CN114542354A - 一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机及发电装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机及发电装置和控制方法，该水轮机包括壳体、转轴和多个叶片；叶片为仿生鹰隼翼型，宽度方向的两侧边缘为弧形，厚度方向的顶部流线为弧形，底部为平面；沿其长度方向，叶片宽度由窄变宽再变窄，叶片厚度由薄变厚再变薄；所述叶片末梢端翻折形成小翼，小翼的长度为叶片整体长度的5‑10%。水平轴潮流能水轮机的叶片参考鹰隼翼型，叶片厚度方向的顶部流线为仿生鹰翼流线，从而提高装置获能效率，叶片一侧的边缘呈锯齿状，降低运转噪音。通过在水平轴潮流能水轮机上设置电机，根据潮流的流速和方向，调节叶片的偏转角度，减少阻力，从而使水轮机提高获能效率，同时能减少力对整个水电机组的冲击，提高使用寿命。

Description

一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机及发电装置和 控制方法

技术领域

本发明属于水轮机技术领域，具体涉及一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机及发电装置和控制方法。

背景技术

潮流能作为海洋可再生能源，具有理论蕴藏量大、可靠性、周期性、可持续性，且分布广泛等的优点。水轮机是利用潮流能发电的重要设备，叶片是水轮机的核心部件，而翼型是构成叶片的基础，因此叶片翼型的选择将直接影响水轮机的获能效率。

水平轴潮流能水轮机起步较晚，因此对水平轴潮流能水轮机叶片的研究较少。但是因为潮流能性质与风能相似，大多数人借鉴已成熟的风力发电机的设计方法。但是风力机与潮流能水轮机二者所处的工作介质在粘度、流速、密度等物理性质上差别较大，造成现有仿制风力机制成的潮流能水轮机获能效率不高；且仿制风力机制成的潮流能水轮机运行时噪声大。

发明内容

本发明提供了一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机及发电装置和控制方法，解决现有技术中仿制风力机制成的潮流能水轮机获能效率不高；且仿制风力机制成的潮流能水轮机运行时噪声大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，包括壳体、转轴和多个叶片；所述转轴通过轴承转动设置在壳体中，转轴的一端伸出壳体与连接件固连，多个叶片设置在连接件上。

所述叶片为仿生鹰隼翼型，宽度方向的两侧边缘为弧形，厚度方向的顶部流线为弧形，底部为平面；沿其长度方向，叶片宽度由窄变宽再变窄，叶片厚度由薄变厚再变薄；所述叶片末梢端翻折形成小翼，小翼的长度为叶片整体长度的5-10%。

本发明中，水平轴潮流能水轮机的叶片参考鹰隼翼型，采用复合材料制成，叶片厚度方向的顶部流线为仿生鹰翼流线，可延缓失速区间、化解湍流并减小水轮机阻力，从而提高装置获能效率；同时有效化解水流冲击力，缓解应力集中现象，节约铺层材料，叶片末梢设置翻起菱形小翼，可起到稳定流场的作用，提高升阻比。

进一步优化，所述小翼和叶片主体之间的夹角为60度。

进一步优化，所述叶片一侧的边缘呈锯齿状，降低运转噪音，从而降低降低对于海洋生物的影响。

进一步优化，所述连接件中设置由多个电机，电机的数量和叶片数量相同；电机安装的连接件的腔体中，电机输出轴与对应的一个叶片的根部固定连接，电机能够驱动叶片相对于连接件发生转动。通过设置电机，根据潮流的流速和方向，调节叶片的偏转角度，减少阻力，从而使水轮机提高获能效率，同时能减少力对整个水电机组的冲击，提高使用寿命。

进一步优化，所述叶片靠近其根部的位置套设有支撑环，支撑环通过轴承与叶片转动连接，支撑环沿周向均匀设置有多个支撑杆，支撑杆的另一端与连接件固定连接。

进一步优化，所述连接件的呈半球形，迎水面为弧面，减少阻力。

进一步优化，所述叶片的数量为三个。

基于上述仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机的潮流能发电装置，包括漂浮基座，以及设置在漂浮基座上的储能组件和M个发电单元；M为大于等于3的正整数。

每个发电单元包括浮筒、水平轴潮流能水轮机、立柱和发电机，所述浮筒竖直固定在漂浮基座上，发电机固定在浮筒中；立柱为中空的管件，其上端与浮筒底部固连，下端与水平轴潮流能水轮机的壳体固连，发电机的输出轴伸出浮筒底板后伸入立柱中，且与浮筒底板通过轴承转动连接，输出轴的下端设置有第一锥齿轮，水平轴潮流能水轮机转轴的末端设置有第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合；所述发电机与储能组件连接；每个水轮机的上设置有一个角度传感器，用于检测叶片的偏转角度。

