CN110608128B - 潮流能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提出潮流能发电装置，包括叶轮、轮毂、发电机、轴承组及固定法兰，叶轮通过轮毂与转子连接，转子通过轴承组可旋转安装于发电机的定子外周，叶轮带动转动部件旋转发电；叶片的综合密度远小于海水的密度，使叶片在海水中产生足以抵消转动部件重力的浮力，从而大大减轻轴承组的负荷；叶片为后掠翼型，其水动力中心轴相对其法兰中心轴倾斜第一角度，在正向或反向海洋潮流作用下不依靠液压或电动源等外力作用自动改变桨距方向，捕获正向或反向潮流能量，直接驱动发电机运行发电。当潮流流速高于阈值让发电机过载时，叶轮通过机械结构自动调节桨距，从而调整叶片的桨距角，来限制发电机输出功率。

Description

潮流能发电装置
技术领域
本申请海洋潮流能、流体机械及电机设计技术领域，具体涉及潮流能发电装置。
背景技术
世界各国海洋潮流能的开发利用如火如荼，形成了多种潮流能发电装置，主要有水平轴式、垂直轴式等布置型式。众所周知，海水在涨潮和落潮是往、返双向流动的，但是多数潮流能发电装置：或叶轮采用固定桨距方式单向发电而不能利用双向的潮流能，也不能限制大潮时发电装置的过载保证安全稳定运行；或叶轮采用固定桨距方式双向发电但潮流能利用率低下，也一样不能限制大潮时发电装置的过载保证安全稳定运行；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)变桨方式，但在海洋环境下可靠性又较低，潮流能双向利用率依然不高。另外，多数潮流发电机装置都采用了增速器，叶轮通过增速器驱动发电机，提高了发电机转速、缩小了发电机外形尺寸、简化了发电机的设计制造难度，但是增加器的采用又增加了故障率、维护难度和功率损耗，也使得潮流能的利用率受到影响。还有，世界潮流发电装置单机容量已经发展到兆瓦级，其封密的发电机舱使发电装置的密封结构、散热问题日渐突出成为技术难题。
申请内容
因此，有必要提供一种潮流能发电装置，该装置在正向或反向海洋潮流作用下不依靠液压或电动源等外力作用自动改变桨距方向捕获正向或反向潮流能量，直接驱动发电机运行发电。
为实现上述目的，本申请提出一种潮流能发电装置，包括叶轮、轮毂、发电机、轴承组及固定法兰，所述发电机包括定子和转子；
所述叶轮通过所述轮毂与所述发电机的转子连接，所述转子通过所述轴承组可旋转安装于所述发电机的定子外周，所述发电机的定子与所述固定法兰固定连接；转动部件包括所述轮毂和转子，所述叶轮带动所述转动部件旋转发电；
所述叶轮包括叶片，所述叶片的综合密度远小于海水的密度，使所述叶片在海水中产生足以抵消转动部件重力的浮力，从而减轻所述轴承组的负荷。
在一些实施例中，所述叶片为后掠翼型，其水动力中心轴相对其法兰中心轴倾斜第一角度，所述叶片为中空结构，其内部填充轻质填充物。
在一些实施例中，当潮流流速高于阈值让所述发电机过载时，所述叶轮通过机械结构自动调节桨距，从而调整所述叶片的桨距角，来限制所述发电机输出功率。
在一些实施例中，所述叶轮还包括叶柄、叶柄轴承、桨距限位器、正向桨距调节器、反向桨距调节器；所述叶片的根部与叶柄固定连接；所述叶柄通过所述叶柄轴承旋转地在所述轮毂上径向分布地安装；所述叶柄的尾部连接于所述桨距限位器；
所述桨距限位器具有凸出的第一限位边缘和第二限位边缘，第一限位边缘和第二限位边缘环绕在所述叶柄的尾部；
正向潮流时，所述第一限位边缘与所述正向桨距调节器配合将所述叶片的桨距角限定在相应的角度；
反向潮流时，所述第二限位边缘与所述反向桨距调节器配合将叶片的桨距角限定在相应的角度。
在一些实施例中，所述正向桨距调节器包括正向挡板、正向弹簧和正向销轴，所述正向挡板一端的侧面与所述正向弹簧抵持，所述正向挡板另一端的中心由所述正向销轴旋转地安装于所述轮毂，所述正向挡板可以绕正向销轴转动，所述正向弹簧的另一端与轮毂抵接；
