CN113464344B - 一种水平轴潮流能水轮机及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水平轴潮流能水轮机及使用方法，包括有叶片和支撑结构，其叶片包括主翼和襟翼，其中，襟翼设置在所述主翼的尾缘处，主翼和所述襟翼之间存在可变面积的透水通道；通过采用主翼和襟翼之间存在透水通道的结构设计，使其能够利用主翼与襟翼之间的透水通道对水流的引射作用增加主翼吸力面尾缘处的流速，达到改善边界层分离的目的；同时有利于减少叶片表面的流动分离现象和能量损失，从而提高叶片的升力和水轮机的能量转换效率；同时，通过透水通道面积可变的结构设计，使其当叶片周围的水流速度增大时，通过调节透水通道的面积，进而增加叶片整体的弯度，增大失速攻角，延缓叶片失速的发生，从而拓宽潮流能水轮机的运行范围。

Description

一种水平轴潮流能水轮机及使用方法

技术领域

本发明涉及潮流能发电领域技术领域，特别是涉及一种水平轴潮流能水轮机及使用方法。

背景技术

近年来，随着全球人口的不断增加，煤炭、石油、天然气等传统化石能源消耗量逐年增大，对可再生能源进行有效的开发和利用已成为各国研究的重点。水平轴潮流能水轮机是将海流能、潮流能转换为电能的重要装置，其发电原理与风力发电相似，但能量密度更高、规律性更强。因为水平轴潮流能水轮机具可控性好、经济投资低、清洁无污染等优势，在世界各国的近海海域得到了广泛的应用。

水平轴潮流能水轮机的叶片是由一种或多种翼型沿展向叠加组合而成的，所以翼型水动力学性能的优劣直接影响水平轴潮流能水轮机的能量利用效率。目前，世界上大多数水域的潮流能流速都不超过2m/s。因此，在高雷诺数条件下，失速是叶片捕能效率降低的主要原因。失速会造成叶片升力下降、阻力增大和产生叶片振动等一系列问题，甚至造成叶片的折断。

为了改善翼型的气动性能，人们采用了多种不同的流动控制方法；已经成果应用在工程中的有涡流发生器、扰流板下偏、合成射流、等离子体技术、后缘襟翼和前缘缝翼等技术。近年来，一种类似于飞鸟通过改变翅膀尾部羽毛来控制飞行的方法(襟翼)在流体机械上的应用也越来越受关注，例如：中国专利(CN106347633A)所公开的一种后缘襟翼摇臂式运动设计方法和中国专利 (CN107600389A)所公开的一种导滑架式后缘襟翼运动方法，二者所公开的后缘襟翼是均是为了提高飞机起飞或着陆构型下机翼升力系数和减少滑跑距离。

受此启发，中国专利(CN209163987U)公开了一种襟翼与主翼之间夹角可调的水轮机及水轮机发电系统，其将用在飞行器上的襟翼结构转用到了水轮机发电，由此来提高发电效率。而在实际中，虽然其的确能够使发电效率得到一定的提高，但是其主翼与可转动的襟翼采用铰接连接方式却对其产生了一定的制约，使其不能将功效发挥到最大。

因此，为进一步提高水平轴潮流能水轮机发电效率，有必要对其结构设计进行改进。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种水平轴潮流能水轮机及使用方法，通过对其叶片进行改进，以提高水轮机的发电效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

提供一种水平轴潮流能水轮机叶片，包括主翼和襟翼，其中，襟翼设置在主翼的尾缘处，主翼和襟翼之间存在可变面积的透水通道。

作为优选地，主翼和襟翼之间通过驱动部件连接；通过驱动部件能够使襟翼绕主翼尾缘发生偏转，以改变叶片的弯度。

作为优选地，驱动部件为曲柄连杆，其中，一端安装在距主翼叶尖前缘的 1/3弦长处，另一端安装在距襟翼叶尖前缘的1/3弦长处。

作为优选地，主翼的弦长为C1，襟翼的弦长为C2，C1：C2＝3：2。

作为优选地，主翼和襟翼之间的搭接量为L，L＝8％C1。

作为优选地，主翼和襟翼之间的缝道宽度为d，d＝3％C1。

作为优选地，叶片采用直叶片或扭曲叶片。

还提供一种水平轴潮流能水轮机，包括支撑结构和安装在支撑结构顶端的水轮机，其中，水轮机包括与支撑结构连接的机舱、安装在机舱内部的发电机、与发电机轴连接轮毂和周向安装在轮毂上的若干个上述方案的叶片，其中，主翼与轮毂固定连接，襟翼安装在轮毂周向设置的滑道上，曲柄连杆与轮毂内设置的驱动装置连接。

