CN106401838A - 多轴同心叶片自锁式涡轮机 - Google Patents

多轴同心叶片自锁式涡轮机 Download PDF

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Abstract

一种多轴同心叶片自锁式涡轮机，包括基础，电机系统，转动的主轴，其特征是：在主轴的上、下部分别固定联接呈十字交叉的臂杆，上、下部的臂杆外端固定连接上、下部的均力联杆；在上、下部的臂杆之间设置能旋转的内分轴和外分轴，内分轴上组装能转动的内前置叶片和内后置叶片；外分轴上组装能旋转的外前置叶片和外后置叶片；在内前置叶片和外后置叶片相对的一端设置自锁装置。本发明能实现采能规模化，采集吸收海洋能或风能的效率高；对环境没有特殊要求，不受流动介质方向限制。

Description

多轴同心叶片自锁式涡轮机
技术领域
本发明涉及一种利用流动介质转化为电能的涡轮机，特别是一种多轴同心叶片自锁式涡轮机，它能实现将低流速的介质转化为高能量电能。
背景技术
人类依靠石化能源的日子已经不多了，它不仅对环境污染，而且资源也即将枯竭，世界各国都在研发清洁能源，尤其可再生能源，太阳能、风能、水能，其中特别海洋能源蕴藏量就超过100000吉瓦，可满足全人类使用这些取之不尽用之不竭的能源，这些能源就蕴藏在浩瀚的大海里，若想将这些能源充分、有效、合理的从漫无边界的大海中采集出来，这就要依靠涡轮机，目前全世界共有两种类型涡轮机，一类是升力型，以速度为主要转化能源，另一类是推力型，以速度密度相乘转化能源，这些涡轮机都是因为功率低，不能把这些流速介质转化高能量的功能。
目前最大的推力型涡轮机是加拿大Blue Energy公司开发的Davis涡轮机。最大的升力型涡轮机是德国海德海姆公司在韩国济州岛安装涡轮机。
我国哈尔滨工业大学船舶学院，在舟山水域安装涡轮机属于升力型；单机都没有超过300KW，世界公认标准单机应超过500KW，否则没有实用价值，要想提高涡轮机最大功率，从阻力定律公式FD=½PV²CDA分析如下：
其中
FD为阻力，是施力平行流场方向的分量
P为流体密度
V是流体相对物体的速度
CD为阻力参数
A为正交投影面积
从公式分析只有从以下三个方面才能提高涡轮机最大功率：
1： 同等流体密度介质只有提高流速 V，如；水只有建大坝拦水蓄水，抬高水位，增加压力，才能提高水的流速。
缺点：自然界水的流速一般在2.5m/s以下，目前现有技术无法在低流速V取得成效，所以需要建水库蓄水来提高流速，而且建水库需要特定的地理环境与自然环境，并且成本高，例：我国三峡大坝仅钢筋混凝土用量按直径一米圆柱体计算，可环绕地球一周，近四万公里，造价昂贵，由于众多因素限制，无法满足人类需求。
2： 同等流体流速V选择密度P大的介质例如水与风。因为水比风密度高832倍，优先利用水。
缺点：目前涡轮机解决不了以密度为主转化能源的涡轮机。
3： 扩大涡轮机叶片与流动介质的垂直投影面积A，这是目前最难解决的难题。
例；
升力型：加长涡轮机叶片的长度，上海洋山风力发电，把叶片半径延长至65m来扩大垂直投影面积A，但由于尖速比造成的环境污染又无法解决。
推力型：它可以增加叶片高和宽。
若要充分高效利用这种能源，只能采取推力型涡轮机。
从推力型涡轮机看，若想提高涡轮机功率，不能仅靠扩大涡轮机叶片面积，从下图看，还应该扩大A面（作用力面）与B面（反作用力面）的面积差值A（为正交投影面积）：
以主轴为中心流体介质从主轴左右两侧通过，推动涡轮叶片A与B，叶片为弧形，A面为内弧，B面为外弧，其动力源依靠内弧大于外弧，内弧阻水，外弧分流形成差额推动主轴旋转产生剩余能量源。
涡轮机目前约有一千多种，基本上利用升力型或推力型涡轮机采能。
从贝兹极限定理看，升力型不适合在水流能区域采能。
因为升力型必须面对流体方向，叶片又对流体方向切割，流体速度V乘以密度P，升力型叶片反面在切割流体的密度P，两个密度值P相互抵消，然而在风能区域中流体密度P约为1.029，可以忽略不计，所以只有在风能区域效果最佳，例：我国哈尔滨工业大学船舶学院与德国海德公司把升力型利用到海洋上效果不佳就是因为水的流速仅为2.5m/s，流速乘以密度与切割密度相抵仅剩流速2.5m/s其效果明显不如风能，同样构造上海洋山风力发电，其叶片半径达到65m，风的流速为30-50m/s，其装机容量5兆瓦，这是升力型涡轮机提高功率的典范。
海洋蕴藏着巨大能量未被采集，虽然海洋流速低，一般在1.5-2.5m/s但由于其密度大，所以蕴藏能量并不低，当水流速V为1.2m/s时（这是洋流最低值）相当于风能34.5m/s，已是灾害等级，当水流速V为2.0 m/s时相当于风能58 m/s，所以真正的再生能源在海洋。
要想获取大功率能源，涡轮机必须具备充分利用密度值P，才能使涡轮机达到以下条件：1：采能可以规模化进行，可以构建大功率发电系统；2：先进的采能方式，采集吸收海洋能或风能的效率高；3：对环境没有特殊要求；4：单机装机容量兆瓦级，几十兆瓦级以上；5：在线操作维护，设备运行稳定性强；6：不受流动介质方向限制（往复、潮汐、旋流等）都在指定方向运动。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种多轴同心叶片自锁式涡轮机，获取有价值的海洋能源。