所述反向桨距调节器包括反向挡板、反向弹簧和反向销轴，所述反向挡板一端的侧面与所述反向弹簧抵持，所述反向挡板另一端的中心由所述反向销轴旋转地安装于所述轮毂，所述反向挡板可以绕反向销轴转动，所述反向弹簧的另一端与轮毂抵接。
在一些实施例中，所述定子前端固定有固定导流罩，所述转子外周固定安装旋转导流筒，所述旋转导流筒与所述叶轮和所述转子一起旋转；
所述轴承组包括反向推力轴承、正向推力轴承、前导轴承和后导轴承；
所述定子中心轴前端和转子前部支架之间安装所述反向推力轴承，所述定子中心轴后端和转子后部支架之间安装所述正向推力轴承，所述转子后部支架的中心设有轴向圆孔，所述轴向圆孔安装有后导轴承。
在一些实施例中，所述轮毂的内部径向分布有叶柄孔，所述叶柄通过所述叶柄轴承旋转地安装于所述叶柄孔内，所述叶柄可在叶柄孔内绕叶片的法兰中心轴转动；所述轮毂的中心设有轴向圆孔，所述轴向圆孔安装有所述前导轴承。
在一些实施例中，所述发电机为开敞式结构，无封闭的密封舱；所述定子和转子的电气表面均覆盖有密封层。
在一些实施例中，所述反向推力轴承外圈设置有防沙环，以防止泥沙进入反向推力轴承对其造成损伤；
所述正向推力轴承外圈设置有防沙环，以防止泥沙进入正向推力轴承对其造成损伤。
在一些实施例中，所述转子的外壁两端设排沙孔，旋转运行时在离心力的作用下可以将泥沙排至所述发电机的外部。
本申请实施例的有益效果在于：
潮流能发电装置，包括叶轮、轮毂、发电机、轴承组及固定法兰，所述发电机包括定子和转子；所述叶轮通过所述轮毂与转子连接，所述转子通过所述轴承组可旋转安装于所述发电机的定子外周，所述发电机的定子与所述固定法兰固定连接；转动部件包括所述轮毂和转子，所述叶轮带动所述转动部件旋转发电；所述叶轮包括叶片，所述叶片的综合密度远小于海水的密度，使所述叶片在海水中产生足以抵消转动部件重力的浮力，从而减轻所述轴承组的负荷。由于叶片的综合密度远小于海水的密度，使叶片在海水中产生巨大的浮力，可以抵消轮毂和转子等转动部件的重力，从而大大减轻轴承组的负荷；由叶轮带动所述转动部件旋转发电，在正向或反向海洋潮流作用下不依靠液压或电动源等外力作用自动改变桨距方向捕获正向或反向潮流能量，直接驱动发电机运行发电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本申请潮流能发电装置的结构示意图；
图2是本申请潮流能发电装置的叶轮的结构示意主视图；
图3是本申请潮流能发电装置的叶轮的结构示意侧视图；
图4是图2中A-A方向的剖视图；
图5是本申请潮流能发电装置的叶片后掠示意图；
图6是本申请潮流能发电装置的正向小水流叶片变桨距限位示意图；
图7是本申请潮流能发电装置的正向大水流叶片变桨距限位示意图；
图8是本申请潮流能发电装置的反向小水流叶片变桨距限位示意图；
图9是本申请潮流能发电装置的反向大水流叶片变桨距限位示意图；
图10本申请潮流能发电装置的发电机主视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1、图3和图9所示，本实施例中的潮流能发电装置，包括叶轮1、发电机2、轴承组(反向推力轴承3、正向推力轴承4、前导轴承5、后导轴承6)、固定导流罩7、旋转导流筒8及固定法兰9，叶轮1由轮毂17与发电机2的转子22直接连接，转子22通过轴承组(反向推力轴承3、正向推力轴承4、前导轴承5和后导轴承6)旋转地安装于发电机2的定子21外周，定子21与固定法兰9固定连接，固定法兰9将潮流能发电装置100固定安装于外部载体平台上。定子21前端固定安装有固定导流罩7以减小水流阻力，转子22外周固定安装有旋转导流筒8以减小水流阻力，旋转导流筒8与叶轮1、转子22一起旋转。
