一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法技术

本发明专利技术公开了一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法。兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，浮体外部通过锚索连接沉块锚泊于海床中，浮体上部布置有检修通道，内部设有波能转化相关构造，包含有气室、空气透平、透平支架、联动轴、发电机、垫层及气室内水体；一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤实现方法，包含有以下步骤：防波堤布置过程、浮体削减波浪作用过程、波浪能转化输出过程和检修过程。本发明专利技术在保持浮式防波堤原有挡浪消波功能的基础上，利用气室内水体振荡设计实现波能转化功能，波能转化过程动力输出连续，可靠性好；防波堤受力设计合理，耐久性良好；同时建设成本低廉，工程投产优势明显。

A floating breakwater which takes into account the wave energy conversion function of the inner oscillating water column and its method

The invention discloses a floating breakwater and method which takes into account the function of the wave energy conversion of the inner oscillating water column. Floating breakwater can transform function of OWC wave both internal and external floating body connected by the anchor mooring sinker on the seabed, the floating body is arranged inside the upper maintenance channel, a wave energy conversion related structures, including air chamber, air turbine, turbine, generator bracket, axis, cushion and indoor gas water; a realization method of floating breakwater in both water column oscillation wave energy conversion function, includes the following steps: breakwater, floating body cut wave process, can transform the output process and repair process. While maintaining the original floating breakwater wave wave function based on the realization of wave energy conversion function by gas chamber oscillation design, wave energy conversion process of continuous power output, good reliability; breakwater stress reasonable design, good durability and low cost; the construction project is put into operation, obvious advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法
本专利技术涉及海岸工程领域，具体涉及一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法。
技术介绍
波浪所蕴涵的能量主要指海洋表面波浪所具有的动能和势能，在海洋中波浪能储量十分巨大，全球可开发的波浪能年储量可达2TW，可见波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，同时波浪能还是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。针对自然界存在的如此丰富的优质可再生能源，人类开发设计了多种波浪能转化利用装置，其中，振荡水柱波浪发电装置因其具有结构简单、性能可靠等优点而成为目前世界上应用最为成功的波浪能转换装置。在近海工程领域中，防波堤起着削减波浪作用效果，耗散波浪能量的作用；而波能转化装置正起着波能捕获和能量转化的作用，将防波堤设计建设与波能转化利用装置相结合进行复合功能防波堤建设可以充分利用波浪资源，降低工程成本，实现传统海岸工程建筑物的复合功能化利用。在近海工程中将波浪能转化装置和防波堤设计建设相结合是未来海岸、近海工程的发展趋势。