一种波动装置及波动发电装置的制造方法
【专利摘要】一种波动装置，用于将气体或液体的做功工质流动的动能转化为机械能，其特征在于包括：壳体单元，包括呈长方体形的壳体、承重支撑件和平行设置于壳体四个侧壁上的四个流道；四个波动板单元，对应设置在四个流道内，波动板单元包括多个波动板以及对应活动连接的多个等长连杆；曲轴单元，设置在壳体内，包括曲轴机构和连接在曲轴结构一端且伸出壳体的输出轴。做功工质流过四个流动带动波动板单元波动，随着波动板的波动而通过等长连杆将上下的波动运动传递给曲轴单元，曲轴单元将上下的波动运动转化为旋转运动并通过输出轴输出，该波动装置能将流体的波动形式的动能转化为机械能，工作平稳，效率高。
【专利说明】
一种波动装置及波动发电装置
技术领域
[0001]本发明涉及流体机械领域，特别涉及一种将流体广义热能单向转化为机械能输出的波动装置。
【背景技术】
[0002]将流体广义内能转化为机械功的装置一般分为两种，其一是利用流体受热膨胀产生压力推动活塞往复运动的活塞式曲柄连杆动力装置，其二是热流体经喷管膨胀将焓转化为动能从而推动叶轮旋转的叶轮机械动力装置。
[0003]活塞式曲柄连杆动力装置的形状和特点适于用大压缩比的密闭气室的热动转换场合中，其效率高，体积小而重量轻，稳定工作范围大。叶轮机械动力装置相对活塞式曲柄连杆动力装置结构复杂，适用于对开放空间流动工质的能量转换场合，其轴向距离长，重量体积都较大，并且能在较宽的运行范围内保持较高的效率。前者为汽车内燃机重要能量转换装置，后者在船、工业燃气轮机、蒸汽轮机和航空压气机等领域有广泛应用。
[0004]现有内燃动力的效率因热力学第二定律及压气损失的普遍存在而使得其效率普遍不高，但其系统内的曲柄连杆则是高效简单的传动构件。总体来说，内燃动力效率主要因热动转换效率受限，而非其传动系统效率低下。故无论何种能量转换装置，曲柄连杆作为动力传动始终是优先考虑的。
[0005]对于风能、水流能的利用，传统方法是利用具有来流速度的流体对叶片绕流产生的环量进而产生升力对叶片做功，这一方法需要有较大的初载荷施加于叶片方能持续能量转换，而且目前利用升力做功转换效率不高。
[0006]鱼类作为一种从上古一直进化演变至今的水中动物，能高效得利用自身对水做功获能前进。顺流而下，逆流而上已经进化为一种生存本能，其自身的波动前进方法被认为是比较高效的，具有潜在可探究的一种能量转换方法。
[0007]如何将鱼类的波动运动高效的优势同曲柄连杆机构结合来设计一种高效的利用流体动能来转化为机械能的装置一直是相关领域科研人员的设计难题。
【发明内容】
[0008]本发明为解决上述问题，提供一种利用风能、水流能等流体流动动能结合曲柄连杆进行机械传动的仿生鱼类波动装置及利用该装置发电的波动发电装置。
[0009]一种波动装置，用于将气体或液体的做功工质流动的动能转化为机械能，其特征在于包括:
[0010]壳体单元，包括呈长方体形的壳体、承重支撑件和平行设置于壳体四个侧壁上的四个流道，
[0011 ]壳体的四个侧壁上设置有多个连杆孔，
[0012]承重支撑柱用于支撑，设置在壳体外壁上，
[0013]流道为两端开放式的筒状结构，用于供做功工质的流入和流出，
[0014]流道横截面为矩形，流道的两个相对的内壁作为流道工作面，另两个相对的内壁作为流道滑动面，流道工作面上设置有与多个连杆孔对应的工作孔；
[0015]四个波动板单元，对应设置在四个流道内，波动板单元包括多个波动板以及对应活动连接的多个等长连杆，
[0016]波动板设置于流道内部，每两个波动板之间由铰链连接而可以上下沿着流道滑动面滑动，
[0017]波动板的上下面作为波动板工作面，左右面作为波动板滑动面，波动板滑动面与流道滑动面相互接触滑动，
[0018]等长连杆，一端活动连接在波动板工作面上，另一端穿过连杆孔而进入壳体内；
[0019]曲轴单元，设置在壳体内，包括曲轴机构和连接在曲轴结构一端且伸出壳体的输出轴，
[0020]曲轴机构具有曲轴和多个曲柄，曲轴由多个曲拐和用于连接曲拐的连接段相互连接而成，曲拐上套接有四个曲柄，曲轴上相邻曲拐间具有夹角，该夹角作为相位角，曲柄分别对应与等长连杆的另一端连接，
[0021 ]做功工质流过四个流动带动波动板单元波动，随着波动板的波动而通过等长连杆将上下的波动运动传递给曲轴单元，曲轴单元将上下的波动运动转化为旋转运动并通过输出轴输出。
