基于壓縮流體加速提取波浪能的方法及實現該方法的雙向水輪機的制作方法

專利名稱：基于壓縮流體加速提取波浪能的方法及實現該方法的雙向水輪機的制作方法
技術領域：
本發明屬于海洋發電技術領域，特別是涉及一種基于壓縮流體加速高效提取波浪能的方法，還涉及實現該方法的雙向水輪機。
背景技術：
中國專利申請《一種基于海面波浪層和深海穩定區海洋波浪能差動能量提取的波浪能發電系統》(申請號201110078071. X)公開了一種波浪能發電系統，該系統所采用的水輪機為雙向水輪機，它包括上、下兩端具有喇叭型開口的圓筒狀機殼、設于機殼內上部和內下部的導流葉片和設于兩導流葉片之間的單向旋轉轉子，單向旋轉轉子以水輪機的中心旋轉軸為中心沿與中心旋轉軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形；在水輪機的中心旋轉軸的外 表面分別設有錐體狀的上收縮體和錐體狀的下收縮體，上收縮體位于中心旋轉軸和上部導流葉片之間，下收縮體位于中心旋轉軸和下部導流葉片之間。該水輪機的工作原理是水輪機置于深海穩定區，海面浮動平臺隨波浪上下運動并通過傳動機構帶動置于深海穩定區中水輪機在垂直方向上隨波浪的起伏上下運動，水輪機在垂直方向上的運動使得穩定區水流不斷通過水輪機的上部和下部導流葉片，同時沖擊水輪機中部的單向旋轉轉子，受水流沖擊的作用力，當水輪機受浮動平臺垂直向上拉動或受重力向下運動時，受上部和下部兩組導流葉片導引的作用，水流單方向作用水輪機的單向旋轉轉子，使水輪機中部的旋轉轉子單向旋轉，并且帶動與浮動平臺通過萬向節連接的傳動桿與水輪機轉子同步旋轉，將轉動力傳遞到海面的發電機轉子，從而驅動發電機旋轉，將海洋波浪能轉換為電能。上述結構的水輪機可以利用波浪垂直方向的最大相對位移提取海洋中的波浪能量，不僅結構簡單、穩定性好，而且由于利用的是海水垂直方向的能量，所以當多個波浪能提取裝置組成陣列時也并不會降低單個裝置的能量提取效率。但是，如何優化上述水輪機的結構以進一步提高水輪機的輸出功率，進而實現發電機更大的發電能力是目前需要研究并亟待解決的技術難題。

發明內容
本發明的第一個目的在于提供一種基于壓縮流體加速提取波浪能的方法。本發明的目的通過如下的技術方案來實現一種基于壓縮流體加速提取波浪能的方法，隨波浪上下波動，在海面浮動平臺帶動下，置于深海穩定區水輪機在垂直方向上的運動使海水從被拖動的雙向水輪機的機殼上、下兩端開口分別流入機殼內，并通過作為定子的上、下收縮體與機殼之間逐漸收窄的環形通道，其特征在于所述機殼開口半徑R的范圍為0.3 15m，海水按照上、下收縮體根部半徑A與單向旋轉轉子的中央半徑r之比為
0.8 0. 99進行壓縮，經過壓縮的海水被加速后，高速沖擊單向旋轉轉子，將往復雙向流經的水流動力轉換成單向旋轉轉子的單方向旋轉運動，從而帶動單向旋轉轉子的中心旋轉軸轉動，進而驅動由萬向節連接的傳動桿同步旋轉，將轉動力傳遞到設置在海面上海面浮動平臺的發電機的轉子，以使海洋波浪能轉換為電能。本發明大大減小了海水在機殼內的過流面積，大幅度提高了流體沖擊單向旋轉轉子的速度，增大了單向旋轉轉子的轉動扭矩，在本發明所述的各參數范圍內，提高了水輪機的輸出功率，進一步提高了發電機的發電功率。作為本發明的一種改進，使進入機殼內的海水在所述環形通道內同時流經設于機殼內壁上的弧狀長形片體的導流葉片，由導流葉片將海水從垂直方向導引轉向而直接沖擊在單向旋轉轉子的外緣的渦輪葉片上。