轮、半齿轮、1/4小齿轮与1/4大齿轮合并为半齿齿轮三种配合式的单缸内燃机工作原理图。