CN112411464A - 一种风力驱动的离心式人工造浪装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力驱动的离心式人工造浪装置及方法，包括水池、风车、减速机、连接盘、扭簧、力矩离合器、套筒、叶片和固定立柱；在风力的驱动下，风车通过减速机带动连接盘，卷动扭簧储存能量，当扭簧储能量达到设定值时，力矩离合器从固定立柱上脱开解锁，扭簧带动套筒及叶片爆发式高速转动，叶片部分或全部浸在水池的水中，高速带动池水，池水在离心力作用下沿径向高速向外运动，在水池中形成一道浪。扭簧能量释放完毕后，力矩离合器将套筒与固定立柱再次锁定，风车重新通过减速机和连接盘为扭簧蓄能，装置进入下一个造浪周期。本发明提出的新型风力驱动的离心式人工造浪装置利用可再生风能，绿色环保，经济性好。

Description

一种风力驱动的离心式人工造浪装置及方法
技术领域
本发明涉及一种风力驱动的离心式人工造浪装置及方法，属于舰艇波浪环境适应性试验平台、波浪发电设备测试，以及大众体育、娱乐辅助设施范畴。
背景技术
目前主要的符合专业训练和比赛的人工造浪方法有两种，一种是动力牵动造浪板在造浪池中运动，利用造浪板推动池水形成浪(参考专利：①PCT/ES2008/000089，②PCT/US2013/059498，③US 8,366,347B2，④US 8,042,200B2)，优点是持续时间长，浪形较好，缺点是对造浪板和池底的空间几何形状要求较高，需要利用超级计算机进行数值仿真计算和优化设计，加工难度高，另外，该类型造浪船需要强大的牵引驱动设备，需要两台功率达到几个MW的大功率高压电机作为源动力，经过变速器驱动卷筒卷绕钢丝绳拖动造浪板在水池中运动，造浪板到达一端以后才能往回运动，开始造下一道浪，造浪周期比较长；目前另外一种人工造浪方式是利用多个连续排列的真空泵驱动水流，通过池底的反射制造卷浪(参考专利：⑤US2018266129A9，⑥USRE47023E，⑦US2018106058A1)，这种模式可是造出比较完美的卷浪，而且功率消耗比较小，当多个真空泵连续交替工作时，一个造浪池可以同时形成多道卷浪，供多个冲浪者使用，但缺点也很明显，实体浪较短，冲浪者在浪上横向运动范围非常小，一些需要有距离来加速的动作无法完成。传统动力牵引造浪板的造浪原理，在动力钢丝绳的牵引下，造浪板沿轨道往复运动，利用迎水面推动池水造浪。以上两种模式都需要消耗巨大功率的电能，对当地电网供配电设施容量有较高要求，或者需要先投资改造升级。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术对源动机功率要求过大，以及需要长行程，占地面积大的缺点，提供一种可以用自然风力做源动力，且占地面积小的人工造浪装置及方法，节省能源，绿色环保，而且相对于前面提到的参考专利，占地、造价和成本都要低很多。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种风力驱动的离心式人工造浪装置，包括水池、风车、减速机、连接盘、扭簧、力矩离合器、套筒、叶片和固定立柱；风车的转轴连接减速机输入轴，通过减速机降速并提高扭矩，减速机输出轴和连接盘连接，连接盘转动转动为扭簧蓄能，力矩离合器限制了扭簧储能的上限，当扭簧储能达到设计值时，力矩离合器动作使套筒和固定立柱脱开，套筒带动叶片爆发式高速转动，推动池水高速径向运动，形成一道浪，扭簧释放能量后，力矩离合器重新将套筒和固定立柱锁定，风车继续为扭簧蓄能。
进一步地，所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，叶片环绕圆周均匀分布，叶片为平行于固定立柱轴线的平板，与套筒固定在一起。套筒相对于固定立柱在力矩离合器解锁的情况下可以转动，在力矩离合器将套筒和固定立柱锁定的情况下不能相互转动。
进一步地，所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，叶片可以是平行于轴线的平板，也可以是平行于轴线渐开式的曲面板。
进一步地，所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，风车可以是立轴风车，也可以是横轴风车。
进一步地，所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，风车可以由电机、内燃机等源动机取代。
