本發(fā)明涉及牽引式單立柱渦激振動(dòng)海流能發(fā)電裝置，屬于海流能發(fā)電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人類對(duì)資源的需求日益增加，石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的消耗日趨加快。為了人類的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)再生資源的研究和利用迫在眉睫?？稍偕茉搭I(lǐng)域中海洋能的能量密度是最高的，其包括波浪能、潮汐能、海流能，海水溫差能、海水鹽差能等，技術(shù)的進(jìn)步也使海洋能的利用成為可能。

其中海流能作為海洋能的一種擁有巨大的利用優(yōu)勢(shì)。首先海流能發(fā)電具有低流速環(huán)境要求的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)海流能還具有較高的能流密度，可持續(xù)性強(qiáng)。世界上已有利用其他海洋能的岸式和近岸式裝置，然而目前已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的大部分利用波浪能的發(fā)電裝置存在著設(shè)備體積巨大，占地面積較大的問(wèn)題，利用潮汐能的大部分發(fā)電裝置存在利用率低，維護(hù)成本高的問(wèn)題，利用海水溫差能的發(fā)電裝置也存在著換熱面積大，熱能提取效率低，建設(shè)費(fèi)用高的問(wèn)題。而利用海流能轉(zhuǎn)化技術(shù)有著更高的裝置集約程度和能量捕獲效率，其可安裝布置于海底、海洋平臺(tái)等多處地方的特點(diǎn)增強(qiáng)了該類裝置的適應(yīng)性。

目前利用海流能發(fā)電的主要形式為渦輪發(fā)電，然而此類裝置也存在者自身體積過(guò)大的不利，安裝施工復(fù)雜，且渦輪機(jī)對(duì)海流流速也有較高的要求。由此我們提出了利用渦激振動(dòng)原理的海流能轉(zhuǎn)化技術(shù)。

渦激振動(dòng)屬于一類較復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象，當(dāng)流體通過(guò)柱體時(shí)，由于柱體后逆壓的變化會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的初始作用力，引起的初始振動(dòng)導(dǎo)致流體以瀉渦的形式發(fā)生漩渦脫落。當(dāng)漩渦脫落的頻率即瀉渦頻率與柱體的固有頻率接近時(shí)，將發(fā)生“頻率鎖定”，柱體會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，即渦激振動(dòng)。在這一頻率范圍內(nèi)的柱體振幅會(huì)達(dá)到最大幅值，利用柱體的振動(dòng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，將提供更為充足的能量來(lái)源。

利用渦激振動(dòng)原理進(jìn)行海流能發(fā)電，具有綠色可再生，低流速環(huán)境要求，高能量密度，可持續(xù)性強(qiáng)，蘊(yùn)藏量豐富等優(yōu)勢(shì)，這一領(lǐng)域的深入研究，必將為人類社會(huì)的能源領(lǐng)域提供更加廣闊的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種牽引式單立柱渦激振動(dòng)海流能發(fā)電裝置，渦激振動(dòng)裝置產(chǎn)生更大振幅，運(yùn)用該形式能夠更廣泛用于不同環(huán)境進(jìn)行渦激振動(dòng)發(fā)電。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種牽引式單立柱渦激振動(dòng)海流能發(fā)電裝置，包括主箱體，所述主箱體上設(shè)有振動(dòng)桿組件，振動(dòng)桿組件上套有傳動(dòng)套，傳動(dòng)套位于主箱體內(nèi)，傳動(dòng)套周向上連接有若干根牽引繩，主箱體內(nèi)安裝有與牽引繩根數(shù)相同的傳動(dòng)箱，傳動(dòng)箱的兩側(cè)安裝有發(fā)電箱組件，傳動(dòng)箱上安裝有旋轉(zhuǎn)軸，在旋轉(zhuǎn)軸上依次安裝有永磁體、三級(jí)齒輪和永磁體，永磁體位于發(fā)電箱組件內(nèi)，三級(jí)齒輪與二級(jí)齒輪的大齒輪嚙合，二級(jí)齒輪的小齒輪與大齒輪同軸設(shè)置，二級(jí)齒輪的小齒輪與一級(jí)齒輪嚙合，一級(jí)齒輪與棘輪同軸設(shè)置，棘輪與直齒條嚙合，直齒條位于傳動(dòng)箱內(nèi)，直齒條一端與牽引繩固定連接，另一端通過(guò)彈簧與傳動(dòng)箱的內(nèi)壁連接，牽引繩通過(guò)位于傳動(dòng)箱上的傳動(dòng)組件與位于傳動(dòng)箱內(nèi)的直齒輪連接；通過(guò)振動(dòng)桿組件上下移動(dòng)，從而通過(guò)牽引繩帶動(dòng)直齒輪上下移動(dòng)，直齒輪上下移動(dòng)帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)一級(jí)齒輪、二級(jí)齒輪和三級(jí)齒輪的傳動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)永磁體的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在發(fā)電箱組件內(nèi)發(fā)電。

