CN104675599A - 百叶式流体动力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种百叶式流体动力装置，放置于有气流存在的大气中或有水流存在的水域中，包括：轮轴；多个轮叶，沿所述轮轴的轴向固定在所述轮轴上，多个所述轮叶在所述轮轴上均匀分布并呈辐射状设置，在水流或气流的流体动力作用下所述轮叶带动所述轮轴单向转动；其中所述轮叶包括轮叶骨架和形成在所述轮叶骨架内的多个窗口，所述窗口上设置有在顺流区用于盖住窗口而在逆流区自动打开窗口的窗叶，并且所有窗叶都置于所述轮叶的同一侧。本发明的百叶式流体动力装置具有结构简单、制造方便、成本较低的优点，可以在世界各地的河流和洋流中以及有风吹的地方推广及应用。

Description

百叶式流体动力装置
技术领域
本发明涉及一种动力装置，特别涉及一种百叶式流体动力装置。
背景技术
自从工业革命以后，世界逐渐进入机械动力取代人力的时代，能源由原来的物理能源占主导地位转而由化学能源占主导地位。以煤、石油以及其他有机物作为燃料，燃烧以产生能量。在燃料燃烧的过程中，释放出有害物质，有害物质混入到空气中，造成环境的污染。另外，为了获取更多的燃料，以产生更多的能量，人们过度的开采，因此，加重了环境的污染，以及产生温室效应，而危及人类未来发展。有识之士转而提倡使用再生能源，如风力、水力及潮汐能等，以其减少化学能源的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、能利用流体动力不断向外输出动力的百叶式流体动力装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种百叶式流体动力装置，放置于有气流存在的大气中或有水流存在的水域中，包括：
轮轴；
多个轮叶，沿所述轮轴的轴向固定在所述轮轴上，多个所述轮叶在所述轮轴上均匀分布并呈辐射状设置，在水流或气流的流体动力作用下所述轮叶带动所述轮轴单向转动；其中
所述轮叶包括轮叶骨架和形成在所述轮叶骨架内的多个窗口，所述窗口上设置有在顺流区用于盖住窗口而在逆流区自动打开窗口的窗叶，并且所有窗叶都置于所述轮叶的同一侧。
作为优选，所述窗口由相互垂直的横向杆状体和纵向杆状体交叉形成，其中横向杆状体平行于所述轮轴，相邻两个所述横向杆状体的间距相等，而相邻两个所述纵向杆状体的间距相等。
作为优选，当使用状态下所述轮轴水平设置时，所述窗叶转动连接在所述窗口与所述轮轴平行的外缘上，当使用状态下所述轮轴垂直设置时，所述窗叶转动连接在所述窗口与所述轮轴平行的外缘上或者所述窗叶转动连接在所述窗口垂直于轮轴的上缘上。
作为优选，所述窗叶通过铰链铰接在所述窗口的外缘或上缘上。
作为优选，所述窗口的外缘或上缘上设置有榫眼，所述窗叶上设置凸出的用于插入所述榫眼内以使所述窗叶转动连接在所述窗口上的榫头。
作为优选，所述窗口的外缘或上缘上设置轴杆，所述窗叶上设有用于使所述轴杆穿入的窗叶孔，从而使所述窗叶转动连接在所述窗口上。
作为优选，所述窗叶的面积大于所对应的所述窗口的面积，致使所述窗叶足以完全封盖所对应的所述窗口，而相邻的所述窗叶之间不重叠。
作为优选，所述窗叶的面积小于等于所对应的所述窗口的面积，所述窗口的边缘上设置用于使所述窗叶永远位于所述窗口的同一侧而不会转动至所述窗口的另一侧的挡条。
作为优选，所述窗叶的一面内凹而另一面外凸，内凹的一面靠贴所述轮叶骨架，外凸的一面背向所述轮叶骨架。
与现有技术相比，本发明的百叶式流体动力装置的有益效果在于：
1、本发明的百叶式流体动力装置利用处于顺流区内的轮叶上的窗叶可以自动掩盖以关闭轮叶上的窗口及处于逆流区内的轮叶上的窗叶可以自动翻开以打开轮叶上的窗口，使半数轮叶迎着流体流动方向回转时其上的窗口处于打开状态，大大降低对流体流动所造成的阻力，同时又使半数轮叶上的窗口处于关闭状态，受流体动力带动而不断转动，进而带动轮轴转动，转动的轮轴可以不断的向外输出动力。
2、本发明的百叶式流体动力装置置于大气中有风流动的地方时，因可以扩大轮叶受风面积，用作风力发电的效果更显著。
3、本发明的百叶式流体动力装置又可整个藏于水中，因此对自然环境及生态环境造成的损害甚轻微，而且亦对船只通航航道不会有太大影响，同时该百叶式流体动力装置置于河流及洋流中时，受环境局限较小，可以建造较大体积以求得到较大输出功率。
