CN112855406B - 一种升阻结合双链式水轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升阻结合双链式水轮机，通过将内部阻力水轮结构设置于两个升力水轮机轴之间，在内部阻力水轮结构中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，利用水流的阻力通过内阻力水轮结构提升速度，通过重合升力型叶片和薄膜叶片结构的最优工况增加了水轮机整体的的能量利用系数，避免了由于压力突变产生的叶片空化效应。

Description

一种升阻结合双链式水轮机

技术领域

本发明属于海洋能发电技术领域，具体涉及一种升阻结合双链式水轮机。

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升阻结合双链式水轮机，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：

一种升阻结合双链式水轮机，包括升力水轮结构和内部阻力水轮结构；升力水轮结构包括两个平行设置的升力水轮机轴，两个升力水轮机轴上均设有两个支撑皮带轮，两个升力水轮机轴上的支撑皮带轮通过两条平行设置的升力传动皮带连接，两条升力传动皮带之间阵列有若干升力型叶片，升力水轮机轴上设有升力传动齿轮；

内部阻力水轮结构包括两个平行设置的内阻水轮传动轴，每个内阻水轮传动轴上均设有两个平行设置的内阻水轮传动轮，两个内阻水轮传动轴上的内阻水轮传动轮通过两条平行设置的内阻水轮机传动带连接，两条内阻水轮机传动带之间阵列固定有若干薄膜叶片结构，内阻水轮传动轴上设有能够与升力传动齿轮啮合的内阻传动齿轮，内部阻力水轮结构设置于两个升力水轮机轴之间。

进一步的，薄膜叶片结构包括矩形叶片支架和薄膜叶片，矩形叶片支架的一侧通过固定轴固定于两个内阻水轮机传动带之间，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。

进一步的，矩形叶片支架运行至内阻水轮机传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个内阻水轮机传动带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内阻水轮机传动带两侧平行面时，矩形叶片支架所在平面与两个内阻水轮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，内阻水轮机传动带采用链条，内阻水轮传动轮采用链轮，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，两个升力水轮机轴均设有一个升力传动齿轮，两个内阻水轮传动轴均设有一个内阻传动齿轮，其中一个内阻水轮传动轴上的内阻传动齿轮与其中一个升力传动齿轮啮合，另一个内阻水轮传动轴8上的内阻传动齿轮与另一个升力传动齿轮啮合。

进一步的，升力型叶片固定于两条升力传动皮带之间，升力型叶片与薄膜叶片结构受同一方向水流产生扭矩方向相反。

进一步的，升力型叶片采用对称升力叶片，升力型叶片的中间平面始终沿支撑皮带轮的切线方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种升阻结合双链式水轮机，通过将内部阻力水轮结构设置于两个升力水轮机轴之间，在内部阻力水轮结构中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，利用水流的阻力通过内阻力水轮结构提升速度，通过重合升力型叶片和薄膜叶片结构的最优工况增加了水轮机整体的的能量利用系数，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，由于内外利用力的形式有所不同，内部阻力水轮结构和外水轮结构最佳的运行水流速度不同，所以通过力矩连接之后，整体工作水流范围和效率增大。

进一步的，矩形框架配合薄膜材料的使用，可以减少摆动式叶片设计由于叶片自身惯性产生的迟滞效应。

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为本发明实施例中升力水轮结构安装轴测图。

图5为本发明实施例中升力水轮结构主视图。

图6为本发明实施例中升力水轮结构俯视图。

图7为本发明实施例中内部阻力水轮结构轴测图。

图8为本发明实施例中内部阻力水轮结构主视图。

图9为本发明实施例中内部阻力水轮结构俯视图。

图10为本发明实施例中薄膜叶片结构轴测图。

图11为本发明实施例中薄膜叶片结构流场示意图。

图12为本发明实施例中内部阻力水轮结构流场示意图。

图13为本发明实施例中整体结构流场示意图。

其中，1、升力型叶片；2、升力水轮机轴；3、升力传动齿轮；4、支撑皮带轮；5、升力传动皮带；6、内阻水轮机传动带；7、薄膜叶片结构；8、内阻水轮传动轴；9、内阻传动齿轮；10、内阻水轮传动轮；71、固定轴；72、矩形叶片支架；73、薄膜叶片。

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，一种升阻结合双链式水轮机，包括升力水轮结构和内部阻力水轮结构；升力水轮结构包括两个平行设置的升力水轮机轴2，两个升力水轮机轴2上均设有两个支撑皮带轮4，两个升力水轮机轴2上的支撑皮带轮4通过两条平行设置的升力传动皮带5连接，两条升力传动皮带5之间阵列有若干升力型叶片1，升力水轮机轴2上设有升力传动齿轮3；

