海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置的制作方法

本发明涉及一种海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置。特别涉及一种利用海浪水平波动冲击动量的双向海浪发电装置。

背景技术：

波浪能属于清洁可再生能源，由于其储量丰富、便于收集、能量密度高等特点，多数国家已对其进行了深入研究。目前，人们提出的海浪发电装置设计方案主要有振荡水柱式海浪发电装置、筏式海浪发电装置、振荡浮子式海浪发电装置、摆叶式海浪发电装置等，但是它们大多数适用于浅海，存在设备体积庞大，安装维修不便，波浪能收集效率低、无法适用于海洋钻井平台等缺点，目前，减小设备尺寸、减小安装维修难度、增加能量收集效率的问题亟待解决。波浪能是通过水这种介质传播的能量，海浪波动不仅存在于海面也存在于海面之下的任何地方，海水中任意质点都在以一定周期波动，利用暗流和波浪共同驱动发电装置发电是更有效的能量收集方案。由日本室兰工业大学提出的推摆式波力发电装置，该装置利用海浪撞击水槽后壁形成的波与海浪波叠加形成的驻波带动摆叶摆动，将波浪能转化为机械能从而进一步转化为电能，该装置结构坚固，装机容量大，较过去的振荡水柱式发电装置结构有较大改进，但存在诸多问题：(1)叶片结构只能单向收集能量、效率低(2)叶片结构不能够实现能量叠加，(3)空间利用效率低、需要挡流板能结构、结构相对复杂(4)只适用于海岸边缘，对于钻井平台等结构不适用。

专利申请号为cn201720574755.1的中国发明专利，公开了一种振荡浮子式海浪发电装置，阻挡板固定在浮体下，浮体固定阻挡板并使阻挡板保持悬浮状态，钢索两个自由端分别与浮体的两侧固定形成环形，两个固定桩套设在环形钢索内并将钢索撑紧，钢索与发电机组上的动力输出齿轮连接，动力输出齿轮带动发电机组转动发电，阻挡板竖直向下设置，在海浪的作用下来回移动，与之连接的浮体与之同步来回移动，进而通过钢索带动动力输出齿轮旋转而发电。该装置结构轻巧，便于安装，但存在诸多问题：(1)钢索布置占用空间大(2)只能用近海(3)电能转换效率较低。

专利申请号为cn201711334949.5的中国发明专利，公开了一种基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置，该发明能够使流经直角变径收缩弯头的海水得以数十倍加速，经导流片导流，高速冲击叶轮带动发电机发电，实现海浪上下波动能的两次高效电转换，但此发明存在某些缺点：(1)抗污染能力弱(2)电能转换效率低(3)不能够服务于海洋钻井平台。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种海浪摆叶式水力发电装置,该装置适用于海洋钻井平台并且可模块化安装，该装置可通过摆叶的顺、逆时针双向摆动实现近似连续的能量收集，在多个摆叶串联情况下，可以增大能量收集的功率，即增大传动轴扭矩，而且该装置结构简单，空间布置灵活，可针对钻井平台、海岸边缘实现环形、单排、多排的摆叶布置。

本发明的技术方案是：该种海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置，包括海浪能收集和发电机两部分；其独特之处在于：

海浪能收集系统包括摆叶、棘轮-棘爪机构、内传动轴、外传动轴、换向齿轮、锥齿轮以及由增速齿轮组构成的转速增速器；所述转速增速器包括外传动轴齿轮、内传动轴齿轮、换向齿轮、输出轴、锥齿轮轴、锥齿轮输出轴和安装轴承。

所述摆叶，用于竖直置于海水中；所述的摆叶包括外传动轴棘爪轴、内传动轴棘爪轴、摆叶轴以及叶片本体；外传动轴棘爪、内传动轴棘爪分别按规定方向装配在棘爪轴上，棘爪轴安装在摆叶轴上固定位置；摆叶轴是空心轴，用于和所述叶片本体相连，所述摆叶轴上开有槽，用于安装棘爪并让棘爪可以在一定范围内活动；所述摆叶轴的定位是靠与外传动轴上的安装轴承配合而实现。

所述摆叶的一端装有外传动轴棘爪轴和内传动轴棘爪轴，外传动轴棘爪轴和内传动轴棘爪轴与外传动轴棘爪和内传动轴棘爪相配合，通过摆叶的摆动拨动棘轮，从而带动内传动轴和外传动轴的转动。

