一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统
阅读说明：本技术 一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统 (Hydrodynamic system based on Princeton ocean mode ) 是由 夏长水 郭太安 郭冉 于 2021-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统,属于新能源领域,包括用于波浪能量吸收的振荡浮子、用于驱动传动机构的双向齿条杆、用于动能传递的传动机构、联轴器、用于产生电能的发电机和用于设备安装的安装平台,所述振荡浮子包括圆柱浮体和环绕分布在圆柱浮体外侧的用于缓冲的分流器,所述圆柱浮体内部安装有用于吸收冲击力的阻尼弹簧,所述阻尼弹簧的另一端安装有阻尼球。本发明所述的一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统,通过设有的分流器、阻尼弹簧和阻尼球,可以消除部分水平方向上承受的动能,减小圆柱浮体的震动,使圆柱浮体运动更加平稳,提高装置的可靠性,延长装置的使用寿命。(The invention discloses a hydrodynamic control system based on a Princeton ocean mode, which belongs to the field of new energy, and comprises an oscillating floater for absorbing wave energy, a bidirectional rack bar for driving a transmission mechanism, a transmission mechanism for transmitting kinetic energy, a coupler, a generator for generating electric energy and an installation platform for installing equipment, wherein the oscillating floater comprises a cylindrical floating body and a shunt which is distributed on the outer side of the cylindrical floating body in a surrounding manner and is used for buffering, a damping spring for absorbing impact force is installed in the cylindrical floating body, and a damping ball is installed at the other end of the damping spring. According to the water power control system based on the Princeton ocean mode, the kinetic energy borne in the horizontal direction of part of water can be eliminated through the shunt, the damping spring and the damping ball, the vibration of the cylindrical floating body is reduced, the cylindrical floating body can move more stably, the reliability of the device is improved, and the service life of the device is prolonged.)
技术领域
本发明涉及新能源使领域，特别涉及一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统。
背景技术