如图7至9所示，内部阻力水轮结构包括两个平行设置的内阻水轮传动轴8，每个内阻水轮传动轴8上均设有两个平行设置的内阻水轮传动轮10，两个内阻水轮传动轴8上的内阻水轮传动轮10通过两条平行设置的内阻水轮机传动带6连接，两条内阻水轮机传动带6之间阵列固定有若干薄膜叶片结构7，内阻水轮传动轴8上设有能够与升力传动齿轮3啮合的内阻传动齿轮9，内部阻力水轮结构设置于两个升力水轮机轴2之间。升力型叶片1固定于两条升力传动皮带5之间，升力型叶片1与薄膜叶片结构7受同一方向水流产生扭矩方向相反；升力型叶片1采用对称升力叶片，升力型叶片1的中间平面始终沿支撑皮带轮的切线方向。

具体的，如图4-图6所示，其中一个升力水轮机轴2上的一个支撑皮带轮4与另一个升力水轮机轴2上的一个支撑皮带轮4通过一条升力传动皮带5连接；其中一个升力水轮机轴2上的另一个支撑皮带轮4与另一个升力水轮机轴2上的另一个支撑皮带轮4通过一条升力传动皮带5连接，两条升力传动皮带5平行。

具体的，其中内阻水轮传动轴8上的一个内阻水轮传动轮10与另一个内阻水轮传动轴8上的一个内阻水轮传动轮10通过一条内阻水轮机传动带6连接；其中内阻水轮传动轴8上的另一个内阻水轮传动轮10与另一个内阻水轮传动轴8上的另一个内阻水轮传动轮10通过另一条内阻水轮机传动带6连接，两条内阻水轮机传动带6平行。

如图1所示，两个升力水轮机轴2均设有一个升力传动齿轮3，两个内阻水轮传动轴8均设有一个内阻传动齿轮9，其中一个内阻水轮传动轴8上的内阻传动齿轮9与其中一个升力传动齿轮3啮合，另一个内阻水轮传动轴8上的内阻传动齿轮9与另一个升力传动齿轮3啮合，采用双齿轮组啮合，提高整体结构的传动稳定性。

如图10所示，薄膜叶片结构7包括矩形叶片支架72和薄膜叶片73，矩形叶片支架72的一侧通过固定轴71固定于两个内阻水轮机传动带6之间，薄膜叶片73的三边与矩形叶片支架72的边框固定连接，其中与矩形叶片支架72固定连接的两个边与连接固定轴一侧的矩形叶片支架72所在边相邻。所述固定轴71侧部与矩形叶片支架72的长边固定连接，薄膜叶片73采用薄膜材料，优选的，薄膜叶片73的三条边分别与矩形叶片支架72的三条边固定，薄膜叶片73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73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72安装到所述内阻水轮机传动带6上后，矩形叶片支架72的长底边应与传动轴1的轴线平行。

矩形叶片支架72运行至内阻水轮机传动带6两侧平行面时，矩形叶片支架72所在平面与两个内阻水轮机传动带6轴线的共面之间夹角不大于15°。即矩形叶片支架72随内阻水轮机传动带6运行至同一内阻水轮机传动带两侧平行段时，此时同一传送带两侧平行段所在平面与两个内阻水轮传动轴8轴线的共面平行。

优选的，矩形叶片支架72运行至内阻水轮机传动带6两侧平行面时，矩形叶片支架72所在平面与两个内阻水轮传动轴8轴线的共面平行，即夹角为0，此时，当矩形叶片支架72随传送带运行至内阻水轮机传动带6处于平面段时，矩形叶片支架72与内阻水轮机传动带6共面。

本申请薄膜叶片73的三边与矩形叶片支架72的三个边框固定连接，矩形叶片支架72上与安装固定轴相对一侧的边框与薄膜叶片73的另一边不连接，在薄膜叶片73与矩形叶片支架72的一侧形成开口结构。

