CN109915301B - 适于流体能量转化的刚性耦合振子系统及能量转化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适于流体能量转化的刚性耦合振子系统，包括有三个圆柱振子，还包括有两个刚性连接片，三个圆柱振子竖向设置且按照等边三角形方式分布，单个圆柱振子的截面直径φ：相邻两个圆柱振子之间的间距L=10:1，三个圆柱振子的顶端及底端分别固定在一个刚性连接片上。本发明还提供了带有该刚性耦合振子系统的能量转化系统；在低流速海况下可利用涡激振动现象收集能量，在高流速海况下系统可稳定地发生驰振效应并提供高效能量转化；且在小间距比的作用下，剧烈的振动可以显著增长对高流速流体动能的转化率且不需要受尾流控制；加工成本低，不需要特殊表面处理且转化效率高。

Description

适于流体能量转化的刚性耦合振子系统及能量转化系统

技术领域

本发明涉及运用流致振动原理进行海流能能量收集及转化的技术领域，具体是涉及一种利用三个刚性耦合的圆柱振子构成小间距比的刚性耦合振子系统，还涉及带有该刚性耦合振子系统的能量转化系统。

背景技术

近些年来，日益枯竭的陆地资源和人类社会不断增长的能源需求形成了一个个越来越尖锐的问题。而海洋覆盖了地球的大部分面积并有着丰富的能源储备，因此对于海洋资源的开发，以及可再生能源的研究有着重要的意义和实用价值。

海流能作为海洋所具备的一种完全清洁的可再生能源受到了广泛关注。据统计，全球可利用的海流能大约有5×10⁶ MW，目前针对其的开发手段主要为利用叶轮机设备，然而这种方式较为单一且在部分海况下有明显劣势。例如，叶轮机对于海洋来流速度有较高的要求，在低流速下能量获取效率不理想；而我国具有着海岸线长、近海岸潮流流速度低的特点，并不非常适合叶轮机工作；另一方面叶轮机在旋转过程中会对海洋生态造成破坏并产生较大噪音。因而需要对一种适用范围更广、更为安全且低成本的海流能开采设备展开研究。

当海流流过钝体时，会在其后交替脱落旋涡，并影响钝体表面的压力分布产生周期性的压力差，这种压差会驱使钝体发生流致振动，这是一种典型的流固耦合现象。在过去，流致振动往往被认为是一种有害现象，会造成结构破坏以及疲劳失效，而近年来，研究发现结构在振动的同时会吸收大部分流体动能，其具备良好的能量转化能力。流致振动主要包括涡激振动和驰振，其中驰振是一种高振幅且较低频的不稳定现象，可以有效提高能量转化效率。目前利用流致振动进行能量转化的研究主要集中在单圆柱振子，这种情况下需要改变其表面粗糙度方可产生驰振，而这样会抑制低流速下的振幅并不易加工和维护。国内外也有对多圆柱振子的研究，例如天津大学燕翔等人发明了一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置，专利公开号为CN104061111A。该发明对多振子进行串列排布，利用尾流驰振原理进行发电，使用范围较广，发电效率高；然而不足之处是，尾流振子需受前一个振子的尾流作用方可发生驰振，这种运动往往不规律且同样对于来流范围有一定要求，过高或过低流速均不易发生驰振。此外，尾流驰振发生的条件要求振子间间距不可太小，这也会降低设备空间利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种刚性耦合振子系统，并提供一种带有该刚性耦合振子系统的能量转化系统，用以克服上述不足。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：适于流体能量转化的刚性耦合振子系统，包括有三个圆柱振子，还包括有两个刚性连接片，三个圆柱振子竖向设置且按照等边三角形方式分布，单个圆柱振子的截面直径φ：相邻两个圆柱振子之间的间距L=10:1，三个圆柱振子的顶端及底端分别固定在一个刚性连接片上。

在上述技术方案基础上，所述圆柱振子的质量：排水质量=1.45：1，单个圆柱振子的截面直径φ=50.8mm，相邻两个圆柱振子之间的间距L=5.08mm。

在上述技术方案基础上，所述刚性连接片沿圆周方向均匀延伸出三个连接支脚，各圆柱振子的顶面及底面分别通过连接片螺钉与两个刚性连接片的对应连接支脚实现固定连接。

适于流体能量转化的能量转化系统，包括有一个如上述所述的刚性耦合振子系统，还包括有一个能量转化机构、一个朝水平方向一侧敞口的U型结构的基架，刚性耦合振子系统通过能量转化机构可横向直线往复移动地安装在基架的敞口端；

