CN102562428A - 一种竖轴直叶变攻角水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种竖轴直叶变攻角水轮机，包括蜗轮蜗杆调整电机、转盘箱、叶片、偏心轴、偏心轴控制电机、蜗轮、水轮机固定支座、杆、带偏心孔的圆盘，蜗轮蜗杆调整电机安装在水轮机固定支座上并通过蜗杆与蜗轮相连，圆盘安装在水轮机固定支座上，偏心轴控制电机安装在圆盘上，偏心轴与圆盘对心安装且与偏心轴控制电机相连，具有矩形断面的中空转盘箱与安装在水轮机固定支座上的主转矩转出轮毂相连，叶片安装在转盘箱上的滑动轴承支座上并与第一杆相连，第一杆、第二杆、第三杆依次相连，第三杆还连接偏心轴下轴端，第四杆连接第三杆和转盘箱。本发明整个调整机构采用平面转动副，使其受力情况良好，结构可靠耐用。

Description

一种竖轴直叶变攻角水轮机

技术领域

本发明涉及的是一种液力机械和液力发动机领域的水轮机。

背景技术

目前，潮流能水轮机主要有竖直轴和水平轴两类，也可根据叶片攻角的可调性分为固定攻角式和可变攻角式。固定攻角式直叶水轮机能量利用率低、起动力矩小。竖轴直叶变攻角水轮机可以根据工况实现高低速运行具有较高的能量捕获率，且具有自起动能力，因此成为潮流能水电站的优选机型。目前直叶变攻角水轮机被动式主要采用弹簧或是挡块方式，这种方式难以在水轮机轮动时使叶片达到最佳位置，使能量利用率达到最大。关于弹簧控角竖水轮机在哈尔滨工程大学陈晗的硕士论文“弹簧控角竖轴直叶水轮机水动力性能研究”中有详尽论述。主动式直叶变攻角水轮机主要采用凸轮机构、液压机构、电机直接驱动叶片变攻角、机构调整形式，其中凸轮机构调整结构复杂、部件易磨损，液压或电机直驱叶片式，需要实时调整叶片攻角，调整能耗大。在浙江大学的施科益的论文“一种新型摆线推进器控制系统的设计”中对电机控制形式直叶水轮机进行了详细描述，在联邦德国的沃依特·海德罗公司的赫伯特的专利“直翼推进器”申请号200610129897.3中对液压调整式攻角调整方式进行了详细说明，在李国仁申请的专利“一种直翼推进器”申请号85103046中对凸轮调整式攻角调整方式进行了详细描述。

发明内容

本发明的目的在于提供相对简单、调节迅速的一种竖轴直叶变攻角水轮机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：包括蜗轮蜗杆调整电机、转盘箱、叶片、偏心轴、偏心轴控制电机、蜗轮、水轮机固定支座、杆、带偏心孔的圆盘，蜗轮蜗杆调整电机安装在水轮机固定支座上并通过蜗杆与蜗轮相连，圆盘安装在水轮机固定支座上，偏心轴控制电机安装在圆盘上，偏心轴与圆盘对心安装且与偏心轴控制电机相连，具有矩形断面的中空转盘箱与安装在水轮机固定支座上的主转矩转出轮毂相连，叶片安装在转盘箱上的滑动轴承支座上并与第一杆相连，第一杆、第二杆、第三杆依次相连，第三杆还连接偏心轴下轴端，第四杆连接第三杆和转盘箱。

本发明还可以包括：

1、所述的主转矩转出轮毂回转中心到叶片回转中心的距离为L1，第四杆的长度为L2，第三杆的长度为L3，偏心轴下轴端到主转矩转出轮毂回转中心的距离为L4，第二杆的长度为L5，第一杆的长度为L6，L1～L6的比例关系为L1∶L2∶L3∶L4∶L5∶L6＝176∶30∶72∶大于0且小于等于15∶149∶38。

2、所述的叶片的弦线与第一杆的夹角为零度。

3、所述的叶片的个数为5个。

本发明的优势在于：本发明是一种竖轴直叶变攻角水轮机，它采用旋转坐标系的方式对控制点进行控制，这种方式便于通过使用电机的转动对其进行直接控制。在潮流方向稳定的情况下各电机只需一次调整就可以使水轮机在旋转一周的过程中的能量利用率达到最佳而不需要实时调整控制电机，从而减小能耗。该水轮机可以通过调整实现对任意方向来流的最佳能量利用率，整个调整机构采用平面转动副，使其受力情况良好，结构可靠耐用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2A-A剖视图；

图3控制点在平面内位置调整机构的机构简图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，直叶主动变攻角水轮机技术方案是通过偏心安装的偏心圆柱调整控制点在平面内的位置，通过水轮机旋转一周过程中双曲柄六杆机构形状的变化实现对叶片攻角的调整。它包括一个水轮机固定支座、一个转盘箱、一个主转矩输出轮毂、一个输出锥齿轮、一个带有偏心孔的圆盘、一个偏心轴、五个直叶片、五套滑动轴承及轴承支座、五套具有特定杆长的两端具有安装旋转轴孔的杆件、两个调整电机及一套蜗轮蜗杆机构。其中偏心轴安装在带有偏心孔的偏心盘上，偏心盘通过调整电机带动蜗轮蜗杆机构调整其在平面内的转动，内偏心轴由另一个调整电机直接带动相对于带有偏心孔的圆盘转动。五个直叶式叶片沿纵向安装的叶片轴插装到中空转盘箱中的安装轴承支座上。叶片裸露在中空转盘之外，可以绕安装轴转动。在转盘箱内有五套双曲柄六杆机构，通过上面给出的两个调整电机位置的调整达到调整双曲柄六杆机构其中可变杆长的目的，其余杆长固定，其中有一特定杆与叶片轴固联，且杆长方向与叶片弦线方向平行。

工作时，露在外面的叶片全部浸入水中，且转盘箱的径向与主转矩输出轴垂直。一旦有沿转盘径向方向的水流流过时，叶片的升力的合力会产生一个转矩使水轮机转动。通过转盘箱一周的转动过程中杆机构各杆相对位置关系的变化达到对叶片攻角变化规律的调整。

本发明竖轴直叶变浆距水轮机技术方案如图1所示，是一种采用机构控制叶片变攻角方式，它包括一个蜗轮蜗杆调整电机1、一个主转矩转出齿轮2、一个主转矩输出轮毂3、一个中空转盘箱4、控制点(偏心轴下轴端)5、叶片6、带偏心孔的圆盘7、偏心轴控制电机8、偏心轴9、蜗轮10、水轮机固定支座11、滑动轴承支座12、杆13、杆14、杆15、杆6。带有偏心孔了圆盘7与水轮机固定支座11对心安装，蜗轮蜗杆调整电机1通过蜗杆与蜗轮10相连，通过电机的转动带动蜗轮转动对图3所示的θ1进行调整。偏心轴9与带有偏心孔了圆盘7上的孔对心安装且与安装在带有偏心孔了圆盘7上的偏心轴控制电机8相连随其同步转动，实现对图3上的θ2进行调整。当e1等于e2时，由于平面内任意一点可以通过两个坐标值来确定，所以可以通过θ1和θ2确定以e1+e2为半径圆内的任意点的位置，也就是说可以通过调整θ1和θ2的值来确定控制点5(图中B点)的位置。具有矩形断面的中空转盘箱4与插装在水轮机固定支座11上的主转矩转出轮毂3相连，并可绕水轮机固定支座的中轴线自由转动。若干叶片6插装在中空转盘箱4上的滑动轴承支座12上并与杆16固联。杆16的另一端与杆15的一端通过转动副相连，杆15的另一端与杆13一端的转动副相连，杆13的另一端通过转动副与控制点5相连，在杆13中间有一特定点与杆14的一端相连，杆14的另一端与转盘箱上的特定点相连。

工作时，水轮机固定支座11的轴线与水面垂直，叶片6潜入水中。一旦有水流流过，所有叶片6上升力对水轮机固定支座11的轴线的合力矩会使水轮机旋转。在旋转过程中，由于控制点5与中空转盘箱4的圆心o不重合，所以双曲柄六杆机构各杆之间的相对位置关系会发生变化，从而带动杆16摆动，而杆16又与叶片6固联，从而达到对叶片攻角变化规律的控制。当给出一组根据摆线水轮机的理论计算出的特定杆组中各杆长度时，就可以使竖轴直叶变攻角水轮机旋转一周时对水流能量利用率达到最佳。

本发明是一种竖轴直叶变攻角水轮机，它采用旋转坐标系的方式对控制点进行控制，这种方式便于通过使用电机的转动对其进行直接控制。在潮流方向稳定的情况下各电机只需一次调整就可以使水轮机在旋转一周的过程中的能量利用率达到最佳而不需要实时调整控制电机，从而减小能耗。该水轮机可以通过调整实现对任意方向来流的最佳能量利用率，整个调整机构采用平面转动副，使其受力情况良好，结构可靠耐用。

Claims (5)

1.一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：包括蜗轮蜗杆调整电机、转盘箱、叶片、偏心轴、偏心轴控制电机、蜗轮、水轮机固定支座、杆、带偏心孔的圆盘，蜗轮蜗杆调整电机安装在水轮机固定支座上并通过蜗杆与蜗轮相连，圆盘安装在水轮机固定支座上，偏心轴控制电机安装在圆盘上，偏心轴与圆盘对心安装且与偏心轴控制电机相连，具有矩形断面的中空转盘箱与安装在水轮机固定支座上的主转矩转出轮毂相连，叶片安装在转盘箱上的滑动轴承支座上并与第一杆相连，第一杆、第二杆、第三杆依次相连，第三杆还连接偏心轴下轴端，第四杆连接第三杆和转盘箱。

2.根据权利要求1所述的一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：所述的主转矩转出轮毂回转中心到叶片回转中心的距离为L1，第四杆的长度为L2，第三杆的长度为L3，偏心轴下轴端到主转矩转出轮毂回转中心的距离为L4，第二杆的长度为L5，第一杆的长度为L6，L1～L6的比例关系为L1∶L2∶L3∶L4∶L5∶L6＝176∶30∶72∶大于0且小于等于15∶149∶38。

3.根据权利要求1或2所述的一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：所述的叶片的弦线与第一杆的夹角为零度。

4.根据权利要求1或2所述的一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：所述的叶片的个数为5个。

5.根据权利要求3所述的一种竖轴直叶变攻角水轮机，其特征是：所述的叶片的个数为5个。

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