本发明提供的技术方案如下：包括基础，电机系统，转动的主轴，其特征是：在主轴的上、下部分别固定联接呈十字交叉的臂杆，上、下部的臂杆外端固定连接上、下部的均力联杆；在上、下部的臂杆之间设置能旋转的内分轴和外分轴，内分轴上组装能转动的内前置叶片和内后置叶片；外分轴上组装能旋转的外前置叶片和外后置叶片；在内前置叶片和外后置叶片相对的一端设置自锁装置，自锁装置由内前置叶片上的齿锁和外后置叶片上的顶锁构成，顶锁和齿锁分别设置有相对的顶住斜面，在齿锁的内侧设置钢性支撑自锁柱，钢性支撑自锁柱固定连接在上、下部的臂杆上，钢性支撑自锁柱与齿锁相对的一面均设置单向锁住的斜齿。在各臂杆的内端固定连接挡柱，挡柱上设置减震内圆弧，在内后置叶片的内端设置与之匹配的减震外圆弧。依靠内、外圆弧的摩擦方法进行减震。
本发明的积极效果和特点：本发明的多轴同心是指在一个涡轮机主轴上分别带有多个分轴，各分轴把采集的能量分别传导到主轴上，这样就形成分轴在自转过程采集的能量，通过公转在主轴工作面传递到主轴（中心轴）上，达到同步工作，同时叶片自锁是分轴两侧叶片在工作面，叶片分轴上分为前置叶片和后置叶片，在主轴臂杆传动下，通过分轴自转，使前置叶片与主轴工作面力一致，为了实现将一部分反作用力变为与主工作面力相一致，使得所有叶片形成一条线同步工作，形成合力，设置了叶片自锁功能；臂杆远端加装均力联杆，用以把所有臂杆联结在一起，使臂杆形成一体，当叶片受到流体介质的作用力下，通过均力联杆把动能均匀分散在所有臂杆上，形成合力。
1、实现采能规模化进行，可以构建大功率发电系统；2、采集吸收海洋能或风能的效率高；3、对环境没有特殊要求；4、单机装机容量兆瓦级，几十兆瓦级以上；5、在线操作维护，设备运行稳定性强；6、不受流动介质方向限制（往复、潮汐、旋流等）都在指定方向运动。
附图说明
图1为本发明结构示意图（俯视图）。
图2为本发明结构示意图（正视图）。
图3为图1状态的涡轮机运行中转动到45°位置示意图（俯视图）。
图4是涡轮机叶片自锁平面图。
图5是 涡轮机叶片减震系统平面图。
图6是外分轴与外前置叶片、外后置叶片连接示意图。
图7是内分轴与内前置叶片、内后置叶片连接示意图。
图中零部件序号：内分轴1，内前置叶片2，内后置叶片2-1，减震弧2-2，外分轴3，外前置叶片4，外后置叶片4-1，钢性支撑自锁柱5，臂杆6，均力联杆7，挡柱 8，主轴9，电机系统10，基础11，顶锁12，齿锁13。
具体实施方式
见图1-7，具体结构如下：在基础11上设置转动的主轴9，主轴9的上端传动连接电机系统10；在主轴9的上、下部分别固定联接呈十字交叉的臂杆6，上、下部的臂杆6外端固定连接上、下部的均力联杆7；在上、下部的臂杆6之间设置能旋转的内分轴1和外分轴3，内分轴1上组装能转动的内前置叶片2和内后置叶片2-1；外分轴3上组装能旋转的外前置叶片4和外后置叶片4-1；其中：外后置叶片4-1的宽度N1与内前置叶片2的宽度N4相等，同时，两者宽度之和等于内后置叶片2-1的宽度N3；此外，外前置叶片4的宽度N2是外后置叶片4-1宽度N1的2／5。在内前置叶片2和外后置叶片4-1相对的一端设置自锁装置，自锁装置由内前置叶片2上的齿锁13和外后置叶片4-1上的顶锁12构成，顶锁12和齿锁13分别设置有相对的顶住斜面，在齿锁13的内侧设置钢性支撑自锁柱5，钢性支撑自锁柱5固定连接在上、下部的臂杆6上，钢性支撑自锁柱5与齿锁13相对的一面均设置单向锁住的斜齿。在各臂杆6的内端固定连接挡柱 8，挡柱 8上设置减震内圆弧，在内后置叶片2-1的内端设置与之匹配的减震外圆弧。依靠内、外圆弧的摩擦方法进行减震。
工作原理：
见图1，当流体介质（图中箭头）冲击涡轮机时，以主轴9为中心的涡轮机右侧所有叶片在分轴1、3的自转作用下都被冲击到与流动介质方向保持一致的方向，其阻力仅剩臂杆侧面、分轴、叶片侧面，而主轴9左侧叶片被流体介质冲击关闭，叶片开始做功，当主轴9开始旋转至如图3运行状态，以主轴9为中心的两侧，其右侧仍然开启，左侧叶片依然关闭，当主轴9旋转达到90°角就开始重复图1工作状态。
见图1、4，所说的自锁状态是在涡轮机主轴9左侧区域的外前置叶片4，外后置叶片4-1、内前置叶片2和内后置叶片2-1处于关闭状态，并且被锁住；自锁的工作原理如下：
当主轴9运行到内前置叶片2的齿锁13接近钢性支撑自锁柱5带有齿痕的一侧，同时，外后置叶片4-1顶端继续运行将顶锁12顶向齿锁13，使其靠近钢性支撑自锁柱5的单向锁住斜齿，而且冲击力越大，锁的越紧，将内前置叶片2和内后置叶片2-1反向自动锁死（如无自动锁，就会使内后置叶片2-1在流体介质冲击下继续向回转动力，形成反作用力，抵消前置叶片的正作用力）；后置与前置叶片用力合成，共同工作；当外后置叶片4-1在主轴9运行旋转到主轴9右侧时，在流体介质冲击下打开，分轴3则旋转，内前置叶片2顶端的齿锁13由于弹性作用自动弹开，与钢性支撑自锁柱5分离并发生转动，随分轴1继续运行重复下一个回合运动。
从图1、2的运行方式还可以看到，当流体介质突然从相反方向流动时，涡轮机的叶片和分轴总是会关闭流体介质方向的左侧，开启流体介质右侧叶片，而主轴旋转方向始终不变，这一工作原理适合潮汐发电，充分利用海水的往返运动规律工作，从主轴两侧的工作面可以看出，其左侧全封闭和右侧全开启，只有臂杆和分轴的侧面，两者面积之差如此之大，所以是目前世界最大功率的涡轮机。
由于它的构造特征若要增加功率可以从两个方面着手，主轴9加高与臂杆6加长，现阶段电机系统电机（永磁电机）仅有五兆瓦，按国家海洋局公布的舟山群岛海域能量计算25.9KW/㎡。辽宁老铁山洋流能17.9KW/㎡换算前者仅需200㎡后者350㎡只需主轴高20M臂杆展12M满足前者，后者可使主轴高30M臂杆展12M即可满足，所以五兆瓦单机完全可以实现。