本發明進入機殼開口內的所有海水通過導流葉片被最大限度地導引到單向旋轉轉子的外緣(即渦輪葉片)，降低了直接流過葉片或葉漿間隙的海水比例，增大了單位體積水流對單向旋轉轉子沖擊的力矩，利用流體動力學原理，進一步增大了單向旋轉轉子的轉、動扭矩，大大提高了海水做功的效率，在上述海水被壓縮提速提高水輪機的輸出功率的基礎上，進一步提聞了水輪機的輸出功率，進而提聞了發電機的發電功率。本發明的第二個目的在于提供一種實現上述基于壓縮流體加速提取波浪能的方法的雙向水輪機。本發明的第二個目的通過如下的技術方案來實現包括機殼及設置在機殼內可單向旋轉的單向旋轉轉子，所述機殼為上、下兩端具有開口的筒體，所述單向旋轉轉子以水輪機的中心旋轉軸為中心沿與中心旋轉軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，在單向旋轉轉子的上方和下方分別設有正立錐體狀的上收縮體和倒立錐體狀的下收縮體，所述中心旋轉軸分別穿過上收縮體和下收縮體以將其固定在中心旋轉軸的外表面上，其特征在于所述機殼開口半徑R的范圍為0. 3 < R < 15m，所述上收縮體和下收縮體的根部半徑為所述單向旋轉轉子的中央半徑為r,收縮系數mc/r, n取值范圍為0. 8 0. 99。所述上收縮體與下收縮體為圓錐體，所述上收縮體與下收縮體的中心軸線與中心旋轉軸的中心軸線位于同一直線上。作為本發明的一種改進，在所述機殼內壁上部和下部各設一組導流葉片，每組導流葉片沿機殼圓周排布，所述上部導流葉片圍括所述上收縮體，而下部導流葉片則圍括所述下收縮體，所述兩組導流葉片以單向旋轉轉子所在的平面成鏡像設置，所述導流葉片為弧狀的長形片體，導流葉片內凹的方向與單向旋轉轉子的旋轉方向相反，且每組導流葉片具有相同的排列方向。作為本發明的一種實施方式，所述單向旋轉轉子的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片組成，所述葉片為凹形片狀，葉片內凹的方向與單向旋轉轉子的旋轉方向相同，且所述葉片具有相同的排列方向，所述兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別導引至葉片的內凹面上以共同推動單向旋轉轉子單向轉動，所述的內凹面即作為海水的沖擊作用面。作為本發明的一種實施方式，所述單向旋轉轉子的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片組成，所述葉片為翼形塊狀體，所述葉片的縱向截面呈軸對稱的流線型，所述葉片的中心軸水平且葉片具有相同的排列方向，所述兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別以垂直于葉片的流線型斜面方向導引于其上以共同推動單向旋轉轉子單向轉動，所述的流線型斜面即作為海水的沖擊作用面。本發明的單向旋轉轉子渦輪的葉片類似于飛機的機翼。作為本發明的一種優選方式，所述兩組導流葉片的上、下兩端分別為用于引入海水的進水端和用于導出海水的出水端，所述上、下部兩組導流葉片的出水端分別與單向旋轉轉子的葉片上、下相承接，以使導流葉片將海水導引至葉片的沖擊作用面上。本發明在所述單向旋轉轉子安裝盤的上、下盤面上分別設有水平的導水隔板，所述上收縮體、下收縮體的根部分別對應位于所述導水隔板上，所述中心旋轉軸穿過所述導水隔板，所述導水隔板與所述機殼內壁之間具有環形間隙，所述單向旋轉轉子的葉片位于該環形間隙的下方，導引的海水通過該環形間隙沖擊到單向旋轉轉子的葉片上。作為本發明的一種改進，在所述水輪機的機殼外壁上設有多個附加浮筒，所述浮筒沿機殼的縱向延伸且沿機殼外壁按圓周分布，浮筒的上端筒口與下端筒口分別根據雙向運作狀態交替作為進水孔和排水孔。