所述内传动轴装配有内传动轴棘轮，内传动轴组件套装在外传动轴轴孔内，且配合在外传动轴开槽之中；摆叶上部有摆叶轴，外传动轴、外传动轴棘轮、内传动轴、内传动轴棘轮组成的组件穿过摆叶轴内孔与摆叶配合；所述外传动轴、内传动轴的一端装有锥齿轮，另一端装有外传动轴齿轮和内传动轴齿轮；外传动轴齿轮、内传动轴齿轮通过换向齿轮将动力输入至输出轴上；输出轴通过输出轴齿轮与换向齿轮相啮合，通过输出轴锥齿轮与锥齿轮轴的锥齿轮a相啮合；锥齿轮轴的锥齿轮b与锥齿轮输出轴的锥齿轮c啮合；锥齿轮输出轴一端与锥齿轮轴7相连，另一端通过锥齿轮输出轴齿轮将动力输出至发电机。

所述的棘轮-棘爪机构包括外传动轴棘爪、内传动轴棘爪、外传动轴棘爪轴、内传动轴棘爪轴、外传动轴棘轮和内传动轴棘轮；外传动轴棘爪、内传动轴棘爪分别安装在外传动轴棘爪轴、内传动轴棘爪轴上，外传动轴棘爪与外传动轴棘轮配合，内传动轴棘爪与内传动轴棘轮配合，摆叶绕轴逆时针摆动时，外传动轴棘爪插入外传动轴棘轮齿内，从而带动外传动轴转动，以实现内传动轴棘爪在内传动轴棘轮齿上划过；当海浪推动摆叶绕轴顺时针摆动时，内传动轴棘爪插入外传动轴棘轮齿内，从而带动内传动轴转动，此时外传动轴棘爪在外传动轴棘轮齿上划过。

内转动轴棘轮安装在内传动轴上，外传动轴棘轮安装在外传动轴上，外传动轴棘轮定位安装在外传动轴开槽一端，内传动轴棘轮定位在外传动轴开槽另一端，两个棘轮安装在外传动轴开槽不同的两端，以便于棘爪的安装；内传动轴棘轮、外传动轴棘轮安装方向始终相反，即棘轮朝向相反，以实现摆叶在不同摆动方向摆动时都能够驱动输出轴运动。

安装轴承用于输出轴与安装部件间的配合；大单向轴承、小单向轴承是用于将外传动轴和内传动轴不同转动方向的力整合为同一转动方向的力传递给换向齿轮；两个单向轴承按同一转动方向安装，以实现内、外传动轴的转动力叠加；锥齿轮轴轴杆、锥齿轮输出轴轴杆和安装座进行配合安装。

支座用于安放换向齿轮、输出轴，换向齿轮安装座用于安放换向齿轮，将换向齿轮的配合轴直接座入换向齿轮安装座；输出轴安装座用于安放输出轴，输出轴一端安放在安装座左侧安装槽内，另一端架设在安装槽右侧沟槽内定位。

锥齿轮输出轴底座用于安放锥齿轮轴，锥齿轮轴轴杆穿过锥齿轮输出轴底座安装孔进行安装，锥齿轮输出轴底座用于固定在海洋钻井平台上。

本发明具有如下有益效果：本发明设计了棘轮棘爪和内外传动轴结合的形式，使得摆叶任何方向的摆动都能带动输出轴的周转，实现设备发电效果。本发明的换向齿轮等组件，可以将内外传动轴相反的周转方向变为同向周转，适用于一般发电机组的发电。本发明每个摆叶模块都能进行串联安装，多个摆叶组合可实现力矩叠加传递。利用本发明可以为海洋钻井平台提供一种便于安装移运的高效发电装置。摆叶的数量可根据海洋平台的尺寸进行选择安装，一根输出轴上可安装多个摆叶，该装置可布置于海洋钻井平台四周，相邻的两根垂直传动轴间用锥齿轮进力的传递；本发明采用的双棘轮—棘爪结构可实现海洋波动能的两次高效电能转化，本发明具有较高的海浪波动能的电能转化率。

