CN1839258A - 立轴式水轮机 - Google Patents

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E·马塔塞纳
A·莫罗索
F·尼可罗斯
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Abstract

一种改进的立轴式水轮机，包括装有至少三个叶片(2)的转子(1)，每个叶片(2)枢转连接在所述转子(1)上，其特征在于，所述布置使得在转子(1)的旋转过程中，每个叶片(2)适于在相对于转子(1)的径向成80°－90°的范围内枢转。本发明的水轮机可以产生较高的功率并易于起动。

Description

立轴式水轮机
技术领域
本发明涉及一种立轴式水轮机，更具体地说，涉及易于利用来自海洋或河流的能量并将其转化为电能这种类型的立轴式水轮机。
背景技术
立轴式水轮机，也就是具有在纵向上延伸并与水流方向正交的叶片的水轮机已经是公知的。这种机器与其它可再生能源的开发相比是常规的能量提取装置。
这种水轮机具有如下性能：在轴的旋转过程中，叶片在顺流也就是按照水流方向移动时提供其最大的牵引力，并且在逆着水流方向移动时提供其最小的牵引力。
这可以通过如下方式实现：在顺流旋转过程中装有转子的机构将叶片锁定在预定的固定位置，随后使其能够自由地做旗状(flag-like)枢转，由此使其在旋转的剩余过程中处于提供最小牵引力的位置。为了实现这种动作，所述转子是可移动叶片型的。
因此具有顺流枢转叶片的第一种类型的水轮机必然会有一个缺陷，那就是这种构造预示着要产生复杂的杠杆和偏转作用原理，后者构成了该机器的一个缺点而且显著增加了制造和管理成本。
此外，在授予与本发明具有相同申请人的意大利专利IT1302404中描述了具有顺流可枢转叶片的第二种类型的水轮机。
这种水轮机尽管通过消除叶片相对于涡轮轴旋转出现的复杂的杠杆作用或其它作用原理而改进了上述缺陷，但表现出中等的效率。这是由于这种水轮机的叶片绕其(相对于转子的径向)甚至大于90°角度的铰链轴自由枢转，使得转矩主要由来自叶片的牵引力产生。
但是，缺陷在于该水轮机从其在输出功率趋于负的角速度范围内启动同样的操作以后就不能自动地提高其角速度。在这些状态下，没有外部电机的介入水轮机就不能加速达到最大功率输出的转数。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提供一种改进的叶片可移动的立轴式水轮机来克服上述缺陷，使得该水轮机与本领域目前的水轮机相比能够自动地自起动，还能够具有提高的效率。
本发明的另一个目的是提供一种改进的叶片可移动的立轴式水轮机，其与本领域已知的水轮机相比制造甚至更简单并因此使制造成本更低。
本发明的另一个目的是提供一种改进的叶片可移动的立轴式水轮机，其一旦被安装就需要较少的维护。
因此，本发明提供一种如权利要求1所述的改进的水轮机。
附图说明
本发明的水轮机在下文通过参照附图对本发明优选实施例的详细描述将会得到更好的说明，所述优选实施例通过示例而不是限制的目的给出，其中
图1是表示根据本发明的水轮机的转子的示意图；
图2是详细表示本发明水轮机转子叶片一部分的局部视图；
图3是本发明的水轮机安装在支承结构上并侵入水流中时的示意图；
图4是转子的示意性俯视图，示出了本发明水轮机的转子叶片的冲角；
图5是表示一些本领域已知的转子和根据本发明的水轮机的转子的输出功率与角速度关系的曲线图；
图6是表示与不同水流速度成函数的本发明水轮机的转子的输出功率和角速度关系的曲线图；以及
图7是表示冲击在本发明水轮机转子上的水流的输出功率和线速度关系的曲线图。
具体实施方式
在具有固定叶片和在预定角度间枢转的叶片的各种立轴式水轮机上进行了几个试验。
更具体地说，一个标准的3叶片水轮机模型被侵入在具有8.5m/s速度的水流中。而后对用于标准转子的不同叶片结构也就是叶片固定和在0°-95°角度范围内枢转进行各种试验。
