CN107448352B - 随潮汐海流自动转向、漩涡、外罩、垂直、磁浮、无轴心涡轮之结构 - Google Patents

随潮汐海流自动转向、漩涡、外罩、垂直、磁浮、无轴心涡轮之结构 Download PDF

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Abstract

一种随潮汐海流自动转向、漩涡、外罩、垂直、磁浮、无轴心涡轮机之结构，利用水力发电原理将水库底部一根导水管设计为垂直导水管，再使垂直导水管的水形成漩涡导至外罩体内，在外罩体内，地心引力及地心轴造成的角动量变化而改变流体行进方向，使流体因陀螺进动现象，形成持续下沉漩涡，冲击垂直叶片组，推动垂直叶片组直接衔接的转子轴，带动发电机的转子，发电。

Description

随潮汐海流自动转向、漩涡、外罩、垂直、磁浮、无轴心涡轮之 结构
【技术领域】
本发明是关于一种利用自动随最强潮汐海流方向转向的方向板，随时导入最强的海流，利用水力(水霸)发电原理，将水库的底部一根斜导水管(Penstock)设计为垂直导水管，然后因地心引力海水下落，经漩涡水道，使垂直导水管的水形成漩涡下旋，进入缩喉管(Venturi) 型外罩体内，流体在缩喉管(Venturi)型外罩体内，会因地心引力及地心轴造成的角动量变化而改变流体行进方向，使流体持续因陀螺进动现象形成下沉漩涡，以推动缩喉管内涡轮垂直叶片，冲击垂直叶片组，推动垂直叶片组直接衔接的转子轴(Armature)，带动发电机的转子，发电的涡轮机之结构。
【先前技术】
按，水利(水霸)发电系由水库的底部有一根导水管(Penstock)将水库的水导至水轮机，冲击水轮机，推动主轴(Shaft)，带动发电机的转子，发电。
绿能发电技术中的风力发电及海流发电，为截取流体的最佳动能，必须迎向流体进行的方向，无法利用垂直向下的风力、水力。目前风力发电乃单向迎风而发电，至于海流发电则以海流的单向水平涡轮机叶片或涨退潮的双向水平涡轮机叶片为主之发电方式，而垂直风力涡轮机必须要有风力才能转动叶片发电。当海流发电(洋流发电、潮汐发电)流体(潮汐流、海流)接近叶片时，水平涡轮机叶片在自由空间里因流体带动最外层的促动盘(Actuator Disk)旋转，再流进叶片背面面向圆心的转轴区，且整个流动过程中，流体与自由空间处于相同的压力状态，但因叶片的转动会截取流体的能量而降低流动速度，导致涡轮机无法持续转动。
又，为使流体持续流动，必须要有限度的扩散空间，致使流体转变为机械能有最高上限，但，海流发电的叶片组启动力至少要每秒钟0.7公尺，世界海流发电协会认为海流流速至少要每秒钟2公尺才有利用价值。同时，水平涡轮机叶片组置于开放式海底转动时，因海水每降低成本10公尺，水压增加一个大气压，水压巨大，水平涡轮叶片容易断裂，实际的案例，发生在2011年苏格兰澳克尼欧洲海流能源中心，置放世界最大的双面水平潮流涡轮机，AK-1000，在不到3秒钟内2支叶片立刻断裂。AK-1000 tidal turbine at the EuropeanMarine Energy Centre(EMEC)in Orkney，Scotland，in August 2011
而，垂直涡轮叶片3-1尖端速度较小，自启能力低、启动扭力不足，难以加速至发电的速度，另外，如图8，习用固定垂直叶片发电机之风速流向示意图所示：用轴杆91连接于轴心92的垂直涡轮叶片9，不但轴杆91容易断裂，且风容易向两侧分散，无法集中。