該浮筒可以通過注入不同體積的水，改變水輪機的自身重量，成為可調節重量，適應高效、優化和不同功率輸出容量的通用型的水輪機。作為本發明的進一步改進，所述機殼上、下兩端的開口為喇叭型，在所述開口上覆蓋有過濾網，所述中心旋轉軸向上穿過過濾網，所述過濾網的網孔孔徑小于單向旋轉轉子上相鄰葉片之間的距離。本發明的過濾網應該能夠確保大于網孔的雜質不能進入水輪機，而且當小于網孔的雜質進入后能夠順利通過水輪機內部并排出。為了保證落在過濾網上體積較大的雜質不會滯留，本發明所述位于機殼上端開口的過濾網的中心部位向上凸起，形成空心錐體狀，錐體狀過濾網的中心部位高于上端開口的口沿。與現有技術相比，本發明具是有如下顯著的效果⑴本發明的水輪機使得海水通過逐漸收窄的通道，并提供了關于收窄通道的具體參數范圍，利用流體理學原理，在該參數范圍內，可大大減小流體過流面積，將流體沖擊單向旋轉轉子的速度大幅度提高。⑵本發明還增設有導流葉片，所有海水過流被最大限度地導引到水輪機單向旋轉轉子外緣的葉片上，增大了單位體積水流對單向旋轉轉子渦輪沖擊的力矩。⑶利用流體動力學關于單位直徑水輪機的轉動扭矩增大的基本原理，增大單位直徑水輪機的轉動扭矩，最大限度得運用了波浪能，大大提高了發電功率。⑷本發明的雙向水輪機是一種單機可以產生兆瓦級別的海洋能發電裝置，由于浮出海面部分可以通過改變浮筒結構和附屬浮筒內水體充斥的量，控制其露出海面部分的側面積小于整體側面積的10%，加上通過金屬傳動桿在海水下10-20米處承載有數噸的水輪機的重力穩定作用，風阻系數不超過0. 1，受臺風影響小，在強臺風期間也無須特別維護和附加工程作為特別防護。(5)本發明是一種理想的海洋能發電裝置，就各國的近海波浪能資源而言，就存在著可以提供足以滿足各國所需電力能源的潛力。


下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。圖I是本發明實施例I雙向水輪機的立體結構部分剖視示意圖； 圖2是本發明實施例I雙向水輪機的側面剖視示意圖3是本發明實施例2雙向水輪機的立體結構部分剖視示意圖；圖4是本發明實施例2雙向水輪機的側面剖視示意圖；圖5是雙向水輪機的俯視示意圖(帶有浮筒);圖6是雙向水輪機設置在海面下的結構示意圖；圖7是雙向水輪機設置在海面下計算數學模型的原理示意圖；圖8是雙向水輪機受波浪上下運動的牽引相對海平面位移的曲線圖；圖9是水輪機單向旋轉轉子渦輪葉片所受力矩與入水口半徑的關系曲線圖；圖10是本發明加速層內外半徑比與功率的關系曲線圖； 圖11是圖3、4中葉片的縱向截面示意圖。
具體實施例方式如圖I 11所示，是本發明一種基于壓縮流體加速提取波浪能的方法，隨波浪上下波動，在海面浮動平臺帶動下，置于深海穩定區水輪機在垂直方向上的運動使海水從被拖動的雙向水輪機的機殼I上端開口 14、下端開口 13分別進入機殼I內，通過作為定子的上收縮體4、下收縮體10與機殼I之間逐漸收窄的環形通道壓縮海水，其中，機殼I的開口半徑R的范圍為0. 3 < R < 15m,海水按照上收縮體、下收縮體根部半徑A與單向旋轉轉子7的中央半徑r之比為0. 8 0. 99進行壓縮，與此同時，進入機殼I內的海水在環形通道內流經機殼I內壁上的導流葉片5、9，由導流葉片5、9將海水從垂直方向導引轉向而直接沖擊在單向旋轉轉子7外緣的渦輪葉片71上，從上、下兩端開口進入的海水水流共同朝同一方向推動渦輪葉片71，而經過壓縮后的海水被加速后，高速沖擊雙向水輪機的單向旋轉轉子7，將往復雙向流經的水流動力轉換成單向旋轉轉子7的單方向旋轉運動,從而帶動單向旋轉轉子7的中心旋轉軸2轉動，進而驅動由萬向節15連接的傳動桿16同步旋轉，將轉動力傳遞到設置在海面上海面浮動平臺的發電機的轉子，以使海洋波浪能轉換為電能。