CN109083798B - 流体发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力设备领域的流体发电装置，其包括轴流式叶轮、旋转轴、变速器和发电机。所述叶轮包括轮毂和多个叶片；叶轮由其轮毂与旋转轴固定连接；旋转轴通过变速器与发电机相连。叶片包括前缘、后缘、外缘和内缘。各个叶片通过紧固件固定连接在轮毂上。叶片具有最大厚度和最大弯矩，叶片从径向内侧至径向外侧宽度逐渐变宽，且从叶片的径向内侧至径向外侧，最大厚度和最大弯矩的位置在周向方向上是变化的。采用这种形状的叶片的叶轮能够克服现有的水力发电用轴流式叶轮存在的叶片的形状设计不合理、效率较低的问题，从而相应的叶轮能够明显提高做功效率，进而使得相应的流体发电装置提高发电效率5%至15%。

Description

流体发电装置
技术领域
本发明涉及发电设备领域，尤其涉及一种流体发电装置。
背景技术
随着经济的快速发展，社会对清洁能源，可再生、无污染、运行成本低、便于进行电力调峰等的新能源需求越来越大。水力发电、风能发电、太阳能发电、地热发电、生物能发电、核能发电等的使用已经越来越普及了。对于水力发电，其关键部件—叶轮的结构对发电效率的影响尤为巨大。叶轮主要分为轴流式叶轮，离心式叶轮和混流式叶轮。现有的水力发电用轴流式叶轮仍然存在着叶片的形状设计不合理、效率较低的问题，仍有进一步改进和提高效率的空间。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种发电效率较高的流体发电装置，总的技术构思则是通过对其中的叶轮的叶片的形状的改进以提高发电效率和性能。
实现本发明目的的技术方案是：本发明的流体发电装置，包括轴流式叶轮（以下将轴流式叶轮简称为叶轮）、旋转轴、变速器和发电机。所述叶轮包括轮毂和多个叶片。叶轮由其轮毂与旋转轴固定连接。旋转轴通过变速器与发电机相连。叶片包括前缘、后缘、外缘和内缘。各个叶片通过紧固件固定连接在轮毂上，且各个叶片的内缘与轮毂的外周边缘相接触。叶片具有最大厚度t和最大弯矩c，叶片从径向内侧至径向外侧宽度逐渐变宽。其结构特点是：从叶片的径向内侧至径向外侧，最大厚度t和最大弯矩c的位置在周向方向上是变化的；其中最大厚度位置变化曲线Vt从叶片的径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间偏前部位的起始点起始后，先向叶片的前缘接近，然后向后缘接近，最后向前缘接近；最大弯矩位置变化曲线Vc从叶片的径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间部位的起始点起始后，先向叶片的后缘接近，后向前缘接近，然后向后缘接近，最后还向后缘接近。
进一步地，叶片的前缘在径向方向上由三段弧线构成，它们是前缘的依次相连的第一弧形段R1、第二弧形段R2和第三弧形段R3。叶片的后缘在径向方向上也由三段弧线构成，它们是后缘的依次相连的第一弧形段R4、第二弧形段R5和第三弧形段R6。叶片的后缘的第一弧形段R4与叶片的前缘的第一弧形段R1相对应，且将叶片的位于后缘的第一弧形段R4与前缘的第一弧形段R1之间的部分称为叶片的第一弧形区。叶片的后缘的第二弧形段R5与叶片的前缘的第二弧形段R2相对应，且将叶片的位于后缘的第二弧形段R5与前缘的第二弧形段R2之间的部分称为叶片的第二弧形区；叶片的后缘的第三弧形段R6与前缘的第三弧形段R3相对应，且将叶片的位于后缘的第三弧形段R6与前缘的第三弧形段R3之间的部分称为叶片的第三弧形区。
在第一弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置从中间偏前起始后，先向前缘接近，后向后缘接近；最大弯矩c的位置从中间起始后，先向后缘接近，后向前缘接近。在第二弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置继续向后缘接近，最大弯矩c的位置改向后缘接近；在第三弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置改向前缘接近，最大弯矩c的位置继续向后缘接近。
进一步地，叶片的前缘的第三弧形段R3的弯曲的开口方向向着前方，也即向着前缘的方向，叶片的后缘的第三弧形段R6的弯曲的开口方向也向着前方。
进一步地，叶片的外缘为弧形段R7，弧形段R7的弯曲的开口方向向着径向内侧。
本发明具有积极的效果：本发明的流体发电装置在工作时，其叶轮的叶片由其正面朝向流体（水或蒸汽），在流体的作用下，叶片带动轮毂沿周向转动，在转动的方向上，叶片的前缘朝向转动方向。由于叶片的形状经过了最优化设计，例如，综合考虑流体对叶片表面的冲击力、扭矩、叶片表面形成的涡流等对叶片性能的影响，通过计算机软件模拟及实际试验结果获得的各项参数（如压力、功率转换率、转速等）可知，相比于以往的叶型，其能够明显提高叶片的做功效率5%至15%。
