一种振荡式非对称结构推进装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种振荡式非对称结构推进装置，该装置包括漂浮在水体表面的浮体，所述浮体通过连接件连接有一个比所述水体密度大的且沉没在所述水体内的非对称结构体，该非对称结构体的前端面为曲面，而后端面为竖直平面。该装置其利用波浪能提供向前推进的动力，克服了常规推进装置需要自带能源或是能源补给的弊端，具有节能环保、低成本、续航能力强、噪音小等优点。
【专利说明】
一种振荡式非对称结构推进装置
技术领域
[0001]本发明涉及海洋工程领域，具体涉及一种振荡式非对称结构推进装置。
【背景技术】
[0002]目前，全球能源需求持续增加，传统能源曰益枯竭，同时大量化石能源的使用又引发了严重的环境污染和气候问题，这些已成为全球普遍关注的焦点。据美国能源信息署预测，世界能源需求量2020年将达到128.89亿吨油当量，2025年将达到136.5亿吨油当量，能源需求年均1.2%增长左右。世界能源统计的统计数据表明，以目前的开采速度，全球石油、天然气和煤炭储量分别可以供应40年、65年和126年。因化石能源使用而引发的气候异常现象和酸雨等环境问题也呈逐年增多之势。为有效地解决上述问题，大力开发可再生能源势在必行，也是人类社会实现可持续发展的必要条件。
[0003]海洋能一般是指存在于海水中的可再生能源，包括波浪能、潮沙能、潮流能、温差能等。与其他的海洋能资源相比，波浪能具有以下优点:1、体现为机械能的形式，波浪能的能量品质较好;2、能流密度大，在太平洋、大西洋东海岸玮度40?60°区域，波浪能可达30?70Kff/m，一般为风能的10至40倍;3、分布广泛，可通过较小的装置实现波浪能利用，价格相对低廉。
[0004]波浪是水体在外力作用下水质点离开平衡位置作周期运动、水面呈周期起伏并向一定方向传播的现象。波浪形成后，可以看到液体表面作此起彼伏的波动。波浪就是海水质点在它的平衡位置附近产生一种周期性的震动运动和能量的传播。波浪运动只是波形的前向传播，水质点并没有随波前进，这就是波浪运动的实质。
[0005]现阶段，美国、挪威、日本等沿海国家都极其重视海洋波浪能利用，根据当地实际情况、基于不同设计构思，研发出了大量形式各异的波浪能利用装置。在众多的波浪能利用技术中，浮力摆式技术的频率响应范围宽、俘获效率较高、抗浪能力强、可展性好，具有很好的开发前景。近年来，在英国、芬兰、澳大利亚等国家已有研究机构和公司进行浮力摆技术的大力度合作研发，目标定位为商业化应用，其中最为成功的是英国的Oyster装置，它是英国波浪利用界的佼佼者，现已接近商业化。
[0006]然而，在我国，合理利用波浪能装置的研发却滞后很多。同时，大多海上的推进装置仍然是传统的推进装置，多用液压、电机等，需要能源补给，续航能力有限，无法实现连续长久作业。其续航能力主要由所搭载的能源形式决定。
【发明内容】
[0007]本发明目的是:提出一种振荡式非对称结构推进装置，该装置其利用波浪能提供向前推进的动力，克服了常规推进装置需要自带能源或是能源补给的弊端，具有节能环保、低成本、续航能力强、噪音小等优点。
[0008]本发明的技术方案是:一种振荡式非对称结构推进装置，包括漂浮在水体表面的浮体，所述浮体通过连接件连接有一个比所述水体密度大的且沉没在所述水体内的非对称结构体，该非对称结构体的前端面为曲面，而后端面为竖直平面。
[0009]本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案:
[00?0]所述连接件为刚性连接杆。
[0011]所述连接件为一根具有周向复位功能的绳缆。
[0012]所述绳缆为钢丝绳缆。
[0013]所述绳缆的上端直接刚性固定在所述浮体上，所述绳缆的下端直接刚性固定在所述非对称结构体上。
[0014]所述绳缆的上端通过具有复位功能的万向节吊钩与所述浮体连接，所述绳缆的下端通过具有复位功能的万向节吊钩与所述非对称结构体连接。
[0015]所述非对称结构体为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形。
[0016]所述水体为河水、湖水或海水。
[0017]所述浮体为船舶、舰艇或浮标。
[0018]所述浮体为玻璃钢结构。
[0019]本发明的优点是:
[0020]1、节能环保。传统推进装置使用化石能源的过程会因为燃烧不完全产生大量有毒物质，或是生成温室气体引起温室效应。本发明这种振荡式非对称结构推进装置可以直接将波浪能转化为物体运动所需要的机械能，不需要额外的化石能源供应。可以极大地降低对化石能源或者其他能源的依赖，显著地降低对海洋环境的影响。
