CN109869268B - 一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统 - Google Patents

Abstract

一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，属于可再生能源技术领域。此系统包括竖轴水轮机转子发电装置、齿轮传动装置和海底基座。两个转子并列竖向安装，相对旋转，叶片沿旋转面等间距角布置，通过连接杆连接至旋转轴。旋转轴通过上下两个轴承与支撑架构相连，底部支撑板与桩腿连接构件固定连接。这种潮流能转化系统可通过齿轮装置分别连接两个发电机或连接一个发电机。双发电机工作时，转子旋转轴通过齿轮装置连接不同发电机独立工作；单发电机工作时，转子旋转轴通过齿轮装置连接到一个双转轴发电机。在来流作用下，两个转子相对转动，相互之间产生有益影响，降低了系统的脉动特性，提高了转子的旋转速度，大大提升了发电装置的能量转化效率。

Description

一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统

技术领域

本发明涉及一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，属于可再生能源技术领域。

背景技术

海洋能作为一种清洁可再生能源，具有储量大、分布广的特点。目前，人类对于海洋能的开发利用集中在海洋风力发电以及潮流能发电两种形式。其中，潮流能发电技术较为成熟，应用广泛。潮流能是海水在涨潮落潮运动过程中所携带的流体动能，具有能量集中、载荷稳定、波动性小和可预测性强等特点。我国海岸线绵长，沿海海域潮流能储量巨大，因此受到广泛关注。

潮流能的开发利用主要是利用水轮机装置将流体动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。在能量转化过程中，水轮机结构是获能的主要部件，对水轮机的发电效率有直接的决定性作用，性能极为重要。现有潮流能水轮机主要有竖轴和水平轴两种形式。竖轴水轮机的优势在于，其旋转轴与水流流向垂直，运转时不受来流方向的影响，复杂环境中不需要偏航调节装置。此外，发电机可以沿轴向布置在水轮机上方，对水轮机流场影响甚微。水轮机一般分为阻力型和升力型，竖轴水轮机以升力型水轮机较为常见，主要体现在水轮机采用的翼型截面叶片，基于升力原理带动水轮机转轴转动。一般采用2-4片叶片形式，在来流作用下，叶片两侧受力不同产生的压力差推动水轮机运转。水轮机转轴的旋转速率对水轮机的能量转化效率具有决定性作用，因此如何提高水轮机旋转速率，进而提高能量转化率一直是水轮机发展的重点问题。同时，单竖轴水轮机在旋转过程中，叶片在旋转平面内非连续均匀分布且旋转轴受到单方向力矩作用，对水轮机的结构稳定性及电控系统的设计师非常不利的。

发明内容

为了提高竖轴升力型水轮机的能量转化效率，增强水轮机系统的稳定性，同时降低系统尾部流场对水轮机水动力性能的影响，本发明提出一种双竖轴转子潮流能水轮机，该水轮机结构简单，建造难度低，通过调整转轴距离，加快两转子间水流速度，提高转子旋转速度；此外，可将双转子作为一个整体连接单电机进行发电，还可以分别连接两个电机进行发电，提高了水轮机的环境适应能力。同时降低系统内部转轴受力，提高系统稳定性，延长水轮机使用寿命，提升了竖轴水轮机的可靠性和经济性。

本发明采用的技术方案是：一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，发电系统包括竖轴水轮机转子发电装置、海底基座和桩腿，所述海底基座与固定在海床上的桩腿固定连接，海底基座包含顶端平台、支撑架、基座连接杆和旋转轴支撑板，交叉式支撑架上端固定连接顶端平台，下端固定连接基座连接杆，在两个基座连接杆的中间位置设有旋转轴支撑板；所述顶端平台上设有密闭舱，密闭舱的下部侧面设有防浪排水止回阀，侧面设有水密门；所述竖轴水轮机发电装置包含两台竖轴水轮机及与竖轴水轮机配套的轴承、齿轮传动装置和发电机，所述竖轴水轮机包括水轮机的翼型叶片、旋转轴以及连接杆，翼型叶片通过连接杆与旋转轴固定连接，旋转轴底部通过固定在旋转轴支撑板上的下轴承支撑，旋转轴顶端通过固定在顶端平台下平面上的上轴承支撑，旋转轴顶端还穿过固定在顶端平台上平面上的水密封填料函与密闭舱内的转向齿轮箱连接；所述下轴承在固定在旋转轴支撑板上的推力轴承座中设置海水润滑和冷却的尼龙推力轴承，上轴承在固定在顶端平台上的轴承座中设置海水润滑和冷却的尼龙轴承。

