使用水流能量的無(wú)底杯式水力轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)力的水力轉(zhuǎn)換裝置，特別涉及阻力型水下水輪機(jī)以及水下循環(huán)鏈帶水輪機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)發(fā)表了各種各樣的利用海洋能進(jìn)行發(fā)電的方法，但在其中，如果著眼于利用海洋能的基本，也就是水流進(jìn)行水力轉(zhuǎn)換的方法，則目前還處于開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性使用升力型葉輪的階段。
[0003]對(duì)于阻力型而言，非專利文獻(xiàn)I所示的、可以在水下使用的方法都未被實(shí)用化，在專利文獻(xiàn)I中，有在擠壓口中產(chǎn)生大損耗的危險(xiǎn)，因此，目前沒(méi)有可以在阻力型水輪機(jī)上實(shí)用的方法。
[0004]也就是說(shuō)，對(duì)于利用流體動(dòng)能的方法，大致分為升力型和阻力型兩種，但是如果將其按照旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)流向的方向劃分，則平行的為升力型，正交的為阻力型，沒(méi)有可以在水下使用的阻力型，升力型也尚未在水下有取得實(shí)際成果。
[0005]因此，如果列舉通用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為代表例對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，則為，升力型的風(fēng)力發(fā)電是將動(dòng)能最大化后進(jìn)行利用的方式，但另一方面，對(duì)于過(guò)大能量的控制方法只有切斷，另外也存在失速現(xiàn)象、適應(yīng)流速范圍窄的缺點(diǎn)，平均一架發(fā)電機(jī)的最大發(fā)電量存在限度。
[0006]進(jìn)一步闡述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)面為一個(gè)圓形并使其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生擾動(dòng)，未發(fā)揮葉片效果，因此如非專利文獻(xiàn)2那樣減小葉片寬度和葉片個(gè)數(shù)，但是產(chǎn)生直接通過(guò)葉片間空隙而不產(chǎn)生任何力的無(wú)用流量增多的矛盾，功率為每臺(tái)30%，另外，通過(guò)大功率產(chǎn)生小轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力不適用于需要大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)。
[0007]而且，由于相鄰的彼此間不能連結(jié)，因此不能進(jìn)行大容量發(fā)電，即使建立多個(gè)也不能降低成本。
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本國(guó)專利第4917690號(hào)
[0009]非專利文獻(xiàn)1:波力發(fā)電(從原理到應(yīng)用)海流、潮流發(fā)電系統(tǒng)P7能量株式會(huì)社(波力発電(原理扣6応用法T )海流.潮流発電> 只亍A P7 /《7—社)
[0010]非專利文獻(xiàn)2:圖解風(fēng)力發(fā)電的全部風(fēng)車的基礎(chǔ)知識(shí)P48株式會(huì)社工業(yè)調(diào)查會(huì)(図解風(fēng)力発電?丈< τ風(fēng)車ω基礎(chǔ)知識(shí)Ρ48株式會(huì)社工業(yè)調(diào)查會(huì))

