本發(fā)明涉及一種利用流動(dòng)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能的渦輪機(jī)，特別是一種多軸同心葉片自鎖式渦輪機(jī)，它能實(shí)現(xiàn)將低流速的介質(zhì)轉(zhuǎn)化為高能量電能。

背景技術(shù)：

人類依靠石化能源的日子已經(jīng)不多了，它不僅對環(huán)境污染，而且資源也即將枯竭，世界各國都在研發(fā)清潔能源，尤其可再生能源，太陽能、風(fēng)能、水能，其中特別海洋能源蘊(yùn)藏量就超過100000吉瓦，可滿足全人類使用這些取之不盡用之不竭的能源，這些能源就蘊(yùn)藏在浩瀚的大海里，若想將這些能源充分、有效、合理的從漫無邊界的大海中采集出來，這就要依靠渦輪機(jī)，目前全世界共有兩種類型渦輪機(jī)，一類是升力型，以速度為主要轉(zhuǎn)化能源，另一類是推力型，以速度密度相乘轉(zhuǎn)化能源，這些渦輪機(jī)都是因?yàn)楣β实?，不能把這些流速介質(zhì)轉(zhuǎn)化高能量的功能。

目前最大的推力型渦輪機(jī)是加拿大Blue Energy公司開發(fā)的Davis渦輪機(jī)。最大的升力型渦輪機(jī)是德國海德海姆公司在韓國濟(jì)州島安裝渦輪機(jī)。

我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)船舶學(xué)院，在舟山水域安裝渦輪機(jī)屬于升力型；單機(jī)都沒有超過300KW，世界公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)單機(jī)應(yīng)超過500KW，否則沒有實(shí)用價(jià)值，要想提高渦輪機(jī)最大功率，從阻力定律公式FD=?PV2CDA分析如下：

其中

FD為阻力，是施力平行流場方向的分量

P為流體密度

V是流體相對物體的速度

CD為阻力參數(shù)

A為正交投影面積

從公式分析只有從以下三個(gè)方面才能提高渦輪機(jī)最大功率：

1： 同等流體密度介質(zhì)只有提高流速 V，如；水只有建大壩攔水蓄水，抬高水位，增加壓力，才能提高水的流速。

缺點(diǎn)：自然界水的流速一般在2.5m/s以下，目前現(xiàn)有技術(shù)無法在低流速V取得成效，所以需要建水庫蓄水來提高流速，而且建水庫需要特定的地理環(huán)境與自然環(huán)境，并且成本高，例：我國三峽大壩僅鋼筋混凝土用量按直徑一米圓柱體計(jì)算，可環(huán)繞地球一周，近四萬公里，造價(jià)昂貴，由于眾多因素限制，無法滿足人類需求。

2： 同等流體流速V選擇密度P大的介質(zhì)例如水與風(fēng)。因?yàn)樗蕊L(fēng)密度高832倍，優(yōu)先利用水。

缺點(diǎn)：目前渦輪機(jī)解決不了以密度為主轉(zhuǎn)化能源的渦輪機(jī)。

3： 擴(kuò)大渦輪機(jī)葉片與流動(dòng)介質(zhì)的垂直投影面積A，這是目前最難解決的難題。

例；

升力型：加長渦輪機(jī)葉片的長度，上海洋山風(fēng)力發(fā)電，把葉片半徑延長至65m來擴(kuò)大垂直投影面積A，但由于尖速比造成的環(huán)境污染又無法解決。

推力型：它可以增加葉片高和寬。

若要充分高效利用這種能源，只能采取推力型渦輪機(jī)。

從推力型渦輪機(jī)看，若想提高渦輪機(jī)功率，不能僅靠擴(kuò)大渦輪機(jī)葉片面積，從下圖看，還應(yīng)該擴(kuò)大A面（作用力面）與B面（反作用力面）的面積差值A(chǔ)（為正交投影面積）：

以主軸為中心流體介質(zhì)從主軸左右兩側(cè)通過，推動(dòng)渦輪葉片A與B，葉片為弧形，A面為內(nèi)弧，B面為外弧，其動(dòng)力源依靠內(nèi)弧大于外弧，內(nèi)弧阻水，外弧分流形成差額推動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生剩余能量源。

