CN102720628B - 基于压缩流体加速提取波浪能的方法及实现该方法的双向水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法，随波浪上下波动，在海面浮动平台带动下，置于深海稳定区水轮机在垂直方向上的运动使海水从被拖动的双向水轮机的机壳上、下两端开口分别流入机壳内，并通过作为定子的上、下收缩体与机壳之间逐渐收窄的环形通道，所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，海水按照上、下收缩体根部半径r₀与单向旋转转子的中央半径r之比为0.8～0.99进行压缩。还公开了实现上述方法的双向水轮机。本发明大大减小了海水在机壳内的过流面积，大幅度提高了流体冲击单向旋转转子的速度，增大了单向旋转转子的转动扭矩，在本发明所述的各参数范围内，提高了水轮机的输出功率，进一步提高了发电机的发电功率。

Description

基于压缩流体加速提取波浪能的方法及实现该方法的双向水轮机

技术领域

本发明属于海洋发电技术领域，特别是涉及一种基于压缩流体加速高效提取波浪能的方法，还涉及实现该方法的双向水轮机。

背景技术

中国专利申请《一种基于海面波浪层和深海稳定区海洋波浪能差动能量提取的波浪能发电系统》（申请号201110078071.x）公开了一种波浪能发电系统，该系统所采用的水轮机为双向水轮机，它包括上、下两端具有喇叭型开口的圆筒状机壳、设于机壳内上部和内下部的导流叶片和设于两导流叶片之间的单向旋转转子，单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形；在水轮机的中心旋转轴的外表面分别设有锥体状的上收缩体和锥体状的下收缩体，上收缩体位于中心旋转轴和上部导流叶片之间，下收缩体位于中心旋转轴和下部导流叶片之间。

该水轮机的工作原理是：水轮机置于深海稳定区，海面浮动平台随波浪上下运动并通过传动机构带动置于深海稳定区中水轮机在垂直方向上随波浪的起伏上下运动，水轮机在垂直方向上的运动使得稳定区水流不断通过水轮机的上部和下部导流叶片，同时冲击水轮机中部的单向旋转转子，受水流冲击的作用力，当水轮机受浮动平台垂直向上拉动或受重力向下运动时，受上部和下部两组导流叶片导引的作用，水流单方向作用水轮机的单向旋转转子，使水轮机中部的旋转转子单向旋转，并且带动与浮动平台通过万向节连接的传动杆与水轮机转子同步旋转，将转动力传递到海面的发电机转子，从而驱动发电机旋转，将海洋波浪能转换为电能。

上述结构的水轮机可以利用波浪垂直方向的最大相对位移提取海洋中的波浪能量，不仅结构简单、稳定性好，而且由于利用的是海水垂直方向的能量，所以当多个波浪能提取装置组成阵列时也并不会降低单个装置的能量提取效率。

但是，如何优化上述水轮机的结构以进一步提高水轮机的输出功率，进而实现发电机更大的发电能力是目前需要研究并亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法，随波浪上下波动，在海面浮动平台带动下，置于深海稳定区水轮机在垂直方向上的运动使海水从被拖动的双向水轮机的机壳上、下两端开口分别流入机壳内，并通过作为定子的上、下收缩体与机壳之间逐渐收窄的环形通道，其特征在于所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，海水按照上、下收缩体根部半径r₀与单向旋转转子的中央半径r之比为0.8～0.99进行压缩，经过压缩的海水被加速后，高速冲击单向旋转转子，将往复双向流经的水流动力转换成单向旋转转子的单方向旋转运动，从而带动单向旋转转子的中心旋转轴转动，进而驱动由万向节连接的传动杆同步旋转，将转动力传递到设置在海面上海面浮动平台的发电机的转子，以使海洋波浪能转换为电能。

本发明大大减小了海水在机壳内的过流面积，大幅度提高了流体冲击单向旋转转子的速度，增大了单向旋转转子的转动扭矩，在本发明所述的各参数范围内，提高了水轮机的输出功率，进一步提高了发电机的发电功率。

作为本发明的一种改进，使进入机壳内的海水在所述环形通道内同时流经设于机壳内壁上的弧状长形片体的导流叶片，由导流叶片将海水从垂直方向导引转向而直接冲击在单向旋转转子的外缘的涡轮叶片上。

本发明进入机壳开口内的所有海水通过导流叶片被最大限度地导引到单向旋转转子的外缘（即涡轮叶片），降低了直接流过叶片或叶浆间隙的海水比例，增大了单位体积水流对单向旋转转子冲击的力矩，利用流体动力学原理，进一步增大了单向旋转转子的转动扭矩，大大提高了海水做功的效率，在上述海水被压缩提速提高水轮机的输出功率的基础上，进一步提高了水轮机的输出功率，进而提高了发电机的发电功率。

本发明的第二个目的在于提供一种实现上述基于压缩流体加速提取波浪能的方法的双向水轮机。

本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现：包括机壳及设置在机壳内可单向旋转的单向旋转转子，所述机壳为上、下两端具有开口的筒体，所述单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形，在单向旋转转子的上方和下方分别设有正立锥体状的上收缩体和倒立锥体状的下收缩体，所述中心旋转轴分别穿过上收缩体和下收缩体以将其固定在中心旋转轴的外表面上，其特征在于所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，所述上收缩体和下收缩体的根部半径为r₀，所述单向旋转转子的中央半径为r，收缩系数n=r₀/r，n取值范围为0.8～0.99。

所述上收缩体与下收缩体为圆锥体，所述上收缩体与下收缩体的中心轴线与中心旋转轴的中心轴线位于同一直线上。

作为本发明的一种改进，在所述机壳内壁上部和下部各设一组导流叶片，每组导流叶片沿机壳圆周排布，所述上部导流叶片围括所述上收缩体，而下部导流叶片则围括所述下收缩体，所述两组导流叶片以单向旋转转子所在的平面成镜像设置，所述导流叶片为弧状的长形片体，导流叶片内凹的方向与单向旋转转子的旋转方向相反，且每组导流叶片具有相同的排列方向。

作为本发明的一种实施方式，所述单向旋转转子的涡轮主要由安装盘和分布在安装盘周缘上的叶片组成，所述叶片为凹形片状，叶片内凹的方向与单向旋转转子的旋转方向相同，且所述叶片具有相同的排列方向，所述两组导流叶片将从机壳两端开口进入的海水分别导引至叶片的内凹面上以共同推动单向旋转转子单向转动，所述的内凹面即作为海水的冲击作用面。

作为本发明的一种实施方式，所述单向旋转转子的涡轮主要由安装盘和分布在安装盘周缘上的叶片组成，所述叶片为翼形块状体，所述叶片的纵向截面呈轴对称的流线型，所述叶片的中心轴水平且叶片具有相同的排列方向，所述两组导流叶片将从机壳两端开口进入的海水分别以垂直于叶片的流线型斜面方向导引于其上以共同推动单向旋转转子单向转动，所述的流线型斜面即作为海水的冲击作用面。本发明的单向旋转转子涡轮的叶片类似于飞机的机翼。

作为本发明的一种优选方式，所述两组导流叶片的上、下两端分别为用于引入海水的进水端和用于导出海水的出水端，所述上、下部两组导流叶片的出水端分别与单向旋转转子的叶片上、下相承接，以使导流叶片将海水导引至叶片的冲击作用面上。

本发明在所述单向旋转转子安装盘的上、下盘面上分别设有水平的导水隔板，所述上收缩体、下收缩体的根部分别对应位于所述导水隔板上，所述中心旋转轴穿过所述导水隔板，所述导水隔板与所述机壳内壁之间具有环形间隙，所述单向旋转转子的叶片位于该环形间隙的下方，导引的海水通过该环形间隙冲击到单向旋转转子的叶片上。

作为本发明的一种改进，在所述水轮机的机壳外壁上设有多个附加浮筒，所述浮筒沿机壳的纵向延伸且沿机壳外壁按圆周分布，浮筒的上端筒口与下端筒口分别根据双向运作状态交替作为进水孔和排水孔。该浮筒可以通过注入不同体积的水，改变水轮机的自身重量，成为可调节重量，适应高效、优化和不同功率输出容量的通用型的水轮机。

