CN1055526C - 带聚能器流体能转换装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流体能转换的新装置及该装置的使用方法，该装置的特点是转子呈两层结构，上下叶片圆周向排列呈均布并相互交错，装置设聚能器，充分利用流体的能量，且结构简单，传力构件载荷分布均匀；该装置使用可串联、并列或串联并列同时应用，能量输出有多种方式，如直接输出机械能、输电能于电网、以压缩空气蓄能，构成流体能转换站，为提供无环境污染的清洁能源开拓新的途径。

Description

带聚能器流体能转换装置及使用方法

本发明涉及一种流体能转变为机械能的装置，特别是一种带聚能器综合利用风、水流、潮流流体能转换装置。

现有的风力发动机的能量转换效率有待提高，两架风力发动机之间需足够安装距离，一套风力发动机组占用地很大，这些风力发动机只适合单一自然能的利用；现有水能利用装置，如水电站的水轮机或潮汐电站的水轮机等，均需要庞大的水库，也只适应单一自然能的利用。

为解决综合利用风能与水能，美国专利4033257提出了流体力发动机，中国专利85106954.1在该专利构思基础上提出了改进方案，它在原动机每个转叶上均装上一个横叶，流体流向垂直于主轴时，流体推动转叶绕主轴旋转，当流体流向有平行主轴分量时，自动移动至一定倾科角度的横叶，在流体推动下，经转叶拖动原动机主轴旋转，达到综合利用空间任意流体流向的能量，这种结构为保证横叶移动需要复杂的构件，构件制造工艺要求高，同时在运转过程，由于横叶自径向展开占较大运动空间，这类装置的转叶排列均呈对称状，但由于竖轴结构的特点，叶片在旋转一周中，有半周以上不承受流体流动作用，因而造成传动件上载荷不均匀，影响构件的寿命；为了提高流体能转换装置的效率，除了上述横叶结构以外，美国专利4486143提出了集流板结构方案，它用于多层组合的风力发动机，每层透平配合一组集流板，以形成有利透平工作的迎风面，同时阻挡那些不利于透平旋转工作的风面，在集流板结构上形成气流旁通，以消除其对透平叶片的不利影响因素，而旁通气流在集流板中心区侧回收，再返回到透平进气处，以增加运行效率，这种结构，对气流容积的控制受到板构造的限制，较难达到气流以最佳状态进入透平叶片，旁通式构造使气流未作功而流失，虽然已经考虑回收，但是大部分仍然是得不到利用，这样结构的气流通路不能对流通道，只能由涡轮机中心流出，适用于风能但不宜用于水流和潮流。

本发明的目的是要提供一种改进的流体能转换装置，它能以较简单结构和较高的转换效率将风、水流、潮流等流体能转换成机械能，并提供使用该装置的方法。

本发明是这样实现的：一种流体能转换装置，由转子、聚能器、机架、上轨架、回转架和下轨架及联轴器组成，其结构特点是：

a.转子呈两层结构，上叶片与下叶片在转架圆周排列呈均布并相互交错，上下两层中间设一挡流板，在转架的外圆上设减惯档杆和减惯定位弹簧，转架两端轮辐中心处设有短轴，轮辐中部设上、下挡杆；

b.聚能器由聚流侧板、聚流导向板和固定板组成，构成一自外向内的收缩型流道，固定板固定在框架上，固定板固定侧边位置对应于转子的中心线，聚流侧板外侧经铰接柱安装在框架上，聚流侧板的内侧设连接柱，连接柱上装设系索，系索经滑轮在另一端系一重锤，系索与重锤控制聚流侧板的开合与开合口的大小，聚流导向板外侧经铰接柱安装在框架上，聚流导向板的内侧设连接柱，连接柱上装设系索，系索经滑轮在另一端系一重锤，系索和重锤控制聚流导向板的开合，并控制聚流导向板与固定板构成斜口的开口大小。

本发明的特点还包括所说的上叶片的数量为4-6个，下叶片的数量与上叶片的数量相等。

本发明的特点还包括上部的回转架上设一风舵。

本发明的特点还包括两个单向聚能器呈180°对称布置构成双向聚能器结构，聚流导向板的旋转支点设在相应转子中心线处的框架上，在聚流导向板自由侧边处e制成弯折形。

本发明流体能转换装置的使用方法是根据不同的功率需要，将本发明的流体能转换装置A作为一个单元，各单元的一端以万向联轴器连接串联成一组，串联机组的最上端短轴或最下端短轴作为输出能量的输出端，或将本发明的流体能转换装置并列，以传动装置作为输出机械能的输出端，其特点是：

a.流体能转换装置各单元串联，构成水面上机组和水面下机组，各串联机组并列组成流体能转换站，水面上机组和水面下机组的机械能输出端均设在水面舱室内；

b.流体能转换装置各单元串联与并列的机组，分别驱动空气压缩机，各空气压缩机的输出气管并联将压缩空气输入最后一个机组驱动的空气压缩机加压，加压后的压缩空气贮存于作为蓄能器的气罐。

