一种深海超低速流发电装置

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一种深海超低速流发电装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机械设计领域，具体涉及一种深海超低流速发电装置。\n背景技术\n[0002] 由于海洋开发和国防的需要，应用于深海的各种特种设备如海洋监测设备、采矿系统、机器人、水下组网站点建设以及军事设施，水下空间站建设等将成倍增长，目前这些设施主要依靠高能电池提供电能。随着海洋开发力度的进一步加大，高能电池越来越难以满足各种深海特征设备大功耗和长期工作对电能的需求。解决深海特种设备能源补充的问题变得越来越急迫，深海无处不在的低速海流无疑让各种特种设备获得持续可靠的能源成为可能。\n[0003] 深海流可利用速度通常很低，随着水深的增加，海流剖面流速下降很快，并且流向变化复杂。据现有测试资料显示，水深在1000米处流速最大为0.5m/s，绝大部分时间流速仅0.1m/s。这样的流速与常规海流发电机所需的流速有较大差距。主要表现为过低的流速转化为发电有效利用的转矩和转速都非常低。例如直径2米的叶轮在0.1m/s的流速下产生的转矩约为1.5Nm，而转速仅为4r/min。这样的转矩通常很难克服发电机系统的阻力，并且当流速变化或平台稳定性不够时过低的叶轮转速难以持续，因此直接由叶轮驱动实现发电机发电十分困难。\n发明内容\n[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种深海超低流速发电装置，能够实现深海超低流速驱动叶轮发电。\n[0005] 本发明的一种深海超低速流发电装置，包括叶轮机构、一端开口、一端水密的壳体以及置于壳体内部的减速器、发条机构、棘轮机构、释放机构、发电机系统和超越离合器；\n[0006] 所述发条机构包括盒体中心轴、涡卷弹簧、发条盒体、芯轴和发条安装板；所述发条安装板为中心加工有圆孔的圆盘，发条盒体为圆盘状盒体，其一侧的外表面上固定连接的盒体中心轴穿过发条安装板上的圆孔，并通过轴承与发条安装板活动连接，在发条盒体上与发条安装板相对的一侧开有通孔，芯轴通过该通孔伸进发条盒体内部，并通过轴承与该通孔活动连接，芯轴相对于发条盒体转动，其转动中心轴与盒体中心轴同轴；涡卷弹簧设置在发条盒体内部，其两端分别固定在发条盒体和芯轴上；\n[0007] 所述释放机构包括主动齿轮、从动齿轮、弹簧挡块、弹簧、销座、压杆、凸轮、释放机构安装板、销轴、滚轮和弹簧销，其中:所述从动齿轮为具有54个齿的完全齿轮，主动齿轮为具有4个齿的不完全齿轮；主动齿轮的中心孔套在发条机构的芯轴上，并且固定安装在发条机构的发条盒体的外表面上，且主动齿轮与发条盒体具有相同的转动中心轴；所述从动齿轮与所述凸轮分别布置在释放机构安装板的两侧，并分别与销轴的两端紧固配合连接；从动齿轮与主动齿轮上的4个齿啮合；所述销座固定在释放机构安装板中心孔的上方，弹簧挡块固定在销座的上方，圆柱状的弹簧销沿与释放机构安装板平行方向穿过销座的通孔，弹簧销的上端固定连接弹簧的一端，弹簧的另一端固连在弹簧挡块上；弹簧销伸出销座的下端对准芯轴穿过释放机构安装板中心孔一端加工的凹槽，并可插入该凹槽中；所述压杆设置在凸轮一侧，压杆的中部的通孔与固定在释放机构安装板上的圆柱杆活动连接，压杆可在与释放机构安装板平行面上绕圆柱杆旋转；压杆的一端沿垂直于压杆的方向销接一个滚轮，滚轮的外圆与凸轮的弧面接触；压杆另一端加工成叉形结构，该叉形结构卡在弹簧销下端的侧面的凸台上；所述凸轮为圆盘结构，在圆盘的边缘一体加工有凸起，凸起对应于圆盘的圆心角为80°；当凸轮的圆盘弧面与滚轮抵触时，弹簧销插在发条储能机构的芯轴的凹槽中，弹簧处于自由状态，发条机构进行储能；当凸轮上凸起的弧面与滚轮抵触时，弹簧销从发条机构的芯轴的凹槽中拔出，发条机构进行释放。