CN114087104A - 一种利用海流能的可变形水轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，当本装置受到海流冲击时，装置的第一叶片和第二叶片在海流冲击作用下发生变形，叶片向外扩张，进而增大了与水流的接触面积，从而为本装置提供有效的转矩作用；同时第三叶片和第四叶片在连动机构带动以及海流冲击的复合作用下发生变形，减少了沿水流冲击方向上的投影面积，进而显著减少了第三叶片和第四叶片对水轮机的阻转矩影响，四个叶片在合转矩的作用下发生旋转进而提高水轮机装置的能量转换效率，解决了传统萨沃纽斯水轮机的能量转化率较低的技术难题。

Description

一种利用海流能的可变形水轮机发电装置

技术领域

本发明属于海洋可再生能源开发与利用技术领域，具体涉及一种利用海流能的可变形水轮机发电装置。

背景技术

水轮机是将水流冲击的能量转换为旋转机械能的动力机械，是水力发电行业必不可少的组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排、减少环境污染的重要设备。水轮机根据结构形式主要分为：水平轴式、垂直轴式以及振荡水翼。其中垂直轴水轮机具有不区分流向捕能、叶片结构简单、成本低、易加工、工作转速较低等优点，因此，垂直轴水轮机的发展潜力巨大。

萨沃纽斯水轮机作为垂直轴水轮机的一种，其通常由两个相同半圆筒形叶片构成，且两枚半圆筒形的叶片在安装时呈现出S型，所以萨沃纽斯水轮机也被称为S型水轮机，这种水轮机叶片的设计方式能产生很大的转矩，能以较低流速的海流启动，而且不受水流方向限制，故经常用于水力或风力发电等。

但是传统萨沃纽斯水轮机一直存在一个明显的弊端，即能量的转化率比较低，即使在近海面流速为1m/s的水流条件下该水轮机最大转化率也不会超过25％，其主要原因是：当水流冲击萨沃纽斯水轮机时，萨沃纽斯水轮机的两个叶片中有一个叶片是凹面侧对着水流方向，另一个叶片是凸面侧对着水流方向，这就导致凹面侧叶片给水轮机产生有效转矩，凸面侧叶片给水轮机产生阻转矩，两个叶片的合转矩的作用下发生旋转，进而带动发电机发电，由此可见，凸面侧叶片产生的阻转矩作用导致萨沃纽斯水轮机的能量转化率降低。因此，若是凸面侧叶片能够在水流冲击时自动减小沿水流方向上的投影面积，那么将会有效减少叶片对水轮机产生的阻转矩影响。

基于此，提出一种在海流冲击下叶片能够自动变形的水轮机发电装置，当本装置受到海流冲击时，本装置的叶片能够自动变形从而减少凸面侧的阻转矩，进而提高本装置的能量转换效率，所以本装置有非常高的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，当本水轮机装置受到海流冲击时，水轮机的凹面侧叶片在海流冲击作用下发生变形，凹面侧叶片与水流的接触面积增大，进而给水轮机提供转矩作用；同时凸面侧叶片在连动机构带动以及海流冲击的复合作用下发生变形，减少了沿水流冲击方向上的投影面积，进而显著减少了凸面侧叶片对水轮机产生的阻转矩影响，凹面侧叶片和凸面侧叶片在合转矩的作用下发生旋转进而提高水轮机装置的能量转换效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“凹面侧叶片”指的是可以使水轮机产生有效转矩的叶片；术语“凸面侧叶片”指的是可以使水轮机产生阻转矩的叶片一侧。

本发明装置包括：上底座、下底座、固定轴、第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片、A横架、B横架、连接架、第一圆柱、第二圆柱、第三圆柱、第四圆柱、第一滑块、第二滑块、第一弧形轨道、第二弧形轨道、第三弧形轨道、第四弧形轨道、第一直线轨道、第二直线轨道、固定座、外齿轮、发电机、齿轮和转轴。

