CN105464901A - 全旋程无阻流体能量转换装置和其泵应用 - Google Patents

Abstract

本发明申请提供一种全旋程无阻流体能量转换装置和其泵应用。本全旋程无阻流体能量转换装置为叶片轮回转盘装置，转盘上的叶片轴与转盘转动配合，且盘中心轴的盘中心齿盘与叶片轴齿盘的传动连接，使叶片轴自转方向与公转方向相同，同时使叶片轴随转盘公转的公转转角α为叶片轴上固定的叶片自转转角β的2倍。还提供一种利用全旋程无阻流体能量转换装置的泵应用技术方案。本技术方案具有与流体最大作用面，而旋转回程的阻力理论上为零，实现了高效率能量转换技术目的。

Description

全旋程无阻流体能量转换装置和其泵应用

技术领域

本发明申请涉及流体中蕴含的能量转换利用的装置，较为典型应用包括风能和水利发电装置，以及飞机和船舶动力驱动装置等。

背景技术

流体能量转换装置主要包括两大应用类别，一种将外界流体能量转化为可利用的能源，如水利发电和风能发电装置，主要是利用旋转装置，在水流和风的推动下旋转，驱动发电机发电工作。自然界中，各种流体中蕴藏着巨大、且取之不尽的绿色能源，但人类目前的技术手段对其采集和利用却微乎其微。以风能发电为例，其风动发电装置的风动转子的回转半径虽已达到了近百米，但如此庞大的体积，每台发电能力却通常只有5～6兆瓦，发电效率低下。

发电效率低下的主要技术原因，以比较典型的明轮船为例来说明。明轮船的行船动力来源于两侧的半浸水体的动力轮，又称明轮，之所以采用明轮设置结构，其技术原因在于：明轮被驱动旋转，固定其圆周上的叶片进入水体，作用于水体，产生反向力推动船体前行，若明轮全部浸入水体，其上半部、尤其是顶部叶片，其旋转方向与下半周叶片相反，就会产生与下部叶片作用力相反、作用相抵的的阻力。因此，采用一半轮体浸入水体的明轮设置结构，可以消除上半部叶片的水反向作用对船运行形成的阻力，但这也使能量的利用只有不到原来的一半。为提供强有力的推动功率，目前只有两种方法，一是增加部件的体积，如现有的大型风力发电机，二是提供高转速，以船桨为例，高转速作用于流体，来提高反作用推动力，但众所周知，高转速会使气蚀更为严重，而且产生剧烈的工作噪音。

另外，因现有的能量转换效率低下，还导致船体、飞机机体转向、或倒行等转变控制极度缓慢，灵敏度远跟不上实际快速反应的需要。为解决叶片回程转动对正程转动产生的阻力问题，叶片采用圆弧形槽结构，使其在回程中减小阻力。

上述各技术问题，对于以旋转部件为动力推动部件，作用于流体，而产生反方向推动力量，如船桨、风机、飞机螺旋桨等，也同样存在。

发明内容

本发明申请的发明目的在于提供一种旋转机构，该旋转机构的回程阻力可以被最大限度的忽略，从而实现高效率能量转换技术目的而提供一种全旋程无阻流体能量转换装置。本发明申请提供的全旋程无阻流体能量转换装置技术方案，其主要技术内容是：一种全旋程无阻流体能量转换装置，本装置为叶片轮回转盘装置，转盘上设置有叶片轴，叶片轴与转盘转动配合，且盘中心轴的盘中心齿盘与叶片轴齿盘的传动连接，使叶片轴自转方向与公转方向相同，同时使叶片轴随转盘公转的公转转角α为叶片轴上固定的叶片自转转角β的2倍。转盘带动叶片轴，叶片轴围绕盘中心的圆形公转的轨迹为圆形轨迹。所述的公转转角α为叶片轴随转盘转动的转动角位移，所述的叶片自转转角β为本叶片轴在公转转角α位置，其上叶片相对于公转转角α的起始基准线的偏转角。

本发明申请还提供了一种全旋程无阻流体能量转换装置的泵应用技术方案。该泵包括泵体和本全旋程无阻流体能量转换装置，泵体内的泵腔腔体是本叶片轮回转盘装置的每一叶片轴公转及其上叶片自转的转动轨迹腔，其最宽泵腔为泵送腔，其最狭窄泵腔为泵回腔，泵送腔和泵回腔的两侧分别开设有泵入口和泵出口。

