水轮机动力抽吸式马桶技术领域
本发明涉及一种水轮机动力抽吸式马桶，特别是一种利用自来水做动力，驱动水
轮机实现搅碎抽吸功能的水轮机动力抽吸式马桶。
背景技术
目前，马桶生产厂家众多，款式多样，共同技术缺陷有四种：其一，能源浪费导致水
资源浪费。自来水既是清洗剂又是能源，将粪便冲过S弯进入下水道，所需能量完全来自自
来水。伯努利方程：![]()
是流体机械能守恒的表达式。若将式中各项的单
位由n/m2改写为n*m/m3(即j/m3)就会发现：式中三项表示三种流体机械能的能量密度，其中
![]()
表示动能密度，ρgh表示重力势能密度，P表示因水压而具有的另一种势能密度。关闭
自来水闸阀时，自来水的能量密度等于p+ρgh，此时压力P非常大(达到数个大气压)说明自
来水的能量密度非常大。打开闸阀时P和ρgh可随机转化为![]()
成为冲马桶的理想能源。
但是目前几乎所有马桶在将自来水注入水箱的过程中，其能量几乎耗尽，仅剩下ρgh，且h仅
为水箱中水面与S弯封堵水面之间的高度差。由于水箱中的水能量密度很小，所以要得到足
够能量将粪便冲过S弯，就必然要释放大量的水。
其二，清水与粪便参混导致水资源浪费，由于在冲马桶过程中清水与粪便连续参混，所
以最终存留于S弯处的封堵液只能是稀释液，要想使封堵液接近于清水，冲马桶的用水量必
须要大，而且越大越好。
其三，S弯不可开启，一旦有异物冲入卡在管道中，很可能会无法取出，最终不得不舍弃
更新。
其四，容易堵塞。出于节水考虑，一般家庭不会无休止大量用水，封堵液稀释程度不高，
经年累月S弯处不断结垢，使有效过水截面不断减小，经常堵塞，令人苦不堪言，最终不得不
弃旧更新。
发明内容
本发明的目的在于克服传统马桶对自来水资源的极大浪费，以及因S弯不可开启，
异物卡入无法取出，结垢无法清除，使马桶有效使用年限大大缩短的技术缺陷。提供一种由
自来水驱动水轮机，水轮机带动螺旋桨和搅拌刀，将S弯封堵处的大小便(大便经搅碎稀释)
抽入下水道的水轮机动力抽吸式马桶。这种新型马桶由于充分利用自来水的能量，所以可
以将大便轻松搅碎并且送出S弯。自来水先流经水轮机将水轮机启动，然后方可流入马桶空
心边框经小孔注入便盆。于是在S弯处就形成了：粪便不断被抽出清水不断循序跟进的效
果。这就充分避免了清水与粪便的参混，所以用水最省，冲得最净。冲马桶后存留于S弯处的
封堵液完全为清水，不易结垢。水轮机的安装位置成为S弯的可开启处，即便结垢或异物卡
入，也可以清除。这种新型马桶不仅可以更大程度的节约用水，而且可以大大提高马桶的使
用年限。
本发明的技术方案：一种基于水轮机的抽吸式马桶。水轮机的外壳包括容纳叶轮
的蜗室(11，21)和支持叶轮转轴(18，31，413)的轴承保持体(12)，二者固为一体。
进一步地，切向于蜗室(11，21)侧壁设有自来水入射口(13，23，49)，在蜗室(11，
21)的上部中心位置设有蜗室出水口(14，410)。
进一步地，由于在蜗室(11，21)中自来水把大部分动能传递给了叶轮，所以蜗室出
水口(14，410)处的流速v2远小于自来水入射口(13，23，49)处的流速v1。根据流动的连续性
原理v1s1＝v2s2，蜗室出水口(14，410)的横截面积s2远大于自来水入射口(13，23，49)的横截
面积s1。
水轮机的叶轮封闭于蜗室(11，21)内，固定于叶轮底盘(15)并与叶轮同步转动的
叶轮转轴(18，31，413)贯穿轴承保持体(12)，在其下部由上至下顺次固定安装有螺旋桨
(32，411)和搅拌刀(33，412)。
进一步地，所述叶轮包括叶轮底盘(15)、叶片(17，22)、叶片上盖(16)，三者固为一
个整体。叶片(17，22)是母线垂直于叶轮底盘(15)的弯曲面。
进一步地，所述叶轮上盖(16)为圆锥面，使得相邻叶片所构成通道的高度由外到