参照图5，根据试验示出了每种水轮机的输出功率作为装有转子的叶片种类的函数的曲线图。
在Naples Federico II大学的造船工程学院的船模试验池内构建并测试第一种小型水轮机模型。第一模型的叶片绕其(相对于径向)甚至大于90°角度的铰链轴自动枢转，并且转矩主要由叶片牵引力(Panemone型转子)产生。
在第二阶段，在Naples大学的航空工程学院(DPA)很容易产生一个特定的数值码，其被用于预测水轮机的性能以及由水轮机在不同操作状态下产生的功率。
数值计算与在本发明水轮机的一个更大和更新的比例模型上的风洞内进行的扩充试验作业相结合。
实际上，在DPA的风洞内构建并测试了第二个更先进的模型。在后一模型上，转矩由叶片形成的提升力来产生而不是像前述的模型那样由牵引力产生。模型可进行模块化的设计，并被构造成用可变数目的叶片进行测试且使叶片的枢转角达到最优。
这种模型具有2.2m的直径，而叶片高度(跨距)和弦长分别是0.8m和0.17m。用于叶片的对称翼面是NACA 0018。该模型在不同的2叶片、3叶片、4叶片以及6叶片结构下被测试，并且由于参数的最高数目还处于争论中，因此必须进行几个风洞试验。
被测试的第一结构具有一个(相对于径向)枢转角度范围在0°-90°的叶片。为了使这些角度和配重的位置达到最优，采用一个特殊的使其移动的设计。这些叶片铰接角在水轮机起动时提供足够的转矩，实际上利用相对于水流方向成90°(参见图5)布置的叶片的牵引力产生的转矩水轮机能够自起动。
同时发现水轮机由于在刚起动后在输出功率为负的角速度范围内运行所以不能提高其角速度(参见图5)。
而后，解决叶片枢转角的最优化，以克服在低转速值下负输出功率的问题。在图5中示出了由用于不同枢转角度值的叶片的水轮机输出的总功率如何变化：很明显，使叶片在80°-90°角度范围内枢转可提高转子能够产生的最大总功率，保持其自起动能力。
最后，通过对叶片数目对水轮机输出总功率的影响的研究导致选择了3叶片转子。该模型被测试了多次，根据试验和数值结果修正了其特征。所有研究的目的都是为了选定水轮机最佳可行的运动学特征。实行的理论额定值涉及几个数学模型，能够从运动学以及从动力学角度描述和预测本发明水轮机的性能。
在模型上进行风洞试验和数值计算以确定在风洞中采用的比例之后，开始对实际大小比例的原型进行研究。对原型的尺寸进行分析和实际考虑后选定了具有6m直径的3叶片水轮机。叶片高度(跨距)选择为5m，而0.4m的弦长使雷诺数的范围根据运行状态在0.8×106-2.0×106之间。
而后，在构造转子之前，通过采用被称为HL-18并特殊设计的大升力翼面(在此后叶片的构造中采用)的空气动力学数据对转子的性能进行数值预测，以防止众所周知的对其气蚀现象的发生，同时使其在正冲角和负冲角下都具有较高的效率，因为在全速旋转时叶片在这两种状态下运行。
参照图1和2，示出了本发明的水轮机的转子和叶片。根据本发明，提供了装有3个叶片2的转子1，并且每个叶片2由连接到转子1的两个支臂3支承。而支臂3又采用另一个特定设计的对称翼面被制成流线型的。
叶片2由钢制纵梁和肋条的内部结构制成，碳树脂的复合涂层被层压在其外周。支承臂3也被制成流线型的，只不过是通过一种玻璃纤维加强塑料结构。
图2表示用于将叶片2连接在相应支臂3上的系统的局部透视图。更具体地说，叶片2枢转地安装在支臂3上，使得叶片2可相对于与支臂3正交的方向枢转10°。
叶片2通过与其一体并铰接在支臂3上的配重件4与每个支臂3相连。元件4的作用是在叶片绕转子旋转过程中平衡叶片的惯性转矩，基本上将叶片的重心移动到其旋转轴线上。
此外，还使元件4铰接安装在支臂3上，并在与支臂3的纵向正交的方向成10°角的范围内枢转(因此叶片2也枢转)，所述支臂3的纵向是转子1的径向。
因此，叶片以相对于转子旋转轴线正交方向成10°角的方式绕转子枢转。
