CN102979660B - 涡激振动与升力混合动力型水流发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种涡激振动与升力混合动力型水流发电装置。包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及支撑结构。振动系统包括轴线垂直于来流方向的振动体和摇臂。同步带系统包括与摇臂转轴同轴，随摇臂往复运动的大同步带轮，位于水上发电平台的两个小同步带轮和同步带。振动-转动转换系统采用单向离合器与齿轮箱相结合的方式，先将往复振动转化为单向转动，再将转向相反的单向转动合并为一个单向转动。本发明具有启动流速低，适应流速区间广，摆动幅度大等特点，是一种适应在各种流速水流中工作的新型水流发电装置。

Description

涡激振动与升力混合动力型水流发电装置

技术领域

本发明涉及的是一种水力发电装置，具体地说是一种利用水流能发电的装置。

背景技术

当今世界能源消耗量与日俱增，而不可再生的矿石能源日益枯竭，人们对于可再生能源的需求日益增加，对于水流能、风能、太阳能等可再生能源开发利用的研究日益广泛。现有水流能获取装置以水轮机为主，但现有水轮机启动流速较高，只有在1m/s以上流速的流场中才能较为稳定的运行，而很多河流的流速难以达到水轮机的工作要求。涡激振动是一种流体力学现象，它是由于黏性流体流经一个非流线型物体，在物体背后发放出涡列，引起的物体沿垂直流动方向的往复运动。经过研究发现，当合理控制系统雷诺数以及振动体固有频率时，会产生自锁现象，可以在较低流速下获得较大的驱动力以及振幅。但是当雷诺数过大时，会因为脱离自锁区而使涡激力大幅下降。升力是流体流经物体表面时产生的一种表面力，在合理控制物体相对于来流的攻角时，在大雷诺数下也可以取得较大升力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应在各种流速水流中工作的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及支撑结构；

所述发电系统是安装在支撑结构上的发电机；

所述振动系统包括轴线垂直于来流方向的一组振动体，位于振动体两端用于约束振动体的摇臂，摇臂通过摇臂转轴安装在支撑结构上，摇臂与支撑结构之间设置有控制刚度系数的机构；

所述同步带系统包括与摇臂转轴同轴且随摇臂运动的大同步带轮，分别安装于振动-转动转换中的两根长轴上的两个小同步带轮，将大带轮与两个小带轮连接在一起的同步带；

所述振动-转动转换系统包括安装在支撑结构上的一根中转轴和位于中转轴两侧的两根长轴，第一长轴与中转轴之间由同步带传动，中转轴与第一长轴的转向相同，第二长轴与中转轴之间由齿轮传动，中转轴与第二长轴的转向相反，发电机与中转轴由齿轮传动，同步带系统中的小同步带轮与长轴之间设置有单向离合器、且两根长轴上的单向离合器的方向相反。

本发明还可以包括如下结构特征：

1、两个摇臂各配备一套同步带系统。

2、所述振动体为中空结构，内部沿轴向对称布置浮块。

3、所述控制刚度系数的机构为在摇臂转轴处安装扭簧、在摇臂上吊装拉簧或者设置弹性气缸。

4、振动体为2-3个。

本发明具有如下特点：（1）启动流速低，摆动幅度大。本装置利用了涡激振动原理的低速启动特性，可以在低速流中有效获取能量，同时在振动体摆动到与来流呈一定攻角时，借助攻角产生的升力使振幅大幅增加；(2)适应流速区间广。经实验测试，多个振动体在特定排列形式下，较完全依赖涡激振动结构的装置，其能够适应更宽的流速区间；（3）摆动式工作稳定，和谐。装置为稳定的往复摆动，不会有缠绕水中杂物导致装置停止工作的现象发生。低频摆动相对于高速旋转运动对于水中生物生存的影响要小得多。

