CN114352458B - 带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置 - Google Patents

带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了新能源发电领域内的一种带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置，包括聚能机构和发电机构，聚能机构设置在发电机构旁，聚能机构为前端加工成喇叭形的圆筒，圆筒内沿轴向设置有多个导流板，发电机构包括可转动的套设在立柱外周的套筒，套筒上安装有多个费马螺旋桨叶，桨叶根据费马螺线方式沿轴向扭转拉伸形成，桨叶为中部宽两侧窄的片状结构，桨叶的根部经下连接座与套筒固定连接，桨叶的上部经上连接座与套筒固定连接，支柱的底部安装在底座上，底座上安装发电机，发电机套设在套筒下端，套筒的转动带动发电机发电，本发明启动简单，提高发电功率，噪声低，转速较低，减小了对海洋生态环境造成的污染。

Description

带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种海流能发电装置。
背景技术
随着社会的发展，人们对电力的需求越来越大，中国提出2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，为了实现目标，整个经济社会需要全面转向绿色低碳，可再生能源发电作为电力领域实现碳中和重要一环广受关注，其中海流能作为一种清洁、可再生、无污染的能源，能量稳定，具有极大优势。
目前海流能水轮机从结构上考虑，主要有水平轴、垂直轴和震荡水翼。三种海流能发电装置各有利弊，水平轴技术比较成熟，获取能量的效率较高，但是噪音较大，对环境影响较大；垂直轴结构简单，易于维护，但是效率较低，自启动较为困难；震荡水翼起步较晚，技术尚不成熟。垂直轴水轮机在启动时受到海流冲击，会产生周期性载荷。阻尼器能够吸收主体结构的振动能量，常见的阻尼器包括调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐弹簧阻尼器等。阻尼器属于被动控制减振装置，使用方便可靠，质量轻，成本低。
随着对海洋的开发与利用，富含资源的区域逐渐被开发殆尽，分布式，小型化发电成为一个发展方向，垂直轴水轮机得到了更多的关注。因此有必要提出一种结构简单，易于维护，启动性能优异，对海洋生物影响较少的新型水轮机。并且此新型海流能发电装置安装便捷，转速低，噪音低，寿命长，外观优美，对周围环境影响小。
发明内容
针对现有技术中存在的发电装置自启动困难，振动噪声大，功率系数低，对环境影响大的问题，本发明提供了一种带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置，启动简单，提高发电功率，噪声低，转速较低，减小了对海洋生态环境造成的污染。
本发明的目的是这样实现的：一种带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置，包括聚能机构和发电机构，所述聚能机构设置在发电机构旁，所述聚能机构为前端加工成喇叭形的圆筒，圆筒内沿轴向设置有多个导流板，所述发电机构包括可转动的套设在立柱外周的套筒，所述套筒上安装有多个费马螺旋桨叶，所述桨叶根据费马螺线方式沿轴向扭转拉伸形成，所述桨叶为中部宽两侧窄的片状结构，所述桨叶的根部经下连接座与套筒固定连接，所述桨叶的上部经上连接座与套筒固定连接，所述支柱的底部安装在底座上，底座上安装发电机，发电机套设在套筒下端，套筒的转动带动发电机发电。
作为本发明的进一步限定，所述沿轴向扭转具体为：距离桨叶底部高度与桨叶轴向长度的百分比代表不同的轴向距离，不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，桨叶截面为XZ平面，使用X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
桨叶轴向18％处，拟合后的曲线方程为：z＝0.0007x2-0.3117x+64.99；
桨叶轴向36％处，拟合后的曲线方程为：z＝0.0003x2+0.1485x+47.46；
