CN103644067A - 一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 - Google Patents
一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103644067A CN103644067A CN201310598492.4A CN201310598492A CN103644067A CN 103644067 A CN103644067 A CN 103644067A CN 201310598492 A CN201310598492 A CN 201310598492A CN 103644067 A CN103644067 A CN 103644067A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blade
- connecting rod
- water turbine
- rotating shaft
- meter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Hydraulic Turbines (AREA)
- Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
Abstract
本发明提供了一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，至少包括转轴以及叶片，转轴竖直安装，转轴的内部设有定子，转轴的外部为转子，当转轴转动时定子绕转子旋转而产生电能；转轴的顶端和底端均水平设有三根长度相同的连杆，分别为上连杆和下连杆，上连杆的横截面为翼型，上连杆以转轴为中心呈发射状分布，且三根上连杆中两两之间的夹角均相同，下连杆的形状及分布均与上连杆相同，且下连杆与上连杆的位置上下对应；所述的叶片设有三片，叶片的顶部和底部分别固定在上下位置不相对应的上连杆和下连杆上。本发明提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机，该水轮机具有能量利用率较高，不易受来流方向影响，自启动性良好，结构构造简单，对水体环境影响较小等突出优点。
Description
技术领域
本发明提供了一种利用潮流能发电的水轮机，尤其涉及一种螺旋式竖轴水轮机，属于水力发电技术领域。
背景技术
潮流能作为可再生能源的重要组成部分，不仅对能源供应系统起到有效的补充作用，而且有利于生态保护以及环境治理。开发潮流能，大力发展可再生能源既是未来能源贮备的战略需要，也是解决局部地区能源供应短缺的具体措施。潮流能水轮机是获取潮流能的常用装置，它将潮流能转化为水轮机的动能，进而带动发电机做功。目前国外潮流发电技术发展迅速，而我国对于相关课题的研究尚处于起步阶段。
相对于其他水力发电装置，潮流能水轮机所需要的能量转化装置的尺寸较小，对于百kW级装机容量的机组而言，尺寸通常在数十米左右。小尺寸通常具有很多便利，一是使用灵活，加工制作方便，拼装组合可以在较短时间内完成；二是可以通过单机小装机容量的装置并联或者串联得到大规模的装机容量；三是对海洋或者内陆河流的生态环境影响较小。正因为上述优点，目前国外潮流发电技术发展迅速。我国潮流能能量密度较高，较世界其他潮流能资源最好的区域并不逊色，同时开发和利用条件优越，潜力巨大。
目前本领域内所采用的水轮机主要分为水平轴式水轮机和竖轴式水轮机，长期以来，由于人们普遍认为竖轴水轮机的叶尖速比不可能大于1，能量利用率低于水平轴水轮机，因而导致竖轴水轮机长期得不到重视。随着科学技术的不断发展以及人类认知水平的不断提高，人们逐渐认识到阻力型水轮机的叶尖速比不能大于1，而升力型水轮机的叶尖速比不仅能达到1甚至可以到达到6左右，并且其平均能量利用率也不低于水平轴水轮机。近年许多科研机构将注意力集中在了对竖轴水轮机的研究上，并且取得了极大发展。现在，科研工作者逐渐认识到竖轴水轮机相对于水平轴更为先进，由于竖轴式水轮机的安装轴垂直与来流水流，因此其转子的转动方向与来流方向无关，所以竖轴式水轮机越来越普及，竖轴式水轮机中最具代表性的为意大利Ponte di Archimede公司设计的三叶片Kobold水轮机，其转子半径为3m，叶片展向方向的长度为5m，叶片弦长为0.4m，当来流速度为2m/s时最大功率可达40kW。虽然实验和CFD模拟表明，当Kobold的转子上安装四个叶片时，此时水轮机的水力性能最优，但是考虑到装置的稳定性和制造成本，优先采用三叶片形式。Kobold水轮机中虽然叶片的固定安装角方式简化了转子 的结构，但不利于最大限度的利用能量，因此该型式的水轮机效率偏低，平均能量转化效率约为23%。
发明内容
本发明提供了一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，解决了上述背景技术中的不足，该水轮机具有能量利用率较高，不易受来流方向影响，自启动性良好，结构构造简单，对水体环境影响较小等突出优点。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，至少包括转轴以及叶片，转轴竖直安装，转轴的内部设有定子，转轴的外部为转子，当转轴转动时定子绕转子旋转而产生电能；转轴的顶端和底端均水平设有三根长度相同的连杆，分别为上连杆和下连杆，上连杆与下连杆之间的垂直高度为0.6米，所述的上连杆的横截面为翼型，上连杆以转轴为中心呈发射状分布，且三根上连杆中两两之间的夹角均为120°，下连杆的形状及分布均与上连杆相同，且下连杆与上连杆的位置上下对应；所述的叶片设有三片，叶片均采用NACA0018对称翼型，叶片呈螺旋状，其旋转半径为0.8-1.0米，叶片的弦长为0.18-0.24米，叶片的竖直高度为0.9米，叶片的包角为120°；叶片的顶部和底部分别固定在上下位置不相对应的上连杆和下连杆上。