所述漂浮基座的底部设置由流速传感器，电机、角度传感器、流速传感器与控制器电连接，储能组件为电机、控制器和流速传感器供电。

进一步优化，所述发电单元的数量为三个，三个发电单元沿漂浮基座的周向均匀布置。

基于上述潮流能发电装置的控制方法，每个角度传感器对应有一个唯一的编号C _i ，该编号存储于控制器中，流速传感器测出当前的潮流的速度V _t 和方向角α _t ，并传送给控制器，每个传感器实时检测对应水平轴潮流能水轮机的叶片的偏转角度β _i ，并传递给控制器，i∈[1，M]。

控制器根据检测值V _t 、α _t 和β _i ，并给对应电机发出指令，启动电机工作，驱动叶片转动一定角度Δβ _i ，当角度传感器检测到叶片的偏转角度达到设定值时，电机停止工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、水平轴潮流能水轮机的叶片参考鹰隼翼型，采用复合材料，叶片厚度方向的顶部流线为仿生鹰翼流线，可延缓失速区间、化解湍流并减小水轮机阻力，从而提高装置获能效率；同时有效化解水流冲击力，缓解应力集中现象，节约铺层材料，叶片末梢设置翻起菱形小翼，可起到稳定流场的作用，提高升阻比。

2、叶片一侧的边缘呈锯齿状，降低运转噪音，从而降低降低对于海洋生物的影响。

3、通过在水平轴潮流能水轮机上设置电机，根据潮流的流速和方向，调节叶片的偏转角度，减少阻力，从而使水轮机提高获能效率，同时能减少力对整个水电机组的冲击，提高使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机的结构示意图；

图2为叶片的结构示意图；

图3为叶片的另一个结构示意图；

图4为水平轴潮流能水轮机的局部放大视图；

图5为基于仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机的潮流能发电装置的结构示意图；

图6为图5中A部的局部放大视图；

图7为潮流能发电装置的控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例一：

如图1-4所示，一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，包括壳体3、转轴31和三个叶片1；所述转轴通过轴承转动设置在壳体中，转轴的一端伸出壳体与连接件2固连，三个叶片1设置在连接件上。

所述叶片1为仿生鹰隼翼型，宽度方向的两侧边缘为弧形，厚度方向的顶部流线为弧形，底部为平面；沿其长度方向，叶片宽度由窄变宽再变窄，叶片厚度由薄变厚再变薄；所述叶片末梢端翻折形成小翼，小翼的长度为叶片整体长度的5-10%。

本发明中，水平轴潮流能水轮机的叶片参考鹰隼翼型，采用复合材料制成，考虑到水动力特性，并结合叶素动量理论和涡流理论，叶片长度为0.5m，最大厚度0.15m，叶片厚度方向的顶部流线为仿生鹰翼流线，可延缓失速区间、化解湍流并减小水轮机阻力，从而提高装置获能效率；同时有效化解水流冲击力，缓解应力集中现象，使其具备更强的抗扭和抗剪能力，可在深远海复杂环境下长期稳定工作；叶片末梢设置翻起菱形小翼，可起到稳定流场的作用，提高升阻比。

在本实施例中，所述小翼11和叶片主体之间的夹角为60度。小翼的长度为叶片整体长度的10%，即5cm。在其他实施例中，小翼的长度可以占叶片整体长度的5%、6%、8%等，根据具体情况而定。

在本实施例中，所述叶片1一侧的边缘呈锯齿状12，降低运转噪音，从而降低降低对于海洋生物的影响。所述锯齿的尖端为弧形，叶片的一侧为正弦型前缘曲面。所述叶片为夹层结构，内部设置有减噪填料，所述减噪填料采用阻尼材料制成。锯齿形降噪结构在大型水轮机组上的现场实际应用取得初步成效，对比安装降噪结构前后的噪声值，在 5 m/s～6m/s 的流速段降噪明显；进一步频谱分析表明，在水流向水平距离机组135 m 远测点处的大部分频段噪声值可降低 2 dB～8 dB。

在本实施例中，所述连接件2中设置由三个电机4；电机安装的连接件的腔体中，电机4输出轴与对应的一个叶片的根部固定连接，电机能够驱动叶片相对于连接件发生转动。通过设置电机，根据潮流的流速和方向，调节叶片的偏转角度，减少阻力，从而使水轮机提高获能效率，同时能减少力对整个水电机组的冲击，提高使用寿命。

在本实施例中，如图4所示，所述叶片靠近其根部10cm的位置套设有支撑环5，支撑环5通过轴承与叶片1转动连接，支撑环5沿周向均匀设置有三个支撑杆6，支撑杆6的另一端与连接件2固定连接。

在本实施例中，所述连接件2的呈半球形，迎水面为弧面，减少阻力。

在其他实施例中，叶片的数量可以为四个、五个等。

实施例二：

如图5、6、7所示，基于上述仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机的潮流能发电装置，包括漂浮基座9，以及设置在漂浮基座9上的储能组件和M个发电单元，M为大于等于3的正整数。