内逐渐增大。这样可弥补该通道由外到内的逐渐变窄，使得每个叶轮通道的横截面积保持
不变。
本发明所涉及马桶上部设有空心边框(41)，空心边框(41)朝向便盆内侧，沿周边
设有均匀分布的细密注水孔。空心边框(41)朝向后方设有空心边框入水口(42)。
上述马桶的下部设有不同于传统马桶的S弯(在马桶通往下水道处存在一个可留
住封堵水，隔绝下水道臭气的结构，俗称S弯)按照功能的不同，整个S弯被划分为：S弯入口
(44)，S弯螺旋桨位段(45)，S弯水平溢出段(46，51)，S弯壶腹承接体(47，52)，S弯连接下水
管网段(48)五个部分。S弯螺旋桨位段(45)为上部大下部小的圆锥管。S弯水平溢出段(46，
51)为斜削出水平上口的倾斜圆管，水平上口的位置确定了封堵水的最高水位。
进一步地，所述S弯壶腹承接体(47，52)的上部端口设有可以安装或拆下水轮机的
构件，使该端口成为S弯的可开启处。水轮机叶轮转轴(18，31，413)伸入S弯深处，其下部安
装的螺旋桨(32，411)位于S弯螺旋桨位段(45)，搅拌刀(33，412)位于S弯入口(44)的深处。
进一步地，在所述马桶后部便盆的外侧，设有大便稀释注水管(43)，其上端开口于
空心边框入水口(42)附近，下端开口于搅拌刀(33，412)的上方。
进一步地，所述水轮机蜗室出水口(14，410)通过软管与马桶空心边框入水口(42)
相连接。
为了充分提高自来水能源的利用效率，本发明在自来水管网与水轮机的接合处设
有压力继能装置。包括压力罐(61)，水口罩(62)，自来水管网接口(63)，阀体(64)和阀体出
水口(65)。
进一步地，所述自来水管网接口(63)与自来水管网相连接。所述阀体出水口(65)
通过软管与水轮机蜗室的自来水入射口(13，23，49)相连接。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明主要部件水轮机的正视剖面图。
图2是本发明水轮机沿剖面线A-A的垂直于转动轴的剖视图。
图3是本发明叶轮转轴下方所固定的螺旋桨和搅拌刀的实物图。
图4是本发明水轮机、螺旋桨、搅拌刀与马桶结合安装的示意图。
图5是本发明S弯壶腹承接体沿剖面线B-B的剖视图。
图6是本发明压力继能装置具有局部剖面的正视图。
图7是本发明压力继能装置中水口罩沿剖面线C-C的剖视图。
具体实施方式：
本发明所涉及水轮机如图1、图2、图3和图4所示：水轮机的外壳由蜗室11，轴承保
持体12、自来水入射口13、蜗室出水口14四部分组成。蜗室出水口14，410处的流速v2远小于
自来水入射口13，23，49处的流速v1。根据流动的连续性原理v1s1＝v2s2，蜗室出水口14，410
的横截面积s2远大于自来水入射口13，23，49的横截面积s1，前者是后者的近30倍。封闭于蜗
室内部的叶轮由叶轮底盘15、叶轮上盖16和叶片17三部分组成，三者固为一体。叶轮上盖16
可将所有叶片的上部连为一体，有效防止高速旋转中离心作用所引起的叶片上部外张，充
分提高叶轮的机械强度。叶轮转轴18贯穿轴承保持体12，上端伸入蜗室11与叶轮底盘15固
为一体，下端伸出轴承保持体12，向下依次固定安装螺旋桨32和搅拌刀33。自来水入射口13
通过软管与阀体出水口65相接。开启阀体64，自来水形成高速射流由自来水入射口13进入
蜗室11。由于是沿切向射入，所以射流进入蜗室11后立即紧贴蜗室内壁作旋转运动。由于后
方流体连续不断射入，所以这种旋转流体必须不断收缩半径，并且必须通过所有相邻叶片
所构成的通道才能由外及内地到达中部蜗室出口水14。在此过程中水流不断与叶片发生相
互作用，把水流的动能传递给叶轮。由于对叶片17和叶轮上盖16的形状以及自来水入射口
13和蜗室出水口14口径大小的合理设计，所以实现了自来水与叶轮之间动能传递效率的最
大化。本实施例中，水轮机也可不包括轴承保持体。