所述两台竖轴水轮机采用并列布置安装于海底基座上。

所述两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱连接一台发电机，或两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱和一根传动轴连接同一台发电机。

所述海底基座的连接构件和桩腿采用矩形、圆形或其他形状截面。

所述齿轮传动装置采用圆锥齿轮传动装置、螺旋伞齿轮转向装置。

所述发电系统适用于近海海域，桩腿通过打桩方式让海底基座布置于海底，密闭舱位于水平面以上。

采用上述的技术方案，两个水轮机转轴并列竖向安装，两个转子相对旋转，每个竖轴转子翼型叶片沿水轮机旋转面等间距角布置，叶片通过连接杆连接至水轮机旋转轴。这种潮流能转化系统可通过齿轮装置分别连接两个发电机或连接一个发电机，将潮流能转化为电能。当水流流过该潮流能水轮机发电装置时，水轮机转子受到升力作用绕各自旋转轴转动，两个竖轴转子因其中间存在的间隔，获得一定程度的增益效果，从而提高叶片旋转速度，带动发电机转轴快速转动，将潮流能转化为电能。

本发明水轮机的益处在于：这种双竖轴转子潮流能水轮机发电装置包括两个竖轴水轮机和与其相连接的发电机、齿轮转向装置以及海底基座。竖轴水轮机叶片通过连接杆与旋转轴固定，旋转轴通过转向齿轮驱动密闭舱内的发电机。

将两个竖轴转子以一定间距并列布置，放置在一个水轮机发电系统内，两个转子相对方向布置，增强系统稳定性，快速达到稳定输出状态；同时还能提高水流流经两旋转轴中间时转子的旋转速率，使得每个转子的转速大于单转子在相同条件下的转速，进而使本发明的双竖轴转子水轮机能够达到或超过传统竖轴升力型水轮机的水动力效率。

附图说明

图1是一种双竖轴转子潮流能单机发电系统的正视图。

图2是一种双竖轴转子潮流能单机发电系统的侧视图。

图3是图1中的A-A剖面图。

图4是图1中的B-B剖面图。

图5是图1中的C放大图。

图6是图1中的D放大图。

图7是一种双竖轴转子潮流能双机发电系统的结构图。

图中：1、密闭舱，1a、水密门，1b、花钢板走台，2、发电机，3、传动轴，4、转向齿轮箱，4a、支架，5、顶端平台，6、支撑架，7、基座连接杆，8、旋转轴支撑板，9、翼型叶片，10、旋转轴，10a、连接杆，10b、推力盘，11、下轴承，11a、推力轴承座，11b、尼龙推力轴承，12、桩腿，13、水密封填料函，13a、密封填料座，13b、填料，13c、填料压盖，14、上轴承，14a、轴承座，14b、尼龙轴承，14c、轴承盖，15、法兰16、防浪排水止回阀，17、水平面。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1、2、3、4示出了一种双竖轴转子潮流能单机发电系统的结构图。图中，这种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统包括竖轴水轮机转子发电装置、海底基座和桩腿12，海底基座与固定在海床上的桩腿12固定连接。海底基座包含顶端平台5、支撑架6、基座连接杆7和旋转轴支撑板8，交叉式支撑架6上端固定连接顶端平台5，下端固定连接基座连接杆7，在两个基座连接杆7的中间位置设有旋转轴支撑板8。顶端平台5上设有密闭舱1，密闭舱1的下部侧面设有自动排除密闭舱1内积水的防浪排水止回阀16，侧面设有供工作人员出入的水密门1a，在密闭舱1内还设有花钢板走台1b。竖轴水轮机发电装置包含两台竖轴水轮机及与竖轴水轮机配套的轴承、齿轮传动装置和发电机2。竖轴水轮机包括水轮机的翼型叶片9、旋转轴10以及连接杆10a，翼型叶片9通过连接杆10a与旋转轴10固定连接，旋转轴10底部通过固定在旋转轴支撑板8上的下轴承11支撑，旋转轴10顶端通过固定在顶端平台5下平面上的上轴承14支撑，旋转轴10顶端还穿过固定在顶端平台5上平面上的水密封填料函13与密闭舱1内的转向齿轮箱4连接。下轴承11在固定在旋转轴支撑板8上的推力轴承座11a中设置海水润滑和冷却的尼龙推力轴承11b（如图5所示）；上轴承14在固定在顶端平台5上的轴承座14a中设置海水润滑和冷却的尼龙轴承14b，并在轴承座14a的下端面上设置轴承盖14c；水密封填料函13的密封填料座13a固定在密闭舱1内的顶端平台5上，在密封填料座13a内的填料13b用填料压盖13c压紧，以保证因涨潮高水位时旋转轴10的密封（如图6所示）。两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱4和一根传动轴3连接同一台发电机2。

