一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于，包括垂直布置的套筒和葉片以及水平布置且能夠圍繞其軸線搖擺運動的耳軸；其中，套筒的一端固定在耳軸上，葉片的底部插入在套筒的另一端中，且葉片能夠沿自身的軸線在套筒中自由扭轉(zhuǎn)；耳軸的一端與平面渦卷彈簧連接，另一端與動力輸出裝置連接。本發(fā)明提供的利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，該裝置中的葉片有兩個相互獨立的自由度，葉片的扭轉(zhuǎn)和搖擺運動均由流體驅(qū)動。其中葉片的扭轉(zhuǎn)運動主要利用流體經(jīng)過鈍體時的渦脫落效應(yīng)，葉片的擺動主要利用了葉片周期性的升力變化。
【專利說明】
一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力或水力發(fā)電裝置，尤其涉及一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置。【背景技術(shù)】:
[0002]隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，人們對能源、特別是清潔能源的需求日益增長。傳統(tǒng)水電站和風(fēng)機的發(fā)電量逐年增長，但是其對環(huán)境的影響也日益受到關(guān)注。比如，水電站對上下游生態(tài)和局部地貌的影響、大型風(fēng)機的噪聲污染及其對候鳥迀徙的影響。傳統(tǒng)水電站和風(fēng)機，特別是水電站的裝機容量逐漸逼近其極限值。在此背景下，傳統(tǒng)的水輪機和風(fēng)機及其替代或補充方案都得到了發(fā)展。其中，振蕩翼型吸能近年來逐漸受到學(xué)界的關(guān)注， 并進行了全面的研究。與傳統(tǒng)風(fēng)機相比，振蕩翼型吸能裝置結(jié)構(gòu)簡單、建造成本低、尺寸小、 對環(huán)境也更友好;其應(yīng)用范圍也更廣，比如河流、海岸、峽谷等不適合傳統(tǒng)水輪機和風(fēng)力機的狹長流體區(qū)域;振蕩翼型發(fā)電裝置在不同的流速下均能保持較高的吸能效率，意味著特別適合于洋流、潮汐這類低流速、高流體密度的場合。
[0003]現(xiàn)有的振蕩翼型吸能機構(gòu)在垂直于來流方向以平動為主，需要在葉片的兩端設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致機構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)性也較差;此外，需要專門的電機驅(qū)動翼型扭轉(zhuǎn)、或者采用連桿曲軸等機構(gòu)將翼型平移運動或拍動的動力傳遞給扭轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，這樣不僅降低了效率、還增加了成本。在此背景下，本發(fā)明提出了一種利用c-型翼型葉片的渦脫落效應(yīng)直接驅(qū)動葉片扭轉(zhuǎn)，發(fā)電機從葉片的搖擺運動中采集能量的新型吸能裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]—種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，包括垂直布置的套筒和葉片以及水平布置且能夠圍繞其軸線搖擺運動的耳軸;其中，
[0007]套筒的一端固定在耳軸上，葉片的底部插入在套筒的另一端中，且葉片能夠沿自身的軸線在套筒中自由扭轉(zhuǎn);耳軸的一端與平面渦卷彈簧連接，另一端與動力輸出裝置連接。
[0008]本發(fā)明進一步的改進在于，套筒的一端通過軸端蓋固定在耳軸上。
[0009]本發(fā)明進一步的改進在于，動力輸出裝置為變速箱或發(fā)電機。
[0010]本發(fā)明進一步的改進在于，葉片的底部與套筒之間設(shè)置有推力軸承，葉片的周向與套筒之間設(shè)置有徑向軸承。
[0011]本發(fā)明進一步的改進在于，耳軸上還套裝有兩個軸承，兩個軸承分別位于套筒與耳軸連接處的兩側(cè)，且兩個軸承分別安裝在一個軸承座內(nèi)，每個軸承座的底部均固定在基座上。
[0012]本發(fā)明進一步的改進在于，套筒上沿其軸向設(shè)置有第一彈性件，葉片上沿其徑向設(shè)置有兩個第二彈性件，葉片在沿自身軸線扭轉(zhuǎn)運動的最大角度受到第一彈性件和兩個第二彈性件的限制。
[0013]本發(fā)明進一步的改進在于，耳軸的一端沿其徑向開設(shè)有槽縫，平面渦卷彈簧的一端插入在耳軸上的槽縫內(nèi)，另一端固定在基座上。