桨叶轴向54％处，拟合后的曲线方程为：z＝-0.0002x2-0.6493x+20；
桨叶轴向72％处，拟合后的曲线方程为：z＝-0.0022x2+1.553x+2.649；
桨叶轴向90％处，拟合后的曲线方程为：z＝0.0011x2+1.8x-0.7876。
作为本发明的进一步限定，所述套筒与立柱之间设置有两组减震机构，其中一组设置在下连接座与发电机之间，另一组设置在下连接座与上连接座之间。
作为本发明的进一步限定，所述减震机构包括套设在立柱上的轴套，轴套的外周经一对锥形弹簧组件和一对线性弹簧组件与套筒相连；
所述锥形弹簧组件包括锥形弹簧，锥形弹簧的大径端连接在第一连接件上，锥形弹簧的小径端连接在第二连接件上，第一连接件铰接在旋转套筒上，第二连接件铰接在轴套上，所述第一连接件与第二连接件还经阻尼器相连；
所述线性弹簧组件包括线性弹簧，线性弹簧的一端铰接在旋转套筒上、另一端铰接在轴套上；
锥形弹簧和线性弹簧均处于压缩状态。
作为本发明的进一步限定，所述套筒上安装减震机构的位置向外凸起，内部形成安装减震机构的腔体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、费马螺线的黄金角度使其具有较强的稳定性，海水湍流度较大，桨叶根据费马螺线形式，沿轴向扭转角度，拉伸而成，费马螺线的曲率半径线性过渡，流体阻力较小，提高了获能系数，降低了启动力矩，极大地增加了使用范围。
2、该新型海流能发电装置使用聚能机构，有效的提高发电功率；在聚能装置内安装导叶，有效的降低流体加速后的湍流强度。
3、与传统的垂直轴水轮机相比，该新型海流能发电装置利用减振机构的立方非线性，利用压缩状态下的锥形弹簧和线性弹簧同时工作，才能实现非线性能量阱的立方非线性，才可在宽频内抑制叶片受到海流冲击产生的周期性振动，有效的抑制减小了垂直轴水轮机的震动与噪声，极大的提高了发电装置的使用寿命；同时该发电装置造型美观，转速较低，减轻了对海洋生态环境造成的影响。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明中发电机构剖面图。
图3为本发明中减震机构示意图。
图4为本发明中桨叶轴向不同位置截面示意图。
图5为本发明中距离叶片底部轴向40mm处叶片截面型线示意图。
图6为本发明中距离叶片底部轴向80mm处叶片截面型线示意图。
图7为本发明中距离叶片底部轴向120mm处叶片截面型线示意图。
图8为本发明中距离叶片底部轴向160mm处叶片截面型线示意图。
图9为本发明中距离叶片底部轴向200mm处叶片截面型线示意图。
图10为本发明无减振装置下受到的力矩示意图。
图11为本发明有减振装置下受到的力矩示意图。
图12为本发明无减振装置下受到的推力示意图。
图13为本发明有减振装置下受到的推力示意图。
图14为本发明不同叶尖速比下功率系数与文献值的对比示意图。
其中，1圆筒，2导流板，3立柱，4上连接座，5减震机构，51轴套，52锥形弹簧，53第一连接件，54第二连接件，55阻尼器，56第三连接件，57第四连接件，58线性弹簧，6桨叶，7套筒，8下连接座，9发电机，10底座。
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。
如图1-2所示的一种带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置，包括聚能机构和发电机构，聚能机构设置在发电机构旁，聚能机构为前端加工成喇叭形的圆筒1，圆筒1内沿轴向设置有多个导流板2，发电机构包括可转动的套设在立柱3外周的套筒7，套筒7上安装有6个费马螺旋桨叶6，桨叶6根据费马螺线方式沿轴向扭转拉伸形成，桨叶6为中部宽两侧窄的片状结构，桨叶6的根部经下连接座8与套筒7固定连接，桨叶6的上部经上连接座44与套筒7固定连接，支柱的底部安装在底座10上，底座10上安装发电机9，发电机9套设在套筒7下端，套筒7的转动带动发电机9发电。
在本实施例中，套筒7与立柱3之间设置有两组减震机构5，其中一组设置在下连接座8与发电机9之间，另一组设置在下连接座8与上连接座4之间，套筒7上安装减震机构5的位置向外凸起，内部形成安装减震机构5的腔体，如图3所示，减震机构5包括套设在立柱3上的轴套51，轴套51的外周经一对锥形弹簧52组件和一对线性弹簧58组件与套筒7相连；