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0012]本發(fā)明的目的在于通過(guò)使用阻力型水輪機(jī)解決上述的升力型的難點(diǎn)，從而提供一種廉價(jià)且無(wú)公害、可用于大容量發(fā)電的水力轉(zhuǎn)換裝置。
[0013]解決問(wèn)題的手段
[0014]本發(fā)明的水力轉(zhuǎn)換裝置，為水下水輪機(jī)，其特征在于，水輪機(jī)為繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)或在一對(duì)擒縱輪之間敷設(shè)有連續(xù)皮帶的循環(huán)鏈帶水輪機(jī)，在旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)的外輪上或循環(huán)鏈帶水輪機(jī)的連續(xù)皮帶上通過(guò)樞軸可自由立起/自由倒伏地樞轉(zhuǎn)安裝有無(wú)底杯，在外輪或連續(xù)皮帶與水流方向同向行進(jìn)的狀態(tài)下，無(wú)底杯成為立起狀態(tài)，杯底部由設(shè)置在外輪上或連續(xù)皮帶上的底板封堵，作為水流阻力大的受水杯發(fā)揮作用，在與水流方向逆向行進(jìn)的狀態(tài)下，無(wú)底杯成為倒伏狀態(tài)，由于杯底部成為開(kāi)口狀態(tài)而減小水流阻力，從而利用兩種狀態(tài)的阻力差進(jìn)行自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)，通過(guò)在無(wú)底杯成為倒伏狀態(tài)的上游側(cè)設(shè)置擋水板，使逆向行進(jìn)路形成停滯水區(qū)域，使離心力作用于無(wú)底杯，從而從倒伏狀態(tài)回歸到立起狀態(tài)。
[0015]由此，在杯承受水流的流動(dòng)同向行進(jìn)的同向行進(jìn)路上，作為有底杯吸收流動(dòng)的能量，在與水流的流動(dòng)相反的逆向行進(jìn)路上，水流從無(wú)底杯開(kāi)口的底部穿過(guò)，水輪機(jī)即使在水下也可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
[0016]另外，通過(guò)在無(wú)底杯的逆向行進(jìn)路的前方設(shè)置擋水板形成停滯水區(qū)域，對(duì)于無(wú)底杯的受壓板背面的水流力減小。
[0017]在單軸水輪機(jī)或連續(xù)皮帶等的阻力型水輪機(jī)中，通過(guò)受水杯在同向行進(jìn)路徑和逆向行進(jìn)路徑中的阻力差旋轉(zhuǎn)，但是完全浸沒(méi)在水下難以增大該阻力差。
[0018]在公知的鏈帶水輪機(jī)中，從立起到倒伏狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)為大約一個(gè)直角的旋轉(zhuǎn)，但是從倒伏到立起狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)需要大約3個(gè)直角的旋轉(zhuǎn)，而且受壓板的背面被水流按壓，因此難以解決杯的旋轉(zhuǎn)方式，但是在本申請(qǐng)中，無(wú)底杯的重心遠(yuǎn)離樞軸，因此通過(guò)離心力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此，在水流中通過(guò)擋水板形成停滯水域，其中，該杯通過(guò)離心力成為半立起狀態(tài)，接下來(lái)的流入水撞擊該杯的內(nèi)側(cè)，使其成為立起狀態(tài)。
