一种双层反螺旋分级鱼道
技术领域
本实用新型涉及水利枢纽工程技术领域，具体涉及一种双层反螺旋分级鱼道。
背景技术
目前鱼道的型式很多，主要是水池式鱼道、挡板式鱼道、竖缝式鱼道等技术性鱼道和生态鱼道，其设计目标往往单一，主要是针对一两种主要经济鱼类或国家重点保护性鱼类，但天然河流水生态系统中一般有数十种甚至数百种鱼类，各种鱼类洄游期及洄游流速不同，因此传统鱼道具有很大的局限性。
为解决鱼的洄游流速不同的问题，申请号为201520844111.0，实用新型名称为具有多级流速通道的生态鱼道的中国实用新型专利，该鱼道由鱼池、低流速过鱼通道、中流速过鱼通道、高流速过鱼通道组成。三个不同流速的过鱼通道均形成于鱼池内，延伸方向也均与水流方向保持一致。但该方案存在以下问题：
1.生态鱼道的底坡坡度缓，要求水头小且占地大，因此工程上可适用性差。
2.该方案未解决有机物质在上下游的输移和交换的问题，应当更加重视生态环境保护以及水环境保护。
3.该方案所述鱼道不适用于各种鱼类的洄游需求，鱼类的生态群落特性客观上需要一种有广阔包容性、输鱼效率高的鱼道，以满足各种鱼类的洄游需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服上述技术存在的缺陷，提出一种双层反螺旋式分级鱼道，利用螺旋泵原理，采用自动和电动相结合的鱼道运作方式，使鱼借助鱼道自身的升力洄游，并及时反馈水位情况决定是否启用电动机，清洁节能，便于组装维护，过鱼效率高，利于上下游有机物的输移和交换，解决了鱼的洄游困难问题。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种双层反螺旋分级鱼道，包括依水流方向依次设置的多级分级池，相邻的上游分级池与下游分级池之间均由隔墙隔开，隔墙的高度随水流方向依次递减；
上游分级池与下游分级池之间设置有螺旋结构，螺旋结构的上端通过固定杆支撑在固定装置上，固定装置设置在上游分级池中，螺旋结构的下端通过固定杆支撑在下游分级池中；
螺旋结构包括内筒、外筒、外螺旋叶片、内螺旋叶片和转动轴，转动轴的上端通过转动轴承一与上游分级池的固定杆转动连接，转动轴的下端通过转动轴承一与下游分级池的固定杆转动连接；内螺旋叶片固连在转动轴上，内筒固连在内螺旋叶片上，外螺旋叶片固连在内筒外侧壁上，外筒固连在外螺旋叶片上，内螺旋叶片与外螺旋叶片的旋向相反，内筒的两端均伸出外筒外,内筒的下端浸入水中；
隔墙上开设有通水口，通水口向外延伸至外筒的上端，上游分级池的水通过通水口流入外筒中，水流冲击外螺旋叶片，带动内筒、内螺旋叶片和转动轴一起转动，在内螺旋叶片的作用下，下游分级池中的水通过内筒流向上游分级池，下游分级池中的鱼从内筒下端进入内筒中，并从内筒的上端进入上游分级池中。
优选地，为了实现有驱动装置驱动转动轴主动转动，转动轴的上端套设一个直齿锥齿轮一，在固定装置上设置直齿锥齿轮二，直齿锥齿轮一与直齿锥齿轮二啮合，直齿锥齿轮二由设置在固定装置上的主电机驱动转动。
优选地，固定装置包括支撑筒，支撑筒内固设有支撑台，主电机设置在支撑台上，主电机的输出轴朝上设置，并与支撑筒的中心线平行，输出轴上连接有齿轮，主电机的上方设置有旋转外筒，旋转外筒底部与主电机之间具有空隙，旋转外筒底端具有向上凸起的空腔，空腔内壁上具有齿槽，主电机输出轴上的齿轮位于该空腔内，并且齿轮与空腔的齿槽啮合，电机带动旋转外筒转动，旋转外筒的外侧壁上固连有托盘，直齿锥齿轮二固定套设在旋转外筒外侧壁上并支撑于托盘上，主电机带动旋转外筒及直齿锥齿轮二一起转动。主电机设置在支撑筒内，两个直齿锥齿轮均位于支撑筒顶部，均可实现防水，由主电机、旋转外筒及两个直齿锥齿轮构成了驱动转动轴主动转动的驱动装置。