本发明流体能转换装置的使用方法的特点还在于并列构成水面机组的各单元之间的间隔距离应大于转子直径的5倍。

为了使上述流体能转换装置的功能得到充分发挥，本发明的使用方法包括有：同时利用风能、水流能、潮流能，转换装置各单元串联，水面上机组接收风能，水面下机组接收水流能、潮流能，各串联机组可并列组成流体能转换站，风能的水面机组与水能的水面下机组的输出端设在水面舱室内；各转换装置单元串联与并列的机组，分别驱动空气压缩机，一组空气压缩机的输出气管并联将压缩空气输入最后一个机组加压，加压后压缩空气贮存于气罐，作为可利用的贮能器，在并联机组中风能转换装置各单元之间必须有大于转子直径5倍的距离。

本发明采用短轴转架结构和上下层叶片交叉布置，使流体能转换装置结构简化，传递载荷均匀，板式收缩流道可控制流道开口度的聚流结构，提高了流体能能量的利用率，本发明提出了流体能转换装置的各种使用方法，充分发挥本发明提出的流体能转换装置的综合利用功能，为提供无环境污染的清洁能源开拓新的途径。

本发明的具体结构由以下实施例及其附图给出。

图1是根据本发明提出的带聚能器流体能转换装置的轴侧示意图。

图2是图1流体能转换装置转子轴侧示意图。

图3是图1流体能转换装置转子俯视图。

图4是图1流体能转换装置转子自挡流板下方俯视图。

图5是图1流体能转换装置聚能器俯视图。

图6是图1流体能转换装置双向聚能器俯视图。

图7是流体能转换装置串联使用示意图。

图8是流体能转换装置串联并列使用示意图。

图9是流体能转换装置以压缩空气蓄能示意框图。

图10是流体能转换装置综合使用示意框图。

图11是流体能转换装置在水电站上下游使用示意图。

参照图1、2，带聚能器流体能转换装置A，包括有转子1、聚能器2、机架3、上轨架4、回转架5、下轨架6、联轴器7和风舵8，转子1的两端短轴102、107分别支承在上、下回转架5的轴承上，转子1的转架101设有上下带轮辐的轮框和中部的挡流板108，三者以上、下挡杆104、106和上、下叶片轴111、112联接，上轮辐中心设上短轴102，下轮辐中心设下短轴107，上、下叶片轴111、112分别装设上、下叶片103、105，转架101的外圆上设减惯档杆109和减惯定位弹簧110，减惯定位弹簧110一端固定于上下轮辐和挡流板108，另一端固定于减惯档杆109，即每一减惯档杆109的两端均分别有一个联接的减惯定位弹簧110，减惯定位弹簧110在轮辐或挡流板108上的固定点114位于相应叶片轴111、112的旋转方向的前方，固定点114与叶片轴111、112之间设一弹簧支点113，上叶片103的数量为4～6个，下叶片105数量和上叶片103数量相等，对应每个叶片都有一个挡杆104、106，一个减惯档杆109和两个减惯定位弹簧110。如图3、4所示，在图示流体流向V的作用下，上叶片103在a、b位受上挡杆104阻挡，并在流体力作用下拖动转子1旋转作功，上叶片103在c、d位顺流体流向张开，减少转子1的旋转阻力，提高机械效率，此时上叶片103在减惯档杆109和减惯定位弹簧110的缓冲作用下，减少上叶片103张开时的冲击载荷；下叶片105和上叶片103在圆周向排列呈均布交错，改善转架101的扭矩传递载荷分布特性，下叶片105在a′、b′、c′、d′位上的工作状态和上叶片103在a、b、c、d位上的工作状态相同。转子1中部所设挡流板108阻挡流体平行于转子1轴线向的分量，使其转变为垂直于转子1轴线向的流动，改善装置的能量利用效果。转子1的上下短轴102、107采用轴段焊制结构，使转子不再有一根长轴，简化结构，减轻重量，上下短轴102、107根据使用需要采用联轴器7作为功率输出的联接，当各转子串联连接时，则应用万向联轴器连接，以保证传动的可靠性。

