CN113983040A

CN113983040A - 海水运动变速器

Info

Publication number: CN113983040A
Application number: CN202110893754.4A
Authority: CN
Inventors: 石运达; 张大禹; 石凌哲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-01-28

Abstract

本发明公开了一种海水运动变速器，它是海洋能开发利用装置。现在的海洋能利用设备，结构复杂，形式多样而不统一，造价高，效率低。本发明首先把波动的海水利用单向活动叶片的组合体，整流为定向的旋转的海水运动，然后再通过相对静止的阿基米德螺旋，把大质量的低速的海水运动，转变为小质量的高速运动，这将大大提高海洋能的转换效率，为海洋能的开发提供了必要条件。开发波浪能，可将设备固定在水平放置的浮箱上，开发潮流能和海流能，可将设备固定在竖直放置的浮筒上，浮箱和浮筒都装有气阀和水阀以调节潮汐引起水位的变化，开发能量资源的设备，螺旋采用左旋，使能量转换设备都在海面以上的空气中进行。开发深海的矿物资源，螺旋采用右旋，把高速水流用管道通往海底进行工作。

Description

海水运动变速器

技术领域

本发明涉及一种流体变速装置，特别涉及一种海水运动变速装置。

背景技术

在四大常规能源中，只有水力能是可再生能源。煤炭、石油、核能都是不可再生能源，并且对环境都有不良影响。大气污染、气候变暖、海平面上升与化石燃料的无节制消耗有直接关系。现在社会已意识到人类生产行程所带来自然后果的严重性，所以把注意力放在太阳能、风能和海洋能这些可再生能源的开发上。一望无际的海洋，占地球表面71％以上的面积，波浪翻滚，潮起潮落，说明海洋中蕴藏着巨大的能源。任何能源人们都想尽办法去开发利用，对于海洋中广大的海水运动，更引起了许多人的关注，人们千方百计地要把这种巨大的能量转化为有用形态。人们首先看到的是波浪一起一伏的上下运动就想用一平板接受海水的往复运动，然后再把往复运动转化为旋转运动加以利用。

波浪能是以动能和势能形态存在的海洋能之一，汹涌澎湃的海洋波浪蕴藏着极大的能量。在每平方千米的海面上运动着的海洋波浪大约蕴藏着30万KW的能量。

目前利用海洋波浪发电的方法大致有三种：

一是利用海洋波浪的上下运动所产生空气或水流，使气(水)轮机转动，从而带动发电机发电。

二是利用海洋波浪装置的前后摆动或转动产生空气流或水流，使气(水)轮机转动，从而带动发电机发电。

三是将低压大波浪变为小体积的高压水然后把水引入高位水池积蓄起来，使之形成一个水头，再来冲动水轮发电机发电。波浪发电的原理主要是利用波浪的位能差，往复力或浮力产生动力。

海洋能具有如下特点：蕴藏量大，能流的分布不均，密度低。这就是说要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。

潮汐波浪水位差小，较大潮差仅7～10m，较大波高仅3m；潮流海流速渡小。每米海岸线平均波功率最丰富的海域是50Kw，一般的有5～ 6KW，又如潮流能，最高流速为3m/s，在一个潮流周期的平均潮流功率达4.5KW/m²。

海洋能开发利用的制约因素：一是海洋能的特点决定了其开发的难度大，技术水平要求高。二是海洋能的开发由于技术不成熟，不同形式的海洋能，其转换技术原理和设备装置都不同。

钱伯章编《水力能与海洋能及地热能技术与应用》科学出版社。

波浪能转换装置的基本方式：

a)点头鸭式，b)波面筏式，c)环礁式，d)整流器式，e)海蚌式，f) 软袋式，g)振荡水柱式，h)收缩水道式。

实际运用中，挪威人利用人造的大刺叭口，让入射波在地形的影响下，提高入射波的高度，形成一股强大的波流涌入一个高位水库，把海水蓄存起来，利用水库的海水与外海形成的落差发电。