所述的连杆的翼型为NACA0012翼型，翼型弦长0.1米，连杆的长度为0.6米。
作为优选，所述的叶片的旋转半径为0.8米，叶片的弦长为0.18米。
与现有技术相比，本发明提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机有以下优点：1、本发明提供的螺旋叶竖轴水轮机在来流为2m/的情况下，最大飞逸角速度为4.36rad/s，最大功率可达2kW，最大能量利用率为30.3%。在此基础上适当调整叶片的安装半径和叶片的弦长，可以获得大出力、高能量利用率的竖轴水轮机。2、本发明提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机具有尺寸小巧，使用灵活，可通过并联或串联单机小装机容量的装置得到大规模的装机容量，对海洋和内陆河流的生态环境影响较小。
本发明所提供的螺旋叶竖轴水轮机较直叶型竖轴水轮机有优越的水力特性，因此具有良好的应用及科研价值。
附图说明
图1为本发明所提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机的结构示意图；
图2来流速度为2m/s时同等条件下螺旋型与直叶型竖轴水轮机能量利用率与叶尖速比的关系。
图3为来流速度为3m/s时不同叶片旋转半径水轮机能量利用率与叶尖速比曲线。
图4为来流速度为3m/s时不同叶片弦长水轮机能量利用率与叶尖速比曲线。
图中：1-转轴，2-连杆，3-叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细具体的说明。
本发明所提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机的整体结构如图1所示，至少包括转轴1以及叶片3，转轴1竖直安装，转轴1的内部设有定子，转轴1的外部为转子，当转轴1转动时定子绕转子旋转而产生电能。
转轴1的顶端和底端均水平设有三根长度相同的连杆2，分别为上连杆和下连杆，上连杆与下连杆之间的垂直高度为0.6米，所述的上连杆的横截面为翼型，所述的连杆的翼型为NACA0012翼型，翼型弦长0.1米，连杆的长度为0.6米。
上连杆以转轴为中心呈发射状分布，且三根上连杆中两两之间的夹角均为120°，下连杆的形状及分布均与上连杆相同，且下连杆与上连杆的位置上下对应。
所述的叶片3设有三片，叶片3均采用NACA0018对称翼型，叶片3呈螺旋状，其旋转半径为0.8-1.0米，叶片3的弦长为0.18-0.24米，叶片3的竖直高度为0.9米，叶片的包角为120°；叶片的顶部和底部分别固定在上下位置不相对应的上连杆和下连杆上。作为优选，所述的叶片的旋转半径为0.8米，叶片的弦长为0.18米。
下面对本发明所提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机的水利性能进行测试。
首先测试分析本发明所提供的螺旋叶式水轮机与常用的直叶型竖轴水轮机能量利用率与叶尖速比的关系，在水流为2m/s及其他同等条件下进行检测，检测结果如图2所示，有图2中我们可以看出，采用本发明的螺旋叶式水轮机的能量利用率明显优于直叶型竖轴水轮机。
接着分析水轮机在不同的叶片旋转半径下水轮机的水动性能，在保证水轮机其他尺寸恒定的基础上，依次选取0.8m、0.9m、1.0m作为叶片的旋转半径，并建立对应的水轮机模型，计算在来流速度为3m/s时，水轮机对应的力矩。测试结果如下表所示：
表1来流速度为3m/s,R=0.8m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
表2来流速度为3m/s,R=0.9m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
表3来流速度为3m/s,R=1.0m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
在来流速度为3m/s的情况下，不同叶片旋转半径水轮机能量利用率与叶尖速比曲线图如图3所示。由此说明叶片安装半径对水轮机出力产生重要影响。当来流速度固定时，在一定范围内水轮机的功率随叶片安装半径的增大而大幅增大，当叶片的安装半径继续增加时，水轮机的功率增长速度开始减慢，若水轮机叶尖速比继续增加时，水轮机功率逐渐减小。如果水轮机在此叶尖速比范围内工作时，通过采用增加叶片的安装半径的方法不仅不能提高水轮机的功率，反而会使水轮机的功率降低。
下面测试分析水轮机在不同的叶片弦长下水轮机的水动性能，在保证水轮机其他尺寸恒定的基础上，依次选取0.2m、0.22m、0.24m作为叶片的弦长，并建立对应的水轮机模型，计算在来流速度为3m/s时，水轮机对应的力矩。测试结果如下表所示：
表4流速为3m/s，L=0.2m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
表5流速为3m/s，L=0.22m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
表6流速为3m/s，L=0.24m不同叶尖速比下的力矩、功率以及能量利用率
