一种塔筒尾涡能量捕获装置

本发明涉及海洋能源设备技术领域，具体为一种塔筒尾涡能量捕获装置。

背景技术：

随着世界能源消费需求的不断攀升，传统的化石能源存量有限且存在环境污染问题，可再生能源的开发利用已然成为全球共识。与其他形式的可再生能源相比，潮流能具有受天气影响小、能量密度高、可预测性强、载荷稳定等优势；潮流能发电装置可根据其原理分为旋转轴式和振荡翼式。与传统旋转轴式水轮机组相比，振荡水翼潮流能捕获装置具有以下优点：无旋转机械结构，对水生生物无伤害；结构简单，可靠性高，能量获取效率高；振荡速度低，产生噪声小，对环境友好；

在中国发明专利cn110469452b提出“一种地面效应翼潮流能发电装置”，该发明专利通过四杆机构，曲柄连杆和齿轮齿条机构，通过水翼的上下升沉运动，带动四杆机构运转，从而带动发电机发电；同时四杆机构可以带动曲柄连杆和齿轮齿条结构运动，再通过传动轮带动水翼做周期性俯仰运动，保证了水翼升沉运动和俯仰运动的自耦合，现了水翼升沉和俯仰运动的自耦合，保证了装置的持续能量输出；利用水翼间的地面效应，提升了振荡水翼式潮流能发电装置的发电效率，降低了发电成本；

在中国发明专利cn106401856b提出“半主动液压式串联摆动水翼潮流能捕能装置”，该发明专利以双向液压缸为驱动件的曲柄滑块机构驱动水翼实现攻角按预定规律运行的俯仰运动，水翼获取来流能量做升沉运动带动水翼摆动臂往复摆动，水翼摆动臂摆动驱动能量获取液压缸获得高压油，能量获取液压缸输出高压油驱动液压马达以及发电装置发电，实现潮流能到电能的能量转换，从而达到充分获取潮流能的效果；

目前，传统的潮能捕获装置基本上都需要独立的支撑结构固定于海底，安装、维护成本较高，且由于靠近海底，潮流流速较慢，限制了其能量捕获性能的发挥；

为此，我们提出一种塔筒尾涡能量捕获装置。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题，提供一种塔筒尾涡能量捕获装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种塔筒尾涡能量捕获装置，包括水下塔筒和液压马达发电机组件，所述水下塔筒上轴向设有可周向转动的上摆臂组件和下摆臂组件；所述上摆臂组件与所述下摆臂组件之间设有可俯仰运动的振荡水翼系统；所述水下塔筒内设有至少两组摆动液压结构，两所述摆动液压机构上分别啮合连接有所述上摆臂组件和所述下摆臂组件；且两所述摆动液压机构与所述液压马达发电机组件电连接。

本发明将振荡水翼系统安装于水下塔筒下游，并有效利用了水下塔筒尾涡中的潮流能，避免了海上风场内潮流能未利用的损失；与传统转轴式水轮机相比，本发明具有结构简单、转动灵活、能量转换效率高、振荡频率低、对环境影响小、对水生生物影响小等优势。

优选的，所述上摆臂组件和所述下摆臂组件分别包括螺接在所述水下塔筒上的上摆臂前套筒、上摆臂后套筒、下摆臂前套筒以及下摆臂后套筒；所述上摆臂前套筒和所述下摆臂前套筒上分别设有上摆臂连杆和下摆臂连杆，所述上摆臂连杆和下摆臂连杆的末端分别连接有上摆臂轴承套和下摆臂轴承套；所述上摆臂轴承套与所述下摆臂轴承套之间设有可俯仰运动的振荡水翼系统。

通过设置上摆臂轴承套和下摆臂轴承套，使其上摆臂组件与下摆臂组件的摆动与振荡水翼的俯仰运动互不干扰。

优选的，所述上摆臂前套筒、所述上摆臂后套筒、所述下摆臂前套筒和所述下摆臂后套筒的内径上分别设有上摆臂内圈齿和下摆臂内圈齿；所述上摆臂内圈齿和所述下摆臂内圈齿分别与两所述摆动液压机构啮合连接。

