CN111173666B - 叶片可调式潮流能水轮机实验装置及方法 - Google Patents

叶片可调式潮流能水轮机实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叶片可调式水平轴潮流能水轮机实验装置及方法，包括支柱、设置在支柱上的的固定舱、轮毂、叶片。其中的一个叶片，不仅需通过其叶片根部后的小伞齿轮与轮毂里的大伞齿轮啮合，而且其根部定位圆盘与轮毂对应位置处之间还需通过螺栓固定连接；剩余叶片并不需要螺栓连接固定，只需通过其叶片根部后的小伞齿轮与轮毂里的大伞齿轮啮合，并应确保各叶片的初始入流角相同，并同步调节角度。本装置实验时，不仅可改变叶片的来流角，还可改变连接在轮毂上的叶片数目，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，结构简单，维修方便，降低实验造价。

Description

叶片可调式潮流能水轮机实验装置及方法
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片高速旋转，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。水轮机叶片作为水平轴潮流发电机组最为关键的部件之一，叶片的结构参数(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叶片可调式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，且不同来流角之间改变较均匀，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，本发明提供了叶片可调式潮流能水轮机实验装置，包括支柱、固定舱、主轴、轮毂、导流罩和叶片，所述轮毂固定在主轴的前端，其特征在于，在所述轮毂周向按以下规律顺序布置有1号至8号八个安装孔，且，1号、2号、4号、5号、6号、8号相邻之间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°，并在八个安装孔上分别设置有一个螺纹孔，且相邻之间的两个安装孔处的螺纹孔之间的夹角差为N°，其中，N为小于等于10；
在每一安装孔内安装一销轴，且销轴的外侧固定叶片，内侧固定小齿轮，八个小齿轮同时与轮毂内部的大齿轮啮合，且各叶片的初始入流角相同，大齿轮可转动的安装在轮毂内部，所有叶片同步调整角度；
以及在其中一个螺纹孔和销轴上的定位圆盘之间使用螺栓快速连接。
进一步地，所述定位圆盘上设置均布有M个螺栓孔，其中，10≤M≤24。
进一步地，所述M为20。
进一步地，所述N为2。
进一步地，每个安装孔位置的叶片的入流角，其中1号位所对应的叶片的入流角，最小值为0°，并以18°为幅值增长，2号位所对应的叶片入流角，最小值为2°，并以18°为幅值增长，3号位所对应的叶片入流角，最小值为4°，并以18°为幅值增长，4号位所对应的叶片入流角，最小值为6°，并以18°为幅值增长，5号位所对应的叶片入流角，最小值为8°，并以18°为幅值增长，6号位所对应的叶片入流角，最小值为10°，并以18°为幅值增长，7号位所对应的叶片入流角，最小值为12°，并以18°为幅值增长，8号位所对应的叶片入流角，最小值为14°，并以18°为幅值增长。
进一步地，所述的小齿轮和大齿轮之间为锥齿配合或者端面齿配合。
进一步地，所述叶片和销轴之间是通过卡紧配合或者过紧配合进行插接连接。
叶片可调式潮流能水轮机的实验方法，其特征在于：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并安装固定，确保各叶片的初始入流角相同；
(4)在固定叶片数目的情况下，通过改变其中一个叶片根部定位圆盘的螺栓对应位置，通过齿轮配合联动其它叶片改变来流角，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CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct；最终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，改变叶片数，得到不同的叶片数所对应的水轮机启动转速，恒定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct；得出叶片数的改变对水轮机水力特性的影响。
进一步地：所述定位圆盘与轮毂对应位置处设有相对应的指示线，当两者重合时，可得相应的初始来流角。如轮毂对应位置连接处1号作为主动叶片的连接处，其初始来流角为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。
进一步地：可分别实现叶片数为2、3、4、6的对称布置。
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，通过改变叶片的角度，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伞齿轮机构进行叶片联动调节，从而实现各叶片之间的同步调节，来确保各个叶片具有相同的入流角，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，相应的改变主动叶片和轮毂连接处的对应位置，从而实现更小范围的变浆。
第五，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，可以根据实验要求改变各个轮毂对应位置连接处螺栓孔的排布和数量来调整各个来流角的变化幅度和变化范围，例如，可实现以2°为幅值进行部分来流角的改变。
第六，本发明的一种水平轴潮流能实验装置，只需对主要的叶片的与轮毂的对应位置连接处进行螺栓连接固定，进一步实验的工作量和误差。
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CP和推力系数Ct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叶片连接处剖面图；
