CN111156123B - 一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法，包括支柱、设置在支柱上的的固定舱、轮毂、叶片；所述轮毂包括轮毂上的的转动套，轮毂里的连杆滑块联动机构；其中转动套根部连接有棘轮，且在棘轮上设有与连杆连接的钢销，并在棘轮附近设有棘轮；叶片和转动套可拆装的；并在固定舱内设置扭矩仪及测力装置。本装置安装在开式水槽上，实验时，可通过改变其中一个叶片的来流角来通过连杆滑块联动的关系，来带动其它叶片同步改变来流角且可实现来流角在0°～90°任意角度的改变；还可改变通过转动套连接在轮毂上的叶片数目，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机在变浆和变叶片数目的情况下其水动力特性。

Description

一种水平轴潮流能水轮机实验装置及其实验方法

技术领域

本发明属于流体机械及水电工程设备技术领域，具体涉及一种水平轴潮流能水轮机。

背景技术

当今世界各国都把开发新能源放在重要位置，而海洋能作为一种可再生、无污染的能源，其开发和利用备受人们的青睐。其中潮流能做为海洋能的一种，具有蕴藏量大，可预测的特点。目前水平轴式潮流能水轮机因其安装维修简单、技术相对成熟、效率高的的特点，在潮流能开发利用中，被广泛采用。

水轮机在潮流的冲击作用下叶轮高速旋转，再通过传动机构带动发电机发电，最终实现潮流能的动能向电能的转化。水轮机叶轮作为水平轴潮流发电机组最为关键的部件之一，叶轮的结构参数(叶片数和来流角)对潮流能水轮机的水力特性起着重要的影响。对于潮流能水轮机的研究大多借鉴风机的研究，而两者的适用范围和运行条件存在较大不同，特别是水和空气之间的密度、粘性、可压缩性有着显著差异，故十分有必要对潮流能水轮机进行模型实验，总结叶片数和来流角对水轮机水力特性的影响，为以后潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于弥补现有技术的不足而提供一种带有棘轮结构的水平轴潮流能实验装置，本发明可实现各个来流角之间联动改变，确保各个来流角之间同步改变，且可实现来流角任意角度之间改变，方便进一步日后水平轴潮流能水轮机在实验模拟及实际安装运行中，最佳来流角和叶片数的研究和调整。

为实现上述目的，本发明提出了一种带有棘轮结构的潮流能水轮机实验装置，包括支柱、设置在支柱上的的固定舱、轮毂、叶片；所述轮毂包括轮毂上的的转动套，轮毂里的连杆滑块联动机构；其中转动套根部连接有棘轮，且在棘轮上设有与连杆连接的小圆柱及其定位销，并在棘轮附近设有棘轮；转动套和叶片根部都设计为方形，并在转动套上设有固定螺孔和固定螺栓，来固定叶片和转动套的连接；并在固定舱内设置扭矩仪及测力装置。

进一步，所述转动套，因装有棘轮的缘故只能单方向转动，其中潮流能水轮机叶片在具有一定来流角和水流的作用下，迫使叶片发生装动的方向为正方向，为保证水轮机来流角不发生变化，故水轮机的叶片及转动套只能反方向转动。

进一步，所述的棘轮结构为可拆卸型，可通过改变棘轮的与转动套棘轮的作用方式而使叶片改变可单方向转动的方向。

进一步,所述各个叶片的初始入流角应保证相同，即可通过反方向转动叶片根部齿轮来达到这一要求。

进一步，所述的连杆滑块联动可实现水轮机来流角在0°～90°。任意角度的改变。

进一步，所述的转动套上和叶片根部设计为方形，每个面上设置一处定位螺孔共计4处，且叶片根部也有对应的4处螺栓孔，用于叶片和转动套之间的连接固定。

进一步，所述的转动套位置共有8处，依次编号为1～8号，其中1、2、4、5、6、8号相邻位置处的轴心连线的角度均为60°，1、3、5、7号相邻位置处的轴心连线的角度均为90°。

所述的水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)在需安装水轮机实验装置的的开式实验水槽中，在固定水深，改变来流流量的情况下，通过设置水流流速测量仪，进行流速率定，并应重点测量水轮机实验装置安装处的流场情况。

