人造风能发电及高刚度力学杆件的应用
【专利摘要】本发明的这种高刚度承压、抗弯曲杆件的制造方法，是在封闭式钢管内填充高压流体或固体使材料的受力方式由目前的承受压应力的设计更改为承受拉应力的设计。按本设计的普通无缝钢管直立时由于顶端拉力作用高度可达1200米。本发明可以将风力发电机安装在800米以上的高空；制作1000米以上高度的类烟囱建筑可将地面常温或被加热的空气变成由下向上的人造风用来发电。利用本发明可以制造抗撞击性能更好、安全性能更高的各类车辆、200米以上长度的风机叶片、100米长机翼、1000米跨度重型货车桥梁、安装城市高空快速交通网络、建设海上车辆通行道路、几乎可以取代现有设计的全部框架、桁架等抗压及抗弯曲的力学结构。
【专利说明】
人造风能发电及高刚度力学杆件的应用
[0001 ] 说明书
技术领域
[0002]本发明涉及一种高刚度承压杆件制造方法，属于抗压、抗弯曲、抗扭曲及抗撞击材料的力学材料应用技术领域。
【背景技术】
[0003]现有的力学材料应用领域中抗压及抗弯曲力材料的受力方式是承受压应力，此类结构在承受大跨度及高度的压力及弯曲应力时随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量呈几何基数增加(高度或跨度增加一倍材料的消耗量增加三倍以上)，因此现有的材料力学应用领域中抗压及抗弯曲力结构的材料消耗量都是极大的，进而导致此类结构的造价极尚O
【发明内容】
[0004]本发明改变了抗压及抗弯曲材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，这样的结构材料消耗量是线性增加的(随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量同比例增加)。可呈大基数地降低按目前力学理论设计的各类框架、桁架类抗压及抗弯曲力学结构材料的消耗量。进而大比例地降低此类结构的造价。
[0005]这种高刚度承压杆件制造方法，其特征在于:在封闭式管件内填充高压流体或固体制作成基本的抗压及抗弯曲力学构件。由于此杆件两端的拉应力作用使此力学构件不因长度的增大降低刚度(不考虑材料本身重量)。即在不考虑材料本身重量的情况下不因长度的增大降低构件的抗压及抗弯曲能力。
[0006]所述的高压流体为轻质油类等液体或气体;管件内填充的固体时一般要求热膨胀系数与管件外壁的热膨胀系数相同。
【附图说明】
[0007]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0008]图1为钢管径向(长度方向)受力图；
【具体实施方式】
[0009]根据按2.4倍安全系数设计的氧气瓶的相关数据推算(工业氧气瓶的设计:筒体为Φ 219 X 5.7mm的37Mn钢材、设计工作压力为150MPa)。一根Φ 60 X 5mm、材质16Mn的密闭无缝钢管最大可以承受1000公斤/平方厘米的压力。按2.4倍的安全系数计本钢管内的安全使用压力为416公斤/平方厘米。此时将在钢管两端产生两个方向相反的拉应力(图1)F及Fl，其数值为8164公斤。
[0010]在安全范围内本钢管在垂直直立时将在钢管的顶端产生8164公斤的垂直向上的拉应力F(图1)。本钢管单重6.8公斤/米，因此本钢管在垂直直立1200米高度时钢管不会产生弯曲等刚性不稳定现象。在不考虑安全系数的情况下钢管M在下部基础稳定时独自最大直立高度H为2886米以上。如果采用抗拉强度为500MPa比重较小的铝合金材料本杆件可以独自直立3000米以上(不考虑管内流体的重量)。采用由下至上杆件截面积逐渐缩小的设计建设6000米以上高度的建筑理论上是可行的。
[0011]本钢管在垂直固定于地面时由下向上(由地面向高空方向)的受力情况等同于一根固定在同样高度钢丝绳吊挂重物时由上向下(由高空向地面方向)的受力情况。本钢管的弯曲变形越大其自身产生的抗弯曲力矩越大抗变形能力越强，这一能力是本设计杆件的固有特性在钢管的长度达到一定数值后与钢管材料自身的性能几乎无关。本杆件垂直固定于地面时的受力情况等同于将地球引力旋转180°的绳类受力情况。
[0012]本钢管水平放置在大跨度支撑之上时由于两端拉力的作用在允许负荷范围内同样具有钢管弯曲变形越大其自身反变形能力越强的特点。水平放置状态下在不考虑钢管自身重量时钢管的承载能力与两端支撑的距离(跨度)几乎无关。
[0013]进一步分析本设计杆件的刚度与所使用材料的单位体积重量及单位面积的抗拉强度有关。即材料比重越小、抗拉强度越高杆件的可使用刚度越大，杆件的承载能力越大，在下部基础稳定的前提下独自直立高度H将会越大。而与杆件的长细比及杆件所使用材料的抗压强度几乎无关。这点是与当前普遍采用的以增加材料截面积及外形尺寸(框架、桁架结构)及材料本身的抗压强度来加强抗压、抗弯曲构件的稳定性的设计有根本的区别。进而在材料消耗量上产生巨大幅度的区别。