一種實現上述基于壓縮流體加速提取波浪能的方法的雙向水輪機，包括機殼I及設置在機殼I內可單向旋轉的單向旋轉轉子7，機殼I為具有上端開口 14、下端開口 13的筒體，上端開口 14和下端開口 13均為喇叭型，單向旋轉轉子7以水輪機的中心旋轉軸2為中心沿與中心旋轉軸2相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，在單向旋轉轉子7的上方和下方分別設有正立圓錐體狀的上收縮體4和倒立圓錐體的下收縮體10，中心旋轉軸2分別穿過上收縮體4和下收縮體10以將其固定在中心旋轉軸2的外表面上，上收縮體4和下收縮體10與機殼之間形成逐漸收窄的環形通道，海水水流流過該通道再沖擊至單向旋轉轉子的葉片上，在本實施例中，上收縮體4與下收縮體10的中心軸線與中心旋轉軸2的中心軸線位于同一直線上，在機殼I內壁上部和下部各設一組導流葉片，即上部的導流葉片5和下部的導流葉片9，每組導流葉片沿機殼I圓周排布，上部導流葉片5圍括上收縮體4，而下部導流葉片9圍括下收縮體10，兩組導流葉片以單向旋轉轉子7所在的平面成鏡像設置，導流葉片為弧狀的長形片體，導流葉片的一側長邊固定在機殼內壁上，導流葉片內凹的方向與單向旋轉轉子的旋轉方向相反，且每組導流葉片具有相同的排列方向。參見圖1、2，是本發明中單向旋轉轉子7的實施例1，單向旋轉轉子7的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片71組成，葉片71為凹形片狀，葉片內凹的方向與單向旋轉轉子7的旋轉方向相同，且葉片71具有相同的排列方向，在本實施例中，單向旋轉轉子7的旋轉方向是順時針方向，葉片的內凹方向也為順時針方向，即與單向旋轉轉子7的旋轉方向相同，兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別導流至葉片的內凹面上以共同推動單向旋轉轉子單向轉動，內凹面即作為海水的沖擊作用面。參見圖3、4及圖11，是本發明中單向旋轉轉子7的實施例2，單向旋轉轉子7的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片組成，葉片71為翼形塊狀體，在本實施例中，葉片71類似于飛機的機翼，葉片71的縱向截面呈軸對稱的流線型，葉片71的中心軸水平且葉片71具有相同的排列方向，單 向旋轉轉子7的旋轉方向是順時針方向，葉片71的流線型斜面朝向逆時針方向傾斜，兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別以垂直于葉片71的流線型斜面方向導引于其上以共同推動單向旋轉轉子7單向轉動，流線型斜面即作為海水的沖擊作用面，沖擊作用面設置的最佳實施方式是沖擊作用面正對迎向海水水流。以上兩種實施例，兩組導流葉片的上、下兩端分別為用于引入海水的進水端和用于導出海水的出水端，上、下部兩組導流葉片的出水端分別與單向旋轉轉子的葉片上、下相承接，以使導流葉片將海水導引至葉片的沖擊作用面上。機殼I喇叭型開口的半徑R范圍為0. 3彡R彡15m,上收縮體4和下收縮體10的根部半徑為3V單向旋轉轉子7的中央半徑為r,收縮系數n = r0/r, n取值范圍為0. 8