(2)将水轮机实验装置安装在经过率定后开式的实验水槽中，并将水轮机中的一支叶片涂红，通过高速摄像机观察水轮机在某流速下所对应的转速。

(3)选取一定的叶片数量将其插入转动套中，并通过固定螺栓进行固定，并应确保各个叶片具有相同的初始来流角。

(4)在固定叶片数目的情况下，通过其中一片叶片的反方向旋转从而联动其它叶片来达到改变来来流角的目的，并在改变来流角后，通过轮毂后的定位螺栓进行主齿轮位置的固定，进一步得到不同的来流角所对应的水轮机启动转速，在一定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数C_P；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数C_t；从而得出来流角的改变对水轮机水力特性的影响。

(5)在固定叶片来流角的情况下，改变插入转动套的叶片数，进一步得到不同的叶片数所对应的水轮机启动转速，在一定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数C_P；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数C_t；从而得出叶片数的改变对水轮机水力特性的影响

进一步，所述的叶片底部，与轮毂对应位置处设有相对应的指示线，当两者重合时，表示来流角为0°，当两者不重合时，利用量角器测量两指示线之间的角度，来得到来流角。

进一步，所述水平轴潮流能水轮机的实验装置的实验方法，可分别实现叶片数为2、3、4、6的对称布置。

一种水平轴潮流能水轮机实验装置，包括支柱、设置在支柱上的固定舱、轮毂和叶片，其中，支柱为支撑部件，轮毂安装在主轴前端，叶片为潮流能的捕获部件，叶片具有迎水面和迎水角度，其特征在于，在轮毂的周向设置有八个活接的转动套，并按周向顺序标记为1至8号转动套，且满足：1号、2号、4号、5号、6号、8号相邻位置处的轴心连线的角度均为60°，1号、3号、5号、7号相邻位置处的轴心连线的角度均为90度；1号和5号对称，2号和6号对称，3号和7号对称，4号和8号对称；

所述叶片与所述转动套外端插接连接；所述转动套内端有棘轮，并对应在轮毂内设置有对棘轮方向锁定的棘齿；

所述棘轮和连杆之间通过钢销形成曲柄连杆机构；

每一个连杆通过一个固定杆与滑块连接，所述滑块沿着中心杆滑动。

所述叶片根部与轮毂对应位置设置角度刻度线。

所述转动套的插槽和叶片根部为方形，并在两者之间通过螺栓固定。

在固定舱内有扭矩仪和测力装置。

所述转动套和轮毂之间设置轴承。

所述的棘轮结构为可拆卸型，可通过改变棘轮的与转动套棘轮的作用方式而使叶片改变可单方向转动的方向。

实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在式实验水槽中，在固定水深，改变来流流量的情况下，通过设置水流流速测量仪，进行流速率定，并应测量水轮机实验装置安装处的流场情况，获得数据；

(2)将实验装置安装在实验水槽中，并将水轮机中的一支叶片涂红，通过高速摄像机观察水轮机在某流速下所对应的转速；

(3)选取一定的叶片数量将其插入转动套中并固定，并应确保各个叶片具有相同的初始来流角；

(4)在固定叶片数目的情况下，通过其中一片叶片的反方向旋转从而联动其它叶片来达到改变来流角的目的，进一步得到不同的来流角所对应的水轮机启动转速，在一定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数；从而得出来流角的改变对水轮机水力特性的影响；

(5)在固定叶片来流角的情况下，改变插入转动套的叶片数，得到不同的叶片数所对应的水轮机启动转速，在一定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数；从而得出叶片数的改变对水轮机水力特性的影响。

所述的叶片与轮毂的角度指示线，当两者重合时，表示来流角为0，当两者不重合时，利用量角器测量两指示线之间的角度，来得到来流角。

实验方法，其特征在于：首先将实验装置安装在流速经过率定的开式实验水槽中，在水轮机前方布置高速摄像机，并将水轮机中的一片叶片涂红，根据实验需要选取2个或3个、或4个、或6个叶片，进行叶片和转动套的固定，并应确保各个叶片具有相同的初始来流角；

启动水槽，逐渐增加水流流速，记录水轮机开始旋转时水流流速的大小，依次调整水轮机叶片的来流角并重复操作以上步骤，记录水轮机的启动流速；

启动水槽，利用高速摄像机测转速；利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数，依次调整水轮机叶片来流角并重复操作以上步骤，记录数据。

本发明与现有技术相比具有显著优点：

第一，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，安装在开式水槽上，结构简单，加工维修方便，降低实验造价。