[0014]本设计的主要经济效益是在高空风能及人造风能的利用方面。目前设计的1500KW风力发电机机舱及叶轮总重为91吨，当塔架高度为100米时塔架的设计重量为264吨。按本发明管内充满高压流体、按4倍的安全系数考虑I根Φ 60 X 5mm、材质16Mn钢材制作的无缝钢管在100米高度可承受的压力荷载为4.73吨。91吨的1500KW风力发电机机舱及叶轮需要20根100米长度以上条件的无缝钢管支撑才能使风机稳定运行在100米高度的高空。20根钢管的重量为13.6吨。约为目前设计钢材使用量的1/20。
[0015]按本发明以4倍的安全系数计将风力发电机安装在800米的高度时塔架的设计重量为195.3吨。约为目前将风力发电机安装在100米高度时设计材料消耗量的74%。专业人士估算地球上这一高度以下的风能如果全部开发利用起来即可以保证人类需要的全部能源供应。
[0016]将风机安装在800米高空运行时的巨大弯矩对塔架基础的力学性能要求较高且风机发电能力受自然环境风力的影响较大综合发电成本较高不利于综合实用型工业开发。
[0017]本设计在能源方面的衍生物是在地面安装1000-4000米高度(或更高)类似烟筒的建筑物，由于地面与高空每上升1000米有约7度的温降差，这样在类烟筒建筑物的内部将形成由下向上的人造风，这种人造风一方面可以用来发电是彻底解决人类永久清洁能源来源方案之一；另一方面本设计可以将地面的空气污染浓度降低到现有状态的1/10以下(降低地面雾霾浓度)，令人头痛的减排问题也将大为缓解或消除。还可以将3000米高度的低于20°C的低温较纯净空气直接引到地面形成制冷空调系统可以节省大量的电力能源。采用本方案获取能源将使地面的环境温度产生下降社会公众的认可程度还需要进行较长期的评估。
[0018]采用13607根按本文设计的Φ30 X 2mm普通16Mn钢材的无缝钢管紧密相互连接直接围制成高度为1000米直径为130米的太阳能热风塔(工程造价约为0.15亿美元)。在热风塔下部周围覆盖直径7000米的温室遮篷。利用在温室遮篷内被加热的空气与热风塔上部的温差可在热风塔内形成强大的风动力将形成200000千瓦的发电能力(采用抗拉强度为500MPa的铝合金材料可以制成2000米以上高度的热风塔将使发电能力增加一倍，)，初步测算本方案的发电成本在0.01美元以内(按现行能源价格计本项目的工业产值将达到全世界各国GDP总值的20% )。是彻底解决人类清洁能源需求的最重要方案之一。由于本设计方案的热风塔顶部有极强的承载能力，在热风塔顶部还可以考虑安装热能发电设备利用被加热通过风机后的空气与高空低温空气的温差发电，其发电成本将十分低廉。
[0019]如果将制作热风塔的Φ30Χ2πιπι普通16Mn钢管间距扩大至Ij300mm，热风塔周围用轻质的柔性密封材料围制成活动结构在大风气候条件下敞开是保护热风塔不受破坏的一种方法。同时可以将高度为1000米、直径为130米的太阳能热风塔的工程造价降低到约0.05亿美元以下。建造更大直径的热风塔能够进一步降低单位千瓦设备投资及发电成本。
[0020]一根长度为320米、Φ 60 X 5mm、材质为16Mn钢材的钢管重量为2.17吨。按2.4倍安全系数考虑此钢管垂直立于地面时顶端的承压能力为6吨;安装I个高度为320米;顶端承载能力为1000吨可供10000人同时游览的力学平台需要362吨16Mn钢材。按本设计使用建造埃菲尔铁同样重量的钢材(7300吨)可以安装20个以上力学性能优于埃菲尔铁塔(Eiffeitower)的建筑。
[0021]采用本设计制造一台起重高度为100米、跨度为150米、起重重量为1600吨的龙门吊车主要力学材料消耗量为1000吨16Mn钢材;而现有的设计同样参数、性能的龙门吊车主要力学材料为10000吨以上16Mn钢材。
[0022]本发明用在光伏发电领域上使用可以将光伏电池安装在400-1000米的高空可以节省大量的土地资源，而高空光照强光伏电池的效率更高且空气清洁有可能不必考虑光伏电池的清洗问题。而在高空布置密度不大的光伏电池将不会影响地面农作物的生长及一般建筑的采光需求。
[0023]本发明用在交通工具领域上可以降低交通工具主承力结构的材料消耗量降低制造成本及降低燃料消耗量，同时可以增大交通工具的刚度使各类交通工具抗撞击能力增强2倍以上从而大大地提高其使用安全性能。
[0024]采用本发明将使制造风力发电机叶片及飞机机翼的材料更加多样化(如可以考虑价格低廉的钢材等)。由于本设计不因长度变化而改变构件的刚度因此叶片在不考虑自身重量时不受长度的限制。而实际应用中可以考虑100-200米以上长度的风机叶片以及飞机机翼的使用并且可以将主承力部分放置在叶片的最外端。将使类似结构成本十分低廉。