[0019]另外，在杯承受水流的流動(dòng)而同向行進(jìn)的同向行進(jìn)路徑上，作為有底杯吸收流動(dòng)的能量，在與水流方向相反的逆向行進(jìn)路徑中，水流從無(wú)底杯開(kāi)口的底部穿過(guò)，通過(guò)兩者的阻力差產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，因此，不管是縱置型還是橫置型都可動(dòng)，可以構(gòu)成即使水輪機(jī)在水下也可以連續(xù)自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)的阻力型水輪機(jī)。
[0020]另外，在阻力型水輪機(jī)中，因?yàn)樗髯矒羰軌喊?a而產(chǎn)生力，因此對(duì)于置于水流中的無(wú)底杯的阻力，當(dāng)設(shè)定D =產(chǎn)生的阻力、Cd =阻力系數(shù)、S =投影面積、K =動(dòng)壓(Pa)、K = 1/2* P *U2、U =外界流速、P =流體密度時(shí)，立起狀態(tài)的阻力表達(dá)為D1= C ^SfK1，同樣，倒伏狀態(tài)的阻力表達(dá)為D2= CD2*S2*K2。
[0021]如果比較兩式，則S1 > S 2，且由于Cdi > C D2，因此D1 >> D 2，由于阻力差大而旋轉(zhuǎn)。
[0022]下面，當(dāng)分析各自的系數(shù)比時(shí)，投影面積的比RS = S/S2是受壓板的最大面積與板厚之比，其為幾十倍，對(duì)于阻力系數(shù)的比RCd= CD1/CD2，在半球狀杯的情況下，Cdi= 1.33,Cd2=0.33，因此比RCd= CD1/CD2= 4，但是由于無(wú)底杯為彎曲的板，因此在4之上。
[0023]因此，RS和RCd同時(shí)增大，阻力KD1ZD2= (RC d*Rs) *K變得非常大，遠(yuǎn)超性能良好的葉片的升阻比。
[0024]因此，適于寬廣的流速范圍，不受貝茨最大效率限制，而且可以利用外界流速提高能量，具有實(shí)用性。
[0025]相比升力型的葉片，阻力型杯易于制作。
[0026]另外，在逆向行進(jìn)路徑的管路中，由于無(wú)底杯的受壓板與水流大致平行地移動(dòng)，因此截面積和阻力系數(shù)兩方面都縮小，阻力變小。
[0027]本發(fā)明也可以為循環(huán)鏈帶水輪機(jī)，其中，在具有水中浮力的中央主體的全周形成連續(xù)皮帶的帶面從而配置一圈上述連續(xù)皮帶，在貫通中央主體的兩側(cè)面安裝的擒縱輪軸的兩端部分別固定擒縱輪，通過(guò)將形成于連續(xù)皮帶兩側(cè)的突軸和設(shè)置在該擒縱輪上的鏈輪齒嚙合，從而將水流能量轉(zhuǎn)換為擒縱輪軸的旋轉(zhuǎn)力。
[0028]這樣，可以用連續(xù)皮帶分割為同向行進(jìn)路徑和逆向行進(jìn)路徑，并且可以通過(guò)皮帶的長(zhǎng)度容易地調(diào)節(jié)水流路的長(zhǎng)度。
[0029]另外，通過(guò)形成為設(shè)于連續(xù)皮帶的突軸與擒縱輪的鏈輪齒嚙合的結(jié)構(gòu)，使得不易于纏繞漂流的垃圾或海藻等。
[0030]當(dāng)連續(xù)皮帶沿上下方向繞中央主體的全周旋轉(zhuǎn)時(shí)，該主體為懸空狀態(tài)，因此在該主體的內(nèi)部貫通多個(gè)擒縱輪軸，并通過(guò)設(shè)于縱隔板的軸承進(jìn)行固定支承。
[0031]這里，使中央主體延伸至比上游側(cè)的擒縱輪更靠近前方上側(cè)，底面形成為反向傾斜面，在該前方延伸部設(shè)置小型導(dǎo)輪，但是也可以進(jìn)一步通過(guò)將擋水板內(nèi)側(cè)設(shè)置為小內(nèi)徑的圓筒形、或在低流速區(qū)域中使用該反向傾斜面、或靠近該小型導(dǎo)輪設(shè)置張緊裝置的任一項(xiàng)使無(wú)底杯旋轉(zhuǎn)。
[0032]使第三擒縱輪軸貫通中央主體，設(shè)置小直徑導(dǎo)輪，則連續(xù)皮帶的角速度變大，作用于無(wú)底杯的離心力增強(qiáng)。
