CN113818984A - 一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，该装置包括：圆柱阻流体、环形齿条、上部转环、下部转环、上接板、下接板、限位器、尾流板、转动体、齿条、发电机和轴封，当海流流过阻流体时，海流会在阻流体两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，本发明在脱涡形成区域设置三级脱涡能量回收装置，起到对脱涡能量逐级回收的目的，实现了在脱涡强度显著削弱之前对脱涡能量的充分利用，提高了对海流能的回收效率。此外，本装置通过尾流板可以自适应于海流方向进行位置调整，从而实现全向位捕获脱涡横向力的能量，进一步提高了装置对海流能的利用率。

Description

一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置
技术领域
本发明属于水下发电技术领域，具体涉及一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置。
背景技术
卡门涡街作为流体力学中重要的现象，在自然界中时常遇到，它指的是：在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成卡门涡街。如水流过桥墩、立柱，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。此外，当卡门涡街出现时，流体在物体后方两侧会产生交替作用的脱涡，即出现一个周期性的交变横向力作用，如果物体的固有频率与力的频率一致时，这个横向力就会对物体造成损坏。
目前，人们更多地将卡门涡街效应对物体的作用视为一种破坏因素去规避，基于这种思想，更多的学者设计出各种破涡装置对涡街产生的脱涡进行破坏，从而减少涡街效应对物体结构的影响，这就使得涡街效应产生的能量没有得到利用，导致这类能量白白浪费。
专利号为202111083777.5的中国专利提出了一种发电组件及双弹性水囊内流能发电装置，该装置套在桥墩上，当水流过桥墩时，装置利用贴合在桥墩后方的弹性水囊将涡街效应产生脱涡的横向力进行回收，进而通过水轮机进行发电，该装置实现了对卡门涡街效应产生的交替脱涡的利用，从而使装置产生稳定的电力输出。但根据相关流体模拟分析可知，卡门涡街产生交替脱涡横向力的最佳有效范围是在阻流体(桥墩)后方一倍阻流体直径到四倍阻流体直径范围内，在这个范围内的脱涡交变横向力强度最强且损耗较小；当小于这个范围时，脱涡还未形成稳定的交变横向力作用；当超过这个范围时，脱涡的交变横向力损耗将显著增大。因此，上述专利在贴合桥墩处安装回收装置的方式，其回收效率并不高，装置的发电效果较差。
基于卡门涡街产生脱涡的最佳作用范围可知，若能在阻流体一倍直径到四倍直径范围内设置三级脱涡能量回收装置(按一定间距同时设置三个回收装置)，那么本装置将会有效提高对脱涡能量的回收效率，所以本装置具有更大的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，本发明在圆柱阻流体的一倍直径到四倍直径范围内设置三级脱涡能量回收装置，当海流流过阻流体时，会在阻流体两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，这个横向力会使得本发明的捕能装置绕连接轴发生顺时针或逆时针转动，从而带动齿条与发电机上的齿轮啮合转动，进而实现发电机发电。
一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，包括圆柱阻流体、环形齿条、上部转环、下部转环、上接板、下接板、限位器、尾流板、第一转动体、第二转动体、第三转动体、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第一发电机、第二发电机、第三发电机、第四发电机和轴封。
所述圆柱阻流体沿圆周方向固定环形齿条，在环形齿条下方沿圆柱阻流体的圆周方向预设两个环形凹槽，环形凹槽的宽度与上部转环、下部转环的宽度相等；所述上部转环和下部转环相同，均为圆环结构，上部转环、下部转环的直径与环形凹槽的直径相等。上部转环、下部转环在安装时分别与圆柱阻流体的两个环形凹槽配合，使上部转环、下部转环只具备绕圆柱阻流体轴线转动的自由度。进一步的，所述圆柱阻流体既可以是独立的一根圆柱体，也可以是在海洋中固定的物体，如大桥的桥墩、固定式海洋平台的支柱等。
