一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法与流程

本发明涉及海岸工程领域，具体涉及一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法。

背景技术：

波浪所蕴涵的能量主要指海洋表面波浪所具有的动能和势能，在海洋中波浪能储量十分巨大，全球可开发的波浪能年储量可达2tw，可见波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，同时波浪能还是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。针对自然界存在的如此丰富的优质可再生能源，人类开发设计了多种波浪能转化利用装置，其中，振荡水柱波浪发电装置因其具有结构简单、性能可靠等优点而成为目前世界上应用最为成功的波浪能转换装置。

在近海工程领域中，防波堤起着削减波浪作用效果，耗散波浪能量的作用；而波能转化装置正起着波能捕获和能量转化的作用，将防波堤设计建设与波能转化利用装置相结合进行复合功能防波堤建设可以充分利用波浪资源，降低工程成本，实现传统海岸工程建筑物的复合功能化利用。在近海工程中将波浪能转化装置和防波堤设计建设相结合是未来海岸、近海工程的发展趋势。在兼顾波能转化功能的浮式防波堤建设领域，已出现了一些结合波能转化功能的有复合功能的浮式防波堤设计方案，可以在实现浮式防波堤挡浪消波作用效果的同时实现一定程度的波能转化过程，但兼顾波能转化功能的浮式防波堤设计方案大多仅停留在试验阶段，耐久性及可靠性相对较差；已有结合振荡水柱波能利用技术的浮式防波堤设计方案中，防波堤断面结构设计又往往十分复杂，作为工程结构选型投入使用时成本昂贵。

在已公开的涉及兼顾波能转化功能防波堤的相关方案中，尚未有关注采用浮体内水柱振荡带动空气运动继而推动空气透平运动进而发电同时兼顾防波堤挡浪消波功能的技术方案，因此，有必要寻求可靠性更强、波能转化过程可控性明显同时消波效果更为良好的结合振荡水柱波能利用原理的新式防波堤技术方案，使兼顾波能转化功能的浮防波堤设计断面结构设计合理，结构稳定性强，同时兼顾良好的消浪效果和可靠的波能转化效果。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，由气室、空气透平、透平支架、联动轴、垫层、检修通道、发电机、浮体、气室内水体、锚索和沉块构成。所述浮体外部通过锚索连接至沉块锚泊于海床中，浮体上部布置有检修通道，内部设有内部构造，包含有气室、空气透平、透平支架、联动轴、发电机、垫层及气室内水体；所述气室位于浮体内，作为浮体内预设的内部构造在浮体内侧视断面上呈环形排布，气室下部呈宽扁状连通形成气室内宽扁形通道，气室上部呈圆柱状连通形成通道面积小于宽扁形通道的圆柱形通道，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧相互连通，形成对称分布的两个竖直通道；所述气室内水体位于气室内下部区域，充盈于宽扁形通道与两侧竖直通道下部；所述空气透平位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架与浮体连接予以固定位置并限制位移，空气透平中心动力输出端通过联动轴与安置于浮体内的发电机相连接；所述透平支架布置于气室内圆柱形通道内空气透平所在位置，上部固定于气室圆柱形通道上侧，下部固定于气室圆柱形通道下侧，上下均与浮体牢固连接，中间与空气透平支撑处连接，限制空气透平在气室内圆柱形通道内的除转动之外的其他运动形式；所述发电机布置于气室外侧的浮体结构内，通过联动轴与位于气室内的空气透平相连接以实现动力输出；所述垫层位于联动轴与发电机连接段与浮体接触处；所述联动轴主体位于气室内圆柱形通道中，一侧连接至空气透平中心动力输出端，另一侧通过垫层与浮体接触并在端点处连接至位于浮体内的发电机，用以实现空气透平运动与发电机运动之间的动力传导。

进一步的，所述浮体为预留有特殊形状中空区域以形成气室结构的浮箱式浮体，为预制钢筋混凝土结构，气室中各处气密性良好，浮体结构内部形成的气室结构各内角均作圆滑修圆处理，气室上部充盈空气作为浮体结构整体的浮力支撑，通过在浮体内气室下部注水淹没宽扁形通道至水体充盈至气室两侧竖直通道中形成充水的类u型水槽结构以使结构重心降低，浮体内部不需设置压载层，浮体长度、高度需结合防波堤建造处波浪和锚泊特性另行确定。