锥形弹簧52组件包括锥形弹簧52，锥形弹簧52的大径端连接在第一连接件53上，锥形弹簧52的小径端连接在第二连接件54上，第一连接件53铰接在旋转套筒7上，第二连接件54铰接在轴套51上，第一连接件53与第二连接件54还经阻尼器55相连；
线性弹簧58组件包括线性弹簧58，线性弹簧58的一端经第三连接件56铰接在旋转套筒7上、另一端经第四连接件57铰接在轴套51上；
锥形弹簧52和线性弹簧58均处于压缩状态。
如图4所示，本实施例中，叶片的长度共约220mm，沿轴向扭转具体为：距离桨叶底部高度与桨叶轴向长度的百分比代表不同的轴向距离，不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，桨叶截面为XZ平面，使用X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
如图5所示，距离叶片底部约40mm处：
表1
序号 X Z 序号 X Z
1 10.61 61.77 11 33.35 55.47
2 12.87 61.10 12 35.64 54.88
3 15.14 60.45 13 37.93 54.30
4 17.41 59.80 14 40.22 53.73
5 19.68 59.16 15 42.51 53.17
6 21.95 58.53 16 44.80 52.61
7 24.23 57.90 17 47.10 52.06
8 26.51 57.28 18 49.39 51.52
9 28.79 56.67 19 51.69 50.99
10 31.07 56.07 20 53.99 50.47
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0007x2-0.3117x+64.99。
如图6所示，距离叶片底部约80mm处：
表2
Figure BDA0003489896200000061
Figure BDA0003489896200000071
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0003x2+0.1485x+47.46。
如图7所示，距离叶片底部约120mm处：
表3
序号 X Z 序号 X Z
1 31.32 40.16 11 17.70 31.44
2 29.95 39.29 12 16.34 30.57
3 28.59 38.42 13 14.98 29.69
4 27.23 37.55 14 13.62 28.81
5 25.87 36.68 15 12.26 27.94
6 24.50 35.81 16 10.90 27.06
7 23.14 34.93 17 9.54 26.18
8 21.78 34.06 18 8.18 25.31
9 20.42 33.19 19 6.83 24.43
10 19.06 32.31 20 5.47 23.55
拟合后的曲线方程为：
z＝-0.0002x2-0.6493x+20。
如图8所示，距离叶片底部约160mm处：
表4
序号 X Z 序号 X Z
1 19.13 31.52 11 11.87 20.77
2 18.40 30.45 12 11.16 19.69
3 17.67 29.38 13 10.44 18.61
4 16.94 28.30 14 9.72 17.53
5 16.21 27.23 15 9.00 16.45
6 15.49 26.15 16 8.29 15.36
7 14.76 25.08 17 7.58 14.28
8 14.04 24.00 18 6.86 13.20
9 13.32 22.92 19 6.15 12.11
10 12.60 21.85 20 5.44 11.03
拟合后的曲线方程为：
z＝-0.0022x2+1.553x+2.649。
如图9所示，距离叶片底部约200mm处：
表5
序号 X Z 序号 X Z
1 13.13 23.04 11 9.66 16.69
2 12.78 22.40 12 9.31 16.06
3 12.44 21.77 13 8.96 15.43
4 12.09 21.13 14 8.61 14.79
5 11.74 20.50 15 8.26 14.16
6 11.39 19.87 16 7.91 13.53
