CN1605752A - 海洋能动力机及其换向器、储能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将海水运动产生的动力转换成机械能的机械和该机械上的专用换向器及配套的储能器。即在海洋中制作基础，基础上安装立柱，立柱上端联接平台，平台上安装换向器和流体压缩机；立柱外套装一条装有浮体的可在立柱外上下活动的套管，套管与机架联结，机架上安装叶轮，叶轮通过传动轮组合和传动花轴联接，传动花轴通过花心轮与换向器连接；换向器上的动力输出轴与流体压缩机联接，通过管道将经压缩的流体输送到储能器。所述换向器是两个方向相反的单向轮和齿轮组的组合，能够将传动花轴的两个不同转向变换成同一转向。储能器采用在高压状态下改变容器体积的方法来储存压缩流体，然后均匀地供其它机械工作。

Description

海洋能动力机及其换向器、储能器

所属技术领域

本发明涉及一种海洋能动力机，该动力机能将海洋运动产生的动力转换成机械能，带动其它机械工作。本发明还涉及该动力机上使用的换向器及其储能器的构造。

背景技术

目前，能源问题成为了影响人们生产生活和经济发展的主要因素，而使用燃烧性能源(如煤炭、石油、天然气)对大气环境的影响也越来越严重，水利能源的开发又受到地理因素与土地资料的限制，人们正在开发利用的核能资源亦存在基础设施成本高，及存在一定的安全隐患的弊端，寻求安全、经济、不污染环境的能源是人们的共同愿望。

海洋能是目前世界全正在研究开发的环保、卫生、安全的新能源，已有诸多试验性项目已投入运行，但尚无成熟的技术大力推广使用，中国专利说明书01225742、01132757、01119432和01264664、98120113、90101868均公开了利用海洋能的一些技术，但主要局限于采用海洋波浪起伏或水位升降产生的浮动力带动发电机工作，获得的电能很小和有间断的现象，或者结构复杂，能量利用率低。中国专利说明书02132478所公开的内容是利用潮汐能发电，需要占用土地、不利于环境保护、且基础建设成本高。

海水流动是海洋能的一种主要表现，产生的能量巨大，也是较均匀的，由于人们对海水流动的方向和水位变化较大的特性没有良好的解决办法，因而对于海水流动产生的能量一直未能很好地利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够最大程度地将海水流动产生的能量转换成机械能的机械装置；为此本发明还提供一种该机械装置上用于克服因海水流动方向不稳定而导致转向不一致的问题的换向器和用于解决能量间断问题的储能器。

为达到上述目的，本发明提供一种海洋能动力机，特别能解决海水流动的方向和潮位的变化性问题。即在海峡或近岸地区选择适当的位置的海底制作基础，基础低于最低海潮水位，基础上竖向安装立柱，立柱的上端安装一平台，用来安装换向器和流体压缩机或其它设备；立柱的外面套装一条内圆空径略大于立柱直径的活动套管，活动套管的下部安装浮体，用连梁将两条或两条以上立柱外的活动套管连接到一起构成一个可上下活动的机架，在机架上安装轴承座，然后安装由滚筒和叶片组成的叶轮；叶轮端头与传动轮组的主动轮联结，传动轮组的从动轮与传动花轴联接，传动花轴穿过平台再后穿过花心轮中心并可在其中上下活动，花心轮用卡座定位在平台上，花心轮与换向器联接，换向器与流体压缩机连接，流体压缩机通过管道与储能器连接。流体压缩机的工作介质可以是气体，也可是水或油等液体。