所述上接板与上部转环刚性焊接，在上接板上预设三个通孔；所述下接板与下部转环刚性焊接；在上接板与下接板之间通过三根连接轴连接；在每根连接轴旁边分别设置一个限位器；将尾流板设置在上、下接板之间，并固定在上、下接板末端位置。
所述第一发电机、第二发电机、第三发电机分别安装在上接板上，三个发电机的输出轴分别通过上接板上的三个通孔，在每个发电机输出轴靠近通孔位置均设有轴封，在每个发电机输出轴上均安装齿轮。
所述第一转动体、第二转动体和第三转动体的高度均为h，每个转动体均采用密度和海水相同的轻质材料制成，在每个转动体上均设置通孔。所述第一转动体的结构是在一个圆柱体上切出圆心角为β的扇形体，后在半径R与弧长L相交处开设出半径为a的圆角，第一转动体的高度为h；所述第二转动体的截面面积是第一转动体截面面积的1.2倍；所述第三转动体的截面面积是第二转动体截面面积的1.2倍。
所述第一齿条、第二齿条、第三齿条分别固定在第一转动体、第二转动体、第三转动体上，将第一转动体、第二转动体、第三转动体上的通孔分别通过上接板与下接板之间的三根连接轴上，第一齿条、第二齿条、第三齿条分别与第一发电机输出轴上的齿轮、第二发电机输出轴上的齿轮、第三发电机输出轴上的齿轮啮合。
所述第四发电机安装在上接板上，第四发电机输出轴上的齿轮与环形齿条啮合。
当海流流过圆柱阻流体时，会在圆柱阻流体两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，这个横向力会使得本装置的第一转动体、第二转动体、第三转动体绕连接轴发生顺时针或逆时针转动，从而带动第一齿条与第一发电机上的齿轮啮合传动，第二齿条与第二发电机上的齿轮啮合传动，第三齿条与第三发电机上的齿轮啮合传动，进而实现第一发电机、第二发电机、第三发电机发电。
本发明有益效果：
1.在海流流过阻流体形成卡门涡街脱涡的过程中，本发明在脱涡形成区域设置三级脱涡能量回收装置，起到对脱涡能量逐级回收的目的，实现了在脱涡强度显著削弱之前对脱涡能量的充分利用，提高了对海流能的回收效率。
2.本装置在受到脱涡作用时会绕圆柱阻流体发生来回摆动，于是在上接板处设置第四发电机将装置摆动过程中蕴含的机械能进行回收，并转化为电能，实现了对脱涡能量的进一步回收。
3.本发明装置结构简单，几乎不必花费大量的精力用以维护保养，且本发明易于实现，有非常高的推广价值。
附图说明
图1本发明装置示意图；
图2本发明圆柱阻流体示意图；
图3本发明上接板与下接板的连接示意图；
图4本发明轴封安装位置示意图；
图5本发明第一转动体结构示意图；
图6本发明第一转动体、第二转动体、第三转动体的截面尺寸示意图；
图7本发明第一转动体、第二转动体、第三转动体的安装方式示意图；
图8本发明第四发电机的安装位置示意图；
图9当海流流过阻流体形成卡门涡街交替脱涡的示意图；
图10本发明的转动体在脱涡作用下的示意图；
图11本发明限位器限制第一转动体转动的示意图；
图12本发明上、下接板绕圆柱阻流体转动的示意图；
图13本发明安装在大桥桥墩的示意图；
图14本发明安装在固定式海洋平台立柱上的示意图；
附图中：1.圆柱阻流体；2.环形齿条；3.上部转环；4.下部转环；5.上接板；6.下接板；7.限位器；8.尾流板；9.第一转动体；10.第二转动体；11.第三转动体；12.第一齿条；13.第二齿条；14.第三齿条；15.第一发电机；16.第二发电机；17.第三发电机；18.辅助发电机；19.轴封。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，如图1所示，该装置包括：圆柱阻流体1、环形齿条2、上部转环3、下部转环4、上接板5、下接板6、限位器7、尾流板8、第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11、第一齿条12、第二齿条13、第三齿条14、第一发电机15、第二发电机16、第三发电机17和第四发电机18。