[0022]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，四个与壳体的侧壁连接的流道工作面上的工作孔数目彼此相同。
[0023]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，四个波动单元各自的等长连杆的数目彼此相同。
[0024]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，曲轴上的曲拐数量与每组流道的等长连杆数量彼此相同。
[0025]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，当流体为可压缩流体时，流道横截面沿着做功工质流动方向而逐渐变大。
[0026]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，四个曲柄的长度彼此相同。
[0027]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，处于同一个壳体的侧壁上的相邻两个连杆孔之间的距离相等。
[0028]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，每一个曲拐上的四个曲柄均按相同顺序依次套接在曲拐上。
[0029]本发明提供的波动装置，还可以具有这样的特征:其中，曲轴上相邻曲拐间的相位角为曲轴的总扭曲度除以曲拐的数目，曲轴的总扭曲度大于或等于360度。
[0030]本发明还提供一种波动发电装置，其特征在于具有:
[0031]原动机，具有输出轴，输出轴用于将原动机的动力输出；
[0032]发电机，同输出轴连接，用于发电并输出电能，
[0033]其中，原动机为上述的波动装置。
[0034]发明作用与效果
[0035]根据本发明所涉及的波动装置，因为设置了对称的四个流道，每一流道垂直方向以曲柄-连杆连接曲轴，同一曲拐由四根连杆连接控制，正常工况下能够顺利过渡死点位置并提尚做功能力；
[0036]由于四组曲柄-连杆的对称设置，使得该波动装置在曲轴的任一曲拐处仅受一个方向的周向力，相邻曲拐受到两个不同方向的周向力形成力偶使曲轴旋转输出轴功，在四个流道的波动板按预设相位差波动情况下，无需额外设置复杂的力平衡机构维持系统稳定；
[0037]流道中做波形运动的波动板受相互之间铰链约束，若干波动板成为一个整体波动板单元，可避免工作过程中流体对波动板单元产生较大冲击，而损坏波动板。
【附图说明】
[0038]图1为本发明的波动发电装置结构示意图；
[0039]图2为本实施例的波动装置的壳体单元结构示意图，a是轴测示意图图，b是侧视示意图；
[0040]图3为本发明的波动板单元和曲轴单元的结构示意图；
[0041 ]图4曲轴单元的曲轴结构示意图，&是侧视图，13是轴测图；
[0042]图5为曲轴机构的运动原理示意图，图中a、b、c、d是四个不同角度的视图。
【具体实施方式】
[0043]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的波动发电装置以及波动装置的结构和使用方法、工作原理作具体阐述。
[0044]实施例
[0045]图1为本实施例的波动发电装置结构示意图。
[0046]如图1所示，波动发电装置1000包括波动装置100和发电机200(图中未示出)，波动装置100通过输出轴将机械能传递给发电机200并驱动发电机200运转发电后输出电能。
[0047]波动装置100包括壳体单元10、设置在壳体单元10内的四个波动板单元20、以及曲轴单元30。
[0048]图2为本实施例的波动装置的壳体单元结构示意图，a是轴测示意图图，b是侧视示意图。
[0049]如图2所示，壳体单元10，包括呈长方体形的壳体11、四个承重支撑柱12构成的承重支撑件和设置于壳体11四个侧壁上的四个流道13。
[0050]壳体11，前端开有轴孔111，而四个侧壁上设置有多个连杆孔112。多个连杆孔112分别设置在四个侧壁上，为通孔，处于同一个壳体11的侧壁上的相邻两个连杆孔112之间的距离相等且呈直线排列。
[0051]四个承重支撑柱12固定连接在壳体11的一个侧壁的四角，用于支撑。
[0052]四个流道13，分别对应地固定在壳体11的四个侧壁外侧，流道13为两端开放式的筒状结构，用于供做功工质的流入和流出。流道13的形状分两种情况:
[0053]当做功工质为可压缩的流体(如蒸汽时)，流道13的横截面为矩形，沿着做功工质流动方向而逐渐变大，具有一定的斜度，如图2(b)所示，流道13横截面的长度是逐渐变大的而宽度不变，从而使得横截面积逐渐变大。四个流道13的结构相同。这里以一个为例详细说明具体结构。
[0054]当为不可压缩的工质时(比如为液体)，其为两头一般大的矩形筒。
[0055]流道13的两个相对的内壁作为流道工作面131a和131b，他们都是平面的。另两个相对的内壁作为流道滑动面132a和132b，同壳体11连接的流道工作面131a上设置有多个工作孔，工作孔与连杆孔112数目相同，且彼此相通。
[0056]图3为本发明的波动板单元和曲轴单元的结构示意图。
[0057]四个波动板单元20，对应设置在四个流道内，他们彼此结构相同，这里以一个为例说明。
[0058]波动板单元20包括多个波动板21以及对应活动连接的多个等长连杆22，本实施例中为7个波动板，对应的活动连接的等长连杆也为7个。
[0059]波动板21呈长方形，其宽度度和流道13的横截面宽度相同，设置于流道13内部，波动板21的上下面作为波动板工作面21a和21b，他们也都是平面的，左右面作为波动板滑动面21c和21d，波动板滑动面21c与流道滑动面132a和132b相互接触滑动。
[0060]每两个波动板21之间由铰链连接，可以上下沿着流道滑动面132a和132b滑动，即、作波动运动。
[0061]等长连杆22，一端活动连接在波动板工作面上，另一端穿过连杆孔112而进入壳体13内。
[0062]图4曲轴单元的曲轴结构示意图，&是侧视图，13是轴测图。
[0063]如图3，4所示，曲轴单元30，设置在壳体13内，包括曲轴机构31和连接在曲轴结构一端且伸出壳体13的输出轴32。
[0064]曲轴机构31具有曲轴311和7个曲柄312，曲轴311由7个曲拐311a和用于连接曲拐311a的连接段311b相互连接而成，连接段311b呈圆饼状。
[0065]—个曲拐311a上套接有四个曲柄312，即本实施例中共有28个曲柄312，曲轴311上的相邻曲拐31 Ia间具有夹角，该夹角作为相位角，本实施例中7个曲拐的总拐(扭)曲度为420度，则对应的相位角为420/7 = 60度。每个曲柄312对应的同等长连杆22的另一端铰接连接在一起。
[0066]图5为曲轴机构的运动原理示意图，图中a、b、c、d是四个不同角度的视图。
[0067]为了进一步地说明曲轴机构将波动运动转化为旋转运动的过程，下面以图5中的曲轴结构的运动过程为例来说明。
[0068]由于四个曲柄312上经由四个等长连杆22对应地连接了四个流道13内的波动板单元20中的一个波动板21，当波动板21处于流动的做功工质时，做功工质的流动会带动波动板21的上下运动，用于四个波动板21的的上下运动具有90°的相位差，S卩、波动板21是围绕流道13的中轴线以波动曲线的形态运行，且四组流道中波动板的波动曲线相同，但相位不同。使得四个波动板21的上下运动经过四个等长连杆22的转化后，使得波动板21的上下运动恒定的变化为驱动与曲柄连接的曲轴311的旋转力矩，该力矩即驱动曲轴和与曲轴连接的输出轴32恒定的旋转。
[0069]变形例
[0070]上述实施例中，波动板和等长连杆是一一对应的，一个波动板连接一个等长连杆，也可以是间隔多个波动板而设置一个等长连杆:在波动板单元中某一波动板的工作面上连接等长连杆，每隔一定数量的波动板连接一根等长连杆，使等长连杆间距离相同，且相隔波动板数量不小于两块。
[0071]实施例的作用和有益效果
[0072]根据本实施例所涉及的波动装置，因为设置了对称的四个流道，每一流道垂直方向以曲柄-连杆连接曲轴，同一曲拐由四根连杆连接控制，正常工况下能够顺利过渡死点位置并提尚做功能力；
[0073]由于四组曲柄-连杆的对称设置，使得该波动装置在曲轴的任一曲拐处仅受一个方向的周向力，相邻曲拐受到两个不同方向的周向力形成力偶使曲轴旋转输出轴功，在四个流道的波动板按预设相位差波动情况下，无需额外设置复杂的力平衡机构维持系统稳定；
[0074]流道中做波形运动的波动板受相互之间铰链约束，若干波动板成为一个整体波动板单元，可避免工作过程中流体对波动板单元产生较大冲击，而损坏波动板。
[0075]本实施例提供的波动装置，由于与壳体连接的四个流道工作面上具有的工作孔数目都相同，这样设计可以保证四个波动板单元工作时动作协调，对称，运转起来也更加稳定。
