CN102287313B - 跃浪叶轮式波能转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跃浪叶轮式波能转换装置，该装置包括通过基础底座固定设置在岸基上的叶轮机壳，叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于叶轮机壳内部的轮轴，轮轴上固定安装有均布有三至六片叶片的叶轮，叶片的形状为圆弧凹面；叶轮机壳在面向跃浪一面的斜上部连接有与其相通的楔形体收缩波道，叶轮机壳的斜下部在楔形体收缩波道对面连接有排水管路，排水管路一端与所述叶轮机壳相通，另一端与海水环境相通；叶轮机壳内壁嵌装有用于防止叶轮逆向旋转的止回装置。本发明通过利用水动力产生的能量，借助于能有效确保叶轮连续同向旋转的止回装置，获得高效的能量传递和转换，集高效率与高可靠性为一体，建造成本低廉，能够适应不同的地形和海况条件。

Description

跃浪叶轮式波能转换装置
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域中的海洋波浪能开发应用，具体的说，是涉及一种叶轮式波能转换装置。
背景技术
近年来，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全、保护环境和生态平衡等的驱动，人们对新能源的开发越来越重视。地球表面积的71％是具有巨大能源资源的海洋，其中波浪能是海洋能源中蕴藏量最为丰富的能源之一。利用海洋能源已成为当今世界能源研究的方向，而如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，也显得更加重要。
在上述背景下，波浪能的开发利用正日益受到关注，经过20世纪70年代对多种波浪能装置的试验和研究到80年代的海况试验及应用示范研究，国内外学者相继提出了很多不同种类的波能转换装置，波浪发电技术已逐步接近实用化水平。波能发电的关键技术是中间的转换装置，目前研究最多、应用最广的有：振荡水柱式波能装置、摆式波能装置、聚波水库波能装置、振荡浮子式波能转换装置。
振荡水柱式波能装置是以空气作为转换介质，其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低；现有振荡水柱式波能收集转换装置多用于航标灯等微型电力设备的供电，输出功率较小；近岸振荡水柱式波能收集转换装置对海岸地形要求较高。
摆式波能装置是通过摆体在波浪力的作用下发生的前后或上下摆动，将波浪能转换为摆轴的动能。摆式装置一方面转化效率高，另一方面可以方便地与相位控制技术相结合，相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，从而大大提高装置的转换效率。但摆式波能装置机械和液压机构的维护较为困难。
聚波理论最早由挪威特隆姆大学的Falnes和Budal提出。聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库，其优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定，几乎不受波高和周期的影响；不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。
振荡浮子式波能装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的波能发电装置。其优点相当明显，不仅转换效率较高，而且减少了水下施工，建造容易，成本低廉。但是，其振荡频率受到波动频率限制，运动稳定性不高，如果采用旋转发电机，还需要将振荡机械运动转化为旋转机械运动。
综上所述，目前所知的波能转换装置具有不能兼顾高效和高可靠度等问题。因此，对于波浪能开发来说，由于波浪的不稳定性导致其转换装置经常处于非设计工况，高效转换技术仍是研究的难点和重点，因此提高波能转换率，降低波能发电成本始终是波能研究领域的主要目标。
发明内容
本发明要解决的是现有的波能转换装置不能兼顾高效和高可靠度的技术问题，提供一种集高效率与高可靠性为一体，建造成本低廉的跃浪叶轮式波能转换装置，能够获得高效的能量传递和转换，适应不同的地形和海况条件，使得大规模开发利用海洋波浪能成为可能。
为了解决上述技术问题，本发明的装置通过以下的技术方案予以实现：