4、本发明的百叶式流体动力装置由于利用的是风力或水流动力能源，二者同样都是物理能源，具有一直存在、力量庞大、用之不尽以及不会污染环境的优点。
5、本发明的百叶式流体动力装置的结构简单、制造方便、成本较低，可以在全世界范围推广应用。
附图说明
图1为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴水平放置时的横切面示意图；
图2为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴水平放置时的一个轮叶的正面结构示意图；
图3为本发明的百叶式流体动力装置的窗口与窗叶榫接的正面结构示意图；
图4为图3中窗叶处于关闭窗口的状态的侧视图；
图5为图3中窗叶被流体推动而处于翻开状态的侧视图；
图6为本发明的百叶式流体动力装置的窗口与窗叶铰接的正面结构示意图；
图7为图6中窗叶处于关闭窗口的状态的侧视图；
图8为图6中窗叶被流体推动而处于翻开状态的侧视图；
图9为本发明的百叶式流体动力装置的窗口与窗叶另一种连接方式的正面结构示意图；
图10为图9窗叶处于关闭窗口的状态的侧视图；
图11为图9中窗叶被流体推动而处于翻开状态的侧视图；
图12为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴呈第二种轴向竖直方式放置时的俯视结构示意图；
图13为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴呈第二种轴向竖直方式放置时的一个轮叶的正面结构示意图；
图14为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴轴向水平放置时的一种工作状态示意图；
图15为本发明的百叶式流体动力装置于轮轴轴向水平放置时的另一种工作状态示意图。
附图标记说明
1-轮叶                     2-轮轴
3-窗叶                     4-窗口
5-窗口外缘                 6-轮轴轴线
7-轮叶骨架                 8-榫头
9-榫眼                     10-铰链
11-顺流区                  12-逆流区
13-转向面                  14-中垂面
15-挡条                    16-轴杆
17-窗叶孔                  18-窗口上缘
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
首先需要说明的是：下文中提到的转向面指的是当轮轴呈水平状态放置于大气中或水中时，平行于流体流动方向且经过轮轴轴线的平面。所述转向面把空间划分了两个区域，所述轮叶顺着流体流动方向转动的区域是顺流区，所述轮叶逆着流体流动方向转动的区域是逆流区。中垂面是指与流体流动方向垂直且经过轮轴轴线的平面。
本发明提出的百叶式流体动力装置放置于有气流存在的大气中或有水流存在的水域中，处于所述顺流区内的所述轮叶上的窗叶因流体推动作用而自然地掩盖着所对应的所述窗口，同时处于所述逆流区内的所述轮叶上的窗叶亦因流体推动作用而自然地翻开所对应的所述窗口，使所述轮叶受流体流动作用带动轮轴转动以向外不断的输出动力。
具体地，如图1和图2所示，本发明公开的一种百叶式流体动力装置包括轮轴2和多个轮叶1，轮叶1沿轮轴2的轴向固定在轮轴2上，且多个轮叶1在轮轴2上均匀分布并呈辐射状设置，在水流或气流的流体动力作用下轮叶1的旋动将带动轮轴2单向转动。
轮叶1由图2所示的一个轮叶骨架7构成，轮叶骨架7内形成多个中空疏通的窗口4。本实施例中，窗口4通过横纵交叉设置的杆状体分隔而成。而每个窗口4上都设置有在顺流区11用于盖住窗口4而在逆流区12自动打开窗口4的窗叶3，并且所有窗叶3都置于轮叶1的同一侧。如图2所示，本实施例中公开的轮叶骨架7为长方形，而每个窗口4也为长方形，长方形窗口在制造上最为经济并且制造效率最高。并且使长方形窗口较长的一边与轮轴轴线6平行，这样，铰接在窗口外缘5的窗叶3翻开时较为方便。实际上，本发明中的轮叶骨架7和窗口4并不仅限于此种形式，比如轮叶骨架7的结构为曲线形或扇形，窗口4的形状也可以为弧形或其他形状，只要在流体的推动下能实现轮叶1带动轮轴2单向连续转动即可。此时，窗叶3要根据窗口4的形状变化而变化，但窗叶3翻开及掩盖动作的方向不变。
