CN105545582A - 一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置 - Google Patents

Abstract

针对现有涡激振动发电装置振幅小，输出功率低等不足，提出一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置。利用粗糙带激发阵子的大振幅，并借鉴多缸内燃机的曲轴结构，实现阵子群的高能量输出密度和大规模发电技术。整套装置主要包括带有粗糙带的圆柱振子，轴套，连杆，曲轴，发电机，连接器，弹簧等。带有粗糙带的振子两端通过连接器连接在轴套上，保证了同一根连杆下阵子运动的一致性；利用曲轴传动机构将不同相位的多列阵子的往复直线运动转化为同一根曲轴的单向旋转运动，曲轴的一端与发电机连接，将机械能转化为电能。该装置实现了对振子群振动能量的集中收集，可广泛应用于河流、海流能量收集，具有较高的实用性和经济性。

Description

一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用流体流动进行发电的新能源发电装置，具体涉及到一种利用安装有粗糙带的圆柱振子群在湖泊水流或海洋流中的驰振现象收集电能的装置。

背景技术

目前，能源问题成为全球关注的热点，传统化石能源利用导致环境污染日益严重，且大多数传统化石能源为不可再生能源。可再生新能源的开发利用受到各国高度重视，成为当今能源领域发展的重要方向。对于环境中可利用的可再生能源，风能、水流及洋流等形式的流动能是一种普遍存在的可再生资源。在诸多新型能源类型中，海洋洋流能为清洁可再生的过程性能源，且以其规模庞大、分布广泛、蕴藏量丰富等优势受到了各国新能源开发者的青睐。据统计全球可利用海流能高达5×10⁶MW，在我国，沿岸流的理论可开发量可达1.4×10⁵MW,相当于70个三峡水电站的装机容量，另外，除洋流能外，我国还有大量河流大型水电站的尾水能源。综上可以看出，流动能具有丰富的蕴藏量和良好的开发利用前景。

传统的水力发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，从而带动电磁感应发电机进行发电。然而，涡轮叶片形状复杂，制造成本高昂，旋转的涡轮对于海洋生物具有较大的威胁。因此，研发环境友好型低成本发电装置势在必行。

流致振动是一种流体力学现象，当钝体横向绕流时，在流速不很高的情况下就会形成边界层分离，随之产生脱体旋涡，钝体后旋涡脱落会在结构表面形成周期性脉动作用力，引起钝体做垂直于来流方向的往复运动。流致振动是一种自激振动现象，普遍存在于自然界和工程领域。2008年，美国Bernitsas教授成功基于此原理成功研制出一种低速水流发电装置-VIVACE(VortexInducedVibrationAquaticCleanEnergy),该装置将振子的机械能转化为电能。VIVACE涡激振动发电装置的启动流速为0.25m/s。并且具有结构简单，不影响通航，不破坏海岸线，不影响海洋生物等优点。

VIVACE涡激振动发电装置中单个振子的理论发电量仅为几十瓦，单振子发电装置的经济性和实用性较低。现有的利用流致振动发电的装置仅仅是以利用涡激振动发电为主，涡激振动的振幅小且发电功率较低。流质振动的形成机理较多，其中驰振是一种较特殊的流致振动现象，较涡激振动，驰振中的振子具有大振幅、低频率的振动特点。可见，利用驰振可以增加流致振动发电量的转化。因此，针对现有涡激振动发电机的不足和对驰振现象的研究，本发明提出一种基于驰振效应的带有粗糙带的圆柱振子群联合振动水流发电装置。

发明内容

针对上述中提到的现有技术中的不足，本发明提供了一种适用高流速、大阻尼、多振子同步振动的驰振发电装置。该装置结构设计简单、制造成本低、对海洋生物威胁小、能量转换效率高，增强了流致振动发电的经济性和工程适用性。

