全旋程无阻出力能量转换机组装置

技术领域

本专利申请涉及将蕴含于流体中的能量，如流水、风动能量，高效能集中、转换为可用能源的能量转换装置，尤其涉及的是将所述流体能量持续转换为可利用能源的机械式能量转换装置。

背景技术

自然界中的流体蕴藏着我们取之不尽的巨大能量，是能源的绿色宝库，水力发电装置、风力发电装置，是流水、风动能量转化、集中为可用能量的技术较为典型的转换装置，其核心原理是：流体推动一叶轮装置旋转、驱动发电机组输出电能。但现有手段捕获与能量的存在相比微乎其微，固定结构的叶轮装置，流体推动叶轮装置的同时，叶轮装置的回程会产生作用力相反、作用与正程相抵的阻力，因而导致能量提取可利用转化率远非理想。

专利文献CN105464901A 公开了一种全旋程无阻化流体能量转换装置，其方案是回转盘上的等半径圆周上垂直设有若干叶片轴，且使叶片轴随回转盘公转的公转极角为叶片自转极角的2倍，用实际使用效果来描述就是：当某一叶片随回转盘旋转至正程极大位时，叶片亦转动至全面迎向流体的角度状态，当回转盘180°转动带动叶片至回程极大位时，叶片即转动至与流体平行的顺向，从而消除回程阻力，周而复始，相比固定叶轮的能量转换装置而言，能量转换效率大大提高。

但，该文献技术方案仍存在较为突出的技术缺陷：其一是，其回转装置仅有半程作功出力，另半程几乎无有效功输出；其二是，要提高能量输出规模只能采取加大回转盘半径、加大叶片回转半径、高度或增加叶片轴齿轮和齿轮组齿轮直径的办法，但如此会大幅度增加部件加工的技术难度，而且规模加大程度也会因部件制造、组装、使用可靠性等方面受到很大限制。

发明内容

本发明专利申请的发明目的在于解决现有技术仅半程作功出力、导致能量撷取率低、能量转换效率低的技术问题，提供一种回转全程均能够有效作功出力、实现能量最大化转换的全旋程无阻增效出力能量转换装置。

本发明申请提供的全旋程无阻出力能量转换机组装置技术方案，其主要技术内容是：一种全旋程无阻出力能量转换机组装置，其构成包括回转系和动能输出系；其中的回转系，包括中心轴、回转部、转叶部和回转机构；

所述的回转部包括转动安装于中心轴上，中心轴上依盘体半径依次递增或递减顺序安装有多层回转盘，每梯度回转盘上的同一圆形轨迹上、等圆周间隔转动装配有若干转叶部；

所述的转叶部由叶片轴和与叶片轴同一平面的叶片构成，叶片轴垂直转动安装在回转盘上；

中心轴与固定其上的导流舵构成流体方向感应面，亦为相邻梯度回转盘的转叶部之间自转极角对称关系的镜像面；

每一回转盘的回转机构，由叶片轴的叶轴齿盘、中心轴的中心齿盘和叶轴齿盘与中心齿盘之间的行星齿盘传动连接构成，使叶片自转与其回转盘公转方向相同，且满足：叶片轴随其回转盘公转的公转极角变量α为其上叶片自转的自转极角变量β的2倍；

相邻梯度回转盘之间均设置一所述的动能输出系，将前梯度回转盘回转动能向后梯级回转盘传递，直至由末级回转盘输出，其组成包括传动轮组和其组装盘，传动轮组包括换向单元和变速单元，其中的换向单元由中心轴上转动安装的与本层回转盘联动的联速齿盘和外啮合于联速齿盘的转向过轮组成；所述的变速单元，包括变速联动盘、传递齿盘和变速过轮，其中的传递齿盘转动安装在中心轴、与下梯度回转盘固定联动，变速联动盘与转向过轮共轴、分别设置于组装盘两侧，变速过轮传动啮合于传递齿盘与变速联动盘之间。

上述整体技术方案的之一优选项，所述的各层回转盘An为由中心向外呈辐射状的管栅体。

上述整体技术方案的之一优选项，所述的回转机构包括中心齿盘、行星齿盘和叶轴齿盘链传动机构依次传动啮合构成，其中的叶轴齿盘链传动机构由叶轴齿盘和与叶轴齿盘链条传动或齿带传动的内行星齿轮构成。