每个发电单元包括浮筒8、水平轴潮流能水轮机、立柱7和发电机，所述浮筒8竖直固定在漂浮基9座上，发电机固定在浮筒中；立柱为中空的管件，其上端与浮筒底部固连，下端与水平轴潮流能水轮机的壳体固连，发电机的输出轴10伸出浮筒底板后伸入立柱中，且与浮筒底板通过轴承转动连接，输出轴的下端设置有第一锥齿轮33，水平轴潮流能水轮机转轴的末端设置有第二锥齿轮32，第一锥齿轮33和第二锥齿轮32啮合；所述发电机与储能组件连接；每个水轮机的上设置有一个角度传感器，用于检测叶片的偏转角度。

所述漂浮基座的底部设置由流速传感器，电机、角度传感器、流速传感器与控制器电连接，储能组件为电机、控制器和流速传感器供电。

在本实施例中，所述发电单元的数量为三个，三个发电单元沿漂浮基座的周向均匀布置。在其他实施例中，发电单元的数量可以为四个、五个或多个。

实施例三：

基于上述潮流能发电装置的控制方法，每个角度传感器对应有一个唯一的编号C _i ，该编号存储于控制器中，流速传感器测出当前的潮流的速度V _t 和方向角α _t ，并传送给控制器，每个角度传感器实时检测对应水平轴潮流能水轮机的叶片的偏转角度β _i ，并传递给控制器，i∈[1，M]。

控制器根据检测值V _t 、α _t 和β _i ，并给对应电机发出指令，启动电机工作，驱动叶片转动一定角度Δβ _i ，当角度传感器检测到叶片的偏转角度达到设定值时，电机停止工作。

通过在水平轴潮流能水轮机上设置电机，根据潮流的流速和方向，调节叶片的偏转角度，减少阻力，从而使水轮机提高获能效率，同时能减少力对整个水电机组的冲击，提高使用寿命。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，包括壳体、转轴和多个叶片；

所述转轴通过轴承转动设置在壳体中，转轴的一端伸出壳体与连接件固连，多个叶片设置在连接件上；

所述叶片为仿生鹰隼翼型，宽度方向的两侧边缘为弧形，厚度方向的顶部流线为弧形，底部为平面；沿其长度方向，叶片宽度由窄变宽再变窄，叶片厚度由薄变厚再变薄；

所述叶片末梢端翻折形成小翼，小翼的长度为叶片整体长度的5-10%。

2.根据权利要求1所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述小翼和叶片主体之间的夹角为60度。

3.根据权利要求2所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述叶片一侧的边缘呈锯齿状。

4.根据权利要求1所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述连接件中设置由多个电机，电机的数量和叶片数量相同；电机安装的连接件的腔体中，电机输出轴与对应的一个叶片的根部固定连接，电机能够驱动叶片相对于连接件发生转动。

5.根据权利要求1所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述叶片靠近其根部的位置套设有支撑环，支撑环通过轴承与叶片转动连接，支撑环沿周向均匀设置有多个支撑杆，支撑杆的另一端与连接件固定连接。

6.根据权利要求1所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述连接件的呈半球形。

7.根据权利要求1所述的仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机，其特征在于，所述叶片的数量为三个。

8.基于权利要求1-7所述仿生鹰隼翼型叶片的水平轴潮流能水轮机的潮流能发电装置，其特征在于，包括漂浮基座，以及设置在漂浮基座上的储能组件和M个发电单元；M为大于等于3的正整数；

每个发电单元包括浮筒、水平轴潮流能水轮机、立柱和发电机，所述浮筒竖直固定在漂浮基座上，发电机固定在浮筒中；立柱为中空的管件，其上端与浮筒底部固连，下端与水平轴潮流能水轮机的壳体固连，发电机的输出轴伸出浮筒底板后伸入立柱中，且与浮筒底板通过轴承转动连接，输出轴的下端设置有第一锥齿轮，水平轴潮流能水轮机转轴的末端设置有第二锥齿轮，第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合；

所述发电机与储能组件连接；

每个水轮机的上设置有一个角度传感器，用于检测叶片的偏转角度；

所述漂浮基座的底部设置由流速传感器，电机、角度传感器、流速传感器与控制器电连接，储能组件为电机、控制器和流速传感器供电。

9.根据权利要求8所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述发电单元的数量为三个，三个发电单元沿漂浮基座的周向均匀布置。

10.基于权利要求8、9中任一项所述的潮流能发电装置的控制方法，其特征在于，每个角度传感器对应有一个唯一的编号C _i ，该编号存储于控制器中，流速传感器测出当前的潮流的速度V _t 和方向角α _t ，并传送给控制器，每个传感器实时检测对应水平轴潮流能水轮机的叶片的偏转角度β _i ，并传递给控制器，i∈[1，M]；

控制器根据检测值V _t 、α _t 和β _i ，并给对应电机发出指令，启动电机工作，驱动叶片转动一定角度Δβ _i ，当角度传感器检测到叶片的偏转角度达到设定值时，电机停止工作。

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