CN103790761B - 一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统，包括：设置在水下的水口，水口通过外水道与安装有带动发电机的水轮机转子的过流通道，过流通道通过内水道与水箱的底部连接，水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的，水轮机转子是单向转动的轴流式水轮机转子。本发明采用的双向导流叶片冲击式透平，所述的透平是一种冲击水流沿转子轴向流动的水轮机。使用轴流式水轮机与现有使用双击式水轮机的优势在于，通过转子的流道长度与转子的直径无关，转子直径可以根据冲击水流中所含能量的大小自由选择，而不会影响系统固有频率。

Description

一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法

技术领域

本发明涉及一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法，是一种可再生能源技术，是一种通过宽频带共振原理研究出的具有自动适应波浪频率变化范围的波能捕获发电系统和设计方法。

背景技术

波浪能包括各种频率的能量，其能量频带是一个频率区间，相应地，波能捕捉装置的系统固有频率是一个点，只有其系统固有频率与波浪频率区间中的主频率相等而发生共振时，才有较高的波浪能捕获效率。即使如此，现有波能捕捉装置也只捕获了其固有频率附近很窄范围内的波能。中国专利《一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法》（申请号：201120527008.5）披露了一种能够根据波浪频率的变化自动地调整自身固有频率的波能捕获装置。该装置基于双击式水轮机的波能捕获系统，通过设计双击式水轮机的进出流道，水轮机和它的进出流道一起组成了一个封闭式的水体，这个水体在波浪力的激励下产生振荡，振荡水体能够推动水轮机转子实现单向旋转，振荡水体能够周期性的改变系统所包含水体的质量和刚度，从而改变系统的固有频率，这样就使得波能捕获装置的固有频率从一个点变为一个频率区间，在频率区间范围内，具有高效捕获这一频段波浪能量的能力，解决了波浪能分布在很宽的频率范围内和传统点吸收波能捕获装置只在很小的频率范围内具有高效率这一矛盾。所述的双击式水轮机是一种使水流沿水轮的外圆周流动而冲击水轮转动的水轮机。这种双击式水轮机为提高水流冲击水轮的效率，往往需要使水流流过较多的叶片，才能尽可能地将较多水中动能转换为机械能。这样就产生了一种问题：水流要尽可能多的流过水轮叶片就会增加流道的长度，而增加流道的长度会使系统固有频率增加，换句话说不适于捕获振荡周期较小的波能。更加困难的是使用双击式水轮机限制了水轮机转子直径的增大，而波能捕获效率与转子的直径成正比，显然对于双击式水轮机转子来说这点无法实现。

但是针对中国沿海的波浪振荡周期过小（只有4.0s-6.0s）的问题，采用双击式水轮机时，其转子的直径仅能达到1.25m，再增加转子的直径就要进一步增加流道的长度（水流通过叶片做功的长度），增加系统的固有频率，其结果是使波能捕获装置的系统频率超出波能的主频范围，显著降低了捕获波能的能力。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法。所述的系统和方法采用双向导流叶片冲击式透平，配合优化设计的流道，通过这种方式设计的系统运动周期较小，能够涵盖的波浪频率4.0s-6.0s的范围，基本涵盖了中国海洋波浪能量谱组成的高能量范围。

本发明的目的是这样实现的：一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统，包括：设置在水下的水口，所述的水口通过外水道与安装有带动发电机的水轮机转子的过流通道，所述的过流通道通过内水道与水箱的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的，所述的水轮机转子是单向转动的轴流式水轮机转子。

进一步的，所述的过流通道与外水道连接处和内水道连接处安装有导流叶片。

进一步的，所述的水轮机叶片为扩口U形，扩口U形的底部沿转子的圆周向布置；所述的导流叶片呈弯曲状：接近水轮机叶片一侧导流叶片的叶面与水轮机叶片扩口处的叶面方向一致或接近一致，导流叶片的另一侧与转子回转中心轴线方向一致或接近一致。

一种使用上述发电系统的双向导流叶片冲击式透平波力发电方法，所述方法的步骤如下：

海浪涌入的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入过流通道；

涌入海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导涌入海水冲击水轮机转子转动；

海水进入水箱的步骤：用于将海水通过内水道引入水箱中，由于水箱是从下到上开口的喇叭形，使水体在进入水箱后，整个流道和水箱中的水体与水箱、流道、涡轮机形成的系统固有频率是一个不断变化的范围，这个系统固有频率范围与海浪的主频谱相适应，产生共振，最大程度的吸收海浪中的能量；