\n[0008] 其整体连接关系为：从壳体开口一端到水密一端依次布置叶轮机构、减速器、棘轮机构、发条机构、释放机构、超越离合器和发电机系统；其中叶轮机构安装在开口一端，两者密封连接；叶轮机构的输出轴与发条机构的盒体中心轴通过减速器相连，减速器将叶轮机构的转动减速后传动给发条盒体，从而对发条机构储能；所述发条机构由发条安装板沿壳体的截面方向固定在壳体内壁上；释放机构由释放机构安装板沿壳体的截面方向固定在壳体内壁上；发条机构中的芯轴穿过释放机构安装板中心孔的一端通过超越离合器与发电机系统的输入轴相连，发条机构释放能量时驱动发电机系统发电；所述棘轮机构设置在盒体中心轴上，用于防止盒体中心轴沿储能相反方向转动；\n[0009] 所述超越离合器外轴与发条机构的芯轴固连，其内轴与发电机系统的输入轴固连。\n[0010] 所述减速器包括减速器安装板、输入轴、输出轴、减速器盒体以及设置在减速器盒体内部的传动轴、第一小齿轮、第二小齿轮、第一大齿轮和第二大齿轮；减速器安装板为中心加工有圆孔的圆盘，减速器安装板沿壳体的截面方向固定在壳体内壁上；减速器盒体固定在减速器安装板远离叶轮机构的一侧，减速器盒体在与减速器安装板的圆孔的对应位置上开有通孔，减速器的输入轴依次插入减速器安装板的圆孔和减速器盒体的通孔中，输入轴与减速器盒体的通孔通过轴承配合连接，输入轴伸出减速器安装板的圆孔的一端与叶轮机构的驱动轴固定连接，输入轴在减速器盒体内的一端与第一小齿轮的中心孔紧固配合连接；第一小齿轮与第一大齿轮啮合连接；第一大齿轮的中心孔通过传动轴与第二小齿轮固连；第二小齿轮与第二大齿轮啮合连接；第二大齿轮的中心孔与减速器的输出轴的一端紧固配合连接，输出轴另一端伸出减速器盒体；\n[0011] 所述棘轮机构包括棘轮转轴、棘爪弹簧、棘爪和棘轮；棘轮的中心孔套在盒体中心轴上，并与其紧固配合连接；棘爪固定安装在棘轮同侧的发条安装板上，棘爪一端通过棘轮转轴与发条安装板活动连接，棘爪另一端的端部抵住棘轮外缘，棘爪中部由固定在发条安装板上的棘爪弹簧抵触挤压。\n[0012] 所述主动齿轮上的4个齿中间的两个为全齿，两侧的两个为半齿。\n[0013] 在所述主动齿轮的一个端面上设置锁止凸弧，在与主动齿轮相同一侧的从动齿轮的端面的周向均匀设置9个锁止块；锁止凸弧的缺口设置在主动齿轮的4个齿对应的位置，锁止块的外端弧面与锁止凸弧除缺口以外的弧面配合；当主动齿轮带动从动齿轮中与其配合的4个齿转过1/9圈时，下一个锁止块刚好与锁止凸弧配合，防止从动齿轮绕其中心轴转动。\n[0014] 所述弹簧销伸出销座的一端的端面加工成斜面。\n[0015] 本发明的一种深海超低流速发电装置具有如下有益效果：\n[0016] 1）采用发条机构对叶轮机构输出的力矩进行储能，大大降低了对叶轮机构的输出性能的要求，实现了深海超低流速驱动叶轮发电；\n[0017] 2）采用释放装置对储满势能的发条机构进行释放，不但实现了发条机构储能-释放过程的机械自动化控制，而且在释放的同时，还不影响叶轮机构对发条机构的储能。\n[0018] 3）采用棘轮机构防止发条机构因扭矩变小和叶轮改变转动方向而反转，以达到使发电装置稳定运行的目的。\n附图说明\n[0019] 图1为本发明的一种深海超低流速发电装置的外部结构示意图；\n[0020] 图2为本发明的一种深海超低流速发电装置的整体连接的剖面示意图；\n[0021] 图3为本发明的一种深海超低流速发电装置的整体连接的立体示意图；\n[0022] 图4为本发明的一种深海超低流速发电装置的发条机构结构示意图；\n[0023] 图5为本发明的一种深海超低流速发电装置的减速器的结构示意图；\n[0024] 图6为本发明的一种深海超低流速发电装置的棘轮机构的结构示意图；\n[0025] 图7为本发明的一种深海超低流速发电装置的释放机构中的齿轮组的结构示意图；\n[0026] 图8为本发明的一种深海超低流速发电装置的释放机构中的自动插销的结构示意图；\n[0027] 图9为本发明的一种深海超低流速发电装置的释放机构中的凸轮的结构示意图。