本发明专利申请公开的全旋程流体能量转换装置技术方案，转盘带动叶片轴公转的同时，每一叶片轴还随与盘中心齿盘的传动连接有规律的自转，以叶片轴随转盘每公转旋转180°为例，叶片轴及其叶片逐渐转动90°角位移，即以叶片公转转角α和自转转角β均为零为起始点来说明，此时叶片平面处于叶片轴与盘中心的连线上，假设此时叶片平面全面正向迎对风向或水流方向，在转盘带动各叶片轴旋转，使叶片轴呈公转状态，其上叶片在随叶片轴产生α公转转角的同时，本身还随传动连接产生β自转转角，当公转转角α达到180°时，自转转角β也逐渐切入至90°，恰处于最大回程位置，此时叶片与风向或水流方向一致，其产生的阻力理论上为零，而且在叶片切入或偏离该最大回程位置时，都与风向或水流正向作用，亦发挥其能量吸收、驱动转盘转动、能量转换的作用，从而实现高效率能量转换技术目的。本装置用于风能发电、江河水体发电和洋流发电，发电能量转化率高，还可以用于船动力轮、飞机动力桨，其动力发挥充分，在产生相同动力输出的条件下，本能量转换装置转速大大低于现有的船舶轮桨和飞机动力桨，以切入流体方向产生反作用力，动力大、噪音低，并大大减弱了汽蚀破坏作用，而且还具有转向灵活、迅速的技术优点。本装置可以多转盘同轴叠串设置，或多转盘盘轴平行排列设置工作。

附图说明

图1为本发明申请的一实施例立体构造图。

图2为三叶片轴的转盘分布图。

图3为公转转角α和自转转角β的原理示意图。

图4至图6分别为叶片轴公转转角位于三个坐标区内受流体作用力的原理分析图。

图7和图8分别为一叶片2a公转至正程最大受力位和最小受力位的转盘转位状态图，这时由导向尾中可知，风向是垂直向上，且转盘产生逆时针方向旋转。

图9和图10分别为盘中心齿盘与叶片轴齿盘的传动联接的一实施构造主视图和俯视图。

图11为盘中心齿盘与叶片轴齿盘的传动联接的另一实施构造图。

图12为图1的立体构造分解图。

图13、图14和图15分别为本发明的船舶应用原理结构图。

图16为本发明飞机应用原理结构示意图，其中的圆柱体象征飞机机体。

图17是本发明的对流体调向机构的一实施结构图。

图18至图20分别是本发明的泵应用构造图，并且显示了转盘连续旋转的三个动态状态。

具体实施方式

本附图所给出的是本发明公开的全旋程无阻流体能量转换装置的实施结构。本全旋程无阻流体能量转换装置为叶片轮回转盘装置，它包括转盘1，转盘1的盘中心齿盘6与叶片轴齿盘9之间传动联接，转盘1的上盘1a和下盘1b将所述的传动联接封闭设置。转盘1与发电机、或发动机、或电动机传动连接。叶片轴3上的叶片2是受流体推动而带动转盘1旋转的能量采集部件，转盘1固定于发电机转子上，实施发电工作；或者转盘1被动力机构，如电动机驱动旋转而带动叶片轴3公转并自转时，叶片2作用于流体而产生反作用力的输出部件，其电动机最好采用外转子结构，转盘1固定于电动机的外转子上。叶片轴3穿过转盘1的叶片轴设置孔30，与转盘1的叶片轴设置孔30转动配合，最好为密封转动配合。转盘1上设置一根或多根叶片轴3及叶片，在本实施例中，分别给出的是三叶片轴及其叶片的叶片轮回转盘和四叶片轴及其叶片的叶片轮回转盘。

如图所示，各叶片轴3均匀布置在距转盘盘中心等半径的圆周轨迹上，各叶片轴3之间的圆心角相等。为便于原理及其技术效果的说明，以图2和图7所示，尤其是叶片2a的位置，为以下工作过程说明的假设起始点位置，叶片2b、2c与叶片2a同理。

上述的圆周轨迹，为转盘1带动叶片轴3，各叶片轴3围绕转盘盘中心4的圆形公转轨迹。盘中心齿盘6与叶片轴齿盘9传动联接，该联接使叶片轴3的自转方向与其公转方向相同，同时使叶片轴3的公转转角α为叶片轴3的叶片2自转转角β的2倍。其中所述的公转转角α为叶片轴随转盘转动的转动角位移，所述的叶片自转转角β为本叶片轴偏移公转转角α位置时，其上叶片对应于该公转转角α的起始基准线的偏转角。

