申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2018-01-05

公开（公告）日：2024-05-24

公开（公告）号：CN108019311B

主分类号：F03B13/26

分类号：F03B13/26;F03B15/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.24#授权;2018.06.05#实质审查的生效;2018.05.11#公开

摘要：本发明公开了一种串列翼潮流能捕获装置，主要包括主体框架、叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构、发电机组；振幅控制机构包括曲柄连杆滑块机构，转角控制机构包括齿轮组。转角控制机构和振幅控制机构的转轴的两端设有惯性轮和发电机。叶片采集水流中的动能，通过曲柄连杆滑块机构进而驱动发电机实现能量转换。通过调节前后叶片的转动相位差使斯特罗哈数在一定的范围内，后翼在前翼的尾涡场中将会有较大的有效攻角，进而实现较高的能量采集效率。装置整体设置简单可靠，噪声小，能量采集效率高，应用前景广阔。

主权项：1.一种串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，包括主体框架、叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构、发电机组；所述振幅控制机构包括曲柄连杆滑块机构，所述转角控制机构包括齿轮组；所述转角控制机构和振幅控制机构的转轴的两端设有惯性轮和发电机；所述叶片的振幅与叶片的弦长比为1:1，所述叶片的转角的放大比例系数为6.154；所述前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构包括：在前翼框架转轴中间和两端分别设有同步轮，在上方的转轴两端设有相应的同步轮，在后翼框架转轴的两端设有相应的同步轮，通过同步带将两端三个的同步轮分别进行链接形成两个三角形的同步传动机构；所述三角形的同步传动机构在前翼框架转轴与后翼框架转轴的一边设有液压杆调节装置。