同时一般海流涡轮机必须使用叶片带动主轴(Shaft)推动发电机，有主轴转动的发电机，需用齿轮箱(Gear Box)加减速、培林轴承(Bearing)润滑油减少磨搽，而且必须定期维修保养。
综上所述，是以，要如何解决上述习用之问题与缺失，即为本发明之发明人与从事此行业之相关厂商所亟欲研究改善之方向所在者。
【发明内容】
故，本发明之发明人有鉴于上述缺失，乃搜集相关资料，经由多方评估及考虑，并以从事于此行业累积之多年经验，经由不断试作及修改，始设计出此种随潮流方向自动转向的方向板，随时导入最强的海流，然后因地心引力流体下落，再经漩涡水道，流体形成漩涡下旋，进入上宽下窄缩喉管(Venturi)型外罩体，漩涡涡量等于两倍旋转运动的动能，以推动涡轮机垂直叶片持续旋转的涡轮机之结构的发明。
本发明之主要目的在于：
1.将平行的水流，转变为垂直的漩涡水流，平行的水流因为(下落)位能的变化，而且流动距离增加水的流速增加。
2.上宽下窄缩喉管型外罩体降低叶片运转时的空间压力，同时利用外罩体内流体产生陀螺进动现象产生下沉漩涡，又因漩涡是一种动能向漩涡中心灭绝(Annihilation)的运动，漩涡涡量等于两倍旋转运动的动能，所以被引进密闭圆柱体空间的流体，流速会增加，故涡轮机叶片转速会加快，发电量也会增加。
为达成上述目的，本发明之主要结构包括：
1.自动随最强潮汐海流方向转向的进水管1-2与方向板1-1。
2.漩涡形成器，由水分流界面分成二股水流，经漩涡水道2-1，流体形成漩涡下旋。
3.漩涡形成器与随最强潮汐海流方向自动转向结构中间1-5，2-2系由永久磁铁形成磁浮，悬空旋转，不必使用承轴(Bearing)。
4 在上宽下窄缩喉管型之外罩体3、至少一形成于该外罩体底面之排水口3-4，排水口的面积一定要大于进水管口面积1-2。
5.一收容于该外罩体内之偶数涡轮垂直叶片组3-1。(3-1A，3-1B，3-1C)
6.一由该涡轮叶片组延伸凸出于排水口3-5并与该涡轮叶片组3-1同步旋转。
7.及位于该涡轮叶片组中心，且穿设于该排水口之涡轮中心杆3-9(漩涡中心)。
8.偶数涡轮垂直叶片系包含至少上下分别与各该涡轮叶片连结之环扣3-3，而且该底部环扣系
由永久磁磁铁与上宽下窄缩喉管型之外罩体内底部挂环3-8使用永久磁铁悬形成磁浮，悬空旋转，不必使用承轴(Bearing)。
9.发电机防水罩由凸出于底部排水口涡轮叶片组3-5及相接防水罩下发电机转子承轴(Armatures)4-1组成。发电机发电由外罩体底面的偶数涡轮叶片，和下面衔接的发电机转子转轴(Armature)4-1一起带动，因此不需要发电机马达主轴轴心(Shaft)。
10.发电机外壳4-3与底板6由永久磁铁形成磁浮，悬空旋转，不必使用承轴(Bearing)。
本发明之次要目的在于：在大气中本发明可完全不受风速、风向或地点的限制，利用上述结构在外罩体内产生旋风，创造最大流体速度，必要时更可在底部加装负压抽风机加快空气流速并增加垂直涡轮叶片的转速，以增加发电量。
藉由上述技术，可针对习用垂直涡轮机叶片所存在之无法应用于潮汐流、流体动能被迫向垂直风叶圆柱体两边分散、自启能力较低及叶片轴杆容易断裂的问题点加以突破，同时使用永久磁铁达到减少磨搽，并由涡轮叶片组与转子转轴(Armature)4-1一起带动发电机，不需要发电机马达主轴轴心，达到减少维修保养，不需更换润滑油，进步的环境保护实用性。
【附图说明】
图1系为本发明较佳实施例之立体图。
图2系为本发明较佳实施例之侧面剖解图。
图3系为本发明较佳实施例之平行的水流，转变为垂直的漩涡水流图。
图4系为本发明较佳实施例之偶数涡轮叶片组。
图5系为本发明较佳实施例之缩喉管型之外罩体示意图。