海水涌出水箱的步骤：用于通过内水道将水箱中涌出的海水引导至过流通道；

涌出海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导从水箱中涌出的海水冲击水轮机转子转动，水轮机转子的转动与海水涌入过流通道时所冲击转子转动的方向一致；

海浪涌出的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入大海；

所述的涌入、涌出海水冲击水轮机转子的步骤；

海水涌入时，海水在外水道一侧的导向叶片的作用下，从水轮机回转轴方向沿导向叶片转弯，冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成转子转动的转矩，推动转子转动；

海水涌出时，海水在内水道一侧的导向叶片的作用下，从水轮机回转轴方向沿导向叶片转弯，冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成转子转动的转矩，推动转子转动；

不论海水是涌入还是涌出，水流都是冲击机叶片扩口U型的底部，形成相同方向的转矩，使水轮机转子按同一方向转动。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的双向导流叶片冲击式透平，所述的透平是一种冲击水流沿转子轴向流动的水轮机。使用轴流式水轮机与现有使用双击式水轮机的优势在于，通过转子的流道长度与转子的直径无关，转子直径可以根据冲击水流中所含能量的大小自由选择，而不会影响系统固有频率。在设计波力捕捉系统时，可在较快的范围内选择适应海浪频谱的系统固有频率，以此突破了流道设计的瓶颈，解除了系统频谱优化设计中的一个约束。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述dv/dt沿流线的分布示意图；

图3是本发明的实施例三所述水轮机叶片和导流叶片的结构示意图，是图1中B点的放大图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统，其结构如图1所示。本实施例包括：设置在水下的水口3，所述的水口通过外水道12与安装有带动发电机8的水轮机转子5的过流通道11，所述的过流通道通过内水道10与水箱9的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的，所述的水轮机转子是单向转动的轴流式水轮机转子。

系统固有频率是指内部流道所包含水体的固有频率，即水箱和流道中的水体也影响系统固有频率。根据这一原理，本实施例采取了穿过水轮机转子的水道连接喇叭形水箱的结构。这种结构的特点在于，利用喇叭口形水箱的承受水量变化的特点，可以使系统的固有频率在水箱的水位上升和下降过程中随水量的变化而发生变化，而这一系统固有频率的变化正好符合海浪波峰波谷的频谱变化。

本实施例所述系统的固有频率的计算如下：

建立图1中1-1断面和2-2断面之间的非恒定总流的能量方程：

取平衡位置为零点，则：

式中：为初始时刻1-1断面和2-2断面的高程差，此处为零，2-2断面的位移是波浪力激励的结果；z ₁ 为：1-1断面瞬时水位；z ₂ 为：2-2断面瞬时水位；X ₁ 为：水面1-1与平衡位置的距离；P ₁ 为：1-1断面压力；P ₂ 为：2-2断面压力；P _A 为：大气压力；v ₁ 为：1-1断面水流平均速度；v ₂ 为：2-2断面水流平均速度。

图2dv/dt沿流线的分布示意图，假定流体不可压缩，沿水流流动方向有Adv/dt=const，沿图2的dv/dt曲线近似积分式（1）左侧的第5项，有

式中：L为流道的当量长度，为折算到A ₁ 断面面积上的流道长度。A _c 为流道最窄处的过流面积，A ₁ 为1-1断面的过流面积，ε为出口由于流道边缘效应所造成的等效惯性长度。

式（1）左侧的第4项为摩擦损失，近似为

式中：R为水力半径，K为涡流造成的水头损失系数，C _r 为辐射阻尼系数，f为摩擦损失系数，ξ为水流经过叶轮的局部水头损失，整理后，式（1）变为

对于小幅振荡，不考虑非线项的影响，式（4）改写成如下形式：

式中：

ω ₀ 为系统的固有角频率，ω ₀ =2πf，f为系统的固有频率，ε采用入口的动水压力计算方法来得出。

公式（6）表明：流线当量长度L是影响系统固有频率的主要参数。流线当量长度越长则系统固有频率越低，流线当量长度越短则系统固有频率越高。

带有水体的系统固有周期（频率）计算公式表明，系统中水体振荡的路径越短，则带有水体的系统固有周期越小。对双击式水轮机转子来说，流线的长度受到转子直径的影响，转子直径越大，水流沿转子外圆周流动的路径越长，即流线越长，致使带有水体的系统固有频率越低（固有周期越大），这就影响了波力发电系统的整体设计，特别是对于固有周期较大，固有频率的主频谱较低范围的海浪，例如中国沿海的低频谱海浪的捕捉产生了困难。

