CN112780475B - 一种s型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，利用固定的矩形叶片支架安装薄膜叶片结构，能够增加单位水轮机结构可以附加的叶片数，同时利用薄膜叶片使其在三个水面均能够受力推动传动轴向同一方向转动，迎着水流方向的矩形叶片支架后侧有薄膜叶片会形成一定导流现象，减少在逆水面产生的反向的力矩，使水轮机整体有较高的能量利用系数，同时在传动轴上安装有S型阻力叶片，进一步提升了整体的性能和自启动性能，也避免了水轮机死点的存在，矩形框架配合薄膜材料的使用，可以减少刚性摆动式叶片设计由于叶片自身惯性产生的迟滞效应，同时在叶片的尾部也避免了由于压力突变产生的叶片空化效应，延长了叶片的寿命。

Description

一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置

技术领域

本发明属于海洋能发电技术领域，具体涉及一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置。

背景技术

随着城市现代化以及工业化的飞速发展，能源早已成为影响经济和社会快速发展的重要因素。常用的传统能源如煤炭、石油、天然气等矿物燃料均无法短时间内再生，而且在消耗的同时还会对自然环境造成破坏。为了环境的可持续发展，研发新能源进行替代已迫在眉睫。

海洋能作为一种新型绿色可再生能源，主要包括潮汐能、潮流能和波浪能。我国拥有较长的海岸线以及辽阔的海域，海洋能储备丰厚，是世界上潮流能功率密度最大的地区之一，部分地区的平均功率密度在20kW/m2以上，开发环境和条件很好。虽然潮流能具有能量分布不均匀，稳定性差等问题，但经过不断努力和探索，部分潮流能设备已实现全比例尺寸海试。潮流能发电机根据捕能原理主要分为：水平轴式、垂直轴式以及振荡水翼式。其中垂直轴装置虽然相比于水平轴装置应用较少，但研发起步较早，垂直轴水轮机按照利用力的形式不同可分为升力型垂直轴水轮机和阻力型垂直轴水轮机，阻力型水轮机启动力矩大，启动流速小；升力型水轮机效率较高。然而现有的垂直轴水轮机大多是以叶片的圆形旋转，将海流能转换成机械能，以现有的研究结果来看，功率主要的产生区域在于迎风面，但是圆形旋转的话迎风面占比较低，加之存在大量的截流面积产生阻力或不产生动力，导致了整体的低效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，包括两个平行设置的传动轴，每个传动轴上均设有两个平行设置的传动轮，其中两个传动轮的转动平面在同一平面内，另外两个传动轮的转动平面在另一个平面内，转动平面共面的两个传动轮之间通过传动带传动连接，两个传动带之间阵列固定有若干矩形叶片支架，矩形叶片支架的一侧通过固定轴固定于两个传动带之间，矩形叶片支架上安装有薄膜叶片，薄膜叶片的三边与矩形叶片支架的边框固定连接，其中与矩形叶片支架固定连接的两个边与连接固定轴一侧的矩形叶片支架所在边相邻，传动轴上安装有S型阻力叶片。

进一步的，矩形叶片支架运行至传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个传动轴轴线的共面之间夹角不大于15°。

进一步的，矩形叶片支架运行至传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个传动轴轴线的共面平行。

进一步的，传动带采用带齿皮带，矩形叶片支架的一侧边框的两端安装有连接轴，分别与两天带齿皮带的侧壁固定连接。

进一步的，传动带采用链条，传动轮采用链轮，矩形叶片支架的一侧边框的两端分别与两条链条上的链节固定连接。

进一步的，S型阻力叶片沿垂直于其长度方向的截面为S型，S型阻力叶片的中点过传动轴的轴心。

进一步的，S型阻力叶片沿传动轴的轴向长度小于薄膜叶片结构的长度。

进一步的，矩形叶片支架包括叶片轴和矩形叶片框架，叶片轴固定于矩形叶片框架一侧，通过叶片轴将矩形叶片框架与传动带固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，利用两个平行设置的传动轴，在每个传动轴上均设有两个平行设置的传动轮，形成两两共面的传动轮组，传动轮组之间通过传动带连接，在两个传动带之间阵列固定有若干矩形叶片支架，矩形叶片支架的一侧通过固定轴固定于两个传动带之间，矩形叶片支架上安装有薄膜叶片，通过将薄膜叶片的三边与矩形叶片支架的边框固定连接，利用固定的矩形叶片支架安装薄膜叶片结构，能够增加单位水轮机结构可以附加的叶片数，同时利用薄膜叶片使其在三个水面均能够受力推动传动轴向同一方向转动，在另一个逆水面，迎着水流方向的矩形叶片支架后侧有薄膜叶片会形成一定导流现象，减少在逆水面产生的反向的力矩，使水轮机整体有较高的能量利用系数，同时在传动轴上安装有S型阻力叶片，进一步提升了整体的性能和自启动性能，也避免了水轮机死点的存在，可以在更低流速下启动，增加水轮机整体的工作流速范围和整体能量利用系数。矩形框架配合薄膜材料的使用，可以减少刚性摆动式叶片设计由于叶片自身惯性产生的迟滞效应，同时在叶片的尾部也避免了由于压力突变产生的叶片空化效应，延长了叶片的寿命。