图6系为本发明较佳实施例之外罩体底面之排水口示意图。
图7系为本发明较佳实施例之发电机图。
图8系为系为习用固定垂直叶片发电机之风速流向示意图。
图9系为本发明较佳实施例之陀螺进动现象示意图。
图10系为本发明较佳实施例之下沉漩涡动能向中心灭绝(Annihilation)的运动示意图
图11系为本发明一较佳实施例之使用状态图。
图12系为本发明又一较佳实施例之使用状态图。
【代表图】
【本案指定代表图】：图1。
【本代表图之符号简单说明】：
自动随潮流方向转向的进水管 ...1
自动随潮流方向转向的方向档板 ...1-1
自动随潮流方向转向的进水口 ...1-2
自动随潮流方向转向的进水口档板吊钩 ...1-3
自动随潮流方向转向的进水口档板(仅第一次置入流体使用 ...1-4
自动随潮流方向转向的磁浮沟 ...1-5
漩涡形成器 ...2
水分流器分成二股漩涡水道 ...2-1
漩涡形成器磁浮沟 ...2-2
漩涡水道支撑柱 ...2-3
外罩体 ...3
叶片组 ...3-1
8片叶片组 ...3-1A
12片叶片组 ...3-1B
16片叶片组 ...3-1C
外罩体吊钩 ...3-2
叶片组上下环扣 ...3-3
排水口 ...3-4
叶片组延伸凸于该排水口 ...3-5
排水口出水口档板(仅第一次置入流体使用) ...3-6
外罩体顶盖 ...3-7
外罩体内底部挂环(磁浮) ...3-8
漩涡中心园柱 ...3-9
发电机 ...4
转子转轴 ...4-1
静子 ...4-2
发电机底座磁浮沟 ...4-3
涡轮机结构体支撑脚 ...5
涡轮机结构体底座板 ...6
衔接中心轴杆垂直叶片 ...9
轴杆 ...9-1
中心轴 ...9-2
地心轴 ...C
地心重力 ...F
角动量 ...L
流体速度 ...VA
下沈速度 ...VB
切线速度 ...VC
【具体实施方式】
为达成上述目的及功效，本发明所采用之技术手段及构造，兹绘图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能如下，俾利完全了解。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，系为本发明较佳实施例之立体图、剖视图及分解图，由图中可清楚看出本发明系包括：
一个自动随最强潮汐海流方向转向的进水管，一个漩涡形成器2.，导水管口1-2，一个随最强潮汐海流方向自动转向的方向板1-1向最强潮汐海流方向转向，将平行的流体，转变为垂直的流体，平行的流体因为位能的变化(自由落体)，动力增加，在漩涡形成器2.经漩涡水道2-1，流体形成漩涡下旋，动力再因向心力及流动距离增加，动力再增加。二股漩涡水道 2-1的载重由漩涡水道支撑柱2-3支撑。自动随最强潮汐海流方向转向的导水管底部.与漩涡形成器2衔接处2-2使用永磁磁铁形成磁浮沟1-5，没有摩擦悬空旋转，因而不必使用承轴 (Bearing)，减少尔后的维修、保养及磨损。第一次置放时，务必将自动随潮流方向转向的进水口档板1-4及上宽下窄缩喉管型之倒锥状外罩体3的排水口出水口档板3-6关上，以保持结构体内无水的状态。
垂直下落的流体经漩涡水道2-1，流体形成漩涡下旋，进入上宽下窄缩喉管型(Venturi)之倒锥状之外罩体3；外罩体顶盖3-7系永远密封，维持外罩体3内的压力，永远小于外罩体3 外的压力，置放于该外罩体3内涡轮叶片组3-1，涡轮叶片组3-1系包含至少偶数涡轮叶片， (可以每45度＝8叶片组3-1A，30度＝12叶片组3-2B，20度＝18叶片组3-1C)，叶片组上下由环扣3-3衔接，下部环扣片与外罩体内底部挂环3-8使用永悬空旋转，减少摩擦力，加速转速，同时不必使用承轴(Bearing)。且涡轮叶片3-1与涡轮中心轴3-9是没有轴杆连接的形式，所以没有轴杆断裂的问题，而且漩涡的流体可以在涡轮叶片组合3-1自由流动。
