CN100337023C - 用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机，是对利用海洋潮流和江河水流动能工作的水轮机结构的改造，属液力机械和液力发动机领域。它包括一套水轮机座、一根主轴、一个或两个转盘箱、若干个叶片、叶片轴以及与之配套的叶片轴承座、弹簧及相关附件。本发明用简单的弹簧机构代替了摆线式可变攻角直叶水轮机的叶片控制机构，从而简化了结构，减少了变攻角时的能耗，增加了系统工作的可靠性，维护保养方便。而且在潮流方向稳定后(无论涨潮还是退潮)，叶片在水轮机旋转的不同位置借助弹簧力可自主地将叶片的攻角调整至较佳值，进而改善了水轮机的性能曲线，使之接近于机构复杂的摆线式可变攻角的直叶水轮机，性能价格比可提高30%左右。

Description

用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机
技术领域
本发明涉及一种用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机，是对利用海洋潮流和江河水流动能工作的水轮机结构的改造，属液力机械和液力发动机领域。
背景技术
目前，在海洋能应用的技术领域中，潮流能水轮机有横轴旋桨式、横轴直叶式、竖轴环式和竖轴直叶式等几种。亦可根据叶片攻角的可调性区分为固定攻角式和可变攻角式。固定攻角式直叶水轮机结构简单，但能量利用率(即水轮机旋转动能与潮流动能之比)低，且憩流后的启动力矩小。为此人们研制了可变攻角式直叶水轮机，如摆线式直叶水轮机。但它在提高能量利用率的同时也带来一些其他问题，如：叶片攻角调整机构复杂，特别是在潮流方向改变(涨潮、退潮)时，需改变叶片前缘的方向，并伴有能量的损耗，系统的可靠性差，性能价格比低，维护和保养不方便。
国外科技文献《Energe Conversion & Management》41(2000)1811-1827“Streamtube model for analysis of vertical axis variable pitch turbinefor marine currents energy conversion”一文中详细介绍了一种具有Voith-Schneider(VS)推进器的垂直轴可变螺距水轮机(vertical axisvariable pitch turbine)的结构、性能和优缺点。在水轮机工作过程中，该结构保证各个翼型弦线的法线始终相交于横断面内的一点P，称之为运动极点，亦称之为VS推进器的操纵(控制)中心。其性能曲线如文献中图6所示。其缺点是叶片摆动系统机构复杂，成本高。改进办法是采用液压凸轮环(ring-cam hydraulics)，详见该文参考文献[4]。国内《哈尔滨船舶工程学院学报》1991年第12卷第3期“1kw直叶片摆线式水轮机凸轮机构的设计与研究”一文对其亦有详述。
发明内容
本发明的目的是公开一种用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机，属可变攻角直叶式水轮机。它用简单的弹簧机构代替了摆线式可变攻角直叶水轮机的叶片控制机构，从而简化了结构，减少了变攻角时的能耗，增加了系统工作的可靠性，提高了性能价格比，维护保养方便。而且在潮流方向稳定后(无论涨潮还是退潮)，叶片在水轮机旋转的不同位置借助弹簧力可自主地将叶片的攻角调整至较佳值，进而改善了水轮机的性能曲线，使之接近于机构复杂的摆线式可变攻角的直叶水轮机。
本发明可采用下述两种技术方案。
用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机的第一种技术方案是用螺旋弹簧控制叶片的攻角，它包括一套水轮机机座、一根主轴、一个转盘箱、若干个叶片、叶片轴以及与之配套的叶片轴承座、摆杆、铰支座、导杆、螺旋弹簧、滑套和滑套座。其中，具有矩形断面的圆形、中空转盘箱借助中轴线处固装的主轴插装在水轮机机座内的轴承中，可绕其中轴线自由转动。若干个梯形或矩形直叶式叶片上沿纵向安装的叶片轴轴头插装在中空转盘箱内、靠近外圆周壁、沿纵向安装的叶片轴承座中。叶片裸露在转盘箱之外，且可借助叶片轴和叶片轴承座自由转动。在转盘箱内，每组叶片轴承座间的叶片轴上均沿轴的径向固装一根长度适当的摆杆，摆杆应与叶片翼型断面弦线垂直。摆杆的另一端两侧各固装一个铰支座。每根从铰支座上引出的导杆均在套装一个长度、刚度适当的螺旋弹簧后插入一个滑套中，每个滑套借助两侧的轴头均可在固定于转盘箱内适当位置上的滑套座内自由转动。
第二种技术方案是用板式弹簧控制叶片的攻角，同时为了减小叶片轴的变形，在每个叶片的另一端也加装叶片轴和支承，即采用双层转盘箱结构。为此，加长第一种技术方案中的主轴，主轴上端仍插装在水轮机机座的轴承孔内。并在其下端再加装一套下转盘箱。梯形或矩形叶片两端的叶片轴轴头分别插装在上、下两层中空转盘箱中的叶片轴承座内。将摆杆改换成刚度适当、可产生横向变形的板式弹簧。取消第一种技术方案中的铰支座、导杆、螺旋弹簧、滑套和滑套座。叶片轴的每个轴头都与一根板式弹簧的一端固连，另一端用两个板簧夹轮限位，并作为板式弹簧该端的滑动支座，每个板簧夹轮均借助两侧的轴头可在固定于转盘箱内适当位置上的夹轮座内自由转动。