渦輪機(jī)目前約有一千多種，基本上利用升力型或推力型渦輪機(jī)采能。

從貝茲極限定理看，升力型不適合在水流能區(qū)域采能。

因?yàn)樯π捅仨毭鎸α黧w方向，葉片又對流體方向切割，流體速度V乘以密度P，升力型葉片反面在切割流體的密度P，兩個(gè)密度值P相互抵消，然而在風(fēng)能區(qū)域中流體密度P約為1.029，可以忽略不計(jì)，所以只有在風(fēng)能區(qū)域效果最佳，例：我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)船舶學(xué)院與德國海德公司把升力型利用到海洋上效果不佳就是因?yàn)樗牧魉賰H為2.5m/s，流速乘以密度與切割密度相抵僅剩流速2.5m/s其效果明顯不如風(fēng)能，同樣構(gòu)造上海洋山風(fēng)力發(fā)電，其葉片半徑達(dá)到65m，風(fēng)的流速為30-50m/s，其裝機(jī)容量5兆瓦，這是升力型渦輪機(jī)提高功率的典范。

海洋蘊(yùn)藏著巨大能量未被采集，雖然海洋流速低，一般在1.5-2.5m/s但由于其密度大，所以蘊(yùn)藏能量并不低，當(dāng)水流速V為1.2m/s時(shí)（這是洋流最低值）相當(dāng)于風(fēng)能34.5m/s，已是災(zāi)害等級，當(dāng)水流速V為2.0 m/s時(shí)相當(dāng)于風(fēng)能58 m/s，所以真正的再生能源在海洋。

要想獲取大功率能源，渦輪機(jī)必須具備充分利用密度值P，才能使渦輪機(jī)達(dá)到以下條件：1：采能可以規(guī)模化進(jìn)行，可以構(gòu)建大功率發(fā)電系統(tǒng)；2：先進(jìn)的采能方式，采集吸收海洋能或風(fēng)能的效率高；3：對環(huán)境沒有特殊要求；4：單機(jī)裝機(jī)容量兆瓦級，幾十兆瓦級以上；5：在線操作維護(hù)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)；6：不受流動(dòng)介質(zhì)方向限制（往復(fù)、潮汐、旋流等）都在指定方向運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種多軸同心葉片自鎖式渦輪機(jī)，獲取有價(jià)值的海洋能源。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：包括基礎(chǔ)，電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸，其特征是：在主軸的上、下部分別固定聯(lián)接呈十字交叉的臂桿，上、下部的臂桿外端固定連接上、下部的均力聯(lián)桿；在上、下部的臂桿之間設(shè)置能旋轉(zhuǎn)的內(nèi)分軸和外分軸，內(nèi)分軸上組裝能轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)前置葉片和內(nèi)后置葉片；外分軸上組裝能旋轉(zhuǎn)的外前置葉片和外后置葉片；在內(nèi)前置葉片和外后置葉片相對的一端設(shè)置自鎖裝置，自鎖裝置由內(nèi)前置葉片上的齒鎖和外后置葉片上的頂鎖構(gòu)成，頂鎖和齒鎖分別設(shè)置有相對的頂住斜面，在齒鎖的內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼性支撐自鎖柱，鋼性支撐自鎖柱固定連接在上、下部的臂桿上，鋼性支撐自鎖柱與齒鎖相對的一面均設(shè)置單向鎖住的斜齒。在各臂桿的內(nèi)端固定連接擋柱，擋柱上設(shè)置減震內(nèi)圓弧，在內(nèi)后置葉片的內(nèi)端設(shè)置與之匹配的減震外圓弧。依靠內(nèi)、外圓弧的摩擦方法進(jìn)行減震。

