CN105257457B - 利用振荡翼型的摇摆‑扭转耦合运动采集流体动能的发电装置 - Google Patents

利用振荡翼型的摇摆‑扭转耦合运动采集流体动能的发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用振荡翼型的摇摆‑扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，包括相互垂直且固定连接的水平轴与垂直轴，垂直轴的自由端端面上设置有叶片，且叶片与垂直轴能够绕水平轴做摇摆运动，同时叶片能够绕垂直轴的轴心做扭转运动；水平轴的两端分别为第一端部和第二端部，第一端部的周向和径向固定，且能够沿水平轴的轴向运动，第二端部用于与动力装置连接。本发明提供的利用振荡翼型的摇摆‑扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，该装置与蜻蜓翅膀类似，无需多余的装置将平动转化为发电机所要求的转动；翼型转动的能量直接来源于摇摆运动的能量，无需另外的动力装置和控制装置。

Description

利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电 装置
技术领域：
本发明涉及一种发电装置、特别涉及风力或水力发电装置，尤其涉及一种利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置。
背景技术：
随着人口增长、经济发展和社会进步，人们对能源、特别是清洁能源的需求日益增长。传统水电站和风机的发电量逐年增长，但是其对环境的影响也日益受到关注。比如，水电站对上下游生态和局部地貌的影响、大型风机的噪声污染及其对候鸟迁徙的影响。在此背景下，传统的水轮机和风机及其替代或补充方案都得到了发展。其中，振荡翼型吸能近年来逐渐受到学界的关注，并进行了全面的研究。与传统风机相比，振荡翼型吸能装置可能结构更简单、建造成本更低、对环境也更友好；应用范围也更广，比如河流、海岸、峡谷等狭长流体区域；此外，学术研究表明，合理地组织振荡翼型的运动可以达到与大型风机相近的吸能效率。
现有的震荡翼型吸能机构垂直于来流方向上以平动为主，这种装置需要在叶片的两段限制叶片的自由度，从而导致机构更加的复杂、适应性也较差；现有装置叶片转动的动力来自于电机，意味着需要额外的动力装置和控制机构实现叶片转动，从而降低了效率、增加了成本。基于此，本发明提出了一种在垂直于流动方向上以转动为主，并且叶片转动的动力直接来源于叶片摇摆运动的新型吸能装置。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：
利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，包括相互垂直且固定连接的水平轴与垂直轴，垂直轴的自由端端面上设置有叶片，且叶片与垂直轴能够绕水平轴做摇摆运动，同时叶片能够绕垂直轴的轴心做扭转运动；水平轴的两端分别为第一端部和第二端部，第一端部的周向和径向固定，且能够沿水平轴的轴向运动，第二端部用于与动力装置连接。
本发明进一步的改进在于，动力装置为变速箱或发电机。
本发明进一步的改进在于，垂直轴的自由端端面上设置有平台，叶片设置在该平台上。
本发明进一步的改进在于，叶片两侧的平台上对称设置有两个用于限制叶片扭转角度的磁性约束器，且两个磁性约束器靠近叶片来流方向的两侧。
本发明进一步的改进在于，水平轴上还固定安装有齿轮，与齿轮啮合的齿条以及液压缸，该液压缸内设置有第一活塞和第二活塞，齿条用于带动液压缸中的第一活塞和第二活塞沿直线运动，液压缸的中间开设有第一管口和第二管口，液压缸的两端分别开设有第三管口和第四管口，第一管口和第二管口之间通过管道相连通，第三管口和第四管口均通过软管与一个液压推杆相连通，两个液压推杆固定于平台上，用于推动叶片作扭转运动。
本发明进一步的改进在于，两个液压推杆位于靠近叶片来流方向的两侧。
本发明进一步的改进在于，第一端部与水平轴之间还设置有弹簧。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
本发明提供的利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，该装置与蜻蜓翅膀类似，通过水平轴和垂直轴的设置，无需多余的装置将平动转化为发电机所要求的转动；叶片转动的能量直接来源于摇摆运动的能量。
进一步，本发明通过齿轮齿条配合将摇摆运动的动力传递给液压机构(图3)，由液压机构控制叶片的转动，无需另外的动力装置和控制机构；在液压缸上设置管道，从而在管口和之间形成回路，保证液压执行机构在摇摆最大增幅附近推动叶片快速转动，使得吸能效率得到提高；通过调节弹簧的刚度、以及活塞和间距使得该装置能够适应不同的来流工况；弹簧使得叶片在静止状态下保持垂直，磁性约束器保证叶片与来流方向始终保持一个攻角，该装置无需额外的动力就可以实现自启动。
附图说明：
图1为本发明的总体示意图，其中图1(b)为图1(a)的放大图。
图2为本发明的叶片运动示意图，其中图2(a)为右行程时的状态图，图2(b)左行程时的状态图。
图3为本发明的液压机构工作原理。
图中：1为水平轴，2为垂直轴，3为叶片，4为第一端部，5为第二端部，6为轴承，7为弹簧，8为齿轮，9为齿条，10为液压缸，11为软管，12为平台，13为液压推杆，14为磁性约束器，16为来流方向，17为叶片及平台的运动方向，18为管道，19为第一活塞，20为第二活塞，21为第一管口，22为第二管口。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的发电装置的总体示意图如图1所示，图中采取的技术方案如下：
水平轴1与垂直轴2固定连接并相互垂直，叶片3与垂直轴2可以绕水平轴1做摇摆运动；同时，叶片3可以绕垂直轴2做扭转运动。水平轴1有端部4和端部5，其中端部4周向和径向固定，可以沿轴向运动，端部5与变速箱和发电机等机构连接。叶片3在来流的驱动下绕水平轴1摆动，此时流体的动能转换成图1装置的机械能，其中一部分机械能由端部5输出为电能，一部分机械能用于驱动叶片3绕垂直轴2扭转，还有一部分机械能储存于弹簧7中。存储于弹簧7中的势能用于恢复叶片3位置，最终转化电能和驱动叶片3扭转的机械能。总体来看，从流体中采集到的能量大部分转化成电能由端部5输出，一小部分用于驱动叶片3绕垂直轴2扭转。
6为两个轴承，用于固定水平轴1。弹簧7与水平轴1固定连接，用于在静止时保持平衡位置，运动时控制摇摆运动的幅值。齿轮8与水平轴1固定连接，齿条9与齿轮8相互啮合，用于将齿轮8的周向运动转换为直线运动。液压缸10中的活塞在齿轮9的带动下做来回运动。软管11与液压缸10与液压推杆13相连。液压推杆13固定于平台12上，用于推动叶片3作扭转运动。
如图2所示为叶片运动示意图，16表示来流方向，17表示叶片及平台的运动方向。沿流动方向看去，图2(a)中叶片受到左边磁性约束器14的约束，同时受到来流向右的作用力而沿叶片及平台的运动方向17所示的方向运动。当叶片随平台运动到右边极限位置时，右边的液压推杆13将叶片绕轴2推至左边磁性约束器14，如图2(b)，此时叶片受到流体作用力的方向改变而朝左边运动，当叶片随平台运动到左边极限位置时，左边的液压推杆13将叶片绕轴2推至右边磁性约束器14，至此叶片3、平台12和垂直轴2绕水平轴1完成一个周期的摆动。如此往复，水平轴1在叶片3的带动下做周期性的转动，水平轴1带动发动机轴周期性转动，从而输出交流电。
液压机构的工作原理如图3所示，水平轴1带动齿轮8运动，齿轮8带动齿条9运动，齿条9带动液压缸10中的第一活塞19和第二活塞20运动。当第一活塞19和第二活塞20在第一管口21和第二管口22之间运动时，液压油通过管道18来回流动，此时液压缸10内的液压油不会驱动液压推杆13运动，叶片3相对垂直轴2位置保持不变。当第二活塞20向右运动超过第二管口22时，液压缸10开始驱动液压推杆13运动，改变叶片3的角度。管道18存在的作用在于使叶片在一个摇摆周期内大部分时间角度保持不变，只在最大振幅处快速改变攻角，这样的设计有利于提高吸能效率。
本装置通过如下方案适应不同的来流速度：
当来流速度较大时，通过端部4的轴向运动拉紧弹簧7从而增加弹簧7的刚度，进而限制叶片3的摇摆振幅；同时还可以减小第一活塞19和第二活塞20之间距离，使得叶片在更大的摇摆振幅处扭转以改变角度；
当来流速度较小时，放松弹簧7、降低刚度，从而保证叶片3能有较大的摇摆振幅，预留足够的能量驱动叶片3扭转以改变角度；同时还可以增加第一活塞19和第二活塞20之间距离，使得叶片在较小的摇摆振幅处扭转以改变角度；
流速进一步减小，流体施加在叶片3上的作用力不足以带动叶片3扭转，或者说从流体中采集的能量比叶片扭转所需的能量还小时，该装置无法输出电能；此时的流速定义为临界流速，低于临界速度该装置停止运行，高于临界速度才能输出电能。
此外，当流体静止后再运动，由于叶片始终保持一个攻角，机构可以在流体速度足够大的时候实现自启动。

