一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置 |
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| 申请号 | CN201610333492.5 | 申请日 | 2016-05-18 | 公开(公告)号 | CN106014761A | 公开(公告)日 | 2016-10-12 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 谢永慧; 姜伟; 张荻; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种利用涡脱落效应的自激振荡 翼型 发电装置，其特征在于，包括垂直布置的套筒和 叶片 以及 水 平布置且能够围绕其轴线摇摆运动的 耳 轴；其中，套筒的一端固定在耳轴上，叶片的底部插入在套筒的另一端中，且叶片能够沿自身的轴线在套筒中自由扭转；耳轴的一端与平面涡卷 弹簧 连接，另一端与 动 力 输出装置 连接。本发明提供的利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置，该装置中的叶片有两个相互独立的 自由度 ，叶片的扭转和摇摆运动均由 流体 驱动。其中叶片的扭转运动主要利用流体经过钝体时的涡脱落效应，叶片的摆动主要利用了叶片周期性的升力变化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置，其特征在于，包括垂直布置的套筒(2)和叶片(3)以及水平布置且能够围绕其轴线摇摆运动的耳轴(1)；其中，套筒(2)的一端固定在耳轴(1)上，叶片(3)的底部插入在套筒(2)的另一端中，且叶片(3)能够沿自身的轴线在套筒(2)中自由扭转；耳轴(1)的一端与平面涡卷弹簧(6)连接，另一端与动力输出装置(9)连接。 |
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| 说明书全文 | 一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置技术领域： [0002] 随着人口增长、经济发展和社会进步，人们对能源、特别是清洁能源的需求日益增长。传统水电站和风机的发电量逐年增长，但是其对环境的影响也日益受到关注。比如，水电站对上下游生态和局部地貌的影响、大型风机的噪声污染及其对候鸟迁徙的影响。传统水电站和风机，特别是水电站的装机容量逐渐逼近其极限值。在此背景下，传统的水轮机和风机及其替代或补充方案都得到了发展。其中，振荡翼型吸能近年来逐渐受到学界的关注，并进行了全面的研究。与传统风机相比，振荡翼型吸能装置结构简单、建造成本低、尺寸小、对环境也更友好；其应用范围也更广，比如河流、海岸、峡谷等不适合传统水轮机和风力机的狭长流体区域；振荡翼型发电装置在不同的流速下均能保持较高的吸能效率，意味着特别适合于洋流、潮汐这类低流速、高流体密度的场合。 [0003] 现有的振荡翼型吸能机构在垂直于来流方向以平动为主，需要在叶片的两端设置支撑结构，从而导致机构复杂、适应性也较差；此外，需要专门的电机驱动翼型扭转、或者采用连杆曲轴等机构将翼型平移运动或拍动的动力传递给扭转驱动机构，这样不仅降低了效率、还增加了成本。在此背景下，本发明提出了一种利用C-型翼型叶片的涡脱落效应直接驱动叶片扭转，发电机从叶片的摇摆运动中采集能量的新型吸能装置。发明内容： [0004] 本发明的目的在于提供一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置。 [0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的： [0006] 一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置，包括垂直布置的套筒和叶片以及水平布置且能够围绕其轴线摇摆运动的耳轴；其中， [0008] 本发明进一步的改进在于，套筒的一端通过轴端盖固定在耳轴上。 [0009] 本发明进一步的改进在于，动力输出装置为变速箱或发电机。 [0012] 本发明进一步的改进在于，套筒上沿其轴向设置有第一弹性件，叶片上沿其径向设置有两个第二弹性件，叶片在沿自身轴线扭转运动的最大角度受到第一弹性件和两个第二弹性件的限制。 [0013] 本发明进一步的改进在于，耳轴的一端沿其径向开设有槽缝，平面涡卷弹簧的一端插入在耳轴上的槽缝内，另一端固定在基座上。 [0014] 本发明进一步的改进在于，耳轴的一端沿其径向开设有两个槽缝，且两个槽缝呈180°分布，平面涡卷弹簧的数量为两个，两个平面涡卷弹簧对称布置。 [0015] 本发明进一步的改进在于，叶片为C-型翼型叶片。 [0016] 相对于现有技术，本发明具有如下的优点： [0017] 本发明提供的利用涡脱落效应驱动的自激振荡翼型发电装置，该装置中的叶片有两个相互独立的自由度，叶片的扭转和摇摆运动均由流体驱动。