CN117052588A - 一种振荡水柱式波浪能发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振荡水柱式波浪能发电设备，包括发电机、空气透平及气室；空气透平包括转子、两组导流叶片组和透平主体；透平主体内设有两个相对动叶片组对称设置的气流涵道，气流涵道由外向轴侧依次设置有第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道；两组导流叶片组分别设置在两个径向通道内，且导流叶片组导出的气流进入动叶片组并推动动叶片做功。本发明优化为一种混合径‑轴流冲击式空气透平，来流侧涵道设计使气流加速，使转子高速旋转，同时导流装置可改变气流方向，确保气流有效进入转子，提高能量转换效率；出流侧，导流叶片与动叶片之间的距离，能保证下游导流叶片对气流流出不会产生大的涡流及阻塞，从而保证透平的总体能量转换的高效率。

Description

一种振荡水柱式波浪能发电设备

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其涉及一种振荡水柱式波浪能发电设备。

背景技术

波浪能的储备大，能流密度较高，是重要的可再生能源，具有很好的应用前景。能量摄取装置是波浪能发电设备中的核心部件，直接决定了波浪能发电设备的能量转换效率。按照能量摄取装置来分类，波浪能发电设备可以分为振荡水柱式、越浪式、点吸收式、筏式、摆式和压力差式。其中，振荡水柱式是目前应用最成功的波浪能发电设备，具有广阔的应用前景。空气透平是振荡水柱式波浪能发电设备的能量摄取装置，目前主要用于波浪能发电的空气透平为威尔斯式空气透平和冲击式空气透平，例如，发明申请CN111852733A公开了一种用于振荡水柱波能发电装置的径流式空气透平及其发电方法，发明申请CN115822851A提出了一种带有可变光圈技术的航标用波浪能发电透平，专利申请WO2014114389A1 涉及一种双向空气涡轮机，专利申请JP2014202175A 涉及一种简化的涡轮结构和气流通道结构。

然而，上述现有技术中公开的用于振荡水柱式波浪能发电设备的空气透平存在能量转化效率低的技术问题，主要原因有如下两点：（1）空气透平的来流方向，由于流速及导向的影响，不能有效地进入透平转子，导致波浪能发电设备的能量转换效率降低；（2）空气透平的导流叶片与动叶片距离较近，虽在气流来流处起到很好地导向和整流的作用，但在出流一侧，导流叶片对从转子叶片（动叶片）的出流会引起严重的阻塞作用，导致波浪能发电设备的能量转换效率大幅降低。

鉴于上述现有技术中用于波浪能发电的空气透平存在的两个问题，需要提出一种能量转化效率高、无气流阻塞的空气透平。

发明内容

为了解决现有技术中用于振荡水柱式波浪能发电设备的空气透平存在的气流进入效率低及有气流阻塞的技术问题，本发明提供一种振荡水柱式波浪能发电设备，其空气透平的导流叶片与动叶片之间的距离大于常规空气透平设计的距离，通过气流涵道及导流叶片设计，既能保证上游气流有效进入透平转子，又同时下游导流叶片对气流的流出不会产生大的涡流、阻塞，从而提高能量转换效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种振荡水柱式波浪能发电设备，包括发电机、空气透平及气室；所述空气透平包括转子、两组导流叶片组和透平主体；所述转子旋转支撑在透平主体之内，其包括转轴和促使转轴转动的动叶片组，该转轴的一端伸出透平主体与所述发电机连接，该动叶片组位于透平主体内；所述透平主体内部设有两个相对动叶片组对称设置的气流涵道，该气流涵道为回转结构，其由外向轴侧依次设置有相连接的第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道，该第二轴向通道与所述动叶片组相对；两组所述导流叶片组分别设置在两个径向通道内，且导流叶片组导出的气流进入动叶片组并推动动叶片做功；所述透平主体固定在所述气室上，且其中一侧的气流涵道与气室相通，另一侧的气流涵道与大气相通。

优选的，所述第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道的连接处采用圆弧过渡。

优选的，所述第一轴向通道的开口环宽比第二轴向通道的开口环宽大。

优选的，所述径向通道倾斜设置。

优选的，所述导流叶片组由若干个导流叶片组成，该导流叶片为弧形片状结构，其在圆周方向均匀地布置在径向通道内。

优选的，所述导流叶片轴线向动叶片组一侧倾斜设置；或/和所述导流叶片沿轴线偏转设置。

优选的，所述转轴连接有轮毂，所述动叶片组由若干个动叶片组成，该动叶片垂直且均匀地布置在轮毂的外周壁上；该动叶片的截面为弯月形，弯月形的凹面一侧为压力面，凸面一侧为吸力面，所述导流叶片组导出的气流方向指向动叶片的压力面。

优选的，所述压力面为圆弧状，所述吸力面为椭圆弧状。

优选的，所述的透平主体包括第一导流叶片盘、第二导流叶片盘及导流罩；该第一导流叶片盘由第一内壳和第一外壳组成，第一内壳和第一外壳之间形成所述的气流涵道，并由所述导流叶片组连接；所述的第二导流叶片盘由第二内壳、第二外壳以及连接盘所组成，该第二内壳和第二外壳之间也形成所述的气流涵道，并由所述导流叶片组连接；该第一外壳和第二外壳之间通过导流罩连接在一起，所述的动叶片组位于该导流罩内。

优选的，所述第一内壳中部设有第一腔室，该第一腔室两端相贯通以供转轴伸出透平主体，所述转轴与第一腔室之间由轴承连接；所述第二内壳中部设有第二腔室，该第二腔室的一端开放，另一端封闭，所述转轴与第二腔室之间也由轴承连接。

采用上述方案后，本发明优化为一种混合径-轴流冲击式空气透平，其至少具有以下有益效果：

1．本发明发电设备中，其空气透平的气流涵道设计成回转结构，其由外向轴侧依次设置有相连接的第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道，即其回转截面被设计为S型，此结构的气流涵道，在来流侧，涵道沿气流方向由宽变窄，在出流侧，涵道沿气流方向由变而宽窄；而导流叶片组则设置在径向通道内，这样导流叶片组与动叶片组之间至少具有第二轴向通道的距离，大于常规空气透平设计的距离。这样在上游涵道内，在导流叶片的整流和导向作用下，改变气流方向，同时变窄的涵道使气流加速，从而使气流可以有效地进入动叶片组；而在出流一侧，下游涵道内的导流叶片离和转子有一定距离，气流从转子流出在一定距离内没有障碍物，出流不受太多限制，而且出流在到达下游的导流装置时，气流在变宽的涵道内得到一定的减速，因此，优化的导流装置不会对出流产生大的涡流和阻塞，避免气动能量摄取的减少，从而提高透平的总体能量转换效率。

2．本发明发电设备的空气透平，其S型回转截面的气流涵道设计，使气流涵道由宽变窄，随着气流向内流动得到加速，高速气流冲击动叶片组，推动转子的高速旋转，最终带动外部发电设备发电，从而更好地实现能量转换、减少能量的损失，提高装置的总体效率，改变了传统波浪能发电装置力大速度小的问题。

3．本发明发电设备的空气透平，其S型回转截面的气流涵道设计，在出流一侧，气流涵道由窄变宽，从而可以使气流减速，这样同样可以减少能量的损失，提高装置的总体效率。

附图说明

图1是本发明所述发电设备的结构示意图；

图2是本发明所述空气透平的剖视图；

图3是本发明所述空气透平的爆炸图；

图4是本发明所述空气透平的立体结构示意图；

图5是本发明的转子立体结构示意图；

图6是本发明的第一导流叶片盘剖视图；

图7是本发明的第一导流叶片盘立体结构示意图；

图8是本发明的第二导流叶片盘剖视图；

图9是本发明的第二导流叶片盘立体结构示意图；

图10是本发明所述导流叶片组设置于导流叶片盘内的结构示意图；

图11是图10的A-A剖视图；

图12（a）是本发明导流过程风向流转示意图一；

图12（b）是本发明导流过程风向流转示意图二；

图13是本发明的空气透平的旋转速度为500RPM时的效率曲线图。

图中：1-转子；11-转轴；111-键槽；12-动叶片组；121-压力面；122-吸力面；13-轮毂；14-凸台；2-第一导流叶片盘；21-第一内壳；211-第一腔室；22-第一外壳；3-第二导流叶片盘；31-第二内壳；311-第二腔室；32-第二外壳；33-连接盘；4-气流涵道；41-第一轴向通道；42-径向通道；43-第二轴向通道；5-导流叶片组；6-导流罩；7-轴承；8-发电机；9-气室；S-空气透平。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

需事先说明的是，本发明中，在波浪的一个周期内，不论是呼气阶段还是吸气阶段，率先迎流的导流叶片、气流涵道分别称为上游导流叶片、上游气流涵道，随后送流的导流叶片、气流涵道分别称为下游导流叶片、下游气流涵道。

本发明所揭示的是一种振荡水柱式波浪能发电设备，如图1所示，为本发明的较佳实施例，所述的发电设备包括发电机8、空气透平S及气室9，所述的空气透平固定在气室9上，空气透平的转轴则与发电机8相连。其中：

所述的空气透平S包括转子1、两组导流叶片组5和透平主体，参见图2-4所示。

如图5所示，所述转子1旋转支撑在透平主体之内，其包括转轴11和促使转轴11转动的动叶片组12。所述转轴11的一端伸出透平主体与外部发电设备连接，所述动叶片组12位于透平主体内。该转轴11上可以设置轮毂13用于连接动叶片组12。所述动叶片组12由若干个动叶片组成，所述动叶片可以垂直、无偏转且均匀地布置在轮毂13的外周壁上。所述转轴11、轮毂13与动叶片组12可以一体设置。该转轴11连接动叶片组12的一端较短，只在透平主体内起到支撑作用；伸出透平主体的一端设有键槽111，用于与外部发电设备通过平键相连，把动叶片组12获取的旋转动能输出到外部发电设备。进一步地，所述动叶片的截面为弯月形，弯月形的凹面一侧为压力面121，凸面一侧为吸力面122，两个面可以通过一段过渡圆弧连接，进一步的，所述压力面121可以是圆弧状，所述吸力面122可以为椭圆弧状。当气流从导流叶片组5进入动叶片组12时，动叶片的压力面121气压较高，吸力面122的气压较低，从而在气流推力及压力差的作用下推动着动叶片组12旋转。所述轮毂13的直径与动叶片最外端到转轴11轴线的距离之比为轮毂比，本发明经仿真实验，最佳轮毂比为0.707，也就是说，越接近最佳轮毂比，空气透平的转换效率越高。

所述透平主体内部设有两个相对动叶片组12对称设置的气流涵道4。为了方便加工制造，该透平主体包括第一导流叶片盘2和第二导流叶片盘3。所述第一导流叶片盘2和第二导流叶片盘3之内各设有一个所述的气流涵道4。

所述的气流涵道4为回转结构，其由外向轴侧依次设置有相连接的第一轴向通道41、径向通道42和第二轴向通道43，使其回转截面构成S型。所述第一轴向通道41连通透平主体外部的空气，所述第二轴向通道43与所述动叶片组12相对。本发明这种特别的气流涵道结构使得空气透平不同于常规的轴流冲击式透平或径流冲击式透平，而是优化为一种混合径-轴流冲击式空气透平。该结构的气流涵道4，使其径向截面面积从第一轴向通道41向径向通道42再向第二轴向通道43渐缩。当气流从第一轴向通道41进入时，向内流动的气流在渐缩的气流涵道4内被加速；而当气流从第二轴向通道42进入时，气流涵道4而为渐扩状态，从而使气流减速。进一步地，所述第一轴向通道41、径向通道42和第二轴向通道43的连接处采用圆弧过渡，而圆弧过渡较直角过渡可以避免在过渡处产生涡流，能较大的减小气流的能量损失。另外，所述第一轴向通道41的开口环宽比第二轴向通道43的开口环宽大，这样可以进一步的扩大气流涵道4的渐缩比，达到更好的加速气流的效果。

所述第一、第二导流叶片盘2、3理论上可以有多种结构形式，只要在其内设置有相应结构的气流涵道4并用以安装转子1即可。为了方便加工，本发明所述第一、第二导流叶片盘2、3的具体结构如下所述。

如图6-7所示，所述第一导流叶片盘2由第一内壳21和第一外壳22组成。所述第一内壳21和第一外壳22之间形成所述气流涵道4。所述第一内壳21中部设有用于连接转轴11的第一腔室211，该第一腔室211两端相贯通，以便供转轴11伸出透平主体。为使转轴11运行平移，该转轴11与第一腔室211之间由轴承7连接。

如图8-9所示，所述第二导流叶片盘3由第二内壳31、第二外壳32以及连接盘33所组成。所述第二内壳31和第二外壳32之间同样形成所述气流涵道4。所述第二内壳31中部也设有用于连接转轴11的第二腔室311。为减少气流的损失，所述转轴11不需从第二导流叶片盘3中伸出，因此所述第二腔室311的一端开放，一端封闭。同样的，所述转轴11与第一腔室211之间由轴承7连接。另外，所述连接盘33设置在第二外壳32上用于连接气室9，该连接盘33上可设有开孔，可通过螺栓与气室9相连。

所述第一导流叶片盘2和第二导流叶片盘3可以通过各自的外壳连接在一起，从而形成透平主体。而本实施例中，第一导流叶片盘2和第二导流叶片盘3之间通过导流罩6连接在一起，三者共同构成透平主体。所述的导流罩6是环形罩，其起到连接两个导流叶片盘及密封的作用，因此其内径与外径和导流叶片盘的外壳的参数相同。该导流罩6也可以直接与其中一个导流叶片盘的外壳一体加工而成，本实施例，导流罩6与所述的第二外壳32一体加工而成，所述第一外壳22则与该导流罩6焊接在一起，从而使导流罩 6之内形成密封空间。所述动叶片组12则位于该导流罩6内侧，二者存在间隙但间隙越小越好，以此来保证转子1的正常运转，又可减小气流的能量损失。

所述第一导流叶片盘2和第二导流叶片盘3（除连接盘33以外）相对导流罩6是对称的，第一导流叶片盘2的气流涵道4和第二导流叶片盘3的气流涵道4也是对称的，这样设计可以让往复气流顺畅地流入和流出空气透平，最终起到了自整流的作用，避免了使用单向阀等复杂机构，最终减少了后期的维护成本。

所述两组导流叶片组5分别设置在两个气流涵道4的径向通道42内，该导流叶片组5导出的气流方向指向动叶片组12。具体的，所述导流叶片组5由若干个导流叶片组成（参见图10和图11）。所述导流叶片为弧形片状结构，其在圆周方向均匀地布置在径向通道42内。为使导流叶片导出的气流方向指向动叶片，促使动叶片带动转轴单向旋转。所述导流叶片需倾斜或偏转设置，其倾斜或偏转的角度设计使导出的气流方向指向动叶片的压力面121。所述的倾斜即为导流叶片的轴线向动叶片方向倾斜，因为导流叶片和动叶片不在同上高度上，因此导流叶片的倾斜可使气流向动叶片一侧倾斜。而导流叶片的倾斜可以通过其本身进行倾斜，也可以使所述的径向通道42的倾斜设置而使导流叶片倾斜。本实施两者同时倾斜设置。而所述的偏转为导流叶片沿其轴线旋转一角度，使气流偏离空气透平的轴线向动叶片所在圆周偏转。总之，导流叶片组5的作用是改变气流在气流涵道4里的方向，最终使得气流以相同的方向流向动叶片组12，让气流有效地进入动叶片组12，从而让空气透平更有效地摄取启动能量。如图12（a）及图12（b）所示，显示了气流在气流涵道4内的走向，图12（a）为第一阶段，气流从第一轴向通道41进入，到达径向通道42，经由径向通道42内的导流叶片组5的转向，进入图12（b）所示的第二阶段，被偏转气流指定偏移位置的动叶片，推动动叶片带动转子1旋转。另外，由于导流叶片与动叶片之间至少有一个第二轴向通道43的距离，这个距离明显高于常规的空气透平，既保证气流上游一侧的整流和导向在径向通道42中顺利完成，使整流后的气流可以有效地进入动叶片组12，也保证了下游导流叶片离动叶片有一定距离，从而下游导流叶片对气流的流出不会产生大的涡流、阻塞，气流流出顺畅，避免气动能量摄取的减少，从而提高能量转换效率。同时第二轴向通道43长度较短，也不会影响经导流叶片整流后的气流直接冲击动叶片。进一步地，所述导流叶片在径向通道42内的固定方式可采用焊接。导流叶片设计成固定式的好处是加工比较简单且不需要复杂的控制机构。导流叶片组5还可以起到连接内壳和外壳的作用。

所述透平主体与转轴11之间可以由轴承7连接。所述轮毂13两端设有凸台14，其分别与第一腔室211和第二腔室311内的台阶面配合固定轴承7。第一腔室211、第二腔室311卡住轴承7的外圈，凸台14则卡住轴承7的内圈。因此气流从上游导流叶片盘进入转子时产生的轴向力由于轴承7外圈被限位，轴向力只会经由上游导流叶片盘传至导流罩，最后传至下游导流叶片盘，而不会引起动叶片组12的轴向移动；而在动叶片组12运转时，动叶片组12和轴承7的内圈同时转动而外圈不动，因此又保证了转子1的自由运转。

对于空气透平来说，叶片稠度比（即导流叶片数与动叶片数的比值）可以影响能量转换效率。经过仿真实验，本发明最佳的，导流叶片组5设有37个导流叶片，动叶片组12设有30个动叶片。

本发明是一种混合径-轴流冲击式空气透平，使用时将所述的空气透平S安装在波浪能发电设备的气室9上，并将其转轴11与发电机8相连，其工作过程如图1、图12（a）及图12（b）所示，随着海水的周期性波动，气室9内的水柱上下振荡，当海浪的波峰来临时，气室内水柱向上运动并对空气进行压缩，从而使得气室内的压力大于气室外的压力，空气从气室经空气透平S流到气室外（呼气阶段，图1向上箭头所示）；当海浪的波谷来临时，气室9内的水柱向下运动，从而使得气室内的气压下降，此时的室外气压大于室内气压，空气从室外经空气透平S流入室内（吸气阶段，图1向下箭头所示）。其中，气流经过空气透平S的具体过程为：气流从上游气流涵道4的第一轴向通道41进入较窄的径向通道42后，由于通道变窄被加速；然后被径向通道42内的导流叶片组5整流并转向；之后在继续变窄的通道内持续加速，从而让高速气流冲击动叶片组12，带动动叶片组12的单向旋转，由于动叶片组12上有与之相连的转轴11，转轴11与外界的发电机8相连，进而完成波浪能到电能的转换。而气流冲击动叶片组12后再从下游气流涵道流出，由于下游导流叶片与动叶片之间至少有一段第二轴向通道43的距离，因此气流的流出不会被导流叶片阻挡，因此不会产生涡流、阻塞的现象，避免气动能量摄取的减少，从而提高能量转换效率。另一方面，在下游气流涵道一侧，气流是由较窄侧向较宽侧流动，从而可以使气流减速，这样同样可以减少能量的损失，提高装置的总体效率。

为了验证本发明的有效性，按照本发明提供的方法设计并制造了空气透平，并安装于振荡水柱式波浪能发电设备中，进行空气透平效率验证仿真表明，当空气透平的旋转速度被设计为500RPM时，效率曲线如图13所示，空气透平最高效率为66%。性能曲线在低速情况下下降比较快：比如流速降低一半，效率会降低至53%。相对来说，性能曲线在高速情况下，效率降低比较缓慢：比如增加流速至2倍，效率还能维持在60%左右，高于现有技术空气透平不足50%的能量转换效率。因此，验证了本发明提出的空气透平的有效性，能很好地解决气体阻塞问题并提高能量转换效率。其中图13中的横坐标为流量系数，纵坐标为空气透平效率，其中流量系数可以用气流入射速度与转子圆周速度的比值表示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：包括发电机、空气透平及气室；所述空气透平包括转子、两组导流叶片组和透平主体；所述转子旋转支撑在透平主体之内，其包括转轴和促使转轴转动的动叶片组，该转轴的一端伸出透平主体与所述发电机连接，该动叶片组位于透平主体内；所述透平主体内部设有两个相对动叶片组对称设置的气流涵道，该气流涵道为回转结构，其由外向轴侧依次设置有相连接的第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道，该第二轴向通道与所述动叶片组相对；两组所述导流叶片组分别设置在两个径向通道内，且导流叶片组导出的气流进入动叶片组并推动动叶片做功；所述透平主体固定在所述气室上，且其中一侧的气流涵道与气室相通，另一侧的气流涵道与大气相通。

2.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述第一轴向通道、径向通道和第二轴向通道的连接处采用圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述第一轴向通道的开口环宽比第二轴向通道的开口环宽大。

4.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述径向通道倾斜设置。

5.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述导流叶片组由若干个导流叶片组成，该导流叶片为弧形片状结构，其在圆周方向均匀地布置在径向通道内。

6.根据权利要求5所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述导流叶片轴线向动叶片组一侧倾斜设置；或/和所述导流叶片沿轴线偏转设置。

7.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述转轴连接有轮毂，所述动叶片组由若干个动叶片组成，该动叶片垂直且均匀地布置在轮毂的外周壁上；该动叶片的截面为弯月形，弯月形的凹面一侧为压力面，凸面一侧为吸力面，所述导流叶片组导出的气流方向指向动叶片的压力面。

8.根据权利要求7所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述压力面为圆弧状，所述吸力面为椭圆弧状。

9.根据权利要求1所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述的透平主体包括第一导流叶片盘、第二导流叶片盘及导流罩；该第一导流叶片盘由第一内壳和第一外壳组成，第一内壳和第一外壳之间形成所述的气流涵道，并由所述导流叶片组连接；所述的第二导流叶片盘由第二内壳、第二外壳以及连接盘所组成，该第二内壳和第二外壳之间也形成所述的气流涵道，并由所述导流叶片组连接；该第一外壳和第二外壳之间通过导流罩连接在一起，所述的动叶片组位于该导流罩内。

10.根据权利要求9所述的一种振荡水柱式波浪能发电设备，其特征在于：所述第一内壳中部设有第一腔室，该第一腔室两端相贯通以供转轴伸出透平主体，所述转轴与第一腔室之间由轴承连接；所述第二内壳中部设有第二腔室，该第二腔室的一端开放，另一端封闭，所述转轴与第二腔室之间也由轴承连接。