进一步的，所述空气透平为威尔士透平，位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架固定位置，在气室内水体振荡引起气体往复运动带动透平运动时空气透平以联动轴为转动轴心转动，继而输出动力至发电机；所述空气透平轴线与圆柱形通道中轴线走向一致，同时与联动轴轴线走向一致，空气透平与联动轴、发电机转子在运动时位于一个运动平面内，空气透平、联动轴及发电机之间运动的传导状态与浮体其他位置没有接触性关联。

进一步的，所述气室在浮体内呈环形排布，气室下部宽扁形通道断面呈宽扁状，气室上部圆柱形通道断面呈圆柱状，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧通过竖直通道相互连通；所述圆柱形通道断面面积小于宽扁形通道断面及竖直通道断面面积，即自竖直通道连通至圆柱形通道气室断面形状变化有一个断面面积收缩过程，形成在圆柱形通道两端与竖直通道衔接处形成自外向内的收缩通道，以在气室中气体向圆柱形通道流动时形成引导气体流动方向并产生气流集中。

进一步的，所述联动轴一侧连接至空气透平，另一侧连接至位于浮体内的发电机，联动轴在圆柱形通道及竖直通道内与侧壁均无接触，联动轴与浮体接触处通过垫层与浮体连接；所述垫层为环形套筒状结构，与联动轴间隙中涂有润滑物，垫层存在对联动轴运动阻尼作用可忽略不计，垫层与浮体接触端牢固紧密连接，保持各接触处均不透气，气室整体气密性良好。

进一步的，所述检修通道布置于浮体内空气透平、联动轴及发电机上方对应浮体区域，在检修通道封闭时即封闭气室，保持气室内气密性良好。

进一步的，所述气室内水体根据工程情况选择特殊用水或者经净化的普通海水，水体充盈于宽扁形通道及两侧竖直通道下部，在与气室内空气接触面另设置有一定厚度的油层用以将气室内水体与气室内空气分隔；工程投入使用前气室内水体注水量需根据浮体稳定性及振荡水柱波能转化效率情况并结合物理模型试验进行进一步确定

进一步的，所述浮体需间隔一定间距布置，布置间距需结合波况确定；所述浮体通过锚索锚系至海底的沉块中，采用平行型松弛式锚泊方式锚泊，允许浮体在波浪作用下在竖直方向上在一定范围内运动并回至初始位置，每个浮体采用1对锚索锚泊。

一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤的实现方法如下：

a.防波堤布置过程；

将防波堤安放至预定海域，将浮体通过锚索连接沉块，将防波堤位置予以固定；结合防波堤投放点的波浪、水深及浮体所需压载情况向浮体中注入合适数量的水体，封闭检修通道，防波堤布置完成投入使用。

b.浮体削减波浪作用过程；

波浪作用至浮体结构，浮体反射部分入射波浪的能量到来波方向，衰减透射波；浮体结构通过摩擦作用对波浪的能量还具有一定的吸收作用，衰减波浪能量；浮体在波浪作用下发生一定幅度范围内上下摆动的运动过程，浮体运动产生辐射波使辐射波入射波叠加衰减波浪；浮体内水体振荡运动过程即波浪力做功过程，即通过波浪力做功对波浪所具有能量进行进一步衰减。

c.波浪能转化输出过程

1)波峰作用至浮体：浮体在波浪作用下产生位移受限的摇摆性质运动，当波峰作用至浮体时，浮体迎浪侧随波峰到来升高，使浮体呈迎浪侧抬升的倾斜姿态，与浮体相比，水体运动呈运动滞后状态，气室内水体保持水平，故气室内水体相对浮体发生相对运动：以浮体为参考，迎浪侧竖直通道中水体在较原水位降低，被浪侧竖直通道中水体较原水位升高，水体沿宽扁形通道向被浪侧运动。气室内空气在水体运动情况下受到因水体位置改变而产生的空间挤压，在空气压缩的同时发生流动，空气自被浪侧竖直通道经由圆柱形通道流向迎浪侧竖直通道，在圆柱形通道流动过程中因气流流经断面面积显著减小，空气压强升高，形成高压气流进而冲击空气透平运动，空气透平在转动过程中通过联动轴带动发电机工作，产生电能。上述过程即实现波浪能向电能的能量转化过程1)。

