CN109356781A - 一种无轴卧式变偏角潮流能装置 - Google Patents

Abstract

一种无轴卧式变偏角潮流能装置属于能量收集、能量转换及能量利用的技术领域，包括支撑结构、导流罩、叶片、传动装置、发电装置、叶片变偏角装置以及定子。整体装置至于水面下，当潮流流过时候，首先经过导流罩的加速，潮流迫使水轮机的叶片自由转动，叶片通过变偏角装置带动传动装置转动；传动装置一侧采用弧形齿轮状，弧形齿轮与发电装置齿轮啮合在一起，发电装置将传动装置的动能转化为可以利用的电能，实现将潮流能转化成电能的目的。本发明舍弃传统水轮机的主轴以及悬臂，减少材料的使用；同时，提高了水轮机获能的效率，提高水轮机的自启动性能。

Description

一种无轴卧式变偏角潮流能装置

技术领域

本发明属于能量收集、能量转换及能量利用的技术领域，涉及一种新型潮流能发电装置，对传统水轮机的改进，并且提高水轮机捕获能量的效率。

背景技术

随着社会的不断进步，人们对于能源的需求越来越大。而传统的能源，例如煤炭、石油、天然气、木材等都是属于不可再生能源，越用越少，并且造成环境的污染、大气温度升高等问题。人们需要寻求新的能源取代这些不可再生能源。

地球70％区域都是被水覆盖，而潮流能是一种可再生的无污染的清洁能源，目前已经成为了世界各国重点开发的领域。而潮流能的开发利用有一个重要的能源转换装置—水轮机，水轮机捕获能量的效率直接关系着海洋能利用的效率。

传统水轮机主要分为两种，一种是水平轴水轮机，水平轴水轮机转轴与流向平行，最早在风车中使用，利用叶片截面翼型的升力效应，产生推动叶片旋转的力矩，把叶片的旋转动能转变为发电机电能。它具有较高的效率利用，并且自起动性能好的优点，但是也有叶片形状复杂、难以加工、必须有保证叶轮面对来流的偏航装置。另一种是垂直轴水轮机，它的旋转轴与水流方向垂直，垂直轴水轮机运行不受来流方向的限制、结构简单、可靠性高，但相对于水平轴水轮机其能量利用率一直不高，并且自起动性能差。

传统水轮机的共同点是均具有一定形式的中心轴和悬臂，垂直轴水轮机的主轴即是中心轴，水平轴水轮机的三个叶片的安装地方即是中心轴。而在工作时，中心轴跟旋臂，均会造成一定形式的潮流能损失，且中心轴的腐蚀破损程度，直接决定整体装置的使用寿命。除此之外，中心轴和悬臂的安装也加大了投资的费用。

为了解决传统水轮机的缺点，现阶段需要发明一种无轴水平变偏角式水轮机，它应具有以下特点；自起动性能好，捕获潮流能的效率高，适用于各种来流。无主轴水轮机的提取潮流能的基本原理与常规的水平轴水轮机是一样的，都来自于水平轴风力机，但其独特的结构形式，引起了叶片和转子水动力特性的巨大变化：

一、根据水平轴水轮机提取流体动能的基本原理，叶片越靠近转子轮缘的部分(对常规水轮机是叶尖，对无轴水轮机是叶片根部)，对转子中心轴(实体轴或虚轴)的力臂越长，同时与流体的相对速度越大，所受的水动力荷载越大，理应对水动力扭矩及其做功产生最大的贡献。但常规水轮机叶片根部与主轴轮毂连接，越靠近叶尖，叶片截面尺寸越小，使其所能承受的水动力荷载越小，弹性变形引起的振颤越大，这不仅减弱了叶片的水动力效率，还对叶片结构强度和疲劳寿命产生了负面影响。无主轴水轮机叶片安装在转子轮缘处，可以加大该处叶片截面尺寸，承受较高的水动力荷载，充分利用水动力效率最优的叶片分段的能力，同时受力大的部分靠近固定端，且结构强度高，非常有利于减小结构变形和提高疲劳寿命。

二、与飞机机翼产生翼尖涡和诱导阻力的原理相同，常规水平轴水轮机叶尖涡的产生是不可避免的，伴生的诱导阻力会减弱叶片的水动力效率。无主轴水轮机的轮缘结构，阻止了流体沿叶片展向的运动，不会在转子轮缘处产生叶尖涡。虽然在靠近虚轴的叶尖处仍会由于叶片迎流面和背流面的压力差而产生叶尖涡，但与常规水平轴水轮机相比，这个叶尖涡要弱很多，且靠近中心轴，对作用在转子上的水动力扭矩影响很小。

三、设计合理的导流罩对提高风力机、水轮机的效率和运行稳定性的好处很明显，但兆瓦级大型风力机风轮直径达到数十米甚至一百米，从结构和造价上考虑不可能采用导流罩，而兆瓦级的潮流能水轮机转子直径在16-18m之间居多，采用导流罩是一个可行的选项。水平无主轴水轮机的轮缘支撑结构可以作为水轮机的导流罩，起到汇聚来流能量和支撑转子的双重作用。当然，作用在导流罩上的水动力荷载对装置的稳定性有不利影响，在设计水轮机的基础结构时需要考虑。

