一种回收航行船舶横摇机械能的发电装置

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种回收航行船舶横摇机械能的发电装置。


背景技术：

2.随着国际范围内对船舶污染问题的普遍提高，船舶节能减排已成为当前航运业研究的热点之一。船舶航行的海洋环境中蕴含着丰富的可利用能源，如波浪能、潮汐能和海流能等，其中波浪能具有能流密度大、能量分布广及强度规律性强等优势，是一种优质的可再生资源。
3.船舶航行在海洋环境中，周围蕴含着丰富的波浪能，航行船舶对波浪能的利用具有得天独厚的优势。但目前，航行船舶对波浪能的利用较为困难，极少有航行船舶能够实现在航行过程中对波浪能进行利用。船舶在波浪的作用下船体会产生剧烈的摇摆运动，船体中蕴含着巨大的机械能，若是将这部分机械能回收利用，实质上实现航行船舶对波浪能的间接利用。
4.专利号为cn 102889167 a的中国专利公开了一种波浪能发电装置，该专利应用于航行船舶上，采用振荡浮子式技术，在船舶横摇时利用浮子的运动驱动液压系统进而推动装置发电，实现航行船舶对波浪能的利用。专利号为cn 205036499 u的中国专利公开了一种波浪能的船舶发电装置，该专利装置在船舶横摇的作用下，将波浪能转化为滑块的机械能再转化为发电机转子的机械能，带动发电机发电，实现航行船舶对波浪能的利用。
5.上述专利的发电装置利用船舶在波浪作用下的横摇运动进行发电，实现了航行船舶对波浪能的间接利用。但目前大多数专利中的波浪能利用装置只能在海洋中的某一定点利用波浪能发电，若是应用在航行船舶上，会对船舶的航行产生较大的额外航行阻力，回收的能量还不足以弥补为克服装置产生的额外航行阻力所消耗船舶动力装置的能量，得不偿失。航行船舶利用波浪能的装置非常少，如何解决航行船舶对波浪能的利用成为重要的技术难题。因此，开发此类装置更有现实意义，有利于减少船舶的燃油消耗，降低船舶污染物和碳排放，实现船舶的节能减排。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种回收航行船舶横摇机械能的发电装置，解决航行船舶对波浪能利用的难题。本发明提出一种新型船舶，由船首部分、船中部分和船尾部分三段船体组成，每一段船体都具有有浮性和稳性，在横摇运动过程中船舶不会倾覆。船舶航行过程中在波浪的作用下，可以利用船首部分、船中部分和船尾部分、船中部分的相对转动进行发电，并且船舶的三段船体在发生横摇的过程中，接触截面在水下部分的边线保持曲率半径相同，相对转动不会破坏船体的流线型，不会产生额外的航行阻力。本发明能有效解决航行船舶利用波浪能的难题，具有较强的实际应用价值。
7.本发明中所提及的“前”“后”是针对船长方向而言，“前”靠近船首部分，“后”靠近船尾。
8.本发明船舶包括：船首部分、船中部分、船尾部分、前转轴槽、前转轴、后转轴槽、后转轴、前发电机、后发电机、前齿条槽、前环形齿条、后齿条槽、后环形齿条。
9.船舶三段组成部分连接处的四个连接截面可分别定义：船首部分的后方截面为船首后截面，船中部分的前、后方截面分别为船中前截面和船中后截面，船尾部分的前方截面为船尾前截面。
10.所述船首部分为该船舶的第一段，船首后截面的边线由三分之二的圆和长方形组成，并且船舶从船首到船首后截面的型线平滑过渡，并未出现突然扩大的情况，保持船首部分的流线型。
11.所述船中部分为该船舶的第二段，船中部分任一横剖面的形状都是由下方三分之二的圆和上方的长方形组成且尺寸相同，船中前截面和船中后截面的形状、尺寸与船首后截面完全相同。
12.所述船尾部分为该船舶的第三段，船尾前截面的轮廓与船中后截面完全相同。
