CN107829874A - 一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，包括导流罩，轴承支撑架、转动轴和叶轮组成的转轮，所述叶轮包括多个梨形线翼型叶片；所述转轮固定设置在导流罩的中间段的2/3处，所述导流罩两端为喇叭形，其进口细，出口粗，中间段为直线型，导流罩顶部与底部均为水平面；所述梨形线翼型叶片在叶片固定板上以转动轴为中心，梨形线翼型叶片的空间上呈圆周分布，与轴承支撑架焊接固定，X和Y分别代表单个梨形线翼型叶片截面翼型曲线上关键点的空间坐标值。本发明的水轮机结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。

Description

一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机
技术领域
本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域，特别是涉及是一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机。
背景技术
当今世界各国把开发水电放在了能源开发的优先位置。我国水能资源总量十分丰富，不仅有中、高水头资源，而且还有约0.8～1.0亿千瓦的低水头资源 (含潮流能)，开发利用新能源特别是开发利用海洋能源发电具有极大的发展潜力。海流能发电是依靠海潮流的冲击力使水轮机高速旋转，然后带动发电机发电，不需要较高水头来创造初始压力，仅依靠海潮流的流速就能实现发电，其经济价值十分显著。
水轮机叶轮作为海潮流发电机组最为关键的部件之一，叶轮的性能直接影响着整个机组的性能，其制造成本也占到了整个发电机组的20％左右。传统的低微水头水轮机的叶轮叶片一般采用不对称扭曲贯流式叶片，而海潮流能发电水轮机大多借鉴风机叶片，两者适用条件及运行范围不同，叶轮结构复杂，制造成本较高，且运行效率较低。
中国专利申请201310496139公开了“一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮”，该方案包括转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上的叶片，所述转轴、轮毂以及叶片均置于叶轮室内，叶轮室两端分别为进水侧和出水侧，水流从进水侧沿轴向流向出水侧，轮毂采用球面形，方便叶片的安装于固定，从而提高叶片的做功能力。但该方案还存在以下不足：一是导流罩结构简单，不能起到较好的聚能作用，直接影响经济性能；二是属于单级海流能水轮机，利用海流能发电的效率较低。
中国专利申请201310496522.0公开了一种海流能发电具有导流罩的水轮机双向叶轮，包括安装在叶轮室内的转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上数量为5～7 个的“S”型叶片；叶轮室两侧分别为进水侧和出水侧；正向发电时，水流经过导流罩从进水侧沿轴向流向出水侧，反向发电时，水流则是通过出水侧轴向流向进水侧。虽然该方案在双向流动的海流下，能够高效地转化海流动能，但还存在以下不足：一是属于单级海流能水轮机，利用海流能发电的效率较低；二是水轮机叶片设计仍属于传统的设计理论，翼型过于简单，不能很好的利用流经转轮的水体能量。
中国专利申请201210342709公开了“带导流罩式椭圆轨迹竖轴潮流能水轮机发电机组，该装置包括导流罩、导轨支架、椭圆导轨、线性轴承、导向臂、直叶片等。虽然采用导流罩提高了对潮流能的聚能效果，但还存在以下不足：一是其垂直轴叶片采用单椭圆叶片设计，不能提供高效的输出功率；二是属于单级海流能水轮机，利用海流能发电的效率较低。
综上所述，如何克服现有技术所存在的不足已成为当今流体机械及水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，本发明的结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。