优选地，主电机输出轴上套设有压力轴承，压力轴承位于旋转外筒底部与主电机之间的空隙内。该旋转外筒落在压力轴承的外圈上，压力轴承将旋转外筒上的压力承载在主电机上，减轻了对主电机输出轴的压力，可以防止旋转外筒转动时会产生晃动，并且不影响旋转外筒及输出轴的旋转。
优选地，为了实现在上游水位不足时，可以自动启动主电机，在旋转外筒内设置圆台体，圆台体的外表面上设置有多个第一滑轨，沿圆台体的轴线方向向下观察，所有的第一滑轨呈辐射状分布，每个滑轨上滑动连接有一个凸块，凸块的顶部与环状悬挂台滑动连接；直齿锥齿轮二上开设有卡口，与直齿锥齿轮二连接的旋转外筒侧壁上开设有孔口；孔口上方的旋转外筒内侧壁上固连有若干个环状悬挂台，环状悬挂台设置在靠近孔口的位置，环状悬挂台上连接有若干个第二滑轨，第二滑轨中滑动连接有滑托，滑托与凸块的顶部连接；
圆台体的顶端转动连接有移动装置，移动装置能够带动圆台体在旋转外筒内上、下移动；移动装置带动圆台体上移时，滑托在第二滑轨上向远离旋转外筒中心的方向移动，同时圆台体上的凸块沿着第一滑轨下滑至圆台体底端，凸块穿过旋转外筒的孔口伸入直齿锥齿轮二的卡口中，将圆台体、旋转外筒及直齿锥齿轮二固连在一起；移动装置带动圆台体下移时，滑托在第二滑轨上向靠近旋转外筒中心的方向移动，同时圆台体上的凸块沿着第一滑轨上滑至圆台体顶端。
优选地，移动装置包括凸条、移动齿轮、移动杆、固定台、插销、齿槽、凹槽和护栏，移动杆的外表面上对称设置有两个凸条，两个凸条沿平行于移动杆轴线的方向设置，移动杆上沿长度方向开设有若干个齿槽；
固定台固定在护栏上，护栏固接在支撑筒顶端，固定台具有两个，两个固定台上均开设有半圆形槽，半圆形槽的弧顶处开设凹槽，两个固定台通过插销固连在一起，围合形成一个竖向的圆形通槽，通过凸条滑动卡设在凹槽中，将移动杆连接在圆形通槽中，其中一个固定台上沿垂直于移动杆的方向开设有通槽，通槽中设置有移动齿轮，移动齿轮连接在伺服电机的输出轴上，移动齿轮与移动杆上的齿槽啮合；移动杆的下端套设在转动轴承二的内圈上，转动轴承二的外圈与固连在圆台体顶端的圆形转盘相连。
进一步优选地，在上游分级池中设置水位检测及电动装置，水位检测及电动装置包括液位传感器、输入防水绝缘导线、单片机、输出防水绝缘导线一、输出防水绝缘导线二、主电机及伺服电机，液位传感器竖直置于上游分级池中，通过输入防水绝缘导线将单片机输入端与液位传感器相连，通过输出防水绝缘导线一将单片机输出端与主电机相连，通过输出防水绝缘导线二将单片机输出端与伺服电机相连，单片机设置在支撑筒内。
作为优选实施例，液位传感器采用HM21F防雷液位变送器，单片机采用stm32F103VET6，电机驱动采用BTN，主电机采用直流减速电机。
优选地，圆台体与旋转外筒的连接方式为在圆台体底端固连载台，载台外侧壁上具有呈十字形设置的凸台；旋转外筒内壁上一体连接有四个固定块，四个固定块呈十字形设置，每个固定块上都具有竖向滑槽，凸台与固定块对应设置，且凸台滑动设置在固定块的滑槽中。
优选地，内筒的上端为敞口朝外的喇叭口结构，喇叭口出口处角度略向水平线以下倾斜，便于鱼从下游分级池通过内筒落入上游分级池。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用双层反螺旋结构可以使鱼借助鱼道自身的升力洄游，不再需要考虑鱼的喜好流速，清洁节能，且有利于上下游有机物的输移和交换，余水还可吸引鱼群靠近鱼道，在上游水头不足时还可以自动启用电动机运行。
本实用新型所述分级鱼道可通过水位检测装置监测的形式，控制上游水位的上、下限，自动实现自动输鱼与电力驱动输鱼之间的切换，保证鱼道的正常使用。此装置减小了鱼道的占地面积，易于组装和维护，解决了鱼的洄游困难问题。
附图说明
图1显示了分级鱼道整体结构；
图2显示了上游分级池的结构；
图3显示了螺旋结构及固定装置的结构；
图4显示了螺旋结构上端的结构；
图5显示了螺旋结构下端的结构；