一种风力驱动的离心式人工造浪方法，利用所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，该方法可以用风力为源动力，通过减速和储能，驱动离心式叶片进行造浪，风车的转轴连接减速机输入轴，减速机外壳固定在固定立柱上，减速机输出轴与连接盘连接固定，连接盘连接扭簧的上端，扭簧的下端固定在力矩离合器上，套筒套在固定立柱上，可以相对转动，固定立柱固定在地面上。叶片竖直圆周方向均匀分布固定在套筒上，全部或者部分地浸在水中。当扭簧不受力或受力未达到设定值时，力矩离合器将套筒和固定立柱锁定在一起，当扭簧受力达到设定值时，力矩离合器解锁，将套筒和固定立柱脱开，同时带动套筒转动，叶片安装在套筒上；
在风力的驱动下，风车通过减速机带动连接盘，卷动扭簧储存能量，当扭簧储能量达到设定值时，力矩离合器从固定立柱上脱开解锁，扭簧带动套筒及叶片爆发式高速转动，叶片部分或全部浸在水池的水中，高速带动池水，池水在离心力作用下沿径向高速向外运动，在水池中形成一道浪。扭簧能量释放完毕后，力矩离合器将套筒与固定立柱再次锁定，风车重新通过减速机和连接盘为扭簧蓄能，装置进入下一个造浪周期。风车可以是立轴风车，这种情况下，减速机输入轴和输出轴平行或者同轴，立轴风车可由任何来向的风驱动，适用于风向多变的环境；风车也可以是横轴桨叶式风车，这种情况下，减速机的输出轴和输出轴垂直，横轴风车适用于当地风向固定的环境。风车可以由电机等源动机取代，适用于风力缺乏或者业主希望造浪频率完全可控的要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)对比专利①-④牵引式造浪模式，本发明不需要功率容量巨大的牵引系统，利用自然风力驱动造浪，不耗能，绿色环保；
(2)本发明无需长距离牵引，需要的水池面积相对要小得多，占地小征地成本和难度都会低，适用地点多，可利用自然湖泊等小型水面实现；
(3)本发明可以根据当地的风力气候条件采用多种风车模式，充分利用多种自然环境下的可再生能源；
(4)设计模块化，源动机可以根据更换为电机、内燃机等多种可选择模式，供不同的客户选择使用，可以采用多轴离合输入，当风力充足时电机等源动机脱开不工作，风力匮乏时源动机接入驱动助力。
附图说明
图1为风力驱动的离心式人工造浪装置结构示意图，叶片为平板式；
图2为风力驱动的离心式人工造浪装置结构示意图，叶片为渐开式；
图中序号说明：1为风车；2为减速机；3为连接盘；4为扭簧；5为力矩离合器；6为套筒；7为叶片；8为固定立柱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提出一种风力驱动的离心式式人工造浪装置。如果所在区域风向频繁变化，风车则采用立轴式，优点是不论风向怎么变化，风车都会接风转动，输出力矩，缺点是立轴风车会造成整个系统重心较高，提高了对斜拉绳索紧固的要求；如果当地风向比较稳定，适于采用横轴式风车，结构重心低，效率更高。风车桨叶用高强度复合材料或者金属箔材裁制，紧固在骨架和轴上。风车轴通过联轴器连接在减速机的输入轴上，减速机为机械式，外壳固定在固定立柱上，用以降低转速的同时提高输出力矩，风车为立轴式，减速机为的输入轴和输出轴平行，风车为横轴式，减速机的输入和输出轴互相垂直。减速机的输出轴通过联轴器与连接盘连接，扭簧上端固定在连接盘上，扭簧的下端固定在力矩离合器上，开始力矩离合器将套筒和固定立柱锁住，风车通过减速机带动连接盘转动，将扭簧越绞越紧，也就是为扭簧蓄能，同时扭簧施加在力矩离合器上力矩也就越来越大，当力矩值达到设定值时，力矩离合器的内端从固定立柱上抽出，套筒和固定立柱解锁，扭簧带动套筒及上面的叶片加速转动释放能量，叶片带动池水随之转动，因离心力的作用，最后池水向四周径向高速涌出，形成一道浪。叶片用高强度复合材料或者金属箔材制成，与固定立柱平行圆周向均匀固定在套筒上，叶片可以是平板式也可以是渐开式曲面板。固定立柱下端固定在池底的地基上。扭簧的能量释放以后，力矩离合器再次将套筒和固定立柱锁紧，系统进入下一个蓄能造浪周期，蓄能的过程中水池中的水也会重新恢复平静状态。可以看出，造浪频率和风力有直接关系，风力大风车输出功率高，扭簧蓄能速度快，造浪频率就高，反之就低。结合池底的不同设计，可以形成涌浪、卷浪等需求的浪型，供冲浪运动员或者爱好者训练比赛或者娱乐健身。
本发明的主要特征在于：利用风力为扭簧蓄能，通过力矩离合器的解锁与锁定实现浸在池水中叶片的间歇爆发式转动，利用离心力甩动池水进行造浪，根据当地风力气候的特点，可以选择立轴或者横轴式风车。需要的情况下，可以用电机或者内燃机等源动机代替风车实现离心式人工造浪。叶片为平板式或者渐开曲面式，在浪高和浪速上形成差异，用户根据实际环境条件和需求进行选择。