0.99 o上述參數范圍的確定根據流體力學原理得出，具體計算過程如下首先，如圖6所示，海洋發電裝置包括設置在海面浮動平臺上的發電機、與海面波浪同步運動的海面浮動平臺P、傳動機構C和置于海水深處穩流區S的水輪機T，海面浮動平臺P漂浮于海面M上并受海水波浪起伏驅動上下運動，傳動機構C的一端與發電機的轉動輸入端相連接，另一端與水輪機T單向旋轉轉子的中心旋轉軸相連接,海面浮動平臺P隨波浪上下運動通過傳動機構T帶動置于海水深處穩流區的水輪機T在垂直方向上下運動，水輪機T在垂直方向上下運動帶動海水深處穩流區S水流與海面波浪層D相對反向運動，并沿水輪機T的上、下導流葉片進入水輪機驅動水輪機T的單向旋轉轉子旋轉，水輪機T的單向旋轉轉子旋轉通過傳動機構C驅動發電機的轉子實現發電。參見圖7，建立雙向水輪機的數學模型平面PO為海面浮動平臺參考海平面標準OM處的高程,平面Pl為水輪機上端入水口(即指上端開口，同時也作為出水口)處平面，平面P2為水輪機單向旋轉轉子平面，平面P3為水輪機下端入水口(即指下端開口，同時也作為出水口)處平面，P3位于Pl下的深度為H，即是水輪機機殼的高度。模型中使用各參量說明列表如下，進入水輪機的海水質量m的變化率；
dtV1，海水上涌時，從水輪機上端開口進入平面Pl或海水下沉時從水輪機下端開口進入平面P3的速度；V2,海水經過水輪機的上、下收縮體，海水水流被壓縮加速，水流加速后通過單向旋轉轉子渦輪P2平面的速度；t，水流在同一方向上持續的沖擊時間(半個波浪運動周期)；
P，水輪機所在水域中海水的質量密度；R，水輪機上、下兩端開口的半徑；r，水輪機單向旋轉轉子的中央半徑；IV水輪機上、下收縮體根部半徑(即最大半徑)，上、下收縮體作為定子，該半徑也是進入機殼內流體的壓縮半徑。海面浮動平臺標準平面PO在一個完整周期內相對海平面的位置變化如圖8所示，假設在時間tl時，PO平臺到達最高點，t2時PO平臺相對海平面到達位移最低點，t3時，PO到達下一個周期中的最高點。從tl至t3可以視為PO平臺的一個完整運動周期，這種周期也是波浪能發電系統在實際運行中的主要運動周期和過程。根據實驗測得，中國沿海的平均波浪為2 3米/周期，因此，以下分析計算按照2 米波浪進行分析，而在波浪較高的情形下，海洋發電裝置的發電能力將極大提高。根據科學觀測，海洋波浪(涌浪)周期較為穩定，通常情況下主體波浪(涌浪)夏季約每6秒一個周期，冬季約8秒一個周期。以下分析按照起伏各Im (波動幅值)的海洋波浪(涌浪)進行具體的計算，由于海洋的波浪(涌浪)驅動的海面浮動平臺發電系統的運動軌跡與正弦波類似，因此可以擬合為正弦波進行分析。列出計算單向旋轉轉子渦輪力矩的計算公式設定一,受深部海水重力穩定作用，進入水輪機的水流速度與水輪機向上移動速度相等；水輪機上部或下部外的水體不會被水輪機的上下移動影響，同樣在水輪機向下運動時也不會推動外部的流體向下運動，即進入水輪機的水全部流過水輪機上收縮體和下收縮體與機殼之間形成逐漸收窄的環形通道，沖擊水輪機單向旋轉轉子渦輪做功。設定二，水的體積不可壓縮。設定三，水體加速動能全部作用于單向旋轉轉子渦輪葉片的中心上。M=FXL①F = m*a = m*v2/1②L = (r+r0) /2③F*L = R2* p *vl*t*v2/t* (r+r。)/2④其中，F—單向旋轉轉子葉輪被水流沖擊所受作用力L —力臂，即水流沖擊點至單向旋轉轉子渦輪葉片中心的距離在一個波浪周期內，海面浮動平臺獲取的能量為PO平面的受頂部波浪(涌浪)拉動產生位移所帶來的勢能及動能，即作用于海面浮動平臺底部的總拉力乘以其作用的距離(即海面浮動平臺向上的位移)。獲得力矩M為
d , IM = I xL = TlR piy —--(5)
