CN106121917A - 用于海上多能发电装置的机械能聚能机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海上发电装置的机械能聚集机构，属于海洋资源开发利用技术领域。用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，该聚能机构由三部分组成：一级能量汇集机构、二级能量汇集机构和储能机构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构具有相同的结构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构之间，以及二级能量汇集机构和储能机构之间均通过联轴器连接。本发明的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构具有的有益效果是：该聚能机构由三个模块化、结构紧凑的子机构组成，不仅能够同时将风能、波浪能和海流能转换成的机械能聚集，而且还能够将能量存储并定值输出，用以驱动海上发电机发电。

Description

用于海上多能发电装置的机械能聚能机构
技术领域
本发明涉及一种用于海上发电装置的机械能聚集机构，属于海洋资源开发利用技术领域。
背景技术
风能和海洋能作为储量大、分布广的可再生清洁能源，其开发和利用已得到各国政府和研究机构的高度重视。为充分利用海上能源以及减少海上发电成本，海上多能联合发电成为当前新能源领域关注的热点之一。发电过程中，风能和海洋能首先借助叶轮和浮子等能量捕获装置转化为机械能，然后由机械能驱动发电机转子转化为电能。
目前国内外主要是利用一种或两种海上能源进行发电，而有关利用三种及以上能源联合发电方面的研究较少。华北电力大学和浙江理工大学分别设计了一种海上风能-波浪能-海流能综合发电系统模型，前者利用浮子的摆动将波浪能转化为液压能，通过储能器实现液压能向电能的稳定转换，并借助控制器控制液压马达的输出功率；后者将风能、波浪能和海流能转化为机械能后分别驱动各自的发电机发电，这三路电能经变压器整流后输出。中汇明电力设备有限公司给出了一种“海风海浪海流能量同步偶合的海上发电平台”模型，该模型结构复杂。
以上关于多能发电的研究中，风能和海流能经过叶轮，波浪能经过浮子转化为机械能，机械能再经各自的减速器转化为电能，电能合并后输出。这样，由每种能源转化成的机械能分别驱动相应的发电机发电，发电机及其控制系统的数量增多，增加了系统的复杂性。因此，如何将每种能源转化成的机械能进行汇集并驱动单一发电机发电对简化系统结构，提高系统可靠性具有重要意义。此外，风能、波浪能和海流能具有波动性，使得电能不能稳定输出，对如何将不稳定的风能、波浪能和海流能转化为可控的机械能方面的研究国内外亦少有涉及，海上多能的稳定转换对简化控制系统并得到平稳的电能输出十分必要。
发明内容
针对上述国内外现有技术的现状，本发明的目的在于，提供一种海洋平台发电装置的机械能聚能机构，并将风能、波浪能和海流能转化成的机械能定值输出，实现发电系统的简化。
本发明解决其技术问题采用的技术方案为：用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，该聚能机构由三部分组成：一级能量汇集机构、二级能量汇集机构和储能机构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构具有相同的结构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构之间，以及二级能量汇集机构和储能机构之间均通过联轴器连接。
所述的一级或二级能量汇集机构包括两组直齿轮组、一组周转轮系、输入端和输出端；所述的两组直齿轮组包括输入大齿轮、输入小齿轮、传动小齿轮、传动大齿轮、单向轴承、传动轴、介轮；周转轮系包括小太阳轮、大太阳轮、行星轮；传动小齿轮的轴孔与第一单向轴承的外圈固连，传动大齿轮的轴孔与第二单向轴承的外圈固连；第一单向轴承和第二单向轴承的内圈与传动轴的输入端连接；输入大齿轮与传动大齿轮啮合，输入小齿轮与介轮啮合，介轮与传动小齿轮啮合；行星轮同时与大太阳轮和小太阳轮啮合，小太阳轮与传动轴的输出端固连。