\n[0028] 其中，1-超越离合器、2-释放机构、3-发条机构、4-减速器、5-壳体、7-棘轮机构、8-叶轮机构、9-发电机系统、2-1-弹簧挡块、2-2-弹簧、2-3-销座、2-4-压杆、2-5-凸轮、2-6-释放机构安装板、2-7-销轴、2-8-滚轮、2-9-弹簧销、2-10-凸台、3-1-盒体中心轴、3-2-涡卷弹簧、3-3-发条盒体、3-4-芯轴、3-5-发条安装板、4-1-减速器盒体、4-2-输入轴、4-3-第二大齿轮、4-4-输出轴、4-5-第二小齿轮、4-6-传动轴、4-7-减速器安装板、\n4-8-第一大齿轮、4-9-第一小齿轮、6-1-主动齿轮、6-2-锁止块、6-3-从动齿轮、6-4-锁止凸弧、7-1-棘爪转轴、7-2-棘爪弹簧、7-3-棘爪、7-4-棘轮。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。\n[0030] 本发明提供了一种深海超低流速发电装置，如图1、2和3所示，该装置包括叶轮机构8、壳体5以及置于壳体内部的减速器4、发条机构3、棘轮机构7、释放机构2、发电机和超越离合器；\n[0031] 如图1所示，壳体5为一端封闭、另一端开口的空心圆柱结构，叶轮机构8安装在开口一端，两者密封连接；\n[0032] 减速器4包括减速器盒体4-1、输入轴4-2、输出轴4-4、减速器安装板4-7以及设置在减速器盒体4-1内部的传动轴4-6、第一小齿轮4-9、第二小齿轮4-5、第一大齿轮4-8和第二大齿轮4-3；减速器安装板4-7为中心加工有圆孔的圆盘，减速器安装板4-7沿壳体\n5的截面方向固定在壳体5内壁上；减速器盒体4-1固定在减速器安装板4-7远离叶轮机构的一侧，减速器盒体4-1在与减速器安装板4-7的圆孔的对应位置上开有通孔，减速器的输入轴4-2依次插入减速器安装板4-7的圆孔和减速器盒体4-1的通孔中，输入轴4-2与减速器盒体4-1的通孔通过轴承配合连接，输入轴4-2伸出减速器安装板4-7的圆孔的一端与叶轮机构的驱动轴固定连接，输入轴4-2在减速器盒体4-1内的一端与第一小齿轮4-9的中心孔紧固配合连接；第一小齿轮4-9与第一大齿轮4-8啮合连接；第一大齿轮4-8的中心孔通过传动轴4-6与第二小齿轮4-5固连；第二小齿轮4-5与第二大齿轮4-8啮合连接；\n第二大齿轮4-3的中心孔与减速器的输出轴4-4的一端紧固配合连接，输出轴4-4另一端伸出减速器盒体；\n[0033] 发条机构3包括发条盒体3-3、芯轴3-4、涡卷弹簧3-2、盒体中心轴3-1、和发条安装板3-5；发条安装板3-5为中心加工有圆孔的圆盘，发条安装板3-5沿壳体5的截面方向固定在壳体5内壁上；发条盒体3-3为圆盘状盒体，其一侧的外表面上固定连接的盒体中心轴3-1穿过发条安装板3-5上的圆孔，并通过轴承与发条安装板3-5活动连接，盒体中心轴\n3-1与减速器4的输出轴4-4固连，并在减速器4的带动下转动；在发条盒体3-3上与发条安装板3-5相对的一侧开有通孔，芯轴3-4通过该通孔伸进发条盒体3-3内部，并通过轴承与该通孔活动连接，芯轴3-4相对于发条盒体3-3转动，其转动中心轴与盒体中心轴3-1在同一条直线上；涡卷弹簧3-2设置在发条盒体3-3内部，其两端分别固定在发条盒体3-3和芯轴3-4上，发条盒体3-3在减速器4的带动下转动从而对发条机构3储能；\n[0034] 棘轮机构7包括棘轮转轴7-1、棘爪弹簧7-2、棘爪7-3和棘轮7-4；棘轮机构7安装在发条安装板3-4上与发条机构3相对的一侧，棘轮7-4的中心孔套在盒体中心轴3-1上，并与其紧固配合连接；棘爪7-3固定安装在棘轮7-4同侧的发条安装板3-4上，棘爪7-3一端通过棘轮转轴7-1与发条安装板3-4活动连接；棘爪7-3另一端的端部抵住棘轮7-4外缘，棘爪7-3中部由固定在发条安装板3-4上的棘爪弹簧7-2抵触挤压。