2)波谷作用至浮体：波谷作用至浮体时，气室内水体及空气流动方向与浮体受波峰作用时相反，能量转换原理相同：波谷作用至浮体，浮体迎浪侧随波谷到来而降低，使浮体呈迎浪侧降低的前倾姿态，水体运动滞后，气室内水体处于水平状态，气室内水体相对浮体继续发生相对运动：以浮体为参考，迎浪侧竖直通道中水体较原水位升高，被浪侧竖直通道中水体较原水位降低，水体沿宽扁形通道向迎浪侧运动。与过程1)原理相同，气室内空气在水体运动情况下受到因水体位置改变而产生的空间挤压，在空气压缩的同时发生流动，空气自迎浪侧竖直通道经由圆柱形通道流向被浪侧竖直通道，在圆柱形通道流动过程中同样因气流流经断面面积显著减小，空气压强升高，高压气流冲击空气透平运动，空气透平在转动过程中通过联动轴带动发电机工作，产生电能。上述过程即实现波浪能向电能的能量转化过程2)。

3)循环过程：波浪作用至浮体过程中，可视为波峰波谷交替作用至浮体，浮体在迎浪侧抬升被浪侧降低至迎浪侧降低被浪侧抬升的姿态中不停转换，气室内水体在重力作用下沿宽扁形通道向被浪侧、被浪侧竖直通道交替发生流动，引起气室内水体振荡，继而推动气室内空气由圆柱形通道流向迎浪侧、被浪侧竖直通道交替流动。空气在圆柱形通道往复流动过程中不断形成高压气流冲击空气透平，推动空气透平运动，空气透平在转动过程中通过联动轴带动发电机工作，产生电能。由于波浪不断作用至浮体，使得上述过程不断重复进行，空气透平在空气冲击下不停运动，进而带动发电机发电，上述过程即实现波浪能向电能的不间断能量转化过程。

d.检修过程；

防波堤投入使用后，若能量转化构件运转发生故障需进行检修，即通过工程船只将浮体吊起，打开浮体上方检修通道进行故障排除等检修过程，完毕后继续投入使用。

本发明的有益效果：

1、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，通过在浮体内形成气室并设置水体充盈在气室中，以水体质量增加结构自身重力，故可不设置压载，浮体尺寸及材料成本得以降低；同时本发明浮体结构简单，易于预制，投放施工过程与传统浮式防波堤施工建设过程一致，不需另行设计施工方案，施工难度小，施工成本低。与其他兼顾波能转化功能的防波堤设计方案相比，材料成本、施工建设成本及施工难度均较低，工程投产优势明显。

2、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤采用内设水舱设计，波浪作用下稳定性设计采用被动式减摇水舱设计，即在波浪作用下浮体自身的横摇运动即引起气室内水体物理运动从而产生稳定力矩，可在一定程度上限制浮体运动幅度，与传统不设置内部水舱的浮式防波堤浮体结构相比，浮体大幅运动受限明显，不需任何动力即可对浮体大幅运动起到限制效果，提升了浮体结构在极端工况下的生存能力；此外，在同等工况下因运动幅度受限明显可显著降低锚系力，从而降低对锚泊系统的设计要求，降低锚泊成本。

3、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，通过在浮体中气室内设置水体，在波浪作用时，浮体在波浪作用下发生上下摆动，浮体运动的同时与水体作用产生辐射波，辐射波、入射波相互叠加作用进一步衰减波浪；气室内水体相对浮体运动存在滞后效应，水体在浮体内的运动过程相当于增加了浮体结构的附加质量，增强了浮体结构对于波浪的反射效果，进而增强防波堤挡浪消波的作用；此外，还存在波浪做功消能过程，波浪作用导致浮体中气室内水体振荡并使气室内发生进一步的能量转化过程，波浪力额外做功，入射波能部分转化，结构对入射波的削减作用得以提升。一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，与较传统浮式防波堤相比，除波浪反射得以增强外，还增加了浮体运动产生辐射波消能过程及波浪力做功的波能转化消能过程，对于入射波浪削减效果明显，提升了防波堤的挡浪消波效果。

4、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，在浮体中气室内设置水体形成有水体充盈的类u型水槽，上部通过断面面积大幅收缩形成的圆柱形通道连接，气室中水体振荡时引起气体运动形成高压气流进而冲击空气透平运动，气体聚能效应显著，气体流向明确，杂乱气流少，对气动能向机械能转化过程干扰微小，能量转化灵敏，空气透平运转连续性好，动力输出连续，可靠性好，不同波况下波能转化率平稳，在挡浪消波效果良好的前提下兼顾良好的波能转化功能。