所述上底座与下底座均是具有一定厚度的圆柱体结构，上底座和下底座的直径相等且同轴心布置，在上底座和下底座之间通过两根固定轴进行固定。

所述第一叶片、第二叶片、第三叶片、第四叶片相同，以第一叶片为例，第一叶片的截面形状为弧形，叶片的弧长为L，L通常取值在0.4m-0.6m之间；叶片对应的圆心角为β，β通常取值在60°-80°之间；叶片厚度为t，t通常取值在15mm-30mm之间。

所述第一叶片、第二叶片通过卷圆结构与上述其中一根固定轴转动配合，所述第三叶片、第四叶片通过卷圆结构与另一根固定轴转动配合。叶片的高度略短于固定轴高度，在第一叶片上设有第一弧形轨道，在第二叶片上设有第二弧形轨道，在第三叶片上设有第三弧形轨道、第四叶片上设有第四弧形轨道。所述第一弧形轨道、第二弧形轨道、第三弧形轨道、第四弧形轨道相同。

所述A横架底面的两端分别固定连接第一圆柱和第二圆柱，所述B横架底面的两端分别固定连接第三圆柱和第四圆柱，所述第一圆柱、第二圆柱、第三圆柱、第四圆柱相同。所述连接架刚性连接于A横架和B横架的中间位置，使A横架与B横架成为一体结构，所述第一滑块在A横架中间位置并固定在连接架的一端，所述第二滑块在B横架中间位置并固定在连接架的另一端。

所述第一圆柱的直径和高度分别等于第一弧形轨道的宽度和深度，第一圆柱与第一弧形轨道可以实现滑动配合，同理，所述第二圆柱与第二弧形轨道实现滑动配合，所述第三圆柱与第三弧形轨道实现滑动配合，所述第四圆柱与第四弧形轨道实现滑动配合。

所述第一直线轨道、第二直线轨道均设置在上底座上，所述第一滑块可以沿第一直线轨道移动，所述第二滑块可以沿第二直线轨道移动。

上述仅对单个水轮机装置进行描述，实际上，本发明是由相同的a装置、b装置和c装置依次叠加组成，a装置在最底部，b装置沿a装置的转动轴线转动60度后固定在a装置上，c装置沿b装置的转动轴线转动60度后固定在b装置上。

所述固定座固定在海流能丰富的场所区域。所述转轴固定在固定座上，在转轴中间部分固定支撑板，在支撑板上固定发电机，在发电机输出轴上安装齿轮；在a装置的下底座底面设置有圆形凸台，所述圆形凸台通过轴承与转轴转动配合，在圆形凸台上固定外齿轮；所述外齿轮与发电机输出轴上的齿轮满足啮合传动条件。

当a装置受到水流冲击时，假设第一叶片和第二叶片为凹面侧叶片，第三叶片和第四叶片为凸面侧叶片，则第一叶片、第二叶片在水流冲击作用下发生变形，进而带动第一滑块沿第一直线轨道移动，从而带动A横架上的第一圆柱、第二圆柱分别沿第一弧形轨道、第二弧形轨道上滑动，当第一滑块移动到极限位置时停止移动，此时，第一叶片、第二叶片增大了与水流的接触面积，进而为a装置提供较高的有效转矩作用；在第一叶片和第二叶片变形的同时，第三叶片和第四叶片在连动机构带动以及受水流冲击的复合作用下发生变形，进而减少沿水流冲击方向上的投影面积，从而减少第三叶片、第四叶片对水轮机产生的阻转矩影响，提高了a装置的能量转换效率。本发明的a装置、b装置、c装置转动过程中会带动外齿轮做同步转动，外齿轮与发电机输出轴上的齿轮啮合传动，进而实现发电机发电。

本发明有益效果：

1.本发明提出一种可变形水轮机发电装置，本水轮机装置在受到海流冲击时，水轮机中凸面侧叶片会发生变形，从而减少沿海流冲击方向上的投影面积，进而减少凸面侧叶片对水轮机产生的阻转矩影响，实际上增加了水轮机的有效转矩，提高了水轮机的能量转换效率，解决了传统萨沃纽斯水轮机的能量转化率比较低的技术难题。