根据图3，还使本发明的水轮机安装在浮动结构上，以形成由水轮机1和发电机10组成的装置。
整个装置被安装在浮动平台11上。从作用原理角度来说，水轮机被设计成遵循简单和有效的原则，以使整个装置获得低标准的维护操作。
本发明的水轮机必然具有以下优点。
第一个优点在于转子的旋转方向与海水流动的方向无关。
第二个优点在于提高了起动时的转矩值，使水轮机甚至在欠载下也能够自起动，而不需要任何起动系统。
第三个优点在于效率高、操作简单且维护成本低。
而后，在存在海水流动的条件下现场完成试验装置并进行测试。该装置的主要尺寸如下：
  水轮机   直径   6m
  叶片跨距   5m
  弦长   0.4m
  叶片数目   3
  浮动平台   直径   10m
  高度   2.5m
  吃水深度   1.5m
  锚泊设施   沉锚数目   4
  沉锚重量   350kN
  锚链   70mm
  锚深   18-25m
所谓“沉锚”的意思是一种充当锚定件或锚泊装置的块体，或者可选择地是实际的锚。
根据本发明的装置还设有加速变速装置13(具有1∶90的传动比)。而且，在浮动平台内设有配电盘。
发电机是无刷型的、3相、同步、4极，能够产生128kW的额定功率并与能够向栅极供电的控制单元相连。
所述装置定位在海水流动最大速度可预测为大约2m/s(4节)、海水深度为20m的位置，并且被锚泊在离岸150m处。水流从不会减弱，大致每6个小时改变其流向而其强度以14天的时间间隔为周期进行变化。
在图6中记录了在不同海水流动速度下的功率曲线，借助于产生的数值码对所述功率曲线进行预测。
而后，所实施的第一组试验的目的是根据水流速度以及输出功率进行系统观测和数据收集。
此外，细致地评价水轮机的机械性能。据观测即使海水流动速度较慢(大约1.2m/s)，转子在没有外部装置辅助的情况也可以快速起动旋转。
然后，根据测定的数据对各种参数进行计算，得出图7的曲线图。
更具体地说，传动比在电功率输出和理论功率之间时所定义的装置总效率与转子截取的海水流有关。效率的表达式是：
                η＝Pel/0.5ρV3S
其中ρ是水的密度；V是水流速度；S是转子直径和叶片高度的乘积。
根据试验结果，所测定的总效率约等于23％(参见图7)。这样的效率可与风轮机的效率相比(即使不是比其更高)，而风轮机达到这一效率得益于已经进行了30多年的研究。
这一结果相当鼓舞人心。
最后，还对可以从水轮机被测试的位置产生的功率容量进行了超过1年时间的研究。计算表明该装置在一整年所提取的有效功率大约为22000kWh。应该认识到，在该位置，就水流所触及的面积来说总的可提取的功率达到538GWh。

Claims (4)

1.一种立轴式水轮机，其包括立式转子(1)，所述立式转子(1)包括至少三个叶片(2)，每个叶片(2)通过在相应的与转子(1)一体的一对支臂(3)上的枢转连接件枢转连接在所述转子(1)上，
其特征在于，所述布置使得在转子(1)的旋转过程中每个叶片在相对于转子(1)的径向成80°-90°的范围内执行角位移。
2.如前述权利要求所述的立轴式水轮机，其特征在于，每个叶片(2)与一对配重件(4)一体连接，所述一对配重件(4)以10°的极限枢转角铰接在转子(1)相应的一对支臂(3)上，用于所述叶片(2)在所述转子(1)上的枢转连接。
3.一种用于将来自液流的能量转化成电能的装置，包括如前述权利要求所述的立轴式水轮机，其特征在于，所述装置还包括用于支承所述水轮机的浮动平台(11)，以及与所述水轮机转子(1)相连的发电机(10)。
4.如前述的权利要求所述的用于转化能量的装置，其特征在于，所述浮动平台(11)包括至少四个用于将所述浮动平台(11)锚泊在所述平台以下深度的沉锚。
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