CN111535985B - 一种横轴潮流能水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可再生能源开发技术领域，尤其涉及一种横轴潮流能水轮机。包括叶片、轮毂、机舱，叶片通过轮毂与机舱的第一端固定连接，还包括数字流速流向仪和用于调节横轴潮流能水轮机俯仰状态的主动俯仰调节装置；数字流速流向仪固定在轮毂的前端；所述主动俯仰调节装置通过导轨支撑座与机舱的第二端连接，主动俯仰调节装置包括直线导轨、驱动装置和配重块，直线导轨设置在导轨支撑座上方，驱动装置设置在配重块的侧面，驱动配重块沿直线导轨做往复直线运动，使叶片的扫掠平面与潮流的来流方向垂直。该横轴潮流能水轮机保证叶片的扫掠平面与来流方向始终垂直，可最大程度利用潮流能。

Description

一种横轴潮流能水轮机
技术领域
本发明属于可再生能源开发技术领域，尤其涉及一种横轴潮流能水轮机。
背景技术
能源是人类社会的基础保障，日益发展的经济等大幅增加了人类的能源需求。现阶段，人类消耗的能源主要来源于化石燃料，大量化石能源的消耗不仅使人类面临能源枯竭的难题，更带来严重的环境问题。根据英国石油2010年的统计报告，全球石油储量可供人类开发40余年，与之产生的全球变暖、臭氧破坏、空气污染等生态问题威胁到人类乃至所有生物的生存。
为进一步优化能源结构，海洋情节能源的开发具有重要意义。据估算，海洋能源的理论可再生功率为76.6×109kW，技术可利用功率为6.4×109kW。海洋能源可分为六大类：波浪能、潮差能、潮流能、洋流、海洋温差能、盐差能，其中波浪能和潮流能被视为最具前景的可再生能源，潮流能又因为其能量预测简单、形式单一且相对稳定、能量密度大的优势被优先开发利用。
横轴潮流能水轮机是利用潮流能的设备，其首先将潮流能转换为水轮机的动能，再通过传动装置、发电机等部件将动能转换为电能。根据横轴潮流能水轮及的设计原理，当来流方向垂直于水轮机叶片的扫掠平面时其转换效率最高。但是，在应用过程中，由于受到潮流的影响，水轮机叶片的扫掠平面无法与来流方向始终垂直。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种横轴潮流能水轮机，保证水轮机叶片的扫掠平面与来流方向始终垂直，可最大程度利用潮流能。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种横轴潮流能水轮机，包括叶片、轮毂、机舱，叶片通过轮毂与机舱的第一端固定连接，还包括数字流速流向仪和用于调节横轴潮流能水轮机俯仰状态的主动俯仰调节装置；
数字流速流向仪固定在轮毂的前端；
所述主动俯仰调节装置通过导轨支撑座与机舱的第二端连接，主动俯仰调节装置包括直线导轨、驱动装置和配重块，直线导轨设置在导轨支撑座上方，驱动装置设置在配重块的侧面，驱动配重块沿直线导轨做往复直线运动，使叶片的扫掠平面与潮流的来流方向垂直；
还包括机舱支架，机舱支架通过机舱连接轴与机舱转动连接。
进一步地，机舱支架为凹形结构，包括两个相对设置的侧面和一个与侧面一体化的底面，所述侧面通过径向轴承与机舱连接轴连接。
进一步地，还包括竖直支架，竖直支架的第一端与机舱支架连接，第二端与海床连接；
机舱内设置有发电机和用于与数字流速流向仪、驱动装置配合工作的控制中心。
进一步地，还包括滑块，滑块设置在配重块和直线导轨之间，滑块与配重块的底面固定连接，与直线导轨滑动连接。
进一步地，导轨支撑座的侧面设置有齿条，齿条与导轨支撑座固定连接。
进一步地，还包括齿轮，齿轮的第一端与驱动装置的动力轴连接，第二端与齿条啮合，沿齿条做往复直线运动。
进一步地，在直线导轨远离机舱的一端设置有限位块。
进一步地，还包括驱动装置支架，驱动装置支架的第一端与配重块固定连接，第二端与驱动装置固定连接。
(三)有益效果
本发明提供的横轴潮流能水轮机，将轮毂、机舱和主动俯仰调节装置依次设置，形成主轴。基于数字流速流向仪监测的潮流流向和流速信息通过驱动装置驱动配重块在直线导轨上往复运动，进而改变主轴绕机舱连接轴的力矩大小，使叶片扫掠平面始终与来流方向垂直。
本发明提供的横轴潮流能水轮机结构简单、维护方便，调节响应快、精度高，可提升了水轮机效率，从而最大程度利用潮流能。
