一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉(zhuǎn)彈簧、線性導(dǎo)軌、下部傳動(dòng)桿、上部傳動(dòng)桿和直線發(fā)電機(jī)，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過(guò)軸承與支撐桿頂部鉸接，連接桿中部設(shè)扭轉(zhuǎn)彈簧并固定于軸承外側(cè)，連接桿兩端分別連接線性導(dǎo)軌，線性導(dǎo)軌外端分別與振子連接；下部傳動(dòng)桿的底部與連接桿中部固接，頂部設(shè)有線性導(dǎo)軌；上部傳動(dòng)桿通過(guò)軸承與下部傳動(dòng)桿連接，構(gòu)成整體振動(dòng)系統(tǒng)；上部傳動(dòng)桿與直線發(fā)電機(jī)連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該裝置實(shí)現(xiàn)了多個(gè)振子能量的統(tǒng)一搜集，提高了振子群的發(fā)電效率；以少數(shù)大容量發(fā)電機(jī)代替多數(shù)小容量發(fā)電機(jī)，降低了制造與安裝成本，提高工程實(shí)用性；該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。
【專利說(shuō)明】一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體力學(xué)及新能源發(fā)電領(lǐng)域，特別是一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，能源儲(chǔ)備已經(jīng)成為影響各國(guó)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。由此，新型能源的開(kāi)發(fā)與利用已成為各國(guó)能源開(kāi)發(fā)的熱門(mén)話題。在諸多新型能源類型中，海洋洋流能源以其規(guī)模龐大、分布廣泛、蘊(yùn)藏量豐富等優(yōu)勢(shì)備受各國(guó)能源開(kāi)發(fā)者青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球可利用海流能高達(dá)5X 106麗。在我國(guó)，單沿岸流的理論可開(kāi)發(fā)量就可達(dá)1.4X IO5MW,相當(dāng)于70個(gè)三峽水電站的裝機(jī)容量，可見(jiàn)其蘊(yùn)藏量之龐大。除此之外，與洋流類似的水電站尾水中也蘊(yùn)含相當(dāng)豐富的余能。如若將尾水余能轉(zhuǎn)化為廠用電能，則可有效提高水電站廠房的運(yùn)行效率，降低廠用電設(shè)備的建設(shè)成本；同時(shí)，因尾水能量的利用，尾水流速得以大幅降低，從而在一定程度上降低了水墊塘及邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)程度?？梢?jiàn)，水電站尾水余能的利用乃一舉兩得之效。然而，上述兩種能源都具有一個(gè)典型的特點(diǎn)，即低流速，其流速范圍一般不超過(guò)2m/s。對(duì)于傳統(tǒng)的螺旋槳葉式(軸流、貫流)發(fā)電機(jī)而言，其啟動(dòng)流速均大于2m/s，顯然無(wú)法有效利用這些豐富的能源。因此，有效的低速水流發(fā)電裝置的研發(fā)已成為該領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題。
[0003]2008年,美國(guó)密歇根大學(xué)的Bernitsas教授及其團(tuán)隊(duì)成功研制了一種新型的低速
水流發(fā)電裝置-VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy),并成功申
請(qǐng)專利。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，在一定流速下，彈性支撐的繞流鈍體后側(cè)會(huì)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，并引起鈍體周期性振動(dòng)；而鈍體振動(dòng)亦造成流體尾渦形態(tài)改變，此即渦激振動(dòng)現(xiàn)象。VIVACE發(fā)電裝置就是從渦激振動(dòng)原理出發(fā)，利用振動(dòng)機(jī)械能，有效的轉(zhuǎn)化為電能。該裝置的主要特點(diǎn)在于:1)啟動(dòng)流速低，0.25m/s時(shí)即可啟動(dòng)，故可有效的利用洋流能與水電站尾水余能；2)不影響通航，不破壞海岸線；3)不影響水生生物。然而，VIVACE裝置具有顯著缺陷=VIVACE渦激振動(dòng)發(fā)電裝置采用單振子振動(dòng)發(fā)電，振子間相互獨(dú)立，故每個(gè)振子均須配備一套傳動(dòng)、發(fā)電、傳電 及變頻設(shè)備；同時(shí)，由于振動(dòng)一致性差，導(dǎo)致變頻成本高，不利于上網(wǎng)流通。