上述整体技术方案的之一优选项，为进一步消除扩大能量转换规模采用齿轮啮合传动方式所带来的部件制造、组装及维护方面的技术限制，可由锥齿传动机构替代回转机构中叶轴齿盘与行星齿盘之间的链传动机构，所述的锥齿传动机构包括设置于叶轴齿盘与行星齿盘之间的锥齿传动轴，锥齿传动轴两端的锥齿轮分别与锥齿结构的叶轴齿盘和同轴于行星齿盘的行星锥齿轮啮合构成。

上述整体技术方案的之一优选项，通过增设转叶部增加转叶部数量的增设结构如下：转叶部与增设转叶部于回转盘（An）同一圆形轨迹、且各自回转机构等圆心角间隔交错分别组装于回转盘的上、下侧。

上述整体技术方案的之一优选项，回转盘的同一圆形轨迹上，于相邻的两转叶部之间、或者相邻的增设转叶部之间、或转叶部与相邻的增设转叶部之间增设至少一部惰性转叶部，所述的惰性转叶部的叶轴上的惰性叶轴齿盘经回转盘上的传动过轮与邻近转叶部、或增设转叶部的叶轴齿盘啮合传动连接。

上述整体技术方案的之一优选项，回转盘的同一圆形轨迹上，于相邻的两转叶部之间、或者相邻的增设转叶部之间、或转叶部与相邻的增设转叶部之间等圆心角间隔布置增设有多部惰性转叶部，各惰性转叶部的惰性叶轴齿盘之间经传动过轮依次啮合传动连接，最终传动连接至邻近的转叶部、或增设转叶部´的叶轴齿盘，再通过转叶部或增设转叶部的锥齿传动机构形成的传递通道，将多部惰性转叶部、转叶部或增设转叶部所获得的流体动能集中、叠加输出推动回转盘。

本专利申请还提供了另一种全旋程无阻出力能量转换机组装置，以中心轴为机组装置主轴、上下对称设有两套如上任一所述的回转系及其动能输出系，上下两回转系的回转盘梯度相同，且各梯度回转盘之间对应梯度间共用其梯度的转叶部。

本发明专利申请公开的全旋程无阻出力能量转换机组装置技术方案，采用多递度回转盘整体构造，且相邻梯度回转盘在流体作用下相互逆转、相互之间的正程区与逆程区镜像交错，镜像两侧的流体能量都得到全面的转化集中输出，解决了现有技术只能单侧能量转化的技术不足，在保留了回程无阻技术优点的前提下，最大程度的弥合、叠加、利用全旋程方位流体能量，本整体构造使能量转化率成倍提高；另外，本技术方案以及中心轴上两组装置对称组装构造，实现了装置小体积化大规模能量转化输出的技术效果，即“小体积蕴含大能量”。本装置能够广泛应用于风能发电、江河水力发电、海洋洋流发电等应用技术领域，具有发电效率高的技术优点，相比现有技术是一种小体积高能量转化规模装置。

附图说明

图1为本专利申请的一典型实施例的总装构造图。

图2为本专利申请的双层回转盘和其转叶部之间的基本运转工作原理图。

图3为每层回转盘和其转叶部的运转原理图。

图4为具有多梯度层回转盘的回转系的原理构造图。

图5、图6分别为回转机构的一实施例的构造和P-P剖面结构图。

图7、图9分别为回转机构的再一实施例的主视构造和Q-Q剖面结构图。

图8为图7的U-U-V和U-U-U沿中心轴旋转合并的转向剖视图。

图10为回转机构的第三实施例构造图。

图11为回转机构的第四实施例构造图。

图12为图1中方框部分的局部放大图。

图13、图14分别为图11的M-M、L-L的剖面图。

具体实施方式

本专利申请的全旋程无阻出力能量转换机组装置，如图1所示，其构成包括回转系和组装于回转系中的动能输出系。

其中的回转系，包括中心轴1、安装于中心轴1的回转部A、回转部A上的转叶部B和回转机构。

所述的回转部A，包括有转动安装于中心轴1上的多层回转盘An。这些回转盘An，按中心轴1的安装顺序，盘体外径依次递增或递减，其递增或递减的半径差最好一致，呈现出共轴多层塔盘，回转盘可以是图1所示的三层，还可以更多层回转盘的塔盘构造。

每一回转盘An的转叶部Bn，为若干等半径、等圆周间隔与其回转盘An转动装配的叶片轴2，叶片轴2上固定有叶片4构成，叶片轴2与叶片4处于同一平面中，叶片轴2垂直、转动安装在其回转盘An上。除半径最小的回转盘，其余的回转盘An的转叶部Bn 安装在增加出的半径差环面上。