波浪能以其储量大、无污染、可重复开发利用的优点，成为国内外海洋能开发利用研究的热点，波浪能发电装置的种类多种多样，但大多数都是大型化、大功率的设备，建造费用昂贵，施工困难，小型化的波浪能发电装置在市场上仍不多见，据研究表明，多数波浪能装置的转化效率仅为30%左右，而小型的机械式的振荡浮子式波浪能回收装置的回收效率最高可达近40%，但因其内部均为机械传动，加上工作环境恶劣，导致其可靠性较差，因此其发展一直受到限制。
常见振荡浮子式波浪能回收装置的浮子形状有三种，一种是圆柱状浮子；一种是上部为圆柱，下部为圆锥状的浮子，还有一种上部为圆柱状，下部为半球状的浮子，而据有关研究表明，使用圆柱状的浮子在同等条件下具有最高的回收效率，因此圆柱状浮子的使用范围也最广，但不管哪种形状的浮子，在使用过程中，如图10所示，其受力点A在振荡的过程中，波浪的动能会使浮子受到水平方向上的作用力，这会导致浮子产生震动，长此以往，容易导致传动部件的损坏，降低装置的使用寿命，同时浮子的振荡过程是非常复杂的，在竖直方向上的波浪能的作用下，浮子会向上有一段加速运动的过程，浮子推动导杆向上运动，使各连接处承受了很大的冲击，也容易导致连接处的损坏，为此，我们提出一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统，通过在现有的浮体内部加装用于吸收冲击动能的阻尼球和阻尼弹簧，在浮体外侧开设分流器以消耗冲击时的部分动能，可以有效解决浮体受到冲击产生震动导致其容易损坏的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统，包括用于波浪能量吸收的振荡浮子、用于驱动传动机构的双向齿条杆、用于动能传递的传动机构、联轴器、用于产生电能的发电机和用于设备安装的安装平台，所述振荡浮子包括圆柱浮体和环绕分布在圆柱浮体外侧的用于缓冲的分流器，所述圆柱浮体内部安装有用于吸收冲击力的阻尼弹簧，所述阻尼弹簧的另一端安装有阻尼球，所述阻尼球位于圆柱浮体的中心处，所述圆柱浮体的上端中部通过轴承与双向齿条杆转动连接。
进一步的，所述分流器的中部和端部均呈鱼鳍状设置，当海浪以一定角度冲击圆柱浮体时，圆柱浮体的受力面会承受水平方向上的分力，力作用在分流器的中部时，由于分流器中部呈鱼鳍状设置，会将作用力分解为平行方向的力和垂直方向的力，平行方向的力相互抵消，而垂直受力面的力之间存在差异，在力差的作用下，圆柱浮体会发生转动，从而可以消除部分水平方向上承受的动能，减小圆柱浮体的震动，且分流器的端部从远离圆柱浮体的一端到靠近圆柱浮体的一端呈圆弧状设置，且分流器与圆柱浮体相接触的端面也为圆弧状设置，圆柱浮体在波浪和自身重力的作用下在竖直方向上往复运动，波浪能的竖直分量会作用在圆柱浮体与波浪接触的有效面积内，在分流器的上下端设置有鱼鳍状的端部，当圆柱浮体运动过程中，波浪沿端部的鳍状边缘分流，减小了分流器与波浪之间有效的接触面积，不会对圆柱浮体的圆柱本体的运动造成影响。
进一步的，所述分流器的数量为六个，且分流器最外侧端面与圆柱浮体中心线之间的距离沿顺时针方向逐渐减小，这种设置使相邻间分流器尺寸存在差异，当海浪冲击圆柱浮体时，作用在相邻分流器上的力存在差异，从而存在力差，使圆柱浮体发生转动。
进一步的，所述阻尼弹簧安装在圆柱浮体的内部，所述阻尼弹簧的数量为四个，且阻尼弹簧环绕分布在阻尼球的外侧，当圆柱浮体在波浪的冲击下向上加速运动时，阻尼球在运动初期仍然保持静止状态，圆柱浮体与阻尼球之间产生相对位移，从而使阻尼弹簧拉伸，将动能转化为阻尼弹簧的弹性势能，可以消耗部分动能，达到减小冲击的作用，圆柱浮体回程运动过程同理，同时环绕分布在弹簧也可以吸收水平方向上的动能，使圆柱浮体运动更加平稳，提高装置的可靠性，延长装置的使用寿命。
进一步的，所述传动机构包括外筒体和驱动齿轮，所述外筒体端部内侧通过直线轴承与双向齿条杆连接，在外筒体的内部中间位置对称设有与双向齿条杆相啮合的驱动齿轮，所述驱动齿轮内部安装有超越离合器，所述超越离合器的内部安装有输出轴，且输出轴外侧通过轴承与外筒体转动连接，所述输出轴的另一端安装有从动齿轮，所述从动齿轮内侧啮合有发电机齿轮，所述发电机齿轮内部与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与发电机的主轴连接，所述外筒体内部对称设有缓冲弹簧。
进一步的，所述传动机构和发电机均固定在安装平台上，所述安装平台的下端固定连接有平台支架，所述平台支架的底端固定在海底处。
进一步的，该装置的使用步骤如下：
步骤一，圆柱浮体漂浮在海平面上，在波浪的推动下，圆柱浮体向上运动并推动双向齿条杆在外筒体内部向上滑动，双向齿条杆带动位于前侧啮合的驱动齿轮转动，位于前侧的驱动齿轮带动输出轴转动，输出轴带动从动齿轮转动，从动齿轮带动啮合的发电机齿轮转动，发电机齿轮通过联轴器带动发电机运转产生电能；