所述圆柱阻流体1如图2所示，在圆柱阻流体1沿圆周方向固定环形齿条2，在环形齿条2下方沿圆柱阻流体1圆周方向开设两个环形凹槽，环形凹槽的宽度与上部转环3、下部转环4的宽度相等；所述上部转环3和下部转环4相同，均为圆环结构，上部转环3、下部转环4的直径与圆柱阻流体1的环形凹槽直径相等。上部转环3、下部转环4在安装时分别与圆柱阻流体1的两个环形凹槽配合，使上部转环3、下部转环4只具备绕圆柱阻流体1轴线转动的自由度。所述圆柱阻流体1既可以是独立的一根圆柱体，也可以是在海洋中固定的物体，如大桥的桥墩、海洋平台的支柱等。将圆柱阻流体1竖直安装在海底中，当有海流流过的时候，海流会在圆柱阻流体1后方两侧产生交替作用的脱涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力作用。
如图3所示，所述上接板5与上部转环3刚性焊接，在上接板5上预设三个通孔；所述下接板6与下部转环4刚性焊接；在上接板5与下接板6之间通过三根连接轴连接；在每根连接轴旁边分别设置一个限位器7；将尾流板8设置在上、下接板之间，并固定在上、下接板末端位置，尾流板8用于捕获海流方向，当海流方向与尾流板8有夹角时，就会推动尾流板8带动装置发生转动，使尾流板8平行于海流方向。
所述第一发电机15、第二发电机16、第三发电机17分别安装在上接板5上，三个发电机的输出轴分别通过上接板上的三个通孔，在每个发电机输出轴靠近通孔位置均设有轴封19，图4仅展示第一发电机15上的轴封19，在每个发电机输出轴上均安装齿轮。
如图5和图6所示，所述第一转动体9、第二转动体10和第三转动体11的高度均为h，每个转动体均采用密度和海水相同的轻质材料制成，在每个转动体上均设置通孔。所述第一转动体9的结构是在一个圆柱体上切出圆心角为β的扇形体，后在半径R与弧长L相交处开设出半径为a的圆角；所述第二转动体10的截面面积是第一转动体9截面面积的1.2倍；所述第三转动体11的截面面积是第二转动体10截面面积的1.2倍。
如图7所示，所述第一齿条12、第二齿条13、第三齿条14分别固定在第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11上，将第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11上的通孔分别通过上接板5与下接板6之间的三根连接轴上；第一齿条12与第一发电机15输出轴上的齿轮啮合，第二齿条13与第二发电机16输出轴上的齿轮啮合，第三齿条14与第三发电机17输出轴上的齿轮啮合。
如图8所示，所述第四发电机18安装在上接板5上，第四发电机18输出轴上的齿轮与环形齿条2啮合。
如图9所示，当海流流过圆柱阻流体1时，会在圆柱阻流体1两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，这个横向力会使得本装置的第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11绕连接轴发生顺时针或逆时针转动，从而带动第一齿条12与第一发电机15上的齿轮啮合传动，第二齿条13与第二发电机16上的齿轮啮合传动，第三齿条14与第三发电机17上的齿轮啮合传动，进而实现第一发电机15、第二发电机16、第三发电机17发电。
据流体模拟实验可知，卡门涡街效应产生脱涡的大小、长度与海流流速有关，由于海流流速具有不确定性，这就导致卡门涡街每次产生的脱涡大小、长度都不相同，不同流速下的脱涡使第一转动体10、第二转动体11、第三转动体12的转向具有不确定性，图10为其中一种工况，该图中虚线部分即为转动体在脱涡作用下所处位置的示意图，该图中第一转动体10发生顺时针转动，第二转动体11发生逆时针转动，第三转动体12发生顺时针转动。
所述限位器7安装在下接板6上，限位器7共有三个，分别设置在靠近第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11特定的位置，该特定位置是指：假设转动体在转动过程中，转动体上的齿条最后一个齿恰好与齿轮处于啮合状态，此时转动体因限位器7的存在将无法继续转动，这个位置就是限位器7的特定位置。限位器7用于限制各个转动体的转动程度，这是为了防止转动体转动程度过大，从而使得转动体上齿条与发电机输出轴上齿轮发生空啮合(齿轮、齿条不接触啮合传动)，进而导致装置不发电。另外，若没有限位器7，当第一转动体9转动程度过大时，第一转动体9会对卡门涡街效应形成的脱涡造成过多的消减，从而导致脱涡对第二转动体10、第三转动体11的横向力作用降低，造成装置的整体发电效果变差。图11介绍了第一转动体9在限位器7的限制下转动到极限位置示意图。