13.所述前转轴槽设于船首部分，并设有极限转动位置，转轴槽的轮廓由前后多个圆弧组成，每个圆弧都与船首后截面的圆弧边线有相同的圆心。
14.所述前转轴设于船中部分前端，与前转轴槽同轴心配合，并且设有极限转动位置，可实现顺时针和逆时针各40
°
的相对转动，并且转轴和转轴槽在相对转动的极限位置设有缓冲装置。
15.所述后转轴槽设于船尾部分，结构与前转轴槽完全相同。
16.所述后转轴设于船中部分后端，结构与前转轴完全相同。
17.所述前发电机设于船首部分的货舱内，发电机的传动轴穿过船首后截面的船体板，与发电机的齿轮配合，在传动轴穿过船体板的位置采用机械轴封的方式密封。
18.所述后发电机设于船尾部分的货舱内，与船首发电机的结构和密封方式完全相同。
19.所述前齿条槽设于船中部分前端，并预留发电机的齿轮的运动空间。
20.所述前环形齿条设于前齿条槽中，与发电机的齿轮啮合。
21.所述后齿条槽设于船中部分后端，与前齿条槽的结构完全相同。
22.所述后环形齿条设于后齿条槽中，与前环形齿条完全相同。
23.船舶在海洋中航行，由于波浪对船舶的作用是无规则、不均匀的，会导致本发明船舶的三段组成部分受力的大小、方向并不相同，因此三段船体发生横摇的程度也不尽相同，相邻两船体会发生相对转动，由于在相邻两船体之间分别在两船体上设置利用齿轮传动的发电机和环形齿条，齿轮和齿条进行啮合，所以当两船体发生相对转动时，会带动齿轮旋转，进而带动发电机发电，回收船体蕴含的机械能，实现船舶的节能减排。
24.本发明有益效果：
25.1.本发明可以回收在船舶航行过程中受波浪作用发生横摇运动时产生的机械能，并利用机械能发电，实现从波浪能到船体机械能再到电能的转换，从而实现对波浪能的间接利用，解决了航行船舶难以利用波浪能的难题。
26.2.本发明的船舶由三段船体组成，每一段的船体都具有较大的尺寸且质量大，在波浪的作用下发生横摇运动时，船体内蕴含的机械能巨大。因此，本发明可回收的机械能巨大，发电效果好。
27.3.本发明的船舶在任意相邻两段船体发生相对转动时，由于对三段船体的特殊设计，水下部分依旧会保持船舶原有的流线型。因此，船舶航行过程中不会产生额外的流阻。
28.4.本发明设有两个转动自由度，船首部分和船尾部分都可相对船中部分转动，能有效提高对船体复杂横摇运动时船体机械能的回收能力，进一步提高发电效果。
附图说明
29.图1本发明船舶的组成部分示意图；
30.图2本发明船舶各组成部分的结构及内部各装置的示意图；
31.图3从船首后截面看向船首的正视图；
32.图4从前转轴槽最深处平面看向船中的横剖面图；
33.图5船中部分前端结构及各装置的示意图；
34.图6船中部分各结构及装置的示意图；
35.图7船首部分和船中部分相对转动的示意图；
36.图8船尾部分和船中部分相对转动的示意图；
37.图9任意相邻两段船体相对转动的示意图；
38.附图中：1.船首部分；2.船中部分；3.船尾部分；4.前转轴槽；5.前转轴；6.后转轴槽；7.后转轴；8.前发电机；9.后发电机；10.前齿条槽；11.前环形齿条；12.后齿条槽；13.后环形齿条。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
40.一种回收航行船舶横摇机械能的发电装置，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，该装置包括：船首部分1、船中部分2、船尾部分3、前转轴槽4、前转轴5、后转轴槽6、后转轴7、前发电机8、后发电机9、前齿条槽10、前环形齿条11、后齿条槽12、后环形齿条13。