以上形式的海洋能动力机最适宜安装在陆地与岛屿或岛屿与岛屿之间海峡流较明显的地带。也可安装在海岸处或其它海洋区域。

平台上的换向器、工作机械等设备可以是一套，也可以在两端各安装一套，可根据实际需要确定。

第二种形式是在海洋底面的基础上安装一条独立的立柱，立柱外面安装一套管，套管上端安装一倒盘形双面齿轮，倒盘形双面齿轮与套管之间用轴承隔离并定位。套管下部安装一轴承座用来安装叶轮，叶轮分两段由一条轴连接起来分布在套管的两侧，在与叶轮连接的传动轮组的从动轮上引出一下短轴，下短轴上端安装一个内齿轮，与倒盘形双面齿轮的内齿面接触，从平台上的花心齿轮引出一花轴，穿过平台后在下端安装一外齿轮，与倒盘形齿轮的外齿面接触。下短轴通过内齿轮将动力传递到倒盘形双面齿轮内齿面，再传递到外齿轮和上花轴，最后通过花心轮将动力传递给换向器，换向器后的设备联接与第一方案同。该形式的海洋能动力机可以安装在海洋中任何海流方向变化较大的区域。

以上两种形式的海洋能动力机的适用范围较广，当海水流动时，带动叶轮转动，通过传动轮组、传动轴将动力传递到换向器(换向器的发明后面详述)，换向器将两个不同转动的方向变换成同一转向后，即可带动流体压缩机工作。当选用往复抽排式压缩机时，因其对转速适应范围大，换向器可以直接与压缩机联接带动压缩机工作。当采用离心式或轴流式压缩机时，或直接将发电机安装到平台上用于发电时，则中间需安装变速器改变速度，并在变速器上安装惯性飞轮进行动能调剂。

将若干条立柱呈阵列或纵列的方式布置在同一区域内，再将上面的平台联系到一块，构成一个大型海洋能动力机群，在平台上既可安装流体压缩机将能量输送到其它地方，也可以直接安装大型发电机，将电能输送到电力网络或工厂，或者在平台上建厂，让动力机直接带动机械工作。

另一种形式是在海岸上制作两排基础，基础上分别安装两条滑轨，滑轨延伸至最低潮水位以下，在滑轨上安装上、下卡轮组，再将两条滑轨上的上、下卡轮组联合起来组成一个机架，机架上安装浮体，当海潮位变化时，机架受浮力和海水的推力可以沿滑轨作纵向运动。在机架上安装叶轮和平台、机械设备，也具有相同的功能，且其安装和管理较方便，但受潮涨潮落的影响较明显，在潮位转换时有一个较长的间断时间，且不能实现多机组合工作。

当将上述海洋能动力机的叶轮的滚筒内部做成空心密封状，里面充装气体时，也可代替浮体的作用，不需另外安装浮体。或者在浮体或密封的滚筒上安装进排气管和进排水管，可以用来调节叶轮受浮的高度，必要时可以将叶轮沉到水下。

上述海洋能动力机上的叶轮的叶片可以加工呈水瓢状，两叶片之间用叶柄穿过滚筒直孔对称且反向连接，叶片端部有叶托，让叶柄与滚筒直孔之间有一定的间隙使叶柄可以在直孔内自由旋转，当海水推向瓢状叶片时，水瓢状叶自然会以瓢口方向迎接最大推力，产生最好的效果。

为了达到将叶轮获得的不同转向变换成同一转向，本发明提供一种换向器。它是由一条主动轴、一条从动轴和中间轴以及相应的单向轮和齿轮组成的，将两个单向轮按相反方向同心安装在主动轴上，其中一个单向轮直接与从动轴上的从动轮相接，另一个单向轮与从动轮之间增设一个中间轮，将单向轮的转向做二次变换，这样，就可以把两个不同的转向转换成同一个转向了。

为了解决因海潮最高位和最低位时海水流动出现转向变化或暂停而导致能量供应不均匀的问题，本发明同时提供一种配套的储能器。它是一个圆形桶状，中间由限位环隔开成上下两部分，限位环上部套入一个活塞，活塞与桶壁之间用密封环密封，活塞上部放置配重体，下部是流体压缩室，压缩室的两侧有压缩流体的进、出孔，流体进口用管道与供能压缩机械连通，出孔用管道与工作机械连通，进、出管道上安装用于维修和控制流体进出量的阀门，压缩室的下部有排空口并连接排空管，用于清洗和维修时使用。它改变了现有的流体压缩机单纯靠增加压力来储存流体能量的情况(如空气压缩机、水压机、油压机等机械上的压力罐)，本发明提供的储能器是在增加储存压力的同时，能够增大储存的体积，大大提高了压力储存设备的存储功能，也使输出的能量较均匀和持久。