当本装置受到圆柱阻流体1两侧交替脱涡作用时，由于第一转动体9、第二转动体10、第三转动体11各自受到的脱涡大小、长度均不相同，故各个转动体的转向也具有不确定性，在脱涡的作用下，各个转动体均对装置整体产生一个绕圆柱阻流体1转动的力，在各个转动体复合力矩的作用下，使得本装置绕圆柱阻流体1的轴线发生转动，由于作用在转动体上的脱涡是交替产生的，所以装置会产生如图12所示的一定程度的来回摆动，基于此，本装置在上接板5上安装第四发电机18，通过第四发电机输出轴的齿轮与环形齿条2进行啮合，当装置来回摆动时会带动第四发电机18来回摆动，从而使得第四发电机18上齿轮与环形齿条2啮合传动，最终实现第四发电机18发电。
本装置可以安装在如图13所示的大桥桥墩处，产生的电力可以直接供给桥上路灯，也可以将电力传输给蓄电池储存起来，定期回收；装置也可以安装在如图14所示的固定式海洋平台立柱上，产生的电力可以传输给平台上的用电设备等。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：该装置包括圆柱阻流体(1)、环形齿条(2)、上部转环(3)、下部转环(4)、上接板(5)、下接板(6)、限位器(7)、尾流板(8)、第一转动体(9)、第二转动体(10)、第三转动体(11)、第一齿条(12)、第二齿条(13)、第三齿条(14)、第一发电机(15)、第二发电机(16)、第三发电机(17)、第四发电机(18)和轴封(19)，
所述圆柱阻流体(1)沿圆周方向预设两个环形凹槽，所述上部转环(3)和下部转环(4)相同，分别与圆柱阻流体(1)上的两个环形凹槽转动配合，
所述上接板(5)与上部转环(3)刚性焊接，在上接板(5)上预设三个通孔，所述下接板(6)与下部转环(4)刚性焊接，在上接板(5)与下接板(6)之间通过三根连接轴连接，
所述第一转动体(9)、第二转动体(10)、第三转动体(11)分别与上接板(5)与下接板(6)之间的三根连接轴转动配合，
所述第一发电机(15)、第二发电机(16)、第三发电机(17)分别安装在上接板(5)上，其输出轴分别通过上接板(5)上的三个通孔，其输出轴末端分别安装齿轮，
所述第一齿条(12)、第二齿条(13)、第三齿条(14)分别固定在第一转动体(9)、第二转动体(10)、第三转动体(11)上；第一齿条(12)与第一发电机(15)输出轴上的齿轮啮合，第二齿条(13)与第二发电机(16)输出轴上的齿轮啮合，第三齿条(14)与第三发电机(17)输出轴上的齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：所述尾流板(8)设置在上接板(5)与下连板(6)之间，并固定在上接板(5)与下接板(6)的末端位置。
3.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：所述第一转动体(9)的结构是在一个圆柱体上切出圆心角为β的扇形体，后在半径R与弧长L相交处开设出半径为a的圆角；所述第二转动体(10)的截面面积是第一转动体(9)截面面积的1.2倍；所述第三转动体(11)的截面面积是第二转动体(10)截面面积的1.2倍。
4.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：所述第一转动体(9)、第二转动体(10)和第三转动体(11)的高度均为h，每个转动体均采用密度和海水相同的轻质材料制成，在每个转动体上均设置通孔。
5.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：所述圆柱阻流体(1)沿圆周方向固定环形齿条(2)，在环形齿条(2)下方沿圆柱阻流体(1)圆周方向预设两个环形凹槽，环形凹槽的宽度与上部转环(3)、下部转环(4)的宽度相等。
6.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：所述第四发电机(18)安装在上接板上，第四发电机(18)通过输出轴的齿轮与环形齿条(2)啮合。
7.根据权利要求1所述的一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，其特征在于：在第一发电机(15)、第二发电机(16)、第三发电机(17)的输出轴在靠近上接板(5)的位置均设有轴封(19)。
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