盘中心齿盘6与叶片轴齿盘9之间的传动联接可以采用多种实现结构，其中一实施结构如图9和10所示，盘中心齿盘6与叶片轴齿盘9经两者之间的外啮合行星齿轮7传动连接，上盘1a和下盘1b设置有行星齿轮7的定位孔8。盘中心齿盘6、行星齿轮7和叶片轴齿盘9的齿数关系为：2Z₀=2Z₁=Z_2a=Z_2b=Z_2c，其中Z₀为盘中心齿盘6的齿数，Z₁为行星齿轮7的齿数，Z_2a、Z_2b、Z₂为叶片轴齿盘9的齿数，则其传动计算为：

n_2a/n₁=Z₁/Z_2a·(—1)¹；

n₁/n₀=Z₀/Z₁·(—1)¹；

n_2a=n₁·Z₁/Z_2a(—1)¹=n₀·Z₀/Z₁(—1)¹Z₁/Z_2a·(—1)¹=n₀·Z₀/Z_2a/(—1)²=n₀·Z₀/Z_2a=n₀·1/2；

α/360°=n₀·t；

β/360°=n_2a·t；

则β=α/2，实现了自转角β等于公转角α的1/2。

以叶片2a为基准，其α_2a=0°，则β_2a=0°；此时的叶片2b的α_2b=120°,则β_2b=60°，叶片2c的α_2c=240°=—120°,则β_2c=120°。

盘中心齿盘6与叶片轴齿盘9还可以采用链条传动机构，以图10所示的四叶片轴结构为例，相邻的两叶片轴3划分为一组，一链条15与该组的两叶片轴齿盘9和盘中心齿盘6组成一链条传动组，另两叶片轴的叶片轴齿盘9与同盘中心轴4设置的同轴盘中心齿盘和链条15组成另一链条传动组，实现每一叶片轴3的自转方向与其公转方向相同，同时使每一叶片轴3的公转转角α为叶片轴3的叶片2自转转角β的2倍。

所述的转盘1与发电机、或电动机、或发动机传动连接，为简化转盘1与发电机、或电动机、或发动机的传动连接结构，所述的发电机、或电动机、或发动机可采用外转子结构，外转子盘与转盘同心固定。本叶片轮回转盘装置被外界流体推动旋转，带动发电机发电，或发动机或动力推动工作，如风力发电、水利发电或洋流发电。为最大程度的发挥本叶片轮回转盘的能量转换能力，本方案中增设有风向、水流向或洋流流向的对流向调向机构，图1所示的对流向调向机构是控制盘中心轴4的导向尾叶5，该导向尾叶5依流体流向修正，并与风向、水流向或洋流流向顺向时，这时，任一叶片随转盘1运转至该叶片平面与盘中心轴线处于同一平面的一瞬间，该叶片平面恰与导向尾叶5垂直，即该叶片与风向、水流向或洋流流向垂直。

本技术方案的对流向调向机构可以采用智能化控制。以风力发电为例，其对流向调向机构包括流体流向传感器，即风向传感器，还包括CPU智能控制器和调向执行电机18，盘中心轴4穿过发电机10向下延伸，其上固定的调向齿盘11与调向执行电机18的调向齿盘12啮合传动，调向执行电机18和发电机10安装于固定坐盘13上，CPU智能控制器采集风向传感器信号，经程序处理向调向执行电机18转换输出偏差修正执行信号，驱动盘中心轴4的调向齿盘11以及盘中心齿盘6，任一叶片随转盘1运转至该叶片平面与盘中心轴线处于同一平面的一瞬间，该叶片平面恰与风向垂直。