全文数据：串列翼潮流能捕获装置技术领域[0001]本发明涉及一种潮流能发电设备，尤其涉及一种串列翼潮流能捕获装置。背景技术[0002]随着社会的发展进步，石油、煤炭等传统化石能源消耗日益增加而总量有限，绿色可再生能源得到国内外的普遍重视。潮流能作为一种绿色可再生能源，能够缓解目前的化石能源短缺问题，同时还能有效的降低使用化石能源带来的环境污染。[0003]目前，对潮流能的开发装置主要有垂直轴轮机和水平轴轮机。垂直轴式轮机不受潮流方向的限制，但不能有效控制叶片攻角，能量采集效率较低;水平轴式轮机采用螺旋桨式叶片，运行稳定，检修较为方便，但叶片之间相互干扰影响能量的采集，同时不利于在水深受限区域布置。发明内容[0004]本发明的目的是提供一种可根据水流条件下进行简便地调节、保持较高的能量采集效率的串列翼潮流能捕获装置。[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的：[0006]本发明的串列翼潮流能捕获装置，包括主体框架、叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构、发电机组；[0007]所述振幅控制机构包括曲柄连杆滑块机构，所述转角控制机构包括齿轮组。[0008]由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的串列翼潮流能捕获装置，结构简单可靠，安装方便，能量捕获效率高，对周围水下环境影响较低，易于在浅水区域进行布置。附图说明[0009]图1为本发明实施例提供的串列翼潮流能捕获装置的结构示意图；[0010]图2为本发明实施例中叶片的上下往复振幅的控制机构的结构示意图；[0011]图3为本发明叶片转角控制装置的结构示意图；[0012]图4为本发明实施例中前后翼的前后翼同步转动相位和水平间距控制机构的结构示意图；[0013]图5为本发明实施例的侧视图；[0014]图6为本发明实施例的前视图；[0015]图7为本发明实施例中前后翼水平间距的前后调节示意图；[0016]图8为为本发明实施例中前后翼的运动示意图；[0017]图9为本发明实施例中座底式潮流能捕获布置的结构示意图；[0018]图10为本发明实施例中漂浮式潮流能捕获布置的结构示意图；[0019]图11为本发明实施例中二维的CH数值仿真前后叶片的效率随着相位差改变的变化曲线；[0020]图12为本发明实施例中二维的CH数值仿真前后叶片的效率随着水平间距改变的变化曲线。[0021]图中：[0022]1框架、1.1滑轨、2前翼框架、2.1滑轨、2.2转轴、2.3转轴、2.4发电机、2.5曲柄、2.5.1曲柄、2.6连杆、2.6.1连杆、2.7转角控制机构、2.7.1转角控制机构、2.7-1小齿轮、2.7-2大齿轮、2.8前翼、2.9滑轴、3.9.1滑轴、2.10同步轮、2.10.1同步轮2.11同步轮、2.11.1同步轮、2.12转轴、2.13同步轮、2.14同步轮、2.15同步带、2.16滑块、3后翼框架、3.1转轴、3.2同步轮、3.2.1同步轮、3.3曲柄、3.4发电机、3.4.1发电机、3.5滑轴、3.5.1曲柄你、3.6转轴、3.7后翼、3.8同步轮、3.9同步轮、3.10同步带、3.11连杆、3.11.1连杆、3.12转角控制机构、3.12.1转角控制机构、3.12-1小齿轮、3.12-2大齿轮、3.13滑块、4液压杆、5同步带、6同步带、7小水线面船体、8水面、9水流方向。具体实施方式[0023]下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。[0024]本发明的串列翼潮流能捕获装置，其较佳的具体实施方式是：[0025]包括主体框架、叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构、发电机组；[0026]所述振幅控制机构包括曲柄连杆滑块机构，所述转角控制机构包括齿轮组。[0027]所述转角控制机构和振幅控制机构的转轴的两端设有惯性轮和发电机。[0028]所述叶片的振幅与叶片的弦长比为1:1，所述叶片的转角的放大比例系数为6.154。[0029]所述水平间距和相位控制机构包括三角同步轮和同步带，所述三角同步轮的三角形一边设有液压杆调节装置。[0030]所述前叶片与后叶片的相对位置的关系用全局相位差描述；[0031]上式中，也-2:全局相位差，Lx:前后叶片的水平方向的间距，U:当前的水流速度，T:叶片的运动周期，ε:叶片的垂荡运动和转动运动的相位差，设为π2。[0032]所述全局相位差的无量纲化值为ih-223i=0.444。[0033]本发明的串列翼潮流能捕获装置，基于仿生原理，设定合理运行轨迹的拍动翼，在恰当的振幅、转角等参数范围内，可以实现较为高效的能量采集效率。由此设计的拍动翼能量采集装置具有能量捕获效率高、对环境影响较小、噪声小、可以在浅水域使用等优点；同时，拍动翼采用直叶片结构，简单可靠、加工及维护成本低。[0034]另外，鱼游群体效应等研究表明，在前方鱼体游动产生的相应的尾涡场中，处于一定位置的鱼类可以获得更高的推进效率。申请人通过数值模拟发现当采用串列翼进行相应的能量采集，调节后翼位置、运动等参数，获得最优全局相位差，充分利用前翼产生的卡门涡街，增大后翼的有效攻角，进一步提高能量采集效率。[0035]本发明可根据当地水流特征，简便地调节全局相位差，保持较高的潮流能捕获效率，主要应用于潮流能发电领域。[0036]本发明装置整体主要包括主体框架，叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前后叶片的水平间距和相位控制机构和发电机组。水流冲击叶片，给予叶片升力，在转角控制机构和振幅控制机构的共同作用下，叶片开始做上下往复的运动，通过前后叶片的水平间距和相位控制机构调节前后叶片的水平间距和相位差进而可以使后翼在前翼的尾涡场中形成的卡门涡街中处于的合适的位置和相位，从而提高后翼的能量采集的效率。[0037]采用曲柄连杆滑块机构实现叶片的上下的振幅运动控制，设置叶片的振幅与叶片的弦长比为1:1。[0038]采用大小齿轮比实现叶片转角的放大，叶片的转角的放大比例系数为6.154。[0039]为了能够实现前后叶片的同步运动，前后翼的转动角速度一致，装置通过前后的同步轮和同步带实前后叶片的同步运动。[0040]为了实现前后叶片的水平方向间距的调节，装置采用三角同步轮设计，通过调节三角形一边的边长，进而实现另一边的间距的调节，前后叶片的水平间距调节通过液压杆实现。