CN108915935B - 带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，两个直径相同的阻力型转子分别置于升力型转子下游的斜上方及斜下方，并对称布置；两阻力型转子之间的安装角的相位差Φ为90°,阻力型转子直径D’为升力型转子直径D的1/4～1/2，两阻力型转子的旋转中心与升力型转子旋转中心的距离S为3.5D’～5.5D’之间。两个阻力型转子对称安装在升力型垂直轴水轮机转子下游的斜上及斜下方，阻力型转子与升力型转子间可形成一狭窄流道，使流体通过时提高其速度，改善叶片旋转到后半周期时因流速降低而导致其做功性能下降的缺点。本发明能更高效地实现将流体动能转换为机械能，进而转化为电能的这一能量转换过程。

Description

带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机
技术领域
本发明涉及一种升力型垂直轴水轮机，尤其是一种带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机。
背景技术
海流能是指海水在水平流动中蕴藏的动能，是海洋可再生能源中的一种，一般来说水流速度大于2米/秒的海底水道或海峡中以及由于潮汐导致的有规律的海水流动地区内的海流能资源都具有可开发利用的价值。由于与风力发电的原理相似，目前大多数研制中的海流能发电装置也沿袭了风力机的设计，可分为水平轴式和垂直轴式两类，垂直轴式的海流能装置(水轮机)的发电设备可安装在水面以上甚至是岸边，从而大大减小了海水对这些关键部件的侵蚀破坏，进而降低了系统的维护费用。此外，垂直轴式海流能水轮机的迎流面积为矩形从而在安装时受到水深高度的制约性较小，因此比水平轴装置更适用于流速大，水深较浅的流道中。尽管垂直轴海流能水轮机与水平轴装置(如图1所示)相比有诸多优点，但是这种水轮机的能量转换效率较低，迄今仍普遍低于水平轴式装置，而提高垂直轴式海流能水轮机的能量转换效率是使这种发电装置得到更广泛应用的关键。
目前提高垂直轴式水轮机的方法可分为主动式和被动式两类，主动式的可在水轮机转子叶片上通过射流、振动薄片或吹、吸气的方法通过局部能量的输入，改善叶片表面的流动状态，提高叶片的做功性能，但这类方法需要消耗能量而且机构复杂，不适合严酷和复杂多变的海洋环境。被动式方法在叶片上加装附属小结构如肋条、圆柱、优化叶片几何形状等，这类方法不需要消耗能量，无需额外添加装置或系统因此结构简单。
目前利用附属小结构如肋条、圆柱、优化叶片几何形状等改善叶片做功性能的被动式方法需要在转子叶片表面直接进行加装，在实际应用中的变工况性能较差，不能根据主流工况的变化进行相应的调整，在某些工况下因为改变了叶片的几何外形反而会增大流动阻力，降低水轮机叶片的水动力特性。
此外，传统的升力型垂直轴水轮机叶片在旋转一周的过程中当叶片旋转到下半周期即180°-360°(如图1所示)时，叶片往往运行在上半周期中叶片及旋转轴后部产生的尾迹区内，流速降低，叶片获能效率下降，使得转子高效做功区域减小。
发明内容
本发明是要提供一种带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，该水轮机能更高效地实现将流体动能转换为机械能，进而转化为电能的这一能量转换过程，此外，两个按照特定方式安装的阻力型转子间的流场可以产生一定的耦合作用，使得两转子间流体的速度加快，这样有益于升力型转子后部尾迹区内速度亏损尽快恢复。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一个带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，包括三叶片的升力型转子，两个直径相同的阻力型转子，两个直径相同的阻力型转子分别置于升力型转子下游的斜上方及斜下方，并对称布置；两阻力型转子之间的安装角的相位差Φ为90°,阻力型转子直径D’为升力型转子直径D的1/4～1/2，两阻力型转子的旋转中心与升力型转子旋转中心的距离S为3.5D’～5.5D’之间。
进一步，所述升力型转子与两阻力型转子高度相同。
进一步，所述升力型转子和两阻力型转子的上下端装有圆形端板。
进一步，所述升力型转子的转轴通过发电机齿轮箱连接发电机。
本发明的有益效果是：两个阻力型转子对称安装在升力型垂直轴水轮机转子下游的斜上及斜下方，阻力型转子与升力型转子间可形成一狭窄流道，使流体通过时提高其速度，改善叶片旋转到后半周期时因流速降低而导致其做功性能下降的缺点,该水轮机能更高效地实现将流体动能转换为机械能，进而转化为电能的这一能量转换过程。此外，两个按照特定方式安装的阻力型转子间的流场可以产生一定的耦合作用，使得两转子间流体的速度加快，这样有益于升力型转子后部尾迹区内速度亏损尽快恢复。因此当多个水轮机成群安装时可显著减小上游转子对下游转子的影响，提高水轮机群整体的获能效率。
附图说明
图1为传统升力型垂直轴水轮机截面示意图；
图2为带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机结构示意图；
图3为图2中沿A-A的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图2，3所示，本发明的带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，包括：一个三叶片的升力型转子1，直径为D和两个直径相同的阻力型转子A2和阻力型转子B3，直径均为D’，且D’＝0.25D～0.5D。
阻力型转子A2和阻力型转子B3位于升力型转子1下游的斜上方及斜下方，并对称布置。保证θ＝30°～45°，S＝3.5D’～5.5D’，其中：S为阻力型转子旋转中心与升力型转子旋转中心的距离，θ为升力型转子和阻力型转子的中心连线与升力型转子对称中心线之间的安装角。
阻力型转子A2的阻力型叶片逆时针旋转，阻力型转子B3的阻力型叶片顺时针旋转，且保证斜上方阻力型转子A2的两阻力型叶片最外端的连线与斜下方阻力型转子B3的两阻力型叶片最外端的连线的夹角Φ＝90°。
升力型转子1与两阻力型转子高度相同。
在升力型转子1、阻力型转子A2、阻力型转子B3的上下端加装圆形端板5，保证结构的整体性和稳定性。在升力型转子1的转轴4下方连接发电机齿轮箱6后与发电机7相连。

Claims (3)

1.一个带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，包括三叶片的升力型转子，两个直径相同的阻力型转子，其特征在于：两个直径相同的阻力型转子分别置于升力型转子下游的斜上方及斜下方，并对称布置；两阻力型转子之间的安装角的相位差Φ为90°,阻力型转子直径D’为升力型转子直径D的1/4～1/2，两阻力型转子的旋转中心与升力型转子旋转中心的距离S为3.5D’～5.5D’之间；所述升力型转子与两阻力型转子高度相同。
2.根据权利要求1所述的带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，其特征在于：所述升力型转子和两阻力型转子的上下端装有圆形端板。
3.根据权利要求1或2所述的带阻力型导流叶片的升力型垂直轴水轮机，其特征在于：所述升力型转子的转轴通过发电机齿轮箱连接发电机。
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