所述的中心轴1与固定其上的导流舵3构成感应流体方向的感应面，该感应面决定了各回转盘An上转叶部Bn对应安装位，因此称之为镜像面30，即为梯度相邻的回转盘An上各自转叶部Bn自转极角对称关系的镜像面30。在流体当中，导流舵3在流体的推动下，带动中心轴1及其中心齿盘31，按流体方向动态整体回转系最大能量转换运行状态。

所述的回转机构是确保转叶部Bn与其回转盘An及各层回转盘转动关系的啮合传动机构。每一回转盘An的回转机构由其转叶部Bn的叶轴齿盘21、中心轴1的中心齿盘31和叶轴齿盘21与中心齿盘31之间的行星齿盘11传动连接构成，形成叶片4自转方向与其回转盘公转方向相同，并满足叶片轴2随其回转盘公转的公转极角变量α为叶片4平面自转的自转极角变量β的2倍的转动关系，如图3所示。所述的公转极角变量α是以中心轴1为极点、叶片轴2随其回转盘An相对于一设定极轴转动的极角量，如图3所示，极坐标中的右侧水平线为设定极轴，所述的叶片4自转极角变量β为以叶片轴2为极点、叶片轴2随回转盘An公转极角变量α过程中、其叶片4相对于同一极轴的极角变动量，其原理已记载于专利文献2015206007131中。

以图3所示的三分转叶部的回转盘结构为例，中心齿盘31、行星齿盘11和叶轴齿盘21的齿数关系为：

2Z

其中，Z

n

n

n

α/360°= n

β/360°= n

则β=α/2，实现每一叶片4自转方向与其回转盘公转方向相同，同时使叶片轴2的公转极角变量Δα为叶片自转极角变量Δβ的2倍。

如图1的各层回转系主视结构和回转系的俯视结构的图4所示，以盘体半径依次增大为序，且以中心轴为极点，第一层回转盘A1和第三层回转盘A3上的各转叶部B1、B3极角位是相同的，其工作方向为逆时针。转叶部B1、B3的正程区间位于镜像面30的右侧，即极坐标极角270º~ 90º区间，则其回程区间位于镜像面30的左侧，即极坐标90º ~270º区间，转叶部B1、B3最大正程极坐标为（r,0º），其叶片4正处于垂直流体方向5，全面接受流体动能、转换做功，而其极大回程极坐标位（r,180º）的叶片4平行于流体方向5，流体阻力为零，做功近乎为零。介于第一、第三回转盘A1、A3之间的第二回转盘A2，其转动方向与其相邻回转盘A1、A3反向，为顺时针方向，其转叶部B2叶片极角方向与相邻回转盘的叶片极角反向。在第一层、第三层回转盘A1、A3同一极坐标中，第二回转盘A2的转叶部B2的正程区间位于镜像面30的左侧、-90º ~-270º区间，其最大正程极坐标（r,-180º）的叶片4垂直于流体方向，全面接受流体动能、转换做功，其回程位于镜像面30的右侧-270º ~-90º坐标区域，其极大回程极坐标（r,0º）的叶片4平行于流体方向5，其流体动能转换为零，第二回转盘A2的叶片4平面自转的自转极角变量β相应满足β

由上可知，本方案的多层转向交错、正程和回程能量转化相互弥合、叠加做功转换的回转体系构造，实现流体能量全程转化做功发电的技术目的，解决了已有发电装置仅为半程出力、能量转化效率低下的技术问题。

所述的回转机构的另一实施结构：行星齿盘11与叶轴齿盘21之间的啮合连接还可采用行星齿轮11与叶轴齿盘链传动机构，所述的叶轴齿盘链传动机构包括叶轴齿盘21和与叶轴齿盘21链条传动/齿带传动的内行星齿轮110构成，所述的内行星齿轮110相当于通过链条/齿带12、沿回转盘径向将叶轴齿盘21内移，以解决扩大自然能量转换规模采用增大回转盘回转半径而回避啮合齿轮大尺寸构造面临部件加工、装配、装置维护难度几何增加的技术问题。