图4为轮毂上的叶片安装孔示意图；
图5为本发明水轮机实验装置的小伞齿轮及大伞齿轮联动示意图；
图6为叶片的端面图；
图7为叶片与轮毂的装配图；
图8为八个安装孔对应八个螺栓孔的位置示意图。
附图标记：
1 叶片、
2 定位圆盘、
3 销轴、
4 扭矩仪、
5 主轴、
6 径向轴承、
7 测力装置、
8 固定舱、
9 支架、
10 螺栓、
11 螺纹孔、111 螺栓孔、
12 轮毂、121 安装孔、
13 小伞齿轮、
14 大伞齿轮。
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。
实施例1：
结合图1至8，本发明提出的一种叶片数目可调的变桨式潮流能水轮机实验装置，包括支柱9、固定舱8等，依靠支柱9在实验时安装在开式水槽底部。固定舱8安装在支柱9的顶部，固定舱呈现为水平布置，在固定舱8内布置有主轴5，该主轴通过前后两组轴承组件6安装在固定舱内的轴承座内，上述的固定舱为静止部件，主轴为转动部件。在主轴的前端固定安装轮毂12。主轴在固定舱中，且主轴中设置有扭矩仪4，主轴末端设有测力仪器7，两组仪器分别用于检测扭矩和轴向力。
轮毂位于主轴5的前部，该轮毂为空心的结构，并在该轮毂的前端设置导流罩，轮毂和导流罩共同形成一个封闭的壳体，并在该壳体内安装大伞齿轮14。
叶片安装在该轮毂上。该叶片采用可拆卸的安装结构，具体的一种安装方法为：一根销轴3，该销轴为阶梯轴，即在该销轴3的外端为截面积比较大的定位圆盘2，该销轴自外向内的穿过轮毂12上的安装孔121后，在该销轴的内端固定安装一个小伞齿轮，且该小伞齿轮与轮毂内部的大伞齿轮是啮合的。
上述的大伞齿轮是可转动的安装在轮毂内部的。
上述的叶片和销轴之间是通过卡紧配合或者过紧配合进行插接连接的。
上述的叶片1为多片，且多个叶片之间通过伞齿轮组件联动，形成一种联动的配合，即，当其中任何一个叶片调节自身角度时，必然带动所有的叶片同步的转动，这对于叶片的角度调节是具有积极的意义的。
下面介绍如何实现叶片的固定。在上述的叶片的定位圆盘位置和轮毂的安装孔附近位置之间使用螺栓10进行固定，具体的，在上述的定位圆盘上设置螺栓孔111，相邻螺栓孔111之间与轴心连线的角度均为18°，即，周向共分布有20个螺纹孔，参考图6。在对应的轮毂安装孔附近位置，设置一个螺纹孔11即可，即，当螺栓10穿过任何一个螺栓孔并固定在该螺纹孔11处。
上述的叶片，沿着轮毂的周向最多可以设置为八个，对应的，在轮毂上设置有安装孔，每一个安装孔安装一个叶片，所以上述的安装孔的数量也是八个，在每个安装孔121附近位置设置一个螺纹孔11，八个安装孔附近的螺纹孔11按照一定的规律布置，如何布置将在以下部分进行详细的描述。上述的八个叶片中，当其中一片标记为主动叶片时，即，不仅需通过其叶片根部的小伞齿轮13与轮毂里的大伞齿轮14啮合，而且其根部定位圆盘与轮毂对应位置处之间还需通过螺栓10固定连接；而从动叶片并不需要螺栓10连接固定，只需通过其叶片根部后的小伞齿轮13与轮毂里的大伞齿轮14啮合。
其中轮毂连接处的对应位置设置叶片数量最多为8处，依次编号为1～8号，可分别实现叶片数为2、3、4、6的对称布置；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°；且其中1号所对应入流角，最小值为0°，并以18°为幅值增长，2号位所对应的对应入流角，最小值为2°，并以18°为幅值增长，3号位所对应的对应入流角，最小值为4°，并以18°为幅值增长，4号位所对应的对应入流角，最小值为6°，并以18°为幅值增长，5号位所对应的对应入流角，最小值为8°，并以18°为幅值增长，6号位所对应的对应入流角，最小值为10°，并以18°为幅值增长，7号位所对应的对应入流角，最小值为12°，并以18°为幅值增长，8号位所对应的对应入流角，最小值为14°，并以18°为幅值增长。
接上段描述，八个叶片之间的入流角相差2度，是这样实现的：八个叶片的初始入流角是这样实现的，具体的，八个安装孔是按照上述的规律布置的。且1号叶片位置所在的安装孔处，螺纹孔所在的安装孔对应的入流角定义为0°，则2号叶片所在的安装孔处，螺纹孔所在的安装孔对应的入流角定义为2度，即，两个安装孔上的螺纹孔之间存在2°的角度差，参考图8，如此，通过合理选择适当的叶片作为主动叶片，并设置初始的来流角，可以实现多级的来流角的微调。
上述八个叶片之间为联动和调节，只需固定一个叶片的位置则来流角就不再发生变化。例如，当其中通过螺栓固定一号叶片时，即选定一号叶片为主动叶片，则轮毂连接处和叶片之间的连接，可实现所有叶片的来流角0°、18°、36°、54°……依次以为18°幅值进行改变。当选定二号叶片作为主动叶片时，即，当通过螺栓固定二号轮毂连接处和叶片之间的连接时，可实现所有叶片的来流角2°、20°、38°、56°……依次以为18°幅值进行改变。如此循环，则当通过螺栓固定八号叶片作为主动叶片时，则可实现所有叶片的来流角14°、32°、50°、68°依次以为18°幅值进行改变，最终可实现叶片来流角部分以2°为幅值进行改变。通过上述的螺栓孔的布置规律和螺栓孔的布置规律，可以实现所有的叶片来流角部分以2°为幅值进行改变，实现叶片的多级调控，实验的验证过程更加的科学合理。
在实验中，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，用内六角螺栓10通过叶片定位圆盘2及轮毂对应位置处的预留下的螺纹孔进行连接固定。依据叶片定位圆盘2和轮毂对应位置3处对应螺纹孔的不同，来调整叶片1的来流角，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，用内六角螺栓通过定位圆盘螺栓孔111及轮毂对应螺纹孔11进行连接固定。本实施例中叶片数目选为2，依次以1、2、3、4号轮毂对应位置连接处做为主动叶片的安装处，并对称安装其对应的从动叶片，注从动叶片与轮毂之间并不需要螺栓连接固定。检查确认主动及从动叶片叶片根部的定位圆盘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来流角18°、20°、22°、24°重复操作以上步骤，记录水轮机的启动流速如下:
来流角(°) 18 20 22 24