波浪能转换有三种传动方式：机械传动，空气传动和液压传动。其目的是将低速、低压的波浪能变成高速、高压便于利用的机械能。

液压传动是以液体作中间介质，将波浪能转换成高压能，驱动液压马达带动发电机发电。优点是由管道输送能量可近可远，系统布置灵活，而且可以用常规的方法控制液体输出的流量和压力，使波动的能源变成较稳定的输出。又因为液压传动效率比机械传动和空气透平的能量传动效率高，也是波浪能转换装置喜欢采用的方式之一。点头鸭式、筏式、摆板式和浮子式波浪能转换装量都采用了液压传动方式。

目前，波浪能利用技术尚不成熟。

《新能源和可再生能源的利用》主编吴治坚、副主编叶枝全、沈辉，机械工业出版社。

海洋式是漂浮在海面上的浮标式，它利用波浪起伏产生气流冲击涡轮机发电。

海岸式波浪发电装置的涡轮发电机组安装在岸上，利用波浪力压缩空气以强的气动力推动涡轮机工作。

潮流海流的能量与流速的三次方成正比。波浪能量是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。波浪的能量与波高的平方和波动水域面积成正比。

海洋能开发技术其关键技术是能量转换技术，不同形式的海洋能其转换技术原理和设备装置都不同。

越浪式波浪发电是利用海岸地形或特殊装置将入射波浪集于波道，波浪越过波道后进入蓄水池，将波浪动能转换为水体势能，蓄水池内的水体沿出流管道返回大海时带动低水头轴流式涡轮发电机组实现发电，先将势能转化为动能再转化为电能，越浪式波浪发电装置将较不稳定的入射波浪能转换为蓄水池内水体的位能，再转换为较为稳定的水体动能，波浪能量转换效率较高，装置活动部件较少，整体稳定性较高，可靠性好，适应各种极端海况的能力较强。

越浪式波浪能量转换装置可分为固定式和漂浮式。固定式通常固定于沿岸近岸水域，易于安装和维护，不需要在深水区进行锚固和铺设长距离的海底电缆设备；缺点是由于固定位置的限制，与深水区相比其波浪能量利用率较低，同时还会受到岸线、地形、潮差及海岸保护等多方面因素的制约。漂浮式漂浮于海面并通过锚固系统加以固定，可在波浪能资源丰富的深水区作业，波浪能量利用率高，且受潮差影响小，机动灵活。