2(r-r0)設k為水輪機轉化效率系數(目前我國所制造的水輪機，其轉換效率可達92%)，則
扭矩與輸出功率的關系為
. R0P = MxN = k^pv"~-———(6)
‘ (r -)在其他條件不變的情況下，如圖9所示力矩M與入水口半徑R的關系曲線圖，力矩M與入水口半徑R呈指數型關系，隨著入水口半徑R的增大,力矩M快速增大，即發電機的發電功率能夠得到極大地提高。本發明的發電機系統可以是任意規模和具有不同發電容量的系統，但是，考慮到制造成本和發電容量的投入產出比，在海洋觀測儀器和航標燈級別的小型發電系統通常采用入水口半徑不小于0. 3米的水輪機，這是因為，如果半徑太小，扭矩就小，力矩M與入水口半徑R呈指數型關系的優勢沒有得到體現和利用，所以單位功率造價相對較高；當需要使用大型水輪機的場合，則要考慮三個因素，其一，水輪機入水口半徑過大，制造成本顯著提高，運輸成本顯著提高，維護成本也將顯著提高；其二，水輪機體積過大，勢必需要更大面積的海面浮動平臺，根據海浪的周期特點，海面浮動平臺半徑不應超過15米，否則，將出現對海浪的濾波作用，減少海浪的升降對浮體的作用力，進而影響發電效率，因此，機殼喇叭型開口的半徑R范圍為0.3彡R彡15m。根據公式⑥，海水的壓縮比(即收縮系數n = r0/r)決定海水流過水輪機單向旋轉轉子的流速，為了確保壓縮水流在盡可能穩定地沖擊水輪機葉片同時不會出現水體擁堵現象而影響效率，壓縮后的海水流速應該控制在30米/秒以下，為此，根據不同海域的波浪高度，n取值范圍為0. 8 0. 99，可以確保水輪機的工作穩定性和對自然海洋的最小擾動，同時也保證水輪機不發生氣蝕現象，減少了維護成本。綜上，公式⑥是本發明提高水輪機功率的以高效利用水力動力的機理函數，分析該公式可以得到以下結論一方面，水輪機的功率與水輪機的上、下兩端開口的半徑成六次方指數關系，因此，在加工、運輸、安置可能的前提下，水輪機可以盡可能的做大，以提高輸出功率；另一方面，參見圖10，海水通過收窄的環形通道被壓縮，以實現海水加速，水輪機的功率與收縮系數成指數關系，即收縮系數n=r(l/r，該收縮系數愈接近1，水輪機的輸出功率呈指數增加。為了說明本發明的發電功率特性，根據公式⑥，做以下具體分析，水輪機的轉換效率考慮為k = 0. 5。設波浪為2米，波浪周期為6秒，海水流進入水口(上、下兩端開口)時的入口速度V1為4m/6s，即V1=O. 66m/s，設水輪機上、下兩端開口的直徑為5米，單向旋轉轉子的直徑為4米，流體進入上、下收縮體與機殼之間的環形通道進行壓縮，上、下收縮體根部半徑A與單向旋轉轉子的中央半徑r之比為收縮系數n,收縮系數mc/r, n = 0. 97,即R=2. 5 米，r=2 米，r0=l. 94 米，可見，V1 = 0. 66m/s的海水被加速到超過26倍入口速度的流速，此時海水加速至17. 44m/s, k = 0. 5，根據公式⑥，發電機的輸出功率為P=O. 5 X 462262. 5X2. 56X0. 663/24=1013936ff發電機的輸出功率大于1麗，可實現兆瓦級的發電。根據流體力學原理，本發明提高水輪機功率的機理具體而言，就是通過用于引導流體的上部、下部兩組導流葉片及上、下收縮體，實現了對進入水輪機P1平面的水流進行流態壓縮，使得該流體通過單向旋轉轉子時被加速，利用流體能量原理，沖擊作用力能量與沖擊轉子流速呈3次方指數關系，同時，流體受擠壓，也最大可能被導流至單向旋轉轉子的外緣葉片上,力矩直接增加,從而加大了轉子轉動的扭力和扭矩,達到大大提高發電功率的目的；由于受過流斷面面積愈小，水體受阻力量愈大的機制，在不導致海水被整體提出運動中、的？