山区渠道漩涡式发电排沙装置的研制

段晓芳，张延贺，张宗江，王建新，2

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

改革开放之初，我国涌现出一大批关注排沙治沙方面的专家，通过试验验证了王庆祥[1]等人设计的螺旋流装置对渠道推移质泥沙有较强的排沙能力，结构简单、排沙方便、耗水量小、简单而实用。俞健[2]提出的螺旋漏斗及涡管排沙技术只有在河流具备一定的地形条件下才能使用，而边玉国等[3]提出的蜂窝式水力发电技术因可均衡受力、环保性能好、提供的电能稳定受到青睐。中国专利文献CN2673955Y中公开了一种涡环流排沙装置[4]，该装置可将泥沙送进排沙孔来减少排沙所需耗水量，但是无法将过滤后的清水产生的能量有效利用。中国专利文献CN204610129U中公开了一种利用水流漩涡发电装置[5]，该装置可利用渠道中水流形成的高差促使扇叶转动发电，但是该装置在含沙量大的河流中使用时，泥沙会磨损装置本身，也不能长久使用。张琦杰[6]提到，传统的管道输沙采用直流式，无法克服高含量的沙子与低能耗之间的矛盾，而螺旋式输沙虽然在螺旋部分有一定的水头损失，但相比于传统的单直流排沙，排沙所用的耗水量很小。水力发电需要利用水的势能和水轮发电机的转动进行发电，二者缺一不可，在此过程中，河流的含沙量起着重要作用，在利用含沙量较大的河流进行发电时，首先需要对水质进行除沙过滤，大型水库、水电站为了让水质达到一定要求，会在泵前设置排沙漏斗除沙[7-8]，但是在经济条件受限的地区，想要除沙并从中获取一定电能有一定难度，于是拟研制出一种山区渠道漩涡式发电排沙装置[9]。

1 基本原理

装置实物图如图1所示，为了装置整体的可视化和视觉效果，将前侧挡板隐藏，展现出内部结构(图2)，在一级渠道中间放置挡水板达到稳定流速的作用，将一级渠道变窄，起到束水作用。考虑到试验模拟及现实因素，拟使用螺旋式束水结构，达到聚水、提高水速的作用。天然水流经一级渠道加速后流入到与一级渠道尾部相连的螺旋式束水结构中，水流流出螺旋式束水结构的尾部时，直接快速冲击叶片(叶片的厚度起主要作用)，水流带动叶片旋转进行发电，水轮机下侧安装滤水排沙装置，带有泥沙的水流冲击水轮机叶片旋转发电，随后流入下部的滤沙装置中，排沙装置的侧壁开口连接溢流槽，并与二级渠道相连，滤水排沙装置底部安装止逆阀，采用止逆阀代替压力传感器，模拟现实情况。沙子和水自然落入滤水排沙装置中，当其重量达到设计阈值时，底部的弹簧弹起止逆阀开启实现排沙，其他时间弹簧自动回弹闭合，表层的清水从侧方溢流槽排出。

图1 整体结构实体图

2 结构详述

如图2所示，装置主体由一级渠道、二级渠道、水轮发电机、滤水排沙结构四大部分组成，整体看为“之”字形，本文重点研究滤水排沙结构(实验中用止逆阀代替)的开度大小和集束装置的开口形状。

图2 整体结构示意图结构名称：1.稳流板 2.一级渠道 3.二级渠道 4.左右挡板 5.逆止阀 6.排水口 7.后侧挡板 8.二级渠道支撑板 9.滤水排沙结构 10.排沙渠道 11.水轮发电机 12.发电装置

2.1 物理模型及概况

如图3所示，水轮机扇叶的玻璃板挖孔直径为130mm，水轮发电机扇叶直径为100mm，转轴长为200mm，直径为5mm，前期完成了有机玻璃板的粘接、装置的主体框架。本文通过对结构的改进及创新，从含沙量大的河流中更加便利地获取电能，同时起到排沙的作用。

图3 一级渠道示意图(单位：mm)

2.2 发电装置和排沙结构设计

2.2.1发电装置结构设计

该部分如图4—5所示，为更好达到发电排沙的同时作用，拟将一级渠道尾部下端连接螺旋式束水结构达到聚水的目的，将一级渠道尾部底端开口圆心、螺旋状收集装置中心、扇叶中心三点一线，渠道末端与螺旋式水槽相连，当水流快速流出时，冲击叶片正中央引起转动，以此带动水轮发电机发电。水轮发电机外接小灯泡(发电装置)。