启动流速(m/s) 0.45 0.42 0.40 0.38
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CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct。
依次调整水轮机叶片来流角18°、20°、22°、24°，重复操作以上步骤，记录数据如下：
转速(r/m) 18° 20° 22° 24°
0.5 50 56 62 66
0.6 67 75 79 84
0.7 85 92 99 106
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。
Figure BDA0002377049530000091
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>(％) 18° 20° 22° 24°
0.5 29.2 31.2 32.5 34.3
0.6 32.0 33.5 35.3 36.2
0.7 34.1 36.2 38.1 39.3
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18°，即叶片根部的定位圆盘指示线与轮毂对应位置处的定位线，之间所隔的螺栓孔数量为1，检查确认各个叶片根部的定位圆盘指示线与轮毂对应位置处的定位线，之间所隔的螺栓孔是否相同，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，并用螺栓做叶片根部定位圆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) 0.45 0.43 0.41 0.39
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CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct。
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 50 57 63 66
0.6 67 73 79 86
0.7 85 92 97 102
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。
推力系数C<sub>t</sub> 2 3 4 6
0.5 29.2 30.3 31.6 33.1
0.6 32.0 34.2 35.6 36.1
0.7 34.1 35.1 35.8 36.4
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。
实施例2：
在实施例1的技术启示之下，可以将叶片的安装方式进行多种形式的演变、变换，只要能够满足有叶片可更换的安装、所有叶片通过内端的齿轮同步传动，皆在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.叶片可调式潮流能水轮机实验装置的实验方法，该叶片可调式潮流能水轮机实验装置，包括支柱、固定舱、主轴、轮毂、导流罩和叶片，所述轮毂固定在主轴的前端，其特征在于，在所述轮毂周向按以下规律顺序布置有1号至8号八个安装孔，且，1号、2号、4号、5号、6号、8号相邻之间的轴心连线的角度均为60°，1号、3号、5号、7号相邻之间的轴心连线的角度均为90°，并在每个安装孔上分别设置有一个螺纹孔，且相邻之间的两个安装孔处的螺纹孔之间的夹角差为N°，其中，N小于等于10；
每个叶片的入流角，其中1号位所对应的叶片的入流角，最小值为0°，并以18°为幅值增长，2号位所对应的叶片入流角，最小值为2°，并以18°为幅值增长，3号位所对应的叶片入流角，最小值为4°，并以18°为幅值增长，4号位所对应的叶片入流角，最小值为6°，并以18°为幅值增长，5号位所对应的叶片入流角，最小值为8°，并以18°为幅值增长，6号位所对应的叶片入流角，最小值为10°，并以18°为幅值增长，7号位所对应的叶片入流角，最小值为12°，并以18°为幅值增长，8号位所对应的叶片入流角，最小值为14°，并以18°为幅值增长；
在每一安装孔内安装一销轴，且销轴的外侧固定叶片，内侧固定小齿轮，八个小齿轮同时与轮毂内部的大齿轮啮合，且各叶片安装的初始入流角相同，大齿轮可转动的安装在轮毂内部，所有叶片同步调整角度；
该销轴的外端为定位圆盘，所述定位圆盘上设置均布有M个螺栓孔，其中，10≤M≤24，以及在其中一个螺纹孔和销轴上的定位圆盘之间使用螺栓快速连接，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在需安装水轮机实验装置的开式实验水槽中，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并安装固定，确保各叶片的初始入流角相同；
(4)在固定叶片数目的情况下，通过改变其中一个叶片根部定位圆盘的螺栓对应位置，通过齿轮配合联动其它叶片改变来流角，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CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct；最终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，改变叶片数，得到不同的叶片数所对应的水轮机启动转速，恒定流速下，利用扭矩仪所测数据计算水轮机的功率系数CP；利用测力装置所测数据计算水轮机的推力系数Ct；得出叶片数的改变对水轮机水力特性的影响。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：所述定位圆盘与轮毂对应位置处设有相对应的指示线，当两者重合时，可得相应的初始来流角。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：可分别实现叶片数为2、3、4、6的对称布置。
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