[0014]本發(fā)明進一步的改進在于，耳軸的一端沿其徑向開設(shè)有兩個槽縫，且兩個槽縫呈 180°分布，平面渦卷彈簧的數(shù)量為兩個，兩個平面渦卷彈簧對稱布置。
[0015]本發(fā)明進一步的改進在于，葉片為c-型翼型葉片。
[0016]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
[0017]本發(fā)明提供的利用渦脫落效應(yīng)驅(qū)動的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，該裝置中的葉片有兩個相互獨立的自由度，葉片的扭轉(zhuǎn)和搖擺運動均由流體驅(qū)動。其中葉片的扭轉(zhuǎn)運動主要利用流體經(jīng)過鈍體時的渦脫落效應(yīng)，葉片的擺動主要利用了葉片周期性的升力變化。
[0018]進一步，本發(fā)明在葉片和套筒上固定彈性桿件，限制了葉片的扭轉(zhuǎn)角度，以便于控制葉片的來流攻角，實現(xiàn)最優(yōu)效率；同時，彈性桿件可以儲存一部分扭轉(zhuǎn)的動能，避免能量的損失;此外，彈性桿件也提供了一種危急保護機制，當來流速度過大，彈性桿件會首先被折斷，使得葉片可以調(diào)整角度以獲得最小的迎風(fēng)面積，進而在一定程度上保護本發(fā)明的主要機構(gòu)不被損毀。
[0019]更進一步，本發(fā)明利用對稱布置的平面渦卷彈簧來確定葉片的平衡位置、限制葉片的最大擺動幅值。對稱布置的卷簧保證了彈簧剛度的對稱性，從而保證了葉片擺動的對稱性。卷簧非線性的半徑變化使得卷簧的剛度非線性變化，卷簧剛度會隨著葉片擺動角度的增大而增大。非線性的彈簧剛度優(yōu)化了耳軸的扭振振動特性，使得本發(fā)明可以適應(yīng)不同的來流速度。
[0020]最后，本發(fā)明將葉片的截面設(shè)計成C-型翼型，這種翼型可以最大化升力的幅值，從而提升本發(fā)明的功率和效率;同時C-型翼型葉片也有利于提高葉片的整體強度以及節(jié)約葉片材料?！靖綀D說明】:
[0021]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1(a)為整體示意圖，圖1(b)為局部放大示意圖，圖1(c)為局部剖視圖；
[0022]圖2為葉片扭轉(zhuǎn)運動示意圖，其中，圖2(a)為中間狀態(tài)，圖2(b)為向下運動狀態(tài)，圖 2(c)為向上運動狀態(tài)；
[0023]圖3為耳軸、平面渦卷彈簧及其配合關(guān)系示意圖；[〇〇24]圖4為平面渦卷彈簧側(cè)視圖。
[0025]圖中:1為耳軸，2為套筒，3為葉片，4為彈性桿，5為第一螺栓，6為平面渦卷彈簧，7 為軸端蓋，8為軸承座，9為動力輸出裝置，11為軸承，12為彈性桿，13為第二螺栓，14為第三螺柱，15為推力軸承，16為徑向軸承，17為第四螺栓，18為基座，I為流動方向，II為第一方向，m為第二方向?！揪唧w實施方式】:
[0026]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，圖中采取的技術(shù)方案如下:[〇〇28] 耳軸1水平布置，套筒2和葉片3垂直布置。套筒2通過第三螺柱14和軸端蓋7與耳軸 1固定連接。葉片3的一端插入套筒2中，通過徑向軸承16和推力軸承15與葉片相互配合，葉片3可以繞自身的軸線在套筒2中自由扭轉(zhuǎn)。耳軸1通過軸承11和軸承座8進行徑向和軸向約束。耳軸1的一端與平面渦卷彈簧6連接，另一端9與變速箱和發(fā)電機等機構(gòu)連接。耳軸1、套筒2和葉片3可以構(gòu)成一個整體，繞耳軸1的軸線做搖擺運動。當流體流過葉片3時，會在葉片 3的下游形成周期性脫落的漩渦，這些漩渦會在葉片3上形成周期性的力矩，這個力矩將驅(qū)動葉片做扭轉(zhuǎn)運動。當葉片3做扭轉(zhuǎn)運動時，它相對于來流的攻角會發(fā)生周期性的波動，周期性的升力導(dǎo)致葉片3繞耳軸的軸線做周期性的擺動。在這個過程中，流體的動能首先轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)部件(葉片3、套筒2、耳軸3等)的動能。旋轉(zhuǎn)部件的一部分動能轉(zhuǎn)化成彈性部件(彈性桿4、平面渦卷彈簧6)的勢能，另一部分動能由端部9輸出為電能。儲存在彈性桿4中的彈性勢能用于恢復(fù)葉片3的扭轉(zhuǎn)運動，平面渦卷彈簧6的彈性勢能用于恢復(fù)葉片3的搖擺運動，彈性部件的能量最終會輸出為電能。[〇〇29]彈性桿4通過第一螺栓5固定在套筒3上，彈性桿12通過第二螺栓13固定在葉片3 上，彈性桿4和12沿周向的位置可以調(diào)整。如圖2的俯視圖所示，葉片3的截面近似于C-型，葉片的兩端迎向流體的流動方向I。當葉片3在脫落渦的作用下繞軸線做逆時針扭轉(zhuǎn)時，最終會運動到狀態(tài)(b)并停止，此時彈性桿12與下邊的彈性桿4相接觸，將扭轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)化成彈性桿4的彈性勢能，此時葉片3受到的升力沿著第一方向n的方向向下，從發(fā)電端9看過去， 葉片3有逆時針擺動的趨勢;與此相反，當葉片3在脫落渦的作用下繞軸線做順時針扭轉(zhuǎn)時， 最終會運動到狀態(tài)(c)并停止，此時彈性桿12與上邊的彈性桿4相接觸，此時葉片3受到的升力沿著第二方向m的方向向上，從發(fā)電端9看過去，葉片3有順時鐘擺動的趨勢。以上的描述說明了葉片扭轉(zhuǎn)運動和搖擺運動的機制，其中使用了彈性桿12和4來限制葉片扭轉(zhuǎn)的最大角度。[〇〇3〇]圖3說明了耳軸1和平面渦卷彈簧6的配合關(guān)系。平面渦卷彈簧6的一端沿著耳軸1 上開設(shè)的槽縫插入，另一端通過第四螺栓17與基座18固定連接。在耳軸1上連接有兩個平面渦卷彈簧6,這兩個平面渦卷彈簧6結(jié)構(gòu)相同，對稱布置。因為葉片3需要來回擺動，這樣布置的彈簧可以保證耳軸1扭轉(zhuǎn)剛度的對稱，從而保證葉片擺動的對稱。從圖3中平面渦卷彈簧6 的側(cè)視圖可以看到，平面渦卷彈簧6的半徑并非線性的變化，隨著平面渦卷彈簧6旋轉(zhuǎn)角度的增大，平面渦卷彈簧6的半徑在加速增大。因此，平面渦卷彈簧6的剛度是非線性的，平面渦卷彈簧6的剛度隨著葉片3的擺動角度增大而增大。這種彈簧使得葉片3更容易通過擺動的平衡位置，非線性的剛度使得耳軸的扭轉(zhuǎn)自然頻率不會集中在某一個固定值，從而使得本發(fā)明可以適應(yīng)不同的來流速度。[〇〇31]此外，只要在葉片3的下游發(fā)生了漩渦脫落，并且葉片3的力矩足夠克服滾動軸承 15和16中的摩擦力，葉片3便會自行的做扭轉(zhuǎn)和搖擺運動，意味著本發(fā)明在很小的來流速度下可以實現(xiàn)自啟動。
【主權(quán)項】
1.一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于，包括垂直布置的套筒(2)和葉片(3)以及水平布置且能夠圍繞其軸線搖擺運動的耳軸(1);其中，套筒(2)的一端固定在耳軸(1)上，葉片(3)的底部插入在套筒(2)的另一端中，且葉片(3)能夠沿自身的軸線在套筒(2)中自由扭轉(zhuǎn);耳軸(1)的一端與平面渦卷彈簧(6)連接，另 一端與動力輸出裝置(9)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 套筒(2)的一端通過軸端蓋(7)固定在耳軸(1)上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 動力輸出裝置(9)為變速箱或發(fā)電機。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 葉片(3)的底部與套筒(2)之間設(shè)置有推力軸承(15)，葉片(3)的周向與套筒(2)之間設(shè)置有 徑向軸承(16)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 耳軸(1)上還套裝有兩個軸承(11)，兩個軸承(11)分別位于套筒(2)與耳軸(1)連接處的兩 偵I且兩個軸承(11)分別安裝在一個軸承座(8)內(nèi)，每個軸承座(8)的底部均固定在基座 (18)上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 套筒(2)上沿其軸向設(shè)置有第一彈性件(4)，葉片(3)上沿其徑向設(shè)置有兩個第二彈性件 (12)，葉片(3)在沿自身軸線扭轉(zhuǎn)運動的最大角度受到第一彈性件(4)和兩個第二彈性件 (12)的限制。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 耳軸(1)的一端沿其徑向開設(shè)有槽縫，平面渦卷彈簧(6)的一端插入在耳軸(1)上的槽縫內(nèi)， 另一端固定在基座(18)上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 耳軸(1)的一端沿其徑向開設(shè)有兩個槽縫，且兩個槽縫呈180°分布，平面渦卷彈簧(6)的數(shù) 量為兩個，兩個平面渦卷彈簧(6)對稱布置。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用渦脫落效應(yīng)的自激振蕩翼型發(fā)電裝置，其特征在于， 葉片(3)為C-型翼型葉片。
【文檔編號】F03D9/25GK106014761SQ201610333492
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】謝永慧, 姜偉, 張荻
【申請人】西安交通大學(xué)