步骤二，当圆柱浮体跟随波浪下行时，圆柱浮体在自身重力作用下向下运动并拉动双向齿条杆在外筒体内部向下滑动，双向齿条杆带动位于后侧啮合的驱动齿轮转动，位于后侧的驱动齿轮带动位于后侧的输出轴转动，输出轴带动从动齿轮转动，从动齿轮带动啮合的发电机齿轮转动，发电机齿轮通过联轴器带动发电机运转产生电能，完成一个工作循环，如此往复。
本发明具有如下有益效果：
与现有技术相比，通过设有的分流器，当海浪以一定角度冲击圆柱浮体时，圆柱浮体的受力面会承受水平方向上的分力，力作用在分流器的中部时，由于分流器中部呈鱼鳍状设置，会将作用力分解为平行方向的力和垂直方向的力，平行方向的力相互抵消，且分流器最外侧端面与圆柱浮体中心线之间的距离沿顺时针方向逐渐减小，这种设置使相邻间分流器尺寸存在差异，当海浪冲击圆柱浮体时，作用在相邻分流器上的垂直受力面的力之间存在差异，在力差的作用下，圆柱浮体会发生转动，从而可以消除部分水平方向上承受的动能，减小圆柱浮体的震动，分流器的端部从远离圆柱浮体的一端到靠近圆柱浮体的一端呈圆弧状设置，且分流器与圆柱浮体相接触的端面也为圆弧状设置，圆柱浮体在波浪和自身重力的作用下在竖直方向上往复运动，波浪能的竖直分量会作用在圆柱浮体与波浪接触的有效面积内，在分流器的上下端设置有鱼鳍状的端部，当圆柱浮体运动过程中，波浪沿端部的鳍状边缘分流，减小了分流器与波浪之间有效的接触面积，不会对圆柱浮体的圆柱本体的运动造成影响；
与现有技术相比，通过设有的阻尼弹簧和阻尼球，当圆柱浮体在波浪的冲击下向上加速运动时，阻尼球在运动初期仍然保持静止状态，圆柱浮体与阻尼球之间产生相对位移，从而使阻尼弹簧拉伸，将动能转化为阻尼弹簧的弹性势能，可以消耗部分动能，达到减小冲击的作用，圆柱浮体回程运动过程同理，同时环绕分布的弹簧也可以吸收水平方向上的动能，使圆柱浮体运动更加平稳，提高装置的可靠性，延长装置的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统的整体结构示意图。
图2为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统圆柱浮体的俯视图。
图3为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统圆柱浮体的主视图。
图4为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统阻尼弹簧的安装结构示意图。
图5为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统阻尼球的安装结构示意图。
图6为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统分流器的结构立体图。
图7为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统传动机构的安装结构示意图。
图8为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统双向齿条杆的安装结构示意图。
图9为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统驱动齿轮的安装结构示意图。
图10为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力系统圆柱浮体A点的受力示意图。
图11为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统的圆柱浮体在一种状态下的受力示意图；其中，（a）图为选定B、C点位置示意，（b）图为B点受力分析图，（c）图为C点受力分析图，（d）图为综合受力分析图。
图12为本发明一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统的圆柱浮体在另一种状态下的受力示意图；其中，（a）图为选定B1、C1点位置示意，（b）图为B1点受力分析图，（c）图为C1点受力分析图，（d）图为综合受力分析图。