工平面的前提下，海水不可能被無限制的加速，所以，分析水輪機的上、下收縮體根部直徑和水輪機的單向旋轉轉子直徑的關系，就是一臺直徑確定后的水輪機在特定海浪高度前提下的動力特性的關鍵結構設計指標。參見圖5，本發明在水輪機的機殼外壁上設有多個附加浮筒20，浮筒20沿機殼I的縱向延伸且沿機殼I外壁按圓周分布，浮筒20的上端筒口與下端筒口分別根據雙向運作狀態交替作為進水孔和排水孔。該浮筒可以通過注入不同體積的水，改變水輪機的自身重量，成為可調節重量，適應高效、優化和不同功率輸出容量的通用型的水輪機。參見圖I 4，在單向旋轉轉子7安裝盤的上、下盤面上分別設有水平的導水隔板6、8，上收縮體、下收縮體的根部分別對應位于導水隔板6、8上，中心旋轉軸2穿過導水隔板
6、8，導水隔板6、8與機殼I內壁之間具有環形間隙，單向旋轉轉子7的葉片71位于該環形間隙的下方，導引的海水通過該環形間隙沖擊到單向旋轉轉子7的葉片71上。在機殼I上、下兩端開口上覆蓋有過濾網，分別為位于上端的過濾網3和位于下端 的過濾網U，中心旋轉軸穿過過濾網，過濾網的網孔孔徑小于單向旋轉轉子上相鄰葉片之間的距離。本發明的過濾網應該能夠確保大于網孔的雜質不能進入水輪機，而且當小于網孔的雜質進入后能夠順利通過水輪機內部并排出。為了保證落在過濾網上體積較大的雜質不會滯留，位于機殼上端開口的過濾網的中心部位向上凸起，形成空心錐體狀，錐體狀過濾網的中心部位高于上端開口的口沿。本發明的實施方式不限于此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于壓縮流體加速提取波浪能的方法，隨波浪上下波動，在海面浮動平臺帶動下，置于深海穩定區水輪機在垂直方向上的運動使海水從被拖動的雙向水輪機的機殼上、下兩端開口分別流入機殼內，并通過作為定子的上、下收縮體與機殼之間逐漸收窄的環形通道，其特征在于所述機殼開口半徑R的范圍為0. 3 < 15m，海水按照上、下收縮體根部半徑A與單向旋轉轉子的中央半徑r之比為0. 8 0. 99進行壓縮，經過壓縮的海水被加速后，高速沖擊單向旋轉轉子，將往復雙向流經的水流動力轉換成單向旋轉轉子的單方向旋轉運動，從而帶動單向旋轉轉子的中心旋轉軸轉動，進而驅動由萬向節連接的傳動桿同步旋轉，將轉動力傳遞到設置在海面上海面浮動平臺的發電機的轉子，以使海洋波浪能轉換為電能。
2.根據權利要求I所述的基于壓縮流體加速提取波浪能的方法，其特征在于使進入機殼內的海水在所述環形通道內同時流經設于機殼內壁上的弧狀長形片體的導流葉片，由導流葉片將海水從垂直方向導引轉向而直接沖擊在單向旋轉轉子的外緣的渦輪葉片上。
3.一種實現權利要求I所述基于壓縮流體加速提取波浪能方法的雙向水輪機，包括機殼及設置在機殼內可單向旋轉的單向旋轉轉子，所述機殼為上、下兩端具有開口的筒體，所述單向旋轉轉子以水輪機的中心旋轉軸為中心沿與中心旋轉軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，在單向旋轉轉子的上方和下方分別設有正立錐體狀的上收縮體和倒立錐體狀的下收縮體，所述中心旋轉軸分別穿過上收縮體和下收縮體以將其固定在中心旋轉軸的外表面上，其特征在于所述機殼開口半徑R的范圍為0. 3 < R < 15m，所述上收縮體和下收縮體的根部半徑為IV所述單向旋轉轉子的中央半徑為r，收縮系數n=r(l/r，n取值范圍為0. 8 0. 99 o
