CN102588187A - 用于海流能发电的变几何水轮机和方法 - Google Patents

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杨波
谷传纲
王清峰
程林
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

本发明公开一种利用海洋能发电的变几何水轮机和方法，包括叶片、轮毂以及传动轴，其中，叶片通过传动轴与轮毂连接，并可绕该传动轴自由转动，传动轴通过法兰与轮毂连接；当水流冲击透平时，水轮机工作侧的叶片会逐渐打开，当叶片根部垂直于轮毂时，叶片完全打开，同时，叶片在水流的冲击下推动轮毂旋转；当轮毂转到阻力测时，叶片在水流冲击下逐渐闭合，这样，使得水流以最小的阻力流过水轮机，解决了部分叶片阻碍水轮机旋转的问题。本发明所提供的水轮机和方法，不仅结构简单，而且大大提高了水轮机的转换效率。

Description

用于海流能发电的变几何水轮机和方法
技术领域
本发明涉及一种海洋能源利用领域的装置，具体是一种用于海流发电的变几何水轮机。
背景技术
海流能是指海水流动的动能，主要是指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所产生的能量，是一种以动能形态出现的海洋能。用于海流发电的水轮机主要有两类：水平轴和垂直轴。但是从国内外目前的研究水平来分析，这两类水轮机的效率都未达到人们所期望的水平，因此，如何提高海流发电的效率，是海流能发展亟待解决的一个关键问题。海流发电效率较低是由于两方面的原因造成的。一方面，海流能量密度低，存在分散，是一种熵已经彻底变大的状态；另一方面，海流发电系统中一些关键设备，尤其是对水轮机的研究明显滞后。现有的数据图表所依据的物理条件，是与该类水轮机所面临的物理环境是不相同的。另一方面，对于叶轮机械优化设计课题，近年来，随着计算流体力学、优化算法及计算机硬件的迅速发展，国内外不少研究人员对该问题做了很有意义的探讨，但应用于工程实际的全局优化设计尚有一定差距。海流的特点是：在流速变动的同时，流向随时间也有很大变动，作为海中大型构件也必须能够根据流向变化而进行调整，因此对能量转换装置来说如何适应海流的流动特点以及如何对海流能加以有效的转换也是一个必须解决的课题。
经对现有技术的文献检索发现，专利申请号：86103849，专利名称为：利用海水势能发电及提取冷海水的方法，该发明是把浮筒、引水管、引水管内的水轮机、发电机等设备锚系在等压面倾斜的海洋中，并把引水管的引水口放在等压面高的海洋深处，引水管的出水口露出等压面低的海面的条件下，利用锚系的引水管抵消柯氏力的作用的同时把等压面高的冷海水输送到等压面低的海面，以及冷海水推动水轮机组发电。然而该专利的不足之处在于，整个装置结构较为复杂，不利于复杂海洋环境中的应用，其次，水轮机没有针对海水流动的特点专门进行设计，因此，其效率以及运行寿命都会受到影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，提供一种利用海流能发电的变几何水轮机和方法，能够完全适应海流流速小、手头低、海水流动方向不确定的特性，并且该水轮机应具有结构简单、效率高、振动小的特点。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用海流能发电的变几何水轮机，包括：轮毂、叶片、传动轴。其中，叶片通过传动轴与轮毂连接，并可绕该传动轴自由转动，传动轴通过法兰与轮毂连接。
所述叶片的数目为4、6或8个。
一种利用海流能发电的方法，采用上述的利用海流能发电的变几何水轮机来实现，具体工作过程为：当水流冲击透平时，所述水轮机工作侧的叶片逐渐打开，当叶片根部垂直于轮毂时，叶片完全打开，叶片在水流的冲击下推动轮毂旋转；当轮毂转到阻力测时，叶片在水流冲击下逐渐闭合。
本发明中涉及的水轮机由多个可自由转动的叶片组成。叶片通过传动轴与轮毂相连。当水流冲击透平时，水轮机一侧(称为工作侧)的叶片会逐渐打开，当叶片根部垂直于轮毂时，叶片完全打开。同时，叶片在水流的冲击下推动轮毂旋转。当轮毂转到另一侧时(称为阻力测)，受到水流的冲击，叶片此时会逐渐闭合，这样，使得水流以最小的阻力流过水轮机，解决了部分叶片阻碍水轮机旋转的问题。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)变几何水轮机对来流的方向没有任何要求，任何方向的来流均可以产生同一方向的扭矩。
(2)变几何水轮机减小了水轮机运转的阻力，从而减小了水轮机的振动。
(3)由于变几何水轮机的结构，大大提高了水轮机的水力效率。
(4)叶片数目、部件数量少，易于维修和保养。投资小，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1传动轴，2叶片，3轮毂
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例所提供的变几何水轮机，包括：传动轴1、叶片2、轮毂3。其中，叶片2通过传动轴1与轮毂3连接，并可绕该传动轴1自由转动。传动轴1通过法兰与轮毂3连接。本实施例的水轮机由六个叶片构成，
本发明所提供的变几何水轮机在工作时，当水流冲击透平时，水轮机一侧(称为工作侧)的叶片2会逐渐打开，当叶片2根部垂直于轮毂3时，叶片2完全打开。同时，叶片2在水流的冲击下推动轮毂3旋转。当轮毂3转到另一侧时(称为阻力测)，受到水流的冲击，叶片2此时会逐渐闭合，这样，使得水流以最小的阻力流过水轮机，解决了部分叶片阻碍水轮机旋转的问题。
当海流速度为2m/s时，本发明所提供的利用海流能发电的变几何水轮机的能量转换效率可以达到30％以上。

Claims (3)

1.一种利用海流能发电的变几何水轮机，其特征在于，包括：叶片、轮毂以及传动轴，其中，叶片通过传动轴与轮毂连接，并可绕该传动轴自由转动，传动轴通过法兰与轮毂连接。
2.根据权利要求1所述的利用海流能发电的变几何水轮机，其特征在于，所述叶片的数目为4、6或8个。
3.一种利用海流能发电的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的利用海流能发电的变几何水轮机来实现，具体工作过程为：当水流冲击透平时，所述水轮机工作侧的叶片逐渐打开，当叶片根部垂直于轮毂时，叶片完全打开，叶片在水流的冲击下推动轮毂旋转；当轮毂转到阻力测时，叶片在水流冲击下逐渐闭合。
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