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知:對(duì)于低速水流(流速不超過(guò)2m/s)，VIVACE的振子直徑不宜超過(guò)10cm，長(zhǎng)度不宜超過(guò)lm，故一個(gè)振子的最大理論發(fā)電功率僅為90W。那么，對(duì)于一個(gè)360MW的發(fā)電場(chǎng)而言，其需配備的傳動(dòng)、發(fā)電及變頻設(shè)備需達(dá)到4X IO6套，實(shí)際工程中制造如此之多的發(fā)電機(jī)顯然是不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用的?？梢?jiàn)，上述缺陷極大的降低了 VIVACE渦激振動(dòng)發(fā)電裝置的工程經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。
[0004]渦激振動(dòng)的形成機(jī)理較多，其中尾流馳振是一種較為特殊的渦激振動(dòng)現(xiàn)象。所謂尾流馳振，即后排圓柱由于處于前排圓柱的尾流脫渦區(qū)而產(chǎn)生的渦激振動(dòng)現(xiàn)象。由于受到前排圓柱脫渦的激勵(lì)，后排圓柱的升力系數(shù)與振動(dòng)幅度一般會(huì)大于普通渦激振動(dòng)。可見(jiàn)，如若利用尾流馳振效應(yīng)，可增大渦激振動(dòng)發(fā)電設(shè)備的振動(dòng)幅度，從而增大渦激振動(dòng)發(fā)電能量的轉(zhuǎn)化。為此，針對(duì)VIVACE單振子渦激振動(dòng)發(fā)電設(shè)備的根本問(wèn)題，并結(jié)合渦激振動(dòng)與尾流馳振效應(yīng)，本發(fā)明提出一種基于渦激振動(dòng)與尾流馳振的多振子聯(lián)合振動(dòng)低速水流發(fā)電裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析和存在問(wèn)題，提供一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，該裝置能有效利用渦激振動(dòng)與尾流馳振效應(yīng)，并解決單振子渦激振動(dòng)發(fā)電裝置存在的明顯缺陷，降低制造成本，提高發(fā)電效率與發(fā)電質(zhì)量，增強(qiáng)渦激振動(dòng)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性與工程適用性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉(zhuǎn)彈簧、線性導(dǎo)軌、下部傳動(dòng)桿、上部傳動(dòng)桿和直線發(fā)電機(jī)，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過(guò)軸承與支撐桿頂部鉸接以使連接桿可繞支撐桿頂部旋轉(zhuǎn)，連接桿中部設(shè)扭轉(zhuǎn)彈簧以使連接桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受回復(fù)力作用并具備往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能力，扭轉(zhuǎn)彈簧固定于軸承外側(cè)，連接桿兩端分別連接線性導(dǎo)軌，兩個(gè)線性導(dǎo)軌外端分別與一個(gè)振子連接以使連接桿作往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)振子做上下線性運(yùn)動(dòng)；下部傳動(dòng)桿的底部與連接桿中部固定連接以使下部傳動(dòng)桿可隨連接桿共同做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下部傳動(dòng)桿頂部設(shè)有線性導(dǎo)軌并通過(guò)軸承與上部傳動(dòng)桿連接以使下部傳動(dòng)桿可隨連接桿共同做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下部傳動(dòng)桿每隔對(duì)振子間設(shè)置一個(gè)；上部傳動(dòng)桿通過(guò)軸承與所有下部傳動(dòng)桿連接,構(gòu)成整體振動(dòng)系統(tǒng)；上部傳動(dòng)桿一端與直線發(fā)電機(jī)連接。
[0007]所述發(fā)電裝置中的振子數(shù)量為4-16個(gè)，適用湍流度較低的水流環(huán)境，流速范圍為
0.5-1.5m/s。
[0008]本發(fā)明的工作機(jī)理:
該裝置基于渦激振動(dòng)與尾流馳振效應(yīng)，將多個(gè)振子串聯(lián)成一排整體振子群，使各振子的振動(dòng)同步而不獨(dú)立，然后將振子群整體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為同一方向的線形運(yùn)動(dòng)，最后使用少數(shù)大容量發(fā)電機(jī)將上述能量進(jìn)行集中搜集；振子群的整體振動(dòng)形式為對(duì)振，即前后振子在振動(dòng)過(guò)程中振幅相同但振動(dòng)方向相反。該裝置利用了渦激振動(dòng)與尾流馳振效應(yīng)，在保證原有VIVACE單振子渦激振動(dòng)發(fā)電裝置優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，解決了其顯著缺陷，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，降低了該類電廠的建設(shè)成本，增強(qiáng)了原有渦激振動(dòng)發(fā)電裝置的適用范圍與工程實(shí)用性。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
該發(fā)電裝置在充分利用渦激振動(dòng)的前提下有效地利用了尾流馳振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)振子能量的統(tǒng)一搜集，規(guī)范了振子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了振子群的發(fā)電效率，保證了發(fā)電質(zhì)量，為該類型電能的上網(wǎng)運(yùn)行提供了良好的前提條件；該裝置實(shí)現(xiàn)了以少數(shù)大容量發(fā)電機(jī)代替多數(shù)小容量發(fā)電機(jī)的目的，從而降低了制造與安裝成本，提高工程實(shí)用性；該裝置所對(duì)應(yīng)的連接與傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于制造，便于拆卸更替，具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性，可廣泛的運(yùn)用于海流及水電站尾水的渦激振動(dòng)發(fā)電工程中。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3為基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置運(yùn)行原理示意圖。[0013]圖中1.振子2.支撐桿3.連接桿4.軸承5.扭轉(zhuǎn)彈簧6.線性軸承7.下部傳動(dòng)桿8.上部傳動(dòng)桿9.直線發(fā)電機(jī)10A-101.脫落漩渦。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例:
一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，如圖1、2所示，包括振子1、支撐桿2、連接桿3、軸承4、扭轉(zhuǎn)彈簧5、線性導(dǎo)軌6、下部傳動(dòng)桿7、上部傳動(dòng)桿8及直線發(fā)電機(jī)9組成，支撐桿2固定于水流底部；連接桿3中部通過(guò)軸承4與支撐桿2頂部鉸接，連接桿3中部設(shè)扭轉(zhuǎn)彈簧5，扭轉(zhuǎn)彈簧位于軸承外部，連接桿3兩端分別連接線性導(dǎo)軌6，兩個(gè)線性導(dǎo)軌6外端分別連接一個(gè)振子I，連接桿3中部與下部傳動(dòng)桿7底部固接；下部傳動(dòng)桿7頂部設(shè)置線性導(dǎo)軌6，線性導(dǎo)軌6外端通過(guò)軸承4與上部傳動(dòng)桿8連接；下部傳動(dòng)桿7每隔I對(duì)振子I間設(shè)置一個(gè)；上部傳動(dòng)桿與所有下部傳動(dòng)桿7連接；通過(guò)上述方式，將所有振子I串聯(lián)成排，形成整體振動(dòng)系統(tǒng)；上部傳動(dòng)桿8 —端與直線發(fā)電機(jī)9連接。
[0015]該實(shí)施例中，振子I為圓柱體，數(shù)量6個(gè)，直徑10cm、長(zhǎng)度lm，單個(gè)質(zhì)量7.8kg ;支撐2數(shù)量5對(duì)，高度0.5m ;連接桿3數(shù)量5對(duì)，長(zhǎng)度0.5m ;下部傳動(dòng)桿7個(gè)數(shù)3對(duì)，長(zhǎng)度0.5m ；線性導(dǎo)軌6數(shù)量9對(duì)，可伸縮長(zhǎng)度0.2m ;上部傳動(dòng)桿6長(zhǎng)度6m ;扭轉(zhuǎn)彈簧5個(gè)數(shù)5個(gè)，剛度400N/rad ;直線發(fā)電機(jī)9功率800W。
[0016]該實(shí)施例振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3所示，圖中:1A-1C代表三個(gè)振子，10A-10I表示脫落漩渦，具體分析如下:
O因約束作用，各時(shí)刻振子1A、1B的位移大小相同，但位移方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；同理，各時(shí)刻1B、1C的位移大小相同,但位移方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；