作为本发明的进一步改进，所述机壳上、下两端的开口为喇叭型，在所述开口上覆盖有过滤网，所述中心旋转轴向上穿过过滤网，所述过滤网的网孔孔径小于单向旋转转子上相邻叶片之间的距离。本发明的过滤网应该能够确保大于网孔的杂质不能进入水轮机，而且当小于网孔的杂质进入后能够顺利通过水轮机内部并排出。

为了保证落在过滤网上体积较大的杂质不会滞留，本发明所述位于机壳上端开口的过滤网的中心部位向上凸起，形成空心锥体状，锥体状过滤网的中心部位高于上端开口的口沿。

与现有技术相比，本发明具是有如下显著的效果：

⑴本发明的水轮机使得海水通过逐渐收窄的通道，并提供了关于收窄通道的具体参数范围，利用流体理学原理，在该参数范围内，可大大减小流体过流面积，将流体冲击单向旋转转子的速度大幅度提高。

⑵本发明还增设有导流叶片，所有海水过流被最大限度地导引到水轮机单向旋转转子外缘的叶片上，增大了单位体积水流对单向旋转转子涡轮冲击的力矩。

⑶利用流体动力学关于单位直径水轮机的转动扭矩增大的基本原理，增大单位直径水轮机的转动扭矩，最大限度得运用了波浪能，大大提高了发电功率。

⑷本发明的双向水轮机是一种单机可以产生兆瓦级别的海洋能发电装置，由于浮出海面部分可以通过改变浮筒结构和附属浮筒内水体充斥的量，控制其露出海面部分的侧面积小于整体侧面积的10%，加上通过金属传动杆在海水下10-20米处承载有数吨的水轮机的重力稳定作用，风阻系数不超过0.1，受台风影响小，在强台风期间也无须特别维护和附加工程作为特别防护。

⑸本发明是一种理想的海洋能发电装置，就各国的近海波浪能资源而言，就存在着可以提供足以满足各国所需电力能源的潜力。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1双向水轮机的立体结构部分剖视示意图；

图2是本发明实施例1双向水轮机的侧面剖视示意图；

图3是本发明实施例2双向水轮机的立体结构部分剖视示意图；

图4是本发明实施例2双向水轮机的侧面剖视示意图；

图5是双向水轮机的俯视示意图（带有浮筒）；

图6是双向水轮机设置在海面下的结构示意图；

图7是双向水轮机设置在海面下计算数学模型的原理示意图；

图8是双向水轮机受波浪上下运动的牵引相对海平面位移的曲线图；

图9是水轮机单向旋转转子涡轮叶片所受力矩与入水口半径的关系曲线图；

图10是本发明加速层内外半径比与功率的关系曲线图；

图11是图3、4中叶片的纵向截面示意图。

具体实施方式

如图1～11所示，是本发明一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法，随波浪上下波动，在海面浮动平台带动下，置于深海稳定区水轮机在垂直方向上的运动使海水从被拖动的双向水轮机的机壳1上端开口14、下端开口13分别进入机壳1内，通过作为定子的上收缩体4、下收缩体10与机壳1之间逐渐收窄的环形通道压缩海水，其中，机壳1的开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，海水按照上收缩体、下收缩体根部半径r₀与单向旋转转子7的中央半径r之比为0.8～0.99进行压缩，与此同时，进入机壳1内的海水在环形通道内流经机壳1内壁上的导流叶片5、9，由导流叶片5、9将海水从垂直方向导引转向而直接冲击在单向旋转转子7外缘的涡轮叶片71上，从上、下两端开口进入的海水水流共同朝同一方向推动涡轮叶片71，而经过压缩后的海水被加速后，高速冲击双向水轮机的单向旋转转子7，将往复双向流经的水流动力转换成单向旋转转子7的单方向旋转运动，从而带动单向旋转转子7的中心旋转轴2转动，进而驱动由万向节15连接的传动杆16同步旋转，将转动力传递到设置在海面上海面浮动平台的发电机的转子，以使海洋波浪能转换为电能。