[0076]本实施例提供的波动装置，四个波动单元各自的等长连杆的数目彼此相同，虽然当波动单元的等长连杆数目不一致时，曲轴可以运转，但会导致各个曲拐的受力不均衡，容易致使某个曲拐磨损更厉害，从而提前损坏。
[0077]本实施例提供的波动装置，曲轴上的曲拐数量与每组流道的等长连杆数量彼此相同，只有当曲拐数量与对应的等长连杆数量相同时，波动装置运转的才平稳，而且部件磨损也小。
[0078]本实施例提供的波动装置，由于流道横截面沿着做功工质流动方向而逐渐变大，这样适合可压缩流体(比如空气)的特性，效率也更高。
【主权项】
1.一种波动装置，用于将气体或液体的做功工质流动的动能转化为机械能，其特征在于包括: 壳体单元，包括呈长方体形的壳体、承重支撑件和平行设置于所述壳体四个侧壁上的四个流道， 所述壳体的四个侧壁上设置有多个连杆孔， 所述承重支撑柱用于支撑，设置在所述壳体外壁上， 所述流道为两端开放式的筒状结构，用于供所述做功工质的流入和流出， 所述流道横截面为矩形，所述流道的两个相对的内壁作为流道工作面，另两个相对的内壁作为流道滑动面，一个与所述壳体的侧壁连接的所述流道工作面上设置有与多个所述连杆孔对应的工作孔； 四个波动板单元，对应设置在四个所述流道内，所述波动板单元包括多个波动板以及对应活动连接的多个等长连杆， 所述波动板设置于所述流道内部，每两个所述波动板之间由铰链连接而可以上下沿着所述流道滑动面滑动， 所述波动板的上下面作为波动板工作面，左右面作为波动板滑动面，所述波动板滑动面与所述流道滑动面相互接触滑动， 等长连杆，一端活动连接在所述波动板工作面上，另一端穿过所述连杆孔而进入所述壳体内； 曲轴单元，设置在所述壳体内，包括曲轴机构和连接在所述曲轴结构一端且伸出所述壳体的输出轴， 所述曲轴机构具有曲轴和多个曲柄，所述曲轴由多个曲拐和用于连接所述曲拐的连接段相互连接而成，所述曲拐上套接有四个曲柄，所述曲轴上相邻所述曲拐间具有夹角，该夹角作为相位角，所述曲柄分别对应与所述等长连杆的另一端连接， 所述做功工质流过四个所述流动带动所述波动板单元波动，随着所述波动板的波动而通过所述等长连杆将上下的波动运动传递给所述曲轴单元，所述曲轴单元将上下的波动运动转化为旋转运动并通过所述输出轴输出。2.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，四个与所述壳体的侧壁连接的所述流道工作面上的所述工作孔数目彼此相同。3.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，四个所述波动单元各自的所述等长连杆的数目彼此相同。4.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，所述曲轴上的曲拐数量与每组所述流道的所述等长连杆数量彼此相同。5.根据权利要求1的所述的波动装置，其特征在于: 其中，当流体为可压缩流体时，所述流道横截面沿着所述做功工质流动方向而逐渐变大。6.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，四个所述曲柄的长度彼此相同。7.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，处于同一个所述壳体的侧壁上的相邻两个所述连杆孔之间的距离相等。8.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，每一个所述曲拐上的四个所述曲柄均按相同顺序依次套接在所述曲拐上。9.根据权利要求1所述的波动装置，其特征在于: 其中，所述曲轴上相邻所述曲拐间的所述相位角为所述曲轴的总扭曲度除以所述曲拐的数目， 所述曲轴的总扭曲度大于或等于360度。10.一种波动发电装置，其特征在于具有: 原动机，具有输出轴，所述输出轴用于将所述原动机的动力输出； 发电机，同所述输出轴连接，用于发电并输出电能， 其中，所述原动机为权利要求1-9中任意一项所述的波动装置。
【文档编号】F01C9/00GK105888961SQ201610326890
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】韩玮, 白音祜, 汪鹏军, 黄典贵
【申请人】上海理工大学