根据本发明提出的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：包括导流罩，轴承支撑架、转动轴和叶轮组成的转轮，所述叶轮包括多个梨形线翼型叶片；所述转轮固定设置在导流罩的中间段的2/3处，所述导流罩两端为喇叭形，其进口细，出口粗，中间段为直线型，导流罩的顶部与底部均为水平面；所述梨形线翼型叶片在叶片固定板上以转动轴为中心，梨形线翼型叶片的空间上呈圆周分布，与轴承支撑架焊接固定；所述梨形线翼型叶片的关键点的坐标以如下方式表示，X代表单个叶片的截面翼型曲线上关键点的空间横坐标值，Y代表单个叶片的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值，参数见表1,
表1：
表1中所述参数的数学方程式为：x＝1+sint；y＝a·cost·(1+sint)。
本发明的实现原理是：本发明的具体应用过程为：当水流从导流罩的进水口流入潮流能水轮机后，对转轮做功，每组转轮所受外力之后旋转，其自转输出力矩；同时，多组转轮围绕支撑架中心主轴进行公转，公转产生另一部分力矩。该复合式多级潮流能转换装置，可产生两种力矩传递给与之相连的外部发电机组发电，将潮流能转化为电能。潮流能水轮机的导流罩为进口小、出口大的喇叭形状设计，能够提高对潮流能的聚能作用，提高潮流能水轮机的输出功率，以增强潮流能水轮机的效率。
本发明与现有技术相比其显著效果在于：
第一，本发明的复合式多级潮流能发电的水轮机的叶片，采用了梨形线翼型设计，极大的增加了转轮出力，提高了做功的效率。
第二，本发明的复合式多级潮流能发电的水轮机的导流罩为进口小、出口大的喇叭形状设计，能够提高对潮流能的聚能作用，能够提高流经水轮机的潮流流速；同时能够改善入流效果，平稳水流，保证水轮机运行的稳定性。
第三，本发明的复合式多级潮流能发电的水轮机能够利用潮流能水流的特点，水流流速在1m/s以上就可以发电，且保证低流速自启动，可适用于0.2m～ 1.5m的微水头水流水能转化。
第四，本发明的复合式多级潮流能发电的水轮机不仅能够通过数组梨形线翼型叶片对主轴的公转提供力矩，而且还能够收集每组梨形线翼型叶片自转产生的动能，以达到能量回收效率的最大化。
第五，本发明的复合式多级潮流能发电的水轮机，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。
附图说明
图1是本发明的叶轮整体结构示意图。
图2是本发明的叶轮各部分尺寸比例关系的示意图。
图3是本发明的整体结构的侧视图。
图4是本发明的单叶片截面型线示意图。
附图中的编号说明：导流罩1、转动轴2、转轮支撑架3、梨形线翼型叶片 4、导流罩1的进水侧5、导流罩1的出水侧6；导流罩的中间段的宽度A0、导流罩1的进口段的宽度A1、导流罩1的出口段的宽度A2、导流罩1的进口段的长度L1、导流罩1的中间段的长度L2、导流罩1的出口段的长度L3、转动轴2 的直径D0、叶轮的直径D1、轴承支撑架3的直径D2、转轮的高度B0、导流罩1 的高度B1。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1。
结合图1至图4，本发明提出的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：包括导流罩1，轴承支撑架3、转动轴2和叶轮组成的转轮，所述叶轮包括多个梨形线翼型叶片4；所述转轮固定设置在导流罩1的中间段的2/3 处，所述导流罩1两端为喇叭形，其进口细，出口粗，中间段为直线型，导流罩 1的顶部与底部均为水平面；所述梨形线翼型叶片4在叶片固定板上以转动轴2 为中心，梨形线翼型叶片4的空间上呈圆周分布，与轴承支撑架3焊接固定；所述梨形线翼型叶片4的关键点的坐标以如下方式表示，X代表单个叶片4的截面翼型曲线上关键点的空间横坐标值，Y代表单个叶片4的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值，参数见表1,
表1：
序号 X Y 序号 X Y
1 -6.3651 -8.6932 11 -5.2918 -7.4914
2 -5.3666 -12.4651 12 -4.9568 -8.2264
3 -6.9776 -9.2302 13 -4.4743 -8.8824
4 -8.0461 -10.4499 14 -3.9786 -9.5288