图4 滤水排沙结构示意图(单位：mm)

2.2.2滤水排沙结构

该部分如图5所示，水轮发电机转动时，泥沙因自身自重沉入该结构底部，表层清水通过侧方溢流槽流出，当底部泥沙达到所设计的阈值时，止逆阀自动打开，将泥沙排出，排沙口倾斜放置，便于排污。实际工程中可用压力传感器代替止逆阀。

图5 滤水排沙结构实物图

3 试验效果及结论

经试验初步探究，安装螺旋式束水结构后，水流可以垂向冲击扇叶转速较快，灯泡较亮，在大股水流的作用下，扇叶转速更大，更容易发电且能量损失最小，故此将螺旋聚水结构连接渠道尾部，水流通过螺旋状聚水结构，可正向垂直冲击扇叶中央，致使水轮发电机发电，实际工程中有蓄能装置可保障电能稳定输出。本方法主要涉及水利水电工程领域，将节能减排、排沙、发电集一体，在含沙量大的河流中快捷高效地获取电能，但没有整体实现自动化，后期可以用压力传感器代替传统排沙。物理模型缺少能源收集装置，在实际中可以利用能源收集装置收集电源并提供稳定的电，还有可需改进的空间。

4 后期改进

本装置整体采用“之”字形，在实际应用中可无限连接下层渠道，原理简单，实际工程操作起来方便，进水端加阀门来控制流量，稳定流速；止逆阀通过试验沙子和水的重量找到合适的弹簧范围，达到设计值时止逆阀开启，弹簧弹起自动关闭，实际工程可利用压力传感器控制开度；止逆阀把大部分泥沙排出，溢出排沙装置向下级渠道的是相对比较清的水，最终可利用的为清水；利用Fluent、Ansys、Orange等模拟软件将模型更好地表示出来，后期可融入新的推广理念，利用互联网背景，将本文做到最大程度的应用，使本方法具有最大的实际应用价值。

5 发展前景

该装置在满足发电需求的同时，可大大减少排沙所需耗水量。据相关数据显示，该装置每通过1m3/s带有泥沙的水流，一年期间可节约200万m3左右的排沙所需耗水量，相当于一座中型水库的蓄水量[10]，在排沙的同时可以解决一个小村庄的基本用电需求，有较好的应用前景，在理论和实践方面有较大意义。由于偏远地区缺乏相应的过滤排沙系统和能源收集系统，因此很难从水位差中获取优质的电能，本发明主要应用于山区及水位差较大的地方，采用“之”字形，呈梯度排列，可从含沙量较大的河流中高效获取电能；在实际应用中，建造方便、节省空间。可稳定输出电能，且水轮机组的发电量较大，将多台设备结合起来，为偏远地区提供用电需求；内部可形成稳定的空气流漩涡，滤沙装置的巧妙运用，可大大减少排沙耗水量，在工程实践时，可对当地实际情况进行考究，找出最适宜坡度，排沙装置底部安装力传感器，进行最大效率地发电和排沙；本发明适用于含沙量较大的河流中，不会对装置本身造成破坏，可供长久使用，利用的是水能发电，在发电的同时进行排沙，将水资源高效利用，提高发电质量；符合当今时代特点，在“能源革命”之际，应该充分利用这些能源，以谋求经济社会、节约型社会的长远发展。

通过能源收集装置进行发电，可起到发电排沙同时作用，为山区居民用电提供保障，也可将电能用于照明、工厂发电等其他用途，产生的电能可减少居民日常在用电方面的消耗、也为工厂等企业的用电提供部分电能。偏远地区供电不方便，此装置可以利用自然界中行进的水流进行发电，利用能源收集系统持续、稳定地输出电能，可供居民用电、也可为当地工厂等需要电能的地方提供有力保障，可在实际工程中得到较大程度应用[11]。

6 结语

本文通过研制山区渠道饮水排沙装置，细述了装置的结构设计和发电排沙原理，通过多方分析验证及试验效果可得：在保证安全的前提下，当大股流垂直冲击叶片时，扇叶旋转速度最大，水轮发电机的发电效率越高。该方法运用到工程实践中，布置紧凑、运行管理方便、工程投资较小，可为类似工程设计提供一定借鉴作用，本发明通过对结构的改进及创新，能够从含沙量大的河流中更加便利地获取电能，同时可起到排沙的作用。但该装置没有实现整体自动化和智能化，未来可将新的推广理念融入其中，效果更佳。