CN112901406B - 一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，包括多个发电单元，多个发电单元通过连接支架固连为一体；发电单元包括浮筒、设置在浮筒中的发电机，以及位于浮筒下方的水轮机；浮筒中设置有载物板，载物板能够沿浮筒的内壁上下滑动，发电机固定设置在载物板上，载物板和浮板之间设置有缓冲机构。通过将多个发电单元连接为整体悬浮在海中，潮流驱动水轮机的叶片转动，利用啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮进而带动发电机发电，将潮流能转为电能，通过设置多个发电单元大大提高能量转化效率。通过设计缓冲机构，确保整个水轮机系统在随波浪颠簸过程中，水轮机的位置基本保持在最佳深度区域，提高稳定性，确保能量转化效率。

Description

一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统
技术领域
本发明属于潮流能发电设备技术领域，具体涉及一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统。
背景技术
近年来潮流能由于其自身独特的优势而受到世界各国学者的重视，西方发达国家已进入商业化运行前期阶段。当前，我国的海洋能开发正处于蓬勃发展阶段，其开发利用面临着前所未有的战略发展机遇，把握好当前的有利时机，对推动我国海洋能利用技术的发展,加快海洋能产业化进程至关重要。
目前单桩支撑式潮流能水轮机的开发已经较为成熟，而对于海上漂浮式的潮流能水轮机还有待开发。为了使潮流能水轮机实现海上多机组共同运行，它们的阵列方式以及波浪条件下的稳定性问题是当今流体机械技术领域中亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，解决现有技术中海上漂浮式的多桩潮流稳定性较差的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：
一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，包括多个发电单元，多个发电单元通过连接支架固连为一体，连接支架下端连接有锚；
所述发电单元包括浮筒、设置在浮筒中的发电机，以及位于浮筒下方的水轮机；所述浮筒的下端与浮板固定密封连接；浮筒中设置有载物板，载物板能够沿浮筒的内壁上下滑动，发电机固定设置在载物板上，载物板的底面固定连接有支撑管，支撑管的下端活动式穿过浮板后与水轮机的壳体固定连接，支撑管与浮板密封连接；浮筒的腔体为密闭空间，防止海水进入浮筒内导致发电机短路。
所述支撑管套设在发电机的转轴上，且发电机转轴的下端伸出支撑管并与第一锥齿轮固连，水轮机的转轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴上设置有第二锥齿轮，减速箱设置于水轮机的壳体中，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合。
所述载物板和浮板之间设置有缓冲机构。
本发明中，通过将多个发电单元连接为整体悬浮在海中，潮流驱动水轮机的叶片转动，利用啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮进而带动发电机发电，将潮流能转为电能，通过设置多个发电单元大大提高能量转化效率。
海洋中不同深度处的海水流速不同，则处于不同深度处的水轮机的转速不同，为了保证水轮机的运行高度保持在海洋中最佳深度区域内，本发明设计了缓冲机构，确保整个水轮机系统在随波浪颠簸过程中，水轮机的位置基本保持在最佳深度区域，提高稳定性，确保能量转化效率。
本发明中，通过设置锚，正常工作时锚固定于海底，防止水轮机系统被海水冲走。
进一步优化，所述缓冲机构设置于浮筒中，包括第一连杆、第二连杆、第一滑块和缓冲器；所述第一连杆的上端与载物板或支撑管铰接，第一连杆的下端与第二连杆的上端铰接，第二连杆的下端与第一滑块铰接，第一滑块设置于浮板上表面，且能够沿浮板的上表面滑动；缓冲器的上端与载物板或支撑管铰接，缓冲器的下端与第二连杆铰接。
海上波浪袭来浮筒和浮板随波上移的瞬间，由于缓冲器的缓冲支撑作用，第一滑块沿浮板的上表面沿靠近浮筒壁的一侧滑动，浮板沿支撑管向上滑动，尽可能使电动机和水轮机保持在原位，或者在竖向发生的位移不大。
当海上波浪消退的浮筒和浮板随波下降的瞬间，由于缓冲器的缓冲支撑作用，第一滑块沿浮板的上表面沿靠近支撑管的一侧滑动，浮板沿支撑管向下滑动，尽可能使电动机和水轮机保持在原位，或者在竖向发生的位移不大。
进一步优化，所述缓冲器为弹簧、液压支撑杆或气压支撑杆中的一种。
进一步优化，所述浮筒内壁沿其高度方向开设有第二滑槽，载物板上设置有第二滑块，第二滑块活动式卡设在第二滑槽中。在浮筒随波上下颠簸过程中，载物板上的第二滑块沿第二滑槽上下滑动。
进一步优化，所述浮板上固定嵌设在有滑套，滑套套设在支撑管上，浮板通过滑套与支撑管滑动式密封连接。在浮筒随波上下颠簸过程中，浮板相对于支撑管上下滑动，通过设置滑套，防止出现支撑管上下滑动时出现卡阻现象。浮板与支撑管密封连接防止海水进入浮筒中。
进一步优化，所述载物板底面固连有第一连接套筒，第一连接套筒下端设置有内螺纹，支撑管的上端设置有外螺纹，支撑管与第一连接套筒螺纹连接。螺纹连接便于拆装、更换。