5、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，与传统利用外海水形成振荡水柱进行波能转化的技术方案相比，无需另设突出性前墙等悬臂式结构，故无易损易破坏的悬臂式结构体且无较大构件集中受力破坏和波能转化涉及构件疲劳破坏的可能性。本方案结构整体性好且受力设计合理，在结构型式上结构的稳定性和可靠性均较高。

6、一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，波能转化功能采用气室内水体振荡设计方案，水体及气流运动集中在气室内且流动路径附近无易受冲刷棱角结构，结构无淘刷问题产生，解决了传统利用外海海水振荡水柱波能利用过程中存在的前墙等构件附近水体交替往复运动导致气室前墙等构件淘刷严重、构件表面易产生冲蚀孔洞而极易发生进一步破坏的问题，提升了结构的耐久性；同时采用与外海海水相隔绝的水体设计并添加油层隔绝水体与空气，使气室中波能转化构件均处于湿度、盐度影响对构件影响不显著的环境中，解决了传统振荡水柱装置中空气透平等构件在高压盐蒸汽环境极易腐蚀的问题，结构耐久性良好。

综上所述，本发明波能转化功能采用利用气室内水体振荡进行波能转化过程的设计方案，材料成本、施工建设成本低廉，施工难度小，工程投产优势明显；挡浪消波效果优于传统浮式防波堤设计方案，对波浪削减效果明显；同时波能转化过程动力输出连续，可靠性好；结构受力设计合理，稳定性好，在恶劣海况环境中耐久性良好。

附图说明

图1是本发明的防波堤结构单元示意图；

图2是浮体断面示意图；

图3是浮体俯视示意图；

图4是浮体与波浪作用示意图1；

图5是浮体与波浪作用示意图2；

1.气室，2.空气透平，3.透平支架，4.联动轴，5.发电机，6.浮体，7.气室内水体，8.锚索，9.沉块，10.圆柱形通道，11.宽扁形通道，12.竖直通道，13.垫层，14.检修通道。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，如图1及图3所示，由气室1、空气透平2、透平支架3、联动轴4、垫层13、检修通道14、发电机5、浮体6、气室内水体7、锚索8和沉块9构成。浮体6外部通过锚索8连接至沉块9锚泊于海床中，浮体6上部布置有检修通道14，浮体6内部设有内部构造，包含有气室1、空气透平2、透平支架3、联动轴4、发电机5、垫层13及气室内水体7；气室1位于浮体6内，作为浮体6内预设的内部构造在浮体6内侧视断面上呈环形排布，气室1下部呈宽扁状连通形成气室1内宽扁形通道11，气室1上部呈圆柱状连通形成通道面积小于宽扁形通道11的圆柱形通道10，圆柱形通道10与宽扁形通道11在两侧相互连通，形成对称分布的两个竖直通道12；气室内水体7位于气室1内下部区域，充盈于宽扁形通道11与两侧竖直通道12下部；空气透平2位于气室内圆柱形通道10内，通过透平支架3与浮体6连接予以固定位置，空气透平2中心动力输出端通过联动轴4与安置于浮体6内的发电机5相连接；透平支架3布置于气室1内圆柱形通道10内空气透平2所在位置，上部固定于气室1内圆柱形通道10上侧，下部固定于气室圆柱形通道10下侧，上下均与浮体6牢固连接，中间与空气透平2支撑处连接；发电机5布置于气室1外侧的浮体6结构中；垫层13位于联动轴4与发电机5连接段与浮体6接触处；联动轴4位于气室1内圆柱形通道10中，一侧连接至空气透平2中心动力输出端，另一侧通过垫层13与浮体6接触并在端点处连接至位于浮体6内的发电机5。其中，浮体6为浮箱式浮体，预制钢筋混凝土结构，气室1中各处气密性良好，如图2所示，图2左半图为圆柱形通道10断面结构示意图，右半图为竖直通道断面12结构示意图，浮体6结构内部形成的气室1结构各内角均作修圆处理，气室1上部充盈空气，浮体6内气室1下部注水淹没宽扁形通道11使气室内水体7充盈气室1两侧竖直通道12形成充水的类u型水槽结构。空气透平2选型为威尔士透平，安置于气室1中圆柱形通道10内，通过透平支架3固定位置；空气透平2轴线与圆柱形通道10中轴线走向一致，同时与联动轴4轴线走向一致。气室内水体7选择采用普通淡水，气室内水体7充盈于宽扁形通道11及两侧竖直通道12下部，在与气室1内空气接触面设置有一定厚度的油层用以将气室内水体7与气室内空气分隔。浮体6通过锚索8锚系至海底的沉块9中，采用平行型松弛式锚泊方式锚泊，每个浮体6采用1对锚索8锚泊。