本全旋程无阻流体能量转换装置可多转盘同轴叠串设置。

本叶片轮回转盘装置还可作为船或飞机的桨动力装置，其转盘1被电动机或发动机驱动旋转，带动叶片轴及上叶片作用于水体或空气，相对作用推动飞机飞行，如图16所示，飞机左右侧分别设置一套本装置，当其盘中心轴4水平时，为飞机提供上升或反转下降动力，盘中心轴4向垂直方向偏转至垂直时，提供前进或反转后退动力，左右两套装置的盘中心轴4角度差或转速差，则提供转向动力。其船舶航行应用参见图13、图14和图15，本装置同样可在前进与后退快速、灵活转换，大大克服了现有桨动力装置前进、后退转换缓慢的技术问题。如图15所示，可以采用同轴外对称的两叶片轮回转盘装置为一组，于船舶船体或飞机机体多组并列设置结构，以提供更强有力的驱动力量，不仅可以提供前进与后退之间快速、灵活转换，还可以通过对两的叶片轮回转盘装置不同转速或盘中心轴4偏转方向控制来实现灵活的转向控制。

本申请还提供了一种全旋程无阻流体能量转换装置的泵应用技术方案。该泵包括泵体100和本全旋程无阻流体能量转换装置，本全旋程无阻流体能量转换装置即叶片轮回转盘装置。泵体100内的泵腔腔体是本叶片轮回转盘装置的每一叶片轴3公转及其上叶片2自转的转动轨迹腔，其最宽泵腔为泵送腔101，其最狭窄泵腔为泵回腔102，泵送腔101和泵回腔102的两侧分别开设有泵入口103和泵出口104，如图18、图19和图20所示，叶片2由泵回腔102在泵入口103向泵送腔101转入时，其转向逐渐封闭泵送腔101的入口，继续转动时，将封闭于泵送腔101的流体最终泵送出泵出口104，叶片2再由最狭窄的泵回腔回转。

Claims (10)

1.一种全旋程无阻流体能量转换装置，本装置为叶片轮回转盘装置，转盘上设置有叶片轴，叶片轴与转盘转动配合，且盘中心轴（4）的盘中心齿盘（6）与叶片轴齿盘（9）的传动连接，使叶片轴自转方向与公转方向相同，同时使叶片轴随转盘公转的公转转角α为叶片轴上固定的叶片（2）自转转角β的2倍。

2.根据权利要求1所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于转盘（1）上同心且等半径圆周轨迹上布置有若干叶片轴（3）。

3.根据权利要求1或2所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于盘中心齿盘(6)与叶片轴齿盘(9)之间的传动联接为：盘中心齿盘（6）与叶片轴齿盘（9）经两者之间的外啮合行星齿轮（7）传动连接，盘中心齿盘（6）、行星齿轮（7）和叶片轴齿盘（9）的齿数关系为：2Z₀=2Z₁=Z_2a=Z_2b=Z_2c，其中Z₀为盘中心齿盘（6）的齿数，Z₁为行星齿轮（7）的齿数，Z_2a、Z_2b、Z₂为叶片轴齿盘（9）的齿数。

4.根据权利要求1或2所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于盘中心齿盘（6）与叶片轴齿盘（9）的传动联接为链条传动机构，相邻的两叶片轴（3）划分为一组，一链条（15）与该组的两叶片轴齿盘（9）和盘中心齿盘（6）组成一链条传动组构成。

5.根据权利要求1或2所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于装置中增设有对流向调向机构。

6.根据权利要求5所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于对流向调向机构是控制盘中心轴（4）的导向尾叶（5），由导向尾叶（5）修正流体流向，任一叶片随转盘（1）运转至该叶片平面与盘中心轴线处于同一平面的一瞬间，该叶片平面恰与导向尾叶（5）垂直。

7.根据权利要求5所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于对流向调向机构包括流体流向传感器、CPU智能控制器和调向执行电机（18），盘中心轴（4）穿过发电机（10）向下延伸，其上固定的调向齿盘（11）与调向执行电机（18）的调向齿盘（12）啮合传动，调向执行电机（8）和发电机（10）安装固定坐盘（13）上。

8.根据权利要求1或2所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于转盘（1）与发电机或与电动机传动连接。

9.根据权利要求1或2所述的全旋程无阻流体能量转换装置，其特征在于本装置为多转盘同轴叠串设置。

10.一种权利要求1至8任意之一的全旋程无阻流体能量转换装置的泵应用，该泵包括泵体（100）和本全旋程无阻流体能量转换装置，泵体（100）内的泵腔腔体是本本全旋程无阻流体能量转换装置的每一叶片轴（3）公转及其上叶片（2）自转的转动轨迹腔，其最宽泵腔为泵送腔（101），其最狭窄泵腔为泵回腔（102），泵送腔（101）和泵回腔（102）的两侧分别开设有泵入口（103）和泵出口（104）。