垂直轴转轮推进器及采用该推进器的发电制氢船

技术领域

本发明涉及垂直轴转轮推进器及采用该推进器的发电制氢船，属于新能源技术领域。

背景技术

水力发电作为一种清洁能源，历来受到各国政府的高度重视，但是水力发电站需要拦河筑坝，投资大，建设周期长，受到水源自然条件及移民等众多限制。能否不筑坝，又能利用水流资源发电呢？2016年4月，四川日报、泸州日报等国内多家媒体和四川新闻网等多家网站相继报道了这样一条新闻：由泸州海事局牵头的“水车式双轮发电船”科研项目，在向省交通运输厅科技处申请立项并获得省交通运输厅批准后，该科研项目的成果：国内首艘发电船杰兴11号，顺利通过由省交通运输厅、省公路学会、长江泸州航道局、重庆轮船集团公司组成的专家组的验收，成功并网发电。此项目为解决不筑坝，又能利用水流资源发电问题开了先河。具报道介绍：该船长68米、宽24.9米、重500吨。船的两侧安装了15个叶片宽幅12米的巨大叶轮，带动5台总功率1500千瓦的发电机，年发电量可以达到900万度。该船虽然成功地利用自然水流发出了电，并成功实现了并网，但是报道中也指出了其存在以下缺陷和不足：1、叶轮安装在船侧，巨大的叶轮几乎全部露出水面，既不美观，又不安全，而且占用空间大、运行效率低下。 2、叶轮随着水流速度的变化，转速会变化，这会造成发电电压和频率的不稳，难以达到并网要求，解决发电机调速问题，需要投入很大的资金，而且效果很难达到理想。3、多个叶轮装在船体两侧，前方叶轮会对后面叶轮的水流速度产生阻碍，降低后面叶轮的发电效率和发电功率。4、目前明轮式转轮，因其水平旋转，其阻挡的水流是从叶片下部流走的，无法对后面水轮机叶片做功，在封闭的通道中，叶片更会将通道完全阻断；螺旋桨同样，其叶片旋转平面对水流的阻挡，将会使前面来水受阻而改道，其吸收不完的多余能量，因正面受阻，无法传递给后面的水轮机，只能流失。5、该发电船所发电力需要通过电缆传输到岸边的变电站，由变电站变压后输入电网，这样，需要额外增加变电站和输电电缆的投入，而且发电船只能锚泊于发电站附近，等于是个固定的水上发电站，并非真正意义上的船。在固定的地点，枯水季节水流能量必然减小，不可能保证常年水流能量最大化。针对现有发电船存在的不足，本发明提出的一种发电制氢船，完美地解决了以上所述的现有发电船存在的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种发电制氢船。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提出的发电制氢船，包括船舱、浮筒舱、水轮机通道底板、导流板、浮筒舱升降支撑装置、垂直轴转轮推进器、发电系统、电解水制氢系统；其外形与普通船相同，浮筒舱升降支撑装置可以控制调整浮筒舱相对船舱的位置，这样可以调整船体吃水深度，便于涉越浅滩，浮筒舱升降支撑装置，还可以控制调整螺杆轴支撑杆的升降，发电时支撑杆插入河底来支撑固定船体；数量众多的垂直轴转轮推进器，集中密集地垂直安装于船底的水下，有效增大了单位面积的装机容量，但密集的布置并不造成相互之间的干扰，也不影响单台水轮机的发电能力；垂直轴转轮推进器既是推进器，又是水轮机，安装于船底的水下，其既不影响安全又不影响外观，而且由于浮筒舱的作用，还不增加船体吃水深度；因为垂直轴转轮推进器为升阻复合型转轮，所以其工作效率相比现有技术的明轮式水轮机提高一倍以上；因其升力侧叶片对水流速度几乎无阻碍，故其不存在明轮式转轮和螺旋桨对水流速度产生阻碍，造成后面水轮机发电能力下降的问题，所以其便于集中密集布置；垂直轴转轮推进器，既是高效的水轮机，又是高效的推进器，其是真正意义的船，其可以根据季节和水情变化，随意选择水流能量大的河段停泊发电，而且行驶中并不影响发电；独特的可收放，可变形导流板设计，在大幅增加发电能力的同时，不占用船体空间，不影响船的行驶，而且其结构简单，控制方便，造价低廉。

