CN111425364A - 杠杆摆式发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体力学、机械原理及发电技术，具体指一种杠杆摆式发电系统，解决了流体能量收集、放大的问题，包括：流体旋转机、杠杆摆及棘轮单旋机，上述前两者组合后就能将流体水平流动的推力,变成杠杆摆摆动的推力和拉力，再与棘轮单旋机组合就变成了单向旋转力，就会带动动发电机发电。利用杠杆实现了能量的转换，就可以通过加大受力面积或加长力臂长度来获取更多的能量。流体具体指河流、风力及海浪。

Description

杠杆摆式发电系统

一、技术领域

本发明主要应用流体力学、机械原理，涉及发电知识，具体指一种杠杆摆式发电系统。

二、背景技术

现有的风或水力发电机因斜面受力、造价高、工程量浩大等不利因素，尽管优越于火力发电在大力推广，但由于使用中的问题：如：效率低、改变了生态环境、风力过小(或过大)无法(或不能)启动等原因，在应用方面存在较多问题。

水的密度与空气密度的比值约为790:1，所以水的能量要比风的能量大的多，现风能的利用风声水起，而水能的利用却远滞后于风能的利用。

三、发明内容

本发明针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、效率高、改变了收集和转换方式的、适用范围广的杠杆摆式发电系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：首先制作一个利用流体(本文的流体全部指的是风和水流下同)推动的流体旋转机，包括轴孔，所述轴孔是垂直等分交叉放置的三或四块同尺寸的小直板的交叉线上的通孔。所述直板之间用环形支撑板连接，所述支撑板、小直板及轴孔组成叶轮。将叶轮以轴孔为分界线、用护罩对一侧进行遮挡，就构成了流体旋转机，在流体里，叶轮就会单边受力，该机在流体推动下就会旋转。

根据以上方案，将叶轮的轴孔管向上延伸，在延伸出的轴孔管上，安装一个较大直板，所述较大直板的纵向中心线就是轴孔的中心线。这样，轴孔管就将流体旋转机与较大直板连接在了一起，流体旋转机旋转，直板也会旋转。

根据上述方案，在轴孔管中插入一直杆，直杆顶部为直板和流体旋转机，在距直杆的下端约1/4～1/5的位置，设置一个活动支点，则直杆即形成杠杆，在杠杆的底端安装一个拉簧，就组成杠杆摆系统。本系统在流体里，流体旋转机受流体作用会旋转，直板也会随之旋转，流体与直板之间的夹角会从0°到90°再到0°这样周而复始的变换，0°时流体没有施加给直板推力，转到90°时流体施加到直板上的推力最大，再转到0°时推力归零，即直板在0°附近时所受推力最小，在90°附近时为最大，随着直板不停的旋转，所施加给杠杆的推力就会从零到最大再到零。拉簧的作用是使杠杆复位，杠杆受直板推力位移时，即在0°到90°期间，杠杆受直板的推力逐渐增大产生位移，同时将拉簧拉开，直板转过90°以后，即从90°转向0°期间，直板给杠杆的推力逐渐减小，拉簧的拉力逐渐大于直板的推力，拉簧就会使杠杆复位。理想的拉簧拉力是直板最大推力的1/2较为合理，这样杠杆摆系统所输出的推力和拉力是相等的。在直板和拉簧的双重作用下杠杆就会来回的摆动，这个系统就是杠杆摆，这就是动力源，就可以向外输出动力。

拉簧在上述系统工作中所起的作用并不都是有益的，在杠杆受直板推力产生位移的过程中，首选要克服拉簧的阻力，所以拉簧此时所起的是阻力作用。为了减少这部分功效损失，采用两组杠杆摆系统同时工作的方式来解决复位问题，即不用拉簧复位，而是将两组杠杆摆的直板相差90°安装，工作时，前者(A)的杠杆位移时，刚好后者(B)的杠杆处于复位的位置，用绳索将两个杠杆的底部相连，前者(A)就会拉动后者(B)复位。两者(A和B)交替进行，也能保证移动的杠杆复位，从而使系统正常工作。这里也有个小的问题，就是推动杠杆移动的推力与拉动杠杆复位的拉力都是变化的，一个是从小到大，另一个就会是从大到小，这一变化过程中，总会在某一个点位两者之间的力是相等的，那么系统似乎停顿一下，因为系统是在不停的运行当中，受力情况是不断的变化的，上述情况瞬间出现，紧接着随着受力情况的变化就会消失。