周跃保编着《海洋波浪利用-发电原理与装置》

在可再生能源中，只有江河的水能用筑水坝的方式积蓄势能而成为可控的常规能源，在海洋能中，只有潮汐能可用筑水坝的方法开发，而波浪能潮流能和海流能都很难用筑水坝的方法开发。用筑坝方法开发波浪能，只能得到3.5米高的水头。波浪能主要利用它的往复运动，由于波浪运动缓慢，设备面积有限使它的功率小效率低。潮流能的开发主要是利用潮流水车，它和风车的结构很相似，它的缺点也和风车一样，不能密集开发，开发系数低、效率低。海流能采用花环式水轮机开发，结构很简单，但效率却很低。效率就是生命，效率低寿命就不会长，在经济竞争中就会被淘汰。但是每一件发明，都是人类劳动的结晶，都有其合理的成分或未来的要素。越浪式波浪能利用装置，利用宽大的波道把波浪收缩在较小波道上，加速越过堤坝，将波浪的动能转化为势能，再按常规方法加以利用。从这种利用方式得到启发，首先要把紊乱的海水运动转化为定向的旋转运动，然后再根据旋转运动规律进行变速加以利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便的设备，能综合开发波浪能潮流能和海流能，为开发海洋物质资源提供必要的动力资源。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是取一根外径为a，长为b≥10a的不锈钢管或玻璃钢管，在管的外围安装或焊接外径为 C＝3a，螺矩ρ＝a的阿基米德螺旋板在其外围再焊接8根角钢将螺旋板 8等分，在螺旋板外围安装导向板，导向板一边焊接在角钢直立边缘上，另一端向内倾斜，靠近螺旋板，与前面的角钢直立边形成一缝隙，组成渐缩喷管，螺旋每旋进一个螺矩，就有8个渐缩喷管，导向渐缩喷管两端焊接在环形板上，将环形板纵横划分为4个象限，靠近环形板边缘钻两排孔，靠内的一排孔安装活动导向叶片，叶片用塑料板制造，叶片的宽度大于两叶片转轴的距离，其内安装两个阻挡环，叶片只能向内摆动不能向外摆动，在环形板靠外的一排孔安装支撑板，在 1象限支撑板向上安装，两支撑板中间安装导向叶片，叶片宽度大于叶片轴距离，只能向一边摆动，左侧的叶片向右摆动，右侧的叶片向左摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造，在第2象限支撑板向左安装，两边的导向叶片上侧的向下摆动，叶片由比重小于1的塑料板制造，下侧的叶片向上摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造，在第 3象限支撑板向下安装，两边的导向叶片左侧的向右摆动，右侧的向左摆动，叶片由比重小于1的塑料板制造，在第4象限，支撑板向右安装，两边的导向叶片上侧的向下摆动，叶片由比重小于1的塑料板制造，下侧的向上摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造，来自任何方向的海水运动，经导向叶片改变方向向中心会聚，产生同一方向的旋转运动，利用波浪能的设备要把它安装在框架内，框架由两个长方体与连接钢管组成，在长方体的正中间留一直径为a圆孔，四边用钢管紧固，长方体的高等于环形板的外径，长等于左右两支撑板两端的距离，在中间向上和向下都安装立柱加固支撑板，箱体宽度根据需要决定，在箱体上端安装气阀，下端安装水阀，用来调节在海水中的深度以适应潮差的变化，在箱体的下部安装支撑架，其高度等于或大于向下导向支撑板高度，在箱体中间的高速海水导出管安装流量控制阀和分流阀，潮流能与海流能利用装置与波浪能利用装置在结构上相似，波浪能利用装置水平安装，潮流能与海流能利用装置竖直安装，两侧安装两头尖中间大的浮筒，上端安装气阀，下端安装进水阀和排水阀，两浮筒上端用玻璃钢板连接，下端用钢板连接，上部浮出水面，全部能量转换都在水面上方的空气中进行，螺旋采用左旋上升旋进，如果海底需要动力，螺旋采用右旋下降旋进。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于本发明的思想基础是辩证唯物论而不是唯能论，物质具有能动性，静止的物体不仅可以改变流体运动的方向，也可以改变流体运动的速度，而这主要是物体结构的作用。改变运动方向的是活动叶片的作用，叶片一边可动，另一边不动，可动边只向一个方向有限制的摆动，不能反向摆动，将两组叶片相结合，就能把波动的海水改变为定向的运动。如果叶片以圆周排列，叶片只能向内摆动，不能向外摆动，从任何方向来的海水运动，都将变为海水的定向旋转运动。用板状体组成进口大出口小的喷管可以使海水运动加速，再用静止的阿基米德螺旋将许多经过喷管加速的旋转海水集中起来，量变引起质量，这样就可以把大质量的紊乱的低速的能量密度低的波浪运动转化为小质量的定向的高速的能量密度高的海水运动。它不仅可以开发变化的波浪能，也可以开发双向的潮流能和单向的海流能，使开发海洋能的多样性达到了统一。海洋能开发多样性的统一，就是用一种结构的海洋能设备可以开发波浪能、潮流能和海流能，这样就能节约社会资源，集中精力解决所面临的能源问题。海洋能统一利用方式，就是将不同方向运动的海水都转变为同一方向的旋转运动，然后再用静止的阿基米德螺旋加速成管道中的高速水流，再用阀门控制流量和流速加以利用。这和水能的利用方式很相似，水能是利用静止的堤坝积蓄水的势能，然后再以势能转化为管道中高速水流再用阀门控制流量和流速加以利用。这样海洋能和水能的开发就有了共同的基础，达到了对立的统一，对立面的统一是发展的动力。我国是世界上水电开发第一大国，有雄厚的水轮机和阀门制造