本发明所达到的有益效果是：通过在船底安装垂直轴转轮推进器，其不仅在旋转推进划水时，利用阻力产生推进力，同时因其叶片的独特设计，在旋转时还产生有益的正向升力，显著提高推进器效率。而且，该垂直轴转轮推进器通过调整其中心固定轴的角度，可以随意改变推力的方向，利用电动机反转，更可以立即使推力方向改变180度。该特性可以大大改善船的操纵性能，提高机动性。同时可以省去船舵。同时该发电制氢船，外形及外观与普通船相同，吃水浅，便于涉越浅滩，浮筒舱升降支撑装置使发电制氢船发电时，不受河道水深的影响，只要是船能到达的地方，均可以发电。行进时降下浮筒舱，船体上浮行驶；浅滩发电时，利用支撑杆支撑船体。深水发电时，例如在海中，利用浮筒舱的浮力，采用锚泊的方式固定船体。垂直轴转轮推进器可密集安装于船底，占用空间小，垂直轴转轮推进器既可以作为推进器，又可以作为水轮机，其推进效率和发电效率均比现有技术要高，同时此发电制氢船既可以固定发电，也可以行进中发电，所发的电为直流电，可直接用于电解船下取之不尽的水，因此发电控制系统大大简化，降低了设备采购成本，同时由于所发电无需并网，省去了并网的全套变流、变频、变压和输变电设备及输电线路费用，产出的氢气和氧气直接加压储存于钢瓶之中，随时可以在合适地点靠岸交易。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

附图1为船体正面剖视图；

附图2为垂直轴转轮推进器俯视剖视图；

附图3为船底垂直轴转轮推进器布置图。

图中：10、船体；11、船舱；12、浮筒舱；13、浮筒舱水仓；14、导流板；15、导流板驱动齿轮；16、水轮机通道底板；20、垂直轴转轮推进器；21、叶片；211、叶片上下端面；212、叶片左右支撑轴；213、叶片围板；214、旋转抵靠轮；22、中心固定轴；23、旋转轴套；24、旋转框架；244、偏心凸轮；25、传动齿轮；27、传动大齿轮；28、中心固定轴导向舵；30、浮筒舱升降支撑装置；31、电动机；32、浮筒锁紧装置；33、甲板锁紧装置；34、旋转螺母；35、螺杆轴支撑杆；36、浮筒舱螺杆轴；37、甲板固定螺母；
40、发电系统；41、发电系统同轴小齿轮；50、电解水制氢系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-3所示，一种发电制氢船，包括船舱11、浮筒舱12、水轮机通道底板16、导流板14、浮筒舱升降支撑装置30、垂直轴转轮推进器20、发电系统40、电解水制氢系统50，浮筒舱12作为整个船体10的一部分，其安装于船舱11的两侧，浮筒舱12内设有浮筒舱水仓13，浮筒舱水仓13两侧设有浮筒舱升降支撑装置30，浮筒舱升降支撑装置30包括固定安装于船体10上甲板的甲板锁紧装置33、安装于浮筒舱12上部，相对浮筒舱上下位置固定，但可以相对旋转的浮筒锁紧装置32、安装于浮筒舱12底部，上下位置固定但可以相对浮筒舱12旋转的旋转螺母34、与旋转螺母34配合的螺杆轴支撑杆35、驱动旋转螺母34的电动机31、安装于浮筒舱12上部，上下位置固定但可以相对浮筒舱12旋转的浮筒舱螺杆轴36、固定安装于船体10上甲板，与浮筒舱螺杆轴36配合的甲板固定螺母37。