另外，图2中本实施例中的每个轮叶1沿轮轴2的径向开设四个窗口4只是一种示意，实际上径向窗叶3的数目可以按实际要求而定并没有限制。而且每个轮叶1沿轮轴轴线6方向设置的窗口4的数量也不仅限于八个，可以根据实际需要而定。为了清楚起见，图2仅示出了窗口4，而没有显示出窗叶3，图2中以深色标示其中一窗口空间。
为了实现窗叶3转动连接在窗口4上，以使窗叶3在流体的推动下在顺流区11掩盖住窗口4，而在逆流区12打开窗口4，窗叶3可采取多种方式实现转动连接。如图3至图5所示，窗口4远离轮轴2的边缘（该实施例中即为与轮轴2平行的边缘，以下简称窗口外缘5）上设置有榫眼9，窗叶3上设置凸出的用于插入榫眼9内以使窗叶3转动连接在窗口4上的榫头8。如图6至图8所示，窗叶3也可以通过铰链10铰接在窗口外缘5上。还可以通过如图9至图11所示的方式实现窗叶的转动连接，窗口外缘5上设置轴杆16，窗叶3上设有用于使轴杆16穿入的窗叶孔17，从而使窗叶3转动连接在窗口外缘5。如果窗口外缘5本身是圆杆状的，则可以取消增设的轴杆，可直接使窗口外缘5穿过窗叶孔17，使窗叶3转动连接在窗口外缘5上。
继续结合图3至图8，为了使窗叶3掩盖住窗口4，以使在顺流区11内轮叶受到流体的推动力增大，本实施例中的窗叶3的面积稍大于所对应的窗口4的面积，致使窗叶3足以完全封盖所对应的窗口4，而为了保证彼此之间的动作不相互影响，相邻的窗叶3之间应不重叠。
当然，如果窗叶3的面积不大于窗口4的面积也是可以的，如图9至图11所示，窗叶3的面积稍小于或等于所对应的窗口4的面积，窗口4的边缘上设置挡条15用于使窗叶3永远位于窗口4的同一侧而不会转动至窗口4的另一侧。挡条15的作用主要是当窗叶3位于顺流区11受流体作用力时使其压着轮叶骨架7，因为挡条15的存在，窗叶3所受的流体的作用力便通过挡条15传递到轮叶骨架7，从而带动轮轴2转动。挡条15的设置形式可以有多种，而并不仅限于图9中示出的短小条形的情况，例如，挡条15可以设置为贯穿整个窗口4的长条形，条形既可以是水平的也可以是竖直的，当然还可以是倾斜的，而且挡条15也可以设置为多条。另外，挡条15也可以是在窗口4内形成的多格状结构。
如图4、图5、图7、图8、图10和图11所示，本实施例中的窗叶3为非平面的，而是带有一定的弧度，即窗叶3的一侧面向另一侧面内凹，而另一侧面则相应的外凸，内凹的一面靠贴轮叶骨架7，外凸的一面背向轮叶骨架7。这样设置的目的是使在顺流区11的窗叶3更好的贴靠在窗口4上，并且也能相应增大流体作用到窗叶3上的推动力。当然，如果窗叶3设置为平而没弧度的也是可以的，窗叶3也会在流体的推动作用下，在逆流区12内打开窗口4，而在顺流区11内则关闭着窗口4。
另外，继续参照图2，本实施例中的窗口4是由相互垂直的横向杆状体和纵向杆状体交叉形成，相邻两个所述横向杆状体的间距相等，而相邻两个所述纵向杆状体的间距相等，从而使形成的窗口4的大小形状完全相同，实际上，各窗口4之间的大小形状可以不相同。而且本实施例中示出的是每个窗口4上分别转动连接了一个窗叶3，实际上也可以两个甚至更多个窗口4共用一个窗叶3。或者一个窗口4设置两个或更多个窗叶3也是可行的。但应保证窗叶3永远位于窗口4的同一面，而在转动的过程中不转到窗口4的另一面。当多个窗口4共用一个窗叶3时，相邻两个窗口4之间的框架则起到了挡条15的作用。
本发明的百叶式流体动力装置使用时可以依轮轴轴向水平设置（如图1至图2所示），或可以依轮轴轴向垂直竖立设置（未给出图示）。但无论是水平设置还是垂直设置，百叶式流体动力装置的结构是相同的，而且工作的原理也是相同的，窗叶3铰接于窗口外缘5。当本发明的百叶式流体动力装置放置于流体中时，如有气流存在的大气中或有水流存在的水域中，流体流动方向与轮轴轴线相交构成了转向面13，所述转向面13把空间划分了顺流区11及逆流区12，处于顺流区11的轮叶1上的窗叶3会因为流体推动作用而掩盖着窗口4，处于逆流区12的轮叶1上的窗叶3会因为流体推动作用而翻开打开着窗口4，使在逆流区12中的轮叶1逆流回转时减小阻力，同时使在顺流区11的轮叶1受流体流动作用带动轮轴转动以向外不断的输出动力。
