CN112682261A - 一种新型流体发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型流体发电装置，所述发电装置包括与发电机主轴机械连接的芯轴套筒(2)，芯轴套筒(2)上固定安装扇叶外框(1)，所述扇叶外框(1)包括扇叶上盖(11)、扇叶下盖(12)和边轴(18)，分别通过边轴(18)实现扇叶上盖(11)与扇叶下盖(12)的连接；在扇叶外框(1)内沿边轴(18)长度方向设置扇叶(3)，扇叶(3)的远端与边轴(18)铰接；在芯轴套筒(2)上设置与扇叶(3)的近端匹配的限位装置使扇叶(3)单方向绕边轴(18)运动。本发明的新型流体发电装置通过扇叶结构改进而适配垂直发电机，其稳定性更强，垂直轴扇叶不受风力方向的影响，器件长度较小，便于运输、制作和施工。

Description

一种新型流体发电装置
【技术领域】
本发明涉及发电装置，特别是一种新型流体发电装置。
【背景技术】
流体发电装置如风力发电机通常将扇叶安装在与发电机转轴相连的芯轴顶端，扇叶在风力作用下驱使主轴转动，其运动轨迹为垂直方向，从而驱动电机运作。这类传统的风力发电机的力学荷载作用于塔杆顶部，对设备稳定性的要求高。此外，这类风力发电机在扇叶的运动圆面积内静止受力面积关系大致为：叶压中心-主轴20％、叶压中心-变形部16％、变形部3％，总受力面积10％。
对流体发电装置的改进，包括力学改进与结构改进一直是本领域的追求。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种新型流体发电装置，所述发电装置包括与发电机主轴机械连接的芯轴套筒2，其中，所述芯轴套筒2上固定安装扇叶外框1，所述扇叶外框1包括上下对称的扇叶上盖11、扇叶下盖12和边轴18，扇叶上盖11中央是与芯轴套筒2匹配的上芯轴孔14，以上芯轴孔14为圆心均匀设置N根上支撑臂16，扇叶下盖12中央是与芯轴套筒2匹配的下芯轴孔15，以下芯轴孔15为圆心均匀设置N根下支撑臂17，分别通过边轴18连接每一对上下对称的上支撑臂16与下支撑臂17的远端部，实现扇叶上盖11与扇叶下盖12的连接；
在扇叶外框1内沿边轴18长度方向设置扇叶3，扇叶3的远端与边轴18铰接；
在芯轴套筒2上设置与扇叶3的近端匹配的限位装置使扇叶3单方向绕边轴18运动。
在本发明中，术语“远端”用于非限制性地描述扇叶或上、下支撑臂的远离芯轴套筒的一端，对应地，它们朝向芯轴套筒的一端可表述为“近端”。
在本发明中，“单方向绕边轴运动”是指扇叶近端受限位装置的作用，因此在受到流体的力的作用时，只能绕边轴朝一个方向打开，并随着作用力方向变化时重新闭合。
在本发明中，限位装置的意义在于确保扇叶在受力状态下只能绕边轴18单向打开。这种单向运动关系确立了本发明的传动关系：当扇叶外框与扇叶的联合体整体受到流体的推力时，根据每个扇叶当时所处位置与受力方向不同，将扇叶分为受力扇叶与非受力扇叶，如图5所示。
图5展示了当N＝3即扇叶外框中设置三片扇叶的流体发电装置在受力时的运动关系。当流体发电装置受到流体推力F时，此时第二扇叶302和第三扇叶303由于处于打开状态而受到推力F的作用较小，因此将此时处于位置B和位置C的第二扇叶302和第三扇叶303定义为非受力扇叶。同时，处于位置A的第一扇叶301由于被限位装置限制而处于闭合状态，因此受到推力F的作用较大，将该状态下的第一扇叶301定义为受力扇叶。推力F作用于受力扇叶，第一扇叶301将受力传递至芯轴套筒，驱使芯轴套筒绕轴转动，再传动至与芯轴套筒机械连接的发电机主轴，从而实现发电机运作。
随着推力F作用于受力扇叶而驱使芯轴套筒转动的运动过程，第一扇叶301随之改变位置，由原A位置逆时针方向运动至转过B位置时，此时限位装置不再对第一扇叶301起到位置约束作用，第一扇叶301受推力F作用而打开，此时的第一扇叶301由原受力扇叶变为非受力扇叶。
随着扇叶外框与扇叶联合体继续绕轴作逆时针方向转动，当第一扇叶301运动至转过位置D时，此时在推力F作用下第一扇叶301被关闭，并被限制装置限位而持续处于关闭状态，第一扇叶301重新成为受力扇叶。
优选地，本发明的发电装置还包括稳固支架4。由于芯轴套筒2和芯轴具备一定长度和安装高度，稳固支架用于提高芯轴套筒和芯轴的稳定性。所述稳固支架4包括支架外框41和支架足42，所述支架外框41包括具有芯轴套筒孔的支架上盖43、支架下盖44和连接支架上盖43与支架下盖44的支架边框45，支架上盖43和支架下盖44分别通过轴承与芯轴套筒2机械连接，支架足42固定连接支架下盖44与地。
