一种利用浮力能通过重力转换输出动力的方法与流程

本发明属于水力能动力转换输出技术领域，具体涉及一种以平衡式浮力助动势能与动能转换的高效利用浮力能通过重力转换输出动力的方法。

背景技术：

水不仅是人们赖以生存的基础，水力能更是一种可再生的能源，为人类的生产、生活提供了极大的便利。传统的水力能利用方式通常是利用江河之自然落差形成的势能，即通过水力势能向动能的转换，冲击低位的水轮机进行发电。当然，还有利用海洋潮汐能来发电的水力能利用方式。但是，这些利用方式，都依赖于自然地理条件，客观上这些资源都是非常有限的。为了进一步开发水力能并使之应用于更广大缺乏能够形成水力自然落差资源的地区，本申请人曾开发了将静水提升到高处形成高位势能，进而转换为动能并通过机械方式为发电机提供能量，进而达到利用静水进行动力输出与发电的目的。这种技术的关键是需要大容量，低能耗的高扬程水泵送装置。为此，本申请人开发了一系列利用水力能提升重力体从而将势能转换为动能的动力转换输出装置，由于这些技术方案的浮力能转换为势能的过程中，均需外输动力驱动，加之部件之间的“不协调运行”形成的阻力消耗，导致输入功率增大，从而降低了动力输出效率。为此，研制开发一种系统启动运行能耗低，能够高效利用浮力能助动重力体将浮力能转换为机械动力或电力输出技术是非常必要的，且具有巨大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种以平衡式浮力助动势能与动能转换的高效利用浮力能通过重力转换输出动力的方法。

本发明的目的是这样实现的，包括浮力助动、势能提升、机械能转换工艺，具体包括：

A、所述的浮力助动，在机架之基座上对称设置水平摆动式平衡臂，平衡臂两端设置浮力舱；所述的浮力舱内相应地设置浮动重力体，并通过浮力舱内的浮力介质将浮力作用于浮动重力体，助动其上升形成势能；

B、所述的势能提升，平衡态的平衡臂在动力驱动下失去平衡，将一端浮力舱送至高位，随之其中的浮动重力体在浮力作用下势能被提升；对应的另一端浮力舱降至低位，随之其中的浮动重力体在浮力解除后势能转化为动能；

C、所述的机械能转换，浮动重力体因浮力舱的状态和浮力作用而升降，升降过程中浮动重力体将其积蓄的势能转换为动能，再通过动力传动装置转为机械能，进而转换为电能。

本发明基于平衡式浮力助动结构，使得浮力舱在较小的动力驱动下即可因失衡而上下摆动，上升端的浮力舱通过浮力介质将其中的浮动重力体浮升至高位，积蓄势能，同时在上升时重力体也会带动动力传动装置，进而驱动动力转换输出装置对外输出动力；与此同时，下降端的浮力舱下降，解除对助动重力体的浮力支撑，助动重力体积蓄的势能随着其快速下落转换为动能，同时重力体会带动动力传动装置，进而驱动动力转换输出装置对外输出动力。相反，平衡臂两端的浮力舱交替上升或下降，浮力助动重力体浮升或下落，循环往复，实现低能耗利用浮力能提升重力势能，往复做功转换为动能，对外输出动力。本发明结构简单，工作稳定可靠，平衡臂的作用，使得系统仅需要消耗较小的电力，即发挥浮力能的作用，从而通过势能与动能的转换实现动力的输出。可在无自然落差水资源地方利用水力发电，可建造大型静水电站，是一种高效动力转换输出设备。

附图说明

图1为本发明方法工作原理图；

图2为本发明一种实施方式整体结构半剖示意图；

图3为图2之AA向视图；

图4为图2之BB向视图；

图中：1-平衡基座，2-平衡臂，3-浮力舱，4-浮动重力体，5-传导轴，6-平衡控制装置，7-减速器，8-牵拉驱动轴，9-牵拉卷扬辊，10-牵拉索，11-缓冲助力装置，12-动力输出轮，13-吊索，14-传导轴锁控装置，15-驱动齿轮，16-从动齿轮，17-驱动链条，18-浮力舱支撑滚轮，19-重力体支撑滚轮，20-重力体导轨，21-浮力舱导轨，22-机架，23-驱动轮，24-从动轮，25-驱动索，26-配重锤，27-吊索滑轮，28-牵拉索扣，29-传动齿条，30-导向装置，31-导向柱滑轮，32-导向柱锁定套，33-牵拉卷扬轮，34-平衡臂控制电机，35-高位平台，36-发电机， 37-牵拉驱动电机，38-动力输出轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所述的利用浮力能通过重力转换输出动力的方法，包括浮力助动、势能提升、机械能转换工艺，具体包括：