在两种技术方案中叶片的安装初始位置是叶片翼型断面的弦线与转盘箱该处的圆周线相切，即摆杆或板式弹簧处于圆形中空转盘箱的径向位置。
工作时，水轮机主轴轴线与水面垂直，叶片潜入水中。涨潮或退潮时潮流沿转盘箱径向与主轴轴线垂直。一旦有潮流，所有叶片上升力的合力会使水轮机旋转，在旋转过程中作用于每个叶片上的合力与弹簧力的平衡状态将时时改变，由于叶片轴位于叶片翼型断面前缘和压力中心之间，叶片的攻角也将时时改变。分析表明：本发明的能量利用率接近于结构复杂的摆线式直叶片变攻角水轮机。性能价格比较摆线式直叶片水轮机可提高30％。
附图说明
图1用螺旋弹簧控制叶片攻角的水轮机结构示意图
图2用螺旋弹簧控制叶片攻角的水轮机结构A-A剖面图
图3用板式弹簧控制叶片攻角的水轮机结构示意图
图4用板式弹簧控制叶片攻角的水轮机局部放大主视图
图5用板式弹簧控制叶片攻角的水轮机局部放大俯视图
图6三种形式水轮机能量利用率比较图
具体实施方式
下面给出本发明实施的两种优选方案，并结合附图加以说明。
用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机的第一种技术方案如图1、2所示，是用螺旋弹簧控制叶片的攻角，它包括一套水轮机机座(1)、一根主轴(2)、一个转盘箱(3)、若干个叶片(4)、叶片轴(5)以及与之配套的叶片轴承座(12)、摆杆(6)、铰支座(7)、导杆(8)、螺旋弹簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)。其中，具有矩形断面的圆形、中空转盘箱(3)借助中轴线处固装的主轴(2)插装在水轮机机座(1)内的轴承中，可绕其中轴线自由转动。若干个梯形或矩形直叶式叶片(4)上沿纵向安装的叶片轴(5)轴头插装在中空转盘箱(3)内、靠近外圆周壁、沿纵向安装的叶片轴承座(12)中。叶片裸露在转盘箱之外，且可借助叶片轴(5)和叶片轴承座(12)自由转动。在转盘箱(3)内，每组叶片轴承座(12)间的叶片轴(5)上均沿轴的径向固装一根长度适当的摆杆(6)，摆杆(6)应与叶片(4)翼型断面弦线垂直。摆杆(6)的另一端两侧各固装一个铰支座(7)。每根从铰支座(7)上引出的导杆(8)均在套装一个长度、刚度适当的螺旋弹簧(9)后插入一个滑套(10)中，每个滑套(10)借助两侧的轴头均可在固定于转盘箱(3)内适当位置上的滑套座(11)内自由转动。
第二种技术方案如图3、4、5所示，是用板式弹簧控制叶片的攻角，它包括水轮机机座(1)、主轴(2′)、上转盘箱(31)、若干个叶片(4)、叶片轴(5)及与之配套的叶片轴承座(12)、板式弹簧(6′)、夹轮(7′)和夹轮座(11′)。将第一种技术方案中的主轴(2)加长为主轴(2′)，并在其下端加装下转盘箱(32)，主轴(2′)上端仍插装在水轮机机座(1)的轴承孔内；摆杆(6)改换成刚度适当、可产生横向变形的板式弹簧(6′)。若干个梯形或矩形叶片(4)两端的叶片轴(5)插装在上、下两层中空转盘箱(31)和(32)中的叶片轴承座(12)内。取消第一种技术方案中的铰支座(7)、导杆(8)、螺旋弹簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)。每个叶片轴(5)都与一根板式弹簧(6′)的一端固连，另一端用两个板簧夹轮(7′)限位，并作为板式弹簧(6′)该端的滑动支座，每个板簧夹轮(7′)均借助两侧的轴头可在固定于上转盘箱(31)和下转盘箱(32)内适当位置上的夹轮座(11′)内自由转动。
在两种技术方案中叶片(4)的安装初始位置是叶片(4)翼型断面的弦线与转盘箱(3)或上转盘箱(31)和下转盘箱(32)在该处的圆周线相切，即摆杆(6)或板式弹簧(6′)处于圆形中空转盘箱(3)或上转盘箱(31)和下转盘箱(32)的径向位置。
工作时，水轮机主轴(2)或加长的主轴(2′)轴线与水面垂直，叶片(4)潜入水中。涨潮或退潮时，潮流沿转盘箱(3)或上转盘箱(31)和下转盘箱(32)径向与主轴(2)或加长的主轴(2′)轴线垂直。一旦有潮流，所有叶片(4)上升力的合力会使水轮机旋转，在旋转过程中作用于每个叶片(4)上的合力与弹簧力的平衡状态时时改变，由于叶片轴(5)位于叶片翼型断面前缘和压力中心之间，叶片(4)的攻角也时时改变。分析表明：本发明的能量利用率接近于结构复杂的摆线式直叶片水轮机，参见附图6。图6给出了摆线式直叶片水轮机、弹簧控制叶片攻角的水轮机和固定叶片式水轮机的能量利用率对比曲线，其对应的曲线标号分别为6-1、6-2和6-3。
本发明是一种可变攻角直叶式水轮机。它用简单的弹簧机构代替了摆线式可变攻角直叶水轮机的叶片控制机构，从而简化了结构，减少了变攻角时的能耗，增加了系统工作的可靠性，提高了性能价格比，维护保养方便。而且在潮流方向稳定后(无论涨潮还是退潮)，叶片在水轮机旋转的不同位置借助弹簧力可自主地将叶片的攻角调整至较佳值，进而提高了水轮机的能量利用率，使之接近于机构复杂的摆线式可变攻角的直叶水轮机，性能价格比较摆线式直叶片水轮机可提高30％。