一种实现上述基于压缩流体加速提取波浪能的方法的双向水轮机，包括机壳1及设置在机壳1内可单向旋转的单向旋转转子7，机壳1为具有上端开口14、下端开口13的筒体，上端开口14和下端开口13均为喇叭型，单向旋转转子7以水轮机的中心旋转轴2为中心沿与中心旋转轴2相垂直的方向分布成圆盘涡轮形，在单向旋转转子7的上方和下方分别设有正立圆锥体状的上收缩体4和倒立圆锥体的下收缩体10，中心旋转轴2分别穿过上收缩体4和下收缩体10以将其固定在中心旋转轴2的外表面上，上收缩体4和下收缩体10与机壳之间形成逐渐收窄的环形通道，海水水流流过该通道再冲击至单向旋转转子的叶片上，在本实施例中，上收缩体4与下收缩体10的中心轴线与中心旋转轴2的中心轴线位于同一直线上，在机壳1内壁上部和下部各设一组导流叶片，即上部的导流叶片5和下部的导流叶片9，每组导流叶片沿机壳1圆周排布，上部导流叶片5围括上收缩体4，而下部导流叶片9围括下收缩体10，两组导流叶片以单向旋转转子7所在的平面成镜像设置，导流叶片为弧状的长形片体，导流叶片的一侧长边固定在机壳内壁上，导流叶片内凹的方向与单向旋转转子的旋转方向相反，且每组导流叶片具有相同的排列方向。

参见图1、2，是本发明中单向旋转转子7的实施例1，单向旋转转子7的涡轮主要由安装盘和分布在安装盘周缘上的叶片71组成，叶片71为凹形片状，叶片内凹的方向与单向旋转转子7的旋转方向相同，且叶片71具有相同的排列方向，在本实施例中，单向旋转转子7的旋转方向是顺时针方向，叶片的内凹方向也为顺时针方向，即与单向旋转转子7的旋转方向相同，两组导流叶片将从机壳两端开口进入的海水分别导流至叶片的内凹面上以共同推动单向旋转转子单向转动，内凹面即作为海水的冲击作用面。

参见图3、4及图11，是本发明中单向旋转转子7的实施例2，单向旋转转子7的涡轮主要由安装盘和分布在安装盘周缘上的叶片组成，叶片71为翼形块状体，在本实施例中，叶片71类似于飞机的机翼，叶片71的纵向截面呈轴对称的流线型，叶片71的中心轴水平且叶片71具有相同的排列方向，单向旋转转子7的旋转方向是顺时针方向，叶片71的流线型斜面朝向逆时针方向倾斜，两组导流叶片将从机壳两端开口进入的海水分别以垂直于叶片71的流线型斜面方向导引于其上以共同推动单向旋转转子7单向转动，流线型斜面即作为海水的冲击作用面，冲击作用面设置的最佳实施方式是冲击作用面正对迎向海水水流。

以上两种实施例，两组导流叶片的上、下两端分别为用于引入海水的进水端和用于导出海水的出水端，上、下部两组导流叶片的出水端分别与单向旋转转子的叶片上、下相承接，以使导流叶片将海水导引至叶片的冲击作用面上。

机壳1喇叭型开口的半径R范围为0.3≤R≤15m，上收缩体4和下收缩体10的根部半径为r₀，单向旋转转子7的中央半径为r，收缩系数n＝r₀/r，n取值范围为0.8～0.99。

上述参数范围的确定根据流体力学原理得出，具体计算过程如下：

首先，如图6所示，海洋发电装置包括设置在海面浮动平台上的发电机、与海面波浪同步运动的海面浮动平台P、传动机构C和置于海水深处稳流区S的水轮机T，海面浮动平台P漂浮于海面M上并受海水波浪起伏驱动上下运动，传动机构C的一端与发电机的转动输入端相连接，另一端与水轮机T单向旋转转子的中心旋转轴相连接，海面浮动平台P随波浪上下运动通过传动机构T带动置于海水深处稳流区的水轮机T在垂直方向上下运动，水轮机T在垂直方向上下运动带动海水深处稳流区S水流与海面波浪层D相对反向运动，并沿水轮机T的上、下导流叶片进入水轮机驱动水轮机T的单向旋转转子旋转，水轮机T的单向旋转转子旋转通过传动机构C驱动发电机的转子实现发电。