附图说明
图1为本发明提供的横轴潮流能水轮机的结构示意图；
图2为本发明图1中A部分的局部放大图；
图3为本发明提供的横轴潮流能水轮机初始状态受力图；
图4为本发明提供的横轴潮流能水轮机与来流角度示意图。
【附图标记说明】
1：叶片；2：轮毂；3：数字流速流向仪；4：竖直支架；5：机舱支架；6：径向轴承；7：机舱连接轴；8：机舱；9：导轨支撑座；10：直线导轨；11：滑块；12：齿条；13：齿轮；14：驱动装置；15：驱动装置支架；16：配重块；17：限位块；
Ⅰ：来流与主轴平行；Ⅱ：来流与主轴角度为负；Ⅲ：来流与主轴角度为正；
L1：轮毂及叶片的重心到机舱连接轴的距离；L2：机舱连接轴到配重块重心的距离；M1g：叶片及轮毂的总重量；M2g：配重块及驱动装置、驱动装置支架的总重量。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的横轴潮流能水轮机包括叶片1、轮毂2、数字流速流向仪3、竖直支架4、机舱支架5、径向轴承6、机舱连接轴7、机舱8、导轨支撑座9、直线导轨10、滑块11、齿条12、齿轮13、驱动装置14、驱动装置支架15、配重块16和限位块17。其中，直线导轨10、滑块11、齿条12、齿轮13、驱动装置14、驱动装置支架15、配重块16和限位块17组成主动俯仰调节装置。
叶片1作为获取潮流能的主要装置均匀分布在轮毂2的侧面与轮毂2可拆卸地固定连接。轮毂2的前端与数字流速流向仪3连接，末端与设置在机舱8内的发电机及传动机构连接，进而与机舱8的第一端连接。叶片1、轮毂2和发电机及传动机构构成了横轴潮流能水轮机的旋转汲能部分。其中，叶片1的数量可根据实际操作中的要求进行选定，叶片1所涉及的翼型形状、弦长分布、扭转角分布等外形几何参数，本发明不作具体限制。
数字流速流向仪3用于实时获取潮流的流速和流向信息，数字流速流向仪3不随轮毂2转动。
机舱8的内部还设置有控制中心等部件，控制中心用于接收数字流速流向仪3获取的流速和流向信息，并根据流速和流向信息向驱动装置14发送信号，进而调节配重块16在直线导轨10上的位置。
轮毂2、机舱8和导轨支撑座9依次可拆卸地固定连接，且轮毂2、机舱8和导轨支撑座9的轴线处于同一水平线上，形成横轴潮流能水轮机的主轴。机舱8的第二端与导轨支撑座9可拆卸地固定连接，导轨支撑座9用于承载主动俯仰调节装置的重量。
导轨支撑座9的上方设置有用于引导配重块16滑动的直线导轨10，导轨支撑座9的两侧设置有齿条12，齿条12与导轨支撑座9固定连接。直线导轨10的末端设置有限位块17，限位块17用于防止配重块16冲出直线导轨10。在配重块16和直线导轨10之间设置有滑块11，滑块11的顶面与配重块16的底面固定连接，滑块11的底面与直线导轨10滑动连接，进而实现配重块16在直线导轨10上进行往复直线运动。配重块16的侧面通过驱动装置支架15与驱动装置14固定连接，驱动装置14的底部通过动力轴与齿轮13固定连接，齿轮13与齿条12啮合，沿齿条12做往复直线运动。
配重块16可以调节主轴上的重量分布，使横轴潮流能水轮机在初始安装时处于平衡状态，如图3所示，此时横轴潮流能水轮机的受力满足如下公式(1)：
M1g×L1＝M2g×L2 (1)
式中，L1为轮毂及叶片的重心到机舱连接轴的距离；L2为机舱连接轴到配重块重心的距离；M1g为叶片及轮毂的总重量；M2g为配重块及驱动装置、驱动装置支架的总重量。
当潮流来流方向发生改变时，通过改变机舱连接轴7到配重块16重心的距离L2来改变主轴及其所连接部件(轮毂2、机舱8和主动俯仰调节装置)的力矩大小，使其产生绕机舱连接轴7的旋转运动，直至叶片1的扫掠平面与来流垂直，水轮机达到效率最高的工作状态。
进一步地，机舱8的侧壁通过机舱连接轴7与机舱支架5转动连接，进而使主轴及处于其水平线上的部件(轮毂2、机舱8和主动俯仰调节装置)能够以机舱连接轴7为转轴在机舱支架5的上方进行俯仰方向的运动。其中，机舱支架5为凹形结构，所述凹形结构包括两个相对设置的侧面和一个与侧面一体化的底面，每一侧面均开设有用于与机舱连接轴7连接的槽孔，径向轴承5通过所述槽孔与机舱连接轴7固定连接，底面与竖直支架4的第一端可拆卸地固定连接，竖直支架4的第二端与海床固定连接，竖直支架4用于承载横轴潮流能水轮机的所有重量。