所述能量转化机构包括有两个传动组件、一个传动齿条、一个通过机轴固定连接有传动齿轮的发电机，刚性耦合振子系统的上下两个刚性连接片上分别固定有一个传动组件，该传动组件包括有一个与刚性连接片固定连接的连接组件、一个横向分布的可伸缩的弹簧、及一个前座，前座固定在基架敞口端上且与弹簧对应基架敞口端的一侧相连接，连接组件可横向直线往复移动地连接在基架上且与弹簧的另一侧相连接；所述发电机固定在基架底部，传动齿条可横向直线往复移动地连接在基架底部，发电机的传动齿轮与传动齿条啮合传动连接，且传动齿条与位于刚性耦合振子系统下方的连接组件背离弹簧的一侧固定连接。

在上述技术方案基础上，所述基架包括有底座、下支架、上支架、连接架，下支架横向固定在底座上，上支架平行分布在下支架正上方，且上支架与下支架的一个同端端部之间通过竖向分布的连接架实现固定连接，两个传动组件的两前座分别固定在上支架、下支架的另一端端部，两连接组件分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上，发电机通过安装架固定在连接架底部，传动齿条可横向直线往复移动地连接在下支架上。

在上述技术方案基础上，所述连接架的数量为两个，且该两个连接架的底部均开设有供传动齿条可横向穿过的贯穿口。

在上述技术方案基础上，所述连接组件包括有固定连接在刚性连接片上的连接座、固定在弹簧背离基架敞口端的一侧的后座、及固定连接在连接座与后座之间的连接杆，两个连接组件的连接座分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上，传动齿条与位于刚性耦合振子系统下方的连接座背离弹簧的一侧固定连接。

在上述技术方案基础上，所述上支架的底面、下支架的顶面上分别开设有一条滑槽，两个连接组件的连接座和后座上分别延伸有与滑槽相对应的滑座，两个连接组件通过滑座与对应滑槽的配合实现分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上。

在上述技术方案基础上，所述传动齿条下方固定有一与滑槽相对应的导向座，传动齿条通过导向座与滑槽的滑动配合实现可横向直线往复移动地连接在下支架上，且传动齿条的导向座与与位于刚性耦合振子系统下方的连接座通过固定螺钉实现固定连接。

在上述技术方案基础上，两个传动组件的前座分别延伸出与滑槽相对应的滑动凸起，滑动凸起安装在对应的滑槽内，且上支架、下支架分别通过一定位螺钉与对应前座的滑动凸起实现固定连接。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明提供的刚性耦合振子系统，将三个圆柱振子刚性连接成为一体并呈小间距比的等边三角形排布，力学特性更好，系统更稳定；适应范围广，在低流速海况下可利用涡激振动现象收集能量，在高流速海况下，系统可稳定地发生驰振效应并提供高效能量转化；且在小间距比的作用下，剧烈的振动可以显著增长对高流速流体动能的转化率且不需要受尾流控制；加工成本低，不需要特殊表面处理且转化效率高。本发明系统结构紧凑，空间利用率高；设备固定安装在海床上，对海洋生态以及海面舰艇影响甚微。

附图说明

图1为本发明刚性耦合振子系统的结构示意图；

图2为本发明能量转化系统的结构示意图；

图3为本发明基架的结构示意图；

图4为本发明发生流致振动过程示意图。

图中标号为：1（1a、1b、1c）-圆柱振子，2-刚性连接片，3-连接支脚，4-连接片螺钉，5-传动齿条，6-机轴，7-发电机，8-传动齿轮，9-传动组件，10-连接组件，11-弹簧，12-前座，13-底座，14-下支架，15-上支架，16-连接架，17-安装架，18-贯穿口，19-连接座，20-后座，21-连接杆，22-滑槽，23-滑座，24-导向座，25-固定螺钉，26-滑动凸起，27-定位螺钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，本发明提供一种适于流体能量转化的刚性耦合振子系统，包括有三个圆柱振子1、两个刚性连接片2，三个圆柱振子1竖向设置且按照等边三角形方式分布，单个圆柱振子的截面直径φ：相邻两个圆柱振子之间的间距L=10:1，圆柱振子的质量：排水质量=1.45：1，单个圆柱振子的截面直径φ=50.8mm，相邻两个圆柱振子之间的间距L=5.08mm。三个圆柱振子1的顶端及底端分别固定在一个刚性连接片2上，具体是，刚性连接片2沿圆周方向均匀延伸出三个连接支脚3，各圆柱振子1的顶面及底面分别通过连接片螺钉4与两个刚性连接片2的对应连接支脚3实现固定连接。