因为下沉漩涡是一种动能向中心灭绝(Annihilation)的运动图9，所以必须用漩涡圆心柱 3-9永远保持一个漩涡中心，使漩涡永远无法向中心灭绝(Annihilation)，永远在上宽下窄缩喉管型(Venturi)之倒锥状之外罩体内3有向中心灭绝的动能。加上地心重力F与地心轴 C造成角动量L的改变，呈现陀螺进动现象图8，而在北半球形成逆时钟旋转的漩涡，又流体在此状态下因其原本的流体速度VΛ与地心重力F产生的下沉速度VB之交互作用，使流体形成一下沉流向漩涡中心的切线速度VC，VC＝√2VΛ，此速度为直线运动的√2倍，据漩涡量是旋转动能两倍，所以涡轮叶片的尖端速度比提高，因此具有足够的能量来推动涡轮叶片组3-1转动，
上宽下窄缩喉管型(Venturi)之倒锥状之外罩体排水口3-4外，涡轮叶片组延伸凸于该排水口3-5、并与该涡轮叶片组3-1同步旋转并带动发电机4发电。外罩体排水口3-4总面积大于自动随潮流方向转向的进水口1-2总面积，维持外罩体3内水位不会满溢，使外罩体3内水压力永远小于外罩体3外的压力，涡轮叶片组3-1永远在转动。
发电机由外部包覆一防水罩4，防水罩上面是上宽下窄缩喉管型之倒锥状外罩3，凸于该外罩体底面的偶数涡轮叶片3-5。防水罩下面是衔接发电机转子的各别转轴(Armatures)4-1。所以，发电机发电由外罩体底面的偶数涡轮叶片3-1，和下面衔接的发电机转子转轴4-1一起带动，因此不需要发电机马达主轴轴心(Shaft)。
发电机外壳与涡轮机结构体底座板6衔接处，使用永磁磁铁形成发电机底座磁浮沟4-3，悬空旋转，没有摩擦阻力，因而不必使用承轴(Bearing)。
本发明不但没有马达主轴轴心(Shaft)，没有齿轮变速箱，不必使用承轴(Bearing)，不必使用润滑油，整组涡轮机悬浮没有摩擦阻力，可持续转动发电，更具有高耐久度，为高效率之发电设备。故，本发明可设置于海洋、河川、湖泊、水库、大型工业区废水集水池、甚至置入深或浅海域也可维持其正常运作图11。
当整个结构体要置放于水体中之前，应将进水口盖1-4封闭进水口1-2，及出水口挡板3-6封闭出水口3-4，在置放完成后，发电机电缆线接头拉至电网接上后，用铁链挂在吊孔1-3将进水口盖1-4吊上，水自排水口3-4排出时，会将出水口挡板3-6自动冲开。
再请参阅图12所示，系为本发明又一较佳实施例使用状态图，由图中可清楚看出本发明完全不受风速、风向、地点的限制，可设于工业区、工厂、办公大楼顶楼、住家大楼顶楼等，利用外罩体3内垂直涡轮叶片组3-1与空气的对流形成旋风，必要时可于外罩体3底部3-4设置一负压抽风机，增加风速，以加快垂直涡轮叶片组3-1的转速，创造固定的最大流体速度，增加发电量。
惟，以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，非因此即局限本发明之专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为之简易修饰及等效结构变化，均应同理包含于本发明之专利范围内，合于陈明。
是以，本发明之随潮汐海流自动转向，外罩、漩涡、垂直、磁浮、无轴心涡轮之结构为可改善习用之技术关键在于：
