CN105041562A - 一种往复空气整流装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复空气整流装置及方法，包括环形管道，该环形管道上设有空气接口；从接口位置开始，依次设置有以下栅格阀门：设置在所述环形管道的外壁和内壁之间的第一单向栅格阀门和第四单向栅格阀门、设于外壁上的第二单向栅格阀门和第三单向栅格阀门，当空气通过所述接口进入所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时开启，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时关闭；当空气通过所述接口流出所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时关闭，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时开启。本发明的有益效果：保证流体整流装置工作效率的同时，有效的提高了流体整流装置的使用寿命。

Description

一种往复空气整流装置及方法

技术领域

本发明涉及能量转换设备技术领域，尤其涉及一种往复空气整流装置及方法。

背景技术

地球上波浪能资源蕴藏量丰富，开发利用潜力巨大。目前波浪能利用技术种类繁多，但绝大部分利用技术是在波浪直接作用下利用载体(空气、海水、结构物)与结构物(支撑平台)的相对运动转换波浪能量，还有一部分是利用载体受波的压力产生形变或通过压电效应转换能量。形变或压电效应转换波浪能量由于波浪产生的压头不高而转换效率不高，这两类技术目前转换效率最高不超过5％。不同的转换载体后续的转换机构是不一样的，这些机构复杂程度和建造成本差别很大。

以结构物同支撑平台相互运动转换波浪能量的技术就是振荡浮子技术，它是目前世界发展的主流(包括中国)。振荡浮子技术的特点是利用波浪能量推动一个浮体相对另一个浮体平动或转动输出能量，后续转换机构通常采用液压系统。液压系统主要包括液压缸、液压马达、管道和一些溢流保护阀等，有的还包括具有稳流的蓄能机构，机构较复杂。如果以液压油作为工质，还有可能因泄漏对环境产生影响。相对运动的两结构物在超常波浪力作用下超限运动，有可能导致机构受力超常而被破坏。

以海水作为载体转换波浪能量就是所谓的越浪技术。越浪技术是波浪推动海水爬升把波浪能转换为海水势能，然后通过水轮机和发电机把势能转换为电能，其特点是水轮机同海水接触，受海生物附着影响大，由于要支撑海水重量装置体积相对庞大，高效率的低水头水轮机是一个需要解决的关键问题。

以空气作为载体转换波浪能量就是所谓的振荡水柱技术。振荡水柱技术公认的特点是结构简洁，材料利用率高，水下无运动部件可靠性高。其后续转换机构为空气透平和发电机(或其他负载)，全部设备内置在结构物内，不接触海水，故障率低，维护方便，密封级别要求低，海生物附着影响小。整套机构简单。目前基于振荡水柱技术发展的导航用微型波力发电装置已实现小规模生产。

产生往复运动非稳态气流是振荡水柱利用技术的特点，也是难以提高透平转换效率一个关键因素。目前应用于振荡水柱技术上的空气透平主要有Wells透平和冲动式透平等及其变种。Wells透平采用对称翼结构，无需整流阀门，双向来流都可推动透平单向旋转，结构简单，造价低，但只在特定的转速范围内转换效率高，而且最高也只是33％，容易失速，启动特性差，噪音大。在2000年前研建的绝大部分振荡水柱波浪能示范电站中采用了结构简单的Wells透平。冲动式透平为了应对往复流问题可分为单阀式冲动式透平和无阀式冲动式透平。按照导向叶片的不同，单阀式冲动式透平由可分为单阀式固定导叶冲动透平、单阀式自调节导叶冲动透平。该透平由于单向栅格阀门的作用只利用一个方向的气动能量，整体转换效率不高，而且目前阀门在高频往复气流作用下频繁碰撞，容易损坏。无阀式冲动式透平由可分为双向固定导叶冲动透平、双向自调节导叶冲动透平及其他组合方式如双单向冲动透平结构(Uni-directionalTurbine)等。无阀式冲动式透平有为了适应双向流的作用，一种方式是在透平两端装配有导叶组，导叶组一端起到导流作用，另一端起到流阻作用，这种结构形式导致整体转换效率提高困难。目前我国科研人员实验研究表明冲动式透平低速效率转换效率较高，曲线平缓，频带较宽，启动特性佳，在规则波条件下，双向可调导叶冲动式透平最高转换效率可达53.3％，但这种透平需要精心设计，在一天几万次往复式气流的作用下，导叶运动频率过高，容易卡死损坏。为了克服双端导叶流阻大的问题，日本学者提出了一种双单向冲动透平结构。该种结构是两组分开的透平，特殊设计的导叶使气流几乎只能单向流动。通过对实验研究和数值求解发现该种透平机组效率达60％，高于同种海况下的Wells透平和带有前置导叶的冲动透平。该透平机具有一级喷嘴叶栅和一级动叶栅，其中喷嘴叶栅和动叶栅的空气进口均大于出口，其机械效率高达75％，是由于低参数的空气具有可压缩性，渐缩式流道将空气的压力能转化为动能，从而提高了气动效率。这种结构有望使波浪能到电的转换效率达到50％。但是，该种透平机组采用两组对称的透平组，当空气冲动一组透平旋转做功时，另一组透平也跟着做旋转运动而产生斥气损失，导致整个机组损失较大，其透平出口漏气损失也较大，从而使得转换效率降低。

