CN101988463B

CN101988463B - 一种垂直轴潮流发电装置

Info

Publication number: CN101988463B
Application number: CN2010105562401A
Authority: CN
Inventors: 张亮; 马勇; 张楠; 张学伟; 盛其虎
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN101988463A

Abstract

本发明提供的是一种垂直轴潮流发电装置。包括上层平台部分、支撑框架部分、叶轮部分三个模块；上层平台部分主要包括发电机、齿轮箱、水平连接轴、支撑平台、支柱和垂直连接轴；支撑框架部分由上框架板、下框架板、左框架板和右框架板连接组成；叶轮部分包括主轴、轮辐套、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置。本发明提供了一种具有较好启动和发电性能，具有较好的结构强度，可向大型化方向发展，可应用于浮式平台下、桩基础和张力退上，方便生产、制造、安装和调试，适合工程应用的高性能垂直轴潮流发电装置。

Description

一种垂直轴潮流发电装置

技术领域

本发明涉及的是一种垂直轴潮流发电装置，属于液力机械和液力发电机领域。

背景技术

潮流能是指海水流动的动能，主要是海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动。潮流能作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。我国可开发潮流能资源居世界之首，如何利用潮流能资源具有重要的现实意义。

潮流能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电和常规水力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的动能转换成电能。潮流能转换装置大多采用水轮机形式，水平流动的海水冲击叶轮将水流的动能转换为水轮机旋转的机械能，水轮机经机械传动系统带动发电机发电，最终转换为电能。

目前，潮流能发电装置按叶轮结构形式可分为水平轴式和垂直轴式。垂直轴式潮流发电装置叶轮的旋转轴垂直于水流方向和海平面。与水平轴式潮流装置相比，垂直轴潮流发电装置的叶轮启动方便，对水深要求不高，工作时不受来流方向改变的影响，控制机构相对简单，而且效率较高，因而得到广泛的关注和研究。哈尔滨工程大学开展潮流能发电研究多年，总结得出传统的垂直轴潮流发电装置在发电时存在如下问题：(1)叶轮主轴单支撑转动时，主轴弯矩载荷较大，对主轴结构强度要求较高。叶轮主轴双支撑转动时，因装置变形，主轴摩阻增大，影响潮流发电装置启动和发电性能；(2)固定叶片式垂直轴潮流发电装置叶轮自启动性能和发电性能相对较差；(3)大型垂直轴潮流发电装置叶轮及主轴的垂向自重载荷和水平冲击载荷较大，对叶轮及主轴结构强度要求较高，装置不适合向大型化方向发展；(4)应用平台和使用环境单一，不利于规模化生产和应用。

公开号为CN 101705904A的专利文件中公开了一种大功率垂直轴潮流发电装置。重力式塔柱基座与塔柱之间通过万向球铰连接，机舱安装在塔柱顶端，机舱外缘分布有锚链板眼用缆绳将浮桶与锚链接在锚上，水轮机主轴套在塔柱上，水轮机主轴的两端设置有轴承，水轮机叶片由轮辐均布固定在主轴的轴毂上，主轴上的伞形齿轮在机舱内与发电机轴上的小伞齿轮咬合，主轴的上端与机舱下壁及塔柱加装密封轴套，机座与万向球铰之间由法兰盘连接，本发明为沿海和众多岛屿及偏远地区，尤其是国家电网覆盖不到海岛居民提供生产生活需要的清洁的可再生能源，发挥积极社会效益。公开号为CN 101705904A发明专利的大功率垂直轴潮流发电装置与本发明专利的一种高性能垂直轴潮流发电装置在结构组成和形式、应用平台和环境以及具体工作方式和性能上存在明显不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较好启动和发电性能，具有较好的结构强度，可向大型化方向发展的垂直轴潮流发电装置。

本发明的垂直轴潮流发电装置包括上层平台部分、支撑框架部分、叶轮部分三个模块；上层平台部分主要包括发电机、齿轮箱、水平连接轴、支撑平台、支柱和垂直连接轴，支撑平台通过支柱固定于支撑框架部分的上框架板上，发电机和齿轮箱设置于支撑平台，齿轮箱和发电机之间通过水平连接轴连接，垂直连接轴设置于齿轮箱的下方，垂直连接轴连接叶轮部分的主轴；支撑框架部分由上框架板、下框架板、左框架板和右框架板连接组成；叶轮部分包括主轴、轮辐套、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置，主轴的上、中、下三个位置分别设置轮辐套，每个轮辐套上对称设有相同数目的轮辐，轮辐一端通过轮辐轴固定于轮辐套上、另一端通过轮辐轴固定于轮圈内侧，叶片两端通过叶片轴限位于轮圈上，每个叶片轴上端设有自适应控攻角装置。

本发明还可以包括：

1、所述的轮幅为流线型。

2、所述自适应控攻角装置安装于叶片轴上的回转杆、固定于轮辐上的限位柱、位于限位柱和回转杆之间的弹簧。

3、上、下框架板上设有柔性轴承。

4、上、下框架板的两端分别设有安装接口。

本发明提供了一种具有较好启动和发电性能，具有较好的结构强度，可向大型化方向发展，可应用于浮式平台下、桩基础和张力退上，方便生产、制造、安装和调试，适合工程应用的高性能垂直轴潮流发电装置。

上层平台部分包括发电机、发电机座、齿轮箱、齿轮箱座、水平连接轴、支撑平台、支柱、旋转螺栓、垂直连接轴和垂直连接轴法兰。支撑平台由支柱支撑，通过旋转螺栓固定于上框架板上。支撑平台上设有发电机和齿轮箱，发电机用于将机械能转换成电能，齿轮箱用于改变机械传动的方向和速度，使发电机具有较高的发电性能。齿轮箱和发电机通过水平连接轴连接。发电机上设有发电机座，齿轮箱上设有齿轮箱座，发电机通过发电机座与支撑平台连接，齿轮箱通过齿轮箱座与支撑平台连接。齿轮箱的下方设有垂直连接轴，垂直连接轴上设有垂直连接轴法兰，垂直连接轴法兰上设有垂直连接轴法兰连接孔，用于连接叶轮部分。

支撑框架部分具有支撑上层平台和叶轮部分的作用。支撑框架包括上框架板、下框架板、左框架板、右框架板和柔性轴承。上、下框架板上设有柔性轴承，柔性轴承用来克服支撑框架微小变形造成主轴转动摩阻增大的问题，具有连接和支撑主轴的作用。上、下框架板的两端分别设有安装接口，安装接口用于与浮式平台、桩基础以及张力腿的安装连接，使应用平台和应用环境多元化。上框架板上还设有上层平台连接螺孔，用于连接上层平台部分。

叶轮部分包括主轴、轮辐套、主轴连接法兰、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置。叶轮部分主轴的上、中、下三个位置分别设有轮辐套，轮辐套用来连接主轴和轮辐轴，与主轴焊接连接。每个轮辐套上对称设有相同数目的轮辐，轮幅为流线型，一端通过轮辐轴焊接于轮辐套上，另一端通过轮辐轴焊接于轮圈内侧，轮辐及轮辐轴增强了结构强度的同时减小了扰流干扰。叶片两端通过叶片轴限位于轮圈上，叶片轴能够在轮圈上自由转动。每个叶片轴上端设有自适应控攻角装置，它包括弹簧、限位柱和回转杆。自适应控攻角装置可借助弹簧力自主地将叶片的攻角调致最佳值，提高叶轮的水动力性能，进而提高装置的发电性能。

本发明具有如下特点：(1)采用柔性轴承设计，双支撑转动，降低了主轴弯矩载荷和摩阻，提高了叶轮的启动和发电性能；(2)采用了自适应控攻角叶片设计，提高了叶轮的启动性能和发电效率；(3)上、下轮圈及上、中、下流线型轮辐的设计，支撑框架部分双支撑转动设计，提高了叶轮及整套装置的结构强度，增大装置的水平最大载荷能力，提高了装置对自身重量的承载能力，使垂直轴潮流发电装置适合向大型化方向发展；(4)采用了安装接口模式，可安装于浮式平台下、桩基础上和各种张力退上，使应用平台和应用环境多远化；(5)采用了模块化结构，方便生产、制造、安装和调试。

附图说明

图1高性能垂直轴潮流发电装置结构总图；

图2上层平台部分结构图；

图3支撑框架部分结构图；

图4叶轮部分结构图；

图5自适应控攻角装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进行详细说明：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明专利包括上层平台部分、支撑框架部分和叶轮部分三个模块。