所述的输出端为行星轮支架，行星轮支架中间为连接杆，连接杆两端固连有转轴，一端的转轴与行星轮固连，另一端的转轴与联轴器连接。
所述的一级能量汇集机构的输入端包括风能输入轴和波浪能输入轴；波浪能输入轴与输入大齿轮和输入小齿轮固连；风能输入轴与风能输入小齿轮固连，风能输入小齿轮与风能传动大齿轮啮合；大太阳轮的一端为圆形套筒，另一端为法兰盘，法兰盘上加工有大太阳轮的内齿，大太阳轮套筒的内孔空套在传动轴的中间位置，外壁与风能传动大齿轮的轴孔固连。
所述的二级能量汇集机构的输入端包括海流能输入轴和合能输入轴；海流能输入轴与输入大齿轮和输入小齿轮固连；合能输入轴一端与一级能量汇集机构的输出端通过联轴器连接；合能输入轴另一端与合能输入小齿轮固连，合能输入小齿轮与合能传动大齿轮啮合；大太阳轮的一端为圆形套筒，另一端为法兰盘，法兰盘上加工有大太阳轮的内齿，大太阳轮套筒的内孔空套在传动轴的中间位置，外壁与合能传动大齿轮的轴孔固连。
所述的储能机构由储能输入轴、非完全齿轮、棘轮、棘爪、棘爪转轴、输出端齿轮、单向轴承、齿条、固定支座、储能弹簧、挡块、导杆和输出轴组成；二级能量汇集机构的行星轮支架通过联轴器与储能输入轴连接；储能输入轴上固连有非完全齿轮和棘轮，非完全齿轮与齿条啮合；齿条和导杆通过挡块固连在一起；储能弹簧的两端分别与挡块和固定支座连接并空套在导杆上；齿条与输出端齿轮啮合，输出端齿的轴孔与单向轴承外圈固连，单向轴承内圈与输出轴连接。
所述的齿条两端面中心的连线、导杆的轴线以及挡块的轴线，三者共线。
所述的一级或二级能量汇集机构中，输入大齿轮和传动大齿轮的齿数相同；输入小齿轮和传动小齿轮的齿数相同。
本发明的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构具有的有益效果是：该聚能机构由三个模块化、结构紧凑的子机构组成，不仅能够同时将风能、波浪能和海流能转换成的机械能聚集，而且还能够将能量存储并定值输出，用以驱动海上发电机发电。
附图说明
图1为本发明的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构储能时的示意图；
图2为一级能量汇集机构的结构示意图；
图3为二级能量汇集机构的结构示意图；
图4为储能机构的结构示意图；
图5为能量汇集机构中大太阳轮示意图；
图6为风能、波浪能以及海流能转化成的机械能在本发明的聚能机构中的传递示意图。
图中：1、一级输入大齿轮；2、一级输入小齿轮；3、波浪能输入轴；4、一级介轮；5、一级传动小齿轮；6、一级传动大齿轮；7、风能输入轴；8、一级大太阳轮；9、一级行星轮支架；10、一级联轴器；11、导杆；12、固定支座；13、储能弹簧；14、挡块；15、齿条；16、缺齿齿轮；17、棘轮；18、储能输入轴；19、固定支座；20、输出端齿轮；21、输出轴；22、二级联轴器；23、二级输入大齿轮；24、二级输入小齿轮；25、海流能输入轴；26、一级小太阳轮；27、一级行星轮；28、风能输入小齿轮；29、第一单向轴承；30、第二单向轴承；31、一级传动轴；32、风能传动大齿轮；33、二级小太阳轮；34、二级大太阳轮；35、合能传动大齿轮；36、二级介轮；37、二级传动小齿轮；38、二级传动轴；39、第三单向轴承；40、第四单向轴承；41、二级传动大齿轮；42、合能输入轴；43、合能输入小齿轮；44、二级行星轮； 45、二级行星轮支架； 46、第五单向轴承； 47、棘爪；48、棘爪转轴。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的用于多能发电装置的机械能聚能机构做进一步说明。
本实施例是一种风能、波浪能和海流能聚能机构，包括一级能量汇集机构、二级能量汇集机构和储能机构三部分。由风能、波浪能以及海流能转化成的机械能在该聚能机构中的传递如图6所示。
如图1、图2和图5所示，一级能量汇集机构包括一级输入大齿轮1、一级输入小齿轮2、波浪能输入轴3、一级介轮4、一级传动轴31、第一单向轴承29、第二单向轴承30、一级传动小齿轮5、一级传动大齿轮6、风能输入轴7、风能输入小齿轮28、风能传动大齿轮32、一级大太阳轮8、一级小太阳轮26、一级行星轮27和一级行星轮支架9。