故现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明为了克服现有的流体整流装置在低压、高频运动环境中的不足，提供了一种能适用于低压、高频运动环境，而且能高效率、高寿命、无噪声连续工作的往复空气整流装置以及方法。

本发明的技术解决方案是：一种往复空气整流装置，包括环形管道，该环形管道上设有空气接口；从接口位置开始，依次设置有以下栅格阀门：设置在所述环形管道的外壁和内壁之间的第一单向栅格阀门、设于外壁上的第二单向栅格阀门、设于外壁上的第三单向栅格阀门、设置在所述环形管道的外壁和内壁之间的第四单向栅格阀门；当空气通过所述接口进入所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时开启，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时关闭；当空气通过所述接口流出所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时关闭，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时开启。

各个单向栅格阀门均包括框体以及设置在框体内可转动的阀轴，在阀轴上设有与框体相适配的阀片，阀轴的一端伸出框体之外，在阀轴伸出框体的一端上设有曲柄，各个曲柄均与第一连杆连接；还包括用于限制阀片转动使得其单向开启的限位件。

同一个单向栅格阀门中的相邻所述阀片过盈配合。

所述阀片的横截面为翼型。

所述第一单向栅格阀门的第一连杆通过第二连杆与所述第三单向栅格阀门的第一连杆连接，以使得所述第一单向栅格阀门和所述第三单向栅格阀门同时启闭；所述第二单向栅格阀门的第一连杆通过第三连杆与所述第四单向栅格阀门的第一连杆连接，以使得所述第二单向栅格阀门和所述第四单向栅格阀门同时启闭。

一种往复空气整流方法，包括以下步骤，S1：将具有往复式空气的管道接入带有接口的环形管道；

S2：在空气通过接口流入环形管道的接口时，同时打开第一栅格阀门和第三栅格阀门，以及关闭第二栅格阀门以及第四栅格阀门，在环形管道内形成沿预定方向流动的气流；

S3:在空气通过接口流出环形管道的接口时，第一栅格阀门和第三栅格阀门同时关闭，第二栅格阀门以及第四栅格阀门同时开启，在环形管道中形成与S2流动方向相同的气流。

本发明的有益效果：

能适用于低压、高频运动环境，而且能高效率、高寿命、无噪声连续工作。

附图说明

图1为本发明整流装置空气流入环形管道状态示意图；

图2为本发明整流装置空气流出环形管道状态示意图；

图3为本发明单向栅格阀门整体结构示意图；

图4为本发明一组阀片和阀轴结构示意图；

图5为本发明整体结构示意图。

附图标记说明：

1-第一单向栅格阀门；2-第二单向栅格阀门；3-第三单向栅格阀门，4-第四单向栅格阀门；5-原动机；6-接口；10-环形管道；11-框体；12-阀轴；13-阀片；14-曲柄；15-第一连杆；16-限位件；161-衔接杆；162-限位杆；17-第二连杆；18-第三连杆。