参照图5，聚能器2由聚流侧板201、聚流导向板202和固定板203组成，这些板和其他附件都是安装在机架3和固定于机架3的框架215上，聚流侧板201、聚流导向板202和固定板203构成一自外向内的收缩型流道，其高度和转子1相等。固定板203固定在框架215上，固定侧边位置对应于转子1的中心线，另一侧边制成斜切边，与聚流导向板202的斜切边共同构成斜口207，为增加刚度在固定板203上设固定于框架215的加强杆。聚流侧板201的外侧边设铰接柱204，铰接柱204安装在框架215上，聚流侧板201近转子1中心的内侧设连接柱209，连接柱209上装设系索211，系索211经滑轮210、217在另一端系一重锤212，聚流导向板202的外侧边设铰接柱205，铰接柱安装在框架215上，聚流导向板202的内侧边制成斜切边，在近斜切边处设连接柱206，连接柱206上装设系索208，系索208经滑轮216、213在另一端系一重锤214。当流体按V向流动时，经聚能器2的收缩流道直至固定板203的内侧边，流速增大，进入转子1的工作半周，推动叶片作功，转子1的非工作半周不受高速流流场冲击，同时叶片又处于顺流状态，能量损失明显减少；当流体流速过大时，流体作用于聚流侧板201和聚流导向板202的力增加，此力通过连接柱209、206和系索211、208，克服重锤212、214的重力，聚流侧板201绕铰接柱204自框架215向外侧摆开，流体自张口处流失一部分，同时聚流导向板202绕铰接柱205自斜口207处向外摆开，流体自张口处流失一部分，从而保证进入转子1工作半周的流体流速比较稳定，转子1的输出转速也比较稳定。系索211与重锤212控制聚流侧板201的开合，并随流体流速的大小控制聚流侧板201开口的大小，系索208和重锤214控制聚流导向板202的开合，并随流体流速的大小控制聚流导向板202与固定板203构成的斜口207的开口大小。

参照图6，聚能器2为了适应如潮流周期性改变流动方向等流体流动的需要，设计成双向聚能器结构，由两个单向聚能器2呈108°对称布置，其技术特征基本和单向时相同，为适应双向流动，聚流导向板202′的旋转支点设在相应转子1中心线处的框架215上，并在聚流导向板202′自由侧边处e制成弯折形，使其具有更好的导流作用，当流体自左侧流入时，左侧聚能器2的聚流侧板201和聚流导向板202′构成收缩流道，右侧聚能器2的聚流导向板202′在流体作用力和重锤重力作用下向转子1中心线侧摆动，形成良好的排流通道，当流体自右侧流入时，右侧聚能器2的聚流侧板201和聚流导向板202′构成收缩流道，左侧聚能器2的聚流导向板202′在流体作用方和重锤重力作用下向转子1中心线侧摆动，形成良好的排流通道。

参照图1，机架3是用来支承与安装转子1和聚能器2，机架3由型材和杆件焊制构成，当流体能转换装置A用于水流和潮流等流向比较稳定的处所时，机架3除构架本体外，仅在顶部和底部设支承轴承，轴承与转子1上的短伸102、107配合，组成一简单的转换装置单元，当各单元串联时，机架3仅需延伸其构架长度，设置相应支承轴承，和保证构件的强度，即可组成串联机组。当流体能转换装置A用于风能转换时，机架3上加设上轨架4、回转架5、下轨架6和风舵8，转子1的短轴102、107分别支承于上、下回转架5的轴承上，换能器2固定在上、下回转架5，风舵8固定在回转架5上，当风力作用于风舵8时，风舵8通过上回转架5、连接构件(聚能器框架215)和下回转架5沿着回转轨架转动，直至风舵8稳定于顺风向。

参照图7，机组由水面流体能转换装置A₁和水下流体能转换装置A₂、A₃和A₄组成，A₁和A₂的输出端都接向水面舱室R，并在此为使用者提供需求的能源。

参照图8，水面机组M₁、水面下机组M₂和水面舱室R组成一流体能转换站，水面机组M₁由流体能转换装置各单元A₁并列组成，水面下机组M₂由流体能转换装置各单元A₅、A₆、A₇、A₈、A₉、A₁₀、A₁₁、A₁₂并列组成，其中A₁与A₅、A₁与A₈、A₁与A₉、A₁与A₁₂串联，并列构成的水面机组M₁的各单元间的间隔距离应大于转子1直径的5倍。整体流体能源转换站固设于浮体S上，浮体S则锚泊固定于海底或海岸。能源转换站尚可充分利用水面结构物的空间，在水面机组M₁的顶部设置太阳能聚能装置，构成太阳能、风能和水流(包括潮流)能的综合利用。