本发明的最大优点是，不论海水以何种方向流动、处于何种水位，动力机上的叶轮就会受到推力而带动工作机械不停地、始终朝着一个方向转动，使海洋能转换成机械能。它利用海洋表面活动能量最大、最频繁海流，获得的能量大而稳定，也便于机械管理；因为它直接在海面上的平台上安装设备，所以占用土地少；特别是其经济、环保、卫生、安全的特性，是其它能源无法比拟的。

附图说明

图1是本发明第一个实施例双基双柱型海洋能动力机的侧立面外观示意图；

图2是图1的正面外观示意图；

图3是第二个实施例单基单柱型海洋能动力机的正立面视图和A-A部位的平、纵剖面示意图；

图4是第三个实施例岸边型海洋能动力机侧向外观示意图；

图5是本发明的动力机与储能器的联接关系示意图；

图6是第一、二个实施例中花心齿轮、花轴的构造位置关系示意图；

图7是水瓢状叶片的形状示意图；

图8是本发明中换向器的构成关系示意图；

图9是本发明中储能器的构成示意图。

附图标号：1.立柱基础，2.立柱，3.套管，4.连梁，5.轴承座，6.叶轮，601.叶轮滚筒，602.叶片，603.叶托，604.叶柄，605.滚筒直孔，7.传动轮组，8.花轴，801.花轴段，802.圆轴段，81.下短轴，82.上花轴，83.内齿轮，84.外齿轮，834.倒盘形双面齿轮，9.花心轮组合，901.花心轮，902.滚动轴承，903.花心轮座，10.换向器，101.换向器主动轴，102.动力输出轴(换向器从动轴)，103.中间轴，104.定向座，105.定向顶块，106.定向顶块销，107.复位弹簧，108.内齿圈，10a.单向轮正，10b.从动轮A，10c.单向轮反，10d.中间轮，10e.从动轮B，100.流体压缩机，11.平台，12.花轴支承，122.下短轴支承件，123.上花轴支承件，13.浮体，14.浮体支架，15.叶轮轴，16.上卡轮组，17.下卡轮组，18.传动带，19.滑轨，20.储能器，201.储能器壳，202.活塞，203.配重体，204.密封环，205.限位环，206.手动阀门，207.电动阀门，208.液体压缩室，209.排空管，210.排空管阀，211.流体输送管，212.终端输出管。

具体实施方案

在图1、图2为本发明的第一个实施例双基双柱型海洋能动力机示意图。在海洋中海水流向较明显的区域(如陆地与岛屿、岛屿与岛屿之间的海峡地带或江河入海口，但不影响排水泄洪的地方)选择合适的位置制作二个基础(1)，在基础上安装立柱(2)。立柱(2)的上端与平台(11)连接，平台(11)用于安装花心轮组合(9)、换向器(10)和流体压缩机(100)等设备；立柱(2)外分别套装一空心套管(3)，空心套管(3)的内圆面应略大于立柱(2)的外圆面，使套管(3)可以在立柱(2)外自由活动，用连梁将二条立柱(2)外的套管(3)连接起来成为一个机架(4)，机架(4)上套管(3)的下端部位安装轴承座(5)，轴承座(5)上安装叶轮(6)叶轮(6)的一端或两端连接传动轮组(7)，传动轮组(7)的主动轮与叶轮(6)连接在一起，传动轮组(7)的从动轮上联结一花轴(8)经花轴支承(12)、穿过平台(11)后再穿过花心轮组合(9)中的花心轮，花心轮组合(9)上的花心轮(901)与换向器(10)上的换向器主动轴(101)相接，换向器(10)上的换向器从动轴即为动力输出轴(102)与流体压缩机(100)联接，流体压缩机(100)经流体输送管(211)与储能器(20)连接，储能器(20)经输出管(211)将储存的介质送往终端机械做功。