\n[0035] 释放机构2包括齿轮组和自动插销：\n[0036] 齿轮组包括主动齿轮6-3和齿数为54齿的从动齿轮6-1，主动齿轮6-3为齿数为\n4齿的不完全齿轮；主动齿轮6-3的中心孔套在发条机构3的芯轴3-4后安装在发条机构\n3的发条盒体3-3的外表面上，且主动齿轮6-3与发条盒体3-3具有相同的转动中心轴，主动齿轮6-3通过其上的4个齿与从动齿轮6-1啮合连接；\n[0037] 如图3所示，自动插销包括弹簧挡块2-1、弹簧2-2、销座2-3、压杆2-4、凸轮2-5、安装板2-6、销轴2-7、滚轮2-8和弹簧销2-9；\n[0038] 所述安装板2-6靠近主动齿轮6-3固定安装，发条机构3的芯轴1-4穿过安装板\n2-6的中心孔；在安装板2-6上与从动齿轮6-1的中心孔对应的位置有一个圆孔；\n[0039] 如图4所示，凸轮2-5为圆盘结构，在圆盘的边缘一体加工有凸起，凸起相对于圆盘的圆心的圆周角为80°，且该凸起相对于该圆周角的角平分线对称；\n[0040] 圆盘与凸起交界处分别记为a点和b点，则该两点之间对应的圆周角为280°，凸起顶点处记为c点，顶点c点与a点的角平分线与凸起的交点记为e点，顶点c点与b点的角平分线与凸起的交点记为d点，则弧ae、弧dc、弧cd、和弧db所对应的圆周角均为20°。\n[0041] 凸轮2-5的圆盘的圆心处沿轴向加工一通孔；销轴2-7穿过安装板2-6上的圆孔，并与凸轮2-5上的通孔配合，销轴2-7在齿轮组一侧的一端与从动齿轮6-1的中心孔紧固配合连接，销轴2-7的另一端与凸轮2-5的通孔紧固配合连接；\n[0042] 如图3所示，压杆2-4的一端沿垂向固定连接一个圆柱形的滚轮2-8，另一端加工成叉形结构；压杆2-4设置在凸轮2-5一侧，压杆2-4的中部的通孔与固定在安装板2-6上的圆柱杆活动连接，压杆2-4可绕圆柱杆旋转；压杆2-4一端的滚轮2-8的边缘与凸轮2-5的边缘接触，当凸轮2-5转动时，滚轮2-8沿凸轮2-5的边缘滑动；\n[0043] 弹簧挡块2-1与销座2-3从外到内分别固定在与压杆2-4同侧的安装板2-6的中心孔外侧，圆柱状的弹簧销2-9插入销座2-3上沿与安装板2-6平行方向加工的通孔中，并与该通孔配合；弹簧销2-9朝向弹簧挡块2-1的一端与弹簧2-2的一端固定连接，弹簧2-2另一端与弹簧挡块2-1固定连接；弹簧销2-9伸出销座2-3的一端的圆柱侧面上沿径向加工一凸台，该凸台插入压杆2-4的叉形结构中；弹簧销2-9伸出销座2-3的一端对准发条机构3的芯轴1-4上的凹槽1-5，并可插入该凹槽1-5中；\n[0044] 当凸轮2-5的圆盘边缘与滚轮2-8抵触时，弹簧销2-9插在发条机构3的芯轴1-4的凹槽1-5中，弹簧2-2处于自由状态，发条机构3进行储能；当凸轮2-5的凸起边缘与滚轮2-8抵触时，弹簧销2-9从发条机构3的芯轴1-4的凹槽1-5中拔出，发条机构3进行释放。\n[0045] 主动齿轮6-3上的4个齿中间的两个为全齿，两侧的两个为半齿。\n[0046] 在主动齿轮6-3的一个端面上设置锁止凸弧6-4，在与主动齿轮6-3相同一侧的从动齿轮6-1的端面的周向均匀设置9个锁止块6-2；锁止凸弧6-4的缺口设置在主动齿轮6-3的4个齿对应的位置；当主动齿轮6-3带动从动齿轮6-1中与其配合的4个齿转动\n1/9圈时，下一个锁止块6-2刚好与锁止凸弧配合，使从动齿轮6-1停止转动。\n[0047] 为了便于弹簧销2-9在芯轴1-4的凹槽1-5中插入拔出，弹簧销2-9伸出销座2-3的一端的端面加工成斜面。