图6显示了圆台体上下移动时的结构连接情况，其中6a显示了圆台体下移后的结构，其中凸块未伸出旋转外筒，6b显示了圆台体上移后的结构，其中凸块伸出旋转外筒与直齿锥齿轮二固定在一起；
图7是第二滑轨与滑托的连接结构；
图8显示了凸块与旋转外筒的连接情况，8a中凸块未与旋转外筒连接，8b中凸块伸出旋转外筒外；
图9显示了凸块在圆台体的第一滑轨上下滑动的结构，9a中凸块位于第一滑轨顶端，9b中凸块位于第一滑轨底端；
图10显示了载台上凸台与固定块的连接结构；
图11显示了移动装置的爆炸视图结构；
图12显示了水位检测及电动装置的工作原理；
图13显示了凸块顶部和环状悬挂台之间的连接结构；
图14显示了滑托连接凸轮与环状悬挂台后的结构。
图中：10-螺旋结构，11-内筒，12-外筒，13-外螺旋叶片，14-内螺旋叶片，15-喇叭口，16-转动轴，21-转动轴承一，22-固定杆，23-支撑筒，24-直齿锥齿轮一，25-直齿锥齿轮二，251-托盘，252-圆台体，253-载台，254-凸台，2551-凸块，2552-滑托，2553-第二滑轨，2554-卡口，2555-孔口，2556-圆形转盘，2557-环状悬挂台，2558-第一滑轨，2559-固定槽，256-固定块，257-空隙，258-空腔，259-压力轴承，26-支撑台，27-移动装置，2701-凸条，2702-移动杆，2703-齿槽，2704-齿轮，2705-固定台，2706-插销，2707-凹槽，2708-护栏，2709-转动轴承二，28-旋转外筒，30-拦污栅，40-通水口，50-溢流口，60-水位检测及电动装置，61-液位传感器，62-单片机，63-主电机，631-输出轴，632-齿轮，64-防水绝缘导线，6401-输出防水绝缘导线一，6402-输出防水绝缘导线二，65-伺服电机，70-隔墙，80-分级池。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型一种双层反螺旋式分级鱼道的技术方案作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单变换后的方案均属于本实用新型的保护范围。
如图1-9，本实用新型实施例中，一种双层反螺旋式分级鱼道包括依水流方向依次设置的多级分级池80，相邻的上游分级池与下游分级池之间均由隔墙70隔开，隔墙的高度随水流方向依次递减。
鱼道的安装高程根据鱼洄游季节的水文资料来设计，安装倾角在30°到40°为宜，最大程度实现无附加动力的自动输鱼。
上游分级池与下游分级池之间设置有螺旋结构10，螺旋结构的上端通过固定杆22支撑在固定装置上，固定装置设置在上游分级池中，螺旋结构的下端通过固定杆22支撑在下游分级池中；螺旋结构10包括内筒11、外筒12、外螺旋叶片13、内螺旋叶片14和转动轴16，转动轴16的上端通过转动轴承一21与上游分级池的固定杆转动连接，转动轴16的下端通过转动轴承一21与下游分级池的固定杆转动连接；内螺旋叶片固连在转动轴上，内筒固连在内螺旋叶片上，外螺旋叶片固连在内筒外侧壁上，外筒固连在外螺旋叶片上，内螺旋叶片与外螺旋叶片的旋向相反，内筒的两端均伸出外筒外,内筒的下端浸入水中。
转动轴直径、内螺旋叶片的叶片直径与外螺旋叶片的叶片直径比可选为1：4：6。外螺旋叶片的叶片头数为3片，即相隔120°布置一组，内螺旋叶片的叶片头数为2片，即相隔180°布置一组，均交错布置。
隔墙上开设有通水口40，通水口向外延伸至外筒的上端，上游分级池的水通过通水口流入外筒中，水流冲击外螺旋叶片，带动内筒、内螺旋叶片和转动轴一起转动，在内螺旋叶片的作用下，下游分级池中的水通过内筒流向上游分级池，下游分级池中的鱼从内筒下端进入内筒中，随着内螺旋叶片的旋转从内筒上端进入上游分级池中，这样上、下游分级池中的水在循环交换，实现了上、下游有机物的输移和交换。