除了以上几点之外，由于潮流能水轮机转速较低，常规水轮机多采用齿轮增速器提高转速；而无主轴水轮机多采用置于转子轮缘处的永磁直驱发电机。通常的观点是，齿轮增速器由于齿间应力和轴承摩擦，会产生磨损和能量损耗，对运行维护要求高；而轮缘直驱发电机没有机械损耗，效率高，但对轮缘处的防水密封要求高，且造价昂贵。因此，不能简单的比较二者在机械传动系统和发电机系统上的优劣。

发明内容

为了改进潮流能发电装置中的中心轴以及旋臂带来的影响，本发明提出一种无轴水平轴变偏角式潮流能发电装置，这种装置不仅增大了捕获潮流能的效率以及减小中心轴、旋臂对装置的影响。并且变偏角的设计，使水轮机的自起动性能更好。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无轴卧式变偏角潮流能装置，所述装置包括支撑结构1、导流罩2、叶片3、传动装置4、发电装置5、叶片变偏角装置6以及定子7。

所述的支撑结构1包括三角形底座和固定在底座上的两根轴，两根轴与圆筒形导流罩2固定在一起，主要用来支撑固定整体潮流能装置。

所述的导流罩2有两个，分别固定在定子7前后。所述的定子7为圆环结构，导流罩2前后有一定的距离，定子7置于其中，主要起到使传动装置4可以做圆周运动。导流罩2用于增加水流流速，当来流速度较小时，经过导流罩2可以起到加速的作用，获得更大的动能。

所述的叶片3采用变截面设计，其一端弦长长，一端弦长短，弦长长的一侧与叶片变偏角装置6一端连接，弦长短的一侧悬空。所述的叶片变偏角装置6的另一端固定在传动装置4的转子上，当叶片3运动时带动变偏角装置6转动，进而带动传动装置4运动。

所述的传动装置4是圆环结构，其上设有多个转子。转子分为前后两部分：前面一部分是弧形齿轮状，弧形齿轮与发电装置5齿轮啮合在一起，当传动装置4转动的时候，产生动能，通过发电装置5将传动装置4的动能转化为可以利用的电能。后面一部分是圆环，圆环放在定子7的托槽中，转子整体可以在定子的托槽中运动。

所述的叶片变偏角装置6能够提高整体装置的获能效率，还能够解决水轮机自启动慢的问题。所述的叶片变偏角装置6包括U形板6-1、作业平台6-2，作业平台6-2用于连接U形板6-1和叶片3。所述的U形板6-1两侧设有螺栓孔6-4，螺栓孔6-4用于使变偏角装置6固定在传动装置4上；U形板6-1底部设有弧形槽6-3和圆形的主轴孔6-4，弧形槽6-3起到变偏角的目的，当作业平台6-2的一根轴6-6伸入弧形槽6-3之后，可以使该轴6-6绕主轴6-5在一定范围内运动，达到变偏角的目的，主轴孔6-4用于通过主轴6-5。所述的作业平台6-2包括轴6-6、主轴6-5、轴6-7和轴6-8，轴6-7和轴6-8与叶片3进行相连。可是使叶片3固定在变偏角装置上。

整体装置至于水面下，当潮流流过时候，首先经过导流罩2的加速，潮流迫使水轮机的叶片3自由转动，叶片3通过变偏角装置6带动传动装置4转动，传动装置4与发电装置5连接，发电装置5将传动装置4的动能转化为可以利用的电能，实现将潮流能转化成电能的目的。

所述的支持结构1采用不锈钢结构。

所述发电装置5主要是常规发电机，发电机至于定子的托槽边缘，且发电机需要进行密封处理，发电机与传动装置4的弧形齿轮边缘啮合连接。当传动装置4不停转动的时候，发电装置5可以将运动的机械能转化为电能，从而达到潮流能转化为电能的目的。

本发明的有益效果为：舍弃了传统水轮机的主轴以及悬臂，减少了材料的使用；提高了水轮机获能的效率；并且提高了水轮机的自启动性能。

附图说明

图1为无轴卧式变偏角潮流能装置整体结构示意图；

图2为叶片变偏角装置结构示意图

图3(a)叶片变偏角装置局部示意图

图3(b)叶片变偏角装置局部示意图

图4为传动装置结构示意图

图5为定子结构示意图

图中：1支撑结构；2导流罩；3叶片；4传动装置；5发电装置；6叶片变偏角装置；6-1U形板；6-1作业平台；6-3弧形槽；6-4主轴孔；6-5主轴；6-6轴；6-7固定叶片轴；6-8固定叶片轴；7定子。