作为优选地，叶片设置3-5个。

作为优选地，支撑结构为上小下大的变椭圆形截面的支撑杆。

基于上述一种水平轴潮流能水轮机，其使用方法如下：

当水轮机处在正常工作状态时，驱动装置不工作，此时水流通过主翼与襟翼之间的透水通道，利用透水通道对流体的引射作用增加水流在主翼吸力面尾缘处的流速；

当需要对水轮机叶片进行调节时，驱动装置工作，驱动装置控制曲柄连杆运转，通过曲柄连杆带动襟翼沿轮毂上的滑道滑动，改变叶片的整体弯度增大。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明采用主翼和襟翼之间存在透水通道的结构设计，使其能够利用主翼与襟翼之间的透水通道对水流的引射作用增加主翼吸力面尾缘处的流速，达到改善边界层分离的目的；同时有利于减少叶片表面的流动分离现象和能量损失，增加叶片下表面的压强，使叶片上下表面压强差增大，从而提高叶片的升力和水轮机的能量转换效率。

(2)本发明采用透水通道面积可变的结构设计，使其当叶片周围的水流速度增大时，通过调节透水通道的面积，进而增加叶片整体的弯度，增大失速攻角，延缓叶片失速的发生，从而拓宽潮流能水轮机的运行范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明叶片截面示意图；

图2为本发明主翼和襟翼之间的参数示意图；

图3为图2的A区域局部放大图；

图4为本发明水轮机结构示意图；

图5为图4的B区域局部放大图；

其中，1-叶片，11-主翼，12-襟翼，13-曲柄连杆，2-轮毂，3-机舱，4-支撑结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种水平轴潮流能水轮机及使用方法，通过对其叶片进行改进，以提高水轮机的发电效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1至图5所示，本实施例提供了一种水平轴潮流能水轮机叶片1，包括主翼11和襟翼12，其中，襟翼12设置在主翼11的尾缘处，主翼11和襟翼12之间存在可变面积的透水通道。

进一步的，如图1所示，主翼11和襟翼12之间通过曲柄连杆13连接，其中，曲柄连杆13的一端安装在距主翼11叶尖前缘的1/3弦长处，另一端安装在距襟翼12叶尖前缘的1/3弦长处；通过曲柄连杆能够使襟翼12绕主翼11 尾缘发生偏转，以改变叶片1的弧度。需要注意的是，主翼11和襟翼12的连接并不仅局限于通过曲柄连杆13，还可以通过其他驱动部件进行连接，例如：通过可伸缩弧形杆连接，弧形杆固定端与主翼11连接，可伸缩端与襟翼12连接，通过控制弧形杆的伸缩以改变叶片1的弯度。

更进一步的，如图2和图3所示，主翼11的弦长为C1，襟翼12的弦长为C2，则C1：C2＝3：2；主翼11和襟翼12之间的搭接量为L，则L＝8％C1；主翼11和襟翼12之间的缝道宽度为d，d＝3％C1。

通过采用主翼11和襟翼12之间存在透水通道的结构设计，使其在水下能够利用主翼11与襟翼12之间的透水通道对水流的引射作用增加主翼11吸力面尾缘处的流速，达到改善边界层分离的目的；同时有利于减少叶片1表面的流动分离现象和能量损失，增加叶片1下表面的压强，使叶片1上下表面压强差增大，从而提高叶片1的升力和水轮机的能量转换效率；同时，通过曲柄连杆13的控制使其透水通道面积可变，使其在实际中，当叶片1周围的水流速度增大时，通过调节透水通道的面积，进而增加叶片1整体的弯度，增大失速攻角，延缓叶片1失速的发生，从而拓宽潮流能水轮机的运行范围。