套管(3)的外侧面的浮体支架(14)的下面安装浮体(13)，浮体(13)的中心应低于叶轮轴(15)的中心线位置，使海水面在正常情况下略低于叶轮轴(15)的下沿。机架(4)连同上面安装的叶轮(6)、传动齿轮组(7)随机架(4)下部的浮体(13)在海水的浮力作用下可以作升降活动。花轴(8)由穿过花心轮组合(9)并可在其中上下活动的花轴段(801)和下端与传动轮组(7)的从动轮联接的圆轴段(802)组成，花轴段(801)的长度为海潮最高位与最低位之差值。花心轮组合(9)由与平台联结的花心轮座(903)、滚动轴承(902)和花心轮(901)组成，花心轮(901)中的心孔与花轴段(801)的凸条数量相对应，并略大于其截面积，使花轴(901)可以在其中上下活动，而花心轮(901)因花心轮座(903)和滚动轴承(902)的卡位作用，只能在一个平面位置上做圆周运动。

叶轮(6)是获取海流能量的直接部位，由滚筒(601)和叶片(602)组成，由叶轮轴(15)安装在叶轮轴座(5)上，叶轮(6)可以制作成一整条贯穿于两立柱(2)中间，由一个传动轮组(7)将动力传递到换向器(10)，也可以分成两段置于两条立柱(2)的中间，两端各以一个传动轮组(7)将动力分别传递到各自联接的换向器(10)，叶片的数量根据叶轮滚筒(601)的大小确定，而叶轮滚筒(601)的大小根据功能需要确定，叶片(602)的宽度(入水深度)不宜过大，以3米左右为宜，太宽会接触到海水流动的多个层面，相互影响会降低效果，太窄获取的能量小。叶片(602)与滚筒(601)接近的部位应有若干个缺口，以便及时排走叶片向上转动时带上来的水，减少无功阻力。

图3为本发明的第二个实施例单基单柱型海洋能动力机的正立面视图(侧立面视图与第一实施例基本相同，已省略)。基础(1)可选择制作在海洋中的任何位置，基础上安装一条立柱(2)，立柱(2)外套装套管(3)，套管(3)下端安装浮体(13)，叶轮(6)分两段布置在套管(3)的两侧，用叶轮轴(15)贯通连接安装在轴承座(5)上。由于叶轮(6)受到海水不同方向的推力会带动套管(3)绕立柱(2)转动，其传动轮组(7)也会跟着转动，因而动力传递的花轴必须分为下短轴(81)、其上端安装内齿轮(83)，和上花轴(82)，下端安装外齿轮(84)；内齿轮(83)安装在倒盘形双面齿轮(834)的内侧与内齿圈接触，外齿轮(84)安装在倒盘形双面齿轮(834)的外侧与外齿圈接触，倒盘形双面齿轮(834)可以随套管(3)上下浮动，并带动上花轴(82)连同外齿轮(84)、上花轴支承件(123)一起上下活动，使倒盘形双面齿轮(834)的外齿圈始终与外齿轮(84)相接触，而倒盘形双面齿轮(834)是与内齿轮(83)一起转动的，所以，不论叶轮(6)和套管(3)及下短轴(81)转到任何方向，都可以通过倒盘形双面齿轮(834)将动力传递至换向器(10)。图中(122)为下短轴支承件，(123)为上花轴支承件。

图4所示是本发明的第三个实施例海岸型海洋能动力机的侧立面视图。在海岸上制作两排基础(1)，基础(1)上分别安装两条滑轨(19)，滑轨(19)延伸至最低潮水位以下，在滑轨(19)上安装上、下卡轮组(16、17)，再将两条滑轨(19)上的上、下卡轮组(16、17)联合起来组成一个机架(4)，机架(4)下部安装浮体(13)，平台(11)安装在机架(4)上部，用于安装换向器(4)和流体压缩机(100)及其它设备，叶轮(6)与换向器(10)之间用传动带(18)传动，也可采用其它形式传动。

