CN106593748A - 一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法 - Google Patents

一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法，包括支柱、固定在支柱顶端的固定舱以及通过连接轴安装在固定舱端部的叶轮，所述叶轮包括叶片、滑块以及通过连接轴贯穿轴线进行连接的叶轮前盘和叶轮后盘，所述叶轮前盘和叶轮后盘相对的端面上设有对应的周向轨道，滑块在端面之间的缝隙中沿轨道滑动，且所述连接轴在缝隙中的周向表面上设有定位孔；所述叶片的根部设有固定轴，滑块沿径向贯穿有供固定轴插入的滑动孔，叶片通过滑块滑动到定位孔的位置，固定轴穿过滑块的滑动孔嵌入定位孔。本装置安装在开式水槽上，实验时，通过改变安装在叶轮上的叶片数量和旋转叶片改变来流角，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机叶片数量和来流角对水轮机水动力特性的影响，结构简单，减少实验成本。

Description

一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及一种水轮机，具体涉及一种水平轴潮流能水轮机。
背景技术
潮流能是一种清洁、能量巨大、可再生和可预测的能源，其合理开发和利用对缓解能源危机和改善环境污染问题具有重大意义。水平轴式潮流能水轮机安装简单、造价低及效率高，使其在潮流能获取上得到了更多的应用。
水轮机在潮流水力驱动下将潮流动能转换为电能，其发电量与潮流能水轮机水力特性息息相关，而潮流能水轮机结构参数(叶片数和来流角)对潮流能水轮机水力特性有很大影响。目前水平轴潮流能水轮机结构参数(叶片数和来流角)对水轮机水力性能的影响评估主要借鉴风力机设计经验，但由于空气和水这两种介质不同，粘性和可压缩性的差别对水动力性能的影响无法达到准确验证，因此通过水平轴水轮机室内模型试验，总结叶片数和来流角对水轮机性能的影响规律，提高水轮机对潮流能量利用率是必要的。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种便于观察叶片数和来流角对水轮机性能影响的水平轴潮流能水轮机实验装置。
技术方案：本发明提供了一种水平轴潮流能水轮机实验装置，包括支柱、固定在支柱顶端的固定舱以及通过连接轴安装在固定舱端部的叶轮，所述叶轮包括叶片、滑块以及通过连接轴贯穿轴线进行连接的叶轮前盘和叶轮后盘，所述叶轮前盘和叶轮后盘相对的端面上设有对应的周向轨道，滑块在端面之间的缝隙中沿轨道滑动，且所述连接轴在缝隙中的周向表面上设有定位孔；所述叶片的根部设有固定轴，滑块沿径向贯穿有供固定轴穿过的滑动孔，叶片通过滑块滑动到定位孔的位置，固定轴穿过滑块的滑动孔嵌入定位孔。
进一步，所述固定轴与滑块的滑动孔为螺纹配合。
进一步，所述定位孔的数量为12个，相邻两个定位孔之间与轴心连线的角度依次为60°、12°、18°、30°、24°、36°、36°、24°、30°、18°、12°、60°。
进一步，所述固定轴与定位孔为螺纹配合。
进一步，在所述叶轮后盘上对应定位孔的位置处开设有轴向贯通的固定螺纹孔，止推螺母旋进所述固定螺纹孔固定叶片。
进一步，所述旋转轴通过径向轴承插入并安装在固定舱中。
一种水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，包括以下步骤：
(1)将水轮机实验装置安装在开式水槽底部，并在水轮机前方布置水流流速测量仪探测水流流速大小，在水轮机上方布置光电传感器，并将水轮机中某一支叶片涂黑，观测水轮机的旋转速度；
(2)选取叶片的数量并将其插入滑块的滑动孔中，滑块在轨道中滑动，滑动到相应定位孔的位置使得叶片沿一周均匀分布后，停止滑动；
(3)旋转叶片，使得叶片根部的固定轴和滑动孔和连接轴上的定位孔通过螺纹连接，根据旋转深度的不同，调整叶片来流角，从而得到叶片来流角对水轮机启动流速的影响；
(4)分别安装不同数量的叶片并采用同样的来流角，重复以上步骤，从而得到在不同流速下不同叶片个数对水轮机转速的影响。
进一步，所述固定轴和叶轮前盘设有相对应的指示线，当两者重合时，表示来流角为0°；当两者不重合时，利用量角器测量两指示线间角度，以确定来流角。
进一步，将12个定位孔按照角度设置顺序依次编号，当叶片数量为3时，叶片置于1、5、9孔；叶片数量为4时，叶片置于1、4、7、10孔；叶片数量为5时，叶片置于1、3、6、8、11孔；叶片数量为6时，叶片置于1、2、5、7、9、12孔。