7 11.05 19.23 17 7.56 12.89
8 10.70 18.60 18 7.22 12.26
9 10.35 17.96 19 6.87 11.63
10 10.00 17.33 20 6.52 10.99
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0011x2+1.8x-0.7876。
本发明的实施过程为：海流通过聚能装置，流速增加，经过发电装置时，带动叶片旋转，力矩通过旋转套筒传递到发电机组，将海流能转化为电能。
下面对上述实施例进行试验模拟；
如图10-13所示，可以明显看出，本发明在抑制震动方面有显著效果，可有效抑制震动，设计的减震装置中压缩状态下的锥形弹簧和线性弹簧同时工作，才能实现非线性能量阱的立方非线性，吸振的频带范围宽，从而能够有效抑制和减弱海流带来的涡激振动。
如图14所示，可以看出，与传统的垂直轴风力机相比，本发明的功率系数有明显的提升。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种带聚能的费马螺旋桨叶海流能发电装置，其特征在于，包括聚能机构和发电机构，所述聚能机构设置在发电机构旁，所述聚能机构为前端加工成喇叭形的圆筒(1)，圆筒(1)内沿轴向设置有多个导流板(2)，所述发电机构包括可转动的套设在立柱(3)外周的套筒(7)，所述套筒(7)上安装有多个费马螺旋桨叶(6)，所述桨叶(6)根据费马螺线方式沿轴向扭转拉伸形成，所述桨叶(6)为中部宽两侧窄的片状结构，所述桨叶(6)的根部经下连接座(8)与套筒(7)固定连接，所述桨叶(6)的上部经上连接座(4)与套筒(7)固定连接，所述立柱(3)的底部安装在底座(10)上，底座(10)上安装发电机(9)，发电机(9)套设在套筒(7)下端，套筒(7)的转动带动发电机(9)发电。
2.根据权利要求1所述的带聚能的费马螺旋桨叶(6)海流能发电装置，其特征在于，所述沿轴向扭转具体为：距离桨叶(6)底部高度与桨叶(6)轴向长度的百分比代表不同的轴向距离，不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，桨叶(6)截面为XZ平面，使用 X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
桨叶轴向18%处，拟合后的曲线方程为：z=0.0007x^2-0.3117x+64.99；
桨叶轴向36%处，拟合后的曲线方程为：z=0.0003x^2+0.1485x+47.46；
桨叶轴向54%处，拟合后的曲线方程为：z=-0.0002x^2-0.6493x+20；
桨叶轴向72%处，拟合后的曲线方程为：z=-0.0022x^2+1.553x+2.649；
桨叶轴向90%处，拟合后的曲线方程为：z=0.0011x^2+1.8x-0.7876。
3.根据权利要求1或2所述的带聚能的费马螺旋桨叶(6)海流能发电装置，其特征在于，所述套筒(7)与立柱(3)之间设置有两组减震机构(5)，其中一组设置在下连接座(8)与发电机(9)之间，另一组设置在下连接座(8)与上连接座(4)之间。
4.根据权利要求3所述的带聚能的费马螺旋桨叶(6)海流能发电装置，其特征在于，所述减震机构(5)包括套设在立柱(3)上的轴套(51)，轴套(51)的外周经一对锥形弹簧(52)组件和一对线性弹簧(58)组件与套筒(7)相连；
所述锥形弹簧(52)组件包括锥形弹簧(52)，锥形弹簧(52)的大径端连接在第一连接件(53)上，锥形弹簧(52)的小径端连接在第二连接件(54)上，第一连接件(53)铰接在旋转套筒(7)上，第二连接件(54)铰接在轴套(51)上，所述第一连接件(53)与第二连接件(54)还经阻尼器(55)相连；
所述线性弹簧(58)组件包括线性弹簧(58)，线性弹簧(58)的一端铰接在旋转套筒(7)上、另一端铰接在轴套(51)上；
锥形弹簧(52)和线性弹簧(58)均处于压缩状态。
5.根据权利要求3所述的带聚能的费马螺旋桨叶(6)海流能发电装置，其特征在于，所述套筒(7)上安装减震机构(5)的位置向外凸起，内部形成安装减震机构(5)的腔体。
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