参见图7，建立双向水轮机的数学模型：

平面P0为海面浮动平台参考海平面标准0M处的高程，平面P1为水轮机上端入水口（即指上端开口，同时也作为出水口）处平面，平面P2为水轮机单向旋转转子平面，平面P3为水轮机下端入水口（即指下端开口，同时也作为出水口）处平面，P3位于P1下的深度为H，即是水轮机机壳的高度。

模型中使用各参量说明列表如下：

进入水轮机的海水质量m的变化率；

v₁，海水上涌时，从水轮机上端开口进入平面P1或海水下沉时从水轮机下端开口进入平面P3的速度；

v₂，海水经过水轮机的上、下收缩体，海水水流被压缩加速，水流加速后通过单向旋转转子涡轮P2平面的速度；

t，水流在同一方向上持续的冲击时间（半个波浪运动周期）；

ρ，水轮机所在水域中海水的质量密度；

R，水轮机上、下两端开口的半径；

r，水轮机单向旋转转子的中央半径；

r₀，水轮机上、下收缩体根部半径（即最大半径），上、下收缩体作为定子，该半径也是进入机壳内流体的压缩半径。

海面浮动平台标准平面P0在一个完整周期内相对海平面的位置变化如图8所示，假设在时间t1时，P0平台到达最高点，t2时P0平台相对海平面到达位移最低点，t3时，P0到达下一个周期中的最高点。从t1至t3可以视为P0平台的一个完整运动周期，这种周期也是波浪能发电系统在实际运行中的主要运动周期和过程。

根据实验测得，中国沿海的平均波浪为2～3米/周期，因此，以下分析计算按照2米波浪进行分析，而在波浪较高的情形下，海洋发电装置的发电能力将极大提高。根据科学观测，海洋波浪（涌浪）周期较为稳定，通常情况下主体波浪（涌浪）夏季约每6秒一个周期，冬季约8秒一个周期。以下分析按照起伏各1m（波动幅值）的海洋波浪（涌浪）进行具体的计算，由于海洋的波浪（涌浪）驱动的海面浮动平台发电系统的运动轨迹与正弦波类似，因此可以拟合为正弦波进行分析。

列出计算单向旋转转子涡轮力矩的计算公式：

设定一，受深部海水重力稳定作用，进入水轮机的水流速度与水轮机向上移动速度相等；水轮机上部或下部外的水体不会被水轮机的上下移动影响，同样在水轮机向下运动时也不会推动外部的流体向下运动，即进入水轮机的水全部流过水轮机上收缩体和下收缩体与机壳之间形成逐渐收窄的环形通道，冲击水轮机单向旋转转子涡轮做功。

设定二，水的体积不可压缩。

设定三，水体加速动能全部作用于单向旋转转子涡轮叶片的中心上。

M=F×L                                    ①

F＝m*a＝m*v2/t                            ②

L＝(r+r₀)/2                               ③

F*L＝πR²*ρ*v1*t*v2/t*(r+r₀）/2          ④

其中，F—单向旋转转子叶轮被水流冲击所受作用力

      L－力臂，即水流冲击点至单向旋转转子涡轮叶片中心的距离

在一个波浪周期内，海面浮动平台获取的能量为P0平面的受顶部波浪（涌浪）拉动产生位移所带来的势能及动能，即作用于海面浮动平台底部的总拉力乘以其作用的距离（即海面浮动平台向上的位移）。

获得力矩M为：

$M=F\×L=\mathrm{\π}{R}^4\mathrm{\ρ}{v_1}^2\frac{1}{2(r-r_0)}$ ⑤

设k为水轮机转化效率系数（目前我国所制造的水轮机，其转换效率可达92%），则扭矩与输出功率的关系为：

$P=M\×N=\mathrm{k\π\ρ}{v}_1^3\frac{R^6}{{(r^2-r_0^2)}^2}$ ⑥

在其他条件不变的情况下，如图9所示力矩M与入水口半径R的关系曲线图，力矩M与入水口半径R呈指数型关系，随着入水口半径R的增大，力矩M快速增大，即发电机的发电功率能够得到极大地提高。

