CN106401856B - 半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，包括前后水翼驱动液压缸，前后水翼总成，水翼摆动臂，立柱，底座，能量获取液压缸等零部件组成，通过以双向液压缸为驱动件的曲柄滑块机构驱动水翼实现攻角按预定规律运行的俯仰运动，水翼获取来流能量做升沉运动带动水翼摆动臂往复摆动，水翼摆动臂摆动驱动能量获取液压缸获得高压油，能量获取液压缸输出高压油驱动液压马达以及发电装置发电，实现潮流能到电能的能量转换。装置由两套水翼总成前后串联布置而成，这种串联布置形式在扫略面积不变情况下实现了对潮流能的充分利用。本发明具有结构简单紧凑、安装方便、噪声小、适应不同水流截面积、充分获取潮流能、易于浅水应用等特点。

Description

半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，尤其涉及一种半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置。

背景技术

石油的发现和利用促进了工业的快速发展，石油也因此成为“工业的血液”。石油的开采成本低，但石油不可再生的，预计在未来几十年内，石油储量将急剧减少。寻找可再生能源替代石油将成当务之急。

近年，多种类型可再生能源不断开发利用，如核能、太阳能、风能等。其中潮流能作为新能源重要组成部分，其在全世界的储量有10×10⁸W以上，我国潮流能资源储量丰富，开发和利用潮流能资源对能源结构改善以及能源的可持续发展具有十分重要的战略意义。液压式摆动水轮机是从来流中捕获能量，把来流动能转化为电能。这种无坝型的水轮机和风力发电机相似，并且，水流的动能在许多方面优于风的动能，其中最为重要的就是更大的能量密度和更好的可预测性。

目前，对潮流能的利用形式多为旋转叶片的水轮机配合相应的发电机进行能量捕获，然而这种潮流能量捕获方式存在一些问题，如：占地面积大，要求潮流速度快，噪声大，较快旋转的水轮机叶片的运动会对周围的海洋生物产生影响等缺点。

海洋中的生物，如金枪鱼、海豚、鲨鱼等，利用尾部/鳍的摆动从周围的水中获得能量实现游动，具有效率高、噪声低以及良好的水动力特性等特点。受此启发，近年来，出现了一种新的基于摆动式水翼的流体能量捕获技术研究，与现有的基于旋转叶片的水轮机技术相比，这种基于摆动水翼的流体能量捕获技术具有对环境影响小、噪声小，捕能效率高以及可在浅水使用等优点，在英国、爱尔兰、美国、加拿大等国家较早的开展了这方面的基础研究。我国拥有广阔的潮流能海洋资源，目前国内对摆动式潮流能捕能装置以及相关技术研究方面，国内相对国外公开的技术报道较少。

目前，国内涉及半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，如专利申请号为201310473753.X、名称为“升降式振荡水翼捕获潮流能发电装置”，通过将翼片沿滑轨的上下移动的动能转化为与之相连的液压系统的液压能，再将转化后的液压能转化为发电机的电能，上下两个极限端通过压缩弹簧改变翼片的摆角，和本发明专利的原理及工作过程均不同。如专利申请号为201410663950.2，名称为“摆动式水翼潮流能发电装置”，通过曲柄摇杆机构原理实现能量提取，通过另一套曲柄摇杆机构进行攻角控制，水翼攻角控制原理和装置结构和本发明专利均不同。国内关于液压控制摆动实现水翼周期循环的潮流能捕能装置还未见相关发明专利。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种机械结构简单、安装方便、可靠性强、高效率的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，是一种能够实现潮流能或者河流能能量捕获的装置。

本发明的目的是这样实现的：包括支撑部分、能量提取部分、水翼摆角控制部分和翼型运动部分，所述支撑部分包括底座和设置在底座上的立柱，所述能量提取部分包括摆动臂、两个能量获取液压缸，所述摆动臂的中心位置与立柱的上端通过水翼摆动臂转轴铰接，两个能量获取液压缸对称设置在立柱的两侧，且每个能量获取液压缸的缸体与立柱铰接、活塞杆与摆动臂铰接，所述水翼摆角控制部分包括对称设置在摆动臂两端的两个驱动液压缸、两个驱动轴，所述摆动臂上对称设置有两个驱动液压缸转轴，每个驱动液压缸的缸体与对应的驱动液压缸转轴铰接、活塞杆的端部通过耳环与对应的驱动轴连接，所述翼型运动部分包括对称设置在每个驱动轴两端的水翼，且每个水翼还通过水翼转轴与摆动臂连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.每个水翼包括水翼叶片、设置在水翼叶片两端的水翼内挡板和水翼外挡板、分别设置在水翼内挡板和水翼外挡板上的挡板端盖、贯穿水翼叶片和水翼内挡板以及水翼外挡板的水翼转轴、与挡板端盖固连的轴套，轴套与水翼驱动轴的端部连接。