在上述各实施例中，当选用往复抽排式流体压缩机时，因其对转速适应范围大，换向器(10)可以直接与压缩机联接带动压缩机工作。如果选用离心式流体压缩机时，或者将发电机安装到平台上工作时，在换向器(10)的动力输出轴(102)与动力设备之间应加装一套变速调速装置，同时可以在变速调速装置上安装惯性飞轮用来储蓄和调节短时间的能量。

在同一区域内制作若干个基础(1)和安装若干条立柱(2)，将其上面的平台(11)相互联合起来，即形成了一个大型动力机群，这样，既可安装大型流体压缩机(100)将能量输送到其它地方，也可以直接安装大型发电机，将电能输送到电力网络或工厂，或者在平台上建厂，让动力机直接带动机械工作。

平台(11)应制作成格栅状，格栅材料以圆形条材为好，格栅间距在不影响设备安装和人员行动的前提下，越宽越好。所有设备、构件应选用防盐蚀材料制作，叶轮(6)可以选用非金属材料制作。

上述实施例中的叶轮(6)中滚筒(601)的内部可以做成空心密封状，在里面充装气体时，也可代替浮体(13)的作用，不需另外安装浮体。如果在浮体(13)或密封的滚筒(601)上安装进、排气管和进、排水管，通过充排水或充排气的方法就可以对浮体(13)和滚筒(601)的浮力进行适当调节，或者在台风、大浪时向里面灌水，将叶轮(6)整体沉到海底，过后再向内充气使它浮升到海面工作。

图5是本发明的连接关系图，其顺序依次是：花轴(8)、花心轮(901)、换向器(10)、动力输出轴(102)、流体压缩机(100)、流体输送管(211)、储能器(20)，最后是终端输出管(212)。

图6是花心轮组合(9)的构造位置关系示意图。由花心轮(901)、滚动轴承(902)和花心轮座(903)构成，花心轮座(903)安装在平台(11)上，花心轮(901)被滚动轴承(902)内圆卡定在中间，花心轮(901)的花孔断面略大于花轴(8)的花轴段(801)的截面，使花轴段(801)可以穿越其中并在其中上下活动，而花心轮(901)则不能上下活动，只能在固定的平面上作圆周运动，将转速传递给换向器(10)。

图7是叶轮(6)的另一种构造形式。其叶片(602)外观呈水瓢状，两片相互呈反向由叶柄(604)对称连接，叶柄(604)从滚轮(601)的直孔(605)中穿过，滚轮直孔(605)的截面积略大于叶柄(604)的断面面积，使叶柄(604)可以在其中自由活动，叶片(602)与叶柄(604)接触的部位有叶托(603)，用于限制叶片(602)不与滚筒(601)接触摩擦。它利用水瓢阻力原理，可以自动以瓢口方向迎接流体的推力，以背面方向避开流体对其产生的阻力。

图8是本发明要提供的专用换向器(100)示意图。换向器(100)是专门用于将由花轴(8)传递过来的两个不同转向变换成同一转向的装置，其换向器主动轴(101)上以相反方向同心安装两个正、反单向轮(10a、10c)，在从动轴即动力输出轴(102)上安装两个从动轮(10b、10e)，正单向轮(10a)直接与从动轮(10b)相接触，反单向轮(10c)与从动轮(10e)中间介入一中间轮(10d)，中间轮(10d)安装在中间轴(103)上，因叶轮(6)在不同的时间所受到的海水推力的方向有互为相反的两个转向，经花轴(8)传到换向器(10)，经换向后，即可变成同一个转向。其中所述单向轮是由中心定向座(104)、定向顶块(105)、定向顶块销(106)、复位弹簧(107)组成，它的外圈齿轮上有内齿圈(108)，其结构相似于自行车后轮轴上的齿轮组合，功能也相同，它使外齿圈只能朝着单一的方向转动。

