CN203175762U - 一种流体动能与机械能转化装置及落地式、风筝式或低水头水力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种流体动能与机械能转化装置及落地式、风筝式或低水头水力发电机组，都具有旋转主轴和叶片，螺旋桨叶片具有特定曲面。本实用新型的叶片(1)象帆船上的帆，叶片轴(2)以双支梁状态与转臂(3)外端铰按，转臂內端固定于主轴(5)，通过一套平行四连杆机构和一套齿轮轮系，使叶片在转臂处于不同位置时呈现不同的状态，使之比较合理地实现两种能量彼此转化。将固定桩(15)插入机架(14)一侧的圆孔，再插入地面固定，机架(14)另一侧装上两个地轮(16)，再装上迎风板(17)，将更多空气流引向叶片(1)，叶片转臂运动，主轴(5)旋转带动发电机(18)，称之为落地式风力发电机组。其制造、安装、转移、运行、维护等费用将低于高塔螺旋桨式风力机，并可减轻沙尘暴等风沙危害。本实用新型还可包含在其他机具中。

Description

一种流体动能与机械能转化装置及落地式、风筝式或低水头水力发电机组

1、技术领域：本实用新型属于流体机械。 

2、背景技术：能使流体能与机械能彼此转化的机械装置甚多，例如各种水泵、油泵、气泵及螺旋桨等等。螺旋桨起源于动物翅膀在空气中滑翔，其最早原型是中国古代的一种玩具：竹蜻蜒。能飞的动物除了滑翔，还能扑动翅膀(扑翼)，更有效地使空气定向增速而得到反作用力，即升力和推进力。人们模仿动物扑翼飞行研制扑翼机由来已久，但要付诸规模化实际应用尚有欠缺，其中一个重要原因是：往复扑动的机械装置很难克服惯性的负面影响。 

3、发明内容：本实用新型的目的是设计一种模仿动物扑翼的机械装置，该装置能高效实现流体能与机械能的转化。 

动物扑翼能产生升力的奥秘，在于翅膀在不同的运动速度状态时具有不同的姿态。以蜻蜓为例，其翅膀从高处向下运动时，速度向下，翅膀横截面呈水平姿态，与运动速度方向垂直，迫使比较多的空气向下运动，空气对翅膀的反作用产生升力，翅膀扑动到最低处后，开始向上扑动，速度向上，翅膀扭转90°，翅膀横截面呈竖直状态，与其运动速度方向平行，翅膀很薄，所以向上扑动只带动少量空气，运动阻力甚小，蜻蜒身体因此而下落也微乎其微，翅膀运动到最高处后又开始向下扑动，翅膀又扭转90°，周而复始。 

本实用新型的技术方案是：保留动物扑翼过程中，其翅膀在不同的运动速度状态时产生相应姿态变化之特性，并以连续旋转运动代替往复运动。如图1所示，相当于动物翅膀的帆式叶片(1)中心固定叶片轴(2)，叶片轴穿过转臂(3)外端的轴承，叶片轴连同叶片可相对转臂作连续旋转。叶片轴一端固定曲柄(4)，曲柄的位置变动决定叶片的姿态，转臂的数量与叶片、叶片轴及曲柄的数量相等。连杆(6)与曲柄(4)铰接，转臂、曲柄和连杆构成平行四连杆机构。连杆上固定齿轮A(7)，齿轮A与齿轮B(8)啮合，齿轮A与齿轮B是一对共轭非圆齿轮，也可采用圆形齿轮，但整个装置的性能会有所下降。齿轮B与齿轮C(9)固定，並套在小长轴(10)上，一起以小长轴为中心旋转。小长轴固定在转臂(3)上，齿轮C与齿轮D(11)啮合。齿轮D套在小短轴(12)上並以小短轴为中心旋转，齿轮D又与齿轮E(13)啮合，齿轮E固定在机架(14)上，相对位置可转动调整。齿轮E与主轴(5)都处于中心位置，即两者的中心轴线是重合的，主轴可通过固定于齿轮E中心的轴承伸出在机架外，可向主轴输入扭矩使之旋转，带动转臂、叶片等旋转，使与叶片接触的流体定向加速。反之，流体流过叶片，使叶片转臂等旋转，带动主轴向外输出扭矩。如图2所示，当主轴(5)和转臂(3)旋转，使叶片(1)处于最高点(“12”点)处，调节叶片与曲柄相对位置，使叶片呈竖直姿态，再固定好叶片与曲柄的相对位置。主轴、转臂再作旋转，叶片转到最低点(“6”)，由于平行四连杆机构和齿轮轮系的作用，叶片呈水平姿态。转到两侧，即“3”点和“9”点处，叶片都呈倾斜姿态。当有水平流向的风(流体)从右向左吹(流)过，作用于叶片，迫使转臂逆时针方向转动。除了在“6”点附近，其余各处，风(流体)水平方向的流过，作运动的动能，使流体能用于叶片，都能使转臂产生力矩，以“12”点处产生力矩最大，使主轴旋转，输出扭矩机械能。反之，从主轴输入扭矩，使转臂及叶片等旋转，迫使流体流动增速，主要是增加流速的水平分量。总之，本实用新型之仿生机械装置能够实现类似动物扑翼的功能，使流体能与机械能彼此转化。 