Claims (5)

1.利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，其特征在于，包括相互垂直且固定连接的水平轴(1)与垂直轴(2)，垂直轴(2)的自由端端面上设置有叶片(3)，且叶片(3)与垂直轴(2)能够绕水平轴(1)做摇摆运动，同时叶片(3)能够绕垂直轴(2)的轴心做扭转运动；水平轴(1)的两端分别为第一端部(4)和第二端部(5)，第一端部(4)的周向和径向固定，且能够沿水平轴(1)的轴向运动，第二端部(5)用于与动力装置连接；
垂直轴(2)的自由端端面上设置有平台(12)，叶片(3)设置在该平台(12)上；
水平轴(1)上还固定安装有齿轮(8)，与齿轮（8）啮合的齿条(9)以及液压缸(10)，该液压缸(10)内设置有第一活塞(19)和第二活塞(20)，齿条(9)用于带动液压缸(10)中的第一活塞(19)和第二活塞(20)沿直线运动，液压缸(10)的中间开设有第一管口(21)和第二管口(22)，液压缸(10)的两端分别开设有第三管口和第四管口，第一管口(21)和第二管口(22)之间通过管道(18)相连通，第三管口和第四管口均通过软管(11)与一个液压推杆(13)相连通，两个液压推杆(13)固定于平台(12)上，用于推动叶片(3)作扭转运动。
2.根据权利要求1所述的利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，其特征在于，动力装置为变速箱或发电机。
3.根据权利要求1所述的利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，其特征在于，叶片(3)两侧的平台(12)上对称设置有两个用于限制叶片(3)扭转角度的磁性约束器(14)，且两个磁性约束器(14)靠近叶片(3)来流方向(16)的两侧。
4.根据权利要求1所述的利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能 的发电装置，其特征在于，两个液压推杆(13)位于靠近叶片(3)来流方向(16)的两侧。
5.根据权利要求1或2所述的利用振荡翼型的摇摆-扭转耦合运动采集流体动能的发电装置，其特征在于，第一端部(4)与水平轴(1)之间还设置有弹簧(7)。
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