Claims (4)

1.一种多轴同心叶片自锁式涡轮机，包括基础，电机系统，转动的主轴，其特征是：在主轴的上、下部分别固定联接呈十字交叉的臂杆，上、下部的臂杆外端固定连接上、下部的均力联杆；在上、下部的臂杆之间设置能旋转的内分轴和外分轴，内分轴上组装能转动的内前置叶片和内后置叶片；外分轴上组装能旋转的外前置叶片和外后置叶片；在内前置叶片和外后置叶片相对的一端设置自锁装置。
2.根据权利要求1所述的多轴同心叶片自锁式涡轮机，其特征是：自锁装置由内前置叶片上的齿锁和外后置叶片上的顶锁构成，顶锁和齿锁分别设置有相对的顶住斜面，在齿锁的内侧设置钢性支撑自锁柱，钢性支撑自锁柱固定连接在上、下部的臂杆上，钢性支撑自锁柱与齿锁相对的一面均设置单向锁住的斜齿。
3.根据权利要求1所述的多轴同心叶片自锁式涡轮机，其特征是：在各臂杆的内端固定连接挡柱，挡柱上设置减震内圆弧，在内后置叶片的内端设置与之匹配的减震外圆弧。
4.根据权利要求1所述的多轴同心叶片自锁式涡轮机，其特征是：外后置叶片的宽度与内前置叶片的宽度相等，同时，两者宽度之和等于内后置叶片的宽度；外前置叶片的宽度是外后置叶片宽度的2／5。
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