[0041]为了系统的描述前后叶片的相对位置的关系，这里引入全局相位差的概念，如-2:全局相位差，Lx:前后叶片的水平方向的间距，U:当前的水流速度，T:叶片的运动周期，ε为叶片的垂荡运动和转动运动的相位差设为V2,则全局相位差为通过CFD数值仿真发现当全局相位的差的无量纲化也-2231=0.444附近时，后翼的能量捕获效率处于比较高的状态。[0042]为了实现装置整体运行稳定，在输出轴的两端增加惯性轮和发电机，这样会使输出轴两端受力平衡，同时容易克服运动死点。[0043]本发明的串列翼潮流能捕获装置采用拍动式直叶片进行潮流能的捕获，通过设定优化的叶片的运行轨迹，设计相对简单可靠的全被动式机械装置。装置具有结构简单可靠，安装方便，能量捕获效率高，对周围水下环境影响较低，易于在浅水区域进行布置，对未来的串列拍动式能量捕获装置具有一定的指导价值。[0044]通过曲柄连杆滑块机构实现和转角控制实现叶片的运行轨迹，叶片的上下振幅为1倍的叶片弦长，叶片的转动运动与上下运动相位差为90°，通过齿轮比的放大将叶片转角放大到70°，这种运行轨迹的设定可以有效的提高拍动翼的能量捕获效率。[0045]研究发现在前翼上下往复运动过程中会在尾涡场中产生卡门涡街，这样在尾涡场中的后翼就会受到卡门涡街的影响。引入全局相位差的概念，通过CFD数值发现全局相位差的无量纲值为Φι-223τ=〇.444左右时，后翼的能量捕获效率处于最高的状态。本装置通过三角同步轮传动和液压杆实现前后叶片的水平方向间距的调节和运动的同步性，可根据水流简便地调节全局相位差，使得装置的能量捕获效率在不同情况下均保持较高水平。[0046]装置整体设置为左右对称的结构，这样做的好处是装置在运动的过程中左右受力均衡，可以更有效避免装置局部应力集中，装置的使用寿命更长。[0047]具体实施例：[0048]如图1至图12所示，本发明主要包括的零部件主要包括有：1框架、1.1滑轨、2前翼框架、2.1滑轨、2.2转轴、2.3转轴、2.4发电机、2.5曲柄、2.5.1曲柄、2.6连杆、2.6.1连杆、2.7转角控制机构、2.7.1转角控制机构、2.7-1小齿轮、2.7-2大齿轮、2.8前翼、2.9滑轴、3.9.1滑轴、2.10同步轮、2.10.1同步轮2.11同步轮、2.11.1同步轮、2.12转轴、2.13同步轮、2.14同步轮、2.15同步带、2.16滑块、3后翼框架、3.1转轴、3.2同步轮、3.2.1同步轮、3.3曲柄、3.4发电机、3.4.1发电机、3.5滑轴、3.5.1曲柄你、3.6转轴、3.7后翼、3.8同步轮、3.9同步轮、3.10同步带、3.11连杆、3.11.1连杆、3.12转角控制机构、3.12.1转角控制机构、3.12-1小齿轮、3.12-2大齿轮、3.13滑块、4液压杆、5同步带、6同步带、7小水线面船体、8水面、9水流方向。[0049]图1主要展示了本发明的主要的主体结构，装置采集能量的两个水翼进行前后布置，单个叶片的运动通过曲柄连杆滑块机构和转角控制机构实现叶片的上下的周期性的往复运动，通过前后叶片的水平间距和相位差控制机构实现前后叶片的水平间距的调节和前后叶片的运动相位差的调节。在前后叶片的输出轴两端都装有发电机，将叶片采集的水流动能转化为电能。[0050]叶片上下运动的振幅与叶片的弦长比为1:1，为防止翼端的三围脱落的尾涡对叶片能量采集性能的影响，在翼端的设置有相应的端板，这样可以有效的减小。通过转角控制机构，将叶片的转角放大至70°，同时将叶片运动到上下行程的顶点时，立刻转换转动方向，实现叶片上下运动的周期性运动。转角控制机构和曲柄连杆滑块滑块机构的合理匹配设计，实现叶片较高的能量采集效率。其中转角放大器的小齿轮通过顶丝与叶片的轴固定，大齿轮通过螺栓与连杆相连接。为了使叶片在水流冲击中运行更加稳定，叶片的运动结构采用两边对称设计，同时在曲柄位置安装连个对称曲柄，对称曲柄设有负重，这样的目的是当叶片运动上下行程的死点位置时，可以较为容易的克服运动死点。后翼的运动结构的设计与前翼的运动结构设计大致相同。[0051]为了实现前后叶片的水平方向的间距调节和运动相位差调节，装置设计相应的运动机构，通过同步轮和同步带将前后的叶片的转动向上传递，通过两个设计为直角三角形的同步轮和同步带进行调节前后叶片的水平方向的间距调节，在前翼框架转轴中间设有同步轮，两端设有相应的同步轮，在上方的转轴两端设有相应的同步轮，在后翼的转轴两端设有相应的同步轮，通过同步将前后翼的同步进行链接实现三角形的同步传动机构。在前翼框架和后翼框架的底部和发电机支撑板下面均安装相应的滑块，在装置整体的框架上安装相应的滑轨。在前后叶片的框架的中间两端设有两个液压杆，通过液压杆的伸缩实现前后叶片水平方间距的调节。[0052]装置整体框架采用型材设计，这样制作简单，结构强度可靠。装置可以布置的范围较为广泛，可以布置在海底，也可以布置在漂浮式的平台上进行相应的潮流能的能量捕获，也可以布置在比较浅的水道、河道等。装置的叶片运行机构采用全被动式的机械机构设计，这样装置运动更加稳定，也易于维修。[0053]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

权利要求：1.一种串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，包括主体框架、叶片的转角控制机构、叶片的振幅控制机构、前叶片与后叶片的水平间距和相位控制机构、发电机组；所述振幅控制机构包括曲柄连杆滑块机构，所述转角控制机构包括齿轮组。2.根据权利要求1所述的串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，所述转角控制机构和振幅控制机构的转轴的两端设有惯性轮和发电机。3.根据权利要求2所述的串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，所述叶片的振幅与叶片的弦长比为1:1，所述叶片的转角的放大比例系数为6.154。4.根据权利要求1所述的串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，所述水平间距和相位控制机构包括三角同步轮和同步带，所述三角同步轮的三角形一边设有液压杆调节装置。5.根据权利要求1至4任一项所述的串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，所述前叶片与后叶片的相对位置的关系用全局相位差描述；上式中，如-2:全局相位差，Lx:前后叶片的水平方向的间距，U:当前的水流速度，T:叶片的运动周期，ε:叶片的垂荡运动和转动运动的相位差，设为π2。6.根据权利要求5所述的串列翼潮流能捕获装置，其特征在于，所述全局相位差的无量纲化值为Φι-22π=〇.444。

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