作為優(yōu)選，所述發(fā)電箱組件包含殼體和線圈，所述殼體內(nèi)安裝有線圈繞組，永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)從而切割磁力線，產(chǎn)生電能。

作為優(yōu)選，所述殼體內(nèi)安裝有絕緣板，絕緣板將殼體沿旋轉(zhuǎn)軸方向分隔為兩個(gè)獨(dú)立空間，在每個(gè)空前的內(nèi)壁均設(shè)有四個(gè)線圈繞組。

作為優(yōu)選，所述振動(dòng)桿組件包含一級(jí)振動(dòng)桿和與一級(jí)振動(dòng)桿連接的二級(jí)振動(dòng)桿，所述二級(jí)振動(dòng)桿通過(guò)萬(wàn)向節(jié)安裝在傳動(dòng)箱的底部，傳動(dòng)套安裝在二級(jí)振動(dòng)桿上。

作為優(yōu)選，所述萬(wàn)向節(jié)包含第一U形體、第二U形體和轉(zhuǎn)動(dòng)體，所述第一U形體的頂端設(shè)有第一螺紋凸臺(tái)，第一螺紋凸臺(tái)與二級(jí)振動(dòng)桿螺紋連接，第一U形體的末端通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)體連接，所述第二U形體的頂端設(shè)有第二螺紋凸臺(tái)，第二螺紋凸臺(tái)與傳動(dòng)箱內(nèi)壁螺紋連接，第二U形體的末端通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)體連接，轉(zhuǎn)動(dòng)體上的第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為優(yōu)選，所述傳動(dòng)套的周向均勻連接有四根牽引繩。

作為優(yōu)選，所述傳動(dòng)組件包含支架和滑輪，所述滑輪通過(guò)軸安裝在支架上，支架安裝在傳動(dòng)箱上。

作為優(yōu)選，所述一級(jí)齒輪延伸有凸臺(tái)，凸臺(tái)設(shè)有凹槽，凹槽的輪廓由凹槽隨邊與凹槽導(dǎo)邊形成，棘爪伸入此凹槽內(nèi)，且凹槽隨邊為長(zhǎng)邊，凹槽導(dǎo)邊為短邊；所述棘輪的內(nèi)壁設(shè)有棘爪槽，棘爪槽的中心處設(shè)有棘爪轉(zhuǎn)柱，棘爪轉(zhuǎn)柱穿過(guò)棘輪，同時(shí)棘輪還增設(shè)有回轉(zhuǎn)彈簧將棘爪轉(zhuǎn)柱與棘爪相連接。振動(dòng)頻率較快時(shí)，齒輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)比單向轉(zhuǎn)動(dòng)耗費(fèi)更多能量，效率降低，其次棘輪可以使末端磁條始終朝一個(gè)方向加速，提高效率。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用一端固定一端自由振動(dòng)的方式縮小了發(fā)電裝置的體積，且比兩端固定的渦激振動(dòng)裝置產(chǎn)生更大振幅，運(yùn)用該形式能夠廣泛用于不同環(huán)境進(jìn)行渦激振動(dòng)發(fā)電。