具体实施方案

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种无轴卧式变偏角潮流能装置，所述装置包括支撑结构1、导流罩2、叶片3、传动装置4、发电装置5、叶片变偏角装置6以及定子7。整个装置如下连接：整体装置至于海里，支撑结构1底部采用三角形连接，三角形不容易变形且稳定性良好，支撑结构1中间分别伸出两根轴，这两根轴主要是用来固定水轮机装置。导流罩2有两个，分别固定在定子7的前后，这样无论潮流是从前面或者后面来临时，都可以是水流得到加速，获得较大的动能。潮流流经叶片3的时候，会迫使水轮机的叶片3自由转动，所述叶片3采用NACA0018翼型，叶片3采用变截面设计，其一端弦长长，一端弦长短，弦长短的一侧悬空，这样设计可以减小密实度，对水轮机捕获高效的能量有利，叶片类似于固定端约束，这样可以避免使用中心轴的安装方法，可以节省材料并且减小潮流能的损失；叶片3弦长长的一端与变偏角装置6连接在一起，变偏角装置6另一端固定在传动装置4的转子上，从而使得传动装置4转动。所述的传动装置4一侧采用弧形齿轮状，弧形齿轮与发电装置5齿轮啮合在一起，当传动装置4转动的时候，产生动能，发电装置5主要的装置发电机将传动装置4的动能转化为可以利用的电能，从而实现了将潮流能转化成电能的目的。

所述叶片变偏角装置6主要有两大部分组成。第一部分是U形板6-1，第二部分是作业平台6-2，U形板6-1两侧有螺栓孔6-4，U形板6-1底部有弧形槽6-3和圆形孔6-5，作业平台6-2主要包括轴6-6，主轴6-5，轴6-7和轴6-8。螺栓孔6-4主要作用是使变偏角装置6固定在传动装置4上，弧形槽6-3的作用主要是起到变偏角的目的，当作业平台6-2的一根轴6-6伸入弧形槽6-3之后，可以使该轴6-6绕主轴6-5在一定范围内运动，这样，叶片也可以在一定范围内运动。达到变偏角的目的。由于叶片3作业面积较小，不能开大直径孔径，所以要加作业平台6-2。作业平台6-2主要作用是连接U形板6-1和叶片3，而变偏角的设置，不仅提高了整体装置的获能效率，还解决了水轮机自启动慢的缺点。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无轴卧式变偏角潮流能装置，其特征在于，所述的无轴卧式变偏角潮流能装置包括支撑结构(1)、导流罩(2)、叶片(3)、传动装置(4)、发电装置(5)、叶片变偏角装置(6)以及定子(7)；

所述的支撑结构(1)包括三角形底座和固定在底座上的两根轴，两根轴与圆筒形导流罩(2)固接，主要用来支撑固定整体潮流能装置；

所述的导流罩(2)有两个，固定在圆环结构的定子(7)前后，导流罩(2)用于增加水流流速；

所述的叶片(3)采用变截面设计，其一端弦长长，一端弦长短，弦长长的一侧与叶片变偏角装置(6)一端连接，弦长短的一侧悬空；所述的叶片变偏角装置(6)的另一端固定在传动装置(4)的转子上，当叶片(3)运动时带动变偏角装置(6)转动，进而带动传动装置(4)运动；

所述的传动装置(4)是圆环结构，其上设有多个转子；转子分为前后两部分：前面弧形齿轮与发电装置(5)齿轮啮合，通过发电装置(5)将传动装置(4)的动能转化为电能；后面圆环放在定子(7)的托槽中，转子整体在定子(7)的托槽中运动；

整体装置至于水面下，当潮流流过时候，首先经过导流罩(2)的加速，潮流迫使水轮机的叶片(3)自由转动，叶片(3)通过变偏角装置(6)带动传动装置(4)转动，传动装置(4)与发电装置(5连接，发电装置(5)将传动装置(4)的动能转化为可以利用的电能，实现将潮流能转化成电能的目的。

2.根据权利要求1所述的一种无轴卧式变偏角潮流能装置，其特征在于，所述的叶片变偏角装置(6)包括U形板(6-1)、作业平台(6-2)，作业平台(6-2)用于连接U形板(6-1)和叶片(3)；

所述的作业平台(6-2)一侧设有轴(6-6)、主轴(6-5)，另一侧设有轴(6-7)和轴(6-8)，轴(6-7)和轴(6-8)与叶片(3)相连，使叶片(3)固定在变偏角装置上；

所述的U形板(6-1)两侧设有螺栓孔(6-4)，通过螺栓孔(6-4)固定在传动装置(4)上；U形板(6-1)底部设有弧形槽(6-3)和主轴孔(6-4)，主轴孔(6-4)用于通过主轴(6-5)，作业平台(6-2)的轴(6-6)伸入弧形槽(6-3)，并在弧形槽(6-3)内绕主轴(6-5)运动，达到变偏角的目的。

3.根据权利要求1或2所述的一种无轴卧式变偏角潮流能装置，其特征在于，所述的支持结构(1)采用不锈钢结构。