附图说明

图1，原理结构图，1.钢管，外径为a，长为b≥10a，2.在管的外壁上焊接的螺旋外径C＝3a，螺矩ρ＝a，3.出水口

图2，螺旋板画法，螺旋内径a，外径c＝3a，螺矩ρ＝a，则螺旋板内径

外径

图3，原始海水运动变速器，1.钢管，2.螺旋板，3.导向角钢，4. 固定导向板，5.活动异向板，6.导向限制杆，7.圆环叶片托盘，8.托盘连接孔。

图4，托盘延长板，1.延长板，2.活动导向叶片，3.连接钢管，4.托盘连接孔。水流方何如箭头所示，推动左边叶片张开30°～45°的角度，水流改变方向垂直向下流动，右边的叶片全部关闭当水流方向如虚箭头所示，右边叶片张开30°～45°的角度，水流改变方向，垂真向下流动，左边的叶片全部关闭，它的作用是将波动的水流改变为定向的水流，就像整流器一样，把交流电变为直流电。

图5，原始结构加等长托盘延长板，深海波浪运动是水质点圆周运动的集合，在原始结构的圆环叶片托盘上用螺栓安装4个等长的托盘延长板，安装导向叶片，波浪从任何方向冲击，都能在螺旋体内形成叠加的高速运动

图6，原始结构加不等长托盘延长板，浅海波浪运动是水质点椭圆运动的集合，在原始结构的圆环叶片托盘上用螺栓安装2长2短的托盘延长板，可以把海水表面的紊乱运动转化为定向的旋转运动，深层的潮流和和海流运动，也可以采用这种结构，以竖直安装方式把缓慢的海水运动转化为高速的小质量的旋转运动。

图7，波浪变速对称结构示意图，上图为左视图，下图为主视图，深海波浪运动是水质点的圆周运动，在原始结构加4个等长的托盘延长板，固定在用4根钢管连接的两个箱体间，箱体锚固并安装气阀和水阀，以调节潮汐引起的水位变化。

图8，波浪变速不对称结构示意图。上图为左视图，下图为主视图，浅海波浪运动水质点沿椭圆运动，在原始结构加2长2短延长板固定在用4根钢管连接的两个箱体间，箱体锚固并安装气阀和水阀，用以调世潮汐引起的水位变化。

图9，潮流、海流变速器示意图，在原始结构上加2长2短延长板，固定在用4根钢管竖直箱体上，箱体两头尖，中间宽，可以减小阻力的冲击，1.原始结构，2.第1延长板，3.第2延长板，4.第3延长板，5.第4延长板，6.竖直箱体，7.连接钢管。

图10，潮流、海流变速器主视图，由于潮流是双向的海水往复运动，海流是由定向风或密度差引起的单向海水运动，比波浪运动简单。利用波浪能开发没备，也能开发潮流能和海流能。它们的差别在于波浪是海水的表面运动，潮流和海流是海水的深层运动。将波浪能利用设备立起来，竖直安装，用钢管连接竖直的两浮筒，上面用玻璃钢板连接，下面用钢板连接，浮筒上端安装气阀，下端安装水阀，气阀与水阀是用来调节水位的变化。变速器如果用来开发能源，螺旋采用左旋，使水流向上喷涌，能量转换设备都在空气中，变速器如果用来开发海底矿物资源，螺旋采用右旋，使水流向下产生高速水流。1.浮筒， 2.玻璃钢板，3.第2延长板，4.第3延长板，5.第4延长板，6.气阀，7. 水阀，8.钢板，9.导出水管，10.水轮发电机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：如附图1-3所示，在圆环板外边缘，安装活动叶片，叶片的宽度大于两叶片轴间距，使其只能向内摆动，而不能向外摆动，这样海水从任何方向都能进入圆环内，但不能出去，只能在环内旋转。在圆环中间安装一圆管，在圆管外围安装阿基米德螺旋，在螺旋体边缘安装导向板，导向板一端向内倾斜，彼此形成渐缩喷管。开发波浪能时，将海水运动变速水平锚固于海面附近，波浪是上下左右的摆动，无论哪个方向来的海水运动，都能进入圆柱体内产生同一方向的旋转运动，旋转的海水向中心旋进，到达螺旋体附近，经导向喷管的缝隙挤进螺旋体内，仍保持原运动方向，由于螺旋的旋转叠加作用，就把大质量的低速运动转变为小质量的高速运动。它与可控硅整流器一样，可以通过串联和并联达到所需要的流速和流量的目的。在有潮流和海流的海域，可将海水运动变速器竖直锚固，同样可以把缓慢的海水运动转变为小质量的高速运动，再通过阀门控制水轮机的转速和功率，用它可带动同步发电机或直流发电机发电。这样波浪能、潮流能、海流能、潮汐能和江河的水能一样，达到多样性的统一成为常规能源。