A、所述的浮力助动，在机架之基座上对称设置水平摆动式平衡臂，平衡臂两端设置浮力舱；所述的浮力舱内相应地设置浮动重力体，并通过浮力舱内的浮力介质将浮力作用于浮动重力体，助动其上升形成势能；

B、所述的势能提升，平衡态的平衡臂在动力驱动下失去平衡，将一端浮力舱送至高位，随之其中的浮动重力体在浮力作用下势能被提升；对应的另一端浮力舱降至低位，随之其中的浮动重力体在浮力解除后势能转化为动能；

C、所述的机械能转换，浮动重力体因浮力舱的状态和浮力作用而升降，升降过程中浮动重力体将其积蓄的势能转换为动能，再通过动力传动装置转为机械能，进而转换为电能。

所述的平衡臂呈平行状态，平衡臂两端分别通过销轴与浮力舱两侧端动配合连接，以保证平衡臂带动浮力舱上下运动过程中保持纵向运动的姿态，助动重力体与浮力舱之间通过轨道-滚轮机构动配合并实现浮动。

所述的动力驱动系指平衡臂两端的浮力舱分别通过动力输入助动装置实现联动，即通过联动牵拉平衡臂两端的浮力舱实现浮力舱以平衡臂支撑轴为中心的翘式联动；所述的动力输入助动装置包括驱动电机，通过减速器驱动牵拉驱动轴、牵拉卷扬辊带动牵拉索拉动平衡臂两端的浮力舱上下运动。

所述的动力驱动系指通过支撑平衡臂的平衡基座上设置的平衡控制装置驱动平衡臂摆动，带动浮力舱翘式联动；所述的平衡控制装置包括平衡臂控制电机与平衡臂支撑轴驱动配合的变速驱动装置，以改变平衡臂的平衡状态或从一种状态转换为另一种状态。

所述的动力驱动系指通过连接于平衡臂两端浮力舱之间的平衡吊索的动力驱动来实现，即机架顶部对称设置平衡吊索滑轮组，一对平行的平衡吊索两端分别连接于平衡臂两端的浮力舱两侧边，实现随平衡臂摆动时的联动；所述的平衡吊索通过动力装置驱动，借助于平衡臂改变其两端的浮力舱的状态。

所述的浮力舱为深井式结构，其中纵向设置浮动重力体导向轨道，浮动重力体受浮力舱内液体的浮力而浮动，并随着浮力舱的上下运动而承受浮力而提升势能，或解除浮力而释放势能转换为动能。

所述的浮动重力体顶部设置有动力传动装置，将其受浮力作用上下运动过程中获得的动能转换为机械能，进而转为电能；所述的动力传动装置为齿条-齿轮结构，即浮动重力体顶部之传导轴上设置传动齿条，通过齿轮传动将动能转换机械能。

所述的动力传动装置为卷扬辊轮-驱动索结构，即在浮动重力体顶部设置随动于浮动重力体传导轴的驱动索，通过卷扬辊轮传动将浮动重力体的动能转换机械能。

所述的驱动索一端设置于浮动重力体顶部，随动于传导轴，驱动索另一端经过通过驱动轮、从动轮，并经动力转换轮联结配重锤，驱动动力输出轴带动发动机。

所述的浮力舱为多联组合式结构，每个舱室内设置浮动重力体，构成单元浮升势能转换装置，单元装置之间既可以同时联动，也可以分时联动。

图2~图4示出了本发明一实施例的结构关系。

本实施例的技术方案包括平衡基座1、平衡臂2、浮力舱3、浮动重力体4、传导轴5、动力输入助动装置、动力传动装置和动力转换输出装置，所述的平衡基座1上设置平衡臂2，平衡臂2两端分别设置浮力舱3，所述的浮力舱3中设置浮动重力体4，且两者通过浮力介质浮动配合，所述的浮动重力体4顶部设置传导轴5，所述的传导轴5与设置于机架22上的导向装置30动配合；所述的平衡臂2或浮力舱3分别连接动力输入助动装置；所述的浮动重力体4通过传导轴连接动力传动装置，动力传动装置联接动力转换输出装置。

