CN111622887A - 一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明属于可再生能源开发技术领域，尤其涉及一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机。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，还包括用于监测和采集潮流方向和速度的数据采集装置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；主动俯仰调节装置包括连接杆、配重块和升力调节组件，连接杆的第一端与机舱的第二端固定连接，第二端与配重块的第一端连接，配重块的第二端与用于产生升力的升力调节组件固定连接；初始状态下，通过改变配重块的重量，使横轴潮流能水轮机保持平衡状态。该水轮机俯仰调节响应快、精度高，可最大程度利用潮流能。

Description

一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机

技术领域

本发明属于可再生能源开发技术领域，尤其涉及一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机。

背景技术

能源是我们生活的必需品，也是国家发展的战略资源。由于化石能源是有限的，因此开发利用各种形式的可再生能源势在必行。此外，化石能源消耗过程中会产生大量污染，这也迫使人们加快清洁能源的利用。潮流能是一种清洁的可再生能源，其具有储量大、可预测性好、能量密度高的特点。因此，潮流能是一种理想的替代化石能源的资源。

横轴潮流能水轮机是一种利用潮流能的装置，其可以将潮流能转换为水轮机的动能，进而转换为电能。在横轴潮流能水轮机从潮流中获取能量时，其效率会因潮流方向与水轮机叶片扫掠平面不垂直而出现降低。通过合理的设计横轴潮流能水轮机，使其扫掠平面始终与来流方向垂直是提升潮流能能量利用效率的重要方法。

横轴潮流能水轮机中的俯仰调节装置可帮助水轮机叶片调节方向，进而保证水轮机叶片扫掠平面与潮流方向垂直。俯仰调节装置的设计可分为主动式和被动式，被动式俯仰调节装置结构简单、维护方便，但调节响应慢、精度不高，因此难以最大程度利用潮流能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机，调节响应快、精度高，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：

本发明提供一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机，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，其特征在于，还包括用于监测和采集潮流方向和速度的数据采集装置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；

所述主动俯仰调节装置包括连接杆、配重块和升力调节组件，所述连接杆的第一端与机舱的第二端固定连接，第二端与配重块的第一端连接，配重块的第二端与用于产生升力的升力调节组件固定连接；

初始状态下，通过改变配重块的重量，使横轴潮流能水轮机保持平衡状态。

进一步地，所述升力调节组件包括安定面和升降舵，安定面的第一端通过安定面连接件与配重块固定连接，安定面的第二端与升降舵转动连接；

初始状态下，升降舵处于平衡位置。

进一步地，所述升力调节组件还包括升降舵驱动装置，升降舵驱动装置固定于安定面的内部，升降舵驱动装置通过锥齿轮组与升降舵连接。

进一步地，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。

进一步地，机舱内设置有发电机和用于与数据采集装置配合工作的控制中心。

进一步地，所述数据采集装置为数字流速流向仪。

进一步地，连接杆(9)为伸缩连接杆。

(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。主动俯仰调节装置主要包括安定面和升降舵，基于数字流速流向仪监测的潮流流向和流速信息通过升降舵驱动装置驱动升降舵进行俯仰运动，进而改变安定面和升降舵所受升力，带动横轴潮流能水轮机在俯仰方向运动，使潮流来流方向始终与叶片扫掠平面垂直。调节响应快、精度高，提升水轮机效率，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为本发明提供的横轴潮流能水轮机的俯视图；

图3为本发明提供的横轴潮流能水轮机中A-A的剖面图；

图4为本发明图3中B的局部放大图；

图5为本发明提供的横轴潮流能水轮机初始状态受力示意图；

图6为本发明提供的横轴潮流能水轮机与来流角度示意图；

图7为本发明中升降舵的位置变换示意图。

【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：径向轴承；6：机舱连接轴；7：机舱；8：机舱支架；9：连接杆；10：配重块； 11：安定面连接件；12：安定面；13：升降舵；14：锥齿轮组；15：升降舵驱动装置；