参照图1至图3，本发明还提供了一种适于流体能量转化的能量转化系统，包括有一个如上述所述的刚性耦合振子系统，还包括有一个能量转化机构、一个朝水平方向一侧敞口的U型结构的基架，刚性耦合振子系统通过能量转化机构可横向直线往复移动地安装在基架的敞口端，参照图1，该基架的右端即为敞口端。

所述基架包括有底座13、一下支架14、一上支架15、两个连接架16，下支架14横向固定在底座13上，上支架15平行分布在下支架14正上方，且上支架15与下支架14的一个同端端部之间通过竖向分布的连接架16实现固定连接，所述上支架15的底面、下支架14的顶面上分别开设有一条滑槽22。

所述能量转化机构包括有两个传动组件9、一个传动齿条5、一个通过机轴6固定连接有传动齿轮8的发电机7，刚性耦合振子系统的上下两个刚性连接片2上分别固定有一个传动组件9。

该传动组件9包括有一个与刚性连接片2固定连接的连接组件10、一个横向分布的可伸缩的弹簧11、及一个前座12，前座12固定在基架敞口端上且与弹簧11对应基架敞口端的一侧相连接，即两个传动组件9的两前座12分别固定在上支架15、下支架14的敞口端上，连接组件10可横向直线往复移动地连接在基架上且与弹簧11的另一侧相连接；两个传动组件9的前座分别延伸出与滑槽22相对应的滑动凸起26，滑动凸起26安装在对应的滑槽22内，且上支架15、下支架14分别通过一定位螺钉27与对应前座12的滑动凸起26实现固定连接，进而实现前座12与上支架15、下支架14的固定。

该连接组件10包括有固定连接在刚性连接片2上的连接座19、固定在弹簧11背离基架敞口端的一侧的后座20、及固定连接在连接座19与后座20之间的连接杆21，两个连接组件10的连接座19分别可横向直线往复移动地连接在上支架15、下支架14上：两个连接组件10的连接座19和后座20上分别延伸有与滑槽22相对应的滑座23，两个连接组件10通过滑座23与对应滑槽22的配合实现分别可横向直线往复移动地连接在上支架15、下支架14上。

所述发电机7固定在基架底部，具体是，发电机7通过安装架17固定在连接架16底部；传动齿条5可横向直线往复移动地连接在基架底部，具体是，传动齿条5可横向直线往复移动地连接在下支架14上，所述传动齿条5下方固定有一与滑槽22相对应的导向座24，传动齿条5通过导向座24与滑槽22的滑动配合实现可横向直线往复移动地连接在下支架14上；发电机7的传动齿轮8与传动齿条5啮合传动连接，且传动齿条5与位于刚性耦合振子系统下方的连接组件10背离弹簧的一侧固定连接，具体是，传动齿条5的导向座24与位于刚性耦合振子系统下方的连接座19通过固定螺钉25实现固定连接，同时，两个连接架16的底部均开设有供传动齿条5可横向穿过的贯穿口18，以方便传动齿条5在横向直线往复移动时穿过连接架16。

如图4所示，箭头指明海流流动方向，当海流迎面流过振子时，流体会在撒三个圆柱振子1a、1b、1c的表面分离旋涡并向后脱落，此时会在上下表面形成压力差，产生升力；圆柱振子因受小间距比的影响，无法脱落完整旋涡；在图4（A）整个系统处于振动位移最低点时，三个圆柱振子1a、1b、1c从下表面脱落旋涡，并在尾端融合；相反，在图4（B）中整个系统处于振动位移最高点时，三个圆柱振子1a、1b、1c从上表面开始脱落旋涡并在尾端生成经融合的更大旋涡。在这种同时脱落且相互融合的旋涡作用下，以及整个系统在小间隙内所造成的不稳定性作用下，整个装置会产生较大幅值且相对较高频率的升力。