2.水翼叶片是中空的玻璃钢结构。

3.所述底座上设置有滑动导轨，立柱底部插入至所述滑动导轨中并用螺栓固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，利用能量获取缸，摆动大臂以及立柱等部件构成以摆动大臂为主动件的曲柄摇杆机构，实现摆动机械能与液压能的转化。利用液压驱动水翼实现俯仰运动，以液压缸活塞为原动件，与水翼以及摆动大臂构成曲柄滑块机构，实现水翼有规律的摆动；具有结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点，在未来的潮流能能量捕获方面有很大的发展空间。2.控制液压油量的大小便可实现水翼任意规律的摆动，被动式潮流能捕能装置大臂摆动规律以及水翼俯仰运动规律已经固定于单一运动形式，相对于被动式潮流能捕能装置而言，本装置在液压驱动下可实现任意规律运动，实现水翼攻角不同运动规律控制和不同攻角变化控制，装置传动灵活，控制方便。3.装置立柱与底座采用滑轨设计，克服了水翼来回摆动导致立柱与底座之间的连接疲劳缺点，具体结构见图6所示；具有结构简单，连接可靠的优点。4.底座采用焊接板件构成，底座与地面接触面积较大，大大减小了由于河床或者海底泥沙较多而底座下沉或者安装不便的缺点。5.与以往的旋转叶片的水轮机相比，具有传动效率高、噪声小、易于浅水应用等优点，对环境影响小，对水中生物影响小。

附图说明

图1为本发明的整体三维结构图；

图2为本发明的能量转化部分结构图；

图3为本发明的水翼摆角规律控制部分的剖视图；

图4为本发明的水翼摆角规律控制部分的结构图；

图5为本发明的翼型部分结构的剖视图；

图6为本发明的支撑部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括的部件有：水翼驱动轴1，水翼驱动轴轴套2，前水翼内挡板端盖3，水翼转轴端盖4，水翼转轴5，前水翼内挡板6，水翼叶片7，前水翼外挡板8，摆动臂9，水翼驱动缸转轴耳座端盖10，水翼驱动缸转轴耳座11，水翼驱动缸转轴12，水翼驱动缸13，水翼驱动缸活塞杆14，后水翼内挡板15，后水翼外挡板16，能量获取缸活塞杆耳座17，能量获取缸活塞杆轴18，水翼摆动臂转轴19，能量获取缸活塞杆20，立柱21，能量获取缸缸体22，能量获取缸缸体耳座转轴23，能量获取缸耳座24，底座25，水翼端板拉紧螺杆26，后水翼外挡板端盖27，前水翼外挡板端盖28。

本发明阐述了一种新型的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，整体结构如图1、图2、图3、图4和图5所示，主要包括装置能量提取部分、水翼摆角控制部分、翼型运动部分及支撑部分等几部分，所述的能量提取部分的摆动臂前后端部布置在前水翼总成以及后水翼总成的中间，将翼型运动部分在来流作用下的上下升沉运动转化为摆动大臂的往复摆动，传递给能量转化部分获得高压液压油，高压液压油驱动液压马达发电；水翼摆角控制部分通过控制连接于翼型运动部分上驱动液压缸，实现翼型运动部分的攻角控制，支撑部分主要起支撑整个装置连接各部分结构的作用，能量转化部分最终实现将摆动臂的往复摆动的机械能转化为高压油，本发明的优点在于首先水翼串联布置，实现在扫略面积不变情况下对能量的充分提取，以及整体结构的紧凑高效；其次巧妙的利用液压缸主动控制水翼攻角，实现水翼攻角不同运动规律的实时控制，可开放式控制水翼扫略面积以实现适应不同来流情对能量提取。

能量提取部分如图1，图2，图6将翼型运动部分的上下升沉摆动机械能转换为液压能，主要包括能量获取缸活塞杆耳座17，能量获取缸活塞杆轴18，水翼摆动臂转轴19，能量获取缸活塞杆20，立柱21，能量获取缸缸体22，能量获取缸缸体耳座转轴23，能量获取缸耳座24；能量获取液压缸22分为前后对称两套，能量获取液压缸22用于转化摆动臂的机械能为液压能。一个前后结构对称的摆动臂9，摆动臂9用于连接翼型运动部分以及驱动液压缸22的运动。摆动臂9通过滑动轴承以及水翼摆动臂转轴19连接于立柱21上，摆动臂9由铝合金材料加工而成，摆动臂9下方距离摆动臂转轴轴心250mm处，设有连接耳座17，其中有轴承，耳座用于连接能量获取液压缸活塞轴耳环。立柱下方距离轴心330mm处设有连接耳座24，内有轴承，耳座用于连接能量获取缸缸体耳环。摆动臂9，能量获取缸22以及立柱21组成曲柄摇杆机构，实现摆动机械能转化为高压油形式的液压能。