进一步优化，每个发电单元的支撑管的长度不同，即水轮机在高度不同，所有水轮机在高度上错开，因此尾流干扰较少，能量损失较少，发电效率高。所有发电单元的水轮机叶片的安装朝向均不同。不同方向的水平轴潮流能水轮机能够适应海洋中各个方向的来流，将各个方向的水流动能都转化为电能，能最大程度得利用漂浮式平台，节约资源。
进一步优化，所述发电单元的数量为三个。
进一步优化，所述连接支架包括上连接架和下连接架，上连接架和下连接架均由三根连接杆组成，构成正三角形状框架，每个连接杆的两端分别与对应的浮筒固定连接。
进一步优化，所述浮筒上焊接有四个第二连接套筒，每个连接杆的两端分别插设于对应的浮筒上第二连接套筒中，并通过螺钉紧固。
进一步优化，相邻两个发电单元的间距为水轮机转轮半径r的2.6倍。不同水轮机的安装高度差为1个转轮半径。转轮为水轮机叶片转动时所形成的圆形轮廓。
相比现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
1、通过将多个发电单元连接为整体悬浮在海中，潮流驱动水轮机的叶片转动，利用啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮进而带动发电机发电，将潮流能转为电能，通过设置多个发电单元大大提高能量转化效率。且通过连接支架将多个发电单元连接为一体，使得整体结构更加稳定
2、海洋中不同深度处的海水流速不同，则处于不同深度处的水轮机的转速不同，为了保证水轮机的运行高度保持在海洋中最佳深度区域内，本发明设计了缓冲机构，确保整个水轮机系统在随波浪颠簸过程中，水轮机的位置基本保持在最佳深度区域，提高稳定性，确保能量转化效率。
3、每个发电单元的支撑管的长度不同，即水轮机在高度不同，所有水轮机在高度上错开，因此尾流干扰较少，能量损失较少，发电效率高。所有发电单元的水轮机叶片的安装朝向均不同。不同方向的水平轴潮流能水轮机能够适应海洋中各个方向的来流，将各个方向的水流动能都转化为电能，能最大程度得利用漂浮式平台，节约资源。
附图说明
图1为本发明所述适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统的结构示意图。
图2为图1沿垂直浮筒轴向的剖视图。
图3为本发明所述适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统在海洋中工作的示意图。
图4为本发明所述发电单元中浮筒内部的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-4所示，一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，包括三个发电单元，三个发电单元通过连接支架固连为一体，连接支架下端连接有锚4。
所述发电单元包括浮筒1、设置在浮筒中的发电机6，以及位于浮筒下方的水轮机3；所述浮筒1的下端与浮板2固定密封连接；浮筒中设置有载物板7，载物板7能够沿浮1筒的内壁上下滑动，发电机6固定设置在载物板7上，载物板的底面固定连接有支撑管5，支撑管5的下端活动式穿过浮板后与水轮机的壳体固定连接，支撑管5与浮板2密封连接；浮筒1的腔体为密闭空间，防止海水进入浮筒内导致发电机短路。
所述支撑管5套设在发电机的转轴上，且发电机转轴的下端伸出支撑管并与第一锥齿轮固连，水轮机的转轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴上设置有第二锥齿轮，减速箱设置于水轮机的壳体中，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合。
所述载物板和浮板之间设置有缓冲机构。在本实施例中，所述缓冲机构设置于浮筒1中，包括第一连杆10、第二连杆12、第一滑块13和缓冲器14；所述第一连杆的上端与载物板或支撑管铰接，第一连杆的下端与第二连杆的上端铰接，第二连杆的下端与第一滑块铰接，第一滑块设置于浮板上表面，且能够沿浮板的上表面滑动；缓冲器的上端与载物板或支撑管铰接，缓冲器的下端与第二连杆铰接。所述缓冲器14为液压支撑杆。
本发明中，通过将多个发电单元连接为整体悬浮在海中，潮流驱动水轮机的叶片转动，利用啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮进而带动发电机发电，将潮流能转为电能，通过设置多个发电单元大大提高能量转化效率。
海洋中不同深度处的海水流速不同，则处于不同深度处的水轮机的转速不同，为了保证水轮机的运行高度保持在海洋中最佳深度区域内，本发明设计了缓冲机构，确保整个水轮机系统在随波浪颠簸过程中，水轮机的位置基本保持在最佳深度区域，提高稳定性，确保能量转化效率。
海上波浪袭来浮筒和浮板随波上移的瞬间，由于缓冲器的缓冲支撑作用，第一滑块沿浮板的上表面沿靠近浮筒壁的一侧滑动，浮板沿支撑管向上滑动，尽可能使电动机和水轮机保持在原位，或者在竖向发生的位移不大。如图3所示，图3中，虚线曲线表示波浪，左侧箭头表示不同深度处海水的流速。
当海上波浪消退的浮筒和浮板随波下降的瞬间，由于缓冲器的缓冲支撑作用，第一滑块沿浮板的上表面沿靠近支撑管的一侧滑动，浮板沿支撑管向下滑动，尽可能使电动机和水轮机保持在原位，或者在竖向发生的位移不大。
