CN104747362A - 一种自动适应来流方向的潮流能水轮机 - Google Patents

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覃大清
赵越
侯卫松
刘永新
张锐
刘云彰
李正东
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    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
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    • F03B13/26—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

本发明涉及一种自动适应来流方向的潮流能水轮机，其特征是：叶轮通过主轴和发电系统相连，叶轮安装于机舱的后方，发电系统和主轴固定于机舱内部，机舱通过支柱连接在支撑平台上，支撑平台和支柱之间使用柔性机构连接。该潮流能水轮机能够在没有外力的帮助下，利用水流对它本身的作用力，在短时间内自动对准来流方向，并且能够在水流反向时，实现水轮机的自动转向。

Description

一种自动适应来流方向的潮流能水轮机
技术领域：本发明涉及一种自动适应来流方向的潮流能水轮机
背景技术：目前世界各国都在大力开发海洋能，潮流能是海洋能中比较容易开发的一种能源，水平轴潮流能水轮机是开发利用潮流能的一种主要形式，其主要特点是主轴方向和水流方向平行。由于潮流具有周期性往复流动的特点，为了提高利用率，需要潮流能水轮机能够双向运行，目前主要通过辅助换向装置、采用双向叶片以及调节叶片角度等方法来解决这个问题，如果潮流能水轮机能够依靠自身的受力，自动适应水流的方向，那么将可以简化潮流能水轮机的设计，降低产品的成本，提高装置的可靠性。本发明中的潮流能水轮机能够在没有其它装置的辅助下，自动适应水流的方向，结构简单，可靠性高。
发明内容：本发明的目的是公开一种自动适应来流方向的潮流能水轮机。本发明的技术方案为：潮流能水轮机的叶轮(1)通过主轴(2)和发电系统(3)相连，叶轮(1)安装于机舱(4)的后方，发电系统(3)和主轴(2)固定于机舱(4)内部，机舱(4)通过支柱(5)连接在支撑平台(6)上，支撑平台(6)和支柱(5)之间使用柔性机构连接。
工作原理：潮流能水轮机运行时需要正对水流的方向才能达到最优的工作状态。一旦来流偏离原来的方向，就会出现图4所示的情况，如果水轮机组可以在图4平面中自由旋转，由于叶轮(1)受到一个如图示方向的F的作用，此时水轮机会受到一个力矩作用，在该力矩的作用下，水轮机组以支柱(5)为中心旋转，能够迅速恢复到和水流方向一致的状态。出现绕流时，水轮机组在绕流的作用下旋转，偏离原来的方向，绕流经过后，还是会呈现和图4相同的状况，水轮机组最终还能恢复到和水流方向一致的状态。潮流是周期性往复流动的，当水流反向时，如图5所示，叶轮(1)的受力F反向，理想状态下此时力F的作用线通过支柱(5)的中心，但是这是一种极其不稳定的状态，一旦水轮机和水流的方向出现轻微偏离，便会产生力矩，推动水轮机旋转，直到水轮机旋转到和水流方向一致的状态。本发明中的潮流能水轮机处于最稳定的状态，在水流方向发生变化时，能够利用水流的作用力，自动对准水流的方向。
与常规潮流能水轮机相比，本发明中的潮流能水轮机具有以下优点：
1)水平轴潮流能水轮机的主轴需要和水流方向一致，才能达到最优工作状态。常规潮流能水轮机和水流方向不一致时如图3所示，由于水轮机主轴和水流方向存在偏差，会产生如图示方向的力矩，使二者的偏差逐渐加大，这种水轮机结构的稳定性不好。本发明中的潮流能水轮机和水流方向不一致时如图4所示，水轮机所受力矩会使二者的偏差逐渐减小，因此这种结构的水轮机具有自动适应来流方向的能力。