本发明马桶的下部设有不同于传统马桶的S弯(在马桶通往下水道处存在一个可
留住封堵水，隔绝下水道臭气的结构，俗称S弯)按照功能的不同，整个S弯被划分为：S弯入
口44，S弯螺旋桨位段45，S弯水平溢出段46，51，S弯壶腹承接体47，52，S弯连接下水管网段
48五个部分。S弯螺旋桨位段45为上部大下部小的圆锥管。S弯水平溢出段46，51为斜削出水
平上口的倾斜圆管，水平上口的位置确定了封堵水的最高水位。S弯壶腹承接体47，52承接S
弯水平溢出段46，51，其内径大于S弯水平溢出段的内径。图5示出了本发明S弯壶腹承接体
47，52沿剖面线B-B的剖视图。
所述S弯壶腹承接体47，52的上部端口设有可以安装或拆下水轮机的构件，使该端
口成为S弯的可开启处，便于从此处打开，清除马桶该部位的结垢、清除卡入其中的异物等。
水轮机叶轮转轴18，31，413伸入S弯深处，其下部安装的螺旋桨32，411位于S弯螺旋桨位段
45，搅拌刀33，412位于S弯入口44的深处。
本发明水轮机、螺旋桨、搅拌刀与马桶组合安装如图4所示。水轮机安装于S弯壶腹
承接体47的上部端口，蜗室出水口410通过软管与马桶空心边框入水口42连通，自来水入射
口49通过软管与自来水压力继能装置下部的阀体出水口65连通。叶轮转轴413伸入S弯，螺
旋桨411位于S弯螺旋桨位段45，搅拌刀412位于大便稀释注水管43通入S弯的水口的正下
方。对S弯水平溢出段46的功能描述如下：S弯水平溢出段46被斜削成紧密承接S弯螺旋桨位
段45的水平上口的倾斜圆管，可充分减少螺旋桨411对粪便溶液向上推进的距离，因为在螺
旋桨的作用下，粪便溶液上升伴随旋转，由于离心作用，粪便溶液一旦越过S弯螺旋桨位段
45，就会立刻甩入S弯壶腹承接体47，然后自行落入S弯连接下水管网段48，进入下水道。冲
马桶结束后，阀体64关闭，空心边框41中剩余的清水继续注入马桶，S弯水平溢出段46可将
清水留住成为封堵水。
对S弯螺旋桨位段45的形状为什么做成下部小上部大的锥形管描述如下：如果将S
弯螺旋桨位段45做成上下等大的圆桶形状，那么螺旋桨411的抽吸功能将完全依赖于大气
压(螺旋桨在转动传送的过程中，液体流动在螺旋桨后端形成低压区，水流在大气压力作用
下，压迫后方液体跟进)，当水流过速，S弯入口44的上缘露出水面、空气能够进入时，螺旋桨
411的抽吸功能就会丧失，这时S弯中的粪便溶液往往还有剩余。需要等到由空心边框41注
入的清水到达S弯入口44，使液面提升重新埋没S弯入口44，抽吸功能才能恢复。在此抽吸功
能出现间断的过程中，流动的清水注入静止的粪便溶液，二者必然发生参混。之后这样的参
混过程还会重复出现，这于充分节水十分不利。若将S弯螺旋桨位段45做成如图4所示上部
大下部小的圆锥形，螺旋桨411的抽吸功能将不完全依赖大气压，在S弯入口44露出水面、空
气能够进入的情况下，旋转的粪便溶液在离心力的作用下，仍可源源不断沿着圆锥面上升，
使抽吸作用不出现间断，所以随后到达S弯入口44的清水与前方粪液形成循序跟进，充分避
免了二者的参混，使节水效果达到最佳。
本发明在所述马桶后部便盆的外侧，设有大便稀释注水管43，其上端开口于空心
边框入水口42附近，下端开口于搅拌刀33，412的上方。对大便稀释注水管43的作用描述如
下：大便必须经过搅碎和稀释之后，螺旋桨411才能对其产生推进作用。冲马桶时，需要大便
混在水中一齐进入S弯入口44，搅拌刀412才能有效对其搅碎和稀释。对于污物排出量较大
的情况，大便进入S弯入口44会将其塞满，冲马桶时，水被隔绝在后方无法参与稀释，虽经搅
碎但十分粘稠的大便极易粘附在螺旋桨411上，使其推进作用减小甚至丧失。大便稀释注水
管43避开了S弯入口44对参与稀释的水可能出现的阻断，由马桶外侧直接将水从搅拌刀412
