CN114215675A - 二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机 - Google Patents

二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机。该水轮机包括底端板、顶端板和三个叶片；所述底端板垂直于所述二阶扭转的Darrieus叶轮的旋转轴中心线；所述顶端板间隔开地位于所述底端板的正上方，且垂直于所述旋转轴中心线；三个所述叶片相对于所述旋转轴中心线螺旋旋转且中心对称地分布在所述底端板和所述顶端板之间，三个所述叶片的底端和顶端分别对应地与所述底端板和所述顶端板连接，三个所述叶片基于各自的螺旋基线进行二阶扭转构造而成，以使所述二阶扭转的Darrieus叶轮在一个旋转周期内的最小力矩和平均力矩得到提升。本发明既能有效启动又没有过多的功率损失。

Description

二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机
技术领域
本发明涉及低速水流能工程技术领域，尤其是涉及一种二阶扭转的Darrieus叶轮及水轮机。
背景技术
近年来对于海流能的利用，进一步丰富了可再生能源结构。而对于流速较大、流向稳定、能量较为密集的海流利用，基本由发电效率较高的轴流式水轮机完成。对于流速较低、流向不稳定、能量分散的海域，在其附近对于各种信息的探测、监控等需要较为稳定、功率较低的供电来源。Darrieus叶轮作为风机被应用的过程由来已久，而近年来趋势是将其应用于水中发电。其安装通常以垂直轴的形式，这使得该叶轮能够有效利用各个方向来流的能量。然而该叶轮由于结构原因，在一个旋转周期内存在较大的力矩波动，部分来流方向下的力矩极小，这对于叶轮的启动与持续稳定运行是不利的。针对力矩波动这一缺点，将叶片沿着中心轴进行螺旋扭转，这一设计方法能够有效地让各个来流角度下各段叶片的力矩互补，有效改善特定来流角度下力矩低的问题。然而这一方法使得叶片倾斜，部分沿着翼展方向流动的来流能量不能被利用，降低了一个旋转周期内的平均扭矩。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种二阶扭转的Darrieus叶轮，既能有效启动又没有过多的功率损失。
根据本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮，包括：
底端板，所述底端板垂直于所述二阶扭转的Darrieus叶轮的旋转轴中心线；
顶端板，所述顶端板间隔开地位于所述底端板的正上方，且垂直于所述旋转轴中心线；
三个叶片，三个所述叶片相对于所述旋转轴中心线螺旋旋转且中心对称地分布在所述底端板和所述顶端板之间，三个所述叶片的底端和顶端分别对应地与所述底端板和所述顶端板连接，三个所述叶片基于各自的螺旋基线进行二阶扭转构造而成，以使所述二阶扭转的Darrieus叶轮在一个旋转周期内的最小力矩和平均力矩得到提升。
根据本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮，具有如下的优点，第一、在一阶螺旋扭转的基础上进行二阶扭转，让二阶扭转的Darrieus叶轮既能有效启动又让二阶扭转的Darrieus叶轮的功率相对于传统的一阶扭转(即螺旋扭转)的叶轮得到了提升；第二、结构简单、易于加工量产；第三、尤其适用于低流速、流向不确定水域的水流能利用装置，能够满足功率需求低、布置选址不以水流流速为第一要素的发电需求。
根据本发明的一些实施例，三个所述叶片是在沿着各自的螺旋基线进行旋转拉伸的基础上进行二阶扭转构造而成。
根据本发明的一些实施例，三个所述叶片的螺旋基线位于由所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半径与所述旋转轴中心线构成的外围圆柱面上，所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半径为所述叶片的翼型弦线中点至所述旋转轴中心线的距离。
根据本发明的一些实施例，同一所述叶片在所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处的弦线与无扭转情况下方向相同，且所述叶片在旋转拉伸过程中，所述叶片在所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处的弦线相对于所述旋转轴中心线的角度保持不变，而所述叶片在除去所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处以外的其余不同高度处的弦线相对于所述旋转轴中心线的角度发生变化。
根据本发明的一些实施例，所述叶片的弦线相对于弦线中点到所述旋转轴中心线的垂线之间的角度随着所述二阶扭转的Darrieus叶轮的高度不同而发生线性均匀变化。