[0021]2、低成本。采用传统推进装置在水面上运动时，为了考虑续航要求，将不得不携带大量化石能源一同运输，这样一来将会增加输运成本。同时，化石能源往往价格不菲，采用传统推进装置的海上推进必将花销巨大。利用本发明提出的振荡式非对称结构推进装置，直接利用波浪能产生推力，无需携带大量化石能源，避免对化石能源的依赖，将会有效降低运输成本。
[0022]3、续航能力强。本发明这种振荡式非对称结构推进装置在工作过程中，无论是随波浪上升还是下降，水流对水下非对称结构体的推进力总是方向向前，水下非对称结构正是利用此推力前进，同时非对称结构通过柔性绳缆牵引水面浮体前进，从而实现波浪驱动振荡式非对称结构推进装置整体的前进，并且它的前进方向与波浪的运动方向无关。因此，只要海面上具有起伏的波浪，就可以实现持续不断的运动。续航能力强大。
[0023]4、噪音小。传统的推进装置由于对于化石能源的燃烧利用，将不可避免地产生大量噪音，这样的噪音将会对工作人员产生巨大影响。本发明这种振荡式非对称结构推进装置在工作过程中，利用波浪能直接转化为物体运动所需要的机械能，不需要燃烧化石能源，故而可以有效减少噪音影响。
【附图说明】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍:
[0025]图1为本发明实施例这种振荡式非对称结构推进装置正视图，图中箭头表示浮体该装置前进方向。
[0026]图2为本发明实施例这种振荡式非对称结构推进装置水中运动示意图。
[0027]图3为本发明实施例这种振荡式非对称结构推进装置水中向上振荡时运动示意图，图中向上的直线箭头表示该推进装置的震荡方向，另外两个箭头表示水流方向。
[0028]图4为本发明实施例这种振荡式非对称结构推进装置水中向下振荡时运动示意图，图中向下的直线箭头表示该推进装置的震荡方向，另外两个箭头表示水流方向。
[0029]其中:1-非对称结构体，2_绳缆，3_万向节吊钩，4_浮体。
【具体实施方式】
[0030]图1、图2、图3和图4示出了本发明这种振荡式非对称结构推进装置的一个具体实施例，该装置包括漂浮在水体表面的浮体4，所述水体可以是河水、湖水或海水等，所述浮体可以是船舶、舰艇或浮标等其他海洋工程结构物。本例中，所述水体I为海水，浮体4为漂浮在海面上的船舶。
[0031]本实施例的关键设计在于:该推进装置还包括一个非对称结构体I，该非对称结构体I的密度大于海水的密度，并且非对称结构体I通过连接件与所述浮体4相连，非对称结构体I淹没在水体内并位于浮体4的下方。非对称结构体I的前端面为曲面，而后端面为竖直平面。这里所说的“前”和“后”是以所述浮体4(船舶)为参照的，“前”是指浮体4(船舶)的前进方向，“后”是指浮体4 (船舶)的后退方向。
[0032]在实际应用过程中，波浪驱动该推进装置运动，海面的浮体4在海浪的激励下会随着波浪上下振荡，到达波峰的过程中，波浪将浮体抬起。根据波浪理论，海面水质点的速度远大于水下一定距离水质点的速度，浮体4通过连接件拉动水下的非对称结构体I向上运动，如图3。由于非对称结构体I对流体的作用，使得在平静的水流上叠加了漩涡的效果，使得背面(即非对称结构体I的后端面)水流流向的流速小于正面(即前端面)水流流向的流速。同时根据流体力学中的伯努利原理，背面水流流向处的压强将大于正面水流流向处的压强，故而水流对非对称结构体I产生了向前的推进力，非对称结构体I在水流的作用下，将其上升运动转换成前向运动。到达波峰后，海面下降，非对称结构体I由于重力作用向下运动，如图4，此时根据势流理论，水流也对非对称结构体I产生了向前的推进力，非对称结构体I在水流的作用下，将其下降运动转也换成前向运动。如此循环往复，波浪凸起和凹落过程不断重复，该推进装置即可持续带动浮体4向前运动。
[0033]该振荡式非对称结构推进装置在工作过程中，无论是随波浪上升还是下降，水流对水下非对称结构体I的推进力总是朝着其前进的方向，水下非对称结构体I正是利用此推力前进，同时非对称结构体I通过连接件牵引水面浮体4前进，从而实现波浪驱动该推进装置整体的前进，完成了波浪能到机械能的直接转化，而且它的前进方向与波浪的运动方向无关。
[0034]本例中，所述连接件是一根具有周向复位功能的绳缆2，该绳缆2具有“周向复位功能”，是指当绳缆2受到外力而发生周向扭转后，一旦外力消失，绳缆2便自动反向扭转而恢复原始状态，比如钢丝绳缆。如此可防止所述非对称结构体I在水平方向发生大角度的偏转移动，保证一般情况下非对称结构体I的曲面端基本朝前布置，而竖直平面基本朝后布置。
[0035]我们可以直接利用所述绳缆2将非对称结构体I与浮体4连接起来，也可以利用所述绳缆2再配合其他连接设备将非对称结构体I与浮体4连接起来。直接利用绳缆2连接非对称结构体I和浮体4时，需将绳缆2的上端直接刚性固定在所述浮体4上，将绳缆2的下端直接刚性固定在所述非对称结构体I上。所谓“刚性固定”是指非活动连接，如焊接。