为进一步解决和消除齿盘啮合传动机构以及链条/齿带传动机构给在自然能量转换规模的扩大化带来技术设置空间的局限，参见图5实施例所示，由锥齿传动机构替代所述回转机构中叶轴齿盘21与行星齿盘11之间的齿带传动和链传动机构。所述的锥齿传动机构，包括设置于叶轴齿盘21与行星齿盘11之间的锥齿传动轴9，锥齿传动轴9两端的锥齿轮分别与锥齿结构的叶轴齿盘21´和同轴于行星齿盘11的行星锥齿轮111啮合构成，锥齿传动轴9的轴长度能够随回转盘半径的改变而加长或缩短，更容易在不改动其它部件大小的情况下对应获得不同转换能量装置规模，从而避免重新进行部件的繁琐设计，也给加工制造、装置安装及维护带来的极大便利。

本机组装置中的每层回转机构中，因齿数比关系，其中心齿盘31四周通常最多只可啮合传动四组行星齿盘11，即每层回转盘An只能设置四部叶片，即使于每一行星锥齿轮111的传动区域侧啮合传动两到三组等圆心角间隔分布的锥齿传动机构转叶部Bn，增加的能量转换叶片4数量也极为有限，尤其难以满足与大型或超大机组装置相匹配的能量转化率要求。因此，在回转盘An原有转叶部Bn的基础上保证回转盘上每一转叶部的叶片4回转半径互不干扰，进一步增加转叶部、满足流体动能转换转化率以及能量转换机组装置大型或超大型化需求，成倍增加转叶部数量的增设结构手段如下：如图5、图6和图11所示，转叶部Bn与增设转叶部B´n于回转盘An同一圆形轨迹、且各自回转机构相交错分别组装于回转盘的上、下侧。转叶部Bn的锥齿传动机构均于回转盘An的上侧，增设转叶部B´n的锥齿传动机构均置于回转盘An的下侧，亦可反之。即转叶部Bn的锥齿传动机构，锥齿传动轴9传动啮合叶轴2于回转盘An上侧的锥齿结构的叶轴齿盘21´和行星齿盘11齿盘轴的回转盘An上侧轴端的上行星锥齿轮111之间；增设转叶部B´n的锥齿传动机构，其锥齿传动轴9´传动啮合于叶轴2于回转盘An下侧的锥齿结构的叶轴齿盘21´和行星齿盘11齿盘轴的回转盘An下侧轴端的下行星锥齿轮111´之间，增设转叶部B´n和原转叶部Bn的回转机构于回转盘An上下侧相交错，即利用行星齿盘11的上、下侧空间增设传动部件，以达到全面利用回转盘来增加设置转叶部数量，扭矩回转动能集中于行星齿盘11，解决单一行星锥齿轮啮合侧区域空间有限、限制转叶部数量增设的技术问题，满足了通过增加转叶部数量来提高流体能量利用率和转化率的的大型、超大型机组装置装备需要。

基于小型化机械构件、匹配更多的转叶部参与能量转换、提高能量转化率，还需要基本不加大回转盘回转半径及机组装置整体体积的条件下，再进一步拓展能量转换机组装置的能量转换规模，实现中型化、大型化或超大型化规模的设计组装，就需要解决回转机构中心传动区域空间有限的技术难题，如图7、图9所示实施例构造就很好的解决了这一技术问题。本实施例中，回转盘An的同一圆形轨迹上，于相邻的两转片部Bn之间、或者相邻的增设叶部B´n之间、或转叶部Bn与相邻的增设叶部B´n之间增设至少一部惰性转叶部2Bn，所述的惰性转叶部2Bn和转叶部Bn、增设转叶部Bn´具有相同的叶片4、叶片轴2和叶轴齿盘组装构造。惰性转叶部2Bn的叶轴上的惰性叶轴齿盘21a经回转盘An上的传动过轮21b与邻近转叶部Bn、或增设转叶部B´n的叶轴齿盘21啮合传动连接，其回转扭矩动能与转叶部Bn、或增设转叶部B´n的回转扭矩动能经由转叶部Bn或增设转叶部B´n的锥齿传动机构形成的传递通道向行星齿盘11集中、叠加。

当然在叶片4回转半径允许的情况下，于回转盘An的同一圆形轨迹上，相邻的两转片部Bn之间、或者相邻的增设叶部B´n之间、或转叶部Bn与相邻的增设叶部Bn´之间等圆心角间隔布置增设有多部惰性转叶部2Bn，如图10、图11所示，各惰性转叶部2Bn的叶轴上的惰性叶轴齿盘21a之间经传动过轮21b依次啮合传动连接，最终传动连接至邻近的转叶部Bn、或增设转叶部B´n的叶轴齿盘21，再通过转叶部Bn或增设转叶部B´n的锥齿传动机构形成的传递通道，将多部惰性转叶部2Bn、转叶部Bn或增设转叶部B´n所获得的流体动能集中、叠加输出至回转盘，实现基于小型化机械构件、在基本不增加机组装置整体体积的情况下，匹配更多的转叶部参与能量转换、提高能量转化率，进一步拓展能量转换机组装置的能量转换规模，达到中型化、大型化或超大型化能量规模的设计目的。