[0025]本设计由于材料受拉构件的抗扭强度也将大大提高。利用本设计制造的汽轮机主轴等重量可以降低到目前设计的50%以下并且更加适用。如汽轮机主轴将由于轴内流体的热运动启、停时温度变化更易于均衡而不易变形；同时由于轴两端巨大的拉力汽轮机主轴更加不易变形弯曲。
[0026]在人口密集的大型城市交通道路上每间隔10米直立两根高度为110米、Φ60Χ5mm、材质为16Mn、按本设计制造的高刚度无缝钢管作为支架(每1000延长米将使用钢材150吨)。在100米的高度安装低噪音交通工具轨道(按2.5倍的安全系数这一结构在100米的高度时轨道的承载能力为15吨)；以钢管顶端110米高处为吊点通过斜拉钢索结构吊挂本段两侧近端按本设计制作的高刚度轨道，综合计算轨道及斜拉结构使用钢材可以控制在200吨/1000米以内。使用车身重量为5吨、乘坐50人(5吨)的小型低噪音磁悬浮交通车箱、采用高安全性能的自动控制运行模式、按每分钟出发一节独立磁悬浮交通车箱、设计站间距离15-20公里、运行速度120公里/小时。将在100米高(城市建筑物或现有公路之上)空形成实际运行速度约80公里/小时的快速交通网络。综合计算本设计的轨道系统安装使用钢材350吨/1000米。这样的轨道力学系统综合制作、安装成本可以控制在150万美元/1000米以内。如果将车厢设计成任何时间及任何10米长度均满足限制总重量小于10-15吨的要求，本设计的单次车辆运载能力可以大大地提高。大型城市中心土地资源稀缺的矛盾将迎刃而解。按本方案也可以在城市道路的上方10米15米20米高度分别安装小型车辆道路也将大大地提高大城市公路交通的交通质量。
[0027]本发明可以将制造飞机的材料全部改变为较高抗拉强度的钢材或其它抗拉廉价材料制造，其产品将会更加轻盈造价也将会更加低廉。将来甚至可以考虑将飞机出发平台安装在10000米以上的高空，飞机飞行时使用较小的动力及滑行相结合的飞行方法来降低这一快捷交通工具的造价及使用费用。也可以考虑在20000米以上的高度安装太空探测设备出发平台。
[0028]总之，本发明在大跨度(幅度)或较高高度的吊车、桥梁、输电线路支架、各种钢架、塔架、轨道、轴类等几乎全部的抗压、抗弯曲的力学结构中的应用都将明显地降低结构的材料使用量及造价;使很多按目前以材料承受压应力方式设计不可能实现的力学结构得以实现。
[0029]本发明的实施方式一般可分为四种:
[0030]1、在密封的圆形内截面的杆件内充满热膨胀系数与杆件材料相同的高压液体然后永久密封。
[0031 ] 2、在密封的杆件内充满高压气体在一定的温度范围内使用。
[0032]3、在密封的圆形内截面的杆件内充满高压流体并且采用相应的监控调整措施保持管内的压力使压力控制在一定范围内来保证杆件的刚度达到设计要求的半密封方式。
[0033]4、在密封的圆形内截面的杆件内充满热膨胀系数与杆件材料相同的高压固体然后永久密封。
[0034]使圆形内截面的杆件内截面面积尽量扩大化并在管内充满热膨胀系数与杆件材料相同的固体然后永久密封，当杆件发生弯曲变形时管内体积将会缩小迫使杆件外壁产生拉应力也可以在一定范围内实现本发明。这是在杆件的高度和跨度要求不太大的情况下实施本发明的最安全可行的方式。它有可能在低于目前设计高度80米时使用的材料数量的前提下将风力发电机安装在400米以上的高空。
[0035]总之本发明的中心思想是改变抗压及抗弯曲力材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，消除了材料受压产生的刚性不稳定因素达到大量节省抗压及抗弯曲力学结构中材料消耗量的目的。
【主权项】
1.管内物质承受压应力、管外壁承受拉应力的联合力学结构。2.在密封的杆件内充满高压固体永久密封的联合力学结构。3.在密封的杆件内充满高压流体永久密封的联合力学结构。4.在密封杆件内充满高压流体并且采用相应的监控及调整措施使管内压力在一定范围内来保证杆件的刚度达到设计要求的半密封结构。5.本发明构件的高抗压、抗弯曲、抗扭曲及抗撞击能力应用过程带来的材料节省、安全性能提高、新能源利用、环境保护、世界和平等方面带来的直接经济效益及部分间接社会效益。6.本发明现有力学理论的传播。7.管内充满气、固、液三相物质或其中的任意两相物质、管内物质承受压应力、管外壁承受拉应力的联合力学结构。8.管内充满气、固、液三相物质或其中的任意两相物质的密封或出口极小在产生撞击等变形时由于管内体积缩小产生短时间符合管内物质承受压应力、管外壁承受拉应力的力学结构。
【文档编号】E04H12/08GK105888355SQ201610307171
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】任树义
【申请人】任树义