本发明中，通过设置锚，正常工作时锚固定于海底，防止水轮机系统被海水冲走。
在其他实施例中，所述发电单元的数量为四个、五个、六个等，根据具体情况而定。
在其他实施例中，所述缓冲器可以为弹簧或气压支撑杆。
在本实施例中，所述浮筒内壁沿其高度方向开设有第二滑槽，载物板上设置有第二滑块8，第二滑块活动式卡设在第二滑槽中。在浮筒1随波上下颠簸过程中，载物板7上的第二滑块8沿第二滑槽上下滑动。
在本实施例中，所述浮板2上固定嵌设在有滑套15，滑套套设在支撑管上，浮板通过滑套与支撑管滑动式密封连接。在浮筒随波上下颠簸过程中，浮板相对于支撑管上下滑动，通过设置滑套，防止出现支撑管上下滑动时出现卡阻现象。浮板与支撑管密封连接防止海水进入浮筒中。
在本实施例中，所述载物板底面固连有第一连接套筒9，第一连接套筒9下端设置有内螺纹，支撑管的上端设置有外螺纹，支撑管5与第一连接套筒螺纹连接。螺纹连接便于拆装、更换。
在本实施例中，每个发电单元的支撑管的长度不同，即水轮机在高度不同，所有水轮机在高度上错开，因此尾流干扰较少，能量损失较少，发电效率高。所有发电单元的水轮机叶片的安装朝向均不同。不同方向的水平轴潮流能水轮机能够适应海洋中各个方向的来流，将各个方向的水流动能都转化为电能，能最大程度得利用漂浮式平台，节约资源。
在本实施例中，所述连接支架包括上连接架和下连接架，上连接架和下连接架均由三根连接杆20组成，构成正三角形状框架。所述浮筒1上焊接有四个第二连接套筒30，每个连接杆20的两端分别插设于对应的浮筒上第二连接套筒30中，并通过螺钉紧固。
在本实施例中，相邻两个发电单元的间距为水轮机转轮半径r的2.6倍。不同水轮机的安装高度差为1个转轮半径。转轮为水轮机叶片转动时所形成的圆形轮廓。
经过反复数值模拟，本发明装置在海底复杂流场中发电效率较高，且能大大节约了海上漂浮式平台的数量。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，包括多个发电单元，多个发电单元通过连接支架固连为一体，连接支架下端连接有锚；
所述发电单元包括浮筒、设置在浮筒中的发电机，以及位于浮筒下方的水轮机；所述浮筒的下端与浮板固定密封连接；浮筒中设置有载物板，载物板能够沿浮筒的内壁上下滑动，发电机固定设置在载物板上，载物板的底面固定连接有支撑管，支撑管的下端活动式穿过浮板后与水轮机的壳体固定连接，支撑管与浮板密封连接；
所述支撑管套设在发电机的转轴上，且发电机转轴的下端伸出支撑管并与第一锥齿轮固连，水轮机的转轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴上设置有第二锥齿轮，减速箱设置于水轮机的壳体中，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合；
所述载物板和浮板之间设置有缓冲机构。
2.根据权利要求1所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述缓冲机构设置于浮筒中，包括第一连杆、第二连杆、第一滑块和缓冲器；
所述第一连杆的上端与载物板或支撑管铰接，第一连杆的下端与第二连杆的上端铰接，第二连杆的下端与第一滑块铰接，第一滑块设置于浮板上表面，且能够沿浮板的上表面滑动；缓冲器的上端与载物板或支撑管铰接，缓冲器的下端与第二连杆铰接。
3.根据权利要求2所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述缓冲器为弹簧、液压支撑杆或气压支撑杆中的一种。
4.根据权利要求1所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述浮筒内壁沿其高度方向开设有第二滑槽，载物板上设置有第二滑块，第二滑块活动式卡设在第二滑槽中。
5.根据权利要求1所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述浮板上固定嵌设在有滑套，滑套套设在支撑管上，浮板通过滑套与支撑管滑动式密封连接。
6.根据权利要求1所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述载物板底面固连有第一连接套筒，第一连接套筒下端设置有内螺纹，支撑管的上端设置有外螺纹，支撑管与第一连接套筒螺纹连接。
7.根据权利要求2所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，每个发电单元的支撑管的长度不同，所有发电单元的水轮机叶片的安装朝向均不同。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述发电单元的数量为三个。
9.根据权利要求8所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述连接支架包括上连接架和下连接架，上连接架和下连接架均由三根连接杆组成，构成正三角形状框架，每个连接杆的两端分别与对应的浮筒固定连接。
10.根据权利要求9所述的适用于波流作用下的浮式潮流能水轮机系统，其特征在于，所述浮筒上焊接有四个第二连接套筒，每个连接杆的两端分别插设于对应的浮筒上第二连接套筒中，并通过螺钉紧固。
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