本发明的发电机系统可以是任意规模和具有不同发电容量的系统，但是，考虑到制造成本和发电容量的投入产出比，在海洋观测仪器和航标灯级别的小型发电系统通常采用入水口半径不小于0.3米的水轮机，这是因为，如果半径太小，扭矩就小，力矩M与入水口半径R呈指数型关系的优势没有得到体现和利用，所以单位功率造价相对较高；当需要使用大型水轮机的场合，则要考虑三个因素，其一，水轮机入水口半径过大，制造成本显著提高，运输成本显著提高，维护成本也将显著提高；其二，水轮机体积过大，势必需要更大面积的海面浮动平台，根据海浪的周期特点，海面浮动平台半径不应超过15米，否则，将出现对海浪的滤波作用，减少海浪的升降对浮体的作用力，进而影响发电效率，因此，机壳喇叭型开口的半径R范围为0.3≤R≤15m。

根据公式⑥，海水的压缩比（即收缩系数n＝r₀/r）决定海水流过水轮机单向旋转转子的流速，为了确保压缩水流在尽可能稳定地冲击水轮机叶片同时不会出现水体拥堵现象而影响效率，压缩后的海水流速应该控制在30米/秒以下，为此，根据不同海域的波浪高度，n取值范围为0.8～0.99，可以确保水轮机的工作稳定性和对自然海洋的最小扰动，同时也保证水轮机不发生气蚀现象，减少了维护成本。

综上，公式⑥是本发明提高水轮机功率的以高效利用水力动力的机理函数，分析该公式可以得到以下结论：一方面，水轮机的功率与水轮机的上、下两端开口的半径成六次方指数关系，因此，在加工、运输、安置可能的前提下，水轮机可以尽可能的做大，以提高输出功率；另一方面，参见图10，海水通过收窄的环形通道被压缩，以实现海水加速，水轮机的功率与收缩系数成指数关系，即收缩系数n=r₀/r，该收缩系数愈接近1，水轮机的输出功率呈指数增加。

为了说明本发明的发电功率特性，根据公式⑥，做以下具体分析，水轮机的转换效率考虑为k＝0.5。

设波浪为2米，波浪周期为6秒，海水流进入水口（上、下两端开口）时的入口速度v₁为4m/6s，即v₁=0.66m/s，设水轮机上、下两端开口的直径为5米，单向旋转转子的直径为4米，流体进入上、下收缩体与机壳之间的环形通道进行压缩，上、下收缩体根部半径r₀与单向旋转转子的中央半径r之比为收缩系数n，收缩系数n=r₀/r，n＝0.97，即：

R=2.5米，r=2米，r₀=1.94米，

可见，v₁＝0.66m/s的海水被加速到超过26倍入口速度的流速，此时海水加速至17.44m/s，k＝0.5，根据公式⑥，发电机的输出功率为：

P=0.5×462262.5×2.56×0.663/24=1013936W

发电机的输出功率大于1MW，可实现兆瓦级的发电。

根据流体力学原理，本发明提高水轮机功率的机理具体而言，就是通过用于引导流体的上部、下部两组导流叶片及上、下收缩体，实现了对进入水轮机P₁平面的水流进行流态压缩，使得该流体通过单向旋转转子时被加速，利用流体能量原理，冲击作用力能量与冲击转子流速呈3次方指数关系，同时，流体受挤压，也最大可能被导流至单向旋转转子的外缘叶片上，力矩直接增加，从而加大了转子转动的扭力和扭矩，达到大大提高发电功率的目的；由于受过流断面面积愈小，水体受阻力量愈大的机制，在不导致海水被整体提出运动中的P₁平面的前提下，海水不可能被无限制的加速，所以，分析水轮机的上、下收缩体根部直径和水轮机的单向旋转转子直径的关系，就是一台直径确定后的水轮机在特定海浪高度前提下的动力特性的关键结构设计指标。

参见图5，本发明在水轮机的机壳外壁上设有多个附加浮筒20，浮筒20沿机壳1的纵向延伸且沿机壳1外壁按圆周分布，浮筒20的上端筒口与下端筒口分别根据双向运作状态交替作为进水孔和排水孔。该浮筒可以通过注入不同体积的水，改变水轮机的自身重量，成为可调节重量，适应高效、优化和不同功率输出容量的通用型的水轮机。