Claims (2)

1.一种用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机，它包括水轮机机座(1)、主轴(2)、转盘箱(3)、若干个叶片(4)、叶片轴(5)以及与之配套的叶片轴承座(12)；其特征在于它还装有摆杆(6)、铰支座(7)、导杆(8)、螺旋弹簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)；其中，具有矩形断面的圆形、中空转盘箱(3)借助中轴线处固装的主轴(2)插装在水轮机机座(1)内的轴承中，可绕其中轴线自由转动，若干个梯形或矩形直叶式叶片(4)上沿纵向安装的叶片轴(5)轴头插装在中空转盘箱(3)内、靠近外圆周壁、沿轴向安装的叶片轴承座(12)中，叶片裸露在转盘箱之外，且可借助叶片轴(5)和叶片轴承座(12)自由转动；在转盘箱(3)内，每组叶片轴承座(12)间的叶片轴(5)上均沿轴的径向固装一根长度适当的摆杆(6)，摆杆(6)应与叶片(4)翼型断面弦线垂直，摆杆(6)的另一端两侧各固装一个铰支座(7)；每根从铰支座(7)上引出的导杆(8)均在套装一个长度、刚度适当的螺旋弹簧(9)后插入一个滑套(10)中，每个滑套(10)借助两侧的轴头均可在固定于转盘箱(3)内适当位置上的滑套座(11)内自由转动。
2.一种用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机，它包括水轮机机座(1)、主轴(2′)、上转盘箱(31)、若干个叶片(4)、叶片轴(5)及与之配套的叶片轴承座(12)；其特征在于它还装有板式弹簧(6′)、夹轮(7′)和夹轮座(11′)；将权利要求1中的主轴(2)加长为主轴(2′)，主轴(2′)上端仍插装在水轮机机座(1)的轴承孔中，并在其下端加装下转盘箱(32)，若干个梯形或矩形叶片(4)两端的叶片轴(5)插装在上、下两层中空转盘箱(31)和(32)的叶片轴承座(12)内；每个叶片轴(5)都与一根板式弹簧(6′)的一端固连，另一端用两个板簧夹轮(7′)限位，每个板簧夹轮(7′)均借助两侧的轴头可在固定于上、下转盘箱(31)和(32)内适当位置上的夹轮座(11′)内自由转动。
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Assignee: Institute for Engineering Technology Design, College of Shipbuilding Engineering

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Contract fulfillment period: 2008.8.20 to 2013.8.20 contract change

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Denomination of invention: Self-adaptable straight-vaned pitch variable water turbine for tidal energy conversion

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Record date: 2008.9.28

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