4、附图说明：

图1仿生式流体能与机械能转化装置结构原理主视示意图； 

图2仿生式流体能与机械能转化装置结构原理左视示意图； 

图3能量转化过程叶片姿态变化示意图； 

图4具体实施方式甲，落地式风力发电机组结构原理主视示意图； 

图5具体实施方式甲，落地式风力发电机组结构原理俯视示意图； 

图6具体实施方式乙，风筝式风力发电机组结构原理示意图； 

图7具体实施方式丙，低水头水力发电机组结构原理示意图。 

图中：(1)叶片(2)叶片轴(3)转臂(4)曲柄(5)主轴(6)连杆(7)齿轮A(8)齿轮B(9)齿轮C(10)小长轴(11)齿轮D(12)小短轴(13)齿轮E(14)机架(15)固定桩(16)地轮(17)迎风板(18)发电机(19)探空氢气球(20)自动控制器(21)绞盘(22)蓄电池(23)巨型迎风板(24)配重(25)迎水板(26)水下机架(27)水下发电机(28)岸上装置 

5、具体实施方式甲，落地式风力发电机组。如图4、图5所示，仿生式流体能与机械能转化装置的机架(14)之一侧有一圆孔，套入固定桩(15)，固定桩插入地里，牢牢固定在地面上。机架另一侧装上两个地轮(16)，使机架能够绕固定桩摆动，适应风向变化，使主轴(5)与风向垂直。机架上端安装迎风板(17)，可将更多风能引向叶片(1)，叶片旋转带动转臂(3)和主轴，主轴旋转带动发电机(18)或带动气泵，产生压缩空气，再驱动发电机。 

落地式风力发电机组，可以成组使用，也可以分散使用。成组使用是数十或数百台组成风力田，每一台的主轴输出扭矩，可通过自动换挡的变速装置驱动气泵，多台气泵通过管道把压缩空气压进储气罐，再通过风动装置驱动发电机，发出稳定电流。与目前常见的高塔螺旋桨式风力发电机相比较，本实用新型的制造、安装运行及维修等的费用显然会低一些，有助于降低风电成本。 

分散使用是由农牧民和居民购置，安放在草场、地头、房前屋后及楼顶。与小型螺旋桨式风力机相比较，多吸纳数倍或数十倍的风能是不难实现的。所以不仅可供照明、看电视，也可以做饭、取暖及给冰箱、洗衣机等供电。本实用新型适合在新疆推广。新疆有大量开阔空地，风能资源很可观，包括贴近地面的风。采用本实用新型可减少风沙对草场、农田及公路等的侵害，减少沙尘危害。 