为达到此目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，包括地基，带有粗糙带的圆柱振子，塔柱，支撑轴，直线滑动轴承，轴套，连杆，曲轴，飞轮，发电机，连接器，弹簧，流体密封舱。地基可以定位在河流湖泊的底部或海底；塔柱固接在地基上，塔柱上安装防涡板；支撑轴固接在塔柱的内部；圆柱振子的两端部通过连接器连接在轴套上，在垂直于来流方向上做直线运动；连接器为法兰连接装置；直线滑动轴套在支撑轴上，可在支撑轴上做直线滑动；轴套用于包裹直线滑动轴承、连接弹簧、并将多个带有粗糙带的圆柱振子固接在一起，保证多个带有粗糙带的圆柱振子运动的一致性，构成整体振动系统，增大发电功率；流体密封舱保护直线滑动轴承和弹簧免受流体腐蚀，弹簧一端固接在轴套的端部，另一端固接在塔柱的端部；流体密封舱一端固接于塔柱端面，另一端与轴套的端部采用动密封连接；多排串列带有粗糙带的圆柱振子通过连杆实现与曲轴相连，连杆下端铰接在最上方的振子的中部，连杆上端采用剖分结构连接于曲轴轴颈处；该传动机构将多排带有粗糙带的圆柱振子的往复直线运动转化为同一曲轴的单向旋转运动；曲轴的一端与发电机连接，将机械能转化为电能，另一端安装飞轮，调节曲轴旋转时瞬时做功能力的不均衡。

所述发电装置中，同一轴套上的并列振子数量可以为2-6个，同一曲轴上串列的振子排数可以为2-12排，适用于高流速、大阻尼环境，流速对应的Re数应不低于80000.

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

该装置在现有涡激振动发电装置的基础上进行了改进，基于驰振现象的形成机理，通过在振子表面添加粗糙带，激发了振子驰振现象，大大增大了振子振动的幅度，并结合多排振子的串列布置，大大提高了能量输出密度；本发明中的传动机构实现了对振子群振动能量的集中收集，进而实现了用少数大容量发电机代替多数小容量发电机，实现了对流体流动能量的高效收集，大大降低了此类发电装置的制造成本；并且此发电装置结构简单易生产，便于安装可广泛应用于河流、海流能量收集，具有较高的实用性和经济性。

附图说明

图1为一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置结构示意图；

图2为单排阵子塔柱及内部结构示意图；

图3为密封舱内部结构示意图；

图4为带有粗糙带的圆柱体驰阵原理图；

图5为规模化发电装置塔柱排列结构示意图；

附图中：1--地基；2--带有粗糙带的圆柱振子；3--销轴；4--发电机；5--曲轴；6--连杆；7--飞轮；8--防涡板；9--塔柱；10--连接器；11--支撑轴；12--弹簧；13--轴套；14--流体密封舱；15--直线滑动轴承；16--粗糙带。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，如图1、2所示，包括地基1，带有粗糙带的圆柱振子2，销轴3，发电机4，曲轴5，连杆6，飞轮7，防涡板8，塔柱9，连接器10，支撑轴11，弹簧12，轴套13，流体密封舱14，直线滑动轴承15。地基1可以定位在河流湖泊的底部或海底；塔柱9呈流线型，固接在地基1上，塔柱9上安装防涡板8，防止塔柱9发生涡激振动；支撑轴11固接在塔柱9的内部；支撑轴11与轴套13之间安装直线滑动轴承15，如图3所示，便于轴套13实现往复直线运动；流体密封舱14一端固接于塔柱3上，另一端与轴套13采用动密封连接，可保护密封舱14内的弹簧12和直线滑动轴承15免受流体腐蚀；带有粗糙带的圆柱振子2的两端通过连接器10连接在轴套13上,在垂直于来流方向上做直线往复运动,连接器10为法兰连接装置，方便安装和拆卸；轴套13的上下两端分别连接一个支撑弹簧12，支撑弹簧12的另一端固接在塔柱3的端部，弹簧12提供回复力以使其实现往复运动，轴套13将多个带有粗糙带的圆柱振子2固接在一起，构成整体振动系统；连杆6下端铰接在最上面一根振子2的中部，连杆6上端采用剖分结构连接于曲轴轴颈中部；多列带有粗糙带的圆柱振子2通过连杆6实现与曲轴5相连接，该传动机构将多列带有粗糙带的圆柱振子2的往复直线运动转化为曲轴的单向旋转运动；曲轴5的一端与发电机4连接，将机械能转化为电能，另一端安装飞轮7，保证结构运动的稳定性。