往复运动的杠杆摆通过连杆与旋转盘连接就可以转换成旋转运动，连接发电机就可以发电。这里有个技术要求，就是要求杠杆摆所摆动的幅度，即杠杆摆底端所移动的行程，必须大或等于旋转盘的旋转直径，否则旋转盘不能完成圆周运动，这可以通过事先确定杠杆摆的摆动量来设定旋转盘的直径来实现，还可以用连杆与杠杆连接位置的高低来进行微调，行程大于旋转盘直径部分可以采用连杆与旋转盘接点的圆孔改长孔来解决，长孔可以吸收和调节大于旋转盘直径部分行程的变化。

因旋转盘的直径与杠杆摆的摆动行程相等这个数值控制有一定的难度，且有时(特别是在海浪里时)摆动量是由海浪的波长来决定的，即有些情况下摆动量不是定值，以至于发电机难以实现圆周运动，可以采用棘轮行星机(说明：本人已经上报的另一个专利中的内容，现在审核中，申请号：2020101633543，为方便审查，这里重复叙述下同)来解决这一问题，因为棘轮行星机对杠杆摆的摆动量没有定值的要求，只要连杆往复移动，就能产生单向旋转。

棘轮行星机是利用棘轮的单向旋转功能将连杆的直板的往复运动变成圆周运动的行星轮结构，其工作结构和原理是：用连杆先与棘轮行星轮的双面齿条相接，在直板双面齿条的两侧各装有一棘轮，齿条上行时，左侧棘轮逆时针转动并带动所属齿轮转动，齿轮带动内齿圈逆时针转动，此时右侧棘轮因为单向传递功能使得本身空转，并没有向齿轮传递扭矩。齿条下行时，左侧棘轮空转，右侧棘轮逆时针旋转并带动所属齿轮转动，齿轮带动内齿圈逆时针转动，结果是，无论直板双面齿条上行或者下行，齿圈都会产生逆时针旋转，其特点是这里对齿条的行程没有要求，这个结构组合就是棘轮行星机。

上述棘轮行星机还有一个小的结构“瑕疵”，就是在齿条从上行转为下行，或者从下行转为上行的瞬间，表现在传导到齿圈上的动作为瞬间的“停顿”，这种现象表现为内齿圈旋转的“卡顿”，这在旋转过程中每周都会出现，解决方法是在内齿圈与发电机的刚性连接中加入柔性连接，即齿圈与轴之间加入波形弹簧，就是俗称的“发条”，其作用就是吸收和缓解瞬间的停顿，使内齿圈传递给发电机的扭矩均衡、平稳。

四、附图说明

图1是流体旋转机示意图；

图2是杠杆摆式发电系统结构图，图示为直板在0°位置；

图3是杠杆摆式发电系统做功过程图；

3-1直板位于0°位置；3-2直板位于45°位置；3-3直板位于90°位置；

图4是A、B两组杠杆摆式发电系统同时工作相互复位示意图；

4-1是A组处于0°位置,绳索牵动B组复位；

4-2是B组处于90°位置，由绳索被A组牵动复位；

图5是杠杆摆式发电系统在海浪中做功示意图；

图6是棘轮行星机组装过程及结构示意图；

图7是棘轮组合过程及做功过程图；

其中7-1发电机放大图7-2棘轮放大图7-3齿条上行时工作状态示意图7-4齿条下行时工作状态示意图

图8是杠杆摆式流体发电系统与棘轮行星机组合发电示意图。

图中：1.通孔；2.叶片；3.支撑板；4.护罩；5.杠杆；6.直板；7.连杆；8.支点；9.拉簧；10绳索；11.直板双面齿条；12.棘轮；13.齿轮；14.波形弹簧；15.内齿圈 16.发电机，流体旋转机为组合件。