图7示出了一种双竖轴转子潮流能双机发电系统的结构图。两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱4连接一台发电机2。

采用上述方案的工作原理是：该潮流能水轮机发电系统通过打桩等方式固定在海底，沿迎流方向布置该发电装置时，水轮机翼型叶片受到不平衡的作用力，产生偏转力矩驱动水轮机旋转轴转动，进而带动发电机转轴转动，将潮流能转化为电能。当翼型叶片受力均衡后，旋转轴转速稳定，发电机发电功率趋于稳定。

双竖轴转子水轮机通过控制两个竖轴转子间距，压缩在水流经过两转子中间区域时的流动空间，加快水流流速，达到提高水轮机转子旋转速率的目的，以增加潮流能转化为电能的能量转化效率。此外，单转子水轮机由于叶片沿旋转面非连续分布，在转动过程中，荷载和输出都会呈现周期性脉动，转子内部也会受到单方向力矩作用，降低水轮机稳定性；通过将两个竖轴转子安装到一个水轮机工作系统中，可以降低转子的脉动峰值，减弱甚至抵消转子的内部力矩，得到较为稳定的荷载、输出状态和较长的水轮机使用寿命。

为提高发电装置的使用便利性，加强发电装置环境适应能力密闭舱上的发电机、传动轴和转向齿轮采用可分离式设计。分离式设计能够使发电机在单、双机工作模式间快速切换，同时也便于发电机的日常维修。为方便发电机以及传动轴的更换，分离处采用法兰进行连接，避免将整套系统进行搬运的繁琐方式。

Claims (4)

1.一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，发电系统包括竖轴水轮机转子发电装置、海底基座和桩腿（12），其特征是：所述海底基座与固定在海床上的桩腿（12）固定连接，海底基座包含顶端平台（5）、支撑架（6）、基座连接杆（7）和旋转轴支撑板（8），交叉式支撑架（6）上端固定连接顶端平台（5），下端固定连接基座连接杆（7），在两个基座连接杆（7）的中间位置设有旋转轴支撑板（8）；所述顶端平台（5）上设有密闭舱（1），密闭舱（1）的下部侧面设有防浪排水止回阀（16），侧面设有水密门（1a）；所述竖轴水轮机转子发电装置包含两台竖轴水轮机及与竖轴水轮机配套的轴承、齿轮传动装置和发电机（2），所述竖轴水轮机包括水轮机的翼型叶片（9）、旋转轴（10）以及连接杆（10a），翼型叶片（9）通过连接杆（10a）与旋转轴（10）固定连接，旋转轴（10）底部通过固定在旋转轴支撑板（8）上的下轴承（11）支撑，旋转轴（10）顶端通过固定在顶端平台（5）下平面上的上轴承（14）支撑，旋转轴（10）顶端还穿过固定在顶端平台（5）上平面上的水密封填料函（13）与密闭舱（1）内的转向齿轮箱（4）连接；所述下轴承（11）在固定在旋转轴支撑板（8）上的推力轴承座（11a）中设置海水润滑和冷却的尼龙推力轴承（11b），上轴承（14）在固定在顶端平台（5）上的轴承座（14a）中设置海水润滑和冷却的尼龙轴承（14b）；

所述两台竖轴水轮机采用并列布置安装于海底基座上；

所述两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱（4）连接一台发电机（2），或两台竖轴水轮机分别经一台转向齿轮箱（4）和一根传动轴（3）连接同一台发电机（2）。

2.根据权利要求1所述的一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，其特征是：所述海底基座的连接构件和桩腿（12）采用矩形、圆形。

3.根据权利要求1所述的一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，其特征是：所述齿轮传动装置采用圆锥齿轮传动装置、螺旋伞齿轮转向装置。

4.根据权利要求1所述的一种双竖轴转子潮流能水轮机发电系统，其特征是：所述发电系统适用于近海海域，桩腿（12）通过打桩方式让海底基座布置于海底，密闭舱（1）位于水平面（17）以上。