根据本发明的一些实施例，所述叶片的二阶扭转角大于0°小于等于30°。
根据本发明的一些实施例，所述二阶扭转角按照应用时的来流速度、不同转速进行仿真或实验，并根据实验对应的输出功率或扭矩来选择确定。
本发明还提出了一种水轮机。
根据本发明实施例水轮机，包括本发明上述任意一个实施例的所述二阶扭转的Darrieus叶轮。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮的螺旋线构造示意图。
图2为本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮的立体结构示意图。
图3为图1中一种∠ABC随相对高度变化趋势示意图。
图4为本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮的总扭转角为120°的条件下，不同二阶扭转角度构造的叶轮模型在同一流速、同一转速条件下进行数值模拟，各自旋转周期内最小扭矩、最大扭矩、平均扭矩值的对比曲线图。
附图标记：
二阶扭转的Darrieus叶轮1000
底端板1顶端板2叶片3
旋转轴中心线I螺旋基线II弦线III翼型弦线中点B螺旋角度α
垂线L1垂线L2
在同一高度h下，旋转轴中心线I的点A，螺旋基线II的点B，弦线前缘端点C
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图4来描述本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000。
如图1和图2所示，根据本发明一方面实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000，二阶扭转的Darrieus叶轮1000具有旋转轴中心线I，包括底端板1、顶端板2和三个叶片3；其中，底端板1垂直于二阶扭转的Darrieus叶轮1000的旋转轴中心线I；顶端板2间隔开地位于底端板1的正上方，且垂直于旋转轴中心线I；三个叶片3相对于旋转轴中心线I螺旋旋转且中心对称地分布在底端板1和顶端板2之间，三个叶片3的底端和顶端分别对应地与底端板1和顶端板2连接，三个叶片3基于各自的螺旋基线II进行二阶扭转构造而成，以使二阶扭转的Darrieus叶轮1000在一个旋转周期内的最小力矩和平均力矩得到提升。
具体地，底端板1和顶端板2可以为圆形端板，底端板1和顶端板2之间没有轴，但底端板1和顶端板2的外侧可以分别连接旋转轴(图中未示出)，底端板1和顶端板2与旋转轴中心线I均垂直。
三个叶片3相对于旋转轴中心线I螺旋旋转且中心对称地分布在底端板1和顶端板2之间，三个叶片3的底端和顶端分别对应地与底端板1和顶端板2连接，这样使得二阶扭转的Darrieus叶轮1000在不同来流角度下每一个叶片层都能够提供足够的力矩，也即使得二阶扭转的Darrieus叶轮1000在一个旋转周期内的最小力矩得到提升，避免了过低整体启动力矩；三个叶片3基于各自的螺旋基线II进行二阶扭转构造而成，三个叶片3通过二阶扭转，能够适当减小螺旋基线II扭转的角度，这让螺旋基线II相对于垂直方向的倾斜减小，进而减小来流在叶片3翼展方向的分流损失，提高了二阶扭转的Darrieus叶轮1000运行功率。通过这种构造保持了一阶螺旋扭转的启动优势，又让二阶扭转的Darrieus叶轮1000的平均力矩得到提升，即让二阶扭转的Darrieus叶轮1000的功率得到了提升。
根据本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000，具有如下的优点，第一、在一阶螺旋扭转的基础上进行二阶扭转，让二阶扭转的Darrieus叶轮1000既能有效启动又让二阶扭转的Darrieus叶轮1000的功率相对于传统的一阶扭转(即螺旋扭转)的叶轮得到了提升；第二、结构简单、易于加工量产；第三、尤其适用于低流速、流向不确定水域的水流能利用装置，能够满足功率需求低、布置选址不以水流流速为第一要素的发电需求。
根据本发明的一些实施例，三个叶片3是在沿着各自的螺旋基线II进行旋转拉伸的基础上进行二阶扭转构造而成。也就是说，每个叶片3均是沿着自身的螺旋基线II进行旋转拉伸实现二阶扭转，能够适当减小螺旋基线II扭转的角度，让螺旋基线II相对于垂直方向的倾斜减小，进而减小来流在叶片3翼展方向的分流损失，提高了二阶扭转的Darrieus叶轮1000运行功率。
根据本发明的一些实施例，三个叶片3的螺旋基线II位于由二阶扭转的Darrieus叶轮1000的半径与旋转轴中心线I构成的外围圆柱面上，二阶扭转的Darrieus叶轮1000的半径为叶片3的翼型弦线中点B至旋转轴中心线I的距离。这样，叶片3通过一阶螺旋扭转可以保持二阶扭转的Darrieus叶轮1000的启动优势。