附图说明：

图1为本发明海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置整体机构示意图。

图2为本发明摆叶结构示意图。

图3为本发明摆叶装配结构侧视简化图。

图4为本发明摆叶装配结构俯视简化图。

图5为本发明内外传动轴装配结构示意图。

图6为本发明传动系统结构示意图。

图7为本发明支座结构示意图。

图8为本发明锥齿轮输出轴底座结构示意图。

图9为本发明锥齿轮轴底座结构示意图。

图10为本发明整体结构布置方案示意图。

其中：1、外传动轴；2、摆叶；3、外传动轴齿轮；4、内传动轴齿轮；5、换向齿轮；6、输出轴；7、锥齿轮轴；8、锥齿轮输出轴；9、发电机；10、安装轴承；11、锥齿轮；12、外传动轴棘爪轴；13、内传动轴棘爪轴；14、摆叶轴；15、外传动轴棘爪；16、外传动轴棘轮；17、内传动轴棘爪；18、内传动轴棘轮；19、内传动轴；20、外传动轴开槽；21、大单向轴承；22、小单向轴承；23、输出轴齿轮；24、输出轴锥齿轮；25、锥齿轮a；26、锥齿轮轴轴杆；27、锥齿轮b；28、锥齿轮c；29、锥齿轮输出轴轴杆；30、锥齿轮输出轴齿轮；31、支座；32、换向齿轮安装座；33、输出轴安装座；34、锥齿轮输出轴底座；35、锥齿轮输出轴底座安装孔；36、锥齿轮轴底座；37、锥齿轮轴底座安装孔。

具体实施方式：

概括的说，本种海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置由海浪能收集系统、发电机两部分组成。海浪能收集系统包括摆叶、棘轮—棘爪机构、内传动轴、外传动轴、换向齿轮和锥齿轮。

所述的摆叶竖直插入于水面，其上部轴孔内安装有两个棘轮，它们分别与内、外传动轴上的棘爪相配合；所述的棘爪分别安装在两个传动轴上，它们能穿过摆叶轴孔与摆叶上棘爪配合；所述的内、外传动轴采用嵌套安装的形式，内传动轴套在外传动轴轴孔内，外传动轴上开有槽孔，目的是露出内传动轴上的棘轮，以用于和摆叶上棘爪相配合；所述的换向齿轮安装在传动轴一端，可以将两根轴不同方向的周转改变为同一周转方向，输出给转速增速器；所述的锥齿轮安装在传动轴的一端，用于垂直轴之间动力的传递，同时也起到改变运动方向的作用；所述的转速增速器是由增速齿轮组组成，用于提升输出转速，它与发电机相连，输出的扭矩直接驱动发电机发电。

进一步的，所述的摆叶一端设计有空心轴，空心轴内孔轴肩安装有棘爪，摆叶叶片垂直于其轴向安装，摆叶采用薄板设计。

进一步的，所述的外传动轴上所开的槽孔数量和位置是根据摆叶布置位置和数量所确定，内传动轴穿过外传动轴内孔，通过滚动轴承相互配合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

如图1所示，海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置包括外传动轴1、摆叶2、外传动轴齿轮3、内传动轴齿轮4、换向齿轮5、输出轴6、锥齿轮轴7、锥齿轮输出轴8、发电机9、安装轴承10、内传动轴19、锥齿轮11组成。

所述的摆叶2，竖直于海水中，其一端装有外传动轴棘爪轴12、内传动轴棘爪轴13，它们与所述的外传动轴棘爪15、内传动轴棘爪17相配合，通过摆叶2的摆动拨动棘轮，从而带动内传动轴19、外传动轴1的转动；所述的内传动轴19装配有内传动轴棘轮18，内传动轴组件套装在外传动轴1轴孔内，并且要配合在外传动轴开槽20之中；摆叶2上部有摆叶轴14，外传动轴1、外传动轴棘轮16、内传动轴19、内传动轴棘轮18组成的组件穿过摆叶轴内孔与摆叶2配合；所述的外传动轴1、内传动轴19一端装有锥齿轮11，另一端装有外传动轴齿轮3、内传动轴齿轮4；外传动轴齿轮3、内传动轴齿轮4通过换向齿轮5将动力输入至输出轴6上；所述的输出轴6通过输出轴齿轮23与换向齿轮5相啮合，通过输出轴锥齿轮24与锥齿轮轴7的锥齿轮a相啮合；所述的锥齿轮轴7的锥齿轮b与锥齿轮输出轴8的锥齿轮c啮合；所述的锥齿轮输出轴8一端与锥齿轮轴7相连，一端通过锥齿轮输出轴齿轮30将动力输出至发电机。整套组件吊装在海洋钻井平台上，摆叶始终有一半以上插入水面，且与水流方向垂直，保证采集到最大的海浪推力，减少能量浪费。

如图2所示，所述的摆叶2包括外传动轴棘爪轴12、内传动轴棘爪轴13、摆叶轴14以及叶片本体。外传动轴棘爪15、内传动轴棘爪17分别按规定方向装配在棘爪轴上，棘爪轴安装在摆叶轴上固定位置；摆叶轴14是一跟空心轴，它与摆叶叶片相连，摆叶轴上开有槽，目的是安装棘爪并让棘爪可以在一定范围内活动；摆叶轴14的定位是靠与外传动轴上安装轴承配合实现的；摆叶2的数量可根据海洋钻井平台的尺寸和需求进行布置，摆叶2布置的位置要根据外传动轴开槽20的开口位置进行布置。