一种跃浪叶轮式波能转换装置，该装置包括通过基础底座固定设置在岸基上的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布有三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面；所述叶轮机壳在面向跃浪一面的斜上部连接有与其相通的楔形体收缩波道，所述叶轮机壳的斜下部在所述楔形体收缩波道对面连接有排水管路，所述排水管路一端与所述叶轮机壳相通，另一端与海水环境相通；所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。
所述轮轴与所述叶轮之间为键连接。
所述叶轮包括四片叶片。
所述叶轮的凹面圆弧半径为R，
Figure BDA0000079707200000021
其中，r为所述叶轮机壳的内径，α为所述楔形体收缩波道下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道下坡面交点连线的水平夹角。
所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。
所述楔形体收缩波道由集波上壁、集波下壁和两边的集波侧壁构成。
所述排水管路由排水管上壁、排水管下壁和两边的排水管侧壁构成。
本发明的有益效果是：
(一)本发明集波壁面所构成的楔形体收缩波道不仅能够吸收足量的波浪，还可以防止波浪向两侧滑落，并能同时抬高波浪的爬升，有利于波浪的跃浪，以便收集更多的波能。
(二)本发明的叶轮结构为空腔设计，其中叶片独特的弧形凹面结构，使得进入工作室的水量在装置工作过程中有机会瞬时暂留在叶片表面上，从而使叶轮转动惯性变大，有利于提高装置波能转化率。
(三)本发明配置的止回装置，有效避免了叶轮回转，有利于提高转换效率。
(四)本发明排水管路的安装，保证工作室内多余水量的排出，有利于整个装置连续工作及安全性。
(五)本发明整个装置的活动部件较少，整体稳定性提高，可靠性高，能兼顾结构的可靠性及波能转换率，同时水下施工少，建造成本低廉。
(六)本发明能够通过不同的安装高度适应不同的地形和海况条件，进一步提高效率与可靠性，使得大规模开发利用海洋波浪能成为可能。
附图说明
图1是本发明跃浪叶轮式波能转换装置的剖面结构示意图；
图2是图1中止回装置的局部放大图；
图3是本发明跃浪叶轮式波能转换装置的立体图；
图4是叶轮上叶片的凹面圆弧半径计算方法的示意图。
图中：1：四叶式叶轮，2：键，3：轮轴，4：叶轮机壳，5：集波上壁，6：集波下壁，7：集波侧壁，8：止回弹簧，9：止回棘爪，10：排水管上壁，11：排水管下壁，12：排水管侧壁，13：基础底座，14：岸基，15：轴承支座。
具体实施方式
如图1所示，本实施例披露了一种跃浪叶轮式波能转换装置，主要由叶轮结构、楔形体收缩波道和排水管路构成。
结合图3所示，其中，叶轮结构包括一个圆筒形的叶轮机壳4，叶轮机壳4设置在岸基14上，通过基础底座13与岸基14连接牢固。基础底座13一般主要由水泥和砾石制成，也可预先用钢筋混泥土预制好基础，用地脚螺栓将叶轮机壳4、楔形体收缩波道和排水管路固定在基础上。基础底座13能够保证在工作过程中叶轮机壳4的稳定地坐落在岸基14上，从而使整个装置能够保持安全稳定的状态。
叶轮机壳4的轴心设置有轮轴3，轮轴3通过轴承支座15与叶轮机壳4相连接。叶轮机壳4内部设置有固定在轮轴3上的四叶式叶轮1，四叶式叶轮1与轮轴3之间通过键2连接。
四叶式叶轮1上设置有四片相互间呈90°，并环绕中心柱一周同向分布的叶片，使得叶轮机壳4内部形成四个均匀的空腔。叶片是圆弧形的凹面，凹面的圆弧与下述楔形体收缩波道的集波下壁6相切，并通过四叶式叶轮1轴心。如图4所示，凹面的圆弧半径为R，其中，r为叶轮机壳4内径；α为集波下壁6的水平夹角；β为四叶式叶轮1轴心到叶轮机壳4与集波下壁6交点连线的水平夹角，如图4所示。
叶片的这种圆弧凹面设计，使得进入工作室的水量在装置工作过程中有机会瞬时暂留在叶片表面上，从而使四叶式叶轮1转动惯性变大，有利于提高波能转化率。根据跃浪频率的不同，叶轮上的叶片一般在三至六片的范围内选择。叶轮需采用耐腐蚀钢材或高强度树脂材料制作。
叶轮机壳4在面向跃浪一面的斜上部连接有楔形体收缩波道，楔形体收缩波道由集波上壁5、集波下壁6和两边的集波侧壁7构成，集波下壁6可以直接固定在基础底座13上。楔形体收缩波道的截面为上宽下窄的楔形，上口与海水环境相通，下口与叶轮机壳4相通。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断被放大，直至波峰溢到叶轮机壳4内，这样上述集波壁面汇聚具有水位落差的有效水量至叶轮机壳4内，在水动力作用下带动四叶式叶轮转动产生能量，将波浪能转换成机械能。