[0033]另外，使擋水板與裝置一體化，將其內(nèi)側(cè)設(shè)置為小內(nèi)徑的圓筒形，當(dāng)將其設(shè)置為比無(wú)底杯的前端部自由旋轉(zhuǎn)的外徑更小時(shí)，也可以設(shè)置為受壓板的外表面被圓筒面按壓的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，并在設(shè)于圓筒面出口的導(dǎo)輥處一下子釋放，受繞導(dǎo)輪軸的角速度和繞樞軸的角加速度的雙重作用，產(chǎn)生瞬間爆發(fā)力，增強(qiáng)無(wú)底杯的旋轉(zhuǎn)力。
[0034]另外，也可以通過(guò)在小型導(dǎo)輪和上游側(cè)的擒縱輪之間設(shè)置將旋轉(zhuǎn)的連續(xù)皮帶向內(nèi)側(cè)方向牽引的張緊裝置，以對(duì)無(wú)底杯施加旋轉(zhuǎn)力，不設(shè)置擋水板而使無(wú)底杯回歸到立起狀態(tài)，或在小型導(dǎo)輪附近形成無(wú)底杯通過(guò)重力立起的方向的反向傾斜面。
[0035]本發(fā)明不限制旋轉(zhuǎn)輸出的獲取方法，例如，可以單獨(dú)使用從與擒縱輪同軸安裝的主動(dòng)齒輪到傳輸?shù)妮敵鲚S之間的傳輸系統(tǒng)，也可以將其與變速齒輪和單向離合器組合使用。
[0036]通過(guò)導(dǎo)輪和張緊裝置的兩級(jí)組合，預(yù)先緩慢吊起連續(xù)皮帶，使連續(xù)皮帶繞導(dǎo)輪卷入，使其成為立起狀態(tài)，或使其形成反向傾斜面，使支承于樞軸的無(wú)底杯自然下落，通過(guò)即使在小流速下也完成旋轉(zhuǎn)，從而使其完全自啟動(dòng)。
[0037]本發(fā)明也可以將兩個(gè)以上的多臺(tái)循環(huán)鏈帶水輪機(jī)用連結(jié)件并列連結(jié)，通過(guò)漂浮配置而形成為較長(zhǎng)裝置，獨(dú)立設(shè)置的外部浮力體具有支承柱和緊固件，將上述連結(jié)工具緊固在支承柱上并將緊固索與緊固件緊密連接，使在設(shè)置于上述各臺(tái)水輪機(jī)的擒縱輪軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力輸出到通用軸。
[0038]本發(fā)明為連續(xù)皮帶的旋轉(zhuǎn)軸與流向正交的阻力型水輪機(jī)，因此若設(shè)定U為外界流速(m/s)、P為質(zhì)量(kg/m3)、Q為體積流量(m3/s)、P為動(dòng)能(J/s = ff)，則理論發(fā)電量為P=P QU2/2 (W)，與流入水量Q成比例。
[0039]因此，將各臺(tái)循環(huán)鏈帶水輪機(jī)通過(guò)連通工具結(jié)合多臺(tái)，使其形成為漂浮并列配置的較長(zhǎng)裝置，將各裝置得到的轉(zhuǎn)矩集中至一根通用軸，使其產(chǎn)生大的角動(dòng)量，因此當(dāng)使其漂浮時(shí)，可以大量獲得表層部的高能量密度的水流。
[0040]在該較長(zhǎng)裝置的兩端預(yù)先設(shè)置具有支承柱和緊固件的外部浮力體，將連結(jié)件(連通工具)固定在支承柱上，通過(guò)緊固索和錨將該外部浮力體系住，則較長(zhǎng)裝置克服水流壓力漂浮固定在水下，因此發(fā)揮大容量的發(fā)電能力，降低發(fā)電成本。
[0041]另外，通過(guò)設(shè)置外部浮力體并使其分擔(dān)中間支承和緊固的外力，使得裝置可以使用相同的產(chǎn)品，從而可以進(jìn)行大量生產(chǎn)。
[0042]另一方面，由于升力型不能將相鄰的水輪機(jī)彼此連結(jié)，因此大容量發(fā)電只能依靠將單臺(tái)大型化，不能降低經(jīng)濟(jì)成本。