本發(fā)明的積極效果和特點(diǎn)：本發(fā)明的多軸同心是指在一個(gè)渦輪機(jī)主軸上分別帶有多個(gè)分軸，各分軸把采集的能量分別傳導(dǎo)到主軸上，這樣就形成分軸在自轉(zhuǎn)過程采集的能量，通過公轉(zhuǎn)在主軸工作面?zhèn)鬟f到主軸（中心軸）上，達(dá)到同步工作，同時(shí)葉片自鎖是分軸兩側(cè)葉片在工作面，葉片分軸上分為前置葉片和后置葉片，在主軸臂桿傳動(dòng)下，通過分軸自轉(zhuǎn)，使前置葉片與主軸工作面力一致，為了實(shí)現(xiàn)將一部分反作用力變?yōu)榕c主工作面力相一致，使得所有葉片形成一條線同步工作，形成合力，設(shè)置了葉片自鎖功能；臂桿遠(yuǎn)端加裝均力聯(lián)桿，用以把所有臂桿聯(lián)結(jié)在一起，使臂桿形成一體，當(dāng)葉片受到流體介質(zhì)的作用力下，通過均力聯(lián)桿把動(dòng)能均勻分散在所有臂桿上，形成合力。

1、實(shí)現(xiàn)采能規(guī)?；M(jìn)行，可以構(gòu)建大功率發(fā)電系統(tǒng)；2、采集吸收海洋能或風(fēng)能的效率高；3、對環(huán)境沒有特殊要求；4、單機(jī)裝機(jī)容量兆瓦級，幾十兆瓦級以上；5、在線操作維護(hù)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)；6、不受流動(dòng)介質(zhì)方向限制（往復(fù)、潮汐、旋流等）都在指定方向運(yùn)動(dòng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖（俯視圖）。

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖（正視圖）。

圖3為圖1狀態(tài)的渦輪機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)動(dòng)到45°位置示意圖（俯視圖）。

圖4是渦輪機(jī)葉片自鎖平面圖。

圖5是 渦輪機(jī)葉片減震系統(tǒng)平面圖。

圖6是外分軸與外前置葉片、外后置葉片連接示意圖。

圖7是內(nèi)分軸與內(nèi)前置葉片、內(nèi)后置葉片連接示意圖。

圖中零部件序號：內(nèi)分軸1，內(nèi)前置葉片2，內(nèi)后置葉片2-1，減震弧2-2，外分軸3，外前置葉片4，外后置葉片4-1，鋼性支撐自鎖柱5，臂桿6，均力聯(lián)桿7，擋柱 8，主軸9，電機(jī)系統(tǒng)10，基礎(chǔ)11，頂鎖12，齒鎖13。

具體實(shí)施方式

見圖1-7，具體結(jié)構(gòu)如下：在基礎(chǔ)11上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸9，主軸9的上端傳動(dòng)連接電機(jī)系統(tǒng)10；在主軸9的上、下部分別固定聯(lián)接呈十字交叉的臂桿6，上、下部的臂桿6外端固定連接上、下部的均力聯(lián)桿7；在上、下部的臂桿6之間設(shè)置能旋轉(zhuǎn)的內(nèi)分軸1和外分軸3，內(nèi)分軸1上組裝能轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)前置葉片2和內(nèi)后置葉片2-1；外分軸3上組裝能旋轉(zhuǎn)的外前置葉片4和外后置葉片4-1；其中：外后置葉片4-1的寬度N1與內(nèi)前置葉片2的寬度N4相等，同時(shí)，兩者寬度之和等于內(nèi)后置葉片2-1的寬度N3；此外，外前置葉片4的寬度N2是外后置葉片4-1寬度N1的2／5。在內(nèi)前置葉片2和外后置葉片4-1相對的一端設(shè)置自鎖裝置，自鎖裝置由內(nèi)前置葉片2上的齒鎖13和外后置葉片4-1上的頂鎖12構(gòu)成，頂鎖12和齒鎖13分別設(shè)置有相對的頂住斜面，在齒鎖13的內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼性支撐自鎖柱5，鋼性支撐自鎖柱5固定連接在上、下部的臂桿6上，鋼性支撐自鎖柱5與齒鎖13相對的一面均設(shè)置單向鎖住的斜齒。在各臂桿6的內(nèi)端固定連接擋柱 8，擋柱 8上設(shè)置減震內(nèi)圓弧，在內(nèi)后置葉片2-1的內(nèi)端設(shè)置與之匹配的減震外圓弧。依靠內(nèi)、外圓弧的摩擦方法進(jìn)行減震。