如图1和图2所示，一级输入大齿轮1和一级输入小齿轮2与波浪能输入轴3固连。一级传动小齿轮5的轴孔与第二单向轴承30的外圈固连，一级传动大齿轮6的轴孔与第一单向轴承29的外圈固连。第一单向轴承29和第二单向轴承30的内圈与一级传动轴31的输入端固连。一级输入大齿轮1与一级传动大齿轮6啮合，一级输入小齿轮2与一级介轮4啮合，一级介轮4与一级传动小齿轮5啮合。当波浪能输入轴3顺时针转动时，一级传动小齿轮5和一级传动大齿轮6分别顺时针和逆时针转动。由于第一单向轴承29和第二单向轴承30传动的单向性，只有一级传动小齿轮5的转动传递至一级传动轴31并驱动一级传动轴31顺时针转动，而一级传动大齿轮6相对一级传动轴31空转。同理，当波浪能输入轴3逆时针转动时，只有一级传动大齿轮6顺时针方向的转动传递至一级传动轴31并带动一级传动轴31顺时针转动。这样，当波浪能输入轴3顺时针和逆时针转动时，一级传动轴31均顺时针转动。
如图1、图2和图5所示，风能输入轴7与风能输入小齿轮28固连，风能输入小齿轮28与风能传动大齿轮32啮合。一级大太阳轮8的一端为圆形套筒，另一端为法兰盘，法兰盘上加工有一级大太阳轮8的内齿，大太阳轮套筒的内孔空套在一级传动轴31的中间位置，外壁与风能传动大齿轮32的轴孔固连。风能输入轴7的转动经风能输入小齿轮28和风能传动大齿轮32的传动传递至一级大太阳轮8。
如图1、图2和图5所示，一级行星轮支架9中间为连接杆，连接杆两端固连有转轴，一端的转轴上固连有一级行星轮27，另一端的转轴与一级联轴器10连接。一级行星轮27同时与一级大太阳轮8和一级小太阳轮26啮合，一级小太阳轮26与一级传动轴31的输出端固连。由单向轴承传动的单向性可知，当安装在一级传动轴31上的第二单向轴承30和第一单向轴承29各自两端对调后，一级传动轴31的转向亦随之改变。因此，一级能量汇集机构在安装过程中，通过调整第二单向轴承30和第一单向轴承29的安装方向可使一级传动轴31的转动方向与风能输入轴7的转向相反，从而使一级大太阳轮8和一级小太阳轮26的转向一致，以确保一级行星轮27转向的单一性。
如图1和图3所示，二级能量汇集机构的结构与一级能量汇集机构相同。合能输入轴42通过一级联轴器10与一级行星轮支架9连接。波浪能和风能经合能输入轴42输入，经合能输入小齿轮43和合能传动大齿轮35传递至二级大太阳轮34。海流能经海流能输入轴25、二级输入大齿轮23、二级输入小齿轮24、二级介轮36、二级传动小齿轮37、二级传动大齿轮41、第三单向轴承39、第四单向轴承40、二级传动轴38传递至二级小太阳轮33。二级大太阳轮34和二级小太阳轮33的转动经二级行星轮44汇集后由二级行星轮支架45输出。二级行星轮支架45通过二级联轴器22与储能机构的输入端连接并且转向唯一。
如图1和图4所示，储能机构包括储能输入轴18、非完全齿轮16、棘轮17、棘爪47、棘爪转轴48、输出端齿轮20、第五单向轴承46、齿条15、固定支座12、储能弹簧13、挡块14、导杆11、固定支座19和输出轴21组成。储能输入轴18作为储能机构的输入端，通过二级联轴器22与二级能量汇集机构的二级行星轮支架45连接。
如图1和图4所示，风能、波浪能和海流能经一级能量汇集机构和二级能量汇集机构汇集后由储能输入轴18输入至储能机构。储能输入轴18的一端与二级联轴器22固连，中部固连有非完全齿轮16，另一端固连有棘轮17。非完全齿轮16和齿条15啮合，齿条15的一端与柱形挡块14的底面固连。齿条15的另一端由固定支座19支撑，固定支座19的截面为“凹”字形。挡块14的另一底面与柱形导杆11固连，导杆11由固定支座12支撑，固定支座12为圆环形。导杆11和齿条15可分别沿固定支座12和19滑动。齿条15两个端面中心的连线、挡块14的轴线以及导杆11的轴线三线共线。储能弹簧13空套在导杆11上，储能弹簧13的两端分别固连在挡块14和固定支座12上。齿条15除与非完全齿轮16啮合外，还与输出端齿轮20啮合。输出端齿轮20的轴孔与第五单向轴承46的外圈固连，第五单向轴承46的内圈与输出轴21连接。