具体实施方式乙，风筝式风力发电机组。贴近地面的风速往往比高空的风速小得多。人们放风筝时，往往开始升空相当困难，屡试屡败，但一旦升上高空，其保持高度就相当稳定。本实用新型配合电动发电双功能电机，就可以实现升空。如图6所示，探空氢气球(19)上传感器将空中风速信息传到包含电脑的自动控制器(20)，自动控制器安装在地面装置机架(14)上，机架(14)一侧套入固定桩(15)，另一侧装有地轮(16)，机架(14)上还安装有电机驱动的绞盘(21)，绞盘有导线与蓄电池(22)相连，绞盘又以缆绳和导线与升空装置相连，升空装置像个特大风筝，其上部是巨型迎风板(23)，与普通风筝一样能产生升力，并将风能引向下方，下部是本实用新型，最下端堕挂一配重(24)，与齿轮E(13)相连，增添一个步进电机，可以随时调节齿轮E与机架(14)的相对位置，改变叶片(1)的运行状态，某个状态适合升空，某个状态适合降落，某个状态适合在空中吸收风能。当空中出现合适的风速，控制器(20)自动发出指令，特大风筝升空，将电能输回地面，若风速变化，过大或过小，则自动降落。 

本装置适合在沙漠、海岛等没有人群活动的地方，必须能够排除升降过程中的安全隐患。 

具体实施方式丙，低水头水力发电机组。水的密度远大于空气，故水流的能流密度通常远大于风。许多湍急的溪流、河道的水流能是值得利用的。如图5所示，将本实用新型安放到水流中並用将其系在岸边固定桩(15)，防止被水冲走。调整水下机架(26)位置，使主轴(5)垂直于水流速度，机架下部迎水一侧设置迎水板(25)，有助于叶片(1)吸纳水流能。叶片(1)转动带动转臂(3)和主轴(5)，主轴带动水下发电机(27)，通过电缆把电能输到岸上装置(28)。主轴也可带动潜水泵，将高压水流通过管道输上岸，既可作灌溉，也可带动水轮机发电机组，电机在岸上运行，更安全更廉价。 

本装置不需要建水坝，不破坏环境生态。 

Claims (4)

1.一种流体动能与机械能转化装置，其特征是：帆式叶片(1)中心固定叶片轴(2) ，叶片轴(2)穿过转臂(3)外端的轴承，叶片轴(2)的一端固定曲柄(4)，转臂(3)内端固定于主轴(5)，主轴(5)可固定2个或3个或更多个转臂(3)，转臂数量与叶片(1)、叶片轴(2)及曲柄(4)的数量相等，连杆(6)与曲柄(4)铰接，转臂(3)和曲柄(4)及连杆(6)构成平行四连杆机构。连杆(6)上固定齿轮A(7)，齿轮A与齿轮B(8)啮合，齿轮B与齿轮C(9)固定并一起套在小长轴(10)上，小长轴固定在转臂(3)上，齿轮C与齿轮D(11)啮合，齿轮D套在小短轴(12)上，齿轮D又与齿轮E(13)啮合，齿轮E(13)固定在机架(14)上，位置可转动调整，齿轮E与主轴两者中心轴线重合。 

2.落地式风力发电机组，包含权利要求1中的转化装置，其特征是：所述机架(14)之一侧有一圆孔，套入固定桩(15)，固定桩固定在地面上，机架另一侧装有两个地轮(16)，机架上端安装迎风板(17)，主轴(5)旋转带动发电机(18)，或带动气泵。 

3.风筝式风力发电机组，包含权利要求1中的转化装置，其特征是：所述的主轴(5)与电动、发电双功能电机配合，齿轮(13)连着一个步进电机，机架(14)上部是巨型迎风板(23)，主轴(5)、机架(14)等构成升空装置，以缆绳和导线与地面上的绞盘(21)相连，绞盘又有导线与蓄电池(22)相连，绞盘装在机架(14)上，机架(14)一侧套入固定桩(15)，另一侧装有地轮(16)，机架上还有包含电脑的自动控制器(20)，自动控制器连接着一个探空氢气球(19)。 

4.低水头水力发电机组，包含权利要求1中的转化装置，其特征是：所述的转化装置安放在水流中，用绳缆系在岸边的固定桩(15)上，水下机架(26)下部迎水一侧设置迎水板(25)，主轴(5)带动水下发电机(27)，也可带动潜水泵。 

Images