一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置的製作方法

2023-04-30 22:02:51

專利名稱：一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種垂直軸流體(水流或風力)動能發電轉換裝置，特別涉 及一種利用水流速度較低的河流或水平方向運動的海流等流體動能發電的垂直軸水輪機 的結構形式。
背景技術：
吸收潮流能或海流能中的動能可以利用陸上風力發電機的工作原理，我們可以將 這些利用潮流能或海流能的發電裝置比喻成工作在水下的風力發電機，只是驅動這些裝置 運行的不是空氣而是潮流或海流。在潮流能或海流能開發與利用中，水輪機的結構形式在 很大程度上決定著水輪機的能量利用率與流體動力性能的優劣，因此，開發出一種能量利 用率高、流體動力性能優良的水輪機結構形式就成為該領域的研究重點。潮流能或海流能 水輪機的結構形式依據主軸與來流方向的關係分為水平軸式和垂直軸式，主軸平行於來流 方向的為水平軸式，主軸垂直於來流方向的為垂直軸式。相對於水平軸水輪機，垂直軸水輪 機結構簡單，對水深要求不高，因而得到廣泛的關注和研究。現處在試驗與研究階段的垂直 軸水輪機主要有固定攻角水輪機以及能夠變攻角的擺線式水輪機和蹼板式水輪機。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種能適應低流速，提高垂直軸水輪機能量利用率， 並改善水輪機的流體動力性能的垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置。本實用新型的目的是這樣實現的包括由上底板、下底板和連接於上下底板之間的支撐杆組成的框架，上、下底板上 都有三個定位齒輪、一個同步齒輪和四個張緊齒輪，定位齒輪的定位齒輪軸通過軸承和框 架連接，同步帶或鏈條纏繞在定位齒輪和同步齒輪上形成菱形葉片運行軌道，上、下底板上 的同步齒輪通過同步軸連接，同步軸則通過一對軸承和框架連接，四個張緊齒輪通過軸和 軸承和框架固定，葉片軸的兩端分別固定在同步帶對應的位置，多個葉片沿同步帶周向均 勻布置，同步齒輪與增速齒輪相嚙合，增速齒輪驅動發電機。本實用新型還可以包括1、葉片軸內部設有限位機構，葉片可繞葉片軸在有限偏角範圍內自由旋轉。2、張緊齒輪的軸與框架之間設置彈簧構成彈性軸承支架結構。按照水輪機分類方法，菱形水輪機也屬於垂直軸水輪機，也可以利用攻角變化規 律控制水輪機的流體動力性能，但與葉片運動軌跡為圓形的傳統垂直軸水輪機不同的是， 其葉片運動軌跡既可以是前後為平行且長度相等的直線段，兩側為向外凸的半圓，也可以 是菱形或「 」。在水流推動作用下，一組葉片沿上述軌跡運動，通過某種連接方式帶動轉子 轉動，進而帶動發電機發電，將潮流或海流動能轉化為電能。菱形水輪機的葉片在流體衝擊 作用下不但沿軌跡運動，葉片本身也能夠按照一定的規律繞自身轉軸轉動來實現攻角的變 化，優良的攻角變化規律能夠使水輪機在低流速時也具有良好的自啟動性能，而且能量利用率較高，特別是中低速比時的效率也不低。菱形水輪機與傳統垂直軸水輪機相比，在結構形式上屬一大創新，主要優點如 下1.在相同的迎流面積下，菱形水輪機的葉片軌跡周長比垂直軸水輪機的更小，吸 收同樣的能量菱形水輪機所需材料更少，造價更低。2.根據垂直軸水輪機的流體動力性能計算結果，發現垂直軸水輪機轉子轉動一周 內的瞬時功率主要集中在以通過主軸的來流方向線左右30度角內，菱形水輪機在這部分 的葉片運動軌跡佔有很大比重，瞬時能量利用增加，故菱形水輪機轉子的能量利用率得到提高。3.菱形水輪機的軌道為直線，水動力特性變化平緩，多個葉片沿軌道均勻分布可 保證整個系統的平穩運行。提高整個裝置的抗疲勞性能。4.葉片採用限位式被動變攻角控制技術，葉片控制機構簡單可靠，葉片在水動力 的作用下，葉片可自動調整到最佳的水動力偏角，在提高了效率的同時，更好的適應了潮流 的雙向特性。本實用新型提供了一種能更高效能收流體動能的發電裝置。為人們的生產和生活 提供清潔的可再生能源。本實用新型的主要特點體現在葉片運動軌跡為菱形；採用限位式被動變攻角葉 片，葉片控制機構簡單可靠，能量利用效率高；整個裝置除了同步軸外，在葉片工作區域無 其他軸系存在，減少了軸系的擋水效應。本實用新型的有益效果主要體現在可以方便地將海洋潮流、河流(風力)動能高 效轉換為電能輸出。與現有垂直軸水輪(風力)機組相比能量利用率高，葉輪的迎流面積 相同時能夠發出更大功率。特別適宜製造大尺寸結構，即兆瓦級大型垂直機組。由於能量 利用率的提高，克服了以往結構形式能量利用率低的缺點，必將推動潮流能、水(風)能發 電的商業應用。

圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的主視結構示意圖；圖3是本實用新型的俯視圖(省略葉片)；圖4是本實用新型的俯視圖(省略支架)；圖fe是張緊齒輪軸系布置方案；圖恥是葉片及葉片軸布置方案；圖5c是葉片軸與同步帶的連接方案；圖5d是葉片限位機構。
具體實施方式
下面舉例對本實用新型做更詳細的描述結合圖1-圖5。整個裝置由框架支撐，分為上下雙層對稱結構，每層都有三個定 位齒輪1和一個同步齒輪4，定位齒輪軸2通過軸承3和框架連接。同步帶(或鏈條)16纏繞在定位齒輪和同步齒輪上，形成菱形葉片運行軌道，其中上下兩個同步齒輪通過同步 軸6連接一保證上下兩層同步運行。同步軸6則通過一對軸承和框架連接。四個張緊齒輪 10-13通過軸15和軸承14和彈性軸承支架和框架固定。起到繃緊同步帶16的作用。葉 片17的軸系兩端分別固定在同步帶對應的位置，多個葉片沿同步帶周向均勻布置，葉片軸 內部設有限位機構，葉片可繞葉片軸在有限偏角範圍內自由旋轉。葉片17在水流作用帶動同步帶16沿設計的方向運動，並通過同步齒輪4帶動增 速齒輪7，驅動發電機19發電。菱形齒輪皮帶16纏繞三個定位齒輪1和同步齒輪4形成葉片運動的菱形軌道，定 位齒輪軸3支架18固接，定位齒輪與軸間用軸承2連接。上下兩層的同步齒輪4與一根剛 性的同步軸6固連，同步軸6與支架18用軸承5連接。張緊齒輪10、11、12、13起到繃緊同 步帶16的作用，其結構與定位齒輪1結構相同，但是張緊齒輪的軸支座與支架間彈性連接 (見圖fe)，增速齒輪7的結構與同步齒輪4相同。所有裝置都由支架18來支撐。彈簧20 使張緊齒輪10-13對同步帶16產生繃緊作用。同步帶上有孔23，通過孔23和葉片軸22可 以將葉片17與同步帶16連接起來，通過葉片軸承21葉片17就可以繞葉片軸22轉動，限 位槽M起到限位的作用，使葉片17旋轉角限定在給定的範圍之內。
權利要求1.一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置，包括由上底板、下底板和連接於上下底板 之間的支撐杆組成的框架，其特徵是上下底板上都有三個定位齒輪、一個同步齒輪和四個 張緊齒輪，定位齒輪的定位齒輪軸通過軸承和框架連接，同步帶或鏈條纏繞在定位齒輪和 同步齒輪上形成菱形葉片運行軌道，上、下底板上的同步齒輪通過同步軸連接，同步軸則通 過一對軸承和框架連接，四個張緊齒輪通過軸和軸承和框架固定，葉片軸的兩端分別固定 在同步帶對應的位置，各葉片沿同步帶周向均勻布置，同步齒輪與增速齒輪相嚙合，增速齒 輪連接發電機。
2.根據權利要求1所述的一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置，其特徵是葉片軸 內部設有限位機構。
3.根據權利要求1或2所述的一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置，其特徵是張 緊齒輪的軸與框架之間設置彈簧構成彈性軸承支架結構。
專利摘要本實用新型提供的是一種垂直軸菱形流體動能發電轉換裝置。包括由上底板、下底板和連接於上下底板之間的支撐杆組成的框架，上、下底板上都有三個定位齒輪、一個同步齒輪和四個張緊齒輪，定位齒輪的定位齒輪軸通過軸承和框架連接，同步帶或鏈條纏繞在定位齒輪和同步齒輪上形成菱形葉片運行軌道，上、下底板上的同步齒輪通過同步軸連接，同步軸則通過一對軸承和框架連接，四個張緊齒輪通過軸和軸承和框架固定，葉片軸的兩端分別固定在同步帶對應的位置，多個葉片沿同步帶周向均勻布置，同步齒輪與增速齒輪相嚙合，增速齒輪驅動發電機。本實用新型的可以方便地將海洋潮流、河流(風力)動能高效轉換為電能輸出。
文檔編號F03B9/00GK201874729SQ20102061341
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者孫科, 寧義君, 張亮, 張學偉, 盛其虎, 蘇國卿, 荊豐梅 申請人:哈爾濱工程大學