L1：轮毂及叶片的重心到机舱连接轴的水平距离；

L2：机舱连接轴到配重物及升力调节组件的重心的水平距离；

M₁g：叶片及轮毂的总重量；

M₂g：配重块及升力调节组件总重量；

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；

①：升降舵平衡位置；②：升降舵向上偏转；③：升降舵向下偏转。

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1-4所示，本发明提供的含有主动俯仰调节装置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7和主动俯仰调节装置，其中主动俯仰调节装置包括连接杆9、配重块10、安定面12、升降舵13和升降舵驱动装置15，安定面12、升降舵13和升降舵驱动装置 15为升力调节组件。

轮毂2、机舱7和连接杆9可拆卸地固定连接，且轮毂2、机舱7和连接杆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。优选地，连接杆9为可调节的伸缩连接杆，可根据实际应用中的需要调节连接杆9的长度。

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的一端连接有数字流速流向仪3，另一端与设置在机舱7内的发电机及传动机构连接，进而与机舱7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7的内部包含发电机、传动机构和控制中心等部件，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升降舵驱动装置发送信号，进而调节升降舵13的角度。

机舱7的第二端与连接杆9的第一端可拆卸地固定连接，连接杆9的第二端与配重块10可拆卸地固定连接。

进一步地，机舱7的侧壁通过机舱连接轴6与机舱支架8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7和主动俯仰调节装置)能够以机舱连接轴6为转轴在机舱支架8的上方进行俯仰方向的运动。进一步地，机舱支架8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6连接的槽孔，径向轴承5通过所述槽孔与机舱连接轴6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。

配重块10的第一端与连接杆9的第二端连接，第二端通过安定面连接件11与安定面12固定连接。其中，配重块10和安定面12均水平放置，安定面连接件11竖直放置，且分别与配重块10和安定面12的中心处连接。配重块10用于调节主轴上的重量分布，其重量可根据实际情况调节，使横轴潮流能水轮机在初始安装时处于平衡状态，安定面12为可以产生升力的翼面，使横轴潮流能水轮机在俯仰方向上具有一定的恢复稳定的能力。

在安定面12远离叶片1的一端通过转轴连接有升降舵13，升降舵 13为可以产生升力、主动调节横轴潮流能水轮机俯仰角度的翼面。升降舵13通过锥齿轮组14与固定设置在安定面12内部的升降舵驱动装置15 连接。锥齿轮组14将升降舵驱动装置15和升降舵13连接，升降舵驱动装置15产生的驱动力通过锥齿轮组14传递到升降舵13，并转换为升降舵13在俯仰方向的运动。

工作原理

本发明中安定面12和升降舵13均为可产生升力的翼面，升降舵13 可在与水平面夹角为-45°～45°范围内转动。初始状态时，横轴潮流能水轮机的位置及受力形态如图5所示。此时，叶片重量、配重块重量和升力调节组件产生的升力之间应满足如下公式(1)：

M₁g×L1＝(M₂g–F)×L2 (1)

当潮流流速和流向发生改变时，安定面12和升降舵13所受攻角均发生改变，因而安定面12和升降舵13所受升力也发生改变。通过调整升降舵13与水平面的角度也可以调节升降舵13所受攻角从而改变所受升力大小。当潮流的流动状态(流速和流向)改变时，通过调整升降舵13的角度至合适位置可改变其所受升力，从而产生调节水轮机俯仰变化的力矩，使水轮机主轴绕机舱连接轴旋转到最佳工作状态。

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速和流向信息，并将测得的流速和流向信息发送至控制中心。控制中心根据流速和流向信息计算得到升降舵13需要偏转的方向、角度，进而得到升降舵驱动装置15的驱动信息，将升降舵驱动装置15的驱动信息转换为信号发送至升降舵驱动装置15，升降舵驱动装置15根据接受的信号进行驱动，并通过锥齿轮组14带动升降舵13完成相应的偏转动作(偏转方向、角度)。升降舵13的偏转会导致其翼面上升力的变化，从而使得主轴及与其相连部件绕机舱连接轴6旋转一定角度，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6中Ⅰ所示)，主动俯仰调节装置不工作(如图7中的①所示，升降舵处在0°位置，即平衡位置)，横轴潮流能水轮机处于平衡状态，此时潮流能水轮机受力满足公式(1)。