1、永远对准最强的潮汐海流，将平行的水流转变为垂直的漩涡水流，平行的水流因为(下落)位能的变化，而且流动距离增加水的流速增加。上宽下窄缩喉管型外罩体降低叶片运转时的空间压力，同时利用外罩体内，使引入的流体因地心重力与地心轴造成的角动量变化，产生陀螺进动现象产生下沉漩涡，又因漩涡是一种动能向漩涡中心灭绝(Annihilation)的运动，其漩涡量是旋转动能两倍，所以被引进密闭圆柱体空间的流体，流速会增加，故涡轮机叶片转速会加快，发电量也会增加。
2、本发明完全不受风速、风向、地点的限制，利用外罩体3内垂直涡轮叶片组3-1与空气的对流形成旋风，必要时可于外罩体3底部3-4设置一负压抽风机，增加风速，以加快垂直涡轮叶片组3-1的转速，创造固定的最大流体速度，增加发电量。
3、在随潮汐海流自动转向1-5结构与漩涡形成器之间的旋转盘2-2、外罩体内底部挂环3-8 与叶片组下环扣3-3使用永久磁铁，形成悬浮，加速旋转，减少摩擦。
4、外罩体3底部叶片组延伸凸于排水口3-5直接与发电机外壳衔接，发电机外壳内部直接于转子轴杆相接，所以发电机不需使用主轴。
综上所述，本发明之随潮汐海流自动转向，外罩、漩涡、垂直、磁浮、无轴心涡轮之结构为确实能达到其功效及目的，故本发明诚为一实用性优异之发明，为符合发明申请专利要件，爰依法提出申请，昐审委早日核准本发明。倘若钧局审委有任何疑问，请不吝来函指示，发明人定当竭力配合，实感公便。

Claims (3)

1.一种随潮汐海流自动转向的涡轮机，包括：进水管(1)，自动随潮流方向转向的方向挡板(1-1)，漩涡形成器(2)，上宽下窄缩喉管形外罩体(3)，其特征在于：
进水管(1)使海水水流方向从平行于地表的方向变成向地心的垂直方向，自动随潮流方向转向的方向挡板(1-1)使进水管(1)自动随最强潮流方向转向；
漩涡形成器(2)将进水管(1)导入的水流分成两股，再经漩涡水道，使水流形成下旋的漩涡，进水管(1)下端与漩涡形成器(2)之间由永磁磁铁形成磁浮沟，进水管(1)悬空旋转，不使用轴承；
上宽下窄缩喉管形外罩体(3)能够降低叶片运转时的空间压力，底部形成至少一个排水口(3-4)；上宽下窄缩喉管形外罩体(3)内部设置涡轮叶片组(3-1)，所述涡轮叶片组(3-1)包含偶数涡轮叶片，且涡轮叶片上端与叶片组上环扣连接，涡轮叶片下端与叶片组下环扣连接，叶片组下环扣与上宽下窄缩喉管形外罩体(3)内底部挂环(3-8)使用永磁磁铁形成磁浮沟，叶片组悬空旋转，不使用轴承；
所述排水口(3-4)总面积大于进水口(1-2)总面积，维持上宽下窄缩喉管形外罩体(3)内外压力差；所述涡轮叶片组(3-1)中心设置有涡轮中心杆(3-9)，所述涡轮中心杆(3-9)穿过排水口(3-4)，与所述涡轮叶片组(3-1)同步旋转；由进水管(1)导入的水流经由漩涡形成器(2)引流形成漩涡流动体，因地心引力及地心轴造成角动量变化，在涡轮中心杆(3-9)的作用下使水流在上宽下窄缩喉管形外罩体(3)内持续保持向漩涡中心灭绝的运动，产生陀螺进动现象，形成下沉漩涡，推动涡轮叶片组旋转并带动发电机(4)发电；所述发电机(4)的转子转轴(4-1)与涡轮叶片组(3-5)下面衔接，利用涡轮叶片组(3-5)的旋转带动转子转轴(4-1)旋转，不需要设置发动机转轴。
2.根据权利要求1所述的一种随潮汐海流自动转向的涡轮机，其特征在于：漩涡形成器(2)的漩涡水道可选形成顺时针方向或逆时针方向。
3.根据权利要求1所述的一种随潮汐海流自动转向的涡轮机，其特征在于：上宽下窄缩喉管形外罩体(3)底部设置一负压抽风机，用于增加涡轮叶片组的转速。
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