一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤的实现方法如下：

a.防波堤布置过程；

将防波堤安放至预定海域，将浮体6通过锚索8连接沉块9，将防波堤位置予以固定；结合防波堤建设处的波浪、水深及浮体6所需压载情况向浮体6中注入合适数量的气室内水体7，封闭检修通道14，防波堤布置完成投入使用。

b.浮体削减波浪作用过程；

波浪作用至浮体6，浮体反射部分入射波浪的能量到来波方向，衰减透射波；浮体6通过摩擦作用对波浪的能量还具有一定的吸收作用，衰减波浪能量；浮体6在波浪作用下发生一定幅度范围内上下摆动的运动过程，同时浮体6中气室内水体7发生振荡，此时波浪力做功，即通过波浪力做功对入射波浪能量进行进一步衰减。

c.波浪能转化输出过程

1)波峰作用至浮体：浮体6在波浪作用下产生位移受限的摇摆性质运动，当波峰作用至浮体6时，如图4所示，浮体6迎浪侧随波峰到来升高，使浮体6呈迎浪侧抬升的倾斜姿态，与浮体6相比，水体运动呈运动滞后状态，气室内水体7保持水平，故气室内水体7相对浮体6发生相对运动：以浮体6为参考，迎浪侧竖直通道12中水体较原水位降低，被浪侧竖直通道12中水体较原水位升高，水体7沿宽扁形通道11向被浪侧运动。气室内空气在水体运动情况下受到因水体位置改变而产生的空间挤压，在空气压缩的同时发生流动，空气自被浪侧竖直通道12经由圆柱形通道10流向迎浪侧竖直通道12，在圆柱形通道10流动过程中因气流流经断面面积显著减小，空气压强升高，形成高压气流进而冲击空气透平2运动，空气透平2在转动过程中通过联动轴4带动发电机5工作，产生电能。上述过程即实现波浪能向电能的能量转化过程1)。

2)波谷作用至浮体：波谷作用至浮体6时，气室内水体7及空气流动方向与浮体6受波峰作用时相反，能量转换原理相同：如图5所示，波谷作用至浮体6，浮体6迎浪侧随波谷到来而降低，使浮体6呈迎浪侧降低的前倾姿态，水体运动滞后，气室内水体7处于水平状态，气室内水体7相对浮体6继续发生相对运动：以浮体6为参考，迎浪侧竖直通道12中水体较原水位升高，被浪侧竖直通道12中水体较原水位降低，气室内水体7沿宽扁形通道11向迎浪侧运动。与过程1)原理相同，气室内空气在水体7运动情况下受到因水体7位置改变而产生的空间挤压，在空气压缩的同时发生流动，空气自迎浪侧竖直通道经由圆柱形通道流向被浪侧竖直通道，在圆柱形通道10流动过程中同样因气流流经断面面积显著减小，空气压强升高，高压气流冲击空气透平2运动，空气透平2在转动过程中通过联动轴4带动发电机5工作，产生电能。上述过程即实现波浪能向电能的能量转化过程2)。

3)循环过程：波浪作用至浮体6过程中，可视为波峰波谷交替作用至浮体6，浮体6在迎浪侧抬升被浪侧降低至迎浪侧降低被浪侧抬升的姿态中不停转换，气室内水体7在重力作用下沿宽扁形通道11向被浪侧、被浪侧竖直通道12交替发生流动，引起气室内水体7振荡，继而推动气室内空气由圆柱形通道10流向迎浪侧、被浪侧竖直通道12产生交替流动。空气在圆柱形通道流动10过程中即推动空气透平2运动，空气透平2在转动过程中通过联动轴4带动发电机5工作，产生电能。由于波浪不断作用至浮体6，使得上述过程不断重复进行，空气透平2在空气冲击下不停运动，进而带动发电机5发电，上述过程即实现波浪能向电能的不间断能量转化过程。

d.检修过程；

防波堤投入使用后，若能量转化构件运转发生故障需进行检修，即通过工程船只将浮体吊起，打开浮体上方检修通道14进行故障排除等检修过程，完毕后继续投入使用。