垂直轴转轮推进器20安装在船底部，垂直轴转轮推进器20包括中心固定轴22、安装于中心固定轴22下部的中心固定轴导向舵28、套设于中心固定轴22上的旋转轴套23、套设在旋转轴套23上的旋转框架24、套设于旋转框架24臂顶端垂直转轴上的叶片21、安装于中心固定轴22上部的传动齿轮25以及在顶端的传动大齿轮27，发电系统40的输入端连接有发电系统同轴小齿轮41，且发电系统同轴小齿轮41与传动大齿轮27相啮合；中心固定轴22为左右非对称的圆柱型轴体，其左侧外圆半径小，右侧外圆半径大；其下部的顶端安装有一固定轴导向舵，叶片21，包括流线型的叶片上下端面211、圆柱形的叶片左右支撑轴212、环形的叶片围板213、以及安装于叶片左右支撑轴212上端的旋转抵靠轮214，旋转抵靠轮214透过旋转框架24和旋转轴套23的缺口，可以与中心固定轴22右侧外圆相抵靠。旋转轴套23和旋转框架24相连接，旋转轴套23内部为圆形，且与中心固定轴22外圆套接，可相对中心固定轴22旋转，为传递动力的部件，旋转轴套23外部非圆形，且与旋转框架24内部非圆形孔配合套接，不能相对旋转；旋转框架24外部相隔相同角度向外放射状伸出三条或者多条框架臂，框架臂对应位置的旋转框架24和旋转轴套23的上下各开有三个或者多个内外相通的缺口，旋转框架24每个框架臂的顶端固定垂直安装有一个上下贯穿的转轴，转轴上下各固定安装有一个偏心凸轮244，偏心凸轮244的中心径线与框架臂垂直；凸轮顶点在旋转框架24逆时针旋转时朝向左，在旋转框架24顺时针旋转时朝向右。叶片21安装在框架臂的顶端的垂直转轴上，可以绕垂直转轴水平自由旋转，叶片围板213为具有弹性的金属材质的薄板卷成的环状体，其套设于两个叶片左右支撑轴212外部，处于上下两个叶片上下端面211的中间，在旋转框架24旋转时，框架臂上的偏心凸轮244会顶住叶片围板213的一侧，随着旋转框架24的角度变化，偏心凸轮244顶叶片围板213的位置和力度会发生变化，于是叶片围板213的外部轮廓会产生平凸程度和方向的变化，而且偏心凸轮244顶住叶片围板213的力，使得叶片21向受力方向偏转，使叶片21获得了产生正向旋转力矩的升力攻角。

垂直轴转轮推进器20在推进状态时，旋转轴套23在电动机31拖动下逆时针旋转，旋转框架24也随旋转轴套23逆时针旋转，叶片21在中心固定轴22左侧12点钟至9点钟运行时，叶片21从垂直状态开始运行，此时，叶片21上边缘旋转半径大于下边缘旋转半径，所以上边缘线速度大于下边缘线速度，上边缘所受阻力大于下边缘所受阻力，于是，叶片21产生顺时针旋转力矩。此时，船向下行，水流方向垂直向上，在叶片21受到顺时针旋转力矩偏转一定角度后，叶片21前缘向左倾斜，此时，垂直方向的水流将对叶片21产生逆时针旋转力矩。正反力矩平衡后，叶片21与水流方向保持平行，此时，水流对叶片21无转动力矩，旋转产生的叶片21对水的推力，因叶片21与水平方向垂直，向左水平运行速度上下相同，叶片21上下对称，故叶片21上下所受向右的推力相等，也无转矩产生。所以叶片21与水流方向保持平行是稳定状态。因偏心凸轮244的顶点此时偏离叶片21中心，其将对叶片围板213左侧产生推力，该推力使叶片21产生一个顺时针旋转的力矩，此力矩使得叶片21前缘偏离垂直线略向左倾。偏心凸轮244的顶点顶住叶片围板213的左侧，使得叶片围板213左侧凸起而右侧水平，而水流方向对这个略向左倾的攻角，和叶片21左凸右平的翼形的作用，完全符合标准的飞机机翼产生升力的原理。所产生的升力向左，转矩为逆时针正转矩。

叶片21在中心固定轴22左侧9点钟至6点钟运行时，叶片21也是从垂直状态开始运行，此时，偏心凸轮244顶点开始偏向叶片21的右侧，随着旋转角度的加大，偏心凸轮244的顶点将逐渐加大对叶片围板213右侧的顶起力度，叶片围板213轮廓变成左平右凸。与12点至9点区间运行原理相同，9点至6点区间，叶片21将保持叶片21前缘与垂直方向略向右偏的角度运行。