如图1和图4所示，储能时，储能输入轴18驱动非完全齿轮16转动，经非完全齿轮16和齿条15啮合传动，推动挡块14缓慢向固定支座12移动进而压缩储能弹簧13实现逐步储能。棘爪47可绕棘爪转轴48转动并始终与棘轮17接触，以保证非完全齿轮16单一方向的转动。储能过程中，由于第三单向轴承46的单向转动作用，与齿条15啮合的输出端齿轮20的转动不能传动至输出轴21。当非完全齿轮16的缺齿部位转动至于齿条15的啮合区间时，储能弹簧13中储存的能量瞬间释放，推动齿条沿固定支座19快速移动并驱动输出端齿轮20转动。能量释放时，输出端齿轮20的转动经第五单向轴承46的传动带动输出轴21转动。风能、波浪能和海流能最终由输出轴21单向输出至发电机输入端。

Claims (8)

1.用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：该聚能机构由三部分组成：一级能量汇集机构、二级能量汇集机构和储能机构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构具有相同的结构；一级能量汇集机构和二级能量汇集机构之间，以及二级能量汇集机构和储能机构之间均通过联轴器连接。
2.根据权利要求1所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：所述的一级或二级能量汇集机构包括两组直齿轮组、一组周转轮系、输入端和输出端；所述的两组直齿轮组包括输入大齿轮、输入小齿轮、传动小齿轮、传动大齿轮、单向轴承、传动轴、介轮；所述的周转轮系包括小太阳轮、大太阳轮、行星轮；传动小齿轮的轴孔与第一单向轴承的外圈固连，传动大齿轮的轴孔与第二单向轴承的外圈固连；第一单向轴承和第二单向轴承的内圈与传动轴的输入端固连；输入大齿轮与传动大齿轮啮合，输入小齿轮与介轮啮合，介轮与传动小齿轮啮合；行星轮同时与大太阳轮和小太阳轮啮合，小太阳轮与传动轴的输出端固连。
3.根据权利要求2所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：所述的输出端为行星轮支架，行星轮支架中间为连接杆，连接杆两端固连有转轴，一端的转轴与行星轮固连，另一端的转轴与联轴器连接。
4.根据权利要求2所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：所述的一级能量汇集机构的输入端包括风能输入轴和波浪能输入轴；波浪能输入轴与输入大齿轮和输入小齿轮固连；风能输入轴与风能输入小齿轮固连，风能输入小齿轮与风能传动大齿轮啮合；大太阳轮的一端为圆形套筒，另一端为法兰盘，法兰盘上加工有大太阳轮的内齿，大太阳轮套筒的内孔空套在传动轴的中间位置，外壁与风能传动大齿轮的轴孔固连。
5.根据权利要求2所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：所述的二级能量汇集机构的输入端包括海流能输入轴和合能输入轴；海流能输入轴与输入大齿轮和输入小齿轮固连；合能输入轴一端与一级能量汇集机构的输出端通过联轴器连接；合能输入轴另一端与合能输入小齿轮固连，合能输入小齿轮与合能传动大齿轮啮合；大太阳轮的一端为圆形套筒，另一端为法兰盘，法兰盘上加工有大太阳轮的内齿，大太阳轮套筒的内孔空套在传动轴的中间位置，外壁与合能传动大齿轮的轴孔固连。
6.根据权利要求3-5任一项所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：所述的储能机构由储能输入轴、非完全齿轮、棘轮、棘爪、棘爪转轴、输出端齿轮、单向轴承、齿条、固定支座、储能弹簧、挡块、导杆和输出轴组成；二级能量汇集机构的行星轮支架通过联轴器与储能输入轴连接；储能输入轴上固连有非完全齿轮和棘轮，非完全齿轮与齿条啮合；齿条和导杆通过挡块固连在一起；储能弹簧的两端分别与挡块和固定支座连接并空套在导杆上；齿条与输出端齿轮啮合，输出端齿的轴孔与单向轴承外圈固连，单向轴承内圈与输出轴连接。
7.根据权利要求6所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：齿条两端面中心的连线、导杆的轴线以及挡块的轴线，三者共线。
8.根据权利要求2-5任一项所述的用于海上多能发电装置的机械能聚能机构，其特征在于：一级或二级能量汇集机构中，输入大齿轮和传动大齿轮的齿数相同；输入小齿轮和传动小齿轮的齿数相同。
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