在本发明中，N是自然数且N≥3。当N＝3时，即扇叶上盖11设置3根上支撑臂，对应地，扇叶下盖12设置3根下支撑臂，因此，扇叶外框中安装3片扇叶。每一片扇叶间的角距离为120°。
在本发明中，所述扇叶包括扇叶骨架31和固定在扇叶骨架31上的扇叶片32。
在本发明中，根据一种可选的实施方式，限位装置可以通过固定在芯轴套筒上的定位销33和设置在扇叶骨架31近端的与所述定位销33匹配的定位槽实现。本领域技术人员也可以根据现有技术的教导，对限位装置进行变型或改进。
根据一种优选的实施方式，所述新型流体发电装置还包括与发电机主轴机械连接的变速机构。
所述新型流体发电装置还包括与发电机连接的刹车机构和/或储能机构。
与流体发电装置相匹配的变速机构、刹车机构和储能机构的设计与制造是本领域技术人员的公知常识，在此不做赘述。
在本发明中，为了减轻扇叶自重，所述扇叶片是树脂纤维复合材料扇叶片。本领域技术人员可根据现有技术的教导，选用轻质且具备足够强度的树脂纤维复合材料制作扇叶片。
进一步地，还可以采用陶瓷轴承以实现水下防腐功能。
本发明的新型流体发电装置适用于液态流体或气态流体环境。本领域技术人员可根据具体环境选择适当的尺寸、每个扇叶外框内的扇叶数量和扇叶外框组数，以适应于平流层以下至-水下200米区间的不同发电需求。
本发明的新型流体发电装置可包括沿芯轴长度方向设置的多组扇叶外框。
本发明通过崭新的扇叶外框设计，将扇叶的安装位置改进为与边轴铰接，实现处于不同位置的扇叶在流体环境下的状态变化——部分扇叶受力且被限位而处于受力扇叶、部分扇叶不受力(或受力较小)且不被限位而成为非受力扇叶，通过受力扇叶驱动主轴转动，从而实现流体力学最大受力面积，有效提高了载体单位面积扭矩力及效率。
通过调整尺寸及扇叶外框中扇叶的数量，本发明的流体发电装置适用于风力发电或用于河流、海流、洋流激流发电，随着流体环境调整扇叶数量，能有效提高发电效率。本领域技术人员还可以根据本发明的技术方案进行适当变型，例如将本发明的装置适当缩小模块而安装于汽车上实现移动发电，特别是应用于电动汽车作为增程器。本领域技术人员根据已经掌握的技术能够将本发明的流体发电装置与电动汽车的动力系统进行连接。
本发明的流体发电装置通过结构改进，将常规风力发电机水平设置的芯轴设置改为垂直设置的芯轴，通过稳固支架确保芯轴与芯轴套筒组合体的稳定性，建造难度低、施工较简单，一般土建施工单位均可施工。
【附图说明】
图1为本发明的流体发电装置的立体结构示意图；
图2为本发明的扇叶外框立体结构图；
图3为本发明的扇叶外框与稳固支架立体结构图；
图4为本发明的扇叶主视图；
图5为本发明的流体发电装置运动关系示意图。
其中：
1、扇叶外框；11、扇叶上盖；12、扇叶下盖；14、上芯轴孔；15、下芯轴孔；16、上支撑臂；17、下支撑臂；18、边轴；
2、芯轴套筒；
3、扇叶；31、扇叶骨架；32、扇叶片；33、定位销；301、第一扇叶；302、第二扇叶；303、第三扇叶；
4、稳固支架；41、支架外框；42、支架足；43、支架上盖；44、支架下盖；45、支架边框。
【具体实施方式】
以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
本发明有几种方式：
实施例1在气态流体或液态流体环境中垂直放置本发明的装置
图1所示的流体发电装置垂直放置在流体环境中。垂直放置时，根据发电规模或工程指标，可单体设置或阵列式设置本发明的发电装置。
扇叶外框如图2-3所示，包括上下对称的扇叶上盖11、扇叶下盖12和边轴18，分别沿边轴18长度方向安装三片扇叶3。扇叶3如图4所示，包括扇叶骨架31和设置在骨架上的扇叶片32，其中，扇叶片32采用树脂纤维复合材料制作。
稳固支架4如图1和3所示，包括支架外框41和支架足42，支架外框41包括支架上盖43、支架下盖44和支架边框45，用于确保垂直设置的芯轴套筒2的稳定性。
在本实施例中，气态流体中扇叶规格为10m×30m，电机额定功率500-1000kw。
发电装置主体安装后，芯轴挂接皮带轮，通过齿轮传动实现增速至6000转，并安装刹车、离合器、发电机。其中，刹车、离合器和发电机的安装参考常规风电工程施工教导。
与之相比，在同一环境中设置的传统三叶风力发电机，其等同风轮面积600平方米的风叶规格需要14米长，通常匹配的电机额定功率约为120千瓦，显著小于本实施例。
进一步地，还可以将本实施例的发电装置进行阵容式安装。阵列式安装具有单位造价低、总发电量高和易于维护的优势。