五、具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明所述的流体旋转机，包括叶轮，所述叶轮是由四片尺寸相同的长方型直板组成，直板纵向垂直交叉，以中心线为中心圆周等分分布，沿四片直板的中心交叉线制成轴孔1，直板由支撑圈3连接，直板交叉后由支撑板分割出6个叶片2，以轴孔1为分界线，用护罩4对叶轮进行单侧遮挡，就构成流体旋转机，该机在流体中因叶轮单边受力就会旋转。

如图2所示，将流体旋转机的轴孔1壁管向上延长，在延长的壁管上安装一个较大长方型直板6，轴孔1也成了直板6的轴孔，即轴孔1也是直板6的轴孔，且在直板6的纵向中心线上，这样流体旋转机转动时，直板6也会随着转动。

如图2所示，将一直杆顶端插入流体旋转机的轴孔1中，在距直杆下端约1/4～1/5的位置安装一活动支点8。直杆就构成了杠杆5，在杠杆5的下端安装一绳索10与另一组杠杆摆系统相连，再连接杠杆7，通过连杆7与发电机16相连，就组成了杠杆摆式发电系统。

如图3所示，在流体中流体旋转机就会转动，直板6也会随之旋转，直板6旋转到不同的角度时，对杠杆5施加的推力不同，在0°到90°的转动过程中，杠杆5因受直板6的推力会顺着流体方向移动，因推力是从零到最大变化的，在直板6从0°向90°位置转动过程中，推力会逐渐增大，拉簧9也会被逐渐的拉开。随后直板6转过90°，会向0°位置旋转，转动过程中直板6的受力也是逐渐变小，拉簧9的拉力作用就会使杠杆5逐渐复位。拉簧9在直板6旋转过程中，每旋转1/4周都会将被拉开一次，再旋转1/4周又会将杠杆5复位一次，在直板6和拉簧9的交替作用下，杠杆5就实现了来回的摆动。

如图3所示，杠杆摆式发电系统工作中的拉簧在工作的全程中有一半起的是阻力作用。

如图4所示，为了避免拉簧9的阻力作用，取消拉簧9，采用两组杠杆摆系统同时工作的方式来替代拉簧复位方式，做法是：在杠杆5的底部用一根绳索10将两个系统的杠杆5相连，而且安装时将两个系统的直板6相差90°摆放，这样工作中，前者(A)做前半周旋转时如图4-1所示，即杠杆5位移时，后者(B)做后半周旋转如图4-2所示，即杠杆5复位，这样前者拉动后者复位，然后与上述情况一样，还是前后者(A和B)相互拉动复位，尽管旋转过程中有一瞬间拉动力与推力相等，系统会瞬间拉力与阻力相等，但系统的连续运转会很快因惯性度过，不会造成停顿。

如图5所示，在海浪中的做功状况比在河水或风中更为简单，因为在深海处海浪本身就时来回晃动的，流体旋转机和拉簧在此时就不会发挥作用，都可以取消，做功更为简单。所要强调的是，这里必须考虑海浪波长的不确定性，尽可能采用小旋转半径的发电设备，因为摆动行程一旦小于旋转直径，则不能完成圆周运动，则不能发电，其它与上述相同不再赘述。

如图6所示，棘轮行星机的结构和减振原理：组成是由直板双面齿条11、棘轮12、齿轮13、波形弹簧14、齿圈15、发电机16组成的。减振：齿圈15是通过波形弹簧14将扭矩传递给发电机16的，波形弹簧14的作用是吸收和缓解由于直板双面齿条11转变运动方向的瞬间，即由上行变为下行或由下行变为上行的瞬间，所引起的对齿圈15旋转产生的停顿现象，波形弹簧14也足可以将扭矩传递给发电机16，发电机照样正常发电。