如图2-3所示，叶轮1包括叶片11、叶柄12、叶柄轴承13、桨距限位器14、正向桨距调节器15、反向桨距调节器16和轮毂17；叶片11的根部与叶柄12固定连接；轮毂17的内部径向分布有叶柄孔171，叶柄12通过叶柄轴承13旋转地安装于叶柄孔171内，叶柄12可在叶柄孔171内绕叶片11的法兰中心轴转动；叶柄12的尾部连接于桨距限位器14；轮毂17的中心设有轴向圆孔172，轴向圆孔172安装有前导轴承5。
如图4所示，桨距限位器14具有凸出的限位边缘141、142，即第一限位边缘141和第二限位边缘142。限位边缘141、142环绕在叶柄12的尾部。正向潮流时，第一限位边缘141将与正向桨距调节器15配合将叶片11的桨距角限定在相应的角度；反向潮流时，第二限位边缘142将与反向桨距调节器16配合将叶片11的桨距角限定在相应的角度。
如图5所示，叶片11为后掠翼型，其水动力中心轴113相对其法兰中心轴114由前缘111向后缘112倾斜第一角度α。叶片11为中空结构，内部有轻质填充物115，因此叶片11的综合密度远小于海水的密度，使叶片11在海水中产生巨大的浮力，可以抵消轮毂17、转子22等转动部件的重力，从而大大减轻前导轴承5和后导轴承6的负荷。在另一些实施例中，在设计时，也可以让叶片11在海水中产生的浮力足以抵消转动部件重力，而不需要让浮力过大。
如图6所示，正向桨距调节器15包括正向挡板151、正向弹簧153和正向销轴152组成，正向挡板151一端的侧面与正向弹簧153连接/抵持，另一端的中心由正向销轴152旋转地安装于轮毂17，正向挡板151可以绕正向销轴152转动，正向弹簧153的另一端与轮毂17连接/抵接。
如图5-6所示，当叶片11在正向小潮流作用下，由于后掠翼型的缘故，叶片后缘112侧所获得的相对法兰中心轴114的水力转矩大于叶片前缘111侧所获得的相对法兰中心轴114的水力转矩，叶片11、叶柄12和桨距限位器14绕叶片法兰中心轴114顺时针旋转，第一限位边缘141与正向挡板151接触并产生压力，此压力传递给正向弹簧153使其被压缩变短，正向挡板151绕正向销轴152顺时针旋转，最终此压力与正向弹簧153的反作用力保持平衡，从而使叶片11的桨距角发生改变并保持在正向角度θ，叶轮1捕获潮流能绕叶轮中心沿逆时针方向旋转，直接驱动发电机2运行发电。
如图7所示，当叶片11在正向大潮流作用下，水力转矩产生的压力增大，正向弹簧153继续被压缩变短，正向挡板151继续绕正向销轴152顺时针旋转，叶片11、叶柄12和桨距限位器14继续绕叶片法兰中心轴114顺时针旋转，增大的压力最终与正向弹簧153的反作用力保持平衡，叶片11的桨距角继续发生改变最终保持在角度(θ+Δθ)，叶轮1捕获潮流能继续绕叶轮中心沿逆时针方向旋转，直接驱动发电机2运行发电。由于正向潮流增大，潮流的能量成指数规律上升，如叶片11的桨距角保持θ不变，叶轮1捕获的能量也将成指数规律上升，发电装置将过载运行，但此时叶片11的桨距角由θ自行改变增大至(θ+Δθ)，叶轮1捕获的能量也相应下降从而限制了发电装置过载，依然保证设备安全可靠运行。
如图8所示，反向桨距调节器16包括反向挡板161、反向弹簧163和反向销轴162组成，反向挡板161一端的侧面与反向弹簧163连接/抵持，另一端的中心由反向销轴162旋转地安装于轮毂17，反向挡板161可以绕反向销轴162转动，反向弹簧163的另一端与轮毂17连接/抵接。