进一步的，S型阻力叶片集成在水轮机的轴上，不增加除了叶片以外的机构，降低了整体的复杂性和造价。

进一步的，矩形叶片支架运行至传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个传动轴1轴线的共面之间夹角不大于15°，能够使矩形叶片支架运行至两侧时受同一水流作用力最大，避免角度过大导致薄膜叶片受水流影响形成反向阻力面。

进一步的，矩形叶片支架运行至传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个传动轴轴线的共面平行，此时薄膜叶片在全方位上受力最大，效率最高。

附图说明

图1为本发明实施例中整体装置立体结构示意图。

图2为本发明实施例中主视图。

图3为图2俯视图。

图4为本发明实施例中S型阻力叶片安装轴测图。

图5为本发明实施例中矩形叶片支架轴测图。

图6为本发明实施例中薄膜叶片流场示意图。

图7为本发明实施例中水轮机受流场结构示意图。

其中，1、传动轴；2、传动轮；3、传动带；4、矩形叶片支架；5、薄膜叶片；6、S型阻力叶片；7、叶片轴；8、矩形叶片框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，包括两个平行设置的传动轴1，每个传动轴1上均设有两个平行设置的传动轮2，其中两个传动轮的转动平面共面，另外两个传动轮的转动平面共面，即两两传动轮2形成一组共面传动轮组，共面传动轮组之间通过传动带3传动连接；转动平面共面的两个传动轮之间通过传动带3传动连接，两个传动带3之间阵列固定有若干矩形叶片支架4，矩形叶片支架4的一侧通过固定轴固定于两个传动带3之间，矩形叶片支架4上安装有薄膜叶片5，薄膜叶片5的三边与矩形叶片支架4的边框固定连接，其中与矩形叶片支架4固定连接的两个边与连接固定轴一侧的矩形叶片支架4所在边相邻。两个传动轴1通过两个传动带3与传动轴上的传动轮啮合实现共同转动。其中两个传动轴1固定于发电装置或传动装置上，两个传动轴1作为整体结构的支撑和动力传动结构。

传动轮的转动平面即垂直于传动轮转动轴的平面，也是传动轮最大面所在平面。

矩形叶片支架4运行至传动带3两侧平行面时，矩形叶片支架4所在平面与两个传动轴1轴线的共面之间夹角不大于15°。即矩形叶片支架4随传动带3运行至同一传送带两侧平行段所在平面时，此时同一传送带两侧平行段所在平面与两个传动轴1轴线的共面平行，如图2所示，矩形叶片支架4运行至传送带处于水平面。

优选的，矩形叶片支架4运行至传动带3两侧平行面时，矩形叶片支架4所在平面与两个传动轴1轴线的共面平行，即夹角为0，此时，当矩形叶片支架4随传送带运行至传送带处于平面时，矩形叶片支架4与传送带共面。

本申请薄膜叶片5的三边与矩形叶片支架4的三个边框固定连接，矩形叶片支架4上与安装固定轴相对一侧的边框与薄膜叶片5的另一边不连接，在薄膜叶片5与矩形叶片支架4的一侧形成开口结构。

本申请传动带3采用带齿皮带或链条，传动带3采用带齿皮带时，矩形叶片支架4的一侧边框的两端安装有连接轴，分别与两天带齿皮带的侧壁固定连接，安装后，矩形叶片支架4与带齿皮带连接处相对固定。传动带3采用链条时，传动轮2采用链轮，传动轴1上的两个链轮形成轴毂结构，链条与链轮相啮合，每条链条分别啮合两个传动轴1上的一个链轮。矩形叶片支架4的一侧边框的两端分别与两条链条上的链节固定连接，在两条链条之间起到支撑链条的作用。

如图4、图7所示，传动轴1上安装有S型阻力叶片6，S型阻力叶片6沿垂直于其长度方向的截面为S型，S型阻力叶片6的中点过传动轴1的轴心，S型阻力叶片6分别安装在两个传动轴1中部；S型阻力叶片5沿传动轴1的轴向长度小于薄膜叶片结构4的长度，在低流速的时候由有S型阻力叶片5提供启动力矩，可以使其在更低流速下利用流场。

具体的，如图5所示，矩形叶片支架4包括叶片轴7和矩形叶片框架8，叶片轴7固定于矩形叶片框架8一侧，通过叶片轴7将矩形叶片框架8与传动带3固定连接。所述叶片轴7侧部与矩形叶片框架8的长边固定连接，薄膜叶片5采用薄膜材料，优选的，薄膜叶片5的三条边分别与矩形叶片框架8的三条边固定，薄膜叶片5的另一条长边为自由边。且所有叶片自由边的方向一致。薄膜叶片5可以随水流的方向变化而改变迎水面(凹面)方向，从而不论水流方向如何变化均保持链轮转动方向不变，保证轮机发电效率。当矩形叶片支架4安装到所述传动带3上后，矩形叶片支架4的长底边应与传动轴1的轴线平行。