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6中Ⅱ所示)，安定面12和升降舵13所受攻角增大，所以其产生的升力F增大，此时横轴潮流能水轮机的受力关系如公式(2)所示：

M₁g×L1>(M₂g–F)×L2 (2)

横轴潮流能水轮机处于不平衡状态，叶片扫掠平面与来流不垂直。数字流速流向仪3将监测的来流方向反馈至控制中心，为保证叶片扫掠平面与来流方向垂直，控制中心将升降舵13向下偏转的信号发送至升降舵驱动装置15，升降舵驱动装置15通过锥齿轮组14驱动升降舵13向下偏转(如图7中的③所示)，安定面12和升降舵13所受升力F增大，叶片1向下运动，当叶片扫掠平面与来流方向接近垂直时，控制中心根据数字流速流向仪3测得的信息控制升降舵13做精细调整，保证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6中Ⅲ所示)，安定面和升降舵所受攻角减小，所以其产生的升力F减小，此时横轴潮流能水轮机的受力关系如公式(3)所示：

M₁g×L1<(M₂g–F)×L2 (3)

横轴潮流能水轮机处于不平衡状态，叶片扫掠平面与来流不垂直。数字流速流向仪3将监测的来流方向反馈至控制中心，为保证叶片扫掠平面与来流方向垂直，控制中心将升降舵13向上偏转的信号发送至升降舵驱动装置15，升降舵驱动装置15通过锥齿轮组14驱动升降舵13向上偏转(如图7中的②所示)，安定面12和升降舵13所受升力F减小，叶片1向上运动，当叶片扫掠平面与来流方向接近垂直时，控制中心根据数字流速流向仪3测得的信息控制升降舵13做精细调整，保证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 (9)

1.一种含有主动俯仰调节装置的横轴潮流能水轮机，包括叶片(1)、轮毂(2)和机舱(7)，叶片(1)通过轮毂(2)与机舱(7)的第一端固定连接，其特征在于，还包括用于监测和采集潮流方向和速度的数据采集装置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；

所述主动俯仰调节装置包括连接杆(9)、配重块(10)和升力调节组件，所述连接杆(9)的第一端与机舱(7)的第二端固定连接，第二端与配重块(10)的第一端连接，配重块(10)的第二端与用于产生升力的升力调节组件固定连接；

初始状态下，通过改变配重块(10)的重量，使横轴潮流能水轮机保持平衡状态。

2.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，所述升力调节组件包括安定面(12)和升降舵(13)，安定面(12)的第一端通过安定面连接件(11)与配重块(10)固定连接，安定面(12)的第二端与升降舵(13)转动连接；

初始状态下，升降舵(13)处于平衡位置。

3.根据权利要求2所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，所述升力调节组件还包括升降舵驱动装置(15)，升降舵驱动装置(15)固定于安定面(12)的内部，升降舵驱动装置(15)通过锥齿轮组(14)与升降舵(13)连接。

4.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，还包括机舱支架(8)，机舱支架(8)通过机舱连接轴(6)与机舱(7)转动连接。

5.根据权利要求4所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，机舱支架(8)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(5)与机舱连接轴(6)连接。

6.根据权利要求4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(8)连接，第二端与海床连接。

7.根据权利要求3所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，机舱(7)内设置有发电机和用于与数据采集装置、升降舵驱动装置(15)配合工作的控制中心。

8.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，所述数据采集装置为数字流速流向仪(3)。

9.根据权利要求1所述的横轴潮流能水轮机，其特征在于，连接杆(9)为伸缩连接杆。

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