运行至6点钟位置，因中心固定轴22右侧外圆直径大于左侧外圆直径，叶片21的旋转抵靠轮214将与中心固定轴22的右侧外圆相抵靠，此后，叶片21在旋转时，水流对叶片21的内边缘产生的阻力小于对外边缘产生的阻力，叶片21产生顺时针旋转的力矩，而顺时针旋转受到中心固定轴22对旋转抵靠轮214的阻碍，所以，叶片21的叶面将与旋转框架臂242保持平行，一直运行到0点钟位置。

整个运行过程中，水流对叶片21的冲击，叶片21的翼形和攻角全部符合机翼升力的理论，升力产生的转矩全部都是正向转矩，正向的升力转矩，不仅在中心固定轴22左侧产生，在中心固定轴22右侧同样也会产生，这些正向的升力转矩，在叶片21正向划水时，将会增大叶片21划水的推力，有效提升推进器的效率。

垂直轴转轮推进器20在发电状态时，垂直轴转轮推进器20变身为水轮机，其在水流推动下旋转，带动发电系统40发电。其运行原理与作为推进器运行时相同，只是因为发电状态时，垂直轴转轮推进器20作为水轮机的旋转速度相比作为推进器时的旋转速度低很多，所以叶片21在中心固定轴22左侧运行时，其与垂直线之间的夹角相比作为推进器时的夹角要小一些。整个运行过程中，水流对叶片21的冲击，叶片21的翼形和攻角全部符合机翼升力的理论，升力产生的转矩全部都是正向转矩，正向的升力转矩，不仅在中心固定轴22左侧产生，在中心固定轴22右侧同样也会产生，这些正向的升力转矩，加上中心固定轴22右侧的阻力型转矩，共同推动垂直轴转轮推进器20逆时针旋转，带动发电系统40发电。因此，垂直轴转轮推进器20实际上是一台升力、阻力复合型垂直轴水力发电机。其在中心固定轴22右侧的运行，除了阻力做正功之外，升力同时也在做正功，在中心固定轴22左侧的运行，除了很小部分的阻力做负功之外，更大的升力都做正功，由于，阻力型水轮机低速旋转时效率高，升力型水轮机高速旋转时效率高，因此，通过调整发电机负载和变速系统的变比来合理控制转轮的叶尖速比，可以达到水轮机的最大发电效率。

导流板14由多个类似门合页的平板铰接而成，相互铰接的平板之间只能有限度地向单侧旋转固定的角度。其安装在浮筒舱12内侧壁的滑道上，上部装有齿条，由浮筒舱12内侧壁上部的导流板驱动齿轮15驱动， 发电时向前伸出，并可以根据河道情况调整伸出长度，伸出后自动变成两个向左右展开的巨大弧形导流板14，发电制氢船行驶时，导流板14缩回，缩回后自动变成直板隐于浮筒舱12内侧。

具体的，本发明使用时，利用浮筒舱升降支撑装置30可以使其相对船舱11上下升降，其内部设有浮筒舱水仓13，利用水泵注水和放水，可以调节浮筒舱12的浮力大小，用于调整船体10吃水深度，浮筒舱12上升时，甲板锁紧装置33锁死螺杆轴支撑杆35，浮筒锁紧装置32松开与浮筒舱螺杆轴36的锁紧，电动机31带动旋转螺母34顺时针旋转，此时，旋转螺母34绕固定的螺杆轴支撑杆35旋转，带动浮筒舱12上升，此时，浮筒舱螺杆轴36因浮筒锁紧装置32松开锁紧，在浮筒舱12上升和甲板固定螺母37的作用下，将会旋转上升；浮筒舱12下降时，甲板锁紧装置33锁死螺杆轴支撑杆35，浮筒锁紧装置32松开与浮筒舱螺杆轴36的锁紧，电动机31带动旋转螺母34逆时针旋转，旋转的旋转螺母34绕螺杆轴支撑杆35旋转，带动浮筒舱12下降，此时，浮筒舱螺杆轴36因浮筒锁紧装置32松开锁紧，在浮筒舱12下降和甲板固定螺母37的作用下，将会旋转下降；；如果浮筒锁紧装置32锁死浮筒舱螺杆轴36，锁死的浮筒舱螺杆轴36不能旋转，因与其配合的甲板固定螺母37限制，浮筒舱12的上下位置将被固定，松开甲板锁紧装置33，电动机31带动旋转螺母34顺时针旋转时，螺杆轴支撑杆35在旋转螺母34推动下旋转下降；电动机31带动旋转螺母34逆时针旋转时，螺杆轴支撑杆35在旋转螺母34推动下旋转上升。螺杆轴支撑杆35通过密封装置，从浮筒舱12的下部穿出舱底，下降到位后，插入河底，可以作为支撑和固定船体10的支撑杆，起到发电时稳定船体10的作用。

