CN207406432U - 一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，其特征在于：包括导流罩，轴承支撑架、转动轴和叶轮组成的转轮，所述叶轮包括多个梨形线翼型的叶片；所述转轮固定设置在导流罩的中间段的2/3处，所述导流罩两端为喇叭形，其进口细，出口粗，中间段为直线型，导流罩顶部与底部均为水平面；所述叶片在叶片固定板上以转动轴为中心，叶片的空间上呈圆周分布，与轴承支撑架焊接固定；所述叶片关键点的坐标以如下方式表示，X和Y分别代表单个叶片截面翼型曲线上关键点的空间坐标值。本实用新型的结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。

Description

一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机
技术领域
本实用新型属于流体机械及水电工程设备技术领域，特别是涉及一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机。
背景技术
当今世界各国把开发水电放在了能源开发的优先位置。我国水能资源总量十分丰富，不仅有中、高水头资源，而且还有约0.8～1.0亿千瓦的低水头资源(含潮流能)，开发利用新能源特别是开发利用海洋能源发电具有极大的发展潜力。海流能发电是依靠海潮流的冲击力使水轮机高速旋转，然后带动发电机发电，不需要较高水头来创造初始压力，仅依靠海潮流的流速就能实现发电，其经济价值十分显著。
水轮机叶轮作为海潮流发电机组最为关键的部件之一，叶轮的性能直接影响着整个机组的性能，其制造成本也占到了整个发电机组的20％左右。传统的低微水头水轮机的叶轮叶片一般采用不对称扭曲贯流式叶片，而海潮流能发电水轮机大多借鉴风机叶片，两者适用条件及运行范围不同，叶轮结构复杂，制造成本较高，且运行效率较低。
中国专利申请201310496139公开了“一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮”，该方案包括转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上的叶片，所述转轴、轮毂以及叶片均置于叶轮室内，叶轮室两端分别为进水侧和出水侧，水流从进水侧沿轴向流向出水侧，轮毂采用球面形，方便叶片的安装于固定，从而提高叶片的做功能力。但该方案还存在以下不足：一是导流罩结构简单，不能起到较好的聚能作用，直接影响经济性能；二是利用海流能发电的效率较低。
中国专利申请201310496522.0公开了一种海流能发电具有导流罩的水轮机双向叶轮，包括安装在叶轮室内的转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上数量为5～7个的“S”型叶片；叶轮室两侧分别为进水侧和出水侧；正向发电时，水流经过导流罩从进水侧沿轴向流向出水侧，反向发电时，水流则是通过出水侧轴向流向进水侧。虽然该方案在双向流动的海流下，能够高效地转化海流动能，但还存在以下不足：水轮机叶片设计仍旧借助于传统的水轮机转轮设计理论，翼型过于简单，不能很好的利用流经转轮的水体能量，同时导流罩迎角范围仍不够广。
中国专利申请201210342709公开了“带导流罩式椭圆轨迹竖轴潮流能水轮机发电机组，该装置包括导流罩、导轨支架、椭圆导轨、线性轴承、导向臂、直叶片等。虽然采用导流罩提高了对潮流能的聚能效果，但还存在以下不足：其垂直轴叶片采用单椭圆叶片设计，不能提供高效的输出功率。
综上所述，如何克服现有技术所存在的不足已成为当今流体机械及水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本实用新型的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，本实用新型的结构简单，效率高，既可用于海洋潮流能发电的水轮机，也可在山区、平原、山泉以及塘坝溪水等微小潮流能条件下发电使用。