在兼顾波能转化功能的浮式防波堤建设领域，已出现了一些结合波能转化功能的有复合功能的浮式防波堤设计方案，可以在实现浮式防波堤挡浪消波作用效果的同时实现一定程度的波能转化过程，但兼顾波能转化功能的浮式防波堤设计方案大多仅停留在试验阶段，耐久性及可靠性相对较差；已有结合振荡水柱波能利用技术的浮式防波堤设计方案中，防波堤断面结构设计又往往十分复杂，作为工程结构选型投入使用时成本昂贵。在已公开的涉及兼顾波能转化功能防波堤的相关方案中，尚未有关注采用浮体内水柱振荡带动空气运动继而推动空气透平运动进而发电同时兼顾防波堤挡浪消波功能的技术方案，因此，有必要寻求可靠性更强、波能转化过程可控性明显同时消波效果更为良好的结合振荡水柱波能利用原理的新式防波堤技术方案，使兼顾波能转化功能的浮防波堤设计断面结构设计合理，结构稳定性强，同时兼顾良好的消浪效果和可靠的波能转化效果。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供了一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤及方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，由气室、空气透平、透平支架、联动轴、垫层、检修通道、发电机、浮体、气室内水体、锚索和沉块构成。所述浮体外部通过锚索连接至沉块锚泊于海床中，浮体上部布置有检修通道，内部设有内部构造，包含有气室、空气透平、透平支架、联动轴、发电机、垫层及气室内水体；所述气室位于浮体内，作为浮体内预设的内部构造在浮体内侧视断面上呈环形排布，气室下部呈宽扁状连通形成气室内宽扁形通道，气室上部呈圆柱状连通形成通道面积小于宽扁形通道的圆柱形通道，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧相互连通，形成对称分布的两个竖直通道；所述气室内水体位于气室内下部区域，充盈于宽扁形通道与两侧竖直通道下部；所述空气透平位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架与浮体连接予以固定位置并限制位移，空气透平中心动力输出端通过联动轴与安置于浮体内的发电机相连接；所述透平支架布置于气室内圆柱形通道内空气透平所在位置，上部固定于气室圆柱形通道上侧，下部固定于气室圆柱形通道下侧，上下均与浮体牢固连接，中间与空气透平支撑处连接，限制空气透平在气室内圆柱形通道内的除转动之外的其他运动形式；所述发电机布置于气室外侧的浮体结构内，通过联动轴与位于气室内的空气透平相连接以实现动力输出；所述垫层位于联动轴与发电机连接段与浮体接触处；所述联动轴主体位于气室内圆柱形通道中，一侧连接至空气透平中心动力输出端，另一侧通过垫层与浮体接触并在端点处连接至位于浮体内的发电机，用以实现空气透平运动与发电机运动之间的动力传导。进一步的，所述浮体为预留有特殊形状中空区域以形成气室结构的浮箱式浮体，为预制钢筋混凝土结构，气室中各处气密性良好，浮体结构内部形成的气室结构各内角均作圆滑修圆处理，气室上部充盈空气作为浮体结构整体的浮力支撑，通过在浮体内气室下部注水淹没宽扁形通道至水体充盈至气室两侧竖直通道中形成充水的类U型水槽结构以使结构重心降低，浮体内部不需设置压载层，浮体长度、高度需结合防波堤建造处波浪和锚泊特性另行确定。进一步的，所述空气透平为威尔士透平，位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架固定位置，在气室内水体振荡引起气体往复运动带动透平运动时空气透平以联动轴为转动轴心转动，继而输出动力至发电机；所述空气透平轴线与圆柱形通道中轴线走向一致，同时与联动轴轴线走向一致，空气透平与联动轴、发电机转子在运动时位于一个运动平面内，空气透平、联动轴及发电机之间运动的传导状态与浮体其他位置没有接触性关联。进一步的，所述气室在浮体内呈环形排布，气室下部宽扁形通道断面呈宽扁状，气室上部圆柱形通道断面呈圆柱状，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧通过竖直通道相互连通；所述圆柱形通道断面面积小于宽扁形通道断面及竖直通道断面面积，即自竖直通道连通至圆柱形通道气室断面形状变化有一个断面面积收缩过程，形成在圆柱形通道两端与竖直通道衔接处形成自外向内的收缩通道，以在气室中气体向圆柱形通道流动时形成引导气体流动方向并产生气流集中。进一步的，所述联动轴一侧连接至空气透平，另一侧连接至位于浮体内的发电机，联动轴在圆柱形通道及竖直通道内与侧壁均无接触，联动轴与浮体接触处通过垫层与浮体连接；所述垫层为环形套筒状结构，与联动轴间隙中涂有润滑物，垫层存在对联动轴运动阻尼作用可忽略不计，垫层与浮体接触端牢固紧密连接，保持各接触处均不透气，气室整体气密性良好。进一步的，所述检修通道布置于浮体内空气透平、联动轴及发电机上方对应浮体区域，在检修通道封闭时即封闭气室，保持气室内气密性良好。进一步的，所述气室内水体根据工程情况选择特殊用水或者经净化的普通海水，水体充盈于宽扁形通道及两侧竖直通道下部，在与气室内空气接触面另设置有一定厚度的油层用以将气室内水体与气室内空气分隔；工程投入使用前气室内水体注水量需根据浮体稳定性及振荡水柱波能转化效率情况并结合物理模型试验进行进一步确定进一步的，所述浮体需间隔一定间距布置，布置间距需结合波况确定；所述浮体通过锚索锚系至海底的沉块中，采用平行型松弛式锚泊方式锚泊，允许浮体在波浪作用下在竖直方向上在一定范围内运动并回至初始位置，每个浮体采用1对锚索锚泊。