其中叶片的扭转运动主要利用流体经过钝体时的涡脱落效应，叶片的摆动主要利用了叶片周期性的升力变化。 [0018] 进一步，本发明在叶片和套筒上固定弹性杆件，限制了叶片的扭转角度，以便于控制叶片的来流攻角，实现最优效率；同时，弹性杆件可以储存一部分扭转的动能，避免能量的损失；此外，弹性杆件也提供了一种危急保护机制，当来流速度过大，弹性杆件会首先被折断，使得叶片可以调整角度以获得最小的迎风面积，进而在一定程度上保护本发明的主要机构不被损毁。 [0019] 更进一步，本发明利用对称布置的平面涡卷弹簧来确定叶片的平衡位置、限制叶片的最大摆动幅值。对称布置的卷簧保证了弹簧刚度的对称性，从而保证了叶片摆动的对称性。卷簧非线性的半径变化使得卷簧的刚度非线性变化，卷簧刚度会随着叶片摆动角度的增大而增大。非线性的弹簧刚度优化了耳轴的扭振振动特性，使得本发明可以适应不同的来流速度。 [0021] 图1为本发明的总体结构示意图，其中，图1(a)为整体示意图，图1(b)为局部放大示意图，图1(c)为局部剖视图； [0022] 图2为叶片扭转运动示意图，其中，图2(a)为中间状态，图2(b)为向下运动状态，图2(c)为向上运动状态； [0023] 图3为耳轴、平面涡卷弹簧及其配合关系示意图； [0024] 图4为平面涡卷弹簧侧视图。 [0025] 图中：1为耳轴，2为套筒，3为叶片，4为弹性杆，5为第一螺栓，6为平面涡卷弹簧，7为轴端盖，8为轴承座，9为动力输出装置，11为轴承，12为弹性杆，13为第二螺栓，14为第三螺柱，15为推力轴承，16为径向轴承，17为第四螺栓，18为基座，Ⅰ为流动方向，Ⅱ为第一方向，Ⅲ为第二方向。具体实施方式： [0026] 以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。 [0027] 如图1所示，本发明一种利用涡脱落效应的自激振荡翼型发电装置，图中采取的技术方案如下： [0028] 耳轴1水平布置，套筒2和叶片3垂直布置。套筒2通过第三螺柱14和轴端盖7与耳轴1固定连接。叶片3的一端插入套筒2中，通过径向轴承16和推力轴承15与叶片相互配合，叶片3可以绕自身的轴线在套筒2中自由扭转。耳轴1通过轴承11和轴承座8进行径向和轴向约束。耳轴1的一端与平面涡卷弹簧6连接，另一端9与变速箱和发电机等机构连接。耳轴1、套筒2和叶片3可以构成一个整体，绕耳轴1的轴线做摇摆运动。当流体流过叶片3时，会在叶片 3的下游形成周期性脱落的漩涡，这些漩涡会在叶片3上形成周期性的力矩，这个力矩将驱动叶片做扭转运动。当叶片3做扭转运动时，它相对于来流的攻角会发生周期性的波动，周期性的升力导致叶片3绕耳轴的轴线做周期性的摆动。在这个过程中，流体的动能首先转化成旋转部件(叶片3、套筒2、耳轴3等)的动能。旋转部件的一部分动能转化成弹性部件(弹性杆4、平面涡卷弹簧6)的势能，另一部分动能由端部9输出为电能。储存在弹性杆4中的弹性势能用于恢复叶片3的扭转运动，平面涡卷弹簧6的弹性势能用于恢复叶片3的摇摆运动，弹性部件的能量最终会输出为电能。 [0029] 弹性杆4通过第一螺栓5固定在套筒3上，弹性杆12通过第二螺栓13固定在叶片3上，弹性杆4和12沿周向的位置可以调整。如图2的俯视图所示，叶片3的截面近似于C‐型，叶片的两端迎向流体的流动方向Ⅰ。当叶片3在脱落涡的作用下绕轴线做逆时针扭转时，最终会运动到状态(b)并停止，此时弹性杆12与下边的弹性杆4相接触，将扭转的动能转化成弹性杆4的弹性势能，此时叶片3受到的升力沿着第一方向Ⅱ的方向向下，从发电端9看过去，叶片3有逆时针摆动的趋势；与此相反，当叶片3在脱落涡的作用下绕轴线做顺时针扭转时，最终会运动到状态(c)并停止，此时弹性杆12与上边的弹性杆4相接触，此时叶片3受到的升力沿着第二方向Ⅲ的方向向上，从发电端9看过去，叶片3有顺时钟摆动的趋势。以上的描述说明了叶片扭转运动和摇摆运动的机制，其中使用了弹性杆12和4来限制叶片扭转的最大角度。 [0030] 图3说明了耳轴1和平面涡卷弹簧6的配合关系。平面涡卷弹簧6的一端沿着耳轴1上开设的槽缝插入，另一端通过第四螺栓17与基座18固定连接。在耳轴1上连接有两个平面涡卷弹簧6，这两个平面涡卷弹簧6结构相同，对称布置。因为叶片3需要来回摆动，这样布置的弹簧可以保证耳轴1扭转刚度的对称，从而保证叶片摆动的对称。从图3中平面涡卷弹簧6的侧视图可以看到，平面涡卷弹簧6的半径并非线性的变化，随着平面涡卷弹簧6旋转角度的增大，平面涡卷弹簧6的半径在加速增大。因此，平面涡卷弹簧6的刚度是非线性的，平面涡卷弹簧6的刚度随着叶片3的摆动角度增大而增大。这种弹簧使得叶片3更容易通过摆动的平衡位置，非线性的刚度使得耳轴的扭转自然频率不会集中在某一个固定值，从而使得本发明可以适应不同的来流速度。 |
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