2.本发明在水轮机的凹面侧叶片和凸面侧叶片之间采用一套连动机构，当海流冲击水轮机时，水轮机的叶片可以自动变形，结构巧妙，易于实现，便于推广。

附图说明

图1本发明上、下底座的连接示意图；

图2本发明叶片的规格尺寸示意图；

图3本发明第一、第二叶片与固定轴的转动配合示意图；

图4本发明连动机构的组成示意图；

图5本发明第一圆柱与第一弧形轨道滑动配合示意图；

图6本发明第一滑块在第一直线轨道上移动的示意图；

图7本发明第一、第二叶片处于外扩状态的示意图；

图8本发明第一、第二叶片处于内收状态的示意图；

图9本发明a装置、b装置和c装置的安装示意图；

图10本发明a装置、b装置和c装置在安装时各自的转动角度示意图；

图11本发明发电机安装位置示意图；

图12本发明a装置在转动180度过程中的模拟示意图；

图13本发明a装置处于死点位置时b装置和c装置的状态示意图；

附图中：1.上底座； 2.下底座； 3.固定轴； 4.第一叶片 5.第二叶片； 6.第三叶片； 7.第四叶片； 8.A横架； 9.B横架； 10.连接架； 11.第一圆柱； 12.第二圆柱； 13.第三圆柱 14.第四圆柱； 15.第一滑块； 16.第二滑块； 17.第一弧形轨道； 18.第二弧形轨道； 19.第三弧形轨道； 20.第四弧形轨道； 21.第一直线轨道； 22.第二直线轨道； 23.固定座； 24.外齿轮； 25.发电机； 26.齿轮； 27.转轴。

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。

如图1-图13所示的一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，该装置包括：上底座1、下底座2、固定轴3、第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6、第四叶片7、A横架8、B横架9、连接架10、第一圆柱11、第二圆柱12、第三圆柱13、第四圆柱14、第一滑块15、第二滑块16、第一弧形轨道17、第二弧形轨道18、第三弧形轨道19、第四弧形轨道20、第一直线轨道21、第二直线轨道22、固定座23、外齿轮24、发电机25、齿轮26和转轴27。

如图1所示，所述上底座1与下底座2均是具有一定厚度的圆柱体结构，上底座1和下底座2的直径相等且同轴心布置，在上底座1和下底座2之间通过两根固定轴3进行固定。

所述第一叶片4如图2所示的弧形叶片，叶片的弧长为L，L通常取值在0.4m-0.6m之间；叶片对应的圆心角为β，β通常取值在60°-80°之间；叶片厚度为t，t通常取值在15mm-30mm之间；所述第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6、第四叶片7相同。

如图3所示，所述第一叶片4、第二叶片5通过卷圆结构与其中一根固定轴3转动配合，同理第三叶片6、第四叶片7通过卷圆结构与另一根固定轴3转动配合。各叶片的高度略短于固定轴3高度，在第一叶片4上设有第一弧形轨道17，在第二叶片5上设有第二弧形轨道18，同理，在第三叶片6、第四叶片7的同样位置分别设有第三弧形轨道19、第四弧形轨道20，所述第一弧形轨道17、第二弧形轨道18、第三弧形轨道19、第四弧形轨道20相同。

如图4所示的连动机构示意图，所述A横架8底面的两端分别固定连接第一圆柱11和第二圆柱12，所述B横架9底面的两端分别固定连接第三圆柱13和第四圆柱14，所述第一圆柱11、第二圆柱12、第三圆柱13、第四圆柱14相同。所述连接架10刚性连接于A横架8和B横架9的中间位置，使A横架8与B横架9成为一体结构，所述第一滑块15在A横架8中间位置并固定在连接架10的一端，所述第二滑块16在B横架9中间位置并固定在连接架10的另一端。