第二，本发明的一种水平轴潮流能实验装置实验时，通过转动叶片的位置，来达到改变来流角的目的，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机在变浆的情况下其水动力特性。

第三，本发明的一种水平轴潮流能实验装置各个叶片之间通过连杆滑块进行叶片联动调节，从而实现各叶片之间的同步调节，来确保各个叶轮具有相同的入流角，降低了实验的工作量和误差。

第四，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，通过连杆滑块机构，可实现水轮机来流角在0°～90°任意角度的改变。

第五，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，通过棘轮结构对转动套棘轮的装动方向进行固定从而实现来流角的固定，操作简单方便，进一步实验的工作量和误差。

第六，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，轮毂上转动套在不安装叶片的情况下，可以通过相应的转动套盖来进行密封，从而减少多余的转动套，对水轮机的水力特性的影响。

第七，本发明的一种水平轴潮流能实验装置实验时，通过改变叶片数目，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机在定桨变叶片数目的情况下其水动力特性。

第八，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，不仅可以测得来流角及叶片数目对水轮机启动流速和转速的影响，还可测得来流角及叶片数目对水轮机的功率系数C_P和推力系数C_t的影响。

第九，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，可为以后实际海域的潮流能水轮机安装所需的来流角，叶片数目，以及是否有必要采用变浆技术，提供实验数据支持。

第十，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，叶片为可拆卸型，可为研究翼型优化和不同水域下的翼型选择提供实验设备支持。

附图说明

图1为本发明水轮机实验装置的侧面示意图；

图2为本发明水轮机实验装置的侧面剖面图；

图3为本发明水轮机实验装置的轮毂内部侧面示意图；

图4为本发明水轮机实验装置的转动套编号示意图；

图5为本发明水轮机实验装置的棘轮结构示意图；

图6为本发明水轮机实验装置的棘轮及连杆滑块结构示意图；

图中编号及部分连接处说明：

1 叶片、

2 转动套、

3 棘轮结构、

4 滑块、

5 主轴、

6 扭矩仪、

7 测力装置、

8 径向轴承、

9 支柱、

10 轴承、

11 叶片底部的棘轮、

12 中心杆、

13 连杆、

14 定位螺栓、

15 固定杆、

16 固定舱、

17 轮毂、

18 法兰连接，

19 导流罩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明，其中以下实施方式并不能限定本发明的保护范围，在本技术方案基础上所做的任何等效改动，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

结合图1至6，本发明提出的一种带有棘轮结构且基于连杆滑块联动的来流角和叶片数目可调的潮流能水轮机实验装置，包括支柱9、设置在支柱上的固定舱16、轮毂17、叶片1，其中，支柱为支撑部件，用于安装，用于模拟安装在实验场所的海床、海底等基础之上，通常为耐腐蚀的刚性立柱。叶片1为潮流能的捕获部件，该叶片常规的设置在一个轮毂17上，该该轮毂17通常的安装在主轴5的前端。其中叶片是具有迎水面和迎水角度(来流角)的，用于捕获潮流能量，并将捕获的潮流能量转换为主轴5的机械能，主轴是通过径向轴承8安装在固定舱16内的，然后由主轴5的转动带动相应的发电机组的发电。这是基本的能量转换过程。本实施例中，参考图2和图3所示，本装置中，作为创新点之一，本发明中的叶片1和转动套2之间是可更换的设计，也就是说，本实施例中，叶片1的根部插入到转动套2的插槽中，并通过转动套上的固定螺孔及固定螺栓完成叶片与转动套2的连接。上述的叶片是通过这种方式与转动套2进行连接的，且属于可更换的连接。这对于实验的分组、对照是具有积极的意义的，这一点将在后续的实验过程中给予详细的介绍。所述轮毂17与主轴5之间采用现有的连接技术手段进行连接，例如法兰连接18。该轮毂为中空结构，并在该轮毂的前端设置导流罩19，导流罩的样式和轮廓根据流体动力学设计即可，不再赘述。

本发明的第二个创新点是，上述的转动套2是可转动的，具体的来说，上述的转动套2可转动的安装在轮毂外壳上，最佳的在转动套2和轮毂17之间设置轴承10。上述的转动套2且沿着轮毂的周向设置为多个。参考图4，其中轮毂17上共安装有转动套2八处，依次编号为1～8号，具体的，转动套在轮毂周向上的布置要求如下：对称布置，其中1、2、4、5、6、8号相邻位置处的轴心连线的角度均为60°，沿着轮毂17的周向布置，1、3、5、7号相邻位置处的轴心连线的角度均为90°；1号和5号对称，2号和6号对称，3号和7号对称，4号和8号对称。