[0043]本發(fā)明也可以形成較短裝置，在該較短裝置中將環(huán)形鎖帶水輪機(jī)的多個(gè)擒縱輪軸設(shè)置為一根實(shí)際使用長(zhǎng)度的共用驅(qū)動(dòng)軸，相鄰的較短裝置的縱隔板之間形成間隔作為齒輪室，在從上述共用驅(qū)動(dòng)軸向通用軸的轉(zhuǎn)矩傳輸路徑中設(shè)置變速齒輪和單向離合器并將其安裝在齒輪室中。
[0044]本發(fā)明也可以將完全浸沒(méi)在水下的連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)路徑分割為上側(cè)和下側(cè)兩個(gè)回路，各回路在兩端部具有流入口部和流出口部，通過(guò)在該流出口部設(shè)置形成可動(dòng)式或固定式的擋水板，以使得形成為在上述上側(cè)和下側(cè)的回路中通過(guò)上述擋水板互相自動(dòng)交替工作，其中，一個(gè)回路作為從流入口流入水流的同向行進(jìn)路徑工作，另一個(gè)回路作為阻止流入水并使無(wú)底杯旋轉(zhuǎn)的逆向行進(jìn)路徑工作。
[0045]在將連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)路徑分割為上下兩段回路時(shí)，由于都在水下開(kāi)口，因此使各流入口設(shè)置在裝置的前后，在各流入口使用擋水板引導(dǎo)往流和返流，使各管路發(fā)揮同向行進(jìn)路徑的作用和逆向行進(jìn)路徑的作用，從而每當(dāng)流向反轉(zhuǎn)時(shí)，使同向行進(jìn)路徑和逆向行進(jìn)路徑的作用交替起作用。
[0046]同向行進(jìn)路徑的作用是使管路的入口和出口打開(kāi)，逆向行進(jìn)路徑的作用是關(guān)閉入口或引導(dǎo)外界流，在出口使無(wú)底杯旋轉(zhuǎn)。
[0047]利用往返流的水力轉(zhuǎn)換裝置是通過(guò)對(duì)于來(lái)自任一側(cè)的流動(dòng)都使連續(xù)皮帶的旋轉(zhuǎn)時(shí)常為相同方向而實(shí)現(xiàn)的。
[0048]將連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)路徑分割為上側(cè)和下側(cè)兩個(gè)回路，使各回路的兩端為流入口部和流出口部，并相互朝向相反方向設(shè)置。
[0049]在設(shè)于兩側(cè)的流出口部安裝被自動(dòng)開(kāi)閉控制的擋水板，對(duì)來(lái)自流入口部的流入水，打開(kāi)并使其流出，但對(duì)來(lái)自相反方向的浸入水，關(guān)閉并阻止。
[0050]由于是完全浸水式的水輪機(jī)，所以設(shè)于前后的流入口部在水下打開(kāi)，對(duì)應(yīng)往返流，對(duì)于來(lái)自任一側(cè)的流入水，回路另一端的擋水板都打開(kāi)使其流出，因此形成為同向行進(jìn)路徑，獲得驅(qū)動(dòng)力。
[0051 ]另外，在流入口部，在向下旋轉(zhuǎn)的一側(cè)，通過(guò)反向傾斜面使其自然下落，在向上旋轉(zhuǎn)的一側(cè)設(shè)定上述的兩級(jí)組合導(dǎo)輪，從而對(duì)來(lái)自任一側(cè)的流入水都進(jìn)行自啟動(dòng)。
[0052]雖然回路在開(kāi)放水路中工作，但是，也可以形成使用上下頂板或底板的導(dǎo)水路徑保護(hù)杯不受漂流物影響，或形成壓力管路，提高效率。
[0053]自動(dòng)開(kāi)閉控制的擋水板是在長(zhǎng)周期的潮流中通過(guò)與水的比重差和流速進(jìn)行控制的可動(dòng)式，但是由于在短周期的波浪流中使用百葉窗結(jié)構(gòu)(以下稱為夾縫)的固定臂，因?yàn)楣潭ǘ蟠鬁p少了故障發(fā)生。
[0054]自動(dòng)開(kāi)閉控制的擋水板對(duì)于可動(dòng)式擋水板形成為