[发明专利]一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置

说明书

本发明提出了一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，该装置包括：圆柱阻流体、环形齿条、上部转环、下部转环、上接板、下接板、限位器、尾流板、转动体、齿条、发电机和轴封，当海流流过阻流体时，海流会在阻流体两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，本发明在脱涡形成区域设置三级脱涡能量回收装置，起到对脱涡能量逐级回收的目的，实现了在脱涡强度显著削弱之前对脱涡能量的充分利用，提高了对海流能的回收效率。此外，本装置通过尾流板可以自适应于海流方向进行位置调整，从而实现全向位捕获脱涡横向力的能量，进一步提高了装置对海流能的利用率。

技术领域

本发明属于水下发电技术领域，具体涉及一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置。

背景技术

卡门涡街作为流体力学中重要的现象，在自然界中时常遇到，它指的是：在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成卡门涡街。如水流过桥墩、立柱，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。此外，当卡门涡街出现时，流体在物体后方两侧会产生交替作用的脱涡，即出现一个周期性的交变横向力作用，如果物体的固有频率与力的频率一致时，这个横向力就会对物体造成损坏。

目前，人们更多地将卡门涡街效应对物体的作用视为一种破坏因素去规避，基于这种思想，更多的学者设计出各种破涡装置对涡街产生的脱涡进行破坏，从而减少涡街效应对物体结构的影响，这就使得涡街效应产生的能量没有得到利用，导致这类能量白白浪费。

专利号为202111083777.5的中国专利提出了一种发电组件及双弹性水囊内流能发电装置，该装置套在桥墩上，当水流过桥墩时，装置利用贴合在桥墩后方的弹性水囊将涡街效应产生脱涡的横向力进行回收，进而通过水轮机进行发电，该装置实现了对卡门涡街效应产生的交替脱涡的利用，从而使装置产生稳定的电力输出。但根据相关流体模拟分析可知，卡门涡街产生交替脱涡横向力的最佳有效范围是在阻流体(桥墩)后方一倍阻流体直径到四倍阻流体直径范围内，在这个范围内的脱涡交变横向力强度最强且损耗较小；当小于这个范围时，脱涡还未形成稳定的交变横向力作用；当超过这个范围时，脱涡的交变横向力损耗将显著增大。因此，上述专利在贴合桥墩处安装回收装置的方式，其回收效率并不高，装置的发电效果较差。

基于卡门涡街产生脱涡的最佳作用范围可知，若能在阻流体一倍直径到四倍直径范围内设置三级脱涡能量回收装置(按一定间距同时设置三个回收装置)，那么本装置将会有效提高对脱涡能量的回收效率，所以本装置具有更大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，本发明在圆柱阻流体的一倍直径到四倍直径范围内设置三级脱涡能量回收装置，当海流流过阻流体时，会在阻流体两侧产生交替脱落的旋涡，两侧的脱涡会相互作用从而形成卡门涡街周期性交变横向力，这个横向力会使得本发明的捕能装置绕连接轴发生顺时针或逆时针转动，从而带动齿条与发电机上的齿轮啮合转动，进而实现发电机发电。

一种水下圆柱阻流体的卡门涡街发电装置，包括圆柱阻流体、环形齿条、上部转环、下部转环、上接板、下接板、限位器、尾流板、第一转动体、第二转动体、第三转动体、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第一发电机、第二发电机、第三发电机、第四发电机和轴封。

所述圆柱阻流体沿圆周方向固定环形齿条，在环形齿条下方沿圆柱阻流体的圆周方向预设两个环形凹槽，环形凹槽的宽度与上部转环、下部转环的宽度相等；所述上部转环和下部转环相同，均为圆环结构，上部转环、下部转环的直径与环形凹槽的直径相等。上部转环、下部转环在安装时分别与圆柱阻流体的两个环形凹槽配合，使上部转环、下部转环只具备绕圆柱阻流体轴线转动的自由度。进一步的，所述圆柱阻流体既可以是独立的一根圆柱体，也可以是在海洋中固定的物体，如大桥的桥墩、固定式海洋平台的支柱等。