4.根據權利要求3所述的雙向水輪機，其特征在于所述上收縮體與下收縮體為圓錐體，所述上收縮體與下收縮體的中心軸線與中心旋轉軸的中心軸線位于同一直線上。
5.根據權利要求4所述的雙向水輪機，其特征在于在所述機殼內壁上部和下部各設一組導流葉片，每組導流葉片沿機殼圓周排布，所述上部導流葉片圍括所述上收縮體，而下部導流葉片則圍括所述下收縮體，所述兩組導流葉片以單向旋轉轉子所在的平面成鏡像設置，所述導流葉片為弧狀的長形片體，導流葉片內凹的方向與單向旋轉轉子的旋轉方向相反，且每組導流葉片具有相同的排列方向。
6.根據權利要求5所述的雙向水輪機，其特征在于所述單向旋轉轉子的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片組成，所述葉片為凹形片狀，葉片內凹的方向與單向旋轉轉子的旋轉方向相同，且所述葉片具有相同的排列方向，所述兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別導引至葉片的內凹面上以共同推動單向旋轉轉子單向轉動，所述的內凹面即作為海水的沖擊作用面。
7.根據權利要求5所述的雙向水輪機，其特征在于所述單向旋轉轉子的渦輪主要由安裝盤和分布在安裝盤周緣上的葉片組成，所述葉片為翼形塊狀體，所述葉片的縱向截面呈軸對稱的流線型，所述葉片的中心軸水平且葉片具有相同的排列方向，所述兩組導流葉片將從機殼兩端開口進入的海水分別以垂直于葉片的流線型斜面方向導引于其上以共同推動單向旋轉轉子單向轉動，所述的流線型斜面即作為海水的沖擊作用面。
8.根據權利要求6或7所述的雙向水輪機，其特征在于所述兩組導流葉片的上、下兩端分別為用于引入海水的進水端和用于導出海水的出水端，所述上、下部兩組導流葉片的出水端分別與單向旋轉轉子的葉片上、下相承接，以使導流葉片將海水導引至葉片的沖擊作用面上。
9.根據權利要求8所述的雙向水輪機，其特征在于在所述單向旋轉轉子安裝盤的上、下盤面上分別設有水平的導水隔板，所述上收縮體、下收縮體的根部分別對應位于所述導水隔板上，所述中心旋轉軸穿過所述導水隔板，所述導水隔板與所述機殼內壁之間具有環形間隙，所述單向旋轉轉子的葉片位于該環形間隙的下方，導引的海水通過該環形間隙沖擊到單向旋轉轉子的葉片上。
10.根據權利要求9所述的雙向水輪機，其特征在于所述機殼上、下兩端的開口為喇叭型，在所述開口上覆蓋有過濾網，所述中心旋轉軸向上穿過過濾網，所述過濾網的網孔孔徑小于單向旋轉轉子上相鄰葉片之間的距離，其中，所述位于機殼上端開口的過濾網的中心部位向上凸起，形成空心錐體狀，錐體狀過濾網的中心部位高于上端開口的口沿。
全文摘要
本發明公開了一種基于壓縮流體加速提取波浪能的方法，隨波浪上下波動，在海面浮動平臺帶動下，置于深海穩定區水輪機在垂直方向上的運動使海水從被拖動的雙向水輪機的機殼上、下兩端開口分別流入機殼內，并通過作為定子的上、下收縮體與機殼之間逐漸收窄的環形通道，所述機殼開口半徑R的范圍為0.3≤R≤15m，海水按照上、下收縮體根部半徑r0與單向旋轉轉子的中央半徑r之比為0.8～0.99進行壓縮。還公開了實現上述方法的雙向水輪機。本發明大大減小了海水在機殼內的過流面積，大幅度提高了流體沖擊單向旋轉轉子的速度，增大了單向旋轉轉子的轉動扭矩，在本發明所述的各參數范圍內，提高了水輪機的輸出功率，進一步提高了發電機的發電功率。
文檔編號F03B11/02GK102720628SQ201210199180
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者梁健, 王麗娟, 鄭力銘, 鄭貴林 申請人:鄭貴林