图4中给出了在3m/s水流流速下，不同叶片弦长的转轮对应的能量利用率随叶尖速比变化曲线。由图4可知，保证其他尺寸不变，仅改变转轮叶片的弦长转轮的能量利用率将出现较大变化。当叶片的弦长增大时，水轮机最大能量利用率对应的叶尖速比不断减小。由表可知叶片弦长的变化对水轮机的力矩的影响也十分大。当叶尖速比在某一范围内，增大叶片弦长时水轮机的力矩也会随之增大。因此可以通过适当改变叶片弦长到达增大水轮机的力矩的目的。当叶尖速比超过该区域后，叶片的弦长继续增加水轮机的力矩相反开始减小，并小于临近弦长水轮机产生的转矩，当叶尖速比继续升高，即转速增大时，叶片的弦长越长对应的水轮机的力矩越小。
Claims (3)
1.一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，至少包括转轴以及叶片，其特征在于：转轴竖直安装，转轴的内部设有定子，转轴的外部为转子，当转轴转动时定子绕转子旋转而产生电能；转轴的顶端和底端均水平设有三根长度相同的连杆，分别为上连杆和下连杆，上连杆与下连杆之间的垂直高度为0.6米，所述的上连杆的横截面为翼型，上连杆以转轴为中心呈发射状分布，且三根上连杆中两两之间的夹角均为120°，下连杆的形状及分布均与上连杆相同，且下连杆与上连杆的位置上下对应；所述的叶片设有三片，叶片均采用NACA0018对称翼型，叶片呈螺旋状，其旋转半径为0.8-1.0米，叶片的弦长为0.18-0.24米，叶片的竖直高度为0.9米，叶片的包角为120°；叶片的顶部和底部分别固定在上下位置不相对应的上连杆和下连杆上。
2.根据权利要求1所述的螺旋叶竖轴潮流水轮机，其特征在于：所述的连杆的翼型为NACA0012翼型，翼型弦长0.1米，连杆的长度为0.6米。
3.根据权利要求书所述的螺旋叶竖轴潮流水轮机，其特征在于：所述的叶片的旋转半径为0.8米，叶片的弦长为0.18米。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310598492.4A CN103644067A (zh) | 2013-11-22 | 2013-11-22 | 一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310598492.4A CN103644067A (zh) | 2013-11-22 | 2013-11-22 | 一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103644067A true CN103644067A (zh) | 2014-03-19 |
Family
ID=50249335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310598492.4A Pending CN103644067A (zh) | 2013-11-22 | 2013-11-22 | 一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103644067A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106150828A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-11-23 | 中国农业大学 | 一种小功率垂直轴管道水轮机转子 |
| CN108716450A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-10-30 | 江苏科技大学 | 一种基于螺旋型叶片的垂直轴潮流能叶轮装置 |
| CN114215675A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 清华大学 | 二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001048374A2 (en) * | 1999-12-29 | 2001-07-05 | Gck Technology, Inc. | Turbine for free flowing water |
| WO2010148071A1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-12-23 | Northeastern University | Collapsible reaction turbine |
| CN201687652U (zh) * | 2010-04-06 | 2010-12-29 | 常州市东君光能科技发展有限公司 | 升阻式垂直轴风力叶轮 |
| CN103075299A (zh) * | 2011-09-13 | 2013-05-01 | 南通大学 | 垂直轴风力机叶片及加工方法 |
| EP2657514A1 (en) * | 2012-04-23 | 2013-10-30 | Wind Twentyone S.r.l. | Vertical-axis wind or hydraulic turbine structure |
-
2013
- 2013-11-22 CN CN201310598492.4A patent/CN103644067A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001048374A2 (en) * | 1999-12-29 | 2001-07-05 | Gck Technology, Inc. | Turbine for free flowing water |