参照图9，流体能转换装置A各单元串联与并列的机组M₂、M₃、M₄、M₅，分别驱动空气压缩机C₂、C₃、C₄、C₅，这些压缩机的输出气管P并联将压缩空气输入最后一个机组M_o驱动的空气压缩机C_o加压，加压后的压缩空气送入贮存罐T，该贮存罐T贮存的能量可供用户的各种需要。

参照图10，流体能转换装置A各单元串联与并列的机组M驱动空气压缩机C，经贮气罐T和气流调控器G的压缩空气驱动空气涡轮发电机AT，输电于电网，或由空气涡轮发电机AT驱动制氢装置H，供给氢燃料，并可配以太阳能发电装置O制氢。能源开发可由上述组成的各个区站I、II等将电力输入总的电力网，以供给更大的能源需求。

参照图11，流体能转换装置A可用于水电发电站，在电站的上游或下游设置，也可在电站的上下游同时设置，充分利用水流能。

Claims (6)

1、一个由转子(1)、聚能器(2)、机架(3)、上轨架(4)、回转架(5)、下轨架(6)和联轴器(7)组成的带聚能器流体能转换装置，其特征在于：

a.转子(1)呈两层结构，上叶片(103)与下叶片(105)在转架(101)圆周排列呈均布并相互交错，上下两层中间设一挡流板(108)，在转架(101)的外圆上设减惯档杆(109)和减惯定位弹簧(110)，转架(101)两端轮辐中心处设有短轴(102、107)，轮辐中部设上、下挡杆(104、106)；

b.聚能器(2)由聚流侧板(201)、聚流导向板(202)和固定板(203)组成，构成一自外向内的收缩型流道，固定板(203)固定在框架(215)上，固定板(203)固定侧边位置对应于转子(1)的中心线，聚流侧板(201)外侧经铰接柱(204)安装在框架(215)上，聚流侧板(201)的内侧设连接柱(209)，连接柱(209)上装设系索(211)，系索(211)经滑轮(210、217)在另一端系一重锤(212)，系索(211)与重锤(212)控制聚流侧板(201)的开合与开合口的大小，聚流导向板(202)外侧经铰接柱(205)安装在框架(215)上，聚流导向板(202)的内侧设连接柱(206)，连接柱(206)上装设系索(208)，系索(208)经滑轮(216、213)在另一端系一重锤(214)，系索(208)和重锤(214)控制聚流导向板(202)的开合，并控制聚流导向板(202)与固定板(203)构成斜口(207)的开口大小。

2、根据权利要求1所述的流体能转换装置，其特征是上叶片(103)的数量为4-6个，下叶片(105)的数量与上叶片(103)的数量相等。

3、根据权利要求1所述的流体能转换装置，其特征是上部的回转架(5)上设一风舵(8)。

4、根据权利要求1所述的流体能转换装置，其特征是两个单向聚能器(2)呈180°对称布置构成双向聚能器结构，聚流导向板(202′)的旋转支点设在相应转子(1)中心线处的框架(215)上，在聚流导向板(202′)自由侧边处e制成弯折形。

5、权利要求1中所述的流体能转换装置的使用方法，根据不同的功率需要，将本发明的流体能转换装置(A)作为一个单元，各单元的一端以万向联轴器(7)连接串联成一组，串联机组的最上端短轴或最下端短轴作为输出能量的输出端，或将本发明的流体能转换装置(A)并列，以传动装置作为输出机械能的输出端，其特征在于：

a.流体能转换装置(A)各单元串联，构成水面上机组(M₁)和水面下机组(M₂)，各串联机组并列组成流体能转换站，水面上机组(M₁)和水面下机组(M₂)的机械能输出端均设在水面舱室(R)内；

b.流体能转换装置(A)各单元串联与并列的机组(M₂、M₃、M₄、M₅)，分别驱动空气压缩机(C₂、C₃、C₄、C₅)，各空气压缩机的输出气管(P)并联将压缩空气输入最后一个机组(M_o)驱动的空气压缩机(C_o)加压，加压后的压缩空气贮存于作为蓄能器的气罐(T)。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征是并列构成水面机组(M₁)的各单元之间的间隔距离应大于转子(1)直径的5倍。

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