有益效果：本装置安装在开式水槽上，实验时，通过改变安装在叶轮上的叶片数量和旋转叶片改变来流角，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机叶片数量和来流角对水轮机水动力特性的影响，结构简单，减少实验成本。
附图说明
图1为本发明水轮机实验装置的侧面示意图；
图2为本发明水轮机实验装置的侧面剖面图；
图3为本发明水轮机叶轮的剖面示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种水平轴潮流能水轮机实验装置，如图1～2所示，包括支柱13、固定舱12和叶轮。固定舱12的顶部焊接有横向设置的固定舱12，依靠支柱13在实验时安装在开式水槽底部。固定舱12的一端通过连接轴与叶轮相连、连接轴沿水平方向插入固定舱12后在轴上每隔一段距离设置一个径向轴承11。如图3所示，叶轮包括连接轴1、叶轮前盘3、叶轮后盘4、滑块7和叶片8，连接轴1同时穿过叶轮前盘3和叶轮后盘4的轴线将前、后盘4进行固定连接，叶轮前盘3和叶轮后盘4相对的端面上设有对应的周向轨道5，滑块7可在端面之间的缝隙中顺着轨道5做圆周运动。滑块7沿径向贯穿有供叶片8插入的滑动孔6，滑动孔6中设有内螺纹。叶片8的根部设置固定轴9，固定轴9外表面有外螺纹，与滑块7的滑动孔6为螺纹配合。在叶轮前盘3和叶轮后盘4之间的缝隙中，连接轴1的外周表面设有12个定位孔2，定位孔2内也设有与固定轴9外螺纹配合的内螺纹，叶片8通过滑块7滑动到定位孔2的位置，叶片8根部的固定轴9穿过滑块7的滑动孔6嵌入定位孔2。相邻两个定位孔2之间与轴心连线的角度依次为60°、12°、18°、30°、24°、36°、36°、24°、30°、18°、12°、60°，可在实验中选择插入不同数量的叶片，定位孔的相邻角度使得叶片数量在3～6片时都可以使得叶片是均匀布置的。具体的，将定位孔分别编号1～12，当叶片数量为3时，置于1、5、9孔；叶片数量为4时，置于1、4、7、10孔；叶片数量为5时，置于1、3、6、8、11孔；叶片数量为6时，置于1、2、5、7、9、12孔。在叶轮后盘4的背面对应定位孔2的位置处开设有水平贯通的固定螺纹孔12，止推螺母13可旋进固定螺纹孔压紧定位孔2中的固定轴9，以固定叶片8。
在实验中，将本装置安装在开式水槽上，并在水轮机前方5米处布置水流流速测量仪，在水轮机上方布置光电传感器，将水轮机中某一支叶片涂黑，以便传感器能记录水轮机旋转圈数。跟据实验需要，选取3～6个叶片8安装到滑块7中，滑块7在轨道5上滑动，对于不同数量的叶片8滑动到特定的定位孔2相应的位置后，停止滑动。滑动孔停在特定位置后，旋转叶片8，使得叶片8根部的固定轴9和滑动孔和连接轴1上的定位孔2通过螺纹连接。根据旋转深度的不同，可以调整叶片8来流角，从而探究叶片8来流角对潮流能水轮机水动力特性的影响。
试验(一)，考虑叶片个数对水轮机性能的影响；在确定的水流流速下，选取3个叶片安装到滑块中，滑块在轨道上滑动，直到滑动到相应的定位孔处，在编号为1、5、9的定位孔2位置处的固定螺纹孔12上装上止推螺母13，固定叶片；检查确定各个叶片根部指示线和所在定位孔位置处叶轮前盘表面指示线的角度是否相同。本实施例中，来流角取固定值20°。若不是，应进行调整，旋转叶片，调整叶片根部嵌入定位孔深度，以保证有相同的来流角。
启动水槽，在一定水流流速下，利用光电传感器测得数据，得到在该水流流速下的潮流能水轮机实验装置的转动速度。
分别安装叶片个数为4、5、6，重复以上步骤。从而得到在不同流速下不同叶片个数，水轮机转速，如下表所示：
转速(r/m) 3 4 5 6
0.6 62 66 70 74
0.7 75 82 87 92
0.8 93 101 110 120
观察数据，可以发现随着叶片数目的增多，在相同来流速度下，叶片旋转速度变大。
实验(二)，考虑叶片来流角对水轮机性能的影响；选择固定叶片数目的叶片安装到滑块中，滑块在轨道上滑动，直到滑动到相应的定位孔处，本实施例中，叶片数目取6，在编号为1、2、5、7、9、12的定位孔2位置处的固定螺纹孔12上装上止推螺母13，固定叶片；检查确定各个叶片根部指示线和所在定位孔位置处叶轮前盘表面指示线的角度是否相同，初次来流角取为12°。若不是，应进行调整，旋转叶片，调整叶片根部嵌入定位孔深度，以保证有相同的来流角。
启动水槽，逐渐增加水流流速，记录水轮机开始旋转时水流流速的大小；调整水轮机叶片来流角16°、20°，并重复以上步骤，记录下的水流流速如下表所示：
来流角(°) 12 16 20
启动速度(m/s) 0.73 0.67 0.62
观察数据，发现来流角越大时，水轮机启动流速越小。