Claims

1.一种海水运动变速器，海水整流装置能够把波动的海水改变为定向的海水运动，定向的海水运动是变速的基础，其特征为：取一根外径为a，长为b≥10a的不锈钢管或玻璃钢管，在管的外围安装或焊接外径c＝3a，螺矩ρ＝a的阿基米德螺旋板，在其外围再焊接8根角钢将螺旋板8等分，在螺旋板外围安装导向板，导向板一边焊接在角钢直立边缘上，另一端向内倾斜，靠近螺旋板，与前面的角钢直立边形成一缝隙，组成渐缩喷管，螺旋每旋进一个螺矩，就有8个渐缩喷管，导向渐缩喷管两端焊接在环形板上，将环形板纵横划分为4个象限，靠近环形板边缘钻两排孔，靠内的一排孔安装活动导向叶片，叶片用塑料制造，叶片的宽度大于两叶片转轴的距离，其内安装两个阻挡环，叶片只能向内摆动不能向外摆动，在环形板靠外的一排孔安装支撑板，在1象限支撑板向上安装，两支撑板中间安装导向叶片，叶片宽度大于叶片轴距离，只能向一边摆动，左侧的叶片向右摆动，右侧的叶片向左摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造；在第2象限支撑板向左安装，两边的导向叶片上侧的向下摆动、叶片由比重小于1的塑料板制造，下侧的叶片向上摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造；在第3象限支撑板向下安装，两边的导向叶片左侧的向右摆动，右侧的向左摆动，叶片由比重小于1的塑料板制造；在第4象限，支撑板向右安装，两边的导向叶片上侧的向下摆动，叶片由比重小于1的塑料板制造，下侧的向上摆动，叶片由比重大于1的塑料板制造；来自任何方向的海水运动，经导向叶片改变方向，向中心会聚，产生同一方向的旋转运动，利用波浪能的设备要把它安装在框架内，框架由两个长方体与连接钢管组成，在长方体的正中留一直径为a的圆孔，四边用钢管紧固，长方体的高等于环形板的外径，长等于左右两支撑板两端的距离，在中间向上和向下都安装立柱加固支撑板，箱体宽度根据需要决定，在箱体上端安装气阀，用以调节在海水中的深度以适应潮差的变化，在箱体的下部安装支撑架，其高度等于或大于向下导向支撑板的高度，在箱体中间的高速海水导出管安装流量控制阀和分流阀；潮流能与海流能利用装置与波浪能利用装置在结构上相似，波浪能利用装量水平安装，潮流能与海流能利用装置竖直安装，两侧安装两头尖中间大的浮筒，上端安装气阀，下端安装进水阀和排水阀，两浮筒上端用玻璃钢板连接，下端用钢板连接，上部浮出水面，全部能量转换都在水面上方的空气中进行，螺旋采用左旋上升旋进，如果海底需要动力，螺旋采用右旋下降旋进。