该实施例中，前后两列振子的表面粗糙带16的布置位置不同，如图4所示，上游振子的粗糙带16布置在圆柱迎流面的上半部分，下游振子的粗糙带16布置在圆柱迎流面的下半部分，此实施方式的主要目的是通过粗糙带16的布置控制两列振子2的振动相位，两列振子的振动相位可以相同，也可以不相同，本实施例的相位相差180度，相应曲轴5上两列阵子的曲柄错角也为180度，这样可以保证曲轴5在每一转中的往复惯性力得到平衡。从振子的惯性力平衡和曲轴的切向力均衡的考虑中，可以有多种不同的曲柄错角的排列，而曲柄错角的位置和粗糙带的布置有关。

图5示出了规模化水流发电装置的模型图，采用振子群发电技术，实现了用少数大容量发电机代替多数小容量发电机的目的，降低了使用此类装置发电的成本，增强了此类发电装置的经济性和实用性。

由于多圆柱曲轴式发电装置曲柄错角和阵子布置方式的多样性，因此，凡涉及利用粗糙带激发驰振的多圆柱串列式曲轴发电装置的其他形式也均属于本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，其特征是：包括地基，带有粗糙带的圆柱振子，塔柱，支撑轴，直线滑动轴承，轴套，连杆，曲轴，飞轮，发电机，连接器，弹簧，流体密封舱；地基可以定位在河流湖泊的底部或海底；塔柱呈流线型，固接在地基上，支撑轴固接在塔柱的内部，直线滑动轴套在支撑轴上，可在支撑轴上做直线滑动；带有粗糙带的圆柱振子的两端部通过连接器连接在轴套上，在垂直于来流方向上做直线运动；轴套用于包裹直线滑动轴承、连接弹簧，保护直线滑动轴承免受流体腐蚀，将多个带有粗糙带的圆柱振子用轴套固接在一起，保证振子运动的一致性，构成整体振动系统，增大发电功率；弹簧一端固接在轴套的端部，另一端固接在塔柱的端部，弹簧给轴套运动提供回复力以使其实现往复运动，保证结构工作的稳定性；流体密封舱一端固接于塔柱端面，另一端与轴套的端部采用动密封连接，可保护弹簧免受流体腐蚀；连杆下端铰接在最上面振子的中部，上端采用剖分结构连接于曲轴轴颈中部；多排串列振子通过连杆实现与曲轴相连，该传动机构将多排带有粗糙带的圆柱振子的往复直线运动转化为同一根曲轴的单向旋转运动；曲轴的一端与发电机连接，将机械能转化为电能，另一端安装飞轮，保证结构运动的稳定性。

2.根据权利要求1所述的基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，其特征在于，所述2-6根带有粗糙带的圆柱振子的两端采用法兰连接分别连接于相同的两个轴套上，构成整体振动系统；此连接方式易于拆卸和安装。

3.根据权利要求1所述的基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，其特征在于，所述塔柱为流线型外形，并且塔柱上安装防涡板，可有效防止塔柱自身和其内部结构在流体中发生较强烈的振动，保证结构稳定性。

4.根据权利要求1所述的基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，其特征在于，塔柱内部安装流体密封舱，流体密封舱一端固接于塔柱的一个端面，另一端与轴套采用动密封连接，该结构可有效防止弹簧和支撑轴受到流体腐蚀。

5.根据权利要求1所述的基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，其特征在于，同一曲轴上可以布置2-12个曲拐，曲柄间的夹角可以是0度、180度、或任意角度，但多列曲柄结构及合理的曲柄错角布置应有利于整个曲轴式发电装置的惯性力的平衡和切向力的均衡。

6.根据权利要求2所述的带有粗糙带的圆柱振子，其特征在于，对光滑圆柱进行几何形状改良，通过合理确定粗糙带布置角度、覆盖面积和粗糙峰高度以获得最大驰振振幅，提高能量输出密度。