就单个转动套2而言，转动套2的角度可以调节，具体的调节结构为，转动套2外接叶片1，内接棘轮11，也就是说，通过棘齿棘齿机构来操控转动套2的角度，进而调节与之连接的叶片的迎水角度，达到实验获取数据的要求。

更进一步地，上述的棘轮机构以及操纵棘轮机构的曲柄连杆机构皆设置、安装在轮毂17内部的空腔中。其中，转动套2根部连接有棘轮11，该棘轮11属于转动套2的一部分，即，两者同步的动作。在棘轮的侧面固定有棘齿3，该棘齿作用于上述的棘轮11，并实现对转动套2的单向锁定。在棘轮11的端面上设置有与之偏心连接的小圆柱131，该并在该小圆柱上连接连杆13，也就是说，上述的棘轮11、连杆13之间通过小圆柱131形成曲柄连杆机构。

上述的小圆柱131优选钢销。

上述的曲柄连杆机构中的连杆13另一端固定连接一根固定杆15，最佳的角度，上述的连杆13和固定杆15为垂直的关系。

上述的每一个曲柄连杆对应一个固定杆15，所以固定杆的数量为八。上述的八个固定杆15在轮毂的中心处汇集并固定在一个滑块4上，上述的滑块4固定在一根中心杆12上，也就是说，上述的滑块4的动作使得所有的八个曲柄连杆机构同步的动作，进而带动上述的叶片同步的动作。在角度调节的过程中，棘轮机构用于控制叶片同向的转动调节。

进一步地，本装置中，叶片根部与轮毂对应位置设置角度刻度线，也可以称之为角度指示线。

最佳的，上述的转动套的插槽和叶片根部都设计为方形，并在转动套2上设有固定螺孔和固定螺栓14，来固定叶片和转动套的连接。

通常的，主轴5和相应的发电机组设置在固定舱16之内，本发明中，进一步地在固定舱内添置扭矩仪6及测力装置7，用于测量主轴的扭矩，目的是获取主轴的扭矩数据。

以下部分详细的对该装置及其在实验中的作用进行详细的描述。

实验时，可通过改变其中一个叶片的来流角来通过连杆滑块联动的关系，来带动其它叶片同步改变来流角且可实现来流角在0°～90°任意角度的改变；还可改变通过转动套连接在轮毂上的叶片数目，可以比较真实地模拟水平轴潮流能水轮机在变浆和变叶片数目的情况下其水动力特性。

在实验中，首先将装置安装在流速经过率定的开式实验水槽中，在水轮机前方布置高速摄像机，并将水轮机中的一片叶片涂红，以便通过高速摄像机计算水轮机转速。根据实验需要选取2或3、或4、或6个叶片1，用固定螺栓通过转动套上预留的固定螺孔，进行叶片和转动套的固定。依据任意其中一个叶片底部与轮毂对应位置的指示线的夹角来调整叶片1的来流角，因装有棘轮机构的缘故只能单方向调整来流角，并通过滑块连杆机构来联动其它叶片以实现来流角的同步调整。进一步探究来流角的不同对潮流能水轮机水动力特性的影响。

实验(一)，考虑叶片来流角对水轮机性能的影响；选择固定数目的叶片，将其插入转动套中，并通过转动套上的固定螺孔及固定螺栓进行固定。本实施例中叶片数目选为2，以1、5号转动套做为叶片的安装处。检查确认各个叶片根部指示线与轮毂对应位置处的定位线，之间所对应的角度是否符合要求，若不符合应进行调整。

启动水槽，逐渐增加水流流速，记录水轮机开始旋转时水流流速的大小，依次调整水轮机叶片的来流角15°、17°、19°、21°重复操作以上步骤，记录水轮机的启动流速如下：

来流角(°)	15	17	19	21
					启动流速(m/s)	0.48	0.44	0.41	0.39

观察数据，可以发现，在一定的来流角范围内，随着来流角的增大，水轮机的启动流速逐渐降低。

启动水槽，在一定水流流速下，利用高速摄像机得到水轮机的转速；利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数C_P；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数C_t。