实施例二：

如图4至图5所示，本实施例提供了一种水平轴潮流能水轮机，包括支撑结构4和安装在支撑结构4顶端的水轮机，其中，水轮机包括与支撑结构4 连接的机3舱、安装在机舱3内部的发电机(图中未显示)、与发电机轴连接轮毂2和周向安装在轮毂上的若干个实施例一种的叶片1，其中，主翼11与轮毂2固定连接，襟翼12安装在轮毂2周向设置的滑道上，曲柄连杆13与轮毂2内设置的驱动装置(图中未显示)连接；水轮机通过支撑结构4直接固定在海底。

工作时，水流带动叶片1旋转，进而带动与叶片1连接轮毂2，通过轮毂 2旋转带动机舱3内部的发电机发电；当需要对叶片1进行调节时，轮毂2的驱动装置运转，带动曲柄连杆13连接轴转动，进而使其襟翼12沿轮毂2周向设置的滑道滑动，从而实现对叶片1的调节。

进一步的，叶片1设置3-5个，在本实例中选取3个。

更进一步的，支撑结构4为上小下大的变椭圆形截面结构，在实际中，可以增加支撑结构4的稳定性，提高水轮机整体的抗倾覆能力。

通过采用主翼11和襟翼12之间存在透水通道的结构设计，使其在水下能够利用主翼11与襟翼12之间的透水通道对水流的引射作用增加主翼11吸力面尾缘处的流速，达到改善边界层分离的目的；同时有利于减少叶片1表面的流动分离现象和能量损失，增加叶片1下表面的压强，使叶片1上下表面压强差增大，从而提高叶片1的升力和水轮机的能量转换效率；同时，通过曲柄连杆13的控制使其透水通道面积可变，使其在实际中，当叶片1周围的水流速度增大时，通过调节透水通道的面积，进而增加叶片1整体的弯度，增大失速攻角，延缓叶片1失速的发生，从而拓宽潮流能水轮机的运行范围。

实施例三：

基于实施例二中提供的水平轴潮流能水轮机，本实施例提供其具体使用方法，具体如下：

当水轮机处在正常工作状态时，驱动装置不工作，此时水流通过主翼11 与襟翼12之间的透水通道，利用透水通道对流体的引射作用增加水流在主翼11吸力面尾缘处的流速；

当需要对水轮机叶片进行调节时，驱动装置工作，驱动装置控制曲柄连杆 13运转，通过曲柄连杆13带动襟翼12沿轮毂2上的滑道滑动，使叶片1的整体弯度增大。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种水平轴潮流能水轮机，其特征在于：包括支撑结构和安装在所述支撑结构顶端的水轮机，其中，所述水轮机包括与所述支撑结构连接的机舱、安装在所述机舱内部的发电机、与所述发电机轴连接的轮毂和周向安装在所述轮毂上的若干叶片；所述叶片包括主翼和襟翼，其中，所述襟翼设置在所述主翼的尾缘处，所述主翼和所述襟翼之间存在可变面积的透水通道；

所述主翼和所述襟翼之间通过驱动部件连接；通过所述驱动部件能够使所述襟翼绕所述主翼尾缘发生偏转，以改变所述叶片的弯度；所述驱动部件为曲柄连杆，其中，一端安装在距所述主翼叶尖前缘的1/3弦长处，另一端安装在距所述襟翼叶尖前缘的1/3弦长处；

所述主翼的弦长为C1，所述襟翼的弦长为C2，C1：C2＝3：2；

所述主翼和所述襟翼之间的搭接量为L，L＝8％C1；

所述主翼和所述襟翼之间的缝道宽度为d，d＝3％C1；

所述叶片采用直叶片或扭曲叶片；

所述主翼与所述轮毂固定连接，所述襟翼安装在所述轮毂周向设置的滑道上，所述曲柄连杆与所述轮毂内设置的驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机，其特征在于：所述支撑结构为上小下大的变椭圆形截面支撑杆。

3.一种水平轴潮流能水轮机的使用方法，其特征在于：基于权利要求2所述的水平轴潮流能水轮机，使用方法如下：

当所述水轮机处在正常工作状态时，所述驱动装置不工作，此时水流通过所述主翼与所述襟翼之间的所述透水通道，利用所述透水通道对流体的引射作用增加水流在所述主翼吸力面尾缘处的流速；

当需要对所述水轮机叶片进行调节时，所述驱动装置工作，所述驱动装置控制所述曲柄连杆运转，通过所述曲柄连杆带动所述襟翼沿所述轮毂上的滑道滑动，改变所述叶片的整体弯度增大。

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