CN203297027U - 垂直轴水力发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种 垂直轴水力发电装置，它主要包括与变速箱与发电机装置相连的垂直轴和一端与该垂直轴相连的臂杆，该臂杆的另一端通过所带限位轴与涡轮叶片相连；其中所述垂直轴是驱动中心，所有的臂杆都以它为中心连接，在同一平面，臂杆与臂杆之间互为直角，垂直轴方向，臂杆与臂杆等距离分布，所述限位轴是一个限制转动装置，它只能单方向转动，而且转动的角度只能在小于90°以内的范围。由垂直轴把转动力传动至变速箱与发电机装置。其优点是结构简单，无论多小的流动能量均可以收集利用；无方向，无论流动能量有无固定方向都可以利用，整体结构稳定，无噪音，对海洋的生态环境无影响；回转力矩大，启动性能好。

Description

垂直轴水力发电装置
技术领域
本实用新型涉及利用水力能量发电装置，特别是一种垂直轴水力发电装置。
背景技术
能量是人类必不可少的需求，而海洋能是依附在海水中的可再生能源，由于受太阳、月亮对地球的引力影响，造成占地球表面积 71% 的海洋循环涌动，以潮汐、波浪、洋流能各种形式运动，这些蕴藏在海水里的巨大能因为单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小，要想获得大能量，就得从大量海水中获得，这是目前最大难点，其次海洋能的无规则运动，没有明确方向，无法掌控，目前的技术无法利用海洋中存在的巨大能量。
目前的技术只有筑起堤坝，提高水位差，增加单位水能量，才能达到使用效益，例如三峡电站，或利用潮汐发电的法国朗斯电站、我国的江厦电站。而目前停留在实验室的技术：萨沃纽斯型（ Savonius rotor ）、马达拉斯型（ Madaras rotor ）、达里厄型（ Darrieus VAWT ），经过加拿大国立研究委员会（ NRC ）、美国圣地亚国立实验室（ SNL ）、英国（ VAWT 型）、法国（ CENGD 型）、荷兰（ Pionier1 型）、罗马尼亚（ TEV100 型）、瑞士（ Alpha Real 型）等实验室研究改进，它们的叶片形状千差万别，主要有弧型、三角型、 Y 型、 H 型、 S 型、扇型、拱型、楔型等，这些技术都不能从流动速度小于 2M/s 的海水中提取微能量，进而获取有经济价值的电能。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种垂直轴水力发电装置，该水力发电装置采用一种新型的涡轮叶片结构，使其可以从大量的海水中收集无固定方向的流动微能量，在巨大的叶轮作用下，始终保持同一方向旋转，不受水流向以及涡流的影响与旋转的涡轮叶片始终保持垂直面或侧面不间断变换，不同角度的同步涡轮叶片都有良好方向一致的驱动合力导向，全方向作功，水流能从任何方向作用在涡轮叶片上的作用力工作状态一致，对从任意方向流向涡轮叶片的能量都会协同一致工作，同时为了获得更大的作用力，可以利用杠杆原理，可以任意延长臂杆，涡轮叶片的面积可从高度、宽度任意调整，增加涡轮叶片的面积，获得理想的工作效率。
依据瑞利勋爵的流体阻力方程式：
FD = ½ρ v ² CDA
其中
FD 为阻力，是施力平行流场方向的分量
ρ 为流体密度
v 是流体相对物体的速度
CD 为阻力系数
A 为参考面积（物体在运动方向上的正交投影面积）
从上式看ρ v CD 为常数，要从海水中提取大量的微能量，只有扩大面积 A ， 才可以提高阻力 FD 。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种垂直轴水力发电装置，它主要包括与变速箱与发电机装置相连的垂直轴和一端与该垂直轴相连的臂杆，该臂杆的另一端通过所带限位轴与涡轮叶片相连；其中所述垂直轴是驱动中心，所有的臂杆都以它为中心连接，在同一平面，臂杆与臂杆之间互为直角，垂直轴方向，臂杆与臂杆等距离分布。由限位轴控制涡轮叶片的开启与关闭方向。
在同一平面主传动轴由四组臂杆向四周延伸，所以形成在 360 °圆周内，任一方向流动的能量都能形成以主传动轴为中心的，由臂杆、限位轴、涡轮叶片组成的臂杆叶片组合，形成一侧闭合，一侧开启的运动态势，关闭端为主旋转方向，而开启端由于涡轮叶片的作用力在限位轴上，限位轴在涡轮叶片作用力的推动下与流动方向作逆向运动，形成与闭合端方向一致的合力。
为了使涡轮叶片与臂杆能很好地闭合，在涡轮叶片相对臂杆一侧设有对应的弧形槽。
由垂直轴把转动力传动至变速箱与发电机装置，为了提高利用率，就需要扩大涡轮叶片，除延长臂杆长度外，还可以延长垂直轴与叶片的高度，随着高度的增加，在涡轮叶片旋转的作用下，会形成共振与摆幅，所以需要在上下两端设置附板连接板，由附板连接板把多个垂直轴水力发电装置连接在一起，形成一个整体，由于每个垂直轴水力发电装置的旋转方向可以设定，所以在同一整体内，机组旋转方向对称可以保证平稳运行。