[0036]具体在本实施例中，我们是利用所述绳缆2再配合两个万向节吊钩3将非对称结构体I与浮体4连接起来的。所述万向节吊钩3具有复位功能(常规结构，可外购)，当万向节吊钩3受外力而发生扭转后，一旦外力消失，万向节吊钩3恢复原始形状。具体为:绳缆2的上端通过万向节吊钩3与浮体4连接，绳缆2的下端通过另一万向节吊钩3与非对称结构体I连接。万向节吊钩3可方便绳缆2与浮体4和非对称结构体I的连接。
[0037]水面的浮体4存在6个自由度，分别是围绕纵轴横摇，围绕横轴纵摇，围绕垂轴艏摇，沿着纵轴纵荡，沿着横轴横荡，沿着垂轴垂荡。水下的非对称结构体I同样存在六个自由度运动，分别是围绕纵轴的横滚，围绕横轴俯仰，围绕垂轴偏转，沿着纵轴前进，沿着横轴横移，沿着垂轴升降。绳缆2与水面浮体4和水下非对称结构体I之间采用刚性万向节吊钩3进行连接，可以满足要求的多个运动自由度。
[0038]当然，所述连接件也可以是一根刚性连接杆，采用刚性连接杆作为连接件时，能够更好地保证非对称结构体I的位置稳定性。不过设计者通过实验发现，采用绳缆2作为连接件时，对浮体4的推行效果更佳。
[0039]参照图1所示，因水下非对称结构体I密度较大，该推进装置整体的重心位置将会远远低于浮心的位置，即浮体4因受到波浪的扰动而产生侧翻趋势时，其自身也会产生一个恢复力矩来防止侧翻的发生。因此，本实施例这种振荡式非对称结构推进装置具有良好水平稳定性。下方的万向节吊钩3置于水下非对称结构体I背部中间，并使得万向节吊钩3与绳缆2的连接点、非对称结构体I垂向水动力学中心和非对称结构体I的重心在同一条竖直线上，保证水下非对称结构I在升降运动过程中的姿态稳定性
[0040]所述非对称结构体I的形状一般为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形最佳，本例中该非对称结构体I为半椭球形。
[0041 ]为了尽可能减小浮体4自重，同时保证浮体4能够提供较大的浮力，一般浮体4最好采用玻璃钢或其他小密度材料制作。
[0042]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种振荡式非对称结构推进装置，包括漂浮在水体表面的浮体(4)，其特征在于:所述浮体(4)通过连接件连接有一个比所述水体密度大的且沉没在所述水体内的非对称结构体(I )，该非对称结构体(I)的前端面为曲面，而后端面为竖直平面。2.根据权利要求1所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述连接件为刚性连接杆。3.根据权利要求1所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述连接件为一根具有周向复位功能的绳缆(2)。4.根据权利要求3所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述绳缆(2)为钢丝绳缆。5.根据权利要求3所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述绳缆(2)的上端直接刚性固定在所述浮体(4)上，所述绳缆(2)的下端直接刚性固定在所述非对称结构体(I)上。6.根据权利要求3所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述绳缆(2)的上端通过具有复位功能的万向节吊钩(3)与所述浮体(4)连接，所述绳缆(2)的下端通过具有复位功能的万向节吊钩(3)与所述非对称结构体(I)连接。7.根据权利要求1?6任一所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述非对称结构体(I)为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形。8.根据权利要求1?6任一所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述水体为河水、湖水或海水。9.根据权利要求1?6任一所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述浮体(4)为船舶、舰艇或浮标。10.根据权利要求1?6任一所述的振荡式非对称结构推进装置，其特征在于:所述浮体(4)为玻璃钢结构。
【文档编号】F03B13/20GK105840403SQ201610353545
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】田新亮, 赵国成, 陈芝燚, 肖龙飞, 吕海宁
【申请人】上海交通大学