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，显示了本发明的工作原理图，风车1，这里为双螺旋立轴式风车，其他形式的风车也可以应用，在风力的驱动下转动；减速机2，将风车的高转速转换为低转速，同时增大输出力矩，风车的转轴与减速机输入轴相连接，连接盘3，扭簧4，连接盘将减速机的输出轴和扭簧的上端连接在一起；力矩离合器5，与扭簧的下端固定；套筒6，套筒上圆周均匀分布装有多个叶片7，套筒套在固定立柱8上，固定立柱下端固定在地基上。
当扭簧4的力矩小于设定值时，力矩离合器5将套筒6和固定立柱8锁定在一起，不能相互转动，随着风车1的不断驱动，扭簧4蓄能量增加，越绞越紧，当达到设定值时，力矩离合器5将套筒6和固定立柱8解锁，二者脱开，扭簧4驱动套筒6带动叶片7爆发式转动，带动池水高速旋转，池水因离心力的作用径向涌出，结合特殊设计的池底形状形成各种形式的浪。
图2结构与图1类似，叶片7为渐开式，在同样转速下，形成浪的高度和厚度与平板式叶片有差异，供不同需求的冲浪者选择。
如前所述，风车1可以是立轴式也可以是横轴式，立轴式情况下减速机2输入输出轴平行，横轴式情况下减速机2输入输出轴互相垂直。
为增强固定立柱8的稳定性，可以通过斜拉钢索的形式予以加固，多根斜拉钢索放射性分布，一端固定在固定立柱8的顶端或者减速机2的外壳上，另一端固定在水池岸边。
叶片7外一周要设置防护网，以保护冲浪者的人身安全。
必要情况下，如当地风力资源不足时，风车1可以由电机、内燃机等源动机取代。

Claims (6)

1.一种风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：包括：水池、风车(1)、减速机(2)、连接盘(3)、扭簧(4)、力矩离合器(5)、套筒(6)、叶片(7)和固定立柱(8)；风车(1)的转轴连接减速机(2)输入轴，通过减速机降速并提高扭矩，减速机输出轴和连接盘(3)连接，连接盘(3)转动为扭簧蓄能，力矩离合器(5)限制了扭簧储能的上限，当扭簧储能达到设计值时，力矩离合器(5)动作使套筒(6)和固定立柱脱开，套筒带动叶片爆发式高速转动，推动池水高速径向运动，形成一道浪，扭簧释放能量后，力矩离合器(5)重新将套筒(6)和固定立柱(8)锁定，风车(1)继续为扭簧蓄能。
2.根据权利要求1所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：叶片(7)环绕圆周均匀分布，叶片(7)为平行于固定立柱(8)轴线的平板，与套筒(6)固定在一起，套筒(6)相对于固定立柱(8)在力矩离合器(5)解锁的情况下可以转动，在力矩离合器(5)将套筒(6)和固定立柱(8)锁定的情况下不能相互转动。
3.根据权利要求1所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：叶片(7)可以是平行于轴线的平板，也可以是平行于轴线渐开式的曲面板。
4.根据权利要求1所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：风车(1)可以是立轴风车，也可以是横轴风车。
5.根据权利要求1所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：风车(1)可以由电机、内燃机等源动机取代。
6.一种风力驱动的离心式人工造浪方法，利用权利要求1所述的风力驱动的离心式人工造浪装置，其特征在于：该方法可以用风力为源动力，通过减速和储能，驱动离心式叶片进行造浪，风车的转轴连接减速机输入轴，减速机外壳固定在固定立柱上，减速机输出轴与连接盘连接固定，连接盘连接扭簧的上端，扭簧的下端固定在力矩离合器上，套筒套在固定立柱上，可以相对转动，固定立柱固定在地面上；叶片竖直圆周方向均匀分布固定在套筒上，全部或者部分地浸在水中；当扭簧不受力或受力未达到设定值时，力矩离合器将套筒和固定立柱锁定在一起，当扭簧受力达到设定值时，力矩离合器解锁，将套筒和固定立柱脱开，同时带动套筒转动，叶片安装在套筒上；在风力的驱动下，风车通过减速机带动连接盘，卷动扭簧储存能量，当扭簧储能量达到设定值时，力矩离合器从固定立柱上脱开解锁，扭簧带动套筒及叶片爆发式高速转动，叶片部分或全部浸在水池的水中，高速带动池水，池水在离心力作用下沿径向高速向外运动，在水池中形成一道浪；扭簧能量释放完毕后，力矩离合器将套筒与固定立柱再次锁定，风车重新通过减速机和连接盘为扭簧蓄能，装置进入下一个造浪周期；风车可以是立轴风车，这种情况下，减速机输入轴和输出轴平行或者同轴，立轴风车可由任何来向的风驱动，适用于风向多变的环境；风车也可以是横轴桨叶式风车，这种情况下，减速机的输出轴和输出轴垂直，横轴风车适用于当地风向固定的环境。
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