使用水流能量的無底杯式水力轉(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以及水下循環(huán)鏈帶水輪機。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)發(fā)表了各種各樣的利用海洋能進行發(fā)電的方法，但在其中，如果著眼于利用海洋能的基本，也就是水流進行水力轉(zhuǎn)換的方法，則目前還處于開始實驗性使用升力型葉輪的階段。
[0003]對于阻力型而言，非專利文獻I所示的、可以在水下使用的方法都未被實用化，在專利文獻I中，有在擠壓口中產(chǎn)生大損耗的危險，因此，目前沒有可以在阻力型水輪機上實用的方法。
[0004]也就是說，對于利用流體動能的方法，大致分為升力型和阻力型兩種，但是如果將其按照旋轉(zhuǎn)軸相對流向的方向劃分，則平行的為升力型，正交的為阻力型，沒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際成果。
[0005]因此，如果列舉通用的風(fēng)力發(fā)電機為代表例對問題點進行說明，則為，升力型的風(fēng)力發(fā)電是將動能最大化后進行利用的方式，但另一方面，對于過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，平均一架發(fā)電機的最大發(fā)電量存在限度。
[0006]進一步闡述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)面為一個圓形并使其高速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生擾動，未發(fā)揮葉片效果，因此如非專利文獻2那樣減小葉片寬度和葉片個數(shù)，但是產(chǎn)生直接通過葉片間空隙而不產(chǎn)生任何力的無用流量增多的矛盾，功率為每臺30%，另外，通過大功率產(chǎn)生小轉(zhuǎn)矩的動力不適用于需要大轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機。
[0007]而且，由于相鄰的彼此間不能連結(jié)，因此不能進行大容量發(fā)電，即使建立多個也不能降低成本。
[0008]專利文獻1:日本國專利第4917690號
[0009]非專利文獻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2:圖解風(fēng)力發(fā)電的全部風(fēng)車的基礎(chǔ)知識P48株式會社工業(yè)調(diào)查會(図解風(fēng)力発電?丈< τ風(fēng)車ω基礎(chǔ)知識Ρ48株式會社工業(yè)調(diào)查會)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]本發(fā)明的目的在于通過使用阻力型水輪機解決上述的升力型的難點，從而提供一種廉價且無公害、可用于大容量發(fā)電的水力轉(zhuǎn)換裝置。
[0013]解決問題的手段
[0014]本發(fā)明的水力轉(zhuǎn)換裝置，為水下水輪機，其特征在于，水輪機為繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)水輪機或在一對擒縱輪之間敷設(shè)有連續(xù)皮帶的循環(huán)鏈帶水輪機，在旋轉(zhuǎn)水輪機的外輪上或循環(huán)鏈帶水輪機的連續(xù)皮帶上通過樞軸可自由立起/自由倒伏地樞轉(zhuǎn)安裝有無底杯，在外輪或連續(xù)皮帶與水流方向同向行進的狀態(tài)下，無底杯成為立起狀態(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的狀態(tài)下，無底杯成為倒伏狀態(tài)，由于杯底部成為開口狀態(tài)而減小水流阻力，從而利用兩種狀態(tài)的阻力差進行自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)，通過在無底杯成為倒伏狀態(tài)的上游側(cè)設(shè)置擋水板，使逆向行進路形成停滯水區(qū)域，使離心力作用于無底杯，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同向行進的同向行進路上，作為有底杯吸收流動的能量，在與水流的流動相反的逆向行進路上，水流從無底杯開口的底部穿過，水輪機即使在水下也可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
[0016]另外，通過在無底杯的逆向行進路的前方設(shè)置擋水板形成停滯水區(qū)域，對于無底杯的受壓板背面的水流力減小。
[0017]在單軸水輪機或連續(xù)皮帶等的阻力型水輪機中，通過受水杯在同向行進路徑和逆向行進路徑中的阻力差旋轉(zhuǎn)，但是完全浸沒在水下難以增大該阻力差。
[0018]在公知的鏈帶水輪機中，從立起到倒伏狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)為大約一個直角的旋轉(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，但是在本申請中，無底杯的重心遠離樞軸，因此通過離心力進行旋轉(zhuǎn)，因此，在水流中通過擋水板形成停滯水域，其中，該杯通過離心力成為半立起狀態(tài)，接下來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而同向行進的同向行進路徑上，作為有底杯吸收流動的能量，在與水流方向相反的逆向行進路徑中，水流從無底杯開口的底部穿過，通過兩者的阻力差產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，因此，不管是縱置型還是橫置型都可動，可以構(gòu)成即使水輪機在水下也可以連續(xù)自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)的阻力型水輪機。
[0020]另外，在阻力型水輪機中，因為水流撞擊受壓板6a而產(chǎn)生力，因此對于置于水流中的無底杯的阻力，當(dāng)設(shè)定D =產(chǎn)生的阻力、Cd =阻力系數(shù)、S =投影面積、K =動壓(Pa)、K = 1/2* P *U2、U =外界流速、P =流體密度時，立起狀態(tài)的阻力表達為D1= C ^SfK1，同樣，倒伏狀態(tài)的阻力表達為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，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，但是由于無底杯為彎曲的板，因此在4之上。