上层平台部分包括一台发电机1、一根水平连接轴2、一个齿轮箱3、一个齿轮箱座4、一个支撑平台5、六根支柱6、一个发电机座7、六根旋转螺栓8、一个垂直连接轴法兰9、和一个垂直连接轴11。支撑平台5由六根支柱6支撑，通过六个旋转螺栓8固定于上框架板12上。支撑平台5的左端设有发电机1，右端设有齿轮箱3。齿轮箱3和发电机1通过水平连接轴2连接。发电机1上设有发电机座7，齿轮箱3上设有齿轮箱座4，发电机1通过发电机座7与支撑平台5连接，齿轮箱3通过齿轮箱座4与支撑平台5连接。齿轮箱3的下方设有垂直连接轴11，垂直连接轴11上设有垂直连接轴法兰9，垂直连接轴法兰9上设有垂直连接轴法兰连接孔10，用于连接叶轮部分。

支撑框架部分包括一个上框架板12、一个下框架板13、一个左框架板14、一个右框架板15和两个柔性轴承16。上框架板12和下框架板13的中部分别设有柔性轴承16，柔性轴承16用于连接和支撑主轴19，同时用来减小支撑框架微小变形增大的主轴19摩阻。上框架板12和下框架板13的两端分别设有安装接口18，安装接口18用于与浮式平台、桩基础或张力退的连接。上框架板12还设有上层平台连接螺孔17，上层平台连接螺孔17用于连接旋转螺栓8。

叶轮部分包括一根主轴19、三个轮辐套20、一个主轴连接法兰21、九个轮辐23、九个轮辐轴24、三个叶片25、三个叶片轴26、两个轮圈27和三套自适应控攻角装置。主轴19的上、中、下三个位置分别设有轮辐套20，轮辐套20与主轴19焊接连接，每个轮辐套20上对称设有相同数目的轮辐23，轮幅23一端通过轮辐轴24焊接于轮辐套20上，另一端通过轮辐轴24焊接于轮圈27的内侧。主轴19的上端设有主轴连接法兰21，主轴连接法兰21上设有主轴法兰连接孔22，用于连接垂直连接轴法兰9。叶片25两端通过叶片轴26限位于轮圈27上，叶片轴26能够在轮圈27上自由转动。每个叶片轴26上端设有自适应控攻角装置，它包括一个回转杆28、两个限位柱29、两根弹簧30。自适应控攻角装置可借助弹簧30力自主地将叶片25的攻角调致最佳值，提高叶轮的水动力性能。

工作时，水平流动的潮流冲击叶轮叶片25，叶片25通过叶片轴26在水流外力和弹簧30力的作用下发生偏转，当叶片25偏转一定角度后，叶轮自启动，叶片25经轮辐轴24、轮辐23、轮辐套20传递推动主轴19旋转，主轴19经主轴连接法兰21、垂直连接轴法兰9、垂直连接轴11，通过齿轮箱3垂直变向和变速作用后，由水平连接轴2带动支撑平台5上的发电机1发电，将水流的动能转换为电能。

Claims

1.一种垂直轴潮流发电装置，包括上层平台部分、支撑框架部分、叶轮部分三个模块；其特征是：上层平台部分主要包括发电机、齿轮箱、水平连接轴、支撑平台、支柱和垂直连接轴，支撑平台通过支柱固定于支撑框架部分的上框架板上，发电机和齿轮箱设置于支撑平台，齿轮箱和发电机之间通过水平连接轴连接，垂直连接轴设置于齿轮箱的下方，垂直连接轴连接叶轮部分的主轴；支撑框架部分由上框架板、下框架板、左框架板和右框架板连接组成；叶轮部分包括主轴、轮辐套、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置，主轴的上、中、下三个位置分别设置轮辐套，每个轮辐套上对称设有相同数目的轮辐，轮辐一端通过轮辐轴固定于轮辐套上、另一端通过轮辐轴固定于轮圈内侧，叶片两端通过叶片轴限位于轮圈上，每个叶片轴上端设有自适应控攻角装置；所述自适应控攻角装置包括安装于叶片轴上的回转杆、固定于轮辐上的限位柱，以及位于限位柱和回转杆之间的弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴潮流发电装置，其特征是：所述的轮幅为流线型。

3.根据权利要求1或2所述的一种垂直轴潮流发电装置，其特征是：上、下框架板上设有柔性轴承。

4.根据权利要求1或2所述的一种垂直轴潮流发电装置，其特征是：上、下框架板的两端分别设有安装接口。

5.根据权利要求3所述的一种垂直轴潮流发电装置，其特征是：上、下框架板的两端分别设有安装接口。