依次调整水轮机叶片来流角15°、17°、19°、21°，重复操作以上步骤，记录数据如下

转速(r/m)	15°	17°	19°	21°
					0.5	61	68	75	79
0.6	82	87	92	98
					0.7	97	102	108	117

观察数据，可以发现水轮机的转速与水流流速和来流角密切相关。

观察数据，可以发现在不同的来流速度下，水轮机存在最优的来流角。

推力系数C<sub>t</sub>(％)	15°	17°	19°	21°
					0.5	29.8	31.8	32.8	36.6
0.6	33.2	33.8	36.4	38.3
					0.7	34.2	36.3	38.7	40.6

观察数据，可以发现在一定的来流角范围内，随着来流角的增大，水轮机的推力系数逐渐升高

实验(二)，考虑叶片数目对水轮机性能的影响；在确定来流角的情况下，在本实施例中选择17°，即叶片根部指示线与轮毂相应位置处的定位线，之间所隔的角度为17°，检查确认各个叶片根部的指示线与轮毂对应位置处的定位线，之间所隔的角度是否相同，若不是应进行调整，确保具有相同的来流角；初步选择叶片的数目为3，并用螺栓做叶轮根部底盘和轮毂处的连接固定，其对应的轮毂位置处编号为1、4、6号。

启动水槽，逐渐增加水流流速，记录水轮机开始旋转时水流流速的大小，依次调整水轮机叶片数目为2、4、6，重复操作以上步骤，记录水轮机的启动流速如下：

叶片数目	2	3	4	6
					启动流速(m/s)	0.48	0.44	0.42	0.41

观察数据，可以发现在固定来流角的情况下，随着叶片数目的增多，水轮机的启动流速逐渐降低。

启动水槽，在一定水流流速下，利用高速摄像机得到水轮机的转速；利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数C_P；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数C_t。

依次调整水轮机叶片数目为2、4、6，重复操作以上步骤，记录数据如下

转速(r/min)	2	3	4	6
					0.5	61	68	73	76
0.6	82	87	92	96
					0.7	95	102	106	110

观察数据，可以发现在固定来流速度的情况下，随着叶片数目的增加，水轮机转速逐渐增加。

观察数据，可以发现在不同的来流速度下，水轮机存在最优的叶片数。

推力系数C<sub>t</sub>	2	3	4	6
					0.5	29.9	31.8	33.8	34.6
0.6	31.8	33.8	34.8	36.3
					0.7	35.3	36.3	37.3	38.2

观察数据，可以发现在固定流速的情况下，随着叶片数目的的增多，水轮机的推力系数逐渐升高。

Claims (1)

1.一种水平轴潮流能水轮机实验装置的实验方法，该实验装置包括支柱、设置在支柱上的固定舱、轮毂和叶片，其中，支柱为支撑部件，轮毂安装在主轴前端，叶片为潮流能的捕获部件，叶片具有迎水面和迎水角度，在固定舱内有扭矩仪和测力装置，其特征在于，在轮毂的周向设置有八个活接的转动套，并按周向顺序标记为1至8号转动套，且满足：1号、2号、4号、5号、6号、8号相邻位置处的轴心连线的角度均为60°，1号、3号、5号、7号相邻位置处的轴心连线的角度均为90度；1号和5号对称，2号和6号对称，3号和7号对称，4号和8号对称；

所述叶片与所述转动套外端插接连接；所述转动套内端有棘轮，并对应在轮毂内设置有对棘轮方向锁定的棘齿；

所述棘轮和连杆之间通过钢销形成曲柄连杆机构；

每一个连杆通过一个固定杆与滑块连接，所述滑块沿着中心杆滑动，通过棘轮棘齿机构来操控转动套的角度，调节叶片的迎水角度；

进行以下步骤：

首先将该实验装置安装在流速经过率定的开式实验水槽中，在水轮机前方布置高速摄像机，并将水轮机中的一片叶片涂红，根据实验需要选取2个或3个、或4个、或6个叶片，进行叶片和转动套的固定，并应确保各个叶片具有相同的初始来流角；

启动水槽，逐渐增加水流流速，记录水轮机开始旋转时水流流速的大小，依次调整水轮机叶片的来流角并重复操作以上步骤，记录水轮机的启动流速；

启动水槽，利用高速摄像机测转速；利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数，依次调整水轮机叶片来流角并重复操作以上步骤，记录数据。

Images