的上方注入，非常可靠地解决了大便的搅碎和稀释。
为了充分提高自来水能源的利用效率，本发明在自来水管网与水轮机的接合处设
有压力继能装置，如图6所示，其包括压力罐61、水口罩62、自来水管网接口63、阀体64、阀体
出水口65。压力罐61为顶部封闭、底部开口的竖直罐体。自来水管网接口63与自来水管网相
连接。阀体出水口65通过软管与水轮机蜗室的自来水入射口13，23，49相连接。自来水管网
接口63接入自来水管网，关闭阀体64，这时自来水在强大压力作用下由自来水管网接口63
进入压力罐61，压力罐61中密闭空气受到压缩，将相当一部分自来水的能量存贮于罐中。于
是水轮机就具有了双重能量来源：一是自来水管网，二是压力罐61。以老旧社区的二楼为
例，阀体64关闭，自来水的压力以及压力罐61中密闭空气的压力二者相等，约为0.4兆帕。需
要冲洗马桶时，开启阀体64，P+ρgh立即向![]()
转化(其中，P为自来水管网的压力，ρgh为自
来水管网存储水的势能，v为自来水流动的速度)，自来水急速流动，自来水管网的输出压力
P立即降至0.2兆帕以下。如果自来水管道较细较长，捌弯多，那么来自自来水管道的阻力就
会很大，这时自来水管网的输出压力P会降至0.1兆帕甚至更低。这就为压力罐61的能量输
出创造了条件，由于此时内外存在巨大压力差，所以罐中压缩空气迅速膨胀，将罐中水急速
推出，会同直接来自自来水管网63的水一并进入水轮机，使水轮机获得加倍的动力。
水口罩62为上部封闭，侧壁向四周有开口的小圆桶，下部开口与压力罐61的入口
相连通，设置在压力罐61的下方入口处，其作用是防止进水时水流向上喷出罐内水面与罐
内上方空气相互作用而在水中产生气泡。在没有水口罩的情况下，如果进水后又紧接着放
水，则没来得及升出水面的气泡就会混在水中排出罐外，久而久之会使罐中密闭空气越来
越少，使其可以存贮的能量逐渐减少。综上，设置压力继能装置，可使本发明水轮机动力抽
吸式马桶的适用条件大大降低，对自来水管道阻力以及楼层高度放宽要求。图7示出了本发
明压力继能装置中水口罩沿剖面线C-C的剖视图。
综上，本申请涉及一种基于水轮机的动力抽吸式马桶，马桶上部具有空心边框，空
心边框朝向便盆内侧沿周边具有均匀分布的细密注水孔，空心边框后方具有入水口。在马
桶的下部具有不同于传统马桶的S弯，根据功能划分为：入口段，螺旋桨位段，水平溢出段，
壶腹承接体，连接下水管网段。马桶后部便盆的外侧具有由空心边框通向S弯入口深处的大
便稀释注水管。安装于壶腹承接体上部端口的水轮机，其外壳包括蜗室和轴承保持体。切向
于蜗室侧壁设有自来水入射口，蜗室上部中心位置设有蜗室出水口。水轮机叶轮封闭于蜗
室内部，叶轮转轴贯穿轴承保持体，在其下部由上至下依次安装螺旋桨和搅拌刀，二者分别
位于S弯螺旋桨位段和S弯深处大便稀释注水管管口的正下方。水轮机蜗室出水口利用软管
与空心边框入水口接通，水轮机自来水入射口利用软管与阀体出水口接通。冲马桶的全过
程是：开启阀体，自来水通过软管由水轮机自来水入射口进入蜗室将叶轮驱动，然后由蜗室
出水口流出，再经过软管由空心边框入水口进入空心边框，再由沿空心边框周边均布的细
密注水孔进入便盆，冲洗便盆最后汇入S弯入口。由于新型S弯可使螺旋桨的抽吸动能不完
全依赖于大气压，使抽吸过程不出现间断，这就形成前方粪液不断抽走，后方清水连续跟进
的循序流动，最大限度地避免了清水与粪便的参混，使一次冲马桶的用水量达到最小。大便
稀释注水管直接将一部分清水引向搅拌刀，使大便在未到达螺旋桨之前已被充分搅碎和稀
释，可以像小便一样顺利被螺旋桨抽走。壶腹承接体的上部端口设有可以安装或拆下水轮
机的构件，使这里成为S弯的可开启处，便于随时打开，更换损坏部件以及清洗S弯处的水
垢。
本发明不局限于此实施方式，任何在本发明实施例基本精神上的改进或替代，仍
属于本发明权利要求所要求保护的范围。