41.如图1所示，本发明是由船首部分1、船中部分2和船尾部分3三段船体组成的新型船舶，每一段船体都具有浮性和稳性，船舶的吃水线如图所示。其中，船中部分2任一横剖面的形状都是由下方三分之二的圆和上方的长方形组成，并且尺寸完全相同，以使船中部分2发生横摇运动时水下部分的边线始终保持曲率半径相同。船首后截面和船尾前截面的形状、尺寸与船中部分2的截面完全相同，即船首后截面和船尾前截面在水下并且船首部分1和船尾部分3的型线从两截面分别向船首和船尾是光顺的曲线，在船舶横摇运动中相邻两船体相对旋转时，水下部分的船体表面不会出现凹凸不平，船舶保持流线型。
42.如图2所示为船舶各结构及装置的位置示意图，本发明在前后两连接处的各部分结构关于船中部分2的中间截面前后对称。因此，下文对各结构的描述以船首部分1和船中部分2的连接处的结构为例，船尾部分3与船中部分2连接处的各结构与船首部分1和船中部分2的连接处的各结构完全相同。
43.本发明在船首部分1和船尾部分3分别设有结构完全相同的前转轴槽4和后转轴槽6，转轴槽的结构如图3和图4所示，船中部分2的前后两端分别设有结构完全相同的前转轴5和后转轴7，分别与前转轴槽4和后转轴槽6同轴心相对转动。如图4和图5所示，前转轴5与前
转轴槽4的相对转动设有极限位，可实现顺时针和逆时针各40
°
的相对旋转，在转动的极限位置处设有缓冲装置，防止较大的冲击破坏转轴和转轴槽的结构。但由于设置的极限转动角度较大，船舶在波浪的作用下一般情况不会转动到极限位置。前转轴槽4和前转轴5的圆弧边线都与两截面的边线有相同的圆心，因此，在船首部分1和船中部分2相对转动时水下部分依然保持流线型。
44.如图3和图4所示，前发电机8设于船首部分1的货舱内，在船首后截面的船体板处穿出前发电机8的传动轴与齿轮连接，传动轴穿出的船体板部分采用机械轴封的方式密封，防止船体进水。如图5所示，船中部分2前端设有前齿条槽10，前齿条槽10内设有前环形齿条11与前发电机8的齿轮啮合，前发电机8的齿轮可在前齿条槽10内转动。如图6所示，船中部分2后端设有相同的后齿条槽12和后环形齿条13。
45.当船舶受波浪作用时，船舶三段组成部分的受力大小、方向不同，三段船体会产生不同的横摇程度，船体间发生相对转动。如图7所示，当船尾部分3和船中部分2有相同的横摇程度，船首部分1和船中部分2发生相对转动时，前发电机8的齿轮与前环形齿条11向相反的方向转动，使齿轮旋转带动前发电机8发电；如图8所示，当船首部分1和船中部分2有相同的横摇程度，船中部分2与船尾部分3发生相对转动时，由后发电机9的齿轮带动后发电机9发电；如图9所示，当船首部分1和船尾部分3有相同的横摇程度，船首部分1和船尾部分3都相对于船中部分2相对转动时，前发电机8和后发电机9同时发电。如图7、图8和图9所示的船舶实际吃水线位置，上述的三种船舶横摇运动，船中部分2的水下部分仍然是圆柱体，并且船首后截面和船尾前截面的形状与船中部分2横剖面的形状完全相同，在相邻两船体连接处发生相对转动时，水下部分的船舶型线依然是连续的，船体表面不会出现凹凸不平，船舶航行时不会产生额外流阻。实际上，船舶的左倾和右倾往往是连续交替进行的，船舶的横摇运动是持续的过程，因此，相邻两船体的相对转动是是连续的过程，可回收的能量巨大，发电效果好。
46.以上仅叙述了船舶的三种横摇状态，实际上，在船舶航行的海洋环境中，波浪能对船体的作用时无规则、不均匀的，因此三段船体的横摇运动是复杂多样的，本发明不局限于上述的三种横摇运动发电，在其他的横摇运动中只要相邻两船体相对转动，船舶都可以回收机械能发电，实现航行船舶对波浪能的利用。
47.以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。