CN114856896B - 一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，采用平行设置于导流箱体内的两个轮机转子结构，导流箱体的两侧为中心对称结构的两个S形导流板，导流箱体两端开口处分别设置一个圆弧导流板，在轮机转子两侧的两个S形状的导流板在正对潮流方向时，其中一个起到为其相邻轮机转子的推进叶片集流的作用，另一个S形导流板减少潮流对其相邻轮机转子的回转叶片的冲击，当潮流方向改变时，两个导流板的功能随之对调，形成双向潮流能发电装置；两个轮机转子之间的两个圆弧导流板同时具备集流与防冲击的作用，相邻两个转子发生耦合增益效果，可以互相增加其发电量，在整体装置占地面积较小的情况下，大幅度提高装置的发电功率。

Description

一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置
技术领域
本发明属于潮流能发电领域，具体涉及一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置。
背景技术
随着不可再生能源的逐渐消耗，可再生能源，特别是可再生清洁能源越来越受到重视，电能作为日常生活不可或缺的主要能源，其来源依靠风能、水能或火力发电，目前水能中的潮流能是海洋能源中占比较大的能量，其储量庞大、流动规律，利用潮流能发电成为一种可行有效的趋势。
目前主要采用水轮机进行发电，对于潮流能主要采用的是阻力型垂直轴潮流发电设备，其运行与流动方向无关、启动流速低、扭矩大，特别适合在低流速海域使用，但是受制于阻力型垂直轴潮流发电设备的结构限制，该类型的水轮机效率低，导致其应用远低于其他类型的水轮机，其无法适应潮流方向的频繁变换，在单向流动作用下无法完全发挥其水轮机的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，以克服现有技术的不足，本发明利用转子近距离耦合增益提高每个转子的发电量。
一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，包括导流箱体以及平行设置于导流箱体内的两个轮机转子，导流箱体两端开设开口形成通孔结构，两个轮机转子的轴连线与导流箱体通孔结构轴线垂直，导流箱体的两侧为呈中心对称设置的两个S形导流板，S形导流板包括两个相切设置的圆弧板，其中一个S形导流板中的一个圆弧板与其中一个轮机转子同轴，另一个S形导流板中的一个圆弧板与其中另一个轮机转子同轴，两个S形导流板的对称中心位于第一轮机转子和第二轮机转子的旋转中心的连线中点上，导流箱体两端开口处分别设置一个弧形板结构的导流板，其中一个圆弧导流板与其中一个轮机转子同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧,另一个圆弧导流板与其中另一个轮机转子同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧。
优选的，S形导流板的两个圆弧板的圆弧角度均为70°～80°。
优选的，S形导流板的两个圆弧板的圆弧角度均为75°。
优选的，圆弧导流板的圆弧角度为25°～35°。
优选的，圆弧导流板的圆弧角度为30°。
优选的，导流板靠近转轴连线一端的端部半径线与转轴连线夹角大于30°。
优选的，导流板靠近转轴连线一端的端部半径线指该导流板的端部处与该导流板中心的连线。
优选的，S形导流板的两个圆弧板和圆弧导流板的直径相同，圆弧导流板的直径为轮机转子叶片直径的1.2倍。
优选的，导流箱体内的两个轮机转子的相位角相差90°。
优选的，多个同向旋转的轮机转子连线布置设置。
优选的，同一个导流箱体内两个轮机转子通过传动链连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，采用平行设置于导流箱体内的两个轮机转子结构，通过在导流箱体的两侧为呈中心对称设置的两个S形导流板，导流箱体两端开口处分别设置一个圆弧形导流板，应对潮流的两向流态均可以实现增益效果。在轮机转子的两侧的两个S形导流板，其中一个为第一轮机转子的推进转子集流，另一个S形导流板减少潮流对第二轮机转子的回转叶片的冲击；两个轮机转子之间的两个圆弧导流板同时具备集流与防冲击的作用，采用圆弧结构保证了转子之间的流道通畅，相邻两个转子发生耦合增益效果，可以互相增加其发电量，在整体装置占地面积较小的情况下，大幅度提高装置的发电功率。
采用圆弧形导板结构，有利于阵列排布设置，有效利用有限的空间实现最大发电量。
优选的，位于同一个轮机转子两侧的弧形导板和导流板，该弧形导板与导流板位于同侧一端的圆弧板与该导流板凹形朝向相同，圆弧板圆弧角度为75°,导流板的圆弧角度为30°，形成中心对称结构，水流作用利用率最高，达到最好的效果。
进一步的，导流箱体内的两个轮机转子的相位角相差90°，确保两个轮机转子相互驱动带动，保持在最佳驱动状态。
进一步的，同一个导流箱体内两个轮机转子通过传动链连接，提高了两个转子的同步性。
附图说明
图1为本发明实施例中发电装置立体结构示意图。
图2为本发明实施例中发电装置主视图。
图3为本发明实施例中发电装置中S形导流板和圆弧导流板安装俯视图。
图4为本发明实施例中轮机外箱结构示意图。
图5为本发明实施例中轮机转子三维结构示意图。
其中，1、导流箱体；2、第一轮机转子；3、第二轮机转子；4、S形导流板；401、第一S形导流板；402、第二S形导流板；5、圆弧导流板；501、第一圆弧导流板；502、第二圆弧导流板；6、传动链；7、固定支架；8、发电机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1、图3所示，一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，包括导流箱体1以及平行设置于导流箱体1内的第一轮机转子2和第二轮机转子3，在导流箱体1的两端开设开口，用于潮流的出入，第一轮机转子2和第二轮机转子3的轴线平行设置，第一轮机转子2和第二轮机转子3的轴连线与导流箱体1两端开口的连线垂直，导流箱体1为中心对称结构，导流箱体1的两侧为呈中心对称设置的两个S形导流板4，即第一S形导流板401和第二S形导流板402，两个S形导流板4的对称中心位于第一轮机转子2和第二轮机转子3的旋转中心的连线中点上；
S形导流板4为中心对称结构，S形导流板4包括两个相切设置的圆弧板，其中一个S形导流板4(第一S形导流板401)上的一个圆弧板与第一轮机转子2同轴，另一个S形导流板4(第二S形导流板402)上的一个圆弧板与第二轮机转子3同轴，两个S形导流板4(第一S形导流板401和第二S形导流板402)的结构中心连线与第一轮机转子2和第二轮机转子3的转动中心连线重合；导流箱体1两端开口处分别设置一个圆弧导流板5(第一圆弧导流板501和第二圆弧导流板502)，导流板5为弧形板，其中一个圆弧导流板(第一圆弧导流板501)与第一轮机转子2同轴设置，另一个圆弧导流板(第二圆弧导流板502)与第二轮机转子3同轴设置。
第一圆弧导流板501和第一S形导流板401上与第一轮机转子2同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧，第二圆弧导流板502和第二S形导流板402与第二轮机转子3同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧，转轴连线指第一轮机转子2和第二轮机转子3转动中心的连线。
本发明每个S形导流板4靠近与其接近的轮机转子的半个圆弧面与该轮机转子同轴设置，即第一S形导流板401上的一个圆弧板与第一轮机转子2同轴，第二S形导流板402上的一个圆弧板与第二轮机转子3同轴；第一S形导流板401的另一个弧形板在第一轮机转子2的一端形成扩口，从该入口进入的水流时，第一S形导流板401可以为第一轮机转子2的推进叶片集流；同时经过第一S形导流板501集流，增加作用于第二轮机转子3上轮机推进叶片水流流速，从而进一步提高水流作用力，在此流况下第二S形导流板402起到为第二轮机转子3防冲击作用，同时第一圆弧导流板501能够减小水流对第一轮机转子2的回转叶片的冲击，并起到为第二轮机转子3的推进叶片集流的作用，因此圆弧导流板具备两个作用；当潮流流向改变时，第二S形导流板402上的另一个弧形板在第二轮机转子3的一端形成扩口，从该入口进入水流时，第二S形导流板402为第二轮机转子3的推进叶片集流，第一S形导流板401的作用则变为减少水流对第一轮机转子2的回转叶片的冲击力，同时第二圆弧导流板502为第一轮机转子2的推进叶片集流，并减小水流对第二轮机转子3的回转叶片冲击。四个导流板的设计使得每个轮机转子在双向潮流流态下均有一个对推进叶片集流的导流板、另一个导流板减少潮流对回转叶片的冲击，同时并不带来出口阻力过大的情况，属于双向潮流能发电装置。两个轮机转子之间的圆弧导流板5同时具备集流与防冲击的作用，且圆弧小角度设计保证了转子之间的流道通畅，相邻两个转子发生耦合增益效果，可以互相增加其发电量，在整体装置占地面积较小的情况下，大幅度提高装置的发电功率。
如图3所示，当左侧来流时，第一轮机转子2入口的水流，一部分经过第一S形导流板401引流至第一轮机转子2上的推进叶片上，同时该入口位于第一轮机转子2上的一部分水流经过第一圆弧导流板501阻挡，减小水流对第一轮机转子2上的回转叶片的阻力，并将水流分流至第二轮机转子3上推进叶片上，该导流板同时为两个轮机转子起正向作用，大大提高发电效率；当水流方向改变时，水流作用原理相同。因此该发明能够实现双向同步驱动，不需要人为改变导流板的方向。
如图1、图4所示，S形导流板4采用两个曲率相同的圆弧板端部圆弧面相切设置，其中一个圆弧板与该S形导流板4接近的轮机转子同轴。
组成S形导流板4的两个圆弧板圆弧角度为70°～80°，圆弧导流板5的圆弧角度为25°～35°，圆弧导流板5靠近转轴连线一端的端部半径线与转轴连线夹角大于30°，圆弧导流板5靠近转轴连线一端的端部半径线指该导流板5的端部处与该导流板中心的连线，即两个转子之间有共同流动空间，保证转子之间的耦合增益效果。
如图4所示，优选的，本申请选用S形导流板4的两个圆弧板的圆弧角度为75°，圆弧导流板5的圆弧角度为30°，第一圆弧导流板501与第一S形导流板401的靠近第一轮机转子2的圆弧板同轴心，为第一轮机转子2的旋转中心；第二圆弧导流板502与第二S形导流板401的靠近第二轮机转子3的圆弧板同轴心，为第二轮机转子3的旋转中心，S形导流板4的两个圆弧板和圆弧导流板5的直径相同，圆弧导流板5的直径为轮机转子叶片直径的1.2倍。
所述的两个轮机转子的安装与导流箱体1的S形导流板4以及两个圆弧导流板5匹配，确保了在两个方向的流态下，转子的推进叶片始终在扩口一侧，转子的回转叶片始终受导流板“保护”，所述的双向潮流能发电装置并排布置两个或多个垂直轴转子，即增加导流箱体1的长度，多个同向旋转的轮机转子连线布置设置，所有转子同向转动，并在相邻两个轮机转子相应位置设置圆导流板5，如4转子并排装置中，第二轮机转子与第三轮机转子、第三轮机转子与第四轮机转子中心相应位置安装圆弧导流板5。
如图3、图4所示，每个轮机转子对应的进口面积不随四个导流板的圆弧角度发生变化，即当改变第一圆弧导流板501的角度范围为60°时，相应的三个导流板的角度同时改变；本发明导流箱体1侧面的S形导流板4和两个圆弧导流板5不会造成进口流量的损失，保障效率；同时由于导流板圆弧角度合理，保证了出口侧的导流板不会带来影响轮机效率的流动阻力
进一步参照图4，当潮流从左侧流入该装置时，第一S形导流板401左侧的曲率尽可能减少了流动损失，但导流板的角度范围不能过大，在75°以内为佳，第一圆弧导流板501的角度范围过大会使第一轮机转子2的前进转子叶片附近的流体流出装置的阻力增大，不利于转子的发电效率。
相邻两个轮机转子的相位角相差90°，轮机转子的主轴上设有齿轮，相邻两个轮机转子上的齿轮通过传动链6连接，同速转动。
如图2所示，导流箱体1底部设有固定支架7。
如图5所示，第一轮机转子2和第二轮机转子3上的轮机叶片采用S型叶片结构；导流箱体1内底部设有连接于第一轮机转子2或第二轮机转子3的驱动主轴，驱动主轴与发电机8为一体结构，或者发电机设置于导流箱体1外部，通过联轴器连接，实现发电的目的。
如图4所示，所述的安装在导流箱体1中间的两个圆弧导流板5，当左侧来流时，第一圆弧导流板501可以减小对第一轮机转子2上回转叶片的冲击，同时起到为第二轮机转子3的推进叶片引流的作用，第二导流板502的作用同理；两个圆弧导流板5在两个转子之间留了足够的流通空间，使两个轮机转子发生耦合作用。因此安装在导流箱体1中间的两个导流板5的双用途特点、萨布纽斯转子排列时的耦合增益作用是该发电装置可以实现多转子并排安装的主要原因。
本发明提出了基于萨布纽斯转子并排布置的双向潮流能发电装置，导流箱体1整体为中心对称结构，能够适应双向潮流；同时该装置可以并排布置多个同向旋转的轮机转子而不会带来制造、安装层面的难度，并排布置的萨布纽斯转子具备耦合增益效果，即并排布置的转子可以互相增加其发电量，在整体装置占地面积较小的情况下，大幅度提高装置的发电功率，具有有益的工程效果。转子之间通过齿轮、齿轮链实现同速转动，保持固定的相位差，90°的相位差对转子的增益效果最强；相位差的存在减轻整个系统的旋转扭矩波动，对装置寿命有益。

Claims (10)

1.一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，包括导流箱体(1)以及平行设置于导流箱体(1)内的两个轮机转子，导流箱体(1)两端开设开口形成通道，两个轮机转子的轴连线与导流箱体(1)通道结构轴线垂直，导流箱体(1)的两侧为呈中心对称设置的两个S形导流板(4)，S形导流板(4)包括两个相切设置的圆弧板，其中一个S形导流板(4)中的一个圆弧板与其中一个轮机转子同轴，另一个S形导流板(4)中的一个圆弧板与其中另一个轮机转子同轴，两个S形导流板(4)的对称中心位于两个轮机转子的旋转中心的连线中点上，导流箱体(1)两端开口处分别设置一个弧形板结构的圆弧导流板(5)，其中一个圆弧导流板与其中一个轮机转子同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧,另一个圆弧导流板与其中另一个轮机转子同轴设置的圆弧板分别位于转轴连线两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，S形导流板(4)的两个圆弧板圆弧角度均为70°～80°。
3.根据权利要求2所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，S形导流板(4)的两个圆弧板圆弧角度均为75°。
4.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，圆弧导流板(5)的圆弧角度为25°～35°。
5.根据权利要求4所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，圆弧导流板(5)的圆弧角度为30°。
6.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，圆弧导流板(5)靠近转轴连线一端的端部半径线与转轴连线夹角大于30°。
7.根据权利要求6所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，导流箱体(1)内的两个轮机转子的相位角相差90°。
8.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，S形导流板(4)的两个圆弧板和圆弧导流板(5)的直径相同，圆弧导流板(5)的直径为轮机转子叶片直径的1.2倍。
9.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，多个同向旋转的轮机转子连线布置设置。
10.根据权利要求1所述的一种基于萨布纽斯转子的双向潮流能发电装置，其特征在于，同一个导流箱体内两个轮机转子通过传动链(6)连接。
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