2)振子IA由正向最大位移向負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí),振子IB則由負(fù)向最大位移向正向運(yùn)動(dòng)，IC則由正向最大位移向負(fù)向運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，振子1A、1B和IC后側(cè)分別產(chǎn)生脫落漩渦10AU0B和IOC ；
3)振子IA運(yùn)動(dòng)到負(fù)向最大位移時(shí)，振子IB和IC分別運(yùn)動(dòng)到正向最大位移和負(fù)向最大位移處；漩渦IOA和IOB分別運(yùn)動(dòng)到振子IB和IC的前端；振子IA因自身脫落漩渦IOD作用向上運(yùn)動(dòng)；振子IB則受到自身脫落漩渦IOE及漩渦IOA的共同作用向下運(yùn)動(dòng)；同理，振子IC受到自身脫落漩渦IOF及漩渦IOB的共同作用向上運(yùn)動(dòng)；
4)振子IA回到正向最大位移,振子IB和IC分別回到負(fù)向最大位移和正向最大位移處；漩渦IOD和IOE分別運(yùn)動(dòng)到振子IB和IC的前端；振子IA因自身脫落漩渦IOG作用向下運(yùn)動(dòng)；振子IB則受到自身脫落漩渦IOH及漩渦IOD的共同作用向下運(yùn)動(dòng)；同理，振子IC受到自身脫落漩渦101及漩渦IOE的共同作用向上運(yùn)動(dòng)；
5)振子1A、1B和IC按照上述方式持續(xù)做線性上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0017]裝置傳力過(guò)程:由振子(群)I的共同振動(dòng)帶動(dòng)下部傳動(dòng)桿7往復(fù)扭擺運(yùn)動(dòng)；隨后，由下部傳動(dòng)桿7帶動(dòng)上部傳動(dòng)桿8做線性水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)；最后，由上部傳動(dòng)桿8帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)9進(jìn)彳丁電能轉(zhuǎn)換，完成多振子能量的集中搜集。
[0018]由于多振子整體振動(dòng)方式多樣，因此，凡涉及渦激振動(dòng)與尾流馳振的多振子聯(lián)合發(fā)電的其他形式也均屬于本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征在于:包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉(zhuǎn)彈簧、線性導(dǎo)軌、下部傳動(dòng)桿、上部傳動(dòng)桿和直線發(fā)電機(jī)，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過(guò)軸承與支撐桿頂部鉸接以使連接桿可繞支撐桿頂部旋轉(zhuǎn)，連接桿中部設(shè)扭轉(zhuǎn)彈簧以使連接桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受回復(fù)力作用并具備往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能力，扭轉(zhuǎn)彈簧固定于軸承外側(cè)，連接桿兩端分別連接線性導(dǎo)軌，兩個(gè)線性導(dǎo)軌外端分別與一個(gè)振子連接以使連接桿作往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)振子做上下線性運(yùn)動(dòng)；下部傳動(dòng)桿的底部與連接桿中部固定連接以使下部傳動(dòng)桿可隨連接桿共同做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下部傳動(dòng)桿頂部設(shè)有線性導(dǎo)軌并通過(guò)軸承與上部傳動(dòng)桿連接以使下部傳動(dòng)桿可隨連接桿共同做往復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下部傳動(dòng)桿每隔對(duì)振子間設(shè)置一個(gè)；上部傳動(dòng)桿通過(guò)軸承與所有下部傳動(dòng)桿連接，構(gòu)成整體振動(dòng)系統(tǒng)；上部傳動(dòng)桿一端與直線發(fā)電機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于多振子的對(duì)振式渦激振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征在于:所述發(fā)電裝置中的振子數(shù)量為4-16個(gè)，適用湍流度較低的水流環(huán)境，流速范圍為0.5-1.5m/s。
【文檔編號(hào)】F03B13/00GK104005901SQ201410229860
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】燕翔, 練繼建, 張軍, 卜同勝, 劉卓, 劉昉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)前沿技術(shù)研究院有限公司