叶轮机壳4的斜下部，即在楔形体收缩波道的对面180度位置设置有排水管路，排水管路由排水管上壁10、排水管下壁11和两边的排水管侧壁12构成，排水管下壁11可以直接固定在基础底座13上。排水管路一端与叶轮机壳4相通，另一端与海水环境相通，相当于叶轮机壳4的出水孔。由于楔形体收缩波道对叶轮结构具有持续的水量供给，为了让叶轮机壳4内水量保持在安全有效的工作状态，通过排水管路进行水量的实时排放，使整个装置能够顺畅地进行水体循环。
叶轮机壳4内壁设置有止回装置，止回装置用于防止四叶式叶轮1逆向旋转。止回装置可以具体是如图2所示的结构，包括止回弹簧8和止回棘爪9。止回棘爪9嵌装在叶轮机壳4内壁，其一端通过销轴固定于叶轮机壳4，销轴的轴心位置位于叶轮机壳4的进水口下方，也就是楔形体收缩波道的出口下方。止回棘爪9中部设置有凹槽，对应位置的叶轮机壳4内壁也设置有凹槽；止回弹簧8采用压簧形式，其两端分别镶嵌在止回棘爪9和叶轮机壳4的凹槽内。止回棘爪9的形状类似于倒置的逗号形状，并且为了增加强度，在其尾部增加宽度。
止回弹簧8在自然状态下，会将止回棘爪9顶出而稍高于叶轮机壳4内壁面；当四叶式叶轮1正向转动时，止回棘爪9可以被旋转的叶片顶回叶轮机壳4内壁中，止回弹簧8同时被压缩；一旦四叶式叶轮1发生逆向旋转，则距离楔形体收缩波道集波下壁6最近的那个叶片将会被止回棘爪9挡住而无法继续回转，从而达到制止四叶式叶轮1逆转的目的。当止回棘爪9挡住叶片时，叶片刚好与楔形体收缩波道集波下壁6相切，由此可以确定止回棘爪9轴心的具体位置。
止回装置保证在水动力不足以使四叶式叶轮1正常工作情况下，阻止四叶式叶轮1发生回转，从而避免了装置发生紊乱运行的可能性。
本发明的工作原理是：本跃浪叶轮式波能转换装置被固定于海底，通过楔形体收缩波道将波浪导入四叶式叶轮1结构形成的空腔中，利用跃浪水体产生的冲击动力和能量，同时借助于确保四叶式叶轮1连续同向旋转的止回装置，从而推动四叶式叶轮1同向连续旋转，方便地实现机械能向电能的高效转换。
尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，该装置包括通过基础底座固定设置在岸基上的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布有三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面；所述叶轮机壳在面向跃浪一面的斜上部连接有与其相通的楔形体收缩波道，所述叶轮机壳的斜下部在所述楔形体收缩波道对面连接有排水管路，所述排水管路一端与所述叶轮机壳相通，另一端与海水环境相通；所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。
2.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述轮轴与所述叶轮之间为键连接。
3.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述叶轮包括四片叶片。
4.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述叶轮的凹面圆弧半径为R，
Figure FDA0000079707190000011
其中，r为所述叶轮机壳的内径，α为所述楔形体收缩波道下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道下坡面交点连线的水平夹角。
5.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。
6.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述楔形体收缩波道由集波上壁、集波下壁和两边的集波侧壁构成。
7.根据权利要求1所述的一种跃浪叶轮式波能转换装置，其特征在于，所述排水管路由排水管上壁、排水管下壁和两边的排水管侧壁构成。
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