\n[0048] 将发条机构3的芯轴3-4通过超越离合器1与发电机系统的输入轴4-2固连在一起：超越离合器1外轴与发条机构3的芯轴3-4固连，其内轴与发电机系统9的输入轴4-2固连。\n[0049] 本发明公开的一种超低流速发电装置的工作过程为:\n[0050] 首先设置初始位置：使涡卷弹簧3-2处于自由状态，即不缠绕在芯轴3-4上；使滚轮2-8与凸轮2-5在凸轮的a点接触；\n[0051] 当叶轮机构8顺时针转动时，带动减速器4的输入轴4-2转动，由此依次带动第一小齿轮4-9、第一大齿轮4-8、第二小齿轮4-5和第二大齿轮4-3转动，最终带动减速器4的输出轴4-4顺时针转动，在此传动过程中，减速器4降低了叶轮机构8的输入速度，提高了输入力矩后再提高输出轴4-4输出，由此驱动与输出轴4-4固连的盒体中心轴3-1转动，发条盒体3-3的转动使涡卷弹簧3-2不断的缠绕在发条机构3的芯轴3-4上；主动齿轮6-1在发条盒体3-3的带动下与发条盒体3-3同轴转动，由于从动齿轮6-3与主动齿轮6-1的\n4个齿啮合，当主动齿轮6-1转动一圈，从动齿轮6-3仅转动6个齿的角度距离，即1/9圈，在从动齿轮6-3的带动下，凸轮2-5开始顺时针转动，当发条盒体3-3转动7圈后，凸轮2-5转动280°，即b点转到滚轮2-8的切线处；当发条盒体3-3继续转动，滚轮2-8逐渐开始与b点到c点之间的弧面接触，由于从b点到c点之间的弧面的半径逐渐增大，即该弧面逐渐开始挤压滚轮2-8，驱动压杆2-4的滚轮2-8一端向下运动，压杆2-4的叉形结构向上抬起，由此叉形结构带动凸台2-10抬起，弹簧销2-9挤压与其连接的弹簧2-2向上运动，弹簧销\n2-9逐渐从芯轴3-4的凹槽中脱离，当d点与滚轮2-8接触时，弹簧销2-9完全从芯轴3-4的孔中拔出，则芯轴3-4开始转动，发条机构3开始释放；在释放过程中，发条盒体3-3继续转动，圆弧的e点与滚轮2-8接触时，与弹簧销2-9从芯轴3-4孔中拔出的传动原理相同，弹簧销2-9开始插入芯轴3-4的凹槽中，当a点重新与滚轮2-8接触时，弹簧销2-9完全插入芯轴3-4的凹槽中，芯轴3-4被固定，发条盒体3-3开始下一个周期的储能。\n[0052] 在发条机构3释放势能时，与发条机构3的芯轴3-4连接的发电机系统9的输入轴也被迫转动，由此带动发电机系统9发电，发条机构3在释放过程中，芯轴3-4的速度越来越小，当芯轴3-4速度低于发电机系统9的输入轴速度时，超越离合器1内外轴超越，超越离合器1的外轴与芯轴3-4脱离，发电机系统9在自身惯性下转动发电，当发电机系统9的转动速度逐渐减小到与芯轴3-4速度相同时，超越离合器1的外轴重新与芯轴3-4连接，芯轴3-4继续带动发电机系统9发电。\n[0053] 本实施例中，叶轮机构8的叶轮直径为2米，由三片叶片组成。减速器4减速比设计为4，传递效率为80%，棘轮机构7效率为80%，发条机构3的输入输出力矩分别设计为\n0.5Nm和3.0Nm。当流速为0.1m/s时，叶轮获得的启动力矩为1.5Nm，通过叶轮机构8传递到减速器4的力矩为1.3Nm，则减速器4输出力矩约为4.2Nm。当发条机构3接收由减速器\n4输出的力矩并经棘轮机构7传递后，由于发条机构3输入力矩大于发条机构3的最小工作力矩0.5Nm，涡卷弹簧3-2逐渐旋紧直至扭矩达到3.0Nm，此时涡卷弹簧3-2和发条盒体\n3-3一起旋转了约8圈，齿轮组带动凸轮2-5旋转320°，凸轮2-5压顶滚轮2-8，带动压杆\n2-4转动，并将弹簧销2-9从弹簧芯轴3-4上的凹槽中抽出，解除芯轴3-4约束，使芯轴3-4及超越离合器1外轴快速释放弹簧势能驱动超越离合器1内轴和发电机系统9旋转发电。\n[0054] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。\n凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。