如图5所示，所述第一圆柱11的直径和高度分别等于第一弧形轨道17的宽度和深度，第一圆柱11与第一弧形轨道17可以实现滑动配合；同理，所述第二圆柱12与第二弧形轨道18实现滑动配合，所述第三圆柱13与第三弧形轨道19实现滑动配合，所述第四圆柱14与第四弧形轨道20实现滑动配合。

如图6所示，所述第一直线轨道21和第二直线轨道22均设置在上底座1上，所述第一滑块15可以沿第一直线轨道21移动，所述第二滑块16可以沿第二直线轨道22移动。当第一滑块15在A位置时，装置的第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6、第四叶片7处于如图7所示的位置，此位置下，定义第一叶片4、第二叶片5为外扩状态，定义第三叶片6、第四叶片7为内收状态；当第一滑块15在B位置时，装置的第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6、第四叶片7处于如图8所示的位置，此位置下，定义第一叶片4、第二叶片5为内收状态，定义第三叶片6、第四叶片7为外扩状态；当第一滑块15处于A位置与B位置之间时，此时第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6和第四叶片7介于内收状态与外扩状态之间，定义此时叶片为变形阶段。

上述是仅对单个本发明装置的描述过程，实际上，本发明是由相同的a装置、b装置和c装置依次叠加组成，如图9和图10所示，a装置在最底部，b装置沿a装置的转动轴线转动60度后固定在a装置上，c装置沿b装置的转动轴线转动60度后固定在b装置上。这样设计目的是避免单个装置在转动时出现转动死点位置，从而保证整套装置有持续的转矩作用。

如图11所示，所述固定座23固定在海流能丰富的场所区域。所述转轴27固定在固定座23上，在转轴27中段部分固定支撑板，在支撑板上固定发电机25，在发电机25输出轴上安装齿轮26；在a装置的下底座2底面设置有圆形凸台，所述圆形凸台通过轴承与转轴27转动配合，在圆形凸台上固定外齿轮24；所述外齿轮24与发电机25输出轴上的齿轮26满足啮合传动条件。

图12是a装置在水流冲击下转动180度过程中的各阶段模拟示意图。由模拟示意图可知：当水流冲击a装置时，所述第一叶片4、第二叶片5在水流冲击作用下发生变形，进而带动第一滑块15沿第一直线轨道21移动，从而带动A横架8上的第一圆柱11、第二圆柱12分别沿第一弧形轨道17、第二弧形轨道18上滑动，当第一滑块15移动到A位置时停止移动，此时第一叶片4和第二叶片5进入外扩状态，从而增大了水流与第一叶片4和第二叶片5的接触面积，进而为a装置提供有效的转矩作用；在第一叶片4和第二叶片5变形的同时，第三叶片6和第四叶片7在连动机构带动以及受水流冲击的复合作用下进入内收状态，进而减少沿水流冲击方向上的投影面积，从而减少第三叶片6、第四叶片7对水轮机的阻转矩影响，提高了a装置的能量转换效率。下面对整个模拟的各阶段详细描述：

当a装置在1位置时为初始位置，转动角度为0度；当a装置从1位置到3位置，转动角度由0度转动到90度，在这个阶段中，第一叶片4和第二叶片5保持外扩状态进而增大了与水流的接触面积，给水轮机产生有效转矩，第三叶片6和第四叶片7保持内收状态进而减小沿水流方向的投影面积，从而减少阻转矩作用对水轮机的影响；当a装置在3位置时恰好转动了90度，此时装置为转动死点位置，a装置不转动，第一叶片4和第二叶片5依然保持外扩状态，第三叶片6和第四叶片7依然保持内收状态；当a装置从3位置到5位置，转动角度由90度转动到180度，此时第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6和第四叶片7处于变形阶段；当a装置在5位置时恰好转动了180度，此时第一叶片4和第二叶片5保持内收状态，第三叶片6和第四叶片7保持外扩状态。由此可见，a装置转动180度为一个循环周期，当转动角度超过180度时，又会出现第二次循环、第三次循环……第n次循环。