本实施例中，通水口处设置有不锈钢的拦污栅30，可以过滤水中杂质，避免进入外筒中，与螺旋叶片发生缠绕。
本实施例中，分级池侧墙上开设有溢流口50，可设置每级分级池的溢流口高度，用以控制每级分级池的最高水位，多余的水直接流向下游分级池。
本实施例中，内筒的上端设计成敞口朝外的喇叭口15，喇叭口出口处角度略向水平线以下倾斜，便于鱼从下游分级池通过内筒落入上游分级池。
为了防止上游水头不足时，即上游分级池中的水位不高，不足以通过通水口40流入外筒并驱动外螺旋叶片旋转，所以在转动轴上套设一个直齿锥齿轮一24，在固定装置上设置直齿锥齿轮二25，直齿锥齿轮一与直齿锥齿轮二啮合，直齿锥齿轮二由设置在固定装置上的主电机驱动转动，带动直齿锥齿轮一与转动轴转动，转动轴带动内螺旋叶片转动，将下游分级池中的水抽至上游分级池中，补充上游分级池中的水位。
具体地，固定装置包括支撑筒23，支撑筒内固设有支撑台26，主电机设置在支撑台上，主电机63的输出轴631朝上设置，并与支撑筒的中心线平行，输出轴上连接有齿轮632，主电机的上方设置有旋转外筒28，旋转外筒28底部与主电机之间具有空隙257，旋转外筒底端具有向上凸起的空腔258，空腔内壁上具有齿槽，主电机输出轴上的齿轮位于该空腔内，并且齿轮与空腔的齿槽啮合，电机带动旋转外筒转动，旋转外筒的外侧壁上固连有托盘251，直齿锥齿轮二25固定套设在旋转外筒外侧壁上并支撑于托盘上，主电机带动旋转外筒及直齿锥齿轮二25一起转动。
为了防止旋转外筒转动时会产生晃动，并减轻对主电机输出轴的压力，在主电机输出轴上套设压力轴承259，压力轴承位于旋转外筒底部与主电机之间的空隙内。
为了自动检测上游水位，在上游分级池中设置水位检测及电动装置60，为了上游水位不足时，可以自动启动主电机，在旋转外筒内设置圆台体252，圆台体底端固连载台253，载台外侧壁上具有呈十字形设置的凸台254；旋转外筒内壁上一体连接有四个固定块256，四个固定块呈十字形设置，每个固定块上都具有竖向滑槽，凸台与固定块对应设置，且凸台滑动设置在固定块的滑槽中，如图10；圆台体的外表面上设置有多个第一滑轨2558，沿圆台体的轴线方向向下观察，所有的第一滑轨呈辐射状分布，每个滑轨上滑动连接有一个凸块2551，凸块的顶部设置有固定槽2559，如图9、13、14，直齿锥齿轮二上开设有卡口2554，与直齿锥齿轮二连接的旋转外筒侧壁上开设有孔口2555；孔口上方的旋转外筒内侧壁上固连有若干个环状悬挂台2557，环状悬挂台上滑动连接有若干个第二滑轨2553，第二滑轨中滑动连接有滑托2552，滑托与凸块顶部连接，移动装置能够带动圆台体在旋转外筒内上、下移动；移动装置带动圆台体上移时，滑托在第二滑轨上向远离旋转外筒中心的方向移动，同时圆台体上的凸块沿着第一滑轨下滑至圆台体底端，凸块穿过旋转外筒的孔口伸入直齿锥齿轮二的卡口中，将圆台体、旋转外筒及直齿锥齿轮二固连在一起；移动装置带动圆台体下移时，滑托在第二滑轨上向靠近旋转外筒中心的方向移动，同时圆台体上的凸块沿着第一滑轨上滑至圆台体顶端。
如图7、13、14，凸块的顶部固连有固定槽2559，滑托1552的下端卡设在固定槽的滑槽中，滑托的上端滑动连接在第二滑轨2553中，第二滑轨固连在环状悬挂台2557的滑槽中，环状悬挂台的外缘固定连接在旋转外筒的内壁中。
如图11，移动装置27包括凸条2701、移动齿轮2704、移动杆2702、固定台2705、插销2706、齿槽2703、凹槽2707和护栏2708，移动杆的外表面上对称设置有两个凸条，两个凸条沿平行于移动杆轴线的方向设置，移动杆上沿长度方向开设有若干个齿槽；