水翼摆角控制部分如图1，图2，图3，图4，水翼驱动轴1，水翼驱动轴轴套2，水翼转轴端盖4，水翼转轴5，摆动臂9，水翼驱动缸转轴耳座端盖10，水翼驱动缸转轴耳座11，水翼驱动缸转轴12，水翼驱动缸13，水翼驱动缸活塞杆14；根据水翼攻角所要求的运动规律，通过外置液压基站对液压流量进行控制，液压缸活塞杆14位置以及速度按预定规律运行，再通过以滑块为驱动件的曲柄滑块机构传动，实现翼型部分摆角的实时控制；驱动液压缸13固定于能量提取部分的摆动臂9上，摆动臂9设有耳座11，内有轴承，液压驱动缸缸体耳环连接于耳座上，实现缸体13绕耳座11的转动。液压缸活塞杆耳环14连接于水翼运动部分的驱动轴1上，实现耳环绕驱动轴轴线的转动，水翼的摆角控制要求根据液压泵站驱动压缸活塞位置确定。可有效的控制水翼实现不同的摆角(也即不同的攻角运动规律)。

水翼攻角运动控制部分由前后水翼组成，前水翼运动部分由水翼7NACA0012叶片，前水翼内挡板6，前水翼外挡板8，前水翼内挡板端盖3，前水翼外挡板端盖28，水翼转轴4，水翼驱动轴1，水翼驱动轴轴套2等零部件连接组成。共选用四片完全相同的水翼叶片，每两片水翼构成一个水翼单元，两片水翼之间由攻有螺纹的驱动轴连接而构成单个水翼单元；单水翼以水翼叶片7为主体，水翼两端穿插入前水翼内挡板6以及前水翼外挡板8内，内外挡板开有槽孔，前水翼内挡板端盖3、前水翼外挡板端盖28嵌入其中，两根长螺栓26将水翼驱动轴轴套2，内水翼挡板6，水翼叶片7，外水翼挡板8，外水翼端盖28穿插在一起，水翼旋转轴将内水翼挡板6，水翼叶片7，外水翼挡板8，外水翼端盖28穿插在一起；水翼旋转轴连接于能量获取部分的摆动臂9上，水翼驱动轴轴套连接于水翼驱动轴1上。水翼共有四片水翼组成，前后各两片串联于能量获取部分的摆动大臂上；水翼采用玻璃钢进行制作，中空结构。挡板采用铝合金板材焊接以及铣削而成，由于前后水翼驱动轴摆动范围影响，前后水翼端盖结构有区别，如图5所示，前水翼驱动轴轴线位于水翼前缘。后水翼驱动轴轴线位于水翼后缘，如采用相同水翼结构则必有一端水翼驱动轴与摆动大臂干扰。

水翼支撑部分如图1，图2，图6所示；由立柱21，底座25组成。立柱以及底座由Q235板材焊接而成表面发蓝处理。底座25上部有滑动导轨，立柱21底部穿插入导轨内，采用四个均匀布置的螺栓连接，由于立柱21受摆动臂摆动，容易导致立柱与底座连接松动，导轨保证立柱完全固定于底座上。能量获取部分由耳座连接于立柱之上，以保证能量获取部分摆动臂的固定转动，支撑部分作用是固定整体机构，连接能量获取部分，水翼运动部分等零部件以及各部件的固定运动，保证能量获取部分摆动臂的固定转动。

本发明的工作原理为：半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置原理：驱动液压缸控制前后水翼攻角不同运动规律和不同攻角变化，当水流流过时，前后翼片在水流作用下产生升力，实现水翼摆动臂9的上下连续升沉运动。摆动臂9的耳环17连接能量获取液压缸，摆动大臂的上下升沉运动带动能量获取液压缸活塞杆运动，驱动液压油产生高压驱动地面液压站发电。本发明结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点，在未来的潮流能能量捕获方面有很大的发展空间。

Claims (5)

1.半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：包括支撑部分、能量提取部分、水翼摆角控制部分和翼型运动部分，所述支撑部分包括底座和设置在底座上的立柱，所述能量提取部分包括摆动臂、两个能量获取液压缸，所述摆动臂的中心位置与立柱的上端通过水翼摆动臂转轴铰接，两个能量获取液压缸对称设置在立柱的两侧，且每个能量获取液压缸的缸体与立柱铰接、活塞杆与摆动臂铰接，所述水翼摆角控制部分包括对称设置在摆动臂两端的两个驱动液压缸、两个驱动轴，所述摆动臂上对称设置有两个驱动液压缸转轴，每个驱动液压缸的缸体与对应的驱动液压缸转轴铰接、活塞杆的端部通过耳环与对应的驱动轴连接，所述翼型运动部分包括对称设置在每个驱动轴两端的水翼，且每个水翼还通过水翼转轴与摆动臂连接。

2.根据权利要求1所述的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：每个水翼包括水翼叶片、设置在水翼叶片两端的水翼内挡板和水翼外挡板、分别设置在水翼内挡板和水翼外挡板上的挡板端盖、贯穿水翼叶片和水翼内挡板以及水翼外挡板的水翼转轴、与挡板端盖固连的轴套，轴套与水翼驱动轴的端部连接。

3.根据权利要求1或2所述的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：水翼叶片是中空的玻璃钢结构。

4.根据权利要求1或2所述的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：所述底座上设置有滑动导轨，立柱底部插入至所述滑动导轨中并用螺栓固定。

5.根据权利要求3所述的半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：所述底座上设置有滑动导轨，立柱底部插入至所述滑动导轨中并用螺栓固定。