实施例2水平设置的流体发电装置
在微风或常年风力较弱的地区，可借助高架构基础建筑实现本发明的流体发电装置的水平设置。例如，在塔杆顶端法兰盘上的2个Y型羊角支撑顶部装入轴承，水平设置芯轴和芯轴套筒，再安装扇叶外框和稳固支架以确保芯轴和芯轴套筒的稳定性，然后沿边轴安装扇叶。
水平设置的发电装置通常适用于功率较小的工程，其中，本领域技术人员可根据电机的额定功率和安装区域的流体环境参数选择适当的扇叶规格。在本实施例中，采用扇叶规格为1800mm×8500mm，电机额定功率30kw。
实施例3倒置设置本发明的流体发电装置
此外，当流体发电装置设置在洋流环境中时，借助浮体或浮筏辅助安装，将本发明的装置倒置安装在水下，即发电机处于上部，而芯轴和芯轴套筒处于发电机以下。
倒置安装时，可依据水下流体条件选择芯轴套筒的设置方向，例如垂直设置或水平设置。
例如，将发电装置以垂直设置方式应用于水下，当扇叶规格为10m×30m时，电机额定功率为5-10MW。
或者，将类似地，作为激流发电装置时，将发电装置以水平设置方式设置在水下，当扇叶规格为1800mm×8500mm，电机额定功率200kw-1000KW。
综上所述，本发明的装置在各实施例参数和所用发电机的额定功率上均优于传统的三叶风力发电机。得益于扇叶结构的改进，本发明的流体发电装置的扇叶受力面积显著大于传统三叶风力发电机，因而扭矩显著大于传统三叶风力发电机，通常可达其几十倍。以低于15m/s的风速计算，本发明的发电装置的扇叶转速也显著高于传统三叶风力发电机，因此转化的发电量也显著提高。
此外，由于扇叶形状的改进，本发明的流体发电装置具有重心低的优势，安全性更高的优点。
综上所述，本发明通过扇叶结构改进而适配垂直发电机，与传统的三叶风力发电机相比，本发明的流体发电装置稳定性更强，垂直轴扇叶不受风力方向的影响，此外器件长度较小，便于运输和制作施工。

Claims (8)

1.新型流体发电装置，所述发电装置包括与发电机主轴机械连接的芯轴套筒(2)，其特征在于所述芯轴套筒(2)上固定安装扇叶外框(1)，所述扇叶外框(1)包括上下对称的扇叶上盖(11)、扇叶下盖(12)和边轴(18)，扇叶上盖(11)中央是与芯轴套筒(2)匹配的上芯轴孔(14)，以上芯轴孔(14)为圆心均匀设置N根上支撑臂(16)，扇叶下盖(12)中央是与芯轴套筒(2)匹配的下芯轴孔(15)，以下芯轴孔(15)为圆心均匀设置N根下支撑臂(17)，分别通过边轴(18)连接每一对上下对称的上支撑臂(16)与下支撑臂(17)的远端部，实现扇叶上盖(11)与扇叶下盖(12)的连接；
在扇叶外框(1)内沿边轴(18)长度方向设置扇叶(3)，扇叶(3)的远端与边轴(18)铰接；
在芯轴套筒(2)上设置与扇叶(3)的近端匹配的限位装置使扇叶(3)单方向绕边轴(18)运动。
2.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述发电装置还包括稳固支架(4)，所述稳固支架(4)包括支架外框(41)和支架足(42)，所述支架外框(41)包括具有芯轴套筒孔的支架上盖(43)、支架下盖(44)和连接支架上盖(43)与支架下盖(44)的支架边框(45)，支架上盖(43)和支架下盖(44)分别通过轴承与芯轴套筒(2)机械连接，支架足(42)固定连接支架下盖(44)与地。
3.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于N是自然数且N≥3。
4.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述扇叶包括扇叶骨架(31)和固定在扇叶骨架(31)上的扇叶片(32)。
5.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述新型流体发电装置还包括与发电机主轴机械连接的变速机构。
6.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述扇叶片是树脂纤维复合材料扇叶片。
7.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述流体是液态流体或气态流体。
8.根据权利要求1所述的新型流体发电装置，其特征在于所述新型流体发电装置包括沿芯轴长度方向设置的多组扇叶外框。
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