固定台固定在护栏2708上，护栏2708固接在支撑筒23顶端，固定台2705具有两个，两个固定台均上开设有半圆形槽，半圆形槽的弧顶处开设凹槽，两个固定台通过插销固连在一起，围合形成一个竖向的圆形通槽，通过凸条滑动卡设在凹槽中，将移动杆连接在圆形通槽中，其中一个固定台上沿垂直于移动杆的方向开设有通槽，通槽中设置有移动齿轮，移动齿轮连接在伺服电机65的输出轴上，移动齿轮与移动杆上的齿槽啮合；移动杆的下端套设在转动轴承二2709的内圈上，转动轴承二的外圈与固连在圆台体顶端的圆形转盘2556相连，转动轴承二与圆形转盘保证了移动装置与圆台体连接，从而带动圆台体上下移动，又保证了移动装置不会影响圆台体的转动。
水位检测及电动装置60包括液位传感器61、输入防水绝缘导线64、单片机62、输出防水绝缘导线一6401、输出防水绝缘导线二6402、主电机63及伺服电机65，液位传感器61竖直置于上游分级池80中，通过输入防水绝缘导线64将单片机输入端与液位传感器61相连，通过输出防水绝缘导线一6401将单片机输出端与主电机相连，通过输出防水绝缘导线二6402将单片机输出端与伺服电机相连，单片机设置在支撑筒内。
如图12，液位传感器采用HM21F防雷液位变送器，液位传感器的检测端位于水面以下，液位传感器61实时检测上游分级池中的水位，液位传感器61通过防水绝缘导线64将相应水位下的电压值传递给单片机62，单片机62实时比较液位传感器61传送来的电压值。
单片机采用stm32F103VET6，电机驱动采用BTN，主电机采用直流减速电机。液位传感器竖直置于分级池中，防水绝缘导线将单片机输入端与液位传感器相连，将输出端通过两根防水绝缘导线分别与两个电机驱动相连，控制主电机和伺服电机启闭。
本实用新型的工作原理是：上游分级池中的来水通过拦污栅和通水口，经外螺旋叶片流下，通水口向外延伸至外筒的上端，上游分级池的水通过通水口流入外筒中，水流冲击外螺旋叶片，带动内筒、内螺旋叶片和转动轴一起转动，在内螺旋叶片的作用下，下游分级池中的水通过内筒流向上游分级池，下游分级池中的鱼从内筒下端进入内筒中，随着内螺旋叶片的旋转从内筒上端进入上游分级池中，这样上、下游分级池中的水在循环交换，实现了上、下游有机物的输移和交换。
当液位传感器61检测到上游分级池的水位值不高时，由单片机62启动伺服电机65，伺服电机带动移动齿轮转动，移动杆2702沿凹槽2707上升，带动圆台体在固定块的滑轨中上移，随着圆台体的继续上移，圆台体推动滑托在第二滑轨上移动，同时圆台体上的凸块沿着第一滑轨下滑至圆台体底端，且凸块穿过旋转外筒的孔口伸入直齿锥齿轮二的卡口中，将圆台体、旋转外筒及直齿锥齿轮二固连在一起，如图6、8，同时伺服电机停止旋转，主电机启动，旋转外筒、直齿锥齿轮二及圆台体一起在主电机的作用下旋转，直齿锥齿轮一也啮合转动，从而使鱼道进行正常工作。
当液位传感器61检测到水位值足以使螺旋结构10自转时，主电机63停止工作，伺服电机65反转，带动移动杆下移，圆台体沿着固定块的滑轨下移，圆台体上凸块沿第一滑轨上移，同时凸块从卡口和孔口中缩回，直至圆台体上凸台下降至滑轨底部时，伺服电机停止转动。
上游水头不足时，即上游分级池中的水位不高，不足以通过通水口40流入外筒并驱动外螺旋叶片旋转，这个水位值通过程序储存在单片机中；同时，上游水头足够时，该水位值也通过程序储存在单片机中。通过程序储存在单片机中的还有：伺服电机的启动和停止工作间隔的时间；伺服电机转子反转的控制，即双刀双掷开关电路的启闭控制；两电机驱动的工作及停止工作的时间配合，即延时电路的设计。
本实用新型的分级鱼道的设计利用了螺旋泵原理，采用自动和电动相结合的鱼道运作方式，使鱼借助鱼道自身的升力洄游，并及时反馈水位情况决定是否启用电动机，清洁节能，便于组装维护，过鱼效率高，利于上下游有机物的输移和交换，解决了鱼的洄游困难问题。
本实用新型中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
