CN102146867A - 多向自适应悬浮型潮流能水轮机 - Google Patents

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陈正寿
孙孟
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Abstract

多向自适应悬浮型潮流能水轮机，包括上平衡翼、下平衡翼、导流罩、涡轮叶片、发电机、连接固定杆和锚系环，上平衡翼和下平衡翼分别安装在导流罩的上方和下方，涡轮叶片固定于发电机的转子外侧，发电机通过连接固定杆固定在导流罩上，导流罩外侧安装有锚系环。导流罩本身具有自悬浮功能，具有良好的抗倾覆稳定性。本装置安装好后，悬浮系统可根据潮流流向变化做实时顺流姿态调整，保持来流方向与导流罩轴线一致，即与叶片旋转平面垂直，聚流效应非常显著，可确保潮流能发电系统在较小流速下具有可观的发电效率。

Description

多向自适应悬浮型潮流能水轮机
技术领域
本发明涉及一种潮流能水轮机，尤其是一种适用于海流速度不高且来流方向频繁变化海域的多向自适应悬浮型潮流能水轮机，属于海洋能源设备领域。
背景技术
潮流能是因潮汐涨落引起海水流动而产生的循环可再生的能量形式。潮流能的利用原理与风力发电相似，其发电装置被形象地比喻为 “水下风车”。由于海水的密度为空气的800 多倍，较为常见的2m/s 的海流能流密度便相当于风速为18.8m/s 的8 级大风。而且潮流主要是由月球引力作用引起，比太阳辐射不均引起的风能更有规律性。另外与潮汐能相比，潮流能利用还具有投资小、无需建造堤坝、环境负面影响小等优点。开发潮流能，发展可再生能源不仅是未来能源技术储备的战略需要，也是解决海岛地区能源供应短缺的不二选择。
英国的 SMD Hydrovision 公司设计了一种水下锚泊式轴流水轮机，命名为TidEL。该系统通过两条紧绷的锚系缆线固定于海底，翼形室和转子的浮力提供竖向缆线的张力，使系统在水下保持悬浮状态。特殊设计的变速恒频技术使TidEL 在各流速段均能达到最佳水动力性能；其叶片定倾角设计可有效简化涡轮结构，使系统总体成本降低；空心、密封翼形室既可为悬浮装置提供浮力，又可为保持系统平衡提供抗倾覆力矩；锚泊固定方式，使整套装置的柔性增强，易装易挪，且可以完全淹没于水中，然而该系统抵御海洋恶劣环境的能力相对较弱，主要体现为：一、涡轮叶片外围无防护设施，在高速潮流下，旋转叶片有碰触锚系缆线的危险；二、主要依靠翼形室和转子提供的浮力难以抵抗水流冲击造成的倾覆力矩，在海洋复杂环境中，其自调性能力较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种加装导流罩的多向自适应悬浮型潮流能水轮机。
本发明要解决的问题是现有轴流水轮发电机低流速下发电效率低及复杂来流方向下稳定性、自调性差的不足。
为实现本发明的目的，本实用新型采用的技术方案是：
本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机，包括上平衡翼、下平衡翼、导流罩、涡轮叶片、发电机、连接固定杆和锚系环，上平衡翼和下平衡翼分别安装在导流罩的上方和下方，涡轮叶片固定于发电机的转子外侧，发电机通过连接固定杆固定在导流罩上，导流罩外侧安装有锚系环。
每个导流罩内的连接固定杆有3-5根；涡轮叶片有3-6个叶片；导流罩为双向管状结构，内表面呈圆弧型，导流罩以中部剖面线A-A为基准，上部为完全空心体，主要用于为整个悬浮结构提供上浮力，导流罩下部为容积可调的空心体，其下端需填装配重物，浮力中心与重心在同一铅垂轴上，浮力中心在上，系统重心在下；配重物的填装重量应根据实际海况和发电效率要求确定，如水轮机安置地区常年海流较小，则要提高水轮机的发电效率需在导流罩下部填装少量配重物，这样可以保证悬浮结构基本处于洋流速度较高的上层。如水轮机安置海域常年海流速度较大，则需多填装配重物，保证悬浮结构在较大海流速度下处于近海底的低流速区，这样虽然降低了水轮机的发电效率，不过也同时降低了悬浮结构在极端海况下发生结构强度破坏的风险；配重物的增减还应参考结构稳定性要求，配重上限为设计最高海流速度下，保证悬浮结构不触底，配重下限为设计最低海流速度下，导流罩中轴线仍能保持与来流方向一致，即不因配重不足发生结构倾覆；上平衡翼为记忆钛合金空心体或玻璃钢空心体。
本装置通过锚系缆线系泊于洋流丰富的水域，缆线下端与水底桩基上端的套环相连接，套环可沿桩基轴线做360度自由转动；锚系缆线需足够长，其长度上限应保证在设计最低海流速度下悬浮装置不露出海面，并且不影响水面交通运输。
本发明的优点是：导流罩本身具有自悬浮功能，具有良好的抗倾覆稳定性。本装置安装好后，悬浮系统可根据潮流流向变化做实时顺流姿态调整，保持来流方向与导流罩轴线一致，即与叶片旋转平面垂直，聚流效应非常显著，可确保潮流能发电系统在较小流速下具有可观的发电效率。导流罩为双向管状结构，内表面呈圆弧型，顺流向前后两侧均喇叭状开口，开口直径相等，前喇叭开口结构起导流聚能作用，可增大涡轮所在平面处的来流速度，从而有效提高该水轮机系统的发电效率和低流速下的可启动性，后喇叭开口结构主要起到迅速扩散内部流体的作用，这种结构可进一步提高罩内流速和流场的稳定性，罩内流场优化效果明显。导流罩外围直径保持不变，其外表面光顺平滑，从而使得其周围流场稳定，流线顺直，悬浮系统稳定性增强，有效避免了普通双向管状聚流装置因中间段外径缩小导致的涡流现象。本装置在水中呈悬浮状态，因此可依据流速大小及方向变化在水深方向和水平面内做悬浮自适应调整，根据静力平衡的原理，在低海流速度下，系统自动上浮进入靠近海面的高流速区，保证水轮机系统具有可观的发电效率，在高海流速度下，系统自动下潜到靠近海底的低流速区，有效降低水轮叶片在强海流环境下发生折断的风险。上下两根平衡翼在水流方向上前后排列，上平衡翼位于下游侧，下平衡翼位于上游侧，这种排列方式可有效地抵抗悬浮装置在过高或过低海流速度下的倾覆力矩，从而提高本悬浮系统的抗倾覆性能。
附图说明
图1是本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机的立体图；
图2是本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机的主视图；
图3是本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机的后视图；
图4是本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机A-A面的剖视图；
图5是本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机的右视图；
图中：1、上平衡翼  2、导流罩  3、涡轮叶片  4、发电机   5、连接固定杆  6、锚系环   7、下平衡翼。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
如图所示，本发明多向自适应悬浮型潮流能水轮机为轴流式构造，包括上平衡翼1、导流罩2、涡轮叶片3、发电机4、连接固定杆5 、锚系环6和下平衡翼7，上平衡翼1和下平衡翼7分别安装于导流罩2的上方和下方，并在水流方向上前后排列，上平衡翼1位于导流罩2轴线的下游侧，下平衡翼7位于导流罩2轴线的上游侧，涡轮叶片3固定于发电机4的转子外侧，发电机4的机座通过连接固定杆5固定在导流罩2的内侧，导流罩2外侧安装有左右对称的一对锚系环6。
每个导流罩2内有三根连接固定杆5 ，用来固定发电机4的机座，连接固定杆5横断面为NACA-0012翼型，以发电机轴线为中心呈辐射型均匀排列，相互间夹角为120°；每个涡轮由三个涡轮叶片3构成，涡轮轴线与发电机4的轴线、导流罩2以及来流方向一致；导流罩2为双向管状结构，内表面呈双曲线型，型线流畅，阻水效应较小，顺流向前后两侧均喇叭状开口，开口直径相等，导流罩2以两侧开口为基准，覆盖一等直径的同材质圆筒，构成两个密封气室，气室外表面应保持光顺平滑，以增强悬浮系统在极端海况下的结构稳定性。以中部剖面线A-A为基准，导流罩2气室上部为完全空心体，下部为容积可调的空心体，配重物应固定于可调的空心体的最下端，重量应根据实际需要配置；上平衡翼1为记忆钛合金空心体，横断面为NACA-0008翼型；下平衡翼1为玻璃钢实心体，横断面为NACA-0008翼型；整个系统在海水中处于悬浮状态，上平衡翼1、下平衡翼7、导流罩2的左右两个空气室、水密型发电机的排水体积为整个设备提供浮力，其大小等于整套设备的自重、可调的空心体内的配重及锚系缆线的拉伸力在垂直方向的分量之和，从而使悬浮系统在各种海况下保持水下稳定发电状态。
当本设备安装完成后，通过两条长度相等的锚系缆线系泊于洋流丰富的水域，锚系缆线应足够长，其上端与自悬浮式导流罩2两侧的锚系环6相连，下端与水底桩基上端的套环相连接，套环可沿桩基轴线做360度自由转动。
此多向自适应悬浮型潮流能水轮机在洋流冲击下，涡轮叶片3绕发电机4轴线转动，带动发电机4发电。本装置由于是通过水下锚系缆线来实现软固定的，而且缆线下端连接的套环可沿桩基轴线做360度自由转动，因此当水流方向发生变化时，整个装置就会自动地随着水流方向在水平面内转动，使涡轮叶片3的转动平面始终与水流方向垂直，这样就可以实现在任何流速下都保持最大的发电效率，因此本装置具有良好的发电效率。

Claims (5)

1.自适应悬浮型潮流能水轮机，包括上平衡翼（1）、导流罩（2）、涡轮叶片（3）、发电机（4）、连接固定杆（5）、锚系环（6）和下平衡翼（7），其特征是：上平衡翼（1）和下平衡翼（7）分别安装在导流罩（2）的上方和下方，涡轮叶片（3）固定于发电机（4）的转子外侧，发电机（4）通过连接固定杆（5）固定在导流罩（2）上，导流罩（2）外侧安装有锚系环（6）。
2.根据权利要求1所述的自适应悬浮型潮流能水轮机，其特征是：所述每个导流罩（2）内的连接固定杆（4）有3-5根。
3.根据权利要求1所述的自适应悬浮型潮流能水轮机，其特征是：所述涡轮叶片（3）有3-6个叶片。
4.根据权利要求1所述的自适应悬浮型潮流能水轮机，其特征是：所述导流罩为双向管状结构，内表面呈圆弧型，导流罩以中部剖面线A-A为基准，上部为完全空心体，导流罩下部为容积可调的空心体。
5.根据权利要求1所述的自适应悬浮型潮流能水轮机，其特征是：所述上平衡翼（1）为记忆钛合金空心体或玻璃钢空心体。
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