根据本发明的一些实施例，同一叶片3在二阶扭转的Darrieus叶轮1000的半高处的弦线III与无扭转情况下方向相同，且叶片3在旋转拉伸过程中，叶片3在二阶扭转的Darrieus叶轮1000的半高处的弦线III相对于旋转轴中心线I的角度保持不变，而叶片3在除去二阶扭转的Darrieus叶轮1000的半高处以外的其余不同高度处的弦线III相对于旋转轴中心线I的角度发生变化。
根据本发明的一些实施例，叶片的弦线相对于弦线中点到旋转轴中心线的垂线之间的角度随着二阶扭转的Darrieus叶轮1000的高度不同而发生线性均匀变化。这里，对叶片的弦线相对于弦线中点到旋转轴中心线的垂线之间的角度的定义进行说明一下，如图1所示，在距离叶片3底面在某一高度h处作垂直于旋转轴中心线I的面，与旋转轴中心线I交于点A，该面上翼型弦线中点为B，弦线III前缘端点为C，∠ABC即为叶片3的弦线III相对于弦线中点B到旋转轴中心线I的垂线之间的角度。该角度即∠ABC随着二阶扭转的Darrieus叶轮1000的高度不同而发生线性均匀变化，这样，让二阶扭转的Darrieus叶轮1000既能有效启动又没有过多的功率损失。
根据本发明的一些实施例，叶片3的二阶扭转角大于0°小于等于30°。这里，对叶片3的二阶扭转角度的定义作一下说明，如图1所示，在距离叶片3底面在某一高度h处作垂直于旋转轴中心线I的面，与旋转轴中心线I交于点A，该面上翼型弦线中点为B，弦线III前缘端点为C，∠ABC即为叶片3的弦线III相对于弦线中点B到旋转轴中心线I的垂线之间的角度；因此，叶片3的二阶扭转角由顶端板2、底端板1及螺旋基线II定义,定义叶顶处与叶底处的∠ABC差的绝对值，即|∠ABC顶-∠ABC底|＝β为二阶扭转角。二阶扭转自身造成的损失经过验证，在二阶扭转角30°以内小于同等总扭转角下螺旋角带来的损失。因此，二阶扭转的Darrieus叶轮1000能够在保持启动能力的基础上具有更高的效率。
根据本发明的一些实施例，二阶扭转角按照应用时的来流速度、不同转速进行仿真或实验，并根据实验对应的输出功率或扭矩来选择确定，以使二阶扭转的Darrieus叶轮1000能够在保持启动能力的基础上具有更高的效率。
如图1所示，下面对本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000的设计原理及方法进行详细描述。
该二阶扭转的Darrieus叶轮1000包括三个二阶扭转的叶片3、底端板1、顶端板2、下旋转轴和上旋转轴。
下旋转轴位于底端板1的下方且与底端板1的中心部位连接，下旋转轴与底端端板垂直；上旋转轴位于顶端板2的上方且与顶端板2的中心部位连接，上旋转轴与顶端端板垂直；下旋转轴的中心线与上旋转轴的中心线重合，该重合的中心线为二阶扭转的Darrieus叶轮1000的旋转轴中心线I。
需要说明的是，上旋转轴和下旋转轴都可以使用，但在实际使用安装中通常只使用上旋转轴和下旋转轴中的一个，例如，若需要提供的动力部件(如发动机)在该二阶扭转的Darrieus叶轮1000上侧，则将动力部件与顶端板上2的上旋转轴相连，反之亦然。
该二阶扭转的Darrieus叶轮1000需要根据目标应用场合中实地尺寸、实际流速、目标功率以及转速，确定合适的几何参数：叶轮高、直径、叶片3翼型、叶片3弦长等，这些参数作为叶轮构造基础。
根据叶轮构造基础参数构造基础叶轮，基础叶轮具有三个直叶片3，确定一定螺旋角度α，螺旋角度α的定义为螺旋基线II的底端到旋转轴中心线I的垂线L1与螺旋基线II的顶端到旋转轴中心线I的垂线L2之间的夹角，将直叶片3以旋转轴中心线I为基准，进行一阶螺旋扭转，确定不同高度下翼型弦线中点B，翼型弦线中点B轨迹为螺旋基线II。
在叶片3二阶扭转的过程中，保证原螺旋基线II与翼型弦线中点B重合。如图1所示，在距离叶片3底面h高度处作垂直于旋转轴中心线I的面，与旋转轴中心线I交于点A，该面上翼型弦线中点为B，弦线III前缘端点为C，∠ABC在叶片3高度一半处为90°。在二阶扭转过程中，保证∠ABC随着高度h线性变化，如图3为一例∠ABC的变化。沿着螺旋基线II，按照∠ABC的变化规律扭转翼型，构成二阶扭转叶片3。其中∠ABC随着h的增加可线性增加或线性减小。
定义叶顶处与叶底处∠ABC差的绝对值，即|∠ABC顶-∠ABC底|＝β为二阶扭转角，螺旋基线II扭转过的角度叫做螺旋角α，叶片3两端弦线III前缘方向的夹角为总扭转角γ。其中螺旋与二阶扭转都可沿不同方向，但需要保证α+β＝γ。
二阶扭转角β，可选取不同角度β，进行多组叶轮的几何构造，按照应用时的来流速度、不同转速进行仿真或实验，选择对应的输出功率或扭矩较高的β值。