附图说明
图1为本发明的叶轮的结构示意图。
图2为图1中的叶片的截面的放大示意图，其所示方向为图1的F-F向。
上述附图中的标记如下：叶片1，轮毂2，旋转轴3，前缘4，后缘5，外缘6，内缘7，中弧线8，叶片中心线a，点划线b1，点划线b2，点划线b3，最大厚度t，最大厚度X轴坐标位置Xt，最大弯矩c，最大弯矩X轴坐标位置Xc，最大厚度位置变化曲线Vt，最大弯矩位置变化曲线Vc。
具体实施方式
本发明提供了一种流体发电装置，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
（实施例1）
见图1，本实施例的流体发电装置包括轴流式叶轮、旋转轴3、变速器和发电机。所述轴流式叶轮包括轮毂2和多个叶片1（本实施例为3个）。叶片1包括前缘4、后缘5、外缘6和内缘7。各个叶片1通过紧固件固定连接在轮毂2上，且各个叶片1的内缘7与轮毂2的外周边缘部位相接触。叶轮由其轮毂2与旋转轴3固定连接。旋转轴3通过变速器与发电机相连。
仍见图1，叶片1为铸铝一体件，或者是采用尼龙材质的一体件、或者是采用其它工程塑料材质的一体件。叶片1的前缘4和后缘5均沿着轮毂2的径向设置。叶片1的前缘4在轮毂2的径向方向上由三段弧线构成，它们是前缘4的依次相连的第一弧形段R1、第二弧形段R2和第三弧形段R3，并且图1中的标记R1、R2和R3还分别表示前缘4的各个弧形段对应的半径，而且半径R1>半径R2>半径R3。前缘4的第一弧形段R1位于内缘7与点划线b3之间，约占前缘4的径向长度（指表示基本沿轮毂2的径向设置的前缘4的曲线的长度）的40%。前缘4的第二弧形段R2位于点划线b3与点划线b2之间，约占径向长度的50%。前缘4的第三弧形段R3位于点划线b2与点划线b1之间，约占径向长度的10%，前缘4的第三弧形段R3的弯曲的开口方向向着前方，也即向着前缘4的方向。
叶片1的后缘5在轮毂2的径向方向上也由三段弧线构成，它们是后缘5的依次相连的第一弧形段R4、第二弧形段R5和第三弧形段R6，且后缘5的第一弧形段R4、第二弧形段R5和第三弧形段R6分别与前缘4的第一弧形段R1、第二弧形段R2和第三弧形段R3相对应，并相对于图1中的中心线a设置。图1中的标记R4、R5和R6还分别表示后缘5的各个弧形段对应的半径，并且半径R4>半径R5>半径R6。后缘5的第一弧形段R4位于内缘7与点划线b3之间，约占后缘5的径向长度的40%。后缘5的第二弧形段R5 位于点划线b3与点划线b2之间，约占径向长度的50%，后缘5的第三弧形段R6位于点划线b2与点划线b1之间，约占径向长度的10%，后缘5的第三弧形段R6的弯曲的开口方向向着前方，也即向着前缘4的方向，且半径R3>半径R6。
叶片1的外缘6包括外侧弧形段R7，其弯曲的开口方向向着径向内侧。图2中所示的叶片1的中弧线8的弯曲的开口方向向着Y轴负方向，也即叶片1的中弧线8弯曲的开口方向向着叶片1的压力面方向。
见图2，叶片1的截面如机翼型，具有最大厚度t和最大弯矩c，叶片1从径向内侧至径向外侧宽度逐渐变宽，所述的宽度是指前缘4与后缘5之间的距离。见图1，可以将叶片1从径向内侧到径向外侧分为三个区域，分别为第一弧形区、第二弧形区和第三弧形区。第一弧形区是内缘7、前缘4的第一弧形段R1、点划线b3与后缘5的第一弧形段R4相互间所围成的区域，第二弧形区是位于点划线b3、前缘4的第二弧形段R2、点划线b2与后缘5的第二弧形段R5相互间所围成的区域，第三弧形区是点划线b2、前缘4的第三弧形段R3、外缘6与后缘5的第三弧形段R6相互间所围成的区域。
叶片1的最大厚度t的位置在周向方向上是变化的，最大厚度位置变化曲线Vt从叶片1径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间偏前部位的起始点起始后，先向前缘4接近，然后向后缘5接近，最后向前缘4接近。具体为：在第一弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t从中间偏前起始后，先向前缘4接近，后向后缘5接近；在第二弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t继续向后缘5接近；在第三弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t改向前缘4接近。