| WO2010148071A1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-12-23 | Northeastern University | Collapsible reaction turbine |
| CN201687652U (zh) * | 2010-04-06 | 2010-12-29 | 常州市东君光能科技发展有限公司 | 升阻式垂直轴风力叶轮 |
| CN103075299A (zh) * | 2011-09-13 | 2013-05-01 | 南通大学 | 垂直轴风力机叶片及加工方法 |
| EP2657514A1 (en) * | 2012-04-23 | 2013-10-30 | Wind Twentyone S.r.l. | Vertical-axis wind or hydraulic turbine structure |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106150828A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-11-23 | 中国农业大学 | 一种小功率垂直轴管道水轮机转子 |
| CN108716450A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-10-30 | 江苏科技大学 | 一种基于螺旋型叶片的垂直轴潮流能叶轮装置 |
| CN114215675A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 清华大学 | 二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN202117850U (zh) | 一种流体能量提升和转换装置 | |
| CN102192101B (zh) | 一种流体能量提升和转换装置 | |
| CN103758706A (zh) | 一种新型转板式阻力型高效发电装置（风力、水力通用） | |
| Apriani et al. | Analysis of the local energy potential connection with power plants based on archimedes turbine 10 kW | |
| CN103644067A (zh) | 一种螺旋叶竖轴潮流水轮机 | |
| CN104806435A (zh) | 垂直轴波浪能发电装置 | |
| CN102128128A (zh) | 一种永磁直驱式潮流发电装置 | |
| CN203441673U (zh) | 一种潮流能发电水轮机 | |
| Cheng et al. | The comparison of theoretical potential application of two types of wind turbines in Northern Shaanxi | |
| CN105240189B (zh) | 导流聚能式海浪、潮汐、洋流及风力四合一发电系统 | |
| Mahale et al. | Vertical axis wind turbine: A lucid solution for global small scale energy crisis | |
| Shahrukh Adnan et al. | Comprehensive review on the wind energy technology | |
| CA2948682A1 (en) | Vertical axis wind machine having controllable output power | |
| CN204253275U (zh) | 水平轴双转子风力发电装置 | |
| CN104500329A (zh) | 一种基于卡块机构的可折叠叶片垂直轴叶轮 | |
| CN104595104B (zh) | 一种具有柔性叶片的垂直轴风机叶轮 | |
| Mahmoud et al. | Review on wind energy systems | |
| CN204283752U (zh) | 一种小型离网风力发电系统 | |
| Tekale et al. | Hybrid Power Generation by Solar & Vertical Axis Wind Turbine: A Review | |
| CN207033654U (zh) | 一种可旋转摆动管发电的风力发电装置 | |
| CN204436680U (zh) | 一种高效斜击式水轮发电机 | |
| Khandagale et al. | Design & Analysis of Savonius VAWT for 50W Rated Power output | |
| Divya et al. | Harnessing electrical energy in highways by smart wind mill | |
| CN102748229A (zh) | 聚风式新型风力发电装置 | |
| CN203719107U (zh) | 一种垂直轴风能热水器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140319 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |