CN109185009B - 一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置,包括叶片、叶柄、轴套、限位器和轮毂；叶片的根部与叶柄固定连接；轮毂的内部径向分布有叶柄孔,叶柄安装于叶柄孔内,并且叶柄可在叶柄孔内绕叶片的法兰中心轴转动；叶柄的尾部连接于限位器,限位器具有凸出的限位边缘,限位边缘环绕在叶柄的尾部；叶柄孔内设置轴套，叶柄套接在轴套内；叶片为后掠形状，其水动力中心轴相对其法兰中心轴向叶片的后缘倾斜7.8°。本发明结构简单，叶片无需外加液压或电动源，依靠自身结构即能自适应水流方向改变桨距角，由限位器限制在设定的安装角高效捕获水流能，驱动发电机输出电能；叶轮装置无需密封，无液压或电动源故障节点，安全可靠。

Description

一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置
技术领域
本发明涉及海洋潮流或内陆水流流体机械设计技术领域，具体涉及一种水平布置的无源自适应往返双向水流发电的叶轮装置。
背景技术
目前，海洋能的开发利用已成为热点，其中通过潮流能的利用形成了多种新型发电装置，主要有水平轴式、垂直轴式等，传统的水力发电机组利用水力势能发电的技术更是趋于成熟。但是多数潮流发电装置叶轮或采用单向发电定桨方式，不能有效利用双向潮流能，也有一些潮流发电装置借鉴水力发电转轮技术采用液压(或电动)变桨技术，在海洋环境下可靠性又不高，潮流能利用效率依然不高。传统水力发电只是利用水头势能发电，其叶轮采用液压变桨技术，不适合极低水头的水流动能的利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置，适用于具有双向性的海洋潮流能发电装置和某些特殊情况下的双向水流发电装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置，包括叶片、叶柄、轴套、限位器和轮毂；所述叶片的根部与所述叶柄固定连接；所述轮毂的内部径向分布有叶柄孔,所述叶柄安装于所述叶柄孔内,并且所述叶柄可在叶柄孔内绕叶片的法兰中心轴转动；所述叶柄的尾部连接于限位器,所述限位器具有凸出的限位边缘,所述限位边缘环绕在所述叶柄的尾部；所述叶柄孔内设置轴套，所述叶柄套接在所述轴套内；所述叶片为后掠形状，其水动力中心轴相对其法兰中心轴向叶片的后缘倾斜7.8°。
进一步地，所述限位边缘将叶片的安装角固定为4°。
进一步地，所述叶片为对称翼型。
更进一步地，所述叶片的参数为：
距叶根0.047L处，叶片截面为圆筒形，尺寸坐标数据满足函数
Figure BDA0001792814030000021
距叶根0.147L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.930x5-3.919x4+5.577x3-3.777x2+1.182x+0.010)，厚弦比为29.4％；
距叶根0.194L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.398x5-1.026x4+1.148x3-1.037x2+0.516x+0.002)，厚弦比为19.0％；
距叶根0.522L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(1.090x5-2.871x4+2.987x3-1.813x2+0.605x+0.003)，厚弦比为17.1％；
距叶根0.817L处，翼型上表面、下表面的尺寸坐标满足函数y＝±(1.6x5-4.291x4+4.475x3-2.447x2+0.660x+0.003)，厚弦比为14.4％；
叶尖处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.679x5-1.964x4+2.238x3-1.409x2+0.455x)，厚弦比为11.6％；
其中，x表示翼型上表面和下表面上的点的横坐标值与翼弦弦长的比值，0≤x≤1，y表示翼型上表面和下表面上的点的纵坐标值与翼弦弦长的比值，所述横坐标值和纵坐标值为以翼型前缘顶点为原点得到的值；L表示叶片的长度。
进一步地，叶片的内部填充有填料，使得叶片的综合密度为1000-1025kg/m3。
更进一步地，所述填料包括聚氨酯泡沫发泡剂。
本发明的有益效果在于：本发明结构简单，叶片无需外加液压或电动源，依靠自身结构即能自适应水流方向改变桨距角，由限位器限制在设定的安装角高效捕获水流能，驱动发电机输出电能；叶轮装置无需密封，无液压或电动源故障节点，安全可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中的叶轮装置主视图；
图2为本发明实施例中的叶轮装置侧视图。
图3为本发明实施例中的叶片后掠示意图。
图4为本发明实施例中正向水流叶片变桨距示意图；
图5为本发明实施例中反向水流叶片变桨距示意图；
图6为本发明实施例中距叶根0.147L处叶片截面翼型图；
图7为本发明实施例中距叶根0.194L处叶片截面翼型图；
图8为本发明实施例中距叶根0.522L处叶片截面翼型图；
图9为本发明实施例中距叶根0.817L处叶片截面翼型图。
图10为本发明实施例中叶尖处叶片截面翼型图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
如图1-3所示,本实施例提供的一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置,包括叶片1、叶柄2、轴套3、限位器4和轮毂5；所述叶片的根部与所述叶柄2固定连接(如螺栓连接等)；所述轮毂5的内部径向分布有叶柄孔51,所述叶柄2安装于所述叶柄孔51内,并且所述叶柄2可在叶柄孔51内绕叶片的法兰中心轴转动；所述叶柄2的尾部连接于限位器4,所述限位器具有凸出的限位边缘41,所述限位边缘41环绕在所述叶柄2的尾部；所述叶柄孔51内设置轴套3，所述叶柄2套接在所述轴套3内；所述叶片1为后掠形状，其水动力中心轴13相对其法兰中心轴14向叶片的后缘12倾斜7.8°。
在上述叶轮装置中,限位器的限位边缘固定了叶片在双向流下的安装角并承受叶片的扭转载荷，同时承受机组旋转时叶片的离心力。轮毂的径向叶柄孔内设置的轴套承受叶片的挥舞方向和摆振方向的载荷。而由于叶片1为后掠形状，其水动力中心轴13相对其法兰中心轴14向叶片的后缘12倾斜7.8°,叶片在正反双流向的任何流速下，叶片后缘侧所获得的相对法兰中心轴14的水力转矩均远大于叶片前缘11侧获得相对法兰中心轴14的水力转矩，转矩比约为12.3。
如图4所示，叶片1在正向水流的作用下，由于叶片的后缘12侧获得的水力转矩远大于叶片的前缘11侧获得的水力转矩，叶片1连同叶柄2和限位器4在合转矩作用下绕法兰中心轴14顺时针转动，限位边缘41将叶片1固定在正向约4°安装角，完成自适应正向水流变距并保持在高效桨距角下工作，叶轮装置在水力作用下n向旋转驱动发电机输出电能。
如图5所示，叶片1在反向水流的作用下，由于叶片的后缘12侧获得的水力转矩远大于叶片的前缘11侧获得的水力转矩，叶片1连同叶柄2和限位器4在合转矩作用下绕法兰中心轴14逆时针转动，限位边缘41将叶片1固定在反向约4°安装角，完成自适应反向水流变距并保持在高效桨距角下工作，叶轮在水力作用下依然n向旋转驱动发电机输出电能。
在本实施例中,如图6-图10示所示，所述叶片1为对称翼型：
距叶根0.047L处，叶片截面为圆筒形，尺寸坐标数据满足函数
Figure BDA0001792814030000051
距叶根0.147L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.930x5-3.919x4+5.577x3-3.777x2+1.182x+0.010)，厚弦比为29.4％；
距叶根0.194L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.398x5-1.026x4+1.148x3-1.037x2+0.516x+0.002)，厚弦比为19.0％；
距叶根0.522L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(1.090x5-2.871x4+2.987x3-1.813x2+0.605x+0.003)，厚弦比为17.1％；
距叶根0.817L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(1.6x5-4.291x4+4.475x3-2.447x2+0.660x+0.003)，厚弦比为14.4％；
叶尖处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.679x5-1.964x4+2.238x3-1.409x2+0.455x)，厚弦比为11.6％；
其中，x表示翼型上表面和下表面上的点的横坐标与翼弦弦长的比值(0≤x≤1)，y表示翼型上表面和下表面上的点的纵坐标值与翼弦弦长的比值，所述横坐标值和纵坐标值为以翼型前缘顶点为原点得到的值；L表示叶片的长度。
叶片在设计制作时，除满足的刚性和强度需要外，内部填充由聚氨酯泡沫发泡剂等组成的填料，使叶片的综合密度近似水的密度，约等于1000-1025kg/m3，减小了重心和浮力对叶片在运行过程中的影响。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，包括叶片、叶柄、轴套、限位器和轮毂；所述叶片的根部与所述叶柄固定连接；所述轮毂的内部径向分布有叶柄孔,所述叶柄安装于所述叶柄孔内,并且所述叶柄可在叶柄孔内绕叶片的法兰中心轴转动；所述叶柄的尾部连接于限位器；所述叶柄孔内设置轴套，所述叶柄套接在所述轴套内；所述叶片为后掠形状，其水动力中心轴相对其法兰中心轴向叶片的后缘倾斜7.8°；
所述叶片的参数为：
距叶根0.047L处，叶片截面为圆筒形，尺寸坐标数据满足函数
Figure FDA0002409018840000011
距叶根0.147L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.930x5-3.919x4+5.577x3-3.777x2+1.182x+0.010)，厚弦比为29.4％；
距叶根0.194L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.398x5-1.026x4+1.148x3-1.037x2+0.516x+0.002)，厚弦比为19.0％；
距叶根0.522L处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(1.090x5-2.871x4+2.987x3-1.813x2+0.605x+0.003)，厚弦比为17.1％；
距叶根0.817L处，翼型上表面、下表面的尺寸坐标满足函数y＝±(1.6x5-4.291x4+4.475x3-2.447x2+0.660x+0.003)，厚弦比为14.4％；
叶尖处，翼型上表面、下表面尺寸坐标满足函数y＝±(0.679x5-1.964x4+2.238x3-1.409x2+0.455x)，厚弦比为11.6％；
其中，x表示翼型上表面和下表面上的点的横坐标值与翼弦弦长的比值，0≤x≤1，y表示翼型上表面和下表面上的点的纵坐标值与翼弦弦长的比值，所述横坐标值和纵坐标值为以翼型前缘顶点为原点得到的值；L表示叶片的长度。
2.根据权利要求1所述的无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，所述限位器将叶片的安装角固定为4°。
3.根据权利要求1或2所述的无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，所述限位器具有凸出的限位边缘,所述限位边缘环绕在所述叶柄的尾部。
4.根据权利要求1所述的无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，所述叶片为对称翼型。
5.根据权利要求1所述的无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，叶片的内部填充有填料，使得叶片的综合密度为1000-1025kg/m3。
6.根据权利要求5所述的无源自适应往返双向水流的叶轮装置,其特征在于，所述填料包括聚氨酯泡沫发泡剂。
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