具体实施方式

实施例：

参阅图1，图2，图3，以及图4，一种往复空气整流装置，包括环形管道10，该环形管道10延伸设有连通该环形管道的接口6，该接口6连通往复式空气管道；当通过该接口流入空气时，在该环形管道10中形成沿预定方向流动的第一气流；当通过该接口流出空气时，在该环形管道10中形成与第一气流流动方向相同的第二气流。

包括环形管道10，该环形管道10上设有空气接口6；从接口6位置开始，依次设置有以下栅格阀门：设置在环形管道10的外壁和内壁之间的第一单向栅格阀门1、设于外壁上的第二单向栅格阀门2、设于外壁上的第三单向栅格阀门3、设置在环形管道10的外壁和内壁之间的第四单向栅格阀门10；当空气通过接口6进入环形管道10时，第一单向栅格阀门1和第三单向栅格阀门3同时开启，第二单向栅格阀门2和第四单向栅格阀门4同时关闭；当空气通过接口6流出环形管道10时，第一单向栅格阀门1和第三单向栅格阀门3同时关闭，第二单向栅格阀门2和第四单向栅格阀门4同时开启。

各个单向栅格阀门1/2/3/4均包括框体11以及设置在框体11内可转动的阀轴12，在阀轴12上设有与框体11相适配的阀片13，同一个单向栅格阀门中的相邻阀片13过盈配合；阀片13的横截面为翼型，由于其横截面在来流时受流体压力自动打开，在回流时受自身升力自动关闭。框体11对阀片13起固定作用，第一连杆15实现了同一个单向栅格阀门中所有阀片13的同时动作。

阀轴12的一端伸出框体11之外，在阀轴12伸出框体11的一端上设有曲柄14，各个曲柄14均与第一连杆15连接；还包括用于限制阀片13转动使得其单向开启的限位件16。限位件16包括衔接杆161和呈L型的限位杆162，衔接杆161的一端与阀轴12伸出框体11的一端连接，限位杆162一端与衔接杆161的另一端连接；在单向栅格阀门闭合时限位杆162的自由端与框体11的边缘抵接，从而使得当气流从开启侧流过则单向栅格阀门能够自动开启，而反方向流动时，阀门自动关闭。

第一单向栅格阀门1的第一连杆15通过第二连杆17与第三单向栅格阀门3的第一连杆15连接，以使得第一单向栅格阀门1和第三单向栅格阀门3同时启闭；第二单向栅格阀门2的第一连杆15通过第三连杆18与第四单向栅格阀门4的第一连杆15连接，以使得第二单向栅格阀门2和第四单向栅格阀门4同时启闭。第一单向栅格阀门1与第三单向栅格阀门3通过连杆17实现两个阀门同时启闭；第二单向栅格阀门2与第四单向栅格阀门4通过连杆18实现两个阀门同时启闭。

一种空气整流方法，包括以下步骤，S1：将具有往复式空气的管道接入带有接口的环形管道；

S2：在空气通过接口流入环形管道的接口时，同时打开第一栅格阀门和第三栅格阀门，以及关闭第二栅格阀门以及第四栅格阀门，在环形管道内形成沿预定方向流动的气流；

S3:在空气通过接口流出环形管道的接口时，第一栅格阀门和第三栅格阀门同时关闭，第二栅格阀门以及第四栅格阀门同时开启，在环形管道中形成与S2流动方向相同的气流。

本发明的具体工作过程：

参阅图1位于第一单向栅格阀门1和第四单向栅格阀门4之间的环形管道10设置原动机5，当空气通过接口6进入环形管道10时，第一单向阀门1和第三单向栅格阀门3开启，第二单向阀门2和第四单向栅格阀门4关闭，空气沿逆时针转动，从而带动原动机5旋转；

