CN113417785A - 一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置及实验方法，包括安装在实验水槽中支柱和主体结构，主体结构转动设置在支柱顶部，机舱壳体的一侧设置有主机翼、另一侧设置有副机翼、尾部设有尾舵，其中主机翼与机舱壳体铰接；副机翼及尾舵与机舱壳体固定连接。本申请中，通过设置主副机翼和尾舵，将主体结构转动设置在支柱顶部，改变来流的方向，主机翼受到来流冲击后相对机舱壳体转动一定角度而打开，主体结构左右两侧受力不平衡，导致整个主体结构绕支柱发生转动，来流继而冲击主机翼和尾舵，实现水轮机换向。通过该装置对潮流能水轮机进行模型实验，为以后潮流能水轮机的换向研究提供帮助，更为潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。

Description

一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置及实验方法。

背景技术

潮流能作为海洋能的一种，蕴藏量大，通过将水轮机设置在海洋中，水轮机在潮流的冲击作用下叶轮高速旋转，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、效率高的特点，在潮流能开发利用中被广泛采用。

现有的水平轴式潮流能水轮机不具有换向功能，只能在固定的来流方向下才能工作，在潮涨潮落的过程中，某个区域中的海水的流动方向往往会发生变化，这样导致水轮机的效率低下。因此有必要对潮流能水轮机进行改进，增加换向装置进行模型实验，为潮流能水轮机的研究和广泛应用打下实验基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置及实验方法，解决现有技术中潮流能水轮机不能随潮流变化而自动换向的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，包括安装在实验水槽中支柱和主体结构，所述支柱竖直设置，主体结构转动设置在支柱顶部，

所述主体结构包括轮毂和机舱壳体；机舱壳体中沿其长度方向通过轴承转动设置有转轴，转轴的前端伸出机舱壳体与轮毂固定连接，轮毂上设置有至少三个叶片；

所述机舱壳体的一侧设置有主机翼，另一侧设置有副机翼；其中主机翼与机舱壳体铰接；副机翼与机舱壳体固定连接。

本申请中，通过在设置机舱壳体两侧设置主机翼和副机翼，同时将主体结构转动设置在支柱顶部，改变来流的方向，主机翼受到来流冲击后相对机舱壳体转动一定角度而打开，继而冲击主机翼，主体结构左右两侧受力不平衡，导致整个主体结构绕支柱发生转动，和尾舵，实现水轮机换向。通过该装置对潮流能水轮机进行模型实验，为以后潮流能水轮机的换向研究提供帮助，更为潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。

进一步优化，所述机舱壳体与支柱之间通过推力轴承转动连接。

进一步优化，所述机翼与机舱壳体铰接处设置有限位挡板，主机翼能够在0°～90°的范围内转动。通过设置限位挡板，防止主机翼受来流冲击后相对机舱壳体转动180°后与机舱壳体切合。

进一步优化，所述主机翼包括第一弧形板和第二弧形板，第一弧形板为圆筒状管道侧壁的一部分，第二弧形板为圆台状管道侧壁的一部分；第一弧形板的一端与机舱壳体铰接，另一端和第二弧形板固定连接，第二弧形板与第一弧形板倾斜设置，且第一弧形板所在圆筒与第二弧形板所在圆台的中心线相重合。

通过将主机翼设计成弧形板，为了增加来流冲击面积，便于打开主机翼。

所述机舱壳体为外部轮廓呈圆柱状，主机翼闭合时，第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时第二弧形板所在圆台的母线与机舱中心线夹角α在15°～75°之间。

通过倾斜设置第二弧形板，增大来流冲击面积，便于打开主机翼。

所述主机翼和副机翼的形状相同，副机翼的第一弧形板与机舱壳体外壁相切合。

进一步优化，所述主机翼和机舱壳体之间设置于复位弹簧，机舱壳体上设置有凹槽，弹簧的一端与主机翼连接，另一端与凹槽底板连接；所述主机翼的第一弧形板与机舱壳体外壁相切合时，弹簧收纳于凹槽中。

通过设置弹簧，便于换结束后，主机翼即使复位与机舱壳体外壁相切合，保证主体结构左右两侧力矩平衡；同时为下次换向做好准备。

进一步优化，所述轮毂与叶片通过螺栓可拆卸式连接，拆装、更换方便。

进一步优化，所述机舱壳体尾部设有尾舵，尾舵与机舱壳体固定连接。

所述尾舵为上下左右对称的弧形薄片结构，其中心线与机舱中心线重合。

基于上述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)、将带有换向机构的潮流能水轮机实验装置安装在实验水槽中，给定来流速度，冲击叶片，驱动轮毂和转轴相对于机舱壳体转动；