如图13所示，当a装置出现转动死点位置(转动90度)时，由于b装置是沿a装置的转动轴线转动60度后固定在a装置上，所以b装置在a装置出现死点位置时转动的角度为150度，此时b装置中的凹面侧叶片和凸面侧叶片处于变形阶段；同理，由于c装置是沿b装置的转动轴线转动60度后固定在b装置上，所以c装置在a装置出现死点位置时转动的角度为210度，这恰好为第二次循环周期中的30度位置，此时c装置中凹面侧叶片处于外扩状态，凸面侧叶片处于内收状态。同理，当b装置或c装置出现死点位置时，其它两组装置也会出现上述过程，这样就保证了整套装置在海流冲击时一直保持有持续转矩作用，从而大大提高了装置对海流能的回收效率。

当本发明受到水流冲击时，本发明的a装置、b装置、c装置转动过程中会带动外齿轮24做同步转动，外齿轮24与发电机25输出轴上的齿轮26啮合传动，进而实现发电机25发电。

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 (5)

1.一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，其特征在于：所述该装置包括上底座(1)、下底座(2)、固定轴(3)、第一叶片(4)、第二叶片(5)、第三叶片(6)、第四叶片(7)、A横架(8)、B横架(9)、连接架(10)、第一圆柱(11)、第二圆柱(12)、第三圆柱(13)、第四圆柱(14)、第一滑块(15)、第二滑块(16)、第一弧形轨道(17)、第二弧形轨道(18)、第三弧形轨道(19)、第四弧形轨道(20)、第一直线轨道(21)、第二直线轨道(22)、固定座(23)、外齿轮(24)、发电机(25)、齿轮(26)和转轴(27)，

所述上底座(1)与下底座(2)之间通过两根固定轴(3)进行固定，

所述第一叶片(4)、第二叶片(5)通过卷圆结构与其中一根固定轴(3)转动配合，所述第三叶片(6)、第四叶片(7)通过卷圆结构与另一根固定轴(3)转动配合，在第一叶片(4)上设有第一弧形轨道(17)，在第二叶片(5)上设有第二弧形轨道(18)，在第三叶片(6)上设有第三弧形轨道(19)，在第四叶片(7)上设有第四弧形轨道(20)，

所述A横架(8)底面的两端分别固定连接第一圆柱(11)和第二圆柱(12)，所述B横架(9)底面的两端分别固定连接第三圆柱(13)和第四圆柱(14)，所述连接架(10)刚性连接于A横架(8)和B横架(9)的中间位置，所述第一滑块(15)在A横架(8)中间位置并固定在连接架(10)的一端，所述第二滑块(16)在B横架(9)中间位置并固定在连接架(10)的另一端，

所述第一直线轨道(21)、第二直线轨道(22)均设置在上底座(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，其特征在于：所述第一圆柱(11)、第二圆柱(12)、第一圆柱(13)、第二圆柱(14)相同，所述第一弧形轨道(17)、第二弧形轨道(18)、第三弧形轨道(19)、第四弧形轨道(20)相同，所述第一圆柱(11)的直径和高度分别等于第一弧形轨道(17)的宽度和深度。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，其特征在于：所述第一圆柱(11)与第一弧形轨道(17)实现滑动配合，所述第二圆柱(12)与第二弧形轨道(18)实现滑动配合，所述第三圆柱(13)与第三弧形轨道(19)实现滑动配合，所述第四圆柱(14)与第四弧形轨道(20)实现滑动配合。

4.根据权利要求1所述的一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，其特征在于：所述转轴(27)固定在固定座(23)上，在转轴(27)中间位置固定支撑板，在支撑板上固定发电机(25)，在发电机(25)输出轴上安装齿轮(26)。

5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种利用海流能的可变形水轮机发电装置，其特征在于：在下底座(2)底面设置圆形凸台，所述圆形凸台通过轴承与转轴(27)转动配合，在圆形凸台上固定外齿轮(24)，所述外齿轮(24)与齿轮(26)啮合。

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