如图7所示，棘轮行星机的结构和工作流程是：图7-1是发电机放大图，图7-2是棘轮放大图。如图7-3所示，在直板双面齿条11上行时，安装在齿条11两侧的棘轮12旋转，但因棘轮12的单向旋转功能的作用，所以只有左侧的棘轮12将转动力传递给了左侧的齿轮13，使左侧的齿轮13产生了逆时针旋转。而此时右侧的棘轮12空转，并没有将转动力传递给右侧的齿轮13。直板双面齿条11到达极限点后，随之而来的是直板双面齿条下行，如图7-4所示，安装在齿条11两侧的棘轮12旋转，左侧棘轮12因单向旋转功能的作用空转，并没有将旋转力传递给左侧的齿轮13，此时右侧的棘轮12将转动力传递给了右侧的齿轮13，使右侧的齿轮13产生了逆时针旋转。安装在两个齿轮13外侧的齿圈15，就会被两个齿轮13轮流推动而旋转，且都是逆时针转动。这样就达到了一个目的，就是无论齿条11上行或者是下行，结果都使齿圈15逆时针转动，且不论行程大小都会旋转。

上述结构为本发明主体结构，其工作原理如下：

所述流体旋转机在流体的作用下会自行旋转，因与直板6为同轴孔，所以直板6也会旋转。

所述直板6在旋转过程中，与流体之间的夹角会从0°到90°再到0°周而复始的循环，其受力也会从零到最大再到零这样不停的变化。

所述杠杆5因在顶部穿入了直板6的轴孔，所以杠杆5也会随着直板6的旋转而受到周期性的推力，推力会不停的从零到最大再到零。杠杆5因有支点8的作用，就会对下端的连杆7产生往复摆动式的、放大了的推、拉力。

所述拉簧9在直板6与流体流动方向之间的夹角为0°时不受力，随着杠杆5推力的不断加大，拉簧9就会被逐渐的拉开，接着直板6到达90°位置，同时杠杆5到达极限，随之直板6会逐渐从90°再转回到0°，其受力也在不断的减小，杠杆5所受到的推力也会从最大逐渐变小，当小于拉簧9的拉力时，拉簧9就会将杠杆5复位，这样不断的循环，流体不停的流动，杠杆5就会不断的对连杆7产生推力和拉力，就会发电。

上述系统循环工作过程中，拉簧9在直板6从0°到90°旋转过程，即连杆7的推动过程中，所做的不是有用功，拉簧9被推力拉开过程中起阻力作用，阻碍了做功，只有到了直板6转过90°以后，是从90°转到0°时，才起到复位的作用，是其拉力使连杆7实现了拉力。

所述做功过程：首选是在流体里，流体旋转机旋转，带动直板6旋转，直板6推动杠杆5移位，然后拉簧9使杠杆5复位，移位与复位的结果是杠杆5实现摆动，杠杆5的下端就会对连杆7、发电机16施以推、拉力从而发电。

根据需要可以加大杠杆5的力臂比和加大直板6受力面积来实现获取更大功效的目的。

以上所述仅是本发明的正常工作方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种流体旋转机，包括：轴孔(1)，其特征在于：所述轴孔(1)是设置在三或四片尺寸相同、相互竖面交叉连接的直板构成的叶轮的中心线上的通孔，直板由环型支撑板(3)连接固定，并以通孔(1)为中心向外等分成6或8片叶片(2)，叶轮由叶片(2)、支撑板(3)和轴孔(1)组成，以直板的中心线上的轴孔(1)为分界线，用护罩(4)对叶轮的一侧进行遮挡，在流体推力的作用下，叶轮因单边受力就会以轴孔(1)为轴心旋转，该组合即为流体旋转机。

2.根据权利要求1所述的流体旋转机的轴孔(1)，将轴孔(1)向上延长，即轴孔(1)的壁管向上延伸，并以此轴孔(1)为纵向中心线安装一较大直板(6)，其特征在于：所述流体旋转机的轴孔(1)与直板(6)的轴孔为同一个孔，是轴孔(1)将流体旋转机与直板(6)结合成一体，该直板(6)在流体里就会在流体旋转机的带动下一并旋转。