另外，当轮轴2竖直放置时，本发明的百叶式流体动力装置除了采用和轮轴2水平放置时的结构相同外，还可以采用如图12和图13所示的结构。如图1和图12所示，两者的区别仅在于窗叶3铰接在窗口4上的位置不同，而其他结构完全相同。继续结合图12，窗叶3转动连接在窗口4垂直于轮轴轴向的一侧边缘上，即，如图13所示，当轮轴2竖直放置时，窗叶3铰接在窗口4的窗口上缘18上。
下面结合附图以轮轴水平设置为例对本发明的百叶式流体动力装置的工作原理和工作过程简要介绍如下：
使用时，将本发明的百叶式流体动力装置置于流体中，即如图1的方式放置。
下面以其中四片轮叶1为例进行说明，如图14和图15所示，现将该四片轮叶分别定义为轮叶1a、轮叶1b、轮叶1c和轮叶1d，并且图14和图15中的箭头方向标示流体的流动方向。
如图14所示，在顺流区11中的轮叶1a转动至接近转向面13时，稍微外凸的窗叶3的凸面仍受流体推动作用而关闭着窗口4（如果窗叶3不外凸也是一样的），轮叶1a继续转动而越过转向面13进入逆流区12，跟着如图15所示，轮叶1b的窗叶3的凹面迎着流动的流体，受流体推动作用而自然翻开打开窗口4。
基本上，轮叶1a在进入顺流区11而还没越过中垂面14时，所受流体推动的作用力最显著，轮叶1a越过中垂面14后，受流体推动的作用力便减弱了，此时流体仍会依原流动方向流动，除了重力外，再没有其它力作用在窗叶3上，若置于水中，窗叶3会采用比重或有效比重与水相当的物料制造，使轮叶1a所受重力与水的浮力抵销了，所以轮叶1a在越过中垂面14后，窗叶3仍然会靠贴着窗口4，毕竟在实际情况下，流体流动方向或许稍有变化，但因窗叶3铰接在窗口外缘5而可以自由活动，尽管在轮叶1a还没越过转向面13进入逆流区12，窗叶3可能会因受实际情况而变化的流体作用力稍为翻开，但也不会构成对轮叶1a转动的阻力。若置于大气中，窗叶3会用较轻的物料制造，窗叶3或许会在未越过转向面13进入逆流区12前稍为翻开也不会构成对轮叶1a转动的阻力。
再如图14所示，在逆流区12中的轮叶1c转动至接近转向面13时，稍微外凸的窗叶3的凸面受流体推动作用而半关闭着窗口4（如果窗叶3不外凸也是一样的），轮叶1c继续转动而越过转向面13进入顺流区11，跟着如图15所示，轮叶1d的窗叶3的凸面迎着流动的流体，受流体推动作用而关闭着窗口4。
因为流体动力作用，流体不断这样穿过本发明的百叶式流体动力装置，不断带动轮叶1进而带动轮轴2转动，川流不息，以产生动能，轮轴2所产生的动能都可以向外输出用于发电。
本发明的百叶式流体动力装置的能量损耗主要在四部分：1）轮轴2的机械摩擦力；2）轮叶1进入逆流区12时翻开窗叶3所耗损的能量；3）轮叶1在逆流区12回转时轮叶骨架7的实际面积阻挡流体所耗损的能量；4）本发明的百叶式流体动力装置本身所具整体质量在转动中的耗能。
以上四部分能量损耗接近固定，按理，在强风的气流中或在河流或洋流的巨大能量作用力下，流体穿过本发明的百叶式流体动力装置带动轮叶1旋转所产生的能量，远超过能量损耗，抵消能量损耗后，还有大量剩余能量，以带动发电机组发电。
下面是对本发明的百叶式流体动力装置所产生的能量通过初步估算进行说明：
假设轮叶1的径向长度为R，假设轮叶1的轴向长度为L，轮叶1的面积为RL。假设流体依转向面13方向流过r的距离所用的时间为t，则流体速度v=r/t。流体密度为ρ。
初步估算功率P=(1/2)mv2/t=(1/2)ρrRLv2/t=(1/2)ρRLv3。
若置于水流中，水密度ρ=1000Kg/m3。
假设R为1米，轮叶的长L=1000米，水流速度v为1米/秒，功率P=(1/2)×1000×1×1000×13=0.5百万瓦。同样的装置，若置于水流速度v为3米/秒的水流中，则功率P=(1/2)×1000×1×1000×33=13.5百万瓦。
若置于强风中，空气密度ρ=0.225Kg/m3。
假设R为1米，轮叶的长L=100米，风速v为10米/秒时，功率P=(1/2)×0.225×1×100×103=11.2千瓦。同样的装置，若置于风速v为20米/秒的强风中，功率P=(1/2)×0.225×1×100×203=90千瓦。
发电容量比较：
三峡大坝水电站，共安装32台70万千瓦水轮发电机组，另外还有两台5万千瓦的电源机组，总装机容量为2250万千瓦，即22500百万瓦。长江中游长一千公里，平均流速为1米/秒，可设置数万个轮叶径向长度1米及轴向长度1000米的百叶式流体动力装置在河流中，发电量可超过三峡大坝水电站的发电量。长江上游的水流速度达3米/秒，同一装置的发电量更提升十数倍。事实上，长江流域年均水资源总量9960亿立方米，全流域水能理论蕴藏量约2.8亿千瓦，可开发量约2.6亿千瓦，约为三峡大坝水电站发电量的11倍，若能够发挥一半功效已有5倍三峡大坝水电站的发电量。
另外，洋流能源更为巨大，中国沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。美国墨西哥湾流总流量便达到7400～9300万立方米/秒，比陆地上所有河流的总量则要超出80倍。若与我国的河流相比，它大约相当于长江流量的2600倍，或黄河的57000倍。美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员指出，墨西哥湾流受到风力、地球自转和朝向北极前进的热量所驱使，所带来的能量等同于美国发电能力的2000倍。
世界上河流洋流能量资源丰富，若考虑全世界河流洋流适当设置本发明的百叶式流体动力装置，所产生的发电量，足可以取代现有所有火力发电及核能发电设施，大大减少因火力发电排出的废气所带给人类的危害，并同时能大大减少核电泄露辐射所存在的危险。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种百叶式流体动力装置，放置于有气流存在的大气中或有水流存在的水域中，其特征在于，包括：
轮轴；
多个轮叶，沿所述轮轴的轴向固定在所述轮轴上，多个所述轮叶在所述轮轴上均匀分布并呈辐射状设置，在水流或气流的流体动力作用下所述轮叶带动所述轮轴单向转动；其中
所述轮叶包括轮叶骨架和形成在所述轮叶骨架内的多个窗口，所述窗口上设置有在顺流区用于盖住窗口而在逆流区自动打开窗口的窗叶，并且所有窗叶都置于所述轮叶的同一侧。
2.根据权利要求1所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗口由相互垂直的横向杆状体和纵向杆状体交叉形成，其中横向杆状体平行于所述轮轴，相邻两个所述横向杆状体的间距相等，而相邻两个所述纵向杆状体的间距相等。
3.根据权利要求2所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，当使用状态下所述轮轴水平设置时，所述窗叶转动连接在所述窗口与所述轮轴平行的外缘上，当使用状态下所述轮轴垂直设置时，所述窗叶转动连接在所述窗口与所述轮轴平行的外缘上或者所述窗叶转动连接在所述窗口垂直于轮轴的上缘上。
4.根据权利要求3所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗叶通过铰链铰接在所述窗口的外缘或上缘上。
5.根据权利要求3所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗口的外缘或上缘上设置有榫眼，所述窗叶上设置凸出的用于插入所述榫眼内以使所述窗叶转动连接在所述窗口上的榫头。
6.根据权利要求3所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗口的外缘或上缘上设置轴杆，所述窗叶上设有用于使所述轴杆穿入的窗叶孔，从而使所述窗叶转动连接在所述窗口上。
7.根据权利要求1所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗叶的面积大于所对应的所述窗口的面积，致使所述窗叶足以完全封盖所对应的所述窗口，而相邻的所述窗叶之间不重叠。
8.根据权利要求1所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗叶的面积小于等于所对应的所述窗口的面积，所述窗口的边缘上设置用于使所述窗叶永远位于所述窗口的同一侧而不会转动至所述窗口的另一侧的挡条。
9.根据权利要求1所述的百叶式流体动力装置，其特征在于，所述窗叶的一面内凹而另一面外凸，内凹的一面靠贴所述轮叶骨架，外凸的一面背向所述轮叶骨架。
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