工作原理
本发明为单向旋转横轴潮流能水轮机，当水轮机安装完成处于工作状态时，位于轮毂2前端的数字流速流向仪3会连续监测潮流的流向信息，并将测得的流向信息发送至控制中心。控制中心根据流向信息计算得到配重块16需要移动的距离以及驱动装置14需要的旋转角度后，将驱动装置14需要旋转的角度转换为信号发送至驱动装置14，驱动装置14根据接受的信号通过齿轮13的转动带动配重块16在直线导轨10上滑动至合适的位置，保证来流方向与叶片扫掠平面的垂直。
当数字流速流向仪3监测到潮流的来流方向平行于主轴(如图4中Ⅰ所示)，主动俯仰调节装置不工作(即配重块16在初始位置保持不变)，横轴潮流能水轮机处于平衡状态。
当数字流速流向仪3监测来流方向与主轴角度为负时(如图4中Ⅱ所示)，驱动装置14接收控制中心的信号，驱动配重块16向左运动，L2减小，从而驱动叶片1以机舱连接轴7为旋转轴向下转动，直至叶片扫掠平面与来流方向垂直。
当数字流速流向仪3监测来流方向与主轴角度为正时(如图4中Ⅲ所示)，驱动装置14接收控制中心的信号，驱动配重块16向右运动，L2增大，从而驱动叶片1以机舱连接轴7为旋转轴向上转动，直至叶片扫掠平面与来流方向垂直。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种横轴潮流能水轮机，包括叶片(1)、轮毂(2)和机舱(8)，叶片(1)通过轮毂(2)与机舱(8)的第一端固定连接，其特征在于，还包括数字流速流向仪(3)和用于调节横轴潮流能水轮机俯仰状态的主动俯仰调节装置；
数字流速流向仪(3)固定在轮毂(2)的前端；
所述主动俯仰调节装置通过导轨支撑座(9)与机舱(8)的第二端连接，主动俯仰调节装置包括直线导轨(10)、驱动装置(14)和配重块(16)，直线导轨(10)设置在导轨支撑座(9)上方，配重块(16)在驱动装置(14)的作用下沿直线导轨(10)做往复直线运动，使叶片(1)的扫掠平面与潮流的来流方向垂直；
还包括机舱支架(5)，机舱支架(5)通过机舱连接轴(7)与机舱(8)转动连接；
机舱支架(5)为凹形结构，包括两个相对设置的侧面和一个与侧面一体化的底面，所述侧面通过径向轴承(6)与机舱连接轴(7)连接；
机舱(8)内设置有发电机和用于与数字流速流向仪(3)、驱动装置(14)配合工作的控制中心。
2.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，还包括滑块(11)，滑块(11)设置在配重块(16)和直线导轨(10)之间，滑块(11)与配重块(16)的底面固定连接，与直线导轨(10)滑动连接。
3.根据权利要求2所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，导轨支撑座(9)的侧面设置有齿条(12)，齿条(12)与导轨支撑座(9)固定连接。
4.根据权利要求3所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，还包括齿轮(13)，齿轮(13)的第一端与驱动装置(14)的动力轴连接，第二端与齿条(12)啮合，沿齿条(12)做往复直线运动。
5.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，在直线导轨(10)远离机舱(8)的一端设置有限位块(17)。
6.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，还包括驱动装置支架(15)，驱动装置支架(15)的第一端与配重块(16)固定连接，第二端与驱动装置(14)固定连接。
7.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，还包括竖直支架(4)，竖直支架(4)的第一端与机舱支架(5)连接，第二端与海床连接。
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