(2)、改变实验水槽中的来流方向，主机翼的第二弧形板受到来流冲击后，带动整个主机翼相对机舱壳体转动一定角度而打开，弹簧处于拉伸状态，此时打开的主机翼继续受到来流冲击，导致主体结构左右两侧受力不平衡，使得整个主体结构绕支柱发生转动，实现水轮机换向，保证来流能够充分冲击叶片转动；

(3)、当主体结构绕支柱发生转动一定角度后，来流方向与打开的主机翼之间的夹角发生变化，此时主机翼受到来流的冲击力小于弹簧的恢复力，则主机翼反向转动向机舱壳体靠近，直至第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时主体结构绕支柱停止转动，一次换向结束。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明通过该装置对潮流能水轮机进行模型实验，为以后潮流能水轮机的换向研究提供帮助，更为潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。且本申请所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，安装在实验水槽中，结构简单，维修方便。

2、本申请所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，通过在设置机舱壳体两侧设置主机翼和副机翼，同时将主体结构转动设置在支柱顶部，能在来流速度方向水平改变的情况下，完成主机翼打开至闭合的过程，从而在水轮机完成换向后，降低主机翼对水轮机获能的影响。

3、本申请所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，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。

4、本申请所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，机舱上的主机翼、副机翼、尾舵也可根据具体实验需求做成可拆卸型，可为研究在水轮机翼型改变的情况下，水轮机机舱上的主机翼、副机翼、尾舵的优化设计提供实验设备支持。

附图说明

图1为本发明所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置的结构示意图；

图2为本发明水轮机实验装置沿轴线的剖面图；

图3为本发明所述主机翼的结构示意图。

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，其中以下实施方式并不能限定本发明的保护范围，在本技术方案基础上所做的任何等效改动，均属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，包括安装在实验水槽中支柱7和主体结构，所述支柱7竖直设置，主体结构转动设置在支柱顶部。

所述主体结构包括轮毂2、机舱壳体3和尾舵6；机舱壳体3中沿其长度方向通过轴承9转动设置有转轴10，转轴10的前端伸出机舱壳体3与轮毂2固定连接，轮毂2上设置有三个叶片1；尾舵6设置在机舱壳体尾部；

所述机舱壳体的一侧设置有主机翼4、另一侧设置有副机翼，其中主机翼5与机舱壳体铰链4铰接；副机翼与机舱壳体固定连接，并于机舱壳体相切合。

本申请中，通过在设置机舱壳体两侧设置主机翼和副机翼，同时将主体结构转动设置在支柱顶部，改变来流的方向，主机翼受到来流冲击后相对机舱壳体转动一定角度而打开，继而冲击主机翼，主体结构左右两侧受力不平衡，导致整个主体结构绕支柱发生转动，和尾舵，实现水轮机换向。通过该装置对潮流能水轮机进行模型实验，为以后潮流能水轮机的换向研究提供帮助，更为潮流能水轮机的广泛应用打下实验基础。

在本实施例中，所述机舱壳体3与支柱7之间通过推力轴承11转动连接。

在本实施例中，所述机翼与机舱壳体铰接处设置有限位挡板12，主机翼能够在0°～90°的范围内转动。通过设置限位挡板，防止主机翼受来流冲击后相对机舱壳体转动180°后与机舱壳体切合。

在本实施例中，所述轮毂2与叶片1通过螺栓8可拆卸式连接，拆装、更换方便。

在本实施例中，所述主机翼和机舱壳体之间设置于复位弹簧，机舱壳体上设置有凹槽，弹簧的一端与主机翼连接，另一端与凹槽底板连接；所述主机翼的第一弧形板与机舱壳体外壁相切合时，弹簧收纳于凹槽中。

通过设置弹簧，便于换结束后，主机翼即使复位与机舱壳体外壁相切合，保证主体结构左右两侧力矩平衡；同时为下次换向做好准备。

在本实施例中，所述主机翼5包括第一弧形板51和第二弧形板52，第一弧形板51为圆筒状管道侧壁的一部分，第二弧形板52为圆台状管道侧壁的一部分；第一弧形板的一端与机舱壳体铰接，另一端和第二弧形板固定连接，第二弧形板与第一弧形板倾斜设置，且第一弧形板所在圆筒与第二弧形板所在圆台的中心线相重合；将机翼设计成弧形板形状，便于贴合在机舱壳体上从而减少水轮机运行过程中对水流的阻碍作用，降低水轮机受到的水推力；而机翼中的第二弧形板在水流方向水平改变的情况下，将在水流的冲击作用下提供水轮机换向所需的初始力矩。

所述机舱壳体为外部轮廓呈圆柱状，主机翼闭合时，第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时第二弧形板所在圆台的母线与机舱中心线夹角α为30°。