本申请内阻水轮机传动带6采用带齿皮带或链条，内阻水轮机传动带6采用带齿皮带时，矩形叶片支架72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，安装后，矩形叶片支架72与带齿皮带连接处相对固定。内阻水轮机传动带6采用链条时，内阻水轮传动轮10采用链轮，内阻水轮传动轴8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内阻水轮传动轴8上的一个链轮。矩形叶片支架72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11所示当流体通过矩形叶片支架72时，由于薄膜叶片73的弹性，薄膜叶片73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12所示，水流由上至下流动，升力水轮机轴2和内阻水轮传动轴8平行设置，两者均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72的薄膜叶片73自由边在右侧，即内阻水轮机传动带6上端的矩形叶片支架72上的薄膜叶片73右侧开口，此时内阻水轮机传动带6处于水平面时矩形叶片支架72所在平面与两个传动轴1轴线的共面平行，薄膜叶片73顺时针摆动一定角度，使迎水面的薄膜叶片73获得向左的力矩，也就是逆时针的力矩，内阻水轮传动轴8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73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73逆时针摆动一定角度，此时薄膜叶片73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73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73运动的线速度与水流方向相反，但是由于薄膜叶片73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72后侧有薄膜叶片73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。

如图13所示，内阻力水轮机可以利用水流的阻力，将转速提高之后，外侧的升力水轮结构产生升力进一步加速整体的旋转，由于链机的旋转轨迹增加了迎水面和背水面的占比所以其效率大于旋转轨迹为圆形的常规升力型垂直轴水轮机，内外旋转周长的差距也在一定程度上解决了也可以通过调节升力传动齿轮3和内阻传动齿轮9的半径之比来解决升力型叶片1和薄膜叶片结构7在最优工况不同线速度的问题。先由内阻力水轮机到达一定转速之后外侧升力型水轮机也产生动力，此设计不仅仅增加了水轮机的自启动性能，也通过重合内外叶片的最优工况增加了水轮机整体的的能量利用系数。

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。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73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73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73的使用也会降低水轮机的制造安装成本。

Claims (7)

1.一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，包括升力水轮结构和内部阻力水轮结构；升力水轮结构包括两个平行设置的升力水轮机轴（2），两个升力水轮机轴（2）上均设有两个支撑皮带轮（4），两个升力水轮机轴（2）上的支撑皮带轮（4）通过两条平行设置的升力传动皮带（5）连接，两条升力传动皮带（5）之间阵列有若干升力型叶片（1），升力水轮机轴（2）上设有升力传动齿轮（3）；

内部阻力水轮结构包括两个平行设置的内阻水轮传动轴（8），每个内阻水轮传动轴（8）上均设有两个平行设置的内阻水轮传动轮（10），两个内阻水轮传动轴（8）上的内阻水轮传动轮（10）通过两条平行设置的内阻水轮机传动带（6）连接，两条内阻水轮机传动带（6）之间阵列固定有若干薄膜叶片结构（7），内阻水轮传动轴（8）上设有能够与升力传动齿轮（3）啮合的内阻传动齿轮（9），内部阻力水轮结构设置于两个升力水轮机轴（2）之间；薄膜叶片结构（7）包括矩形叶片支架（72）和薄膜叶片（73），矩形叶片支架（72）的一侧通过固定轴（71）固定于两个内阻水轮机传动带（6）之间，薄膜叶片（73）的三边与矩形叶片支架（72）的边框固定连接，其中与矩形叶片支架（72）固定连接的两个边与连接固定轴一侧的矩形叶片支架（72）所在边相邻，两个升力水轮机轴（2）均设有一个升力传动齿轮（3），两个内阻水轮传动轴（8）均设有一个内阻传动齿轮（9），其中一个内阻水轮传动轴（8）上的内阻传动齿轮（9）与其中一个升力传动齿轮（3）啮合，另一个内阻水轮传动轴（8）上的内阻传动齿轮（9）与另一个升力传动齿轮（3）啮合。

2.根据权利要求1所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，矩形叶片支架（72）运行至内阻水轮机传动带（6）两侧平行面时，矩形叶片支架（72）所在平面与两个内阻水轮机传动带（6）轴线的共面之间夹角不大于15°。

3.根据权利要求2所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，矩形叶片支架（72）运行至内阻水轮机传动带（6）两侧平行面时，矩形叶片支架（72）所在平面与两个内阻水轮传动轴（8）轴线的共面平行。

4.根据权利要求1所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，内阻水轮机传动带（6）采用带齿皮带，矩形叶片支架（72）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。

5.根据权利要求1所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，内阻水轮机传动带（6）采用链条，内阻水轮传动轮（10）采用链轮，矩形叶片支架（72）的一侧边框的两端分别与两条链条上的链节固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，升力型叶片（1）固定于两条升力传动皮带（5）之间，升力型叶片（1）与薄膜叶片结构（7）受同一方向水流产生扭矩方向相反。

7.根据权利要求1所述的一种升阻结合双链式水轮机，其特征在于，升力型叶片（1）采用对称升力叶片。

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