2)常规潮流能水轮机的主轴主要承受压力，长时间工作后主轴容易产生挠度，降低主轴传递的效率，并可能导致失稳。本发明中的潮流能水轮机的主轴主要承受拉力，不易出现上述问题，有利于水轮机长时间稳定工作。
3)水流经过水轮机后会产生旋转的尾流，尾流的速度有可能很大，而且不稳定。常规潮流能水轮机如图3所示，水流经过叶轮产生的尾流会作用在水轮机的支柱上，这种载荷随时间无规则变化，极端情况下会出现很大的载荷，容易对支柱产生破坏。本发明中的潮流能水轮机如图4所示，支柱位于叶轮前方，不会受到尾流的影响，有利于支柱的稳定。
4)如果支柱是自由旋转的结构，那么本发明中的潮流能水轮机在水流的作用下能够实现自动转向的功能，达到潮流能水轮机双向运行的目的。避免单独设置水轮机的转向机构，也不需要以牺牲效率为代价采用能够双向运行的叶片形式。
附图说明：
图1为常规水平轴潮流能水轮机结构
图2为本发明中水平轴潮流能水轮机结构形式
图3为常规水平轴潮流能水轮机方向出现偏差时受力分析
图4为本发明的水平轴潮流能水轮机方向出现偏差时受力分析
图5为本发明的水平轴潮流能水轮机在水流反向时的受力分析
具体实施方式：
常规潮流能水轮机叶轮1，如图3所示，安装在机舱的前方，当主轴2方向和水流不平行时，叶轮的受力F也会使机组产生一个顺时针方向的转矩，促使机组旋转到图3中虚线的位置，此时水轮机和水流偏差的角度比原来更大，水轮机的效率降低，受到的力矩也变大，促使水轮机继续向偏离水流的方向转动，因此常规潮流能水轮机没有自适应来流的能力。
本发明公开的潮流能水轮机如图4所示，叶轮1安装于机舱4的后方，前方水流经过时，若主轴2方向和水流方向不平行，叶轮1受到一个沿水流方向的作用力F，F的作用线不经过立柱5的中心，因此在F的作用下产生对立柱2的顺时针方向的转矩，推动水轮机组围绕立柱向顺时针方向转动。当机组旋转到虚线的位置时，叶轮受力为F＇，此时主轴2和水流方向平行，F＇的作用线通过立柱5的中心，机组对立柱5的转矩为零，机组处于和水流方向一致的状态。本发明中的潮流能水轮机组，在水流方向发生改变时，机组会受到一个转矩的作用，使机组随着水流变化的方向转动，最终达到和水流方向一致的状态。
常规潮流能水轮机如图1所示，叶轮1位于机舱4的前方，主轴2主要承受压力。主轴2长期在压力作用下会产生挠度，降低主轴传递的效率，并可能导致失稳。本发明的潮流能水轮机如图2所示，叶轮1位于机舱4的后方，主轴2主要承受拉力，不会出现上述问题。
图1所示的常规潮流能水轮机在运行时，水流先经过叶轮1，然后经过机舱4和支柱5，经过叶轮1的水流中会产生尾流，尾流作用在支柱5上，对其附加载荷。而本发明公开的潮流能水轮机叶轮1位于支柱5的后方，尾流不会影响到支柱5，对机组的稳定性有利。
支柱5可以和水轮机的支撑平台6用柔性机构连接，水轮机组可以绕支柱5自由转动，如图5所示，当水流转向后，水轮机叶轮1的受力反向，机组处于非常不稳定的状态，一旦水轮机的方向出现细微的偏差，便会产生力矩，促使水轮机产生转动，迅速旋转到和水流一致的方向。

Claims (1)

1.一种自动适应来流方向的潮流能水轮机，其特征是：叶轮(1)通过主轴(2)和发电系统(3)相连，叶轮(1)安装于机舱(4)的后方，发电系统(3)和主轴(2)固定于机舱(4)内部，机舱(4)通过支柱(5)连接在支撑平台(6)上，支撑平台(6)和支柱(5)之间使用柔性机构连接。
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