一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤的实现方法如下：a.防波堤布置过程；将防波堤安放至预定海域，将浮体通过锚索连接沉块，将防波堤位置予以固定；结合防波堤投放点的波浪、水深及浮体所需压载情况向浮体中注入合适数量的水体，封闭检修通道，防波堤布置完成投入使用。b.浮体削减波浪作用过程；波浪作用至浮体结构，浮体反射部分入射波浪的能量到来波方向，衰减透射波；浮体结构通过摩擦作用对波浪的能量还具有一定的吸收作用，衰减波浪能量；浮体在波浪作用下发生一定幅度范围内上下摆动的运动过程，浮体运动产生辐射波使辐射波入射波叠加衰减波浪；浮体内水体振荡运动过程即波浪力做功过程，即通过波浪力做功对波浪所具有能量进行进一步衰减。c.波浪能转化输出过程1)波峰作用至浮体：浮体在波浪作用下产生位移受限的摇摆性质运动，当波峰作用至浮体时，浮体迎浪侧随波峰到来升高，使浮体呈迎浪侧抬升的倾斜姿态，与浮体相比，水体运动呈运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于由浮体、锚索和沉块构成，所述浮体外部通过锚索连接至沉块锚泊于海床中，浮体上部布置有检修通道，浮体内部设有内部构造，内部构造包含有气室、空气透平、透平支架、联动轴、发电机、垫层及气室内水体；所述气室在浮体内侧视断面上呈环形排布；气室下部为宽扁形通道，气室上部为圆柱形通道，所述圆柱形通道面积小于宽扁形通道，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧相互连通，形成对称分布的两个竖直通道；气室内水体位于气室内下部区域，充盈于宽扁形通道与两侧竖直通道下部；空气透平位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架与浮体连接予以固定位置，空气透平中心动力输出端通过联动轴与安置于浮体内的发电机相连接；透平支架布置于气室内圆柱形通道内空气透平所在位置，上下部均与浮体牢固连接，发电机布置于气室外侧的浮体结构中；垫层位于联动轴与发电机连接段与浮体接触处；联动轴位于气室内圆柱形通道中，一侧连接至空气透平中心动力输出端，另一侧通过垫层与浮体接触并在端点处连接至位于浮体内的发电机。

【技术特征摘要】
1.一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于由浮体、锚索和沉块构成，所述浮体外部通过锚索连接至沉块锚泊于海床中，浮体上部布置有检修通道，浮体内部设有内部构造，内部构造包含有气室、空气透平、透平支架、联动轴、发电机、垫层及气室内水体；所述气室在浮体内侧视断面上呈环形排布；气室下部为宽扁形通道，气室上部为圆柱形通道，所述圆柱形通道面积小于宽扁形通道，圆柱形通道与宽扁形通道在两侧相互连通，形成对称分布的两个竖直通道；气室内水体位于气室内下部区域，充盈于宽扁形通道与两侧竖直通道下部；空气透平位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架与浮体连接予以固定位置，空气透平中心动力输出端通过联动轴与安置于浮体内的发电机相连接；透平支架布置于气室内圆柱形通道内空气透平所在位置，上下部均与浮体牢固连接，发电机布置于气室外侧的浮体结构中；垫层位于联动轴与发电机连接段与浮体接触处；联动轴位于气室内圆柱形通道中，一侧连接至空气透平中心动力输出端，另一侧通过垫层与浮体接触并在端点处连接至位于浮体内的发电机。2.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述浮体为浮箱式浮体，气室各内角均作圆滑修圆处理，气室上部充盈空气，在圆柱形通道两端与竖直通道衔接处设有自外向内的收缩通道。3.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述空气透平为威尔士透平，位于气室内圆柱形通道内，通过透平支架固定位置，空气透平轴线与圆柱形通道中轴线走向一致，同时与联动轴轴线走向一致。4.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述联动轴一侧连接至空气透平，另一侧连接至位于浮体内的发电机，联动轴在圆柱形通道及竖直通道内与侧壁均无接触，联动轴与浮体接触处通过垫层与浮体连接。5.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述气室内水体与气室内空气接触面设置有一定厚度的油层用以将气室内水体与气室内空气分隔。6.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述气室内水体为水、海水或着经净化的海水。7.根据权利要求1所述的一种兼顾内振荡水柱波能转化功能的浮式防波堤，其特征在于：所述的浮体采用平行型松弛式锚泊方式锚泊，每个浮体采用一对锚索锚泊。8.一种权利要求1所述浮式防波堤的内振荡水柱波能转化实现方法，其特征在于包括如下步骤：浮体削减波浪作用过程：波浪作用至浮体结构，浮体反射部分入射波浪的能量到来波方向，衰减透射波；浮体结构通过摩擦作用对波浪的能量进行吸收，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何方，冷杰，赵嘉俊，张华山，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33