参见图1～4，在单向旋转转子7安装盘的上、下盘面上分别设有水平的导水隔板6、8，上收缩体、下收缩体的根部分别对应位于导水隔板6、8上，中心旋转轴2穿过导水隔板6、8，导水隔板6、8与机壳1内壁之间具有环形间隙，单向旋转转子7的叶片71位于该环形间隙的下方，导引的海水通过该环形间隙冲击到单向旋转转子7的叶片71上。

在机壳1上、下两端开口上覆盖有过滤网，分别为位于上端的过滤网3和位于下端的过滤网11，中心旋转轴穿过过滤网，过滤网的网孔孔径小于单向旋转转子上相邻叶片之间的距离。本发明的过滤网应该能够确保大于网孔的杂质不能进入水轮机，而且当小于网孔的杂质进入后能够顺利通过水轮机内部并排出。

为了保证落在过滤网上体积较大的杂质不会滞留，位于机壳上端开口的过滤网的中心部位向上凸起，形成空心锥体状，锥体状过滤网的中心部位高于上端开口的口沿。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于压缩流体加速提取波浪能的双向水轮机，包括机壳及设置在机壳内可单向旋转的单向旋转转子，所述机壳为上、下两端具有开口的筒体，所述单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形，在单向旋转转子的上方和下方分别设有正立锥体状的上收缩体和倒立锥体状的下收缩体，所述中心旋转轴分别穿过上收缩体和下收缩体以将上收缩体和下收缩体固定在中心旋转轴的外表面上，其特征在于：所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，所述上收缩体和下收缩体的根部半径为r₀，所述单向旋转转子的中央半径为r，收缩系数n＝r₀/r，n取值范围为0.8～0.99；在所述机壳内壁上部和下部各设一组导流叶片，每组导流叶片沿机壳圆周排布，上部导流叶片围括所述上收缩体，而下部导流叶片则围括所述下收缩体，两组导流叶片以单向旋转转子所在的平面成镜像设置，所述导流叶片为弧状的长形片体，导流叶片内凹的方向与单向旋转转子的旋转方向相反，且每组导流叶片具有相同的排列方向；所述单向旋转转子的涡轮主要由安装盘和分布在安装盘周缘上的叶片组成，所述叶片为翼形块状体，所述叶片的纵向截面呈轴对称的流线型，所述叶片的纵向截面从一端至另一端逐渐增宽，所述叶片的中心轴水平且叶片具有相同的排列方向，所述两组导流叶片将从机壳两端开口进入的海水分别以垂直于叶片的流线型斜面方向导引于其上以共同推动单向旋转转子单向转动，所述的流线型斜面即作为海水的冲击作用面。

2.根据权利要求1所述的双向水轮机，其特征在于：所述上收缩体与下收缩体为圆锥体，所述上收缩体与下收缩体的中心轴线与中心旋转轴的中心轴线位于同一直线上。

3.根据权利要求2所述的双向水轮机，其特征在于：所述上部导流叶片的上、下两端分别为用于引入海水的进水端和用于导出海水的出水端，所述下部导流叶片的上、下两端分别为用于导出海水的出水端和用于引入海水的进水端，所述上、下部两组导流叶片的出水端分别与单向旋转转子的叶片上、下相承接，以使导流叶片将海水导引至叶片的冲击作用面上。

4.根据权利要求3所述的双向水轮机，其特征在于：在所述单向旋转转子的安装盘的上、下盘面上分别设有水平的导水隔板，所述上收缩体、下收缩体的根部分别对应位于所述导水隔板上，所述中心旋转轴穿过所述导水隔板，两个导水隔板分别与所述机壳内壁之间具有环形间隙，所述单向旋转转子的叶片位于两个环形间隙之间，导引的海水通过两个环形间隙冲击到单向旋转转子的叶片上。

5.根据权利要求4所述的双向水轮机，其特征在于：所述机壳上、下两端的开口为喇叭型，在所述开口上覆盖有过滤网，所述中心旋转轴向上穿过过滤网，所述过滤网的网孔孔径小于单向旋转转子上相邻叶片之间的距离，其中，位于机壳上端开口的过滤网的中心部位向上凸起，形成空心锥体状，锥体状过滤网的中心部位高于上端开口的口沿。