一般地，一阶螺旋扭转的方式本质是通过增加叶片3的总扭转角，让不同来流条件下总有部分叶片3处于最高出力位置。而本发明通过二阶扭转与一阶螺旋扭转相结合，让叶片3在较低的螺旋角α下达到较大的总扭转角γ，让分流损失降低。而二阶扭转自身造成的损失经过验证，二阶扭转角β在30°以内小于同等总扭转角下螺旋角带来的损失。因此使用二阶扭转的Darrieus叶轮1000，能够在保持启动能力的基础具有更高的效率。
下面给出一个具体例子来说明本发明实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000。
该具体例子的叶轮构造如图1以及图2所示，在选取基准构造参数后，按照相同总扭转角进行构建。
优选的叶轮构造基本参数，包括叶轮端板厚5mm，端板半径160mm，叶片3高450mm，叶轮半径120mm，选择翼型NACA0018，根据叶型实度与性能关系选取弦长80mm。在这些基本参数的基础上，在总扭转角γ保持120°的情况下，分别构造二阶扭转角度为0°、10°、20°、30°、60°的叶轮模型。对于这些模型，该具体例子中为模拟深海低速流动的较低流速，选取流速0.5m/s，而进行模拟后发现其理想TSR接近1，因而选取4rad/s为数值模拟角速度。在同一转速、同一流速下进行瞬态模拟，对比叶轮一个旋转周期内最大扭矩、最小扭矩、平均扭矩，如图4所示。
观察曲线趋势，发现在二阶扭转角度0°到20°区间，随着二阶扭转角度的增加，最小扭矩、最大扭矩、平均扭矩均增加，在二阶扭转角度从20°到60°的过程中，最小扭矩、最大扭矩、平均扭矩均减小。其中0°二阶扭转角即为不进行二阶扭转、只进行螺旋扭转的情况，可见20°二阶扭转相比原先构造，在扭矩最小值提升19％的基础上，平均扭矩提升了10％。
本发明还提出了一种水轮机。
根据本发明实施例水轮机，包括本发明上述任意一个实施例的二阶扭转的Darrieus叶轮1000。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，包括：
底端板，所述底端板垂直于所述二阶扭转的Darrieus叶轮的旋转轴中心线；
顶端板，所述顶端板间隔开地位于所述底端板的正上方，且垂直于所述旋转轴中心线；
三个叶片，三个所述叶片相对于所述旋转轴中心线螺旋旋转且中心对称地分布在所述底端板和所述顶端板之间，三个所述叶片的底端和顶端分别对应地与所述底端板和所述顶端板连接，三个所述叶片基于各自的螺旋基线进行二阶扭转构造而成，以使所述二阶扭转的Darrieus叶轮在一个旋转周期内的最小力矩和平均力矩得到提升。
2.根据权利要求1所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，三个所述叶片是在沿着各自的螺旋基线进行旋转拉伸的基础上进行二阶扭转构造而成。
3.根据权利要求2所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，三个所述叶片的螺旋基线位于由所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半径与所述旋转轴中心线构成的外围圆柱面上，所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半径为所述叶片的翼型弦线中点至所述旋转轴中心线的距离。
4.根据权利要求2所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，同一所述叶片在所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处的弦线与无扭转情况下方向相同，且所述叶片在旋转拉伸过程中，所述叶片在所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处的弦线相对于所述旋转轴中心线的角度保持不变，而所述叶片在除去所述二阶扭转的Darrieus叶轮的半高处以外的其余不同高度处的弦线相对于所述旋转轴中心线的角度发生变化。
5.根据权利要求4所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，所述叶片的弦线相对于弦线中点到所述旋转轴中心线的垂线之间的角度随着所述二阶扭转的Darrieus叶轮的高度不同而发生线性均匀变化。
6.根据权利要求5所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，所述叶片的二阶扭转角大于0°小于等于30°。
7.根据权利要求5所述的二阶扭转的Darrieus叶轮，其特征在于，所述二阶扭转角按照应用时的来流速度、不同转速进行仿真或实验，并根据实验对应的输出功率或扭矩来选择确定。
8.一种水轮机，其特征在于，包括权利要求1至7中任意一项所述的二阶扭转的Darrieus叶轮。
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