[发明专利]涡激振动与升力混合动力型水流发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水力发电装置，具体地说是一种利用水流能发电的装置。

背景技术

当今世界能源消耗量与日俱增，而不可再生的矿石能源日益枯竭，人们对于可再生能源的需求日益增加，对于水流能、风能、太阳能等可再生能源开发利用的研究日益广泛。现有水流能获取装置以水轮机为主，但现有水轮机启动流速较高，只有在1m/s以上流速的流场中才能较为稳定的运行，而很多河流的流速难以达到水轮机的工作要求。涡激振动是一种流体力学现象，它是由于黏性流体流经一个非流线型物体，在物体背后发放出涡列，引起的物体沿垂直流动方向的往复运动。经过研究发现，当合理控制系统雷诺数以及振动体固有频率时，会产生自锁现象，可以在较低流速下获得较大的驱动力以及振幅。但是当雷诺数过大时，会因为脱离自锁区而使涡激力大幅下降。升力是流体流经物体表面时产生的一种表面力，在合理控制物体相对于来流的攻角时，在大雷诺数下也可以取得较大升力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应在各种流速水流中工作的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及支撑结构；

所述发电系统是安装在支撑结构上的发电机；

所述振动系统包括轴线垂直于来流方向的一组振动体，位于振动体两端用于约束振动体的摇臂，摇臂通过摇臂转轴安装在支撑结构上，摇臂与支撑结构之间设置有控制刚度系数的机构；

所述同步带系统包括与摇臂转轴同轴且随摇臂运动的大同步带轮，分别安装于振动-转动转换中的两根长轴上的两个小同步带轮，将大带轮与两个小带轮连接在一起的同步带；

所述振动-转动转换系统包括安装在支撑结构上的一根中转轴和位于中转轴两侧的两根长轴，第一长轴与中转轴之间由同步带传动，中转轴与第一长轴的转向相同，第二长轴与中转轴之间由齿轮传动，中转轴与第二长轴的转向相反，发电机与中转轴由齿轮传动，同步带系统中的小同步带轮与长轴之间设置有单向离合器、且两根长轴上的单向离合器的方向相反。

本发明还可以包括如下结构特征：

1、两个摇臂各配备一套同步带系统。

2、所述振动体为中空结构，内部沿轴向对称布置浮块。

3、所述控制刚度系数的机构为在摇臂转轴处安装扭簧、在摇臂上吊装拉簧或者设置弹性气缸。

4、振动体为2-3个。

本发明具有如下特点：（1）启动流速低，摆动幅度大。本装置利用了涡激振动原理的低速启动特性，可以在低速流中有效获取能量，同时在振动体摆动到与来流呈一定攻角时，借助攻角产生的升力使振幅大幅增加；(2)适应流速区间广。经实验测试，多个振动体在特定排列形式下，较完全依赖涡激振动结构的装置，其能够适应更宽的流速区间；（3）摆动式工作稳定，和谐。装置为稳定的往复摆动，不会有缠绕水中杂物导致装置停止工作的现象发生。低频摆动相对于高速旋转运动对于水中生物生存的影响要小得多。

附图说明

图1本发明的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置总体结构图；

图2-图3本发明的第两种实施方式的结构示意图；

图4单向离合器系统的工作原理图；

图5发电舱齿轮组的工作原理图；

图6-图7摇臂结构形式以及参数定义图

图8振动系统振子模型；

图9激振动-升力混合动力原理图；

图10 不同振动间距状态下的振幅-流速测试曲线。

具体实施方式

本发明的涡激振动与升力混合动力型水流发电装置，包括位于来流中的振动系统，将振动系统运动能量传递到水面的同步带系统，将往复振动转化为单向转动的振动-转动转换系统，发电系统以及整个装置的支撑结构。

振动系统位于水下，包括轴线垂直于来流方向的一组振动体（两个或多个)，位于振动体两端用于约束振动体的摇臂，摇臂轴以及减小摇臂摆动时摩擦阻力的水润滑轴承系统。振动体内部对称布置泡沫浮块，以控制静水中振动系统浮态。此外，振动系统还包括与摇臂连接，用以控制系统固有频率的控制系统刚度系数机构，控制系统刚度系数机构可以使在摇臂转轴处安装扭簧或者摇臂上吊装拉簧以控制系统刚度系数，还可以通过其他弹性系统如橡胶以及弹性气缸等控制系统的刚度系数。

同步带系统的两个摇臂各配备一套同步带系统，以保证振动系统受力均匀，防止发生扭转。