本实用新型提供的水力发电机组装置具有以下优点：结构简单，制造规格可视需求调整大小，无论多小的流动能量均可以收集利用，只要有位移，就可以提取能量利用；无方向，无论流动能量有固定方向或无固定方向都可以利用，整体结构稳定，适合低速运转，无噪音，对海洋的生态环境无影响；设计简单，成本低，回转力矩大，启动性能好，易于制造加工。
附图说明：
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
图 1 为垂直轴水力发电装置运行方式平面图
图 1A 为垂直轴水力发电机组立面限位轴构造示意图
图 2 为垂直轴水力发电装置运行中平面图
图 3 为垂直轴水力发电机组立面图
图 4 为垂直轴水力发电机组整体平面连接方式示意图
图 5 为垂直轴水力发电机组整体立面图
图中臂杆 1 ，涡轮叶片 2 ，限位轴 3 ，垂直轴 4 ，工作平台 5 ，变速箱与发电机组 6 ，附板连接板 7 ， 10A 臂杆叶片组合外端， 10B 臂杆叶片组合外端， 10C 臂杆叶片组合外端， 10D 臂杆叶片组合外端。
具体实施方法：
本实用新型是通过如下方法实现的：
根据图 1 、图 2 、图 3 所述，本实用新型垂直轴水力发电装置主要包括：臂杆 1 、涡轮叶片 2 、限位轴 3 、垂直轴 4 、工作平台 5 、变速箱与发电机组 6 。由垂直轴 4 、臂杆 1 、限位轴 3 、涡轮叶片 2 组合体的 10A 臂杆叶片组合外端， 10B 臂杆叶片组合外端， 10C 臂杆叶片组合外端， 10D 臂杆叶片组合外端。所述臂杆 1 其一端与转动的垂直轴 4 连接，另一端与限位轴 3 连接，限位轴 3 直接与涡轮叶片 2 连接，所述限位轴 3 是一个限制转动装置，它只能单方向转动，而且转动的角度只能在小于 90 °以内的范围，最佳 45 °；涡轮叶片 2 一侧设有弧形槽 2-1 与臂杆 1 相对应，当涡轮叶片 2 闭合时，弧形槽与臂杆 1 侧面弧形面吻合，垂直轴 4 通过工作平台 5 直接与变速箱与发电机组 6 连接在一起。在由多个垂直轴及相应臂杆和涡轮叶片构成直轴水力发电机组装置时，附板连接板 7 设在垂直轴 4 的上、下两端，避免垂直轴 4 在涡轮叶片 2 的摆动下形成谐振，特别是由于本实用新型对机组转动方向的可控性（涡轮叶片闭合端为主旋转方向），在机组群内相邻机组设置对称方向旋转，对整体平稳运行起到至关重要的作用。
从图 1 可知，当海洋能从任意方向涌来，作用垂直轴两侧的 10D 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片闭合，呈最大正作用力， 10B 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片开启，涡轮叶片呈侧向外开启，使作用在开启后的涡轮叶片上的力集中在限位轴上，形成与水流方向相反的作用力，与正作用力形成合力，与海洋能力方向一致的 10C 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片刚刚闭合， 10A 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片逐渐开启，图 2 由于旋转作用， 10D 臂杆叶片组合外端、 10C 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片闭合， 10A 臂杆叶片组合外端、 10B 臂杆叶片组合外端的涡轮叶片在离心力作用下逐渐开启，作用在涡轮叶片上的力都集中在限位轴上，限位轴由于涡轮叶片的推力，促使臂杆向水流方向逆转，形成与 10D 臂杆叶片组合外端、 10C 臂杆叶片组合外端方向相同的作用力，随着旋转过夹角后，即因向心力向内闭合，重复 10C 臂杆叶片组合外端的叶片做功，形成不间断转动进行工作。
图 3 涡轮叶片发电机组，从图中可看出 10B 臂杆叶片组合外端、 10D 臂杆叶片组合外端上的叶片可以是一片，也可以是多片，主要是由能量转化需求和结构稳定需要考量，图 4 、图 5 中， 5 为工作平台， 6 为变速箱与发电机组， 7 为附板连接板，工作平台设置在海平面上，垂直轴水力发电机组悬挂在工作平台上，由附板连接板将相邻的机组连接成为完整的箱式涡轮叶片工作机组群。
如果用于风力发电，只需要把变速箱与发电机放置 6 放在完整的箱式涡轮叶片工作机组群的下面，坐落在基础架上即可同样工作。
这种涡轮叶片机组具有设计简单、成本低、回转力矩大、启动性能好、易于制造加工、转速低、安全性好、无噪音污染等明显特点，可以广泛普及推广应用，适应节能减排需求。

Claims (2)

1. 一种垂直轴水力发电装置，其特征是：它主要包括与变速箱与发电机装置相连的垂直轴和一端与该垂直轴相连的臂杆，该臂杆的另一端通过所带限位轴与涡轮叶片相连；其中所述垂直轴是驱动中心，所有的臂杆都以它为中心连接，在同一平面，臂杆与臂杆之间互为直角，垂直轴方向，臂杆与臂杆等距离分布。
2. 如权利要求1所述的垂直轴水力发电装置，其特征是：在涡轮叶片相对臂杆一侧设有对应的弧形槽。
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