3.根据权利要求2所述，在流体旋转机和直板(6)的轴孔(1)中穿入一根直杆，在距直杆下端约1/4～1/5位置设置的一可转动的支撑点(8)，这样直杆即成为杠杆(5)，在杠杆(5)的末端再安装一个拉簧(9)，即形成杠杆摆组合，其特征在于：该杠杆摆在流体里，流体旋转机会旋转，直板(6)会跟随旋转，在旋转过程中，直板(6)与流体流向之间的夹角会呈现0°到90°再到0°的循环变化，0°时，直板(6)处于绝对顺水状态，流体不对直板(6)产生推力，推力为零，转到90°时，直板(6)处于垂直水流方向，推力最大，再回转到0°时推力再度为零，直板(6)离开0°时，开始受到推力，随着接近90°，推力逐渐加大，推力使杠杆(5)产生移动，同时，拉簧(9)逐渐被拉开，在90°时，推力达到最大值，杠杆(5)的位移也最大，然后直板(6)再逐渐回到0°，推力也会逐渐变小最终归0，拉簧(9)的拉力使杠杆(5)复位，这就完成了一个循环过程，杠杆(5)在直板(6)的推力和拉簧(9)的拉力双重作用下就会来回的摆动，这就是杠杆摆的工作原理。

4.根据权利要求3所述，在杠杆摆的底端安置一连杆(7)，随着杠杆摆的往复运动，连杆(7)就类似于往复泵的拉杆，就可以使用转轮将其变成圆周运动，从而带动发电机就可以发电，拉簧(9)的拉力值设置为杠杆(5)推力的1/2为最佳，这样，杠杆摆动所产生的推力和拉力相等的，与往复泵的效果相同，其特征在于：本系统可以根据需求来设置杠杆摆系统中直板(6)的面积，也可以根据需要来设置杠杆的力臂比，面积越大或力臂比越大，该系统做功能力越强。

5.根据权利要求4所述，发电机要完成整个的圆周运动才能正常发电，其特征在于：杠杆底端点水平运动的行程必须等于做圆周运动的、连杆连接点形成的旋转圆的直径，这可以用连杆在杠杆(5)底端的接点位置的高低来微调。

6.根据权利要求5所述，杠杆(5)底端水平运动的行程与做圆周运动旋转圆盘的直径恰好相等有一定的技术难度，运行中要求较高，可以用连杆(7)将棘轮单旋机直接与杠杆(5)相连，其特征在于：同样是往复运动变成旋转运动，但棘轮单旋机对连杆(7)的行程没有要求，只要连杆(7)往复运动，就可以变成单向旋转运动，而且无论是推或者是拉，都会变成单向的旋转，就会带动发电机(16)发电。

7.根据权利要求3所述，拉簧(9)在这里不仅起复位的积极作用，在直板从0°到90°旋转过程中，拉簧(9)要被拉开，这里拉簧所起的是阻力作用，可以用两组杠杆摆同时工作，相互拉动复位方式来取替拉簧复位方式，其特征在于：两组杠杆摆的直板(6)相差90°安装，这样两者工作顺序时差就相差半个圆周，即前者在流体作用下位移时，后者处于复位位置，位移的力量是由流体提供，那么复位的力量那里来呢？办法是将两者杠杆(5)的底端(原拉簧的接点位置)用绳索(10)连接，这样在流体作用下，前者在位移的同时，也会拉动后者复位，两者交替进行，也可以实现每个杠杆摆的往复摆动，这里绳索取代了拉簧，就没有拉簧的阻力产生，由于位移的力是从大到小，复位的力是从小到大，这一过程的某个位置一定会产生两者相等的现象，似乎会产生瞬间的停顿，但系统是不停运动的，后者的力瞬间就会会克服前者的力，系统还是会正常工作的。

Images