如图6所示当流体通过矩形叶片支架4时，由于薄膜叶片5的弹性，薄膜叶片5的自由边会向流体流动方向摆动形成一定的弧度，形成凹陷结构，从而获得流体产生的动力。

如图7所示，水流由上至下流动，传动轴沿垂直于水流平面设置，正对水流方向的迎水面矩形叶片支架4的自由边在右侧，即传动带3上端的矩形叶片支架4上的薄膜叶片5右侧开口，此时传动带3处于水平面时矩形叶片支架4所在平面与两个传动轴1轴线的共面平行，薄膜叶片5顺时针摆动一定角度，使迎水面的薄膜叶片5获得向左的力矩，也就是逆时针的力矩，传动轴1受力逆时针转动；旋转线速度方向与水流方向一致的顺水面，也是水轮机的左侧，薄膜叶片5受到向下的力仍然产生逆时针的力矩，背水面也就是水轮机的下侧的直面，薄膜叶片5逆时针摆动一定角度，此时薄膜叶片5开口朝左，受到被迎水面导流之后的水流的作用，受到向右的力也产生逆时针的力矩，并且经过导流后的水流方向与薄膜叶片5的夹角更接近垂直所以产生的力矩更大；逆水面也就是水轮机右侧，薄膜叶片5运动的线速度与水流方向相反，但是由于薄膜叶片5可以在一定程度自由摆动，并且迎着水流方向的矩形叶片支架4后侧有薄膜叶片5会形成一定导流现象，减少在逆水面产生的反向的力矩，使水轮机整体有较高的能量利用系数。

安装在传动轴1上的S型阻力叶片6也受到水流的作用也产生逆时针方向的力矩，增加整体的旋转力矩，并且S型阻力叶片6可以在更低流速下启动，S型阻力叶片6和薄膜叶片5都是阻力叶片，运行时的最优工况接近，还可以避免水轮机存在死点的问题，增加水轮机整体的工作流速范围和整体能量利用系数。

采用叶片定轴旋转设计，增加单位水轮机结构可以附加的叶片数，增加了迎水面和背水面的面积占比，从而提高叶片对于一定方向的来流的能量利用率。集成在传动轴1的两个S型阻力叶片与薄膜叶片同为阻力型叶片最佳的工况相近，进一步提升了整体的性能和自启动性能，也避免了水轮机死点的存在。并且增加的S型阻力叶片是集成在水轮机的轴上的，不增加除了叶片以外的机构，降低了整体的复杂性和造价，

另外矩形框架配合薄膜材料的使用，可以减少刚性摆动式叶片设计由于叶片自身惯性产生的迟滞效应，同时在叶片的尾部也避免了由于压力突变产生的叶片空化效应，延长了叶片的寿命。同时薄膜叶片受水流影响摆动改善由于生物附着或者水体腐蚀产生的额外的阻力。薄膜叶片的使用也会降低整体的轮机的惯性极矩，增加其自启动性能。薄膜叶片的使用也会降低水轮机的制造安装成本。

Claims (5)

1.一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，其特征在于，包括两个平行设置的传动轴（1），每个传动轴（1）上均设有两个平行设置的传动轮（2），其中两个传动轮的转动平面在同一平面内，另外两个传动轮的转动平面在另一个平面内，转动平面共面的两个传动轮之间通过传动带（3）传动连接，两个传动带（3）之间阵列固定有若干矩形叶片支架（4），矩形叶片支架（4）的一侧通过固定轴固定于两个传动带（3）之间，矩形叶片支架（4）上安装有薄膜叶片（5），薄膜叶片（5）的三边与矩形叶片支架（4）的边框固定连接，其中与矩形叶片支架（4）固定连接的两个边与连接固定轴一侧的矩形叶片支架（4）所在边相邻，传动轴（1）上安装有S型阻力叶片（6），矩形叶片支架（4）运行至水轮机装置前后两侧传动带（3）组成的平行面时，矩形叶片支架（4）所在平面与两个传动轴（1）轴线组成的平面平行，S型阻力叶片（6）沿垂直于其长度方向的截面为S型，S型阻力叶片（6）的中点过传动轴（1）的轴心，S型阻力叶片沿传动轴（1）的轴向长度小于薄膜叶片结构的长度。

2.根据权利要求1所述的一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，其特征在于，传动带（3）采用带齿皮带或链条。

3.根据权利要求1或2所述的一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，其特征在于，传动带（3）采用带齿皮带，矩形叶片支架（4）的一侧边框的两端安装有连接轴，分别与两条带齿皮带的侧壁固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，其特征在于，传动带（3）采用链条，传动轮（2）采用链轮，矩形叶片支架（4）的一侧边框的两端分别与两条链条上的链节固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种S型叶片复合薄膜叶片双轴水轮机装置，其特征在于，矩形叶片支架（4）包括叶片轴（7）和矩形叶片框架（8），叶片轴（7）固定于矩形叶片框架（8）一侧，通过叶片轴（7）将矩形叶片框架（8）与传动带（3）固定连接。

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