所述的平衡臂2两端分别与浮力舱3铰接配合，浮力舱3通过平衡臂2与平衡基座1间的动配合实现升降运行。

所述的平衡臂2两端之浮力舱3分别连接动力输入助动装置，并实现浮力舱3的翘式联动；所述的动力输入助动装置包括牵拉驱动电机37、减速器7，牵拉驱动轴8，牵拉卷扬辊9和牵拉索10，所述的牵拉驱动电机37通过减速器7驱动牵拉驱动轴8和牵拉卷扬辊9，通过牵拉索10连接浮力舱3。

所述的平衡臂2通过平衡基座1上设置的平衡控制装置6驱动平衡臂2摆动，并带动两端的浮力舱翘式联动；所述的平衡控制装置6包括平衡臂控制电机34及与平衡臂支撑轴驱动配合的变速驱动装置。

所述的平衡臂2两端的浮力舱3通过平衡吊索13经机架1顶部设置的吊索滑轮27相连接，所述的浮力舱3底部与设置于机架22底部的缓冲助力装置11动配合。

所述的浮动重力体4顶部设置的传导轴5与设置于机架22上部的传导轴锁控装置14锁控配合；所述的传导轴锁控装置14包括驱动活塞、与传导轴5锁定配合的传导轴锁定套32。

所述的动力传动装置为齿条-齿轮式传动结构，包括设置于传导轴一侧的传动齿条29，与之配合的驱动齿轮15，驱动齿轮15通过驱动链条17和从动齿轮16驱动动力输出轴38，带动发动机36。

本发明的工作原理与工作过程：

本发明基于浮动重力体在浮力舱内受到液体介质的浮力作用下，上升至高位形成势能，蓄势待发，等待浮力解除后在重力作用下自然下落，势能转换为动能。在平衡臂的带动下，两端的浮力舱呈翘式上下摆动，采用动力举升浮力舱，一端主动地“举升式”提供浮力给浮动重力体，将重力体举送至高位；另一端主动地“泄压式”解除浮动重力体承受的浮力，使重力体的势能转换为动能，从而转为机械能，进而驱动发电机工作。由于平衡臂的趋衡性，使得可以在较小的动力驱动下开始系统工作，达到小动力输入，利用浮力能的转换对外输出较大动力的目的。通过平衡臂简化了系统内部结构，有助于减少内部运行阻力，减少内部能耗，从而更有效地将动力转换输出用于发电或其他用途。平衡态的平衡臂在较小的动力输入条件下，即可失衡，使得一端浮力舱上升，而另一端浮力舱下降，而重力体在浮力作用下，得以提升势能，势能释放转换为动能，进而将机械能转换为电能，对外输出动力。本质上是将浮力能转换为电能。

图2~4实施例的工作过程：通过动力输入装置之牵拉驱动电机37通过减速器7驱动双向牵拉驱动轴8带动两端的牵拉卷扬辊9双向转动，一端牵拉卷扬辊9收紧牵拉索10，将浮力舱向下拉；另一端牵拉卷扬辊9释放牵拉索10，浮力舱随之上升；与此同时，平衡臂下降端的重力体因浮力舱的浮力解除随之下降释放势能，转换为动能；平衡臂上升端的重力体受到浮力舱的浮力作用随之上升，积蓄势能；重力体上下运动过程中，通过动力传动装置之传动索或驱动链条带动动力输出轴驱动发电机对外输出电力。系统反向运动，即动力输入装置之牵拉驱动电机反向转动通过减速器7驱动双向牵拉驱动轴8反向转动，带动平衡臂两端的浮力舱分别上升或下降，相应地浮力舱内的重力体随之上升或下降，通过动力传动装置、动力输出轴驱动发电机对外输出电力。如此周而复始，系统持续运行。