如图3、图4所示，所述的棘轮-棘爪如图示安装。外传动轴棘爪15、内传动轴棘爪17分别安装在外传动轴棘爪轴12、内传动轴棘爪轴13上，外传动轴棘爪15与外传动轴棘轮16配合，内传动轴棘爪17与内传动轴棘轮18配合，摆叶绕轴逆时针摆动时，外传动轴棘爪15插入外传动轴棘轮16齿内，从而带动外传动轴1转动，此时内传动轴棘爪17在内传动轴棘轮18齿上划过；当海浪推动摆叶绕轴顺时针摆动时，内传动轴棘爪17插入外传动轴棘轮18齿内，从而带动内传动轴19转动，此时外传动轴棘爪15在外传动轴棘轮16齿上划过。由于海浪波动具有往复性，所以海浪总是可以驱使摆叶2摆动，将棘轮-棘爪机构产生的间歇运动转化为内、外输出轴19、1的连续转动。

如图5所示，所述的内传动轴19、外传动轴1，以及与内传动轴19、外传动轴1配合的内传动轴棘轮18和外传动轴棘轮16如图示所安装。内转动轴棘轮18安装在内传动轴19上，外传动轴棘轮16安装在外传动轴1上，外传动轴棘轮16定位安装在外传动轴开槽20一端，内传动轴棘轮18定位在外传动轴开槽20另一端，两个棘轮如图5所示安装在外传动轴开槽不同的两端，以便于棘爪的安装。内传动轴棘轮18、外传动轴棘轮16安装方向始终相反，即棘轮朝向相反，目的是使摆叶在不同摆动方向摆动时都能够驱动输出轴运动。

如图6所示，所述的安装轴承10是用于输出轴6与安装部件间的配合所使用；所述的大单向轴承21、小单向轴承22是用于将外传动轴1和内传动轴19不同转动方向的力整合为同一转动方向的力传递给换向齿轮5，由于两种类型棘轮安装方向不同，因此会使内外传动轴转动方向不同，不同转向的力无法驱动同一换向齿轮，所以此处选择单向轴承；在安装配合时，两个单向轴承按同一转动方向按装，便可以实现内、外传动轴的转动力叠加；所述的锥齿轮轴轴杆26、锥齿轮输出轴轴杆29和安装座进行配合安装，使整套设备可以安装在海洋平台之上。

如图7所示，所述的支座31用于安放换向齿轮5、输出轴6，换向齿轮安装座32用于安放换向齿轮5，将换向齿轮5的配合轴直接座入换向齿轮安装座32；输出轴安装座33用于安放输出轴6，输出轴6一端安放在安装座左侧安装槽内，另一端架设在安装槽右侧沟槽内定位。

如图8所示，所述的锥齿轮输出轴底座34用于安放锥齿轮轴7，锥齿轮轴轴杆26穿过锥齿轮输出轴底座安装孔35进行安装，锥齿轮输出轴底座34固定在海洋钻井平台上。

如图9所示，所述的锥齿轮轴底座36用于安装锥齿轮输出轴8，锥齿轮输出轴轴杆29穿过锥齿轮轴底座安装孔37进行安装，锥齿轮轴底座36固定在海洋钻井平台上。

本种海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置的工作原理如下：

如图1、图10所示，海洋钻井平台的海浪摆叶式水力发电装置架设在海洋钻井平台上，依靠海浪的来回波动推动摆叶2绕外传动轴1、内传动轴19转动，同时外传动轴棘爪15推动外传动轴棘轮16转动，内传动轴棘爪17推动内传动轴棘轮18转动。内、外传动轴的转动带动外传动轴齿轮3、内传动轴齿轮4一同运动，由于棘轮安装旋向不同致使内、外传动轴齿轮的转向不同，所以在外传动轴齿轮3、内传动轴齿4与外传动轴1、内传动轴19配合处安装有单向齿轮，使得内、外传动轴仅可以将同向转动传递给换向齿轮5，再由换向齿轮5驱动输出轴6进行转动。由于输出轴6是水平布置，发电机布置位置在钻井平台之上，想要将驱动力输送给发电机就需要借助锥齿轮轴7，通过输出轴锥齿轮24与锥齿轮a的啮合将转动传递给锥齿轮输出轴8，从而驱动发电机发电。该装置的摆叶2可根据需求进行串联安装，一根传动轴上可以进行多个摆叶串联安装，已达到高效收集波浪能的目的，同时该套装置可以环绕海洋钻井平台进行布置，其相互动力的传导靠锥齿轮11进行传递。