如图5和图8所示，当叶片11在反向小潮流作用下，由于后掠翼型的缘故，叶片后缘112侧所获得的相对法兰中心轴114的水力转矩大于叶片前缘111侧所获得的相对法兰中心轴114的水力转矩，叶片11、叶柄12和桨距限位器14绕叶片法兰中心轴114逆时针旋转，限位边缘142与反向挡板161接触并产生压力，此压力传递给反向弹簧163使其被压缩变短，反向挡板161绕反向销轴162逆时针旋转，最终此压力与反向弹簧163的反作用力保持平衡，从而使叶片11的桨距角发生改变并保持在反向角度θ，叶轮1捕获潮流能依然绕叶轮中心沿逆时针方向旋转，直接驱动发电机2运行发电。尽管叶片11的桨距角发生改变并保持在的正向角度θ、以及叶片11的桨距角发生改变并保持在反向角度θ都用角度θ表示，但可以代表不一样的数值，会根据潮流作用实际产生变化。同理，θ+Δθ的正向角度转动与θ+Δθ的反向角度转动也可以是不一样的数值，字母θ仅是示意性，不代表一定相等，具体根据正向桨距调节器15、反向桨距调节器16以及轮毂17等部件的材质和结构而确定。
如图9所示，当叶片11在反向大潮流作用下，水力转矩产生的压力增大，反向弹簧163继续被压缩变短，反向挡板161继续绕反向销轴162逆时针旋转，叶片11、叶柄12和桨距限位器14继续绕叶片法兰中心轴114逆时针旋转，增大的压力最终与反向弹簧163的反作用力保持平衡，叶片11的桨距角继续发生改变最终保持在角度(θ+Δθ)，叶轮1捕获潮流能依然继续绕叶轮中心沿逆时针方向旋转，直接驱动发电机2运行发电。由于反向潮流增大，潮流的能量也成指数规律上升，如叶片11的桨距角保持θ不变，叶轮1捕获的能量也将成指数规律上升，发电装置将过载运行，但此时叶片11的桨距角由θ自行改变增大至(θ+Δθ)，叶轮1捕获的能量也相应下降从而限制了发电装置过载，依然保证设备安全可靠运行。
以上实施例的叶轮1的自适应机械结构，自动调节桨距，从而调整所述叶片的桨距角，来限制所述发电机输出功率。叶轮1的自适应机械结构除了通过由叶轮包括叶柄、叶柄轴承、桨距限位器、正向桨距调节器和反向桨距调节器来具体实现以外，还可以设计其他能产生弹性形变和恢复的机械结构或形变材料的方式，本申请对比不做限制。
如图10所示，发电机2包括定子21和转子22，定子21中心轴前端和转子前部支架221之间安装有反向推力轴承3，定子21中心轴后端和转子后部支架222之间安装有正向推力轴承4，转子后部支架222的中心设有轴向圆孔，轴向圆孔安装有后导轴承6，转子22的外壁两端设排沙孔223，旋转运行时在离心力的作用下可以将泥沙排至发电机2的外部，防止泥沙沉积对发电机2造成损伤。
如图10所示，发电机2为开敞式结构，无封闭的密封舱，不需设置密封构件。定子21和转子22的电气表面均覆盖有密封层23，保证了发电机2的电气防护需要。海水流经发电机2的内部，可以将发热损耗带走从而实现了冷却功能。相关技术中，世界潮流发电装置单机容量已经发展到兆瓦级，其封密的发电机舱使发电装置的密封结构、散热问题日渐突出成为技术难题。而本申请实施例通过将发电机2为开敞式结构，配合在定子21和转子22的电气表面均覆盖有密封层23，解决了这一问题。
如图10所示，反向推力轴承3外圈设置有防沙环31，防止泥沙进入反向推力轴承3对其造成损伤；正向推力轴承4外圈设置有防沙环41，防止泥沙进入正向推力轴承4对其造成损伤。
综上，本申请实施例的潮流能发电装置，实质上是水平布置的双向无源自变距直驱水平轴潮流能发电机装置。本申请实施例的潮流能发电装置在正向或反向海洋潮流作用下不依靠液压或电动源等外力作用自动改变桨距方向，通过叶轮1的叶片11捕获正向或反向潮流能量，直接驱动发电机运行发电；当潮流流速高于设计值、发电机过载时，自动调节桨距限制发电机输出功率保证安全稳定运行。发电机为开敞式结构，无需密封，其损耗由流经内部的海水直接带走，解决发电机的密封和散热问题。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的申请构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种潮流能发电装置，其特征在于，包括叶轮、轮毂、发电机、轴承组及固定法兰，所述发电机包括定子和转子；