[0023]因此，RS和RCd同時增大，阻力KD1ZD2= (RC d*Rs) *K變得非常大，遠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，在逆向行進路徑的管路中，由于無底杯的受壓板與水流大致平行地移動，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，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路徑和逆向行進路徑，并且可以通過皮帶的長度容易地調(diào)節(jié)水流路的長度。
[0029]另外，通過形成為設(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，該主體為懸空狀態(tài)，因此在該主體的內(nèi)部貫通多個擒縱輪軸，并通過設(shè)于縱隔板的軸承進行固定支承。
[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，但是也可以進一步通過將擋水板內(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使無底杯旋轉(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，作用于無底杯的離心力增強。
[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)置為比無底杯的前端部自由旋轉(zhuǎn)的外徑更小時，也可以設(shè)置為受壓板的外表面被圓筒面按壓的同時旋轉(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，增強無底杯的旋轉(zhuǎn)力。
[0034]另外，也可以通過在小型導(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，以對無底杯施加旋轉(zhuǎn)力，不設(shè)置擋水板而使無底杯回歸到立起狀態(tài)，或在小型導(dǎo)輪附近形成無底杯通過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，可以單獨使用從與擒縱輪同軸安裝的主動齒輪到傳輸?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]通過導(dǎo)輪和張緊裝置的兩級組合，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，使支承于樞軸的無底杯自然下落，通過即使在小流速下也完成旋轉(zhuǎn)，從而使其完全自啟動。
[0037]本發(fā)明也可以將兩個以上的多臺循環(huán)鏈帶水輪機用連結(jié)件并列連結(jié)，通過漂浮配置而形成為較長裝置，獨立設(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)置于上述各臺水輪機的擒縱輪軸產(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，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，將各臺循環(huán)鏈帶水輪機通過連通工具結(jié)合多臺，使其形成為漂浮并列配置的較長裝置，將各裝置得到的轉(zhuǎn)矩集中至一根通用軸，使其產(chǎn)生大的角動量，因此當(dāng)使其漂浮時，可以大量獲得表層部的高能量密度的水流。
[0040]在該較長裝置的兩端預(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，通過緊固索和錨將該外部浮力體系住，則較長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彼此連結(jié)，因此大容量發(fā)電只能依靠將單臺大型化，不能降低經(jīng)濟成本。
[0043]本發(fā)明也可以形成較短裝置，在該較短裝置中將環(huán)形鎖帶水輪機的多個擒縱輪軸設(shè)置為一根實際使用長度的共用驅(qū)動軸，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在水下的連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動路徑分割為上側(cè)和下側(cè)兩個回路，各回路在兩端部具有流入口部和流出口部，通過在該流出口部設(shè)置形成可動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)的回路中通過上述擋水板互相自動交替工作，其中，一個回路作為從流入口流入水流的同向行進路徑工作，另一個回路作為阻止流入水并使無底杯旋轉(zhuǎn)的逆向行進路徑工作。
[0045]在將連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動路徑分割為上下兩段回路時，由于都在水下開口，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)揮同向行進路徑的作用和逆向行進路徑的作用，從而每當(dāng)流向反轉(zhuǎn)時，使同向行進路徑和逆向行進路徑的作用交替起作用。
[0046]同向行進路徑的作用是使管路的入口和出口打開，逆向行進路徑的作用是關(guān)閉入口或引導(dǎo)外界流，在出口使無底杯旋轉(zhuǎn)。
[0047]利用往返流的水力轉(zhuǎn)換裝置是通過對于來自任一側(cè)的流動都使連續(xù)皮帶的旋轉(zhuǎn)時常為相同方向而實現(xiàn)的。
[0048]將連續(xù)皮帶的轉(zhuǎn)動路徑分割為上側(cè)和下側(cè)兩個回路，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開閉控制的擋水板，對來自流入口部的流入水，打開并使其流出，但對來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，所以設(shè)于前后的流入口部在水下打開，對應(yīng)往返流，對于來自任一側(cè)的流入水，回路另一端的擋水板都打開使其流出，因此形成為同向行進路徑，獲得驅(qū)動力。
[0051 ]另外，在流入口部，在向下旋轉(zhuǎn)的一側(cè)，通過反向傾斜面使其自然下落，在向上旋轉(zhuǎn)的一側(cè)設(shè)定上述的兩級組合導(dǎo)輪，從而對來自任一側(cè)的流入水都進行自啟動。
[0052]雖然回路在開放水路中工作，但是，也可以形成使用上下頂板或底板的導(dǎo)水路徑保護杯不受漂流物影響，或形成壓力管路，提高效率。
[0053]自動開閉控制的擋水板是在長周期的潮流中通過與水的比重差和流速進行控制的可動式，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，因為固定而大大減少了故障發(fā)生。
[0054]自動開閉控制的擋水板對于可動式擋水板形成為