工作原理：

見圖1，當(dāng)流體介質(zhì)（圖中箭頭）沖擊渦輪機(jī)時(shí)，以主軸9為中心的渦輪機(jī)右側(cè)所有葉片在分軸1、3的自轉(zhuǎn)作用下都被沖擊到與流動(dòng)介質(zhì)方向保持一致的方向，其阻力僅剩臂桿側(cè)面、分軸、葉片側(cè)面，而主軸9左側(cè)葉片被流體介質(zhì)沖擊關(guān)閉，葉片開始做功，當(dāng)主軸9開始旋轉(zhuǎn)至如圖3運(yùn)行狀態(tài)，以主軸9為中心的兩側(cè)，其右側(cè)仍然開啟，左側(cè)葉片依然關(guān)閉，當(dāng)主軸9旋轉(zhuǎn)達(dá)到90°角就開始重復(fù)圖1工作狀態(tài)。

見圖1、4，所說的自鎖狀態(tài)是在渦輪機(jī)主軸9左側(cè)區(qū)域的外前置葉片4，外后置葉片4-1、內(nèi)前置葉片2和內(nèi)后置葉片2-1處于關(guān)閉狀態(tài)，并且被鎖??；自鎖的工作原理如下：

當(dāng)主軸9運(yùn)行到內(nèi)前置葉片2的齒鎖13接近鋼性支撐自鎖柱5帶有齒痕的一側(cè)，同時(shí)，外后置葉片4-1頂端繼續(xù)運(yùn)行將頂鎖12頂向齒鎖13，使其靠近鋼性支撐自鎖柱5的單向鎖住斜齒，而且沖擊力越大，鎖的越緊，將內(nèi)前置葉片2和內(nèi)后置葉片2-1反向自動(dòng)鎖死（如無自動(dòng)鎖，就會(huì)使內(nèi)后置葉片2-1在流體介質(zhì)沖擊下繼續(xù)向回轉(zhuǎn)動(dòng)力，形成反作用力，抵消前置葉片的正作用力）；后置與前置葉片用力合成，共同工作；當(dāng)外后置葉片4-1在主軸9運(yùn)行旋轉(zhuǎn)到主軸9右側(cè)時(shí)，在流體介質(zhì)沖擊下打開，分軸3則旋轉(zhuǎn)，內(nèi)前置葉片2頂端的齒鎖13由于彈性作用自動(dòng)彈開，與鋼性支撐自鎖柱5分離并發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，隨分軸1繼續(xù)運(yùn)行重復(fù)下一個(gè)回合運(yùn)動(dòng)。

從圖1、2的運(yùn)行方式還可以看到，當(dāng)流體介質(zhì)突然從相反方向流動(dòng)時(shí)，渦輪機(jī)的葉片和分軸總是會(huì)關(guān)閉流體介質(zhì)方向的左側(cè)，開啟流體介質(zhì)右側(cè)葉片，而主軸旋轉(zhuǎn)方向始終不變，這一工作原理適合潮汐發(fā)電，充分利用海水的往返運(yùn)動(dòng)規(guī)律工作，從主軸兩側(cè)的工作面可以看出，其左側(cè)全封閉和右側(cè)全開啟，只有臂桿和分軸的側(cè)面，兩者面積之差如此之大，所以是目前世界最大功率的渦輪機(jī)。

由于它的構(gòu)造特征若要增加功率可以從兩個(gè)方面著手，主軸9加高與臂桿6加長，現(xiàn)階段電機(jī)系統(tǒng)電機(jī)（永磁電機(jī)）僅有五兆瓦，按國家海洋局公布的舟山群島海域能量計(jì)算25.9KW/㎡。遼寧老鐵山洋流能17.9KW/㎡換算前者僅需200㎡后者350㎡只需主軸高20M臂桿展12M滿足前者，后者可使主軸高30M臂桿展12M即可滿足，所以五兆瓦單機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)。