上摆臂内圈齿和下摆臂内圈齿分别设置在上摆臂前套筒、上摆臂后套筒、下摆臂前套筒和下摆臂后套筒的内径上，方便与摆动液压机构进行配合。

优选的，所述上摆臂前套筒、所述上摆臂后套筒、所述下摆臂前套筒和所述下摆臂后套筒上分别设有上摆臂推力球轴承和下摆臂推力球轴承；所述上摆臂推力球轴承与所述下摆臂推力球轴承的座圈均设置在所述水下塔筒上，使其所述上摆臂组件与所述下摆臂组件能在所述水下塔筒上周向旋转。

上摆臂前套筒与上摆臂后套筒、下摆臂前套筒和下摆臂后套筒都是通过螺栓连接，且上摆臂推力球轴承与下摆臂推力球轴承的座圈均设置在水下塔筒上，使其上摆臂组件与下摆臂组件均能自由绕着水下塔筒摆动，且能够高效传递振荡水翼捕获的机械能。

优选的，所述上摆臂前套筒、所述上摆臂后套筒、所述下摆臂前套筒和所述下摆臂后套筒均为半圆形套筒。

优选的，所述振荡水翼系统包括设置在所述上摆臂组件与所述下摆臂组件之间的振荡水翼；所述振荡水翼的上、下两端面均设有旋转轴；所述上摆臂组件上连接有步进电机，所述步进电机的输出端连接有旋转轴。

优选的，所述振荡水翼为复合材料制成，两所述旋转轴与所述上摆臂组件与所述下摆臂组件之间安装有扭力弹簧。

通过采用复合材料制成振荡水翼，可以为上、下摆臂组件提供浮力，避免其受到竖直方向弯矩的作用，从而提高上、下摆臂组件的稳定性和使用寿命，而在振荡水翼的旋转轴上安装扭力弹簧，能够使其振荡水翼在做俯仰运动时储存能力，并且有利于步进电机对振荡水翼俯仰运动的控制。

优选的，两所述摆动液压机构包括分别啮合在所述上摆臂内圈齿上的转轴齿轮一，以及啮合在所述下摆臂内圈齿上的转轴齿轮二；所述转轴齿轮一和所述转轴齿轮二上分别连接有摆动液压缸一和摆动液压缸二；所述摆动液压缸一和所述摆动液压缸二均设置在所述水下塔筒的内部。

优选的，所述振荡水翼系统安装与所述水下塔筒的下游；所述所述上摆臂组件、所述下摆臂组件与所述水下塔筒之间设有密封圈。

优选的，一种塔筒尾涡能量捕获装置的操作方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将捕获装置装配在海上风力机水下塔筒的下游处，在来流的作用下，振荡水翼会带动上摆臂组件和下摆臂组件绕所述海上风力机水下塔筒弧形摆动；

步骤二：当所述上摆臂组件和所述下摆臂组件进行弧形摆动时，步进电机控制振荡水翼绕旋转轴的俯仰运动与弧形摆动的相位差保持在π/2，使所述振荡水翼受到的升力始终与摆动方向一致，即保持升力做正功，从而使振荡水翼系统能从水下塔筒尾涡中捕获潮流能；

步骤三：当所述振荡水翼系统捕获潮流能时，也带动所述上摆臂组件和所述下摆臂组件摆动，所述上摆臂组件与所述下摆臂组件通过上摆臂内圈齿和下摆臂内圈齿与转轴齿轮一和转轴齿轮二的啮合，带动摆动液压缸一和摆动液压缸二转动，进而将所述振荡水翼捕获的潮流能转化成压力能；

步骤四：最后，将压力能输入液压马达发电组件，将压力能转化为电动。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明与现有技术相比，巧妙安装在海上风力机水下塔筒上，并通过振荡水翼系统捕获潮流能，有效避免海上风场内潮流能未利用的损失；2、本发明与现有传统转轴式水轮机相比，结构更加紧凑、且转动更加灵活，这样就使得转换效率更高，同时振荡频率较低，对环境影响较小，环保效果更强。