图中：1、振荡浮子；101、圆柱浮体；102、分流器；103、阻尼弹簧；104、阻尼球；2、双向齿条杆；3、传动机构；301、外筒体；302、驱动齿轮；303、超越离合器；304、输出轴；305、从动齿轮；306、发电机齿轮；307、缓冲弹簧；4、联轴器；5、发电机；6、安装平台；7、平台支架。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的具体实施方式，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具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-9所示，一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统，包括振荡浮子1、双向齿条杆2、传动机构3、联轴器4、发电机5和安装平台6，振荡浮子1包括圆柱浮体101和环绕分布在圆柱浮体101外侧的分流器102，圆柱浮体101内部安装有阻尼弹簧103，阻尼弹簧103的另一端安装有阻尼球104，阻尼球104位于圆柱浮体101的中心处，圆柱浮体101的上端中部通过轴承与双向齿条杆2转动连接。
分流器102的中部和端部均呈鱼鳍状设置，且分流器102的端部从远离圆柱浮体101的一端到靠近圆柱浮体101的一端呈圆弧状设置，且分流器与圆柱浮体101相接触的端面也为圆弧状设置。
分流器102的数量为六个，且分流器102最外侧端面与圆柱浮体101中心线之间的距离沿顺时针方向逐渐减小。
阻尼弹簧103安装在圆柱浮体101的内部，阻尼弹簧103的数量为四个，且阻尼弹簧103环绕分布在阻尼球104的外侧。
通过采用上述技术方案：图中A点为圆柱浮体101左端与吃水线的交点，分析A点的受力可知，海浪冲击圆柱浮体101，力作用在圆柱浮体101端面时，圆柱浮体101的受力面会承受水平方向上的分力，即为F2，这会导致圆柱浮体101的径向受力，从而导致设备的震动，当水平方向上的冲击作用在圆柱浮体101端面后，冲击产生的动能使阻尼弹簧103拉伸，将动能转化为阻尼弹簧103的弹性势能，从而可以消耗部分动能，达到减小冲击的作用，圆柱浮体101在竖直方向上受到冲击的缓冲原理同理，从而可以使圆柱浮体101运动更加平稳，提高装置的可靠性，延长装置的使用寿命。
实施例2
如图1-12所示，一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统，包括振荡浮子1、双向齿条杆2、传动机构3、联轴器4、发电机5和安装平台6，振荡浮子1包括圆柱浮体101和环绕分布在圆柱浮体101外侧的分流器102，圆柱浮体101内部安装有阻尼弹簧103，阻尼弹簧103的另一端安装有阻尼球104，阻尼球104位于圆柱浮体101的中心处，圆柱浮体101的上端中部通过轴承与双向齿条杆2转动连接。
传动机构3包括外筒体301和驱动齿轮302，外筒体301端部内侧通过直线轴承与双向齿条杆2连接，在外筒体301的内部中间位置对称设有与双向齿条杆2相啮合的驱动齿轮302，驱动齿轮302内部安装有超越离合器303，超越离合器303的内部安装有输出轴304，且输出轴304外侧通过轴承与外筒体301转动连接，输出轴304的另一端安装有从动齿轮305，从动齿轮305内侧啮合有发电机齿轮306，发电机齿轮306内部与联轴器4的输入端连接，联轴器4的输出端与发电机5的主轴连接，外筒体301内部对称设有缓冲弹簧307。
传动机构3和发电机5均固定在安装平台6上，安装平台6的下端固定连接有平台支架7，平台支架7的底端固定在海底处。
如图11所示，通过采用上述技术方案：当波浪以此角度冲击圆柱浮体101时，波浪水平作用力与两分流器102的中线垂直，作用在圆柱浮体101表面的力是均匀且相等的，作用在左侧两个相邻的分流器102的力会存在差异，设波浪的水平作用力为F3，取图11中位于上侧的分流器102的内侧端面中点为B，取位于下侧的分流器102的内侧端面中点为C进行受力分析，如图11中图（b）所示，则B点受到作用力F3可以分解为平行B点所在平面的力F4和垂直于B点所在平面的力F5；
如图11中图（c）所示，C点受到作用力F3可以分解为平行C点所在平面的力F7和垂直于B点所在平面的力F6；
如图11中图（d）所示，由受力图可以得到B、C两点垂直方向的分力存在差异，将圆柱浮体101看做整体后，可以将B、C两点垂直的分力进行矢量合成，从而可以得到F合1；