图9是本发明提供的一种储能器(20)，是为了解决海水流动不均匀或潮位变化时出现暂停而导致能量供应不均匀的装置。它是由一个圆形桶状储能器壳(201)，储能器壳(201)中间用限位环(205)隔开成上下两部分，限位环(205)上部放置活塞(202)，活塞(202)与储能器壳(201)之间用密封环(204)密封，活塞(202)上部放置配重体(203)，下部是流体压缩室(208)，压缩室(208)的进口与从流体压缩机(100)连接过来的流体输送管(211)相接，出口端连接输出流体到工作机械的终端输出管(212)，用于输进、输出压缩流体，流体输送管(211)和终端输出管(212)均装有手动阀门(206)或电动阀门(207)，用于控制或调节流量或维修时使用。压缩室(208)的下部有排空口并连接排空管(209)，用于清洗和维修时使用。本装置改变了现行的流体压缩器单纯靠增加压力来储存流体能量的情况，它在增加压力的同时，能够增大储存的体积，大大提高了压力储存设备的存储功能，特别对于压缩气体的储存和输出状态更稳定。根据功能需要将多个类似储能器串联起来，即成为一个大型储能器。

本发明中涉及的传动机构的联接不局限于某一种方式，可以是齿轮联接，也可以是皮带组合或链轮链条链接。

综上所述，本海洋能动力机及其专用换向器克服了其它海洋能发电技术的不足，可以获得海洋多个深度层次的动力能，并能使获得的动力能呈基本恒定状态，其设备、技术简单，不占地，适用范围广。特别是其运行时不需要耗用燃烧性能源或其它物质，具有经济、安全、环保等优点，能够发挥良好的经济效益和社会效益。

Claims (8)

1.一种海洋能动力机。包括立柱、支架、浮体、换向齿轮、齿轮和传动轴，其特征在于：在海洋底面制作基础，基础上竖向安装立柱，立柱的上端与平台相接，平台上安装换向器和流体压缩机，立柱外套装带有浮体的活动套管，用机架将两条或两条以上立柱外的活动套管联结，在机架上安装叶轮，叶轮由滚筒和叶片组成，叶轮端头有传动轮组，通过传动花轴、花心轮与换向器联接，换向器的动力输出轴与流体压缩机连接，流体压缩机通过管道与储能器连接。

2.根据权利要求1所述的海洋能动力机，其特征是：一条带有凹槽的立柱安装在海洋底面的基础上，立柱外套装一内圆面有凸条的活动套管，浮体安装在叶轮的两端，用扁担轴穿过叶轮中心将浮体联结。

3.根据权利要求1所述的海洋能动力机，其特征是：在海岸边制作多个基础，基础上安装两条滑轨，滑轨延伸至最低潮水位以下，机架通过滑动卡轮与滑轨联接。

4.根据权利要求1所述的海洋能动力机，其特征是：将叶轮的滚筒做成空心密封状，里面充装气体，代替浮体的作用。

5.根据权利要求1所述的海洋能动力机，其特征是：换向器动力输出轴与变速器联接，在变速器上安装惯性轮，变速器与发电机联接。

6.一种用于权利要求1所述的海洋能动力机上的叶片。其特征是：叶片呈水瓢状，两叶片之间用叶柄穿过滚筒直孔对称且反向连接，叶片端部有叶托，叶柄与滚筒直孔有一定的间隙。

7.一种用于权利要求1所述的海洋能动力机上的换向器。其特征是：在主动轴上同心安装两个互为反向的单向轮，其中一个直接与从动轴上的从动轮相接，另一个通过一个中间轮再与从动轴上的从动轮相接。

8.一种与权利要求1所述的海洋能动力机配套的储能器。其特征是：一个圆形桶，中间用限位环隔开，上部开口内套入一个活塞，活塞与桶壁之间有密封环，活塞上部放置配重体，下部是流体压缩室，压缩室的两侧有流体进、出孔，流体进、出孔与管道相接，管道上安装阀门，压缩室的下部有排空口连接排空管。

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