(2)振動(dòng)桿采用可更換可調(diào)節(jié)的多級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量比和不同阻尼比等參數(shù)下的圓柱體渦激振動(dòng)進(jìn)行研究，得到不同工況下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，根據(jù)得到的結(jié)果，對(duì)不同海流作用下的裝置進(jìn)行振動(dòng)桿的更換與調(diào)整，即能夠根據(jù)具體工況進(jìn)行調(diào)整長(zhǎng)度、質(zhì)量和外徑。

(3)采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，獲取最大傳動(dòng)比達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，增大發(fā)電電流，同時(shí)采用多組條狀永磁體切割多組線圈繞組的形式增加發(fā)電電壓，提高發(fā)電效率。

(4)應(yīng)用范圍廣：該裝置可以正置于海床，可以倒置固定于海洋平臺(tái)，通過(guò)變化套筒形狀可以安裝在導(dǎo)管架等海洋平臺(tái)上和潛艇等航行器上進(jìn)行電量補(bǔ)充。

(5)裝置整體模塊化布置，構(gòu)件集約度和能量捕獲率高，多組裝置連接可組建海底電網(wǎng)進(jìn)行大區(qū)域發(fā)電。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)布置示意圖；

圖3是本發(fā)明的一級(jí)振動(dòng)桿示意圖；

圖4是本發(fā)明的二級(jí)振動(dòng)桿示意圖；

圖5是本發(fā)明的萬(wàn)向節(jié)示意圖；

圖6是本發(fā)明的牽引繩及傳動(dòng)套示意圖；

圖7是本發(fā)明的滑輪組件示意圖；

圖8是本發(fā)明的傳動(dòng)箱組件示意圖；

圖9是本發(fā)明的直齒條示意圖；

圖10是本發(fā)明的一級(jí)齒輪示意圖；

圖11是本發(fā)明的棘輪示意圖；

圖12是本發(fā)明的棘爪示意圖；

圖13是本發(fā)明的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖14是本發(fā)明的棘爪與回轉(zhuǎn)彈簧配合示意圖；

圖15是本發(fā)明的二級(jí)齒輪示意圖；

圖16是本發(fā)明的三級(jí)齒輪示意圖；

圖17是本發(fā)明的主箱體組件示意圖；

圖18是本發(fā)明的條狀永磁體示意圖；

圖19是本發(fā)明的發(fā)電箱組件示意圖；

圖20為棘輪與一級(jí)齒輪配合的截面示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖20所示，本發(fā)明的一種牽引式單立柱渦激振動(dòng)海流能發(fā)電裝置，包括振動(dòng)桿組件1、傳動(dòng)箱組件2、主箱體3以及發(fā)電箱組件4，其中傳動(dòng)箱組件2與發(fā)電箱組件4安裝于主箱體3內(nèi)部，主箱體3的頂蓋31開有圓形凹槽32供振動(dòng)桿組件1通過(guò)，振動(dòng)桿組件1通過(guò)萬(wàn)向節(jié)14固定于主箱體3的底部螺紋33，牽引繩111通過(guò)滑輪組件 21與傳動(dòng)箱組件2相連接，傳動(dòng)箱組件2內(nèi)三級(jí)齒輪221與發(fā)電箱組件4中的條狀永磁體41共軸。