所述主机翼和副机翼的形状相同。

基于上述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)、将带有换向机构的潮流能水轮机实验装置安装在实验水槽中，给定来流速度，冲击叶片，驱动轮毂和转轴相对于机舱壳体转动；

(2)、改变实验水槽中的来流方向，主机翼的第二弧形板受到来流冲击后，带动整个主机翼相对机舱壳体转动一定角度而打开，弹簧处于拉伸状态，此时打开的主机翼继续受到来流冲击，导致主体结构左右两侧受力不平衡，使得整个主体结构绕支柱发生转动，实现水轮机换向，保证来流能够充分冲击叶片转动；

(3)、当主体结构绕支柱发生转动一定角度后，来流方向与打开的主机翼之间的夹角发生变化，此时主机翼受到来流的冲击力小于弹簧的恢复力，则主机翼反向转动向机舱壳体靠近，直至第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时主体结构绕支柱停止转动，一次换向结束。

在实验中，将水轮机实验装置安装在实验水槽中，控制水流的来流速度为0.4m/s，使水流冲击叶片，驱动轮毂和转轴相对于机舱壳体转动。水平改变实验水槽的来流方向，主机翼中的第二弧形板52在水流的冲击作用下提供水轮机换向所需的初始力矩，并通过铰链逐渐使主机翼打开，加大换向所需的力矩；当水轮机机舱旋转角度大于0°时，尾舵与水流方向的夹角也大于0°，从而尾舵在水流的冲击作用下将进一步加大换向所需的力矩；当水轮机机舱旋转过90°后，主机翼在水流的正向冲击作用下和弹簧恢复力作用下绕铰链逐渐转动靠近机舱壳体，直至关闭；此时，尾舵在水流的冲击作用下，继续协助水轮机最终完成180°换向；水轮机换向后稳定在180°换向角运行。针对潮流能流向往复水平的特点，实现潮流能的双向开发利用。本申请所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于，包括安装在实验水槽中的支柱和主体结构，所述支柱竖直设置，主体结构转动设置在支柱顶部，

所述主体结构包括轮毂和机舱壳体；机舱壳体中沿其长度方向通过轴承转动设置有转轴，转轴的前端伸出机舱壳体与轮毂固定连接，轮毂上设置有至少三个叶片；

所述机舱壳体的一侧设置有主机翼，另一侧设置有副机翼；其中主机翼与机舱壳体铰接；副机翼与机舱壳体固定连接。

2.根据权利要求1所述的带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于，所述机舱壳体与支柱之间通过推力轴承转动连接。

3.根据权利要求1所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述机翼与机舱壳体铰接处设置有限位挡板，主机翼能够在0°～90°的范围内转动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述主机翼包括第一弧形板和第二弧形板，第一弧形板为圆筒状管道侧壁的一部分，第二弧形板为圆台状管道侧壁的一部分；第一弧形板的一端与机舱壳体铰接，另一端和第二弧形板固定连接，第二弧形板与第一弧形板倾斜设置，且第一弧形板所在圆筒与第二弧形板所在圆台的中心线相重合；

所述机舱壳体为外部轮廓呈圆柱状，主机翼闭合时，第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时第二弧形板所在圆台的母线与机舱中心线夹角α在15°～75°之间；

所述主机翼和副机翼的形状相同，副机翼的第一弧形板与机舱壳体外壁相切合。

5.根据权利要求4所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述主机翼和机舱壳体之间设置于复位弹簧，机舱壳体上设置有凹槽，弹簧的一端与主机翼连接，另一端与凹槽底板连接；所述主机翼的第一弧形板与机舱壳体外壁相切合时，弹簧收纳于凹槽中。

6.根据权利要求1所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述机舱壳体尾部设有尾舵，尾舵与机舱壳体固定连接。

7.根据权利要求1所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置，其特征在于：所述轮毂与叶片通过螺栓可拆卸式连接。

8.基于权利要求1-7中任一项所述带有换向机构的潮流能水轮机实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、将带有换向机构的潮流能水轮机实验装置安装在实验水槽中，给定来流速度，冲击叶片，驱动轮毂和转轴相对于机舱壳体转动；

(2)、改变实验水槽中的来流方向，主机翼的第二弧形板受到来流冲击后，带动整个主机翼相对机舱壳体转动一定角度而打开，弹簧处于拉伸状态，此时打开的主机翼继续受到来流冲击，导致主体结构左右两侧受力不平衡，使得整个主体结构绕支柱发生转动，实现水轮机换向，保证来流能够充分冲击叶片转动；

(3)、当主体结构绕支柱发生转动一定角度后，来流方向与打开的主机翼之间的夹角发生变化，此时主机翼受到来流的冲击力小于弹簧的恢复力，则主机翼反向转动向机舱壳体靠近，直至第一弧形板与机舱壳体外壁相切合，此时主体结构绕支柱停止转动，一次换向结束。

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