最大弯矩c的位置在周向方向上也是变化的，最大弯矩位置变化曲线Vc从叶片1径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间部位的起始点起始后，先向后缘5接近，后向前缘4接近，然后向后缘5接近，最后还向后缘5接近。具体为：在第一弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大弯矩c从中间起始后，先向后缘5接近，后向前缘4接近；在第二弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大弯矩c改向后缘5接近；在第三弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大弯矩c继续向后缘5接近，且其变化斜率的绝对值小于最大厚度位置变化曲线Vt在第三弧形区的变化斜率的绝对值。最大厚度位置变化曲线Vt、最大弯矩位置变化曲线Vc在三个弧形区的各自相互间的连接处是平滑过渡的。
本发明的流体发电装置用叶轮，通过对叶片1的形状的最优化设计，例如，综合考虑流体——特别是水对叶片表面的冲击力、扭矩、叶片表面形成的涡流等对叶片性能的影响，通过计算机软件模拟及实际试验结果获得的各项参数（如压力、功率转换率、转速等）可知，相比于以往的叶型，其能够明显提高叶片1的做功效率5%至15%。
上述实施方式是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的结构均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种流体发电装置，包括轴流式叶轮、旋转轴（3）、变速器和发电机；所述轴流式叶轮包括轮毂（2）和多个叶片（1）；叶片（1）包括前缘（4）、后缘（5）、外缘（6）和内缘（7）；各个叶片（1）通过紧固件固定连接在轮毂（2）上，且各个叶片（1）的内缘（7）与轮毂（2）的外周边缘部位相接触；叶轮由其轮毂（2）与旋转轴（3）固定连接；旋转轴（3）通过变速器与发电机相连；叶片（1）具有最大厚度t和最大弯矩c，叶片（1）从径向内侧至径向外侧宽度逐渐变宽；其特征在于：
从叶片（1）的径向内侧至径向外侧，最大厚度t和最大弯矩c的位置在周向方向上是变化的；其中最大厚度位置变化曲线Vt从叶片（1）的径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间偏前部位的起始点起始后，先向叶片（1）的前缘（4）接近，然后向后缘（5）接近，最后向前缘（4）接近；最大弯矩位置变化曲线Vc从叶片（1）的径向内侧至径向外侧，该曲线从位于中间部位的起始点起始后，先向叶片（1）的后缘（5）接近，后向前缘（4）接近，然后向后缘（5）接近，最后还向后缘（5）接近；叶片（1）的前缘（4）在径向方向上由三段弧线构成，它们是前缘（4）的依次相连的第一弧形段R1、第二弧形段R2和第三弧形段R3；叶片（1）的后缘（5）在径向方向上也由三段弧线构成，它们是后缘（5）的依次相连的第一弧形段R4、第二弧形段R5第三弧形段R6；
叶片（1）的后缘（5）的第一弧形段R4与叶片（1）的前缘（4）的第一弧形段R1相对应，且将叶片（1）的位于后缘（5）的第一弧形段R4与前缘（4）的第一弧形段R1之间的部分称为叶片（1）的第一弧形区；叶片（1）的后缘（5）的第二弧形段R5与叶片（1）的前缘（4）的第二弧形段R2相对应，且将叶片（1）的位于后缘（5）的第二弧形段R5与前缘（4）的第二弧形段R2之间的部分称为叶片（1）的第二弧形区；叶片（1）的后缘（5）的第三弧形段R6与叶片（1）的前缘（4）的第三弧形段R3相对应，且将叶片（1）的位于后缘（5）的第三弧形段R6与前缘（4）的第三弧形段R3之间的部分称为叶片（1）的第三弧形区；
在第一弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置从中间偏前起始后，先向前缘（4）接近，后向后缘（5）接近；最大弯矩c的位置从中间起始后，先向后缘（5）接近，后向前缘（4）接近；在第二弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置继续向后缘（5）接近，最大弯矩的位置改向后缘（5）接近；在第三弧形区，从径向内侧至径向外侧，最大厚度t的位置改向前缘（4）接近，最大弯矩的位置继续向后缘（5）接近；叶片（1）的外缘（6）为弧形段R7，弧形段R7的弯曲的开口方向向着径向内侧。
2.如权利要求1所述的流体发电装置，其特征在于：叶片（1）的前缘（4）的第三弧形段R3的弯曲的开口方向向着前方，叶片（1）的后缘（5）的第三弧形段R6的弯曲的开口方向也向着前方。
3.如权利要求1所述的流体发电装置，其特征在于：所述流体为水。
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