参阅图2在往复空气回流空气通过接口6流出环形管道10时，环形管道10内形成负压，外界大气压使得空气有进入环形管道的趋势；故使得第二单向栅格阀门2开启；第三单向栅格阀门3关闭；因第二单向栅格阀门2与第四单向栅格阀门4通过第三连杆18联动，第三单向栅格阀门3通过第二连杆17与第一单向栅格阀门1联动，使得第二单向栅格阀门2和第四单向栅格阀门4同时开启，第一单向栅格阀门1和第三单向栅格阀门3关闭；大气从第二单向栅格阀门2进入环形管道10，绕环形管道10流动穿过第四单向栅格阀门4，同样形成沿逆时针转动的气流，该气流带动原动机5旋转按同样的方向转动，最终从接口6流出环形管道10实现了往复空气流入整流装置和流出整流装置均使得原动机5按同一方向转动，进而增大了能源转化效率；当然本实施例的空气也同样适用其他类似流体如海水等。

为了避免阀门的频繁过度开合引起疲劳破坏的问题，该流体整流装置中的栅格阀门根据流体动力特性进行设计，栅格阀门依靠流体的运动状态有自启自闭功能，并且阀门开启与闭合均无碰撞产生，从而提高了整个整流装置的使用寿命和控制的可靠性。整流装置特殊的管道布置降低了流体在管道中的流体阻力，从而实现了流体的往复流动向单向流动的高效率转化。该流体整流装置的优点是效率高、寿命长、无噪音、结构简单、易于产品化。

现有技术对于普通阀门局部阻力损失大和寿命短的问题，根据流体在管内流动机理，设计一种具有多组翼型阀片的单向栅格阀门，在单向栅格阀门的来流方向上，翼型阀片受来流动压自动开启，而在栅格阀门的回流方向上，来流使翼型阀片两面压力不同而自动关闭，从而实现了阀门的自启自闭功能；对整个流体整流装置的整流问题，采用环形管道布置，将四个单向栅格阀门合理布置在管道中，将同一动作的两个栅格阀门通过第二连杆17连接，从而实现了往复式流体在环形管道中的单向流动。

本发明的有益效果是，可以在保证流体整流装置工作效率的同时，有效的提高了流体整流装置的使用寿命，而单向栅格阀门和环形管道结构简单、易于维护。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种往复空气整流装置，其特征在于：包括环形管道，该环形管道上设有空气接口；从接口位置开始，依次设置有以下栅格阀门：设置在所述环形管道的外壁和内壁之间的第一单向栅格阀门、设于外壁上的第二单向栅格阀门、设于外壁上的第三单向栅格阀门、设置在所述环形管道的外壁和内壁之间的第四单向栅格阀门；当空气通过所述接口进入所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时开启，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时关闭；当空气通过所述接口流出所述环形管道时，第一单向栅格阀门和第三单向栅格阀门同时关闭，第二单向栅格阀门和第四单向栅格阀门同时开启。

2.根据权利要求1所述的往复空气整流装置，其特征在于：各个单向栅格阀门均包括框体以及设置在框体内可转动的阀轴，在阀轴上设有与框体相适配的阀片，阀轴的一端伸出框体之外，在阀轴伸出框体的一端上设有曲柄，各个曲柄均与第一连杆连接；还包括用于限制阀片转动使得其单向开启的限位件。

3.根据权利要求2所述的往复空气整流装置，其特征在于：同一个单向栅格阀门中的相邻所述阀片过盈配合。

4.根据权利要求2或3所述的往复空气整流装置，其特征在于：所述阀片的横截面为翼型。

5.根据权利要求2或3所述的往复空气整流装置，其特征在于：所述第一单向栅格阀门的第一连杆通过第二连杆与所述第三单向栅格阀门的第一连杆连接，以使得所述第一单向栅格阀门和所述第三单向栅格阀门同时启闭；所述第二单向栅格阀门的第一连杆通过第三连杆与所述第四单向栅格阀门的第一连杆连接，以使得所述第二单向栅格阀门和所述第四单向栅格阀门同时启闭。

6.一种使用如权利要求1所述的空气整流装置的空气整流方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1：将具有往复式空气的管道接入带有接口的环形管道；

S2：在空气通过接口流入环形管道的接口时，同时打开第一栅格阀门和第三栅格阀门，以及关闭第二栅格阀门以及第四栅格阀门，在环形管道内形成沿预定方向流动的气流；

S3:在空气通过接口流出环形管道的接口时，第一栅格阀门和第三栅格阀门同时关闭，第二栅格阀门以及第四栅格阀门同时开启，在环形管道中形成与S2流动方向相同的气流。