在本發(fā)明中，振動(dòng)桿組件1包括一級(jí)振動(dòng)桿11、二級(jí)振動(dòng)桿12、萬(wàn)向節(jié)14，其中二級(jí)振動(dòng)桿12上設(shè)有凸臺(tái)13與一級(jí)振動(dòng)桿11底部的凹槽相配，凸臺(tái)13半徑大于振動(dòng)桿11底部外凹槽的半徑，小于內(nèi)部凹槽的半徑，振動(dòng)桿12可以在振動(dòng)桿11內(nèi)部伸縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)桿長(zhǎng)度的調(diào)整，調(diào)整結(jié)束之后，通過(guò)鎖緊螺栓鎖緊一級(jí)振動(dòng)桿11和二級(jí)振動(dòng)桿12，傳動(dòng)套19為中空柱體并套在二級(jí)振動(dòng)桿12上，同時(shí)傳動(dòng)套19上對(duì)稱設(shè)有四個(gè)套環(huán)110,四根牽引繩111的一端分別從其中穿過(guò)并固定；二級(jí)振動(dòng)桿12末端與萬(wàn)向節(jié) 14頂端設(shè)置的螺紋凸臺(tái)16相連接。萬(wàn)向節(jié)14上下設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的U形體15，U形體兩臂末端處均設(shè)有豎向中空卡口17，十字架配體18上呈空間垂直的凸臺(tái)依次卡固于17，十字架配體18包含第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)體，轉(zhuǎn)動(dòng)體上下兩部分可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)箱組件2包括滑輪組件21、傳動(dòng)箱25、直齒條28、一級(jí)齒輪29、棘輪212、棘爪215、彈簧217、二級(jí)齒輪218、三級(jí)齒輪221。其中在傳動(dòng)箱25的外頂壁上安裝有滑輪組件21，包括支架22、滑輪23及軸24，且支架22底部開有凹槽供軸24通過(guò)，軸24與滑輪23通過(guò)鍵連接；牽引繩111在一端固定于套環(huán)110后繼續(xù)通過(guò)滑輪組件21，穿過(guò)設(shè)置于傳動(dòng)箱25頂蓋外壁上的開孔27后進(jìn)入傳動(dòng)箱內(nèi)并在末端處連接直齒條28，直齒條28的末端連接有彈簧217，彈簧217的末端進(jìn)一步固定連接于傳動(dòng)箱25底部；傳動(dòng)箱25的一個(gè)側(cè)壁上還附有三個(gè)開孔26供一級(jí)齒輪29、二級(jí)齒輪218及三級(jí)齒輪221的旋轉(zhuǎn)軸分別通過(guò)并固定，同時(shí)，一級(jí)齒輪 29與棘輪212共軸，棘輪212的齒輪與直齒條28嚙合，一級(jí)齒輪29嚙合于二級(jí)齒輪 218的小齒輪220，二級(jí)齒輪218的大齒輪219嚙合于三級(jí)齒輪221；其中，一級(jí)齒輪 29的凸臺(tái)處設(shè)有凹槽，其輪廓由凹槽隨邊210與凹槽導(dǎo)邊211形成，棘爪215伸入此凹槽內(nèi)，且凹槽隨邊210為長(zhǎng)邊，凹槽導(dǎo)邊211為短邊，兩者與半徑夾角不同；棘輪212 上設(shè)有棘爪槽213，棘爪槽213的中心處又設(shè)有棘爪轉(zhuǎn)柱214，棘爪215的尾部設(shè)有凹槽與轉(zhuǎn)柱相配，同時(shí)棘輪212還增設(shè)有回轉(zhuǎn)彈簧216將棘爪轉(zhuǎn)柱214與棘爪215相連接，以此為棘爪提供順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的回復(fù)力；三級(jí)齒輪221通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸222，且旋轉(zhuǎn)軸222上設(shè)有鍵223與條狀永磁體41內(nèi)設(shè)的凹槽42相配和固定，同時(shí)條狀永磁體41設(shè)有四根兩兩對(duì)稱設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸222的兩側(cè)，之后進(jìn)一步伸入發(fā)電箱43內(nèi)部；發(fā)電箱組件4除上述外還設(shè)有線圈繞組44及絕緣板45；其中絕緣板45將發(fā)電箱分為兩層相對(duì)獨(dú)立的絕緣絕磁空間，在兩層空間內(nèi)部的四壁上均對(duì)稱設(shè)有四根線圈繞組44，同時(shí)絕緣板45上還設(shè)有開孔46供旋轉(zhuǎn)軸222通過(guò)，由此旋轉(zhuǎn)軸222上的四根條狀永磁體41將兩兩伸入發(fā)電箱43的兩層空間內(nèi)進(jìn)行發(fā)電工作。

本發(fā)明的具體工作原理為：

當(dāng)振動(dòng)桿組件1受海流影響發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，一級(jí)振動(dòng)桿11與二級(jí)振動(dòng)桿12同時(shí)發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，由于牽引繩111分別通過(guò)傳動(dòng)套19及滑輪組件21連接著二級(jí)振動(dòng)桿12 和直齒條28，所以直齒條28也將發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)橹饼X條28與棘輪212相嚙合，棘輪212與一級(jí)齒輪29相配，且一級(jí)齒輪29嚙合于二級(jí)齒輪218的小齒輪220，傳動(dòng)比1:4，二級(jí)齒輪218的大齒輪218嚙合于三級(jí)齒輪221，傳動(dòng)比1:4，所以直齒條28 的運(yùn)動(dòng)在各級(jí)齒輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)化為定向轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)總比1:16；而在傳動(dòng)箱25內(nèi)，條狀永磁體41與三級(jí)齒輪221共軸，故條狀永磁體41也將不斷發(fā)生定向轉(zhuǎn)動(dòng)從而切割磁感線進(jìn)行發(fā)電。

在上述過(guò)程中，直齒條28上下運(yùn)動(dòng)將使棘輪212產(chǎn)生順時(shí)針與逆時(shí)針兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，故當(dāng)直齒條28向下運(yùn)動(dòng)即棘輪212逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，棘爪215的一邊將首先與一級(jí)齒輪29凸臺(tái)處的凹槽隨邊210接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)棘爪215運(yùn)動(dòng)到凹槽隨邊210 外末端頂點(diǎn)處時(shí)將被頂回棘爪槽213內(nèi)，此時(shí)在回轉(zhuǎn)彈簧216提供的回復(fù)力作用下棘爪 215進(jìn)一步發(fā)生順向運(yùn)動(dòng)進(jìn)而與一級(jí)齒輪29下一處的凹槽隨邊210接觸并發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此不斷重復(fù)發(fā)生上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程，各個(gè)棘爪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均具備相同周期規(guī)律，故在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，棘輪212逆向轉(zhuǎn)動(dòng)而一級(jí)齒輪29保持靜止，所以傳動(dòng)箱內(nèi)的二級(jí)齒輪 218與三級(jí)齒輪221也均不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)棘輪212順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，棘爪215 則首先與一級(jí)齒輪2凸臺(tái)處的凹槽處導(dǎo)邊211接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)棘爪215運(yùn)動(dòng)到凹槽導(dǎo)邊211內(nèi)末端頂點(diǎn)處即凹槽內(nèi)頂點(diǎn)處時(shí)，凹槽隨邊210正好同時(shí)與棘爪215相接觸，棘爪215則在此時(shí)完全卡固于一級(jí)齒輪29的凹槽處，由于棘輪212繼續(xù)進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，故棘輪212將帶動(dòng)一級(jí)齒輪29一起發(fā)生定向轉(zhuǎn)動(dòng)，又因?yàn)橐患?jí)齒輪29、二級(jí)齒輪218及三級(jí)齒輪221相互嚙合，由此便完成傳動(dòng)箱25的傳動(dòng)作用，最終帶動(dòng)發(fā)電箱43內(nèi)的條狀永磁體41轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。