5 -6.1767 -12.3873 15 -3.5105 -10.1953
6 -5.7661 -8.1415 16 -3.1525 -10.9245
7 -7.5615 -9.7976 17 -3.1531 -11.7202
8 -8.2029 -11.2309 18 -3.7656 -12.2275
9 -7.7028 -11.8485 19 -4.5539 -12.4242
10 -6.9668 -12.1922 20 -5.3008 -7.4817
表1中所述参数的数学方程式为：x＝1+sint；y＝a·cost·(1+sint)。
实施例2。
结合图1和图2，本发明所述的转动轴2的形状为为圆柱形，转动轴2的直径D0与叶轮的直径D1的比值为0.08～0.15，转动轴2的直径D0与转轮的直径D2的比值为0.065～0.077。
实施例3。
结合图2和图3，本发明所述的导流罩1的进口段的长度L0与导流罩1的中间段的长度L1的比值为0.08～0.15,导流罩1的出口段6的长度L2与导流罩1 的中间段的长度L1的比值为0.51～0.58；导流罩1的进口段5的宽度A1与导流罩1的中间段的宽度A0的比值为1.05～1.11，导流罩1的出口段6的宽度A2与导流罩1的中间段的宽度A0的比值为1.47～1.54；转轮的高度B0与导流罩1的高度B1的比值为0.65～0.71。
所述导流罩1垂直于来流方向的各个界面均为矩形，各个矩形的高度相等，垂直于来流方向的界面中，导流罩1与轮毂的中心轴的垂向对称；导流罩1的各个俯视截面相等、两段为喇叭形、中间段通过流线形过渡到直线。
实施例4。
结合图1至图4，本发明所述叶轮的梨形线翼型叶片4的数量为2枚；设置在轴承支撑架3上的叶轮的数量为3组；来流过程中，所述梨形线翼型叶片4 绕位于轴承支撑架3上的轴心自转而输出扭矩，轴承支撑架3带动3组梨形线翼型叶片4绕转动轴2进行公转而输出扭矩；其中自转与公转的功率输出比约为 1:7。
下面结合附图进一步公开本发明的主要部件尺寸的具体实施例。
实施例5。
结合图2和图3，本发明所述的转动轴2的直径为14cm，叶轮的直径为94cm，轴承支撑架3的直径为183cm。导流罩1的进口段5的直径为302cm，导流罩1 的中间段的直径为270cm，导流罩1的出口段6的直径为400cm；导流罩1的进口段5的长度为22cm，导流罩1的中间段的长度为123cm，导流罩1的出口段6 的长度为105cm。转轮的高度为47cm，导流罩1的高度为66cm。设置在轴承支撑架上的叶轮的数量为3组，每组叶轮的梨形线翼型叶片4的数量为2枚。来流过程中，所述梨形线翼型叶片4绕位于轴承支撑架3上的轴心自转而输出扭矩，轴承支撑架3带动3组梨形线翼型叶片4绕转动轴2进行公转而输出扭矩；其中自转与公转的功率输出比为1:7。
实施例6。
结合图2和图3，本发明所述的转动轴2的直径为21cm，叶轮的直径为142cm，轴承支撑架3直径为275cm。导流罩1的进口段5的直径为453cm，导流罩1的中间段的直径为405cm，导流罩1的出口段6的直径为606cm；导流罩1的进口段5的长度为33cm，导流罩1的中间段的长度为184cm，导流罩1的出口段6 的长度为158cm。转轮的高度为71cm，导流罩1的高度为100cm。设置在轴承支撑架上的叶轮的数量为3组，每组叶轮的梨形线翼型叶片4的数量为2枚。来流过程中，所述梨形线翼型叶片4绕位于轴承支撑架3上的轴心自转而输出扭矩，轴承支撑架3带动3组梨形线翼型叶片4绕转动轴2进行公转而输出扭矩；其中自转与公转的功率输出比为1:7。
实施例7。
结合图2和图3，本发明所述的转动轴2的直径为25cm，叶轮的直径为170cm，轴承支撑架3的直径为330cm。导流罩1的进口段5的直径为544cm，导流罩1 的中间段的直径为486cm，导流罩1的出口段6的直径为728cm；导流罩1的进口段5的长度为40cm，导流罩1的中间段的长度为221cm，导流罩1的出口段6 的长度为190cm。转轮的高度为85cm，导流罩1的高度为118cm。设置在轴承支撑架上的叶轮的数量为3组，每组叶轮的梨形线翼型叶片4的数量为2枚。来流过程中，所述梨形线翼型叶片4绕位于轴承支撑架3上的轴心自转而输出扭矩，轴承支撑架3带动3组梨形线翼型叶片4绕转动轴2进行公转而输出扭矩；其中自转与公转的功率输出比为1:7。
