CN102230439A

CN102230439A - 高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法

Info

Publication number: CN102230439A
Application number: CN2011101968942A
Authority: CN
Inventors: 周军伟; 王大政
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: CN102230439B

Abstract

本发明涉及涡轮叶片技术领域，具体地说是一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法，其特征在于采用了戴冠叶片，戴冠叶片由叶片和叶冠两部分组成，叶片和叶冠可一体成型，也可以分体成型后通过螺栓相连接，其设计方法是首先确定叶冠的设计参数，然后确定叶冠表面几何造型，最后叶冠与叶片的定位，定位准则一是叶尖翼型的几何中心点与叶冠的几何中心点重合，二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的连线，本发明结构简单，易于实现，几乎不增加成本且效率提高明显，因此具有较大的应用前景。

Description

高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片技术领域，具体地说是一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法。

背景技术

众所周知，潮汐能是一类清洁的、可再生的、来源稳定且易于控制的新能源。目前开采潮汐能的方法主要有两种，一种是传统的筑坝式，一种是水平轴涡轮。筑坝式发电在涨潮时储蓄水的势能，在退潮时将势能通过水涡轮转换为机械能来进行发电。水平轴涡轮发电类似陆地上的风力发电，所以又俗称水下风车。相比筑坝式发电，水平轴涡轮发电投入少，易于维护，且对沿海生态影响小，具有明显的优势，因此，近几年来其研究发展迅速。

水平轴潮汐流涡轮发电相比陆地上的风力发电推广较为缓慢，究其原因，潮汐流涡轮在水下工作，其建设、维护成本较风力发电高。因而发展高效率的潮汐流涡轮，降低单位发电量的成本具有十分重要的意义。

Betz曾经给出了水平轴涡轮极限效率的理论值，为59.26%，而实际设计及工作中的涡轮效率主要集中在35%~40%之间，鲜有能达到45%的。研究表明，造成涡轮实际工作效率与理论最高值相差如此悬殊的原因主要是涡轮叶片的叶尖损失。围绕降低涡轮叶尖损失、提高涡轮效率的主题，目前潮流流涡轮的研究主要有如下几个方面：1、采用包围涡轮叶片的聚流罩，从而降低叶尖损失，提高效率。这种方法能大幅度的提高涡轮效率，但附加的聚流罩及其支撑结构增加了潮汐流涡轮的建设成本。2、采用类似飞机机翼尖部小翼的结构，同样为了降低叶尖损失，提高效率。这种方法对涡轮效率提高较小，且增加的小翼使叶片结构复杂，叶尖局部应力增大，且制造成本增加。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，采用戴冠叶片的方法减小涡轮叶尖损失，提出一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法。

本发明可以通过如下措施达到：

一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片，其特征在于采用了戴冠叶片，戴冠叶片由叶片和叶冠两部分组成，叶片和叶冠可一体成型，也可以分体成型后通过螺栓相连接。

一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片的设计方法，其特征在于：

1、首先确定叶冠的设计参数，其包括叶冠长度L，叶冠宽度w，叶冠厚度t，叶冠长度L由涡轮叶片叶尖弦长c决定，二者之间满足关系L=αc，α取值范围为1~1.2；叶冠宽度w由叶冠长度L决定，二者之间满足关系w =βL，β取值范围为0.8~1.2；叶冠厚度t由叶冠长度L决定，二者之间满足关系t =γL，γ的取值根据选择的翼型决定，

2、确定叶冠表面几何造型。叶冠表面视为由一系列固定比例的翼型曲线构成，即所有翼型曲线满足关系

，当y=yi，截面翼型最大厚度

，y=yi截面翼型弦长

，选取一系列y=yi截面，得到一组翼型曲线，将翼型曲线沿Z轴平移，使其最大厚度位置位于Z=0处，最终得到叶冠表面几何数据，

3、叶冠与叶片的定位，定位准则一是叶尖翼型的几何中心点与叶冠的几何中心点重合，二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的连线。

本发明结构简单，易于实现，几乎不增加成本且效率提高明显，因此具有较大的应用前景。

附图说明

图1是发明的使用示意图。

图2是本发明的一种结构示意图。

图3、图4、图5是本发明中叶冠三维投影图及参数说明示意图。

图3是主视图。

图4是图3的左视图。

图5是图3的仰视图。

图6 是本发明由一组曲线表示的叶冠曲面。

图7、图8是本发明中叶片与叶冠之间的定位关系示意图。

具体实施方式

一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片，其特征在于采用了戴冠叶片，戴冠叶片由叶片1和叶冠3两部分组成，叶片1安装在轮毂2上，最后通过支架4固定于海床上，叶片1与叶冠3之间采用双螺栓连接固定，如图2所示。

本发明涡轮戴冠叶片的曲面几何造型方法如下：

1、选取某涡轮叶片。已知该涡轮叶片采用S814翼型，利用叶素动量理论设计，翼型外观如图1所示，其弦长，扭转角沿半径方向的分布如表1所示。

表1、某涡轮叶片设计参数

半径（米）	弦长（米）	转角（度）
			0.2163	0.1385	15.4896
0.3143	0.128	11.0564
			0.4122	0.117	8.8924
0.5102	0.1065	7.1849
			0.6082	0.096	5.8257
0.7061	0.0855	4.6561
			0.8041	0.0745	3.5536
0.902	0.064	2.4733
			1	0.052	0.5409

2、确定叶冠的设计参数。

已知涡轮叶片叶尖弦长c=0.052，选取α=1.2，得叶冠长度L=αc=0.0624；这里采用的翼型为NACA66-12翼型，γ取值为0.12，叶冠厚度t=γL≈0.0075；选取β=1，则叶冠宽度w=βL=0.0624。

3、叶冠曲面几何造型

根据发明内容（二）中的叶冠三维造型方法，得到叶冠曲面几何数据。叶冠曲面由一系列NACA66-12翼型曲线组成。当y=yi，截面翼型最大厚度

，进而可知y=yi截面翼型弦长

。选取一系列y=yi截面，即能够得到一组翼型曲线，将这一系列翼型曲线沿Z轴平移，使其最大厚度位置位于Z=0处，最终得到叶冠表面几何数据。

4、根据发明内容（三）中的叶片与叶冠间定位准则，对叶冠进行平移及旋转，使叶冠与叶片匹配，最终得到叶片与叶冠的几何坐标。叶片与叶冠整体效果图如图1所示。

采用三维流场模拟方法对比戴冠叶片与不戴冠叶片涡轮效率，前者比后者高出约5个百分点。由此证明戴冠叶片涡轮的高效性。

本发明不限于本申请案中指出和说明的特殊实施例子，只要不违背权利要求书中限定的新构思和范围就可以做出各种改变和改进的方案。

Claims

1.一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片，其特征在于采用了戴冠叶片，戴冠叶片由叶片和叶冠两部分组成。

2.一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片的设计方法，其特征在于首先确定叶冠的设计参数，其包括叶冠长度L，叶冠宽度w，叶冠厚度t，叶冠长度L由涡轮叶片叶尖弦长c决定，二者之间满足关系L=αc，α取值范围为1~1.2；叶冠宽度w由叶冠长度L决定，二者之间满足关系w =βL，β取值范围为0.8~1.2；叶冠厚度t由叶冠长度L决定，二者之间满足关系t =γL，γ的取值根据选择的翼型决定，然后确定叶冠表面几何造型,叶冠表面视为由一系列固定比例的翼型曲线构成，即所有翼型曲线满足关系

Figure 2011101968942100001DEST_PATH_IMAGE001

，当y=yi，截面翼型最大厚度，y=yi截面翼型弦长

Figure 2011101968942100001DEST_PATH_IMAGE003

，选取一系列y=yi截面，得到一组翼型曲线，将翼型曲线沿Z轴平移，使其最大厚度位置位于Z=0处，最终得到叶冠表面几何数据，最后进行叶冠与叶片的定位，定位准则一是叶尖翼型的几何中心点与叶冠的几何中心点重合，二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的连线。