CN101800459B - 卡门涡街发电机 - Google Patents

Abstract

本发明卡门涡街发电机涉及是一种交流电流发生装置，包括壳体，壳体的两端设置有入口端和出口端，壳体内部由柔性上支撑和柔性下支撑活动连接有旋涡发生体，所述旋涡发生体的两侧均设置有永磁铁，所述旋涡发生体一侧永磁铁的N极与另一侧永磁铁的S极相对应；所述旋涡发生体的外表面缠有金属线圈。本发明是通过将流体流动过程中产生的动能转化成电能来实现的。本发明卡门涡街发电机主要用在有风场的地方进行发电，或者安置在运动的载体上进行发电。

Description

卡门涡街发电机

技术领域

本发明涉及发电设备领域。具体是一种交流电流发生装置。这种装置将流体流动过程中产生的动能转化成电能。

背景技术

在一种特定条件下(可以用流体的雷诺数Reynolds number表示)，当流体(如空气、水，等)绕过非流线形物体时，由于物体表面的粘性边界层中存在逆压梯度，表面边界层开始分离，经过一定时间的发展，物体后方的尾迹中，根据不同的雷诺数，形成不同流动模式。流体的雷诺数是一个无量纲数，描述了流体的惯性力和粘性力之比。流体的雷诺数Re可以用下式来表示，

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_{\∞}L}{\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

其中，ρ,V_∞，μ分别代表流体的密度，速度和动力粘性系数；L代表物体的特征长度尺度。大量的理论和实验证明，雷诺数从50到500范围内，尾迹区域内会形成稳定的、成对的、交替排列的、旋转方向相反的、固定间距的，以层流为核心的漩涡。雷诺数大于200，尾迹的流动呈三维化，旋涡的核心变成湍流，但旋涡脱落机制仍保持层流。这样的流动模式被称为卡门涡街。图1是卡门涡街形成示意图。卡门涡街中的旋涡的结构可以用环量守恒的原理来解释。即当一个涡从非流线型物体(或称旋涡发生体)的边界层脱落时，必然有与之环量相反的涡的存在。在现实中，当流体流过建筑物、电线、桥墩时都会产生卡门涡街。卡门涡街中的旋涡的结构是稳定的，而且旋涡产生频率和流体流速的关系是确定的。在振荡的流场中常用到无量纲参数Strouhal数来描述流场的特征，Strouhal数St定义为

$\mathrm{St}=\frac{\mathrm{fL}}{V_{\∞}}---\left(2\right)$

其中，f为旋涡的脱落频率，其他变量如前所述。Strouhal数一般为固定值0.2。因而流速可以通过测量漩涡脱落频率来获得。广泛使用的卡门涡街流量计就是根据这个原理制成的。

在旋涡发生体后方的卡门涡街中，旋涡会沿来流方向向后运动。同时由于单个旋涡的环量的存在，这个涡会受到一个与来流垂直方向上的作用力，即升力。因而在卡门涡街中，流体会在与来流方向垂直的方向上受到周期性交替变化的作用力。根据作用力和反作用力原理，流体也会对这个非流线型物体产生一个周期性交变的、与来流方向垂直的作用力。因而物体会在来流方向垂直的方向上产生振荡。工程中应该避免这类现象的发生，因为这种振荡会引起物体的疲劳和损坏。

如果在磁场中安置一个金属线圈，如果通过线圈与磁场的相对运动，让金属线圈在磁力线方向的投影面积产生变化，即可使穿过线圈的磁通量产生变化。根据电磁感应定律，磁通量的变化会使线圈中产生电流，这是发电机的基本原理。如果把上述卡门涡街这种作用于旋涡发生体上的周期性的、交替方向的力传递给一个放置在固定的磁场中的金属线圈，可以使金属线圈产生振荡。如果这种周期性的振荡改变了穿过金属线圈的磁通量，则在线圈中产生了交流电。图2是利用卡门涡街产生电流的原理图。

利用这种装置产生交流电的前提是必须有流体的流动而且流体的雷诺数应在卡门涡街生成范围内。因为一般的风场在工程实践中是满足这个条件的。例如，风速0.02米/秒，空气的密度和动力黏度分别为1.2千克/立方米和1.8x10^-5帕秒；旋涡发生体的长度尺度0.1米，则按照公式(1)计算的雷诺数为133。由于物体在任意时刻受到升力FL与柔性支撑(弹簧)力F_s，按照静力学分析方法并忽略振荡物体的重力，可以得到，

F_L＝F_s                (3)

按照虎克定律，弹簧的受力和变形可以表示为线形关系，

F_s＝k·dY             (4)

其中，k为弹簧线形变形系数，dY为物体在与流动方向垂直方向上的移动量。从公式(3)和(4)可以获得，这个移动量为

$\mathrm{dY}=\frac{F_L}{k}---\left(5\right)$

dY也是考虑振荡物体的重力时的最大移动量。因而该装置是可以通过选择适当漩涡发生体的几何尺寸，柔性支撑(弹簧)的变形系数等参数来实现的。利用这种装置产生交流电的前提是必须有流体的流动，因而该装置也可以被视为风能发电设备的一种。

发明内容

该实用新型利用上述背景技术，设计一个装置，它将流体流动时产生的能量转化成电能。

本实用新型交流电流发生装置，包括壳体，所述壳体的两端设置有入口端和出口端，所述壳体内部由柔性上支撑和柔性下支撑活动连接有旋涡发生体，所述旋涡发生体的两侧均设置有永磁铁，所述旋涡发生体一侧永磁铁的N极与另一侧永磁铁的S极相对应；所述旋涡发生体的外表面缠有金属线圈。

在这个装置中，有一个旋涡发生体，其横截面是梯形的、中空敞口的。旋涡发生体用柔性上支撑和柔性下支撑将其固定在一个壳体内。这个壳体呈管状，两端分别为流体的入口端和出口端。将两块永磁铁的N极和S极分别安装在壳体内，并且在旋涡发生体两侧。永磁铁的高度不超过壳体内腔高度的二分之一。图3和图4分别是卡门涡街发电机正视示意图和俯视示意图。在旋涡发生体上缠有金属线圈。在静止时，由金属线圈围成的封闭面积中，约二分之一部分有磁通量穿过。流体流过时产生的卡门涡街引起的旋涡发生体的振荡，从而带动金属线圈一起运动，于是金属线圈中的磁通量会成周期性变化，所以金属线圈中产生了交流电。

这种装置结构简单、体积小，重量轻，可以被视为一个发电机组的单元。使用时，让多个本实用新型卡门涡街发电机一起工作，以产生足够的电能。

附图说明

图1卡门涡街形成示意图；

图2利用卡门涡街产生电流的原理图；

图3卡门涡街发电机正视示意图；

图4卡门涡街发电机俯视示意图。

图中，1.壳体，2.柔性上支撑，3.永磁铁N极，4..漩涡发生体，5.金属线圈，6.永磁铁S极，7.柔性下支撑

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例子对实用新型做进一步说明。

实施例子：本实用新型交流电流发生装置在组装后的工作状态如图3和图4所示。呈梯形截面的旋涡发生体4置于壳体1中心。梯形底边边长较宽的一侧朝向壳体1的流体入口端，即图3和图4中的左侧一端。壳体1的总长度应不小于十倍的旋涡发生体4的梯形底边边长。其作用是对进入壳体1的流体起到的导流作用，并且让旋涡发生体4后面的涡街有一个发展空间。两块永磁铁(3，6)的高度等于壳体1内腔高度的二分之一，从壳体1内部的底面开始安装。旋涡发生体4依靠由二个弹簧组成的柔性上支撑2和二个弹簧组成的柔性下支撑7，与壳体1相连接。

将该装置置于一定方向的来流中，例如风场中，或者将该装置以一定速度运动，则流体会通过壳体1的入口端，进入壳体1。流体绕过旋涡发生体4，在其后部会产生卡门涡街。由于有柔性上、下支撑(2，7)，卡门涡街会引起旋涡发生体4沿来流垂直方向上振荡。缠绕在旋涡发生体4上的金属线圈5也随之振荡。在旋涡发生体4两侧安装有两块极性相反的永磁铁(3，6)。无振荡情况下，穿过金属线圈5的磁通量是固定的。在金属线圈5振荡时，由于金属线圈5扫过的磁场面积发生周期性变化，磁通量随之发生周期性变化，于是金属线圈5中产生了交流电。金属线圈5的两个端子通过壳体1上的小孔引出。

Claims (6)

1.一种交流电流发生装置，包括壳体，其特征在于，其中所述壳体的两端设置有入口端和出口端，所述壳体内部由柔性上支撑和柔性下支撑活动连接有旋涡发生体，所述旋涡发生体的两侧均设置有永磁铁，所述旋涡发生体一侧永磁铁的N极与另一侧永磁铁的S极相对应，所述永磁铁的高度不超过壳体内腔高度的二分之一；所述旋涡发生体的外表面缠有金属线圈。

2.根据权利要求1所述的交流电流发生装置，其特征在于，所述壳体为管状。

3.根据权利要求1所述的交流电流发生装置，其特征在于，所述旋涡发生体的外形是柱状的、薄壁中空的、两端敞口的。

4.根据权利要求1所述的交流电流发生装置，其特征在于，所述旋涡发生体横截面是梯形。

5.根据权利要求1所述的交流电流发生装置，其特征在于，所述旋涡发生体由非金属材料制成。

6.根据权利要求1所述的交流电流发生装置，其特征在于，柔性上支撑和柔性下支撑由弹簧构成。

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