附图说明

图1本发明的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置总体结构图；

图2-图3本发明的第两种实施方式的结构示意图；

图4单向离合器系统的工作原理图；

图5发电舱齿轮组的工作原理图；

图6-图7摇臂结构形式以及参数定义图

图8振动系统振子模型；

图9激振动-升力混合动力原理图；

图10 不同振动间距状态下的振幅-流速测试曲线。

具体实施方式

本发明的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及整个装置的支撑结构。

振动系统位于水下，包括轴线垂直于来流方向的一组振动体（两个或多个)，位于振动体两端用于约束振动体的摇臂，摇臂轴以及减小摇臂摆动时摩擦阻力的水润滑轴承系统。振动体内部对称布置泡沫浮块，以控制静水中振动系统浮态。此外，振动系统还包括与摇臂连接，用以控制系统固有频率的控制系统刚度系数机构，控制系统刚度系数机构可以使在摇臂转轴处安装扭簧或者摇臂上吊装拉簧以控制系统刚度系数，还可以通过其他弹性系统如橡胶以及弹性气缸等控制系统的刚度系数。

同步带系统的两个摇臂各配备一套同步带系统，以保证振动系统受力均匀，防止发生扭转。

振动-转动转换系统主要采用单向离合器与齿轮箱相结合的方式，先通过两组单向离合器将往复振动转化为两个传动长轴的单向转动（转向相反），而后通过具体设计的齿轮箱系统将两个长轴的单向转动（转向相反）合并为一个输出轴的单向转动。

发电系统采用低速大扭矩发电机，以适应装置能量输出的特点。

支撑结构可以采用坐底式或者漂浮式，但是应保证：振动系统位于水下一定深度，并与河（海）床保持一定距离；发电系统位于水面以上一定距离。

下面结合附图对本发明的实施方案进行详细说明：

结合图1，涡激振动与升力混合动力型水流发电装置总体结构包括：两平行摇臂8通过摇臂轴7安装于底座2上，两个摇臂另一端连接到振动体9的两端，同步带6将摇臂的往复转动传递到发电平台1的两组小带轮3上，小带轮通过内部安装单向离合器驱动两根长轴4分别单向转动，通过设置于发电舱5中的传动同步带组和齿轮组将两根轴的单向转动统一为一根中转轴的单向转动驱动发电机获取电能。图2为振动体直径改变以后的装置总体结构图。图3为三根振动体时装置的总体结构图。

图4展示了单向离合器系统的工作原理，其中，同步带6随摇臂系统的往复运动，带动小同步带轮3a、3b往复转动，小同步带轮3a通过逆时针单向离合器与长轴4a连接，即小同步带轮3a逆时针转动时，长轴4a会随之同步旋转，而小同步带轮3a顺时针旋转时长轴4a不会随之旋转。同理，通过顺时针单向离合器将小同步带轮3b的往复转动转化为长轴4b的顺时针单向转动。从而，皮带的往复运动转化为两个主轴各自的单向转动。

图5展示了发电舱齿轮组的工作原理，其中转向相反的长轴4a、4b为输入轴，18为中转轴。长轴4a通过传动同步带组带动中转轴旋转，以保证中转轴与长轴4a转向相同，传动同步带组包括：安装在长轴4a上的大带轮10，安装在中转轴上的小带轮12和同步带11；长轴4b通过齿轮组带动中转轴旋转，以保证中转轴与长轴4b转向相反，齿轮组包括安装在长轴4b上的大齿轮15，安装在中转轴上的小齿轮16。从而，转向相反的长轴4a，4b统一为了中转轴的单向转动。最后，通过中转轴上的齿轮17与发电机轴上的齿轮13将中转轴的转动传递给发电机14，获取电能。

图6和7展示了摇臂的具体形式以及参数定义，摇臂由沿流向的横杆以及垂直流向的竖杆组成，振动体与竖杆固定在一起。图中，振动体直径定义为D,振动体间距定义为L,振动体轴心与摇臂转轴距离定义为A,振动体摇臂摆角幅值定义为θ。

图8给出了装置振动系统简化后的振子模型，其质量M包括振动系统等效质量M₀以及振动系统在水中的附加质量M₁，其中等效质量M₀是由：振动体以及其中填充的水，摇臂，带轮，皮带，轴系等组成的，M₁主要考虑振动体运动带动的水流质量。刚度系数K通过弹簧组控制，主要形式有摇臂转轴处安装扭簧或者摇臂上吊装拉簧，还可以通过其他弹性系统如橡胶以及弹性气缸等控制刚度系数。阻尼系数C主要来自于发电机的阻尼和系统内摩擦。由此可得到振动系统的固有频率f_G:

$f_G=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{M}}$

而振动体在水流中的漩涡发放频率f_S为:

$f_S=\frac{S_{t}V}{D}$

其中：S_t---斯特劳哈尔数；V---来流流速；D---振动体直径。

水流流经振动体时，会在振动体背后交替发放出漩涡，当f_S随着V变化到接近f_G时，产生共振现象，漩涡对振动体的激振力使振动体开始较大幅度振动，振动体的运动又影响到漩涡的发放，在这种情况下，即使流速产生一定变化，也不会使装置脱离振动区间，即系统处于自锁状态。

图9展示了涡激振动-升力混合动力的原理。起始状态时，摆臂位于平衡位置（I），当来流流速达到特定值时，会在在振动体背后产生交替脱落的旋涡，当漩涡脱落频率与振动系统固有频率接近时，会产生共振，摆臂开始较大幅度的摆动。当摆臂运动到位置（II）时，两个振动体因距离较近且相对来流有一定重叠，即可认为两振动体合并为一与来流呈一定攻角的升力体，此时水流对升力体的合力F_R可分解为沿运动方向的力F_L以及垂直运动方向的力F_D,F_D被摆臂拉力抵消，F_L使振动体继续运动。随着摆臂摆角的增大，弹簧拉力也逐步增加，当摆臂达到极限摆角时，F_L以及振动系统的惯性力不足克服弹簧拉力时，在弹簧作用下，摆臂向平衡位置摆动，并越过平衡位置到另一侧的极限摆角。可见，在本装置中，借助涡激振动原理使摆臂开始工作，而后借助升力原理大幅增加摆角，使系统工作状态达到最佳。

图10展示了装置的实验测试曲线，横轴代表雷诺数，箭头指向雷诺数增大方向，纵轴表示无量纲振动幅值。a,b,c为在D相等状态下三种不同的取值，其中有1<a<3<b<4<c。由曲线可以看出，振动体间距取值为a时，相较于取值b，c，实验得到值有明显增大，这也有效证明了本装置的有益效果。

Claims (9)

1.一种涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及支撑结构；

所述发电系统是安装在支撑结构上的发电机；

所述振动系统包括轴线垂直于来流方向的一组振动体，位于振动体两端用于约束振动体的摇臂，摇臂通过摇臂转轴安装在支撑结构上，摇臂与支撑结构之间设置有控制刚度系数的机构；

所述同步带系统包括与摇臂转轴同轴且随摇臂运动的大同步带轮，分别安装于振动-转动转换系统中的两根长轴上的两个小同步带轮，将大带轮与两个小带轮连接在一起的同步带；

所述振动-转动转换系统包括安装在支撑结构上的一根中转轴和位于中转轴两侧的两根长轴，第一长轴与中转轴之间由同步带传动，中转轴与第一长轴的转向相同，第二长轴与中转轴之间由齿轮传动，中转轴与第二长轴的转向相反，发电机与中转轴由齿轮传动，同步带系统中的小同步带轮与每根长轴之间设置有单向离合器、且两根长轴上的单向离合器的方向相反。

2.根据权利要求1所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：两个摇臂各配备一套同步带系统。

3.根据权利要求1或2所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：所述振动体为中空结构，内部沿轴向对称布置浮块。

4.根据权利要求1或2所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是所述控制刚度系数的机构为以下三种形式中的一种：一、在摇臂转轴处安装扭簧；二、在摇臂上吊装拉簧；三、设置弹性气缸。

5.根据权利要求3所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是所述控制刚度系数的机构为以下三种形式中的一种：一、在摇臂转轴处安装扭簧；二、在摇臂上吊装拉簧；三、设置弹性气缸。

6.根据权利要求1或2所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：振动体为2-3个。

7.根据权利要求3所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：振动体为2-3个。

8.根据权利要求4所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：振动体为2-3个。

9.根据权利要求5所述的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，其特征是：振动体为2-3个。