本发明在上述升力的作用下，刚性耦合振子系统的圆柱振子1会带动两个连接组件10沿着滑槽22做横向直线位移，位于刚性耦合振子系统下方的连接座19推动传动齿条5运动，利用传动齿条5与传动齿轮8啮合传动，传动齿轮8和机轴6将直线运动转化为旋转运动，并带动发电机7工作进行能量转化。另一方面，在受到周期性交变的升力时，连接组件10及刚性耦合振子系统在弹簧11恢复力作用下发生周期性往复运动，并不断地将吸收的流体能量转化为机械能，再进一步转化为电能。

Claims (2)

1.适于流体能量转化的刚性耦合振子系统，包括有三个圆柱振子，其特征在于，还包括有两个刚性连接片，三个圆柱振子竖向设置且按照等边三角形方式分布，单个圆柱振子的截面直径φ：相邻两个圆柱振子之间的间距L＝10:1，三个圆柱振子的顶端及底端分别固定在一个刚性连接片上；

所述圆柱振子的质量：排水质量＝1.45：1，单个圆柱振子的截面直径φ＝50.8mm，相邻两个圆柱振子之间的间距L＝5.08mm；

所述刚性连接片沿圆周方向均匀延伸出三个连接支脚，各圆柱振子的顶面及底面分别通过连接片螺钉与两个刚性连接片的对应连接支脚实现固定连接。

2.适于流体能量转化的能量转化系统，其特征在于，包括有一个如权利要求1所述的刚性耦合振子系统，还包括有一个能量转化机构、一个朝水平方向一侧敞口的U型结构的基架，刚性耦合振子系统通过能量转化机构可横向直线往复移动地安装在基架的敞口端；

所述能量转化机构包括有两个传动组件、一个传动齿条、一个通过机轴固定连接有传动齿轮的发电机，刚性耦合振子系统的上下两个刚性连接片上分别固定有一个传动组件，该传动组件包括有一个与刚性连接片固定连接的连接组件、一个横向分布的可伸缩的弹簧、及一个前座，前座固定在基架敞口端上且与弹簧对应基架敞口端的一侧相连接，连接组件可横向直线往复移动地连接在基架上且与弹簧的另一侧相连接；所述发电机固定在基架底部，传动齿条可横向直线往复移动地连接在基架底部，发电机的传动齿轮与传动齿条啮合传动连接，且传动齿条与位于刚性耦合振子系统下方的连接组件背离弹簧的一侧固定连接；

所述基架包括有底座、下支架、上支架、连接架，下支架横向固定在底座上，上支架平行分布在下支架正上方，且上支架与下支架的一个同端端部之间通过竖向分布的连接架实现固定连接，两个传动组件的两前座分别固定在上支架、下支架的另一端端部，两连接组件分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上，发电机通过安装架固定在连接架底部，传动齿条可横向直线往复移动地连接在下支架上；

所述连接架的数量为两个，且该两个连接架的底部均开设有供传动齿条可横向穿过的贯穿口；

所述连接组件包括有固定连接在刚性连接片上的连接座、固定在弹簧背离基架敞口端的一侧的后座、及固定连接在连接座与后座之间的连接杆，两个连接组件的连接座分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上，传动齿条与位于刚性耦合振子系统下方的连接座背离弹簧的一侧固定连接；

所述上支架的底面、下支架的顶面上分别开设有一条滑槽，两个连接组件的连接座和后座上分别延伸有与滑槽相对应的滑座，两个连接组件通过滑座与对应滑槽的配合实现分别可横向直线往复移动地连接在上支架、下支架上；

所述传动齿条下方固定有一与滑槽相对应的导向座，传动齿条通过导向座与滑槽的滑动配合实现可横向直线往复移动地连接在下支架上，且传动齿条的导向座与与位于刚性耦合振子系统下方的连接座通过固定螺钉实现固定连接；

两个传动组件的前座分别延伸出与滑槽相对应的滑动凸起，滑动凸起安装在对应的滑槽内，且上支架、下支架分别通过一定位螺钉与对应前座的滑动凸起实现固定连接。

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