同时根据本发电制氢船的特点，可以在船下安装的垂直轴转轮推进器20中，灵活设定其中某些排做为推进器，某些排作为水轮机。如果第1排和第2排作为推进器，其余全部为水轮机，因船两侧是浮筒舱12，下面是水轮机通道底板16，所有水轮机都在一个封闭的通道内，推进器工作时，前面的推进器将水强行灌入水轮机通道内，同时推进器推动船体10逆水流而行，这样，推进器不仅将水流引入了封闭通道，而且还将水流速度提升，同时船体10移动也使水流相对船体10的速度增加，这将使通过封闭通道的水流动能得到增加。通道内，排成一线的若干台水轮机，通过调整前后水轮机不同的转速，前高后低，造成其水流利用率前低后高。这样，可以达到每台水轮机发电功率相等，均匀分配水流能的目的。因本发明的垂直轴转轮推进器20，其阻力侧叶片21单侧划水，做功方向全部是正向，反向无阻力，划水时，升力侧叶片21还能够产生可观的升力来提升旋转动力。所以，仅对推进器划水的阻力侧来讲，其效率应不低于100%。所以，推进器消耗的功率，完全可以通过其他水轮机多发出的电来得到弥补。这样，发电制氢船可以在发电状态下仍能正常行驶。

垂直轴转轮推进器20在船底的安装布置如附图3所示，为了不使前面水轮机阻碍后面水轮机的水流速度，任意一个垂直轴转轮推进器20的旋转方向，和与之相邻的前后左右的垂直轴转轮推进器20的旋转方向均相反，这样的设置，使处于同一条直线上的垂直轴转轮推进器20，通过其升力侧从前到后形成一条S形的水流通道。由于具有浮筒舱升降支撑装置30，其在发电时将浮筒舱12升起，同时向下伸出螺杆轴支撑杆35支撑船体10，这样，浮筒舱12不会对水流产生阻挡，船体10可以垂直于水流方向固定。这样，顺着水流方向的水轮机，前后只有6台，前面水轮机阻挡后面水轮机的现象会得到很大的改善，而且，前后左右相邻的水轮机旋转方向是相反的，这样，前面水轮机的阻力侧叶片21与后面水轮机的升力侧叶片21处于同一条直线上，阻力侧叶片21阻碍水流速度，升力侧叶片21对水流速度的影响很小。通过前面水轮机升力侧未受阻碍的水流，冲击后面水轮机的阻力侧叶片21，自前面升力侧流过的水流在向后面水轮机阻力侧叶片21传递能量的同时，在该阻力侧叶片21的阻碍和导向下，水流自然会向该水轮机的升力侧偏转，该股偏转的水流与刚刚通过前面水轮机阻力侧叶片21，速度已被降低了的水流汇合，造成后面水轮机升力侧水流流量增大。单位流通面积内流量的增大，势必造成流速的增大，因此，通过前面水轮机阻力侧叶片21，速度被降低了的水流，在此处得到加速。虽然速度相比原来的速度会有所降低，但降低的速度具有的能量是被水轮机吸收了，而不是流失了。因水流能量，除了被后面水轮机吸收的部分，其余能量因为浮筒舱12和水轮机通道底板16形成的封闭通道限制，不会流失，水流因有前后相通的阻力很小的升力侧流道，其将沿S形轨迹，在对阻力侧叶片21做功的同时，也对升力侧叶片21做功，前面水轮机将其吸收不完的多余能量，通过升力侧通道交给后面的水轮机，形成接力式传递，最后将能量全部吸收。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。