所述叶轮通过所述轮毂与所述发电机的转子连接，所述转子通过所述轴承组可旋转安装于所述发电机的定子外周，所述发电机的定子与所述固定法兰固定连接，所述固定法兰将所述潮流能发电装置固定安装于外部载体平台上；所述轮毂和所述转子均为转动部件，所述叶轮带动所述转动部件旋转发电；
所述叶轮包括叶片，所述叶片为中空结构，其内部填充轻质填充物，所述叶片的综合密度远小于海水的密度，使所述叶片在海水中产生足以抵消转动部件重力的浮力，从而减轻所述轴承组的负荷；
所述发电机为开敞式结构，无封闭的密封舱；所述定子和转子的电气表面均覆盖有密封层；
所述叶片为后掠翼型，其水动力中心轴相对其法兰中心轴倾斜第一角度；
所述叶轮还包括叶柄、叶柄轴承、桨距限位器、正向桨距调节器、反向桨距调节器；所述叶片的根部与叶柄固定连接；所述叶柄通过所述叶柄轴承旋转地在所述轮毂上径向分布地安装；所述叶柄的尾部连接于所述桨距限位器；当潮流流速高于阈值让所述发电机过载时，所述叶轮通过机械结构自动调节桨距，从而调整所述叶片的桨距角，来限制所述发电机输出功率；
所述桨距限位器具有凸出的第一限位边缘和第二限位边缘， 第一限位边缘和第二限位边缘环绕在所述叶柄的尾部；
正向潮流时，所述第一限位边缘与所述正向桨距调节器配合将所述叶片的桨距角限定在相应的角度；
反向潮流时，所述第二限位边缘与所述反向桨距调节器配合将叶片的桨距角限定在相应的角度。
2.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述正向桨距调节器包括正向挡板、正向弹簧和正向销轴，所述正向挡板一端的侧面与所述正向弹簧抵持，所述正向挡板另一端的中心由所述正向销轴旋转地安装于所述轮毂，所述正向挡板可以绕正向销轴转动，所述正向弹簧的另一端与轮毂抵接；
所述反向桨距调节器包括反向挡板、反向弹簧和反向销轴，所述反向挡板一端的侧面与所述反向弹簧抵持，所述反向挡板另一端的中心由所述反向销轴旋转地安装于所述轮毂，所述反向挡板可以绕反向销轴转动，所述反向弹簧的另一端与轮毂抵接。
3.根据权利要求2所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述定子前端固定有固定导流罩，所述转子外周固定安装旋转导流筒，所述旋转导流筒与所述叶轮和所述转子一起旋转；
所述轴承组包括反向推力轴承、正向推力轴承、前导轴承和后导轴承；
所述定子中心轴前端和转子前部支架之间安装所述反向推力轴承，所述定子中心轴后端和转子后部支架之间安装所述正向推力轴承，所述转子后部支架的中心设有轴向圆孔，所述轴向圆孔安装有后导轴承。
4.根据权利要求3所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述轮毂的内部径向分布有叶柄孔，所述叶柄通过所述叶柄轴承旋转地安装于所述叶柄孔内，所述叶柄可在叶柄孔内绕叶片的法兰中心轴转动； 所述轮毂的中心设有轴向圆孔，所述轴向圆孔安装有所述前导轴承。
5.根据权利要求3所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述反向推力轴承外圈设置有防沙环，以防止泥沙进入反向推力轴承对其造成损伤；
所述正向推力轴承外圈设置有防沙环，以防止泥沙进入正向推力轴承对其造成损伤。
6.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述转子的外壁两端设排沙孔，旋转运行时在离心力的作用下可以将泥沙排至所述发电机的外部。
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