由受力图可以得知F合1和作用力F3存在方向上的差异，在力差的作用下，圆柱浮体101发生转动，从而可以将受到冲击时的部分动能转化为圆柱浮体101自身转动的动能，从而可以减小圆柱浮体101的震动，分流器102的端部从远离圆柱浮体101的一端到靠近圆柱浮体101的一端呈圆弧状设置，且分流器102与圆柱浮体101相接触的端面也为圆弧状设置，圆柱浮体101在波浪和自身重力的作用下在竖直方向上往复运动，波浪能的竖直分量会作用在圆柱浮体101与波浪接触的有效面积内，在分流器102的上下端设置有鱼鳍状的端部，当圆柱浮体101运动过程中，波浪沿端部的鳍状边缘分流，减小了分流器102与波浪之间有效的接触面积，不会对圆柱浮体101在竖直方向上的运动造成影响。
实施例3
如图1-12所示，一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统，包括振荡浮子1、双向齿条杆2、传动机构3、联轴器4、发电机5和安装平台6，振荡浮子1包括圆柱浮体101和环绕分布在圆柱浮体101外侧的分流器102，圆柱浮体101内部安装有阻尼弹簧103，阻尼弹簧103的另一端安装有阻尼球104，阻尼球104位于圆柱浮体101的中心处，圆柱浮体101的上端中部通过轴承与双向齿条杆2转动连接。
传动机构3包括外筒体301和驱动齿轮302，外筒体301端部内侧通过直线轴承与双向齿条杆2连接，在外筒体301的内部中间位置对称设有与双向齿条杆2相啮合的驱动齿轮302，驱动齿轮302内部安装有超越离合器303，超越离合器303的内部安装有输出轴304，且输出轴304外侧通过轴承与外筒体301转动连接，输出轴304的另一端安装有从动齿轮305，从动齿轮305内侧啮合有发电机齿轮306，发电机齿轮306内部与联轴器4的输入端连接，联轴器4的输出端与发电机5的主轴连接，外筒体301内部对称设有缓冲弹簧307。
传动机构3和发电机5均固定在安装平台6上，安装平台6的下端固定连接有平台支架7，平台支架7的底端固定在海底处。
如图12所示，通过采用上述技术方案：当波浪以此角度冲击圆柱浮体101时，波浪水平作用力与两分流器102的中线呈一定夹角，作用在圆柱浮体101表面的力是均匀且相等的，作用在每个分流器102的力均会存在差异，设波浪的水平作用力为F3 ，，取图12中位于上侧的分流器102的内侧端面中点为B1，取位于正下侧的分流器102的内侧端面中点为C1进行受力分析，则B1点受到作用力F3 ，可以分解为平行B1点所在平面的力F9和垂直于B1点所在平面的力F8，C1点受到作用力F3 ，可以分解为平行C1点所在平面的力F10和垂直于C1点所在平面的力F11，由受力图可以得到B1、C1两点垂直方向的分力存在差异，将圆柱浮体101看做整体后，可以将B1、C1两点垂直的分力进行矢量合成，从而可以得到F合2，由受力图可以得知F合2和作用力F3 ，存在方向上的差异，在力差的作用下，圆柱浮体101发生转动，从而可以将受到冲击时的部分动能转化为圆柱浮体101自身转动的动能，从而可以减小圆柱浮体101的震动，分流器102的端部从远离圆柱浮体101的一端到靠近圆柱浮体101的一端呈圆弧状设置，且分流器102与圆柱浮体101相接触的端面也为圆弧状设置，圆柱浮体101在波浪和自身重力的作用下在竖直方向上往复运动，波浪能的竖直分量会作用在圆柱浮体101与波浪接触的有效面积内，在分流器102的上下端设置有鱼鳍状的端部，当圆柱浮体101运动过程中，波浪沿端部的鳍状边缘分流，减小了分流器102与波浪之间有效的接触面积，不会对圆柱浮体101在竖直方向上的运动造成影响。
需要说明的是，本发明为一种基于普林斯顿海洋模式的水动力控制系统，在使用时，圆柱浮体101漂浮在海平面上，在波浪的推动下，圆柱浮体101向上运动并推动双向齿条杆2在外筒体301内部向上滑动，双向齿条杆2带动位于前侧啮合的驱动齿轮302转动，位于前侧的驱动齿轮302带动输出轴304转动，输出轴304带动从动齿轮305转动，从动齿轮305带动啮合的发电机齿轮306转动，发电机齿轮306通过联轴器4带动发电机5运转产生电能，当圆柱浮体101跟随波浪下行时，圆柱浮体101在自身重力作用下向下运动并拉动双向齿条杆2在外筒体301内部向下滑动，双向齿条杆2带动位于后侧啮合的驱动齿轮302转动，位于后侧的驱动齿轮302带动位于后侧的输出轴304转动，输出轴304带动从动齿轮305转动，从动齿轮305带动啮合的发电机齿轮306转动，发电机齿轮306通过联轴器4带动发电机5运转产生电能，完成一个工作循环，如此往复。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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