本机组装置中，各层回转盘通过级间动能输出系将获得转换旋转动能叠加、集中至末级回转盘，最终带动发电机发电输出，实现机械能至电能的转换。所述的动能输出系，是一层回转盘依同一梯度方向将本回转盘回转动能经相邻回转盘传递的传动机构，直至由末级回转盘传递输出至发电机。我们知道，本机组装置的回转系中的相邻梯度回转盘之间转向相反、转速不同，因此，所述的动能输出系还肩负有捋顺转向、将本梯级回转转速弥合为下一级回转转速的性能。

相邻梯度回转盘之间均设置一所述的动能输出系。所述的动能输出系包括传动轮组和组装盘18，各级动能输出系的组装盘18分别位于各相邻梯度回转盘之间，通过装配轴套24固定装配在中心轴1上。组装盘18的径向位取决于导流舵3和其镜像面30。

所述的传动轮组，包括换向单元和变速单元两传动组成部分。其中的换向单元，由轴承安装于中心轴1的装配轴套24上与本层回转盘固定联动的联速齿盘13和与联速齿盘13外啮合的换向过轮14组成；所述的变速单元，组成包括变速联动盘15、传递齿盘17和变速过轮16，其中的传递齿盘17经轴承安装于中心轴1的装配轴套24上、且与下梯度回转盘固定联动，变速联动盘15与换向过轮14共轴、安装在组装盘18上、下侧，变速过轮16传动啮合于传递齿盘17与变速联动盘15之间。两单元组成的传动轮组用于将上层回转盘转向和转速转换至与下梯度层回转盘同向且同速、进而完成上层回转盘动能向下梯度层回转盘叠加传递的目的。参见附图13、14所示，Z1为联速齿盘13齿数、Z2为换向过轮14齿数、Z3为变速联动盘15齿数、Z4为变速过轮16齿数、Z5传递齿盘17齿数，其换向减速关系为：

式（1）：n2=n1*z1/z2*（-1）；

式（2）：n3=n2；

式（3）：n4=n3*z3/z4*（-1）；

式（4）：n5=n4*z4/z5*（-1）；

式（5）：z1=z2= z4=z5＞z3；

代入整理得：

n5= n4*z4/z5*（-1）= n3*z3/z4*（-1）*z4/z5*（-1）

= n1*z1/z2*（-1）*z3/z4*（-1）*z4/z5*（-1）

= n1 *z3 /z4*（-1）

基于上式（3），若设定Z1、Z2、Z4、Z5为同齿数，则z3=z4*n4/n3*（-1）。本机组装置的各层回转盘均处于同一流速的环境下，半径小的回转盘转速大于其半径大的回转盘，则：

n4/n3= r/ R，式中的r小回转盘的叶片轴2至中心轴1的迴转半径，R为大一梯度的回转盘的叶片轴2至中心轴1的迴转半径。各相邻梯度回转盘之间的动能输出系，将前梯度转动动能逐级向后叠加传递，直至末梯级回转盘，如本实施例，半径最小的中心回转盘A1动能经第二层回转盘A2，直至半径的最大第三层回转盘A3，最终由第三层回转盘A3带动发电机外转子、驱动发电机23发电输出。

在本实施例中，所述的各层回转盘An为空心扁平圆盘，所述的中心轴11的中心齿盘31和行星齿盘11安装于本回转盘空腔中。

所述的各层回转盘An为由中心向外呈辐射状的管栅盘体。

图1除给出了本全旋程无阻出力能量转换机组装置的总装构造，还给出了提升能量转化率及转化规模的另一实施构造：以中心轴1为机组装置主轴、上下对称相对设有两套回转系及其动能输出系，上下两回转系的回转盘梯度相同，且各梯度回转盘之间对应梯度间共用其梯度的转叶部Bn、或增设转叶部Bn´、或惰性转叶部2Bn，形成如“俄罗斯套娃”一般的鼠笼式多回转结构型能量转换机组。以三梯度回转部为例，在流体的推动下，上、下回转系的各梯级回转盘在转叶部Bn、或增设转叶部Bn´、或惰性转叶部2Bn的带动下，回转动能经其梯度间的动能输出系叠加，最终集中于最外层回转盘A