经试验验证，本发明提出的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，在 1m/s以上的流速情况下即可自启动，并且具有高效率。相对于传统的筑坝发电，运用本发明的水轮机，不仅能够很好的保护自然环境，而且还大大降低了发电机组的造价成本，达到高效利用潮流能的目的。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：包括导流罩(1)，轴承支撑架(3)、转动轴(2)和叶轮组成的转轮，所述叶轮包括多个梨形线翼型叶片(4)；所述转轮固定设置在导流罩(1)的中间段的2/3处，所述导流罩(1)两端为喇叭形，其进口细，出口粗，中间段为直线型，导流罩(1)的顶部与底部均为水平面；所述梨形线翼型叶片(4)在叶片固定板上以转动轴(2)为中心，梨形线翼型叶片(4)的空间上呈圆周分布，与轴承支撑架(3)焊接固定；所述梨形线翼型叶片(4)的关键点的坐标以如下方式表示，X代表单个叶片(4)的截面翼型曲线上关键点的空间横坐标值，Y代表单个叶片(4)的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值，参数见表1,
表1：
序号 X Y 序号 X Y 1 -6.3651 -8.6932 11 -5.2918 -7.4914 2 -5.3666 -12.4651 12 -4.9568 -8.2264 3 -6.9776 -9.2302 13 -4.4743 -8.8824 4 -8.0461 -10.4499 14 -3.9786 -9.5288 5 -6.1767 -12.3873 15 -3.5105 -10.1953 6 -5.7661 -8.1415 16 -3.1525 -10.9245 7 -7.5615 -9.7976 17 -3.1531 -11.7202 8 -8.2029 -11.2309 18 -3.7656 -12.2275 9 -7.7028 -11.8485 19 -4.5539 -12.4242 10 -6.9668 -12.1922 20 -5.3008 -7.4817
表1中所述参数的数学方程式为：x＝1+sint；y＝a·cost·(1+sint)。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：所述转动轴(2)的形状为为圆柱形，转动轴(2)的直径D0与叶轮的直径D1的比值为0.08～0.15，转动轴(2)的直径D0与转轮的直径D2的比值为0.065～0.077。
3.根据权利要求2所述的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：所述导流罩(1)的进口段的长度L0与导流罩(1)的中间段的长度L1的比值为0.08～0.15,导流罩(1)的出口段的长度L2与导流罩(1)的中间段的长度L1的比值为0.51～0.58；导流罩(1)的进口宽度A1与导流罩(1)的中间段的宽度A0的比值为1.05～1.11，导流罩(1)的出口段的宽度A2与导流罩(1)的中间段的宽度A0的比值为1.47～1.54；转轮的高度B0与导流罩(1)的高度B1的比值为0.65～0.71。
4.根据权利要求3所述的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：所述导流罩(1)垂直于来流方向的各个界面均为矩形，各个矩形的高度相等，垂直于来流方向的界面中，导流罩(1)与轮毂的中心轴的垂向对称；导流罩(1)的各个俯视截面相等、两段为喇叭形、中间段通过流线形过渡到直线。
5.根据权利要求4所述的一种基于复合式多级潮流能发电的水轮机，其特征在于：所述叶轮的梨形线翼型叶片(4)的数量为2枚；设置在轴承支撑架(3)上的叶轮的数量为3组；所述梨形线翼型叶片(4)绕位于轴承支撑架(3)上的轴心自转而输出扭矩，轴承支撑架(3)带动3组梨形线翼型叶片(4)绕转动轴(2)进行公转而输出扭矩；其中自转与公转的功率输出比为1:7。
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