本实施例为克服这一问题，而采用轴流式涡轮机，或称冲击式透平。这种涡轮机冲击转子的流线是沿转子的轴向流动，如图1、2中箭头表示的方向，流线穿过叶片，与转子的直径大小无关，在设计流道的长度是基本可以不用考虑叶片的影响。这一点十分重要，因为较大的转子直径，能够更充分的波浪能，提高捕获效率，因此，可以根据需要设计转子的直径，而无需考虑影响系统的固有频率。如图1中所示，水轮机转子的叶片的长度并不大，但由于安装的位置与回转中心距离较远，在杠杆原理的作用下，可以捕获较大的转矩，而输出强大的动力，特别适合于捕获低频谱、高能量浪涌中的波能。

由于流经水轮机的水流是双向流动的，因此，轴流式水轮机的转子可以单向转动，也可以双向转动。双向转动的水轮机转子可以通过一套机械装置将双向转动转化为单向转动，以提高机械能转换为电能的效率。但由于转动惯性的作用，双向转动的转子相对于单向转动的转子效率较低，因此，水轮机转子以单向转动为好。在双向水流的冲击下产生单向转动的水轮机有多种方案，例如可以采用变叶面的水轮机转子，或采用固定的导流叶片，将双方向的水流导向一个侧面冲击叶面，产生单向转动。也可以采用单向拍门式的导流叶片，引导水流在进出叶片的过程中按不同方向运动，产生单向冲击。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于导流叶片的细化。本实施例所述的过流通道与外水道连接处和内水道连接处安装有导流叶片4、6。

根据水流对水轮机转子产生单向冲击的方式不同，可以在水轮机转子的两边布置导流叶片，也可以只在一边设置导流叶片。本实施例是在水轮机转子的两边，即外水道和内水道上都布置导流叶片。

导流叶片的形式可以有多种方式，例如可以是叶面平直的导流叶片，也可以是曲面的导流叶片，根据需要可以做多种选择。

实施例三：

本实施例是实施例2关于水轮机叶片和导流叶片的细化。本实施例所述的水轮机叶片为扩口U形，扩口U形的底部沿转子的圆周向布置。所述的导流叶片呈弯曲状：接近水轮机叶片一侧导流叶片的叶面与水轮机叶片扩口处的叶面方向一致或接近一致，导流叶片的另一侧与转子回转中心轴线方向一致或接近一致，如图3所示。

本实施例采用双向导流叶片，将水流引导至对水轮机叶片产生同一方向冲击的状态。而水轮机叶片则设计为扩口U型，不论从外水道来的水流或从内水道来的水流都会冲击扩口U形的底部，水轮机转子产生单方向的转动。

因此，导流叶片的形状是：一侧与内水道或外水道的水流方向一致，或者更确切的说是：与水轮机转子的回转中心轴线方向一致；而导流叶片的另一侧，即接近水轮机叶片的一侧，则是与扩口U形的水轮机叶片的叶面一致。这样，不论是外水道流入导流叶片的水流，还是内水道流入导流叶片的水流，都会在流过导流叶面时发生方向改变而弯曲，冲击转子叶片的扩口U形的底部，产生转子旋转扭矩，这样转子就按照一个方向转动了。理想的状态是：水流在导流叶片上弯曲90度，即从轴向运动变为径向运动，但在实际中，由于紊流作用，很难达到十分理想的效果，因此，水轮机叶片制作为扩口U形，而导流叶片也不弯曲为90度，通常情况下可以在75度至85度之间选择。

相对于现有的活动叶面、弹性叶面或单向拍门等单向水轮机技术，在水流转换为机械能之前，因为没有任何机械运动的转向导流，本实施例所述的转子单向转动的方式可以产生十分高的转换效率，并且由于没有机械运动，或叶面的弹性变形，使水轮机的制造更加简单，而使用寿命却可以很长，降低了制造和使用成本。