Claims (9)

1.一种水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：包括支柱、固定在支柱顶端的固定舱以及通过连接轴安装在固定舱端部的叶轮，所述叶轮包括叶片、滑块以及通过连接轴贯穿轴线进行连接的叶轮前盘和叶轮后盘，所述叶轮前盘和叶轮后盘相对的端面上设有对应的周向轨道，滑块在端面之间的缝隙中沿轨道滑动，且所述连接轴在缝隙中的周向表面上设有定位孔；所述叶片的根部设有固定轴，滑块沿径向贯穿有供固定轴穿过的滑动孔，叶片通过滑块滑动到定位孔的位置，固定轴穿过滑块的滑动孔嵌入定位孔。
2.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述固定轴与滑块的滑动孔为螺纹配合。
3.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述定位孔的数量为12个，相邻两个定位孔之间与轴心连线的角度依次为60°、12°、18°、30°、24°、36°、36°、24°、30°、18°、12°、60°。
4.根据权利要求1或3所述的水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述固定轴与定位孔为螺纹配合。
5.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：在所述叶轮后盘上对应定位孔的位置处开设有轴向贯通的固定螺纹孔，止推螺母旋进所述固定螺纹孔固定叶片。
6.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述旋转轴通过径向轴承插入并安装在固定舱中。
7.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将水轮机实验装置安装在开式水槽底部，并在水轮机前方布置水流流速测量仪探测水流流速大小，在水轮机上方布置光电传感器，并将水轮机中某一支叶片涂黑，观测水轮机的旋转速度；
（2）选取叶片的数量并将其插入滑块的滑动孔中，滑块在轨道中滑动，滑动到相应定位孔的位置使得叶片沿一周均匀分布后，停止滑动；
（3）旋转叶片，使得叶片根部的固定轴和滑动孔和连接轴上的定位孔通过螺纹连接，根据旋转深度的不同，调整叶片来流角，从而得到叶片来流角对水轮机启动流速的影响；
（4）分别安装不同数量的叶片并采用同样的来流角，重复以上步骤，从而得到在不同流速下不同叶片个数对水轮机转速的影响。
8.根据权利要求7所述的水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，其特征在于：所述固定轴和叶轮前盘设有相对应的指示线，当两者重合时，表示来流角为0°；当两者不重合时，利用量角器测量两指示线间角度，以确定来流角。
9.根据权利要求7所述的水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，其特征在于：将12个定位孔按照角度设置顺序依次编号，当叶片数量为3时，叶片置于1、5、9孔；叶片数量为4时，叶片置于1、4、7、10孔；叶片数量为5时，叶片置于1、3、6、8、11孔；叶片数量为6时，叶片置于1、2、5、7、9、12孔。
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