附图说明

图1为本发明一种塔筒尾涡能量捕获装置的结构示意图；

图2为本发明一种塔筒尾涡能量捕获装置中振荡水翼结构示意图；

图3为本发明一种塔筒尾涡能量捕获装置中上摆臂结构示意图；

图4为本发明一种塔筒尾涡能量捕获装置中下摆臂结构示意图；

图5为本发明一种塔筒尾涡能量捕获装置中上、下摆臂与振荡水翼组装图。

图中：1、水下塔筒；2-1、上摆臂前筒套；2-2、上摆臂连杆；2-3、上摆臂轴承套；2-4、上摆臂后筒套；2-5、上摆臂内圈齿；2-6、上摆臂推力球轴承；3、振荡水翼；3-1、旋转轴；4-1、下摆臂前筒套；4-2、下摆臂连杆；4-3、下摆臂轴承套；4-4、下摆臂后筒套；4-5、下摆臂内圈齿；4-6、下摆臂推力球轴承；5、步进电机；6、密封圈；7-1、转轴齿轮一；7-2、摆动液压缸一；8-1、转轴齿轮二；8-2、摆动液压缸二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1-图5，一种塔筒尾涡能量捕获装置，包括水下塔筒1和液压马达发电机组件，水下塔筒1上轴向设有可周向转动的上摆臂组件和下摆臂组件；上摆臂组件与下摆臂组件之间设有可俯仰运动的振荡水翼系统；水下塔筒1内设有至少两组摆动液压结构，两摆动液压机构上分别啮合连接有上摆臂组件和下摆臂组件；且两摆动液压机构与液压马达发电机组件电连接。

将振荡水翼系统安装与水下塔筒1的下游处，并在振荡水翼3的上下两个端面连接旋转轴3-1，并在旋转轴3-1上设置扭力弹簧，使其能够在俯仰运动时，储存能量，且通过步进电机5控制其旋转轴3-1，保持振荡水翼3俯仰运动的稳定，且由于振荡水翼3由复合材料制成，能够为上摆臂组件和下摆臂组件提供浮力，其中上摆臂组件与下摆臂组件与水下塔筒1之间通过上摆臂推力球轴承2-6和下摆臂推力球轴承4-6连接，保持水下塔筒1结构的稳定性，并使得上摆臂组件与下摆臂组件之间能高效的传递振荡水翼系统捕获到的转矩，其中上摆臂推力球轴承2-6和下摆臂推力球轴承4-6的内外径都与上摆臂组件和下摆臂组件紧密连接，且上摆臂组件和下摆臂组件中的上摆臂内圈齿2-5和下摆臂内圈齿4-5分别与转轴齿轮一7-1和转轴齿轮二8-1啮合，这样可以驱动摆动液压缸一7-2和摆动液压缸二8-2，将机械能转化成压力能。

优选的，上摆臂组件和下摆臂组件分别包括螺接在水下塔筒1上的上摆臂前套筒2-1、上摆臂后套筒2-4、下摆臂前套筒4-1以及下摆臂后套筒4-4；上摆臂前套筒2-1和下摆臂前套筒4-1上分别设有上摆臂连杆2-2和下摆臂连杆4-2，上摆臂连杆2-2和下摆臂连杆4-2的末端分别连接有上摆臂轴承套2-3和下摆臂轴承套4-3；上摆臂轴承套2-3与下摆臂轴承套4-3之间设有可俯仰运动的振荡水翼系统。

通过设置上摆臂轴承套2-3和下摆臂轴承套4-3，使其上摆臂组件与下摆臂组件的摆动与振荡水翼3的俯仰运动互不干扰。

优选的，上摆臂前套筒2-1、上摆臂后套筒2-4、下摆臂前套筒4-1和下摆臂后套筒4-4的内径上分别设有上摆臂内圈齿2-5和下摆臂内圈齿4-5；上摆臂内圈齿2-5和下摆臂内圈齿4-5分别与两摆动液压机构啮合连接。

上摆臂内圈齿2-5和下摆臂内圈齿4-5分别设置在上摆臂前套筒2-1、上摆臂后套筒2-4、下摆臂前套筒4-1和下摆臂后套筒4-4的内径上，方便与摆动液压机构进行配合。

优选的，上摆臂前套筒2-1、上摆臂后套筒2-4、下摆臂前套筒4-1和下摆臂后套筒4-4上分别设有上摆臂推力球轴承2-6和下摆臂推力球轴承4-6；上摆臂推力球轴承2-6与下摆臂推力球轴承4-6的座圈均设置在水下塔筒1上，使其上摆臂组件与下摆臂组件能在水下塔筒1上周向旋转。

上摆臂前套筒2-1与上摆臂后套筒2-2、下摆臂前套筒4-1和下摆臂后套筒4-4都是通过螺栓连接，且上摆臂推力球轴承2-6与下摆臂推力球轴承4-6的座圈均设置在水下塔筒1上，使其上摆臂组件与下摆臂组件均能自由绕着水下塔筒1摆动，且能够高效传递振荡水翼3捕获的机械能。

优选的，上摆臂前套筒2-1、上摆臂后套筒2-4、下摆臂前套筒4-1和下摆臂后套筒4-4均为半圆形套筒。

方便部件之间进行拼接安装，提高了工作人员的安拆效率，且贴合性更加牢固。

优选的，振荡水翼系统包括设置在上摆臂组件与下摆臂组件之间的振荡水翼3；振荡水翼3的上、下两端面均设有旋转轴3-1；上摆臂组件上连接有步进电机5，步进电机5的输出端连接有旋转轴3-1。

优选的，振荡水翼3为复合材料制成，两旋转轴3-1与上摆臂组件与下摆臂组件之间安装有扭力弹簧。

通过采用复合材料制成振荡水翼3，可以为上、下摆臂组件提供浮力，避免其受到竖直方向弯矩的作用，从而提高上、下摆臂组件的稳定性和使用寿命，而在振荡水翼3的旋转轴3-1上安装扭力弹簧，能够使其振荡水翼3在做俯仰运动时储存能力，并且有利于步进电机5对振荡水翼3俯仰运动的控制。

优选的，两摆动液压机构包括分别啮合在上摆臂内圈齿2-5上的转轴齿轮一7-1，以及啮合在下摆臂内圈齿4-5上的转轴齿轮二8-1；转轴齿轮一7-1和转轴齿轮二8-1上分别连接有摆动液压缸一7-2和摆动液压缸二8-2；摆动液压缸一7-2和摆动液压缸二8-2均设置在水下塔筒1的内部。

优选的，振荡水翼系统安装与水下塔筒1的下游；上摆臂组件、下摆臂组件与水下塔筒1之间设有密封圈6。

增强了上摆臂组件、下摆臂组件与水下塔筒1之间的密封性。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上；

一种塔筒尾涡能量捕获装置的操作方法，方法包括如下步骤：

步骤一：将捕获装置装配在海上风力机水下塔筒1的下游处，在来流的作用下，振荡水翼3会带动上摆臂组件和下摆臂组件绕海上风力机水下塔筒1弧形摆动；

步骤二：当上摆臂组件和下摆臂组件进行弧形摆动时，步进电机5控制振荡水翼3绕旋转轴3-1的俯仰运动与弧形摆动的相位差保持在π/2，使振荡水翼3受到的升力始终与摆动方向一致，即保持升力做正功，从而使振荡水翼系统能从水下塔筒1尾涡中捕获潮流能；

步骤三：当振荡水翼系统捕获潮流能时，也带动上摆臂组件和下摆臂组件摆动，上摆臂组件与下摆臂组件通过上摆臂内圈齿2-5和下摆臂内圈齿4-5与转轴齿轮一7-1和转轴齿轮二8-1的啮合，带动摆动液压缸一7-2和摆动液压缸二8-2转动，进而将振荡水翼3捕获的潮流能转化成压力能；

步骤四：最后，将压力能输入液压马达发电组件，将压力能转化为电动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。