实施例四：

本实施例是一种上述发电系统的双向导流叶片冲击式透平波力发电方法。所述方式的基本思路是：利用导向叶片的作用引导涌入和涌出过流通道的浪涌，沿涡轮机转子的圆周方向冲击转子，产生单向的旋转。

所述方法的具体步骤如下：

海浪涌入的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入过流通道。水口通常是一个外围宽大，之后收缩的水口，这样可以聚集更多的波能。

涌入海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导涌入海水冲击水轮机转子转动。涌入的海水在外水道一侧的导向叶片作用下，从转子轴向流动转弯为沿转子圆周方向流动，对转子的扩口U形叶片形成冲击，将水中的动能转换为机械能。

海水进入水箱的步骤：用于将海水通过内水道引入水箱中，由于水箱是从下到上开口的喇叭形，使水体在进入水箱后，整个流道和水箱中的水体与水箱、流道、涡轮机形成的系统固有频率是一个不断变化的范围，这个系统固有频率范围与海浪的主频谱相适应，产生共振，最大程度的吸收海浪中的能量。本实施例采用的上大下小的水箱，这样的水箱可以使水流和固体装置所形成的系统固有频率从一个点扩展为一个范围。

海水涌出水箱的步骤：用于通过内水道将水箱中涌出的海水引导至过流通道。海水在水箱中达到最高水位后回落，水箱中的海水涌出水箱，通过内水道进入过流通过，对水轮机转子形成冲击。

涌出海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导从水箱中涌出的海水冲击水轮机转子转动，水轮机转子的转动与海水涌入过流通道时所冲击转子转动的方向一致。涌出水箱的海水在内水道一侧的导向叶片的作用下，将水流由转子轴向流动，转弯为沿转子圆周方向流动，形成冲击转子扩口U形叶片的冲击，将海水涌出时的动能转换为机械能。

海浪涌出的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入大海。由于水口是面向大小扩口的，水流涌出水口时不会出现任何阻碍，可以提高海浪捕获系统的效率。

所述的涌入、涌出海水冲击水轮机转子的步骤。

由于扩口U形的底部是沿转子都圆周向布置的，因此，不论海水是涌入还是涌出，水流都是冲击机叶片扩口U形的底部，形成相同方向的转矩，使水轮机转子按同一方向转动。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如单向涡轮机的形式，整个系统的布置方式、水箱的样式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种双向导流叶片冲击式透平波力发电方法，所述方法所使用的系统包括：设置在水下的水口，所述的水口通过外水道与安装有带动发电机的水轮机转子的过流通道，所述的过流通道通过内水道与水箱的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的，所述的水轮机转子是单向转动的轴流式水轮机转子；

所述的过流通道与外水道连接处和内水道连接处安装有导流叶片；

所述的水轮机转子的叶片为扩口U形，扩口U形的底部沿转子的圆周向布置；所述的导流叶片呈弯曲状，接近水轮机叶片一侧导流叶片的叶面与水轮机叶片扩口处的叶面方向一致或接近一致，导流叶片的另一侧与转子回转中心轴线方向一致或接近一致；

所述方法的步骤如下：

海浪涌入的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入过流通道；

涌入海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导涌入海水冲击水轮机转子转动；

海水进入水箱的步骤：用于将海水通过内水道引入水箱中，由于水箱是从下到上开口的喇叭形，使水体在进入水箱后，整个流道和水箱中的水体与水箱、流道、涡轮机形成的系统固有频率是一个不断变化的范围，这个系统固有频率范围与海浪的主频谱相适应，产生共振，最大程度的吸收海浪中的能量；

海水涌出水箱的步骤：用于通过内水道将水箱中涌出的海水引导至过流通道；

涌出海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导从水箱中涌出的海水冲击水轮机转子转动，水轮机转子的转动与海水涌入过流通道时所冲击转子转动的方向一致；

海浪涌出的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入大海；

其特征在于：

所述的涌入、涌出海水冲击水轮机转子的步骤 ：

海水涌入时，海水在外水道一侧的导向叶片的作用下，从水轮机回转轴方向沿导向叶片转弯，冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成转子转动的转矩，推动转子转动；

海水涌出时，海水在内水道一侧的导向叶片的作用下，从水轮机回转轴方向沿导向叶片转弯，冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成转子转动的转矩，推动转子转动；

不论海水是涌入还是涌出，水流都是冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成相同方向的转矩，使水轮机转子按同一方向转动。