一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置，包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉彈簧、線性導軌、下部傳動桿、上部傳動桿和直線發(fā)電機，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過軸承與支撐桿頂部鉸接，連接桿中部設扭轉彈簧并固定于軸承外側，連接桿兩端分別連接線性導軌，線性導軌外端分別與振子連接；下部傳動桿的底部與連接桿中部固接，頂部設有線性導軌；上部傳動桿通過軸承與下部傳動桿連接，構成整體振動系統；上部傳動桿與直線發(fā)電機連接。本發(fā)明的優(yōu)點是：該裝置實現了多個振子能量的統一搜集，提高了振子群的發(fā)電效率；以少數大容量發(fā)電機代替多數小容量發(fā)電機，降低了制造與安裝成本，提高工程實用性；該裝置結構簡單，易于實施。
【專利說明】一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及流體力學及新能源發(fā)電領域，特別是一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，能源儲備已經成為影響各國發(fā)展的關鍵問題。由此，新型能源的開發(fā)與利用已成為各國能源開發(fā)的熱門話題。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、蘊藏量豐富等優(yōu)勢備受各國能源開發(fā)者青睞。據統計，全球可利用海流能高達5X 106麗。在我國，單沿岸流的理論可開發(fā)量就可達1.4X IO5MW,相當于70個三峽水電站的裝機容量，可見其蘊藏量之龐大。除此之外，與洋流類似的水電站尾水中也蘊含相當豐富的余能。如若將尾水余能轉化為廠用電能，則可有效提高水電站廠房的運行效率，降低廠用電設備的建設成本；同時，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)的風險程度?？梢?，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典型的特點，即低流速，其流速范圍一般不超過2m/s。對于傳統的螺旋槳葉式(軸流、貫流)發(fā)電機而言，其啟動流速均大于2m/s，顯然無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)已成為該領域亟待解決的重要問題。
[0003]2008年,美國密歇根大學的Bernitsas教授及其團隊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
請專利。根據流體力學相關知識，在一定流速下，彈性支撐的繞流鈍體后側會產生交替脫落的漩渦，并引起鈍體周期性振動；而鈍體振動亦造成流體尾渦形態(tài)改變，此即渦激振動現象。VIVACE發(fā)電裝置就是從渦激振動原理出發(fā)，利用振動機械能，有效的轉化為電能。該裝置的主要特點在于:1)啟動流速低，0.25m/s時即可啟動，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渦激振動發(fā)電裝置采用單振子振動發(fā)電，振子間相互獨立，故每個振子均須配備一套傳動、發(fā)電、傳電 及變頻設備；同時，由于振動一致性差，導致變頻成本高，不利于上網流通。根據現有研究成果可知:對于低速水流(流速不超過2m/s)，VIVACE的振子直徑不宜超過10cm，長度不宜超過lm，故一個振子的最大理論發(fā)電功率僅為90W。那么，對于一個360MW的發(fā)電場而言，其需配備的傳動、發(fā)電及變頻設備需達到4X IO6套，實際工程中制造如此之多的發(fā)電機顯然是不經濟也不實用的?？梢?，上述缺陷極大的降低了 VIVACE渦激振動發(fā)電裝置的工程經濟性與實用性。
[0004]渦激振動的形成機理較多，其中尾流馳振是一種較為特殊的渦激振動現象。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)而產生的渦激振動現象。由于受到前排圓柱脫渦的激勵，后排圓柱的升力系數與振動幅度一般會大于普通渦激振動?？梢?，如若利用尾流馳振效應，可增大渦激振動發(fā)電設備的振動幅度，從而增大渦激振動發(fā)電能量的轉化。為此，針對VIVACE單振子渦激振動發(fā)電設備的根本問題，并結合渦激振動與尾流馳振效應，本發(fā)明提出一種基于渦激振動與尾流馳振的多振子聯合振動低速水流發(fā)電裝置。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述技術分析和存在問題，提供一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置，該裝置能有效利用渦激振動與尾流馳振效應，并解決單振子渦激振動發(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)電質量，增強渦激振動發(fā)電的經濟性與工程適用性。
[0006]本發(fā)明的技術方案:
一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置，包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉彈簧、線性導軌、下部傳動桿、上部傳動桿和直線發(fā)電機，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過軸承與支撐桿頂部鉸接以使連接桿可繞支撐桿頂部旋轉，連接桿中部設扭轉彈簧以使連接桿在運動過程中受回復力作用并具備往復扭轉運動能力，扭轉彈簧固定于軸承外側，連接桿兩端分別連接線性導軌，兩個線性導軌外端分別與一個振子連接以使連接桿作往復扭轉運動時振子做上下線性運動；下部傳動桿的底部與連接桿中部固定連接以使下部傳動桿可隨連接桿共同做往復扭轉運動，下部傳動桿頂部設有線性導軌并通過軸承與上部傳動桿連接以使下部傳動桿可隨連接桿共同做往復扭轉運動，下部傳動桿每隔對振子間設置一個；上部傳動桿通過軸承與所有下部傳動桿連接,構成整體振動系統；上部傳動桿一端與直線發(fā)電機連接。
[0007]所述發(fā)電裝置中的振子數量為4-16個，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)明的工作機理:
該裝置基于渦激振動與尾流馳振效應，將多個振子串聯成一排整體振子群，使各振子的振動同步而不獨立，然后將振子群整體運動轉化為同一方向的線形運動，最后使用少數大容量發(fā)電機將上述能量進行集中搜集；振子群的整體振動形式為對振，即前后振子在振動過程中振幅相同但振動方向相反。該裝置利用了渦激振動與尾流馳振效應，在保證原有VIVACE單振子渦激振動發(fā)電裝置優(yōu)勢的同時，解決了其顯著缺陷，提高了能量轉化效率，降低了該類電廠的建設成本，增強了原有渦激振動發(fā)電裝置的適用范圍與工程實用性。
[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的前提下有效地利用了尾流馳振效應，實現了多個振子能量的統一搜集，規(guī)范了振子的運動軌跡，提高了振子群的發(fā)電效率，保證了發(fā)電質量，為該類型電能的上網運行提供了良好的前提條件；該裝置實現了以少數大容量發(fā)電機代替多數小容量發(fā)電機的目的，從而降低了制造與安裝成本，提高工程實用性；該裝置所對應的連接與傳力結構設計簡單，易于制造，便于拆卸更替，具有良好的經濟適用性，可廣泛的運用于海流及水電站尾水的渦激振動發(fā)電工程中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置主視結構示意圖。
[0011]圖2為基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置側視結構示意圖。
[0012]圖3為基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置運行原理示意圖。[0013]圖中1.振子2.支撐桿3.連接桿4.軸承5.扭轉彈簧6.線性軸承7.下部傳動桿8.上部傳動桿9.直線發(fā)電機10A-101.脫落漩渦。
【具體實施方式】
[0014]實施例:
一種基于多振子的對振式渦激振動發(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、扭轉彈簧5、線性導軌6、下部傳動桿7、上部傳動桿8及直線發(fā)電機9組成，支撐桿2固定于水流底部；連接桿3中部通過軸承4與支撐桿2頂部鉸接，連接桿3中部設扭轉彈簧5，扭轉彈簧位于軸承外部，連接桿3兩端分別連接線性導軌6，兩個線性導軌6外端分別連接一個振子I，連接桿3中部與下部傳動桿7底部固接；下部傳動桿7頂部設置線性導軌6，線性導軌6外端通過軸承4與上部傳動桿8連接；下部傳動桿7每隔I對振子I間設置一個；上部傳動桿與所有下部傳動桿7連接；通過上述方式，將所有振子I串聯成排，形成整體振動系統；上部傳動桿8 —端與直線發(fā)電機9連接。
[0015]該實施例中，振子I為圓柱體，數量6個，直徑10cm、長度lm，單個質量7.8kg ;支撐2數量5對，高度0.5m ;連接桿3數量5對，長度0.5m ;下部傳動桿7個數3對，長度0.5m ；線性導軌6數量9對，可伸縮長度0.2m ;上部傳動桿6長度6m ;扭轉彈簧5個數5個，剛度400N/rad ;直線發(fā)電機9功率800W。
[0016]該實施例振子運動過程如圖3所示，圖中:1A-1C代表三個振子，10A-10I表示脫落漩渦，具體分析如下:
O因約束作用，各時刻振子1A、1B的位移大小相同，但位移方向與運動方向相反；同理，各時刻1B、1C的位移大小相同,但位移方向與運動方向相反；
2)振子IA由正向最大位移向負向運動時,振子IB則由負向最大位移向正向運動，IC則由正向最大位移向負向運動；此時，振子1A、1B和IC后側分別產生脫落漩渦10AU0B和IOC ；
3)振子IA運動到負向最大位移時，振子IB和IC分別運動到正向最大位移和負向最大位移處；漩渦IOA和IOB分別運動到振子IB和IC的前端；振子IA因自身脫落漩渦IOD作用向上運動；振子IB則受到自身脫落漩渦IOE及漩渦IOA的共同作用向下運動；同理，振子IC受到自身脫落漩渦IOF及漩渦IOB的共同作用向上運動；
4)振子IA回到正向最大位移,振子IB和IC分別回到負向最大位移和正向最大位移處；漩渦IOD和IOE分別運動到振子IB和IC的前端；振子IA因自身脫落漩渦IOG作用向下運動；振子IB則受到自身脫落漩渦IOH及漩渦IOD的共同作用向下運動；同理，振子IC受到自身脫落漩渦101及漩渦IOE的共同作用向上運動；
5)振子1A、1B和IC按照上述方式持續(xù)做線性上下往復運動。
[0017]裝置傳力過程:由振子(群)I的共同振動帶動下部傳動桿7往復扭擺運動；隨后，由下部傳動桿7帶動上部傳動桿8做線性水平往復運動；最后，由上部傳動桿8帶動直線發(fā)電機9進彳丁電能轉換，完成多振子能量的集中搜集。
[0018]由于多振子整體振動方式多樣，因此，凡涉及渦激振動與尾流馳振的多振子聯合發(fā)電的其他形式也均屬于本專利的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置，其特征在于:包括振子、支撐桿、連接桿、軸承、扭轉彈簧、線性導軌、下部傳動桿、上部傳動桿和直線發(fā)電機，支撐桿固定于水流底部；連接桿中部通過軸承與支撐桿頂部鉸接以使連接桿可繞支撐桿頂部旋轉，連接桿中部設扭轉彈簧以使連接桿在運動過程中受回復力作用并具備往復扭轉運動能力，扭轉彈簧固定于軸承外側，連接桿兩端分別連接線性導軌，兩個線性導軌外端分別與一個振子連接以使連接桿作往復扭轉運動時振子做上下線性運動；下部傳動桿的底部與連接桿中部固定連接以使下部傳動桿可隨連接桿共同做往復扭轉運動，下部傳動桿頂部設有線性導軌并通過軸承與上部傳動桿連接以使下部傳動桿可隨連接桿共同做往復扭轉運動，下部傳動桿每隔對振子間設置一個；上部傳動桿通過軸承與所有下部傳動桿連接，構成整體振動系統；上部傳動桿一端與直線發(fā)電機連接。
2.根據權利要求1所述基于多振子的對振式渦激振動發(fā)電裝置，其特征在于:所述發(fā)電裝置中的振子數量為4-16個，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】F03B13/00GK104005901SQ201410229860
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】燕翔, 練繼建, 張軍, 卜同勝, 劉卓, 劉昉 申請人:天津大學前沿技術研究院有限公司