本实用新型提出的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，包括导流罩、固定设置在转动轴上的轮毂、固定设置在轮毂上的叶轮，所述转动轴、轮毂和叶轮均设置于导流罩内，所述导流罩的两端分别为进水侧和出水侧，水流从所述进水侧沿轴向流向所述出水侧；其特征在于，还包括实时可调导流罩转角的支撑轴，所述叶轮包括3枚呈扭曲形状的叶片，导流罩的下端与支撑轴固定连接，所述支撑轴的中部设有用于控制导流罩转角的液压转盘轴承；所述转动轴的直径Dh与叶轮的直径D0的比值为0.21～0.28，导流罩的中间段的直径D1与叶轮的直径D0的比值为1.05～1.13，导流罩的进水侧的直径D2与叶轮的直径D0的比值为1.20～1.27，导流罩的出水侧的直径D3与叶轮的直径D0的比值为1.68～1.75；呈扭曲形状的叶片受到水流的冲击而与转动轴连动旋转。
本实用新型的实现原理是：本实用新型在应用过程中，当水流从导流罩进水口流入潮流能水轮机后，对转轮做功，转轮所受外力之后旋转，进而带动主轴旋转，然后将力矩传递给与之相连的发电机组发电，将潮流能转化为电能。本实用新型的导流罩呈进口小、出口大的喇叭状设计，能够提高潮流能的聚能作用，提高潮流能水轮机的输出功率，以增强潮流能水轮机的效率。同时考虑到方便调节迎流方向，本实用新型加入了用于调节导流罩转角的支撑轴及转动轴承装置以适应水流来流角的微小变化，使水轮机整体工作状态达到效率的最高点。
本实用新型与现有技术相比其显著优点是：
第一，本实用新型提出的一种带转角可调导流罩的潮流能水轮机，叶轮采用3枚呈扭曲形状的叶片，由于叶片翼型从叶片中间向叶根和叶缘逐渐增大，因此能够产生较大的叶片扭矩，从而提高叶轮的出力，同时叶轮整体结构简单，从加工制造到安装都十分方便。
第二，本实用新型提出的一种带转角可调导流罩的潮流能水轮机，导流罩采用进口小、出口大的喇叭状设计，能够提高潮流能的聚能作用，亦即提高了流经水轮机的潮流流速。
第三，本实用新型提出的一种带转角可调导流罩的潮流能水轮机，导流罩能够改善入流效果，平稳水流，保证了水轮机运行的稳定性。
第四，本实用新型提出的一种带转角可调导流罩的潮流能水轮机，能够适应潮流能水流的特点，水流流速在1m/s以上就可以发电，既可保证低流速自启动，也可适用于0.2m-1.5m的微水头水流水能转化。
第五，本实用新型提出的一种带转角可调导流罩的潮流能水轮机，能够适应潮流能水流的特点，设置了用于调节导流罩转角的支撑轴及转动轴承装置，以适应水流来流角的微小变化，使水轮机整体工作状态在最高效率点。
附图说明
图1是本实用新型的叶轮整体结构示意图。
图2是本实用新型的叶轮各部分尺寸关系示意图。
图3是本实用新型的叶片立体结构示意图。
图4是本实用新型的叶片的俯视图。
图5是本实用新型的叶片的左视图。
图6是本实用新型的叶片的正视图。
图1-2中的编号为：导流罩1、转轴2、轮毂3、叶片4、导流罩1的进水侧5、导流罩1的出水侧6、叶轮的直径D0、导流罩1的进口内径D1、导流罩1的进口外径D2、导流罩1的出口直径D3、轮毂的直径Dh、轮毂的长度L0、导流罩1的中间段长度L1、导流罩1的进口段的长度L2、导流罩1的出口长度L3、支撑轴7的直径Dp、支撑轴7的前端至导流罩1的进口截面的距离L4、液压转盘轴承8距导流罩1的下部的距离H1、液压转盘轴承8的高度Hp。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明。
结合图1至图6，本实用新型提出的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，包括导流罩1、固定设置在转动轴2上的轮毂3、固定设置在轮毂3上的叶轮，所述转动轴2、轮毂3和叶轮均设置于导流罩1内，所述导流罩1的两端分别为进水侧5和出水侧6，水流从所述进水侧5沿轴向流向所述出水侧6；其特征在于，还包括实时可调导流罩1转角的支撑轴7，所述叶轮包括3枚呈扭曲形状的叶片4，导流罩1的下端与支撑轴7固定连接，所述支撑轴7的中部设有用于控制导流罩1转角的液压转盘轴承8；所述转动轴2的直径Dh与叶轮的直径D0的比值为0.21～0.28，导流罩1的中间段的直径D1与叶轮的直径D0的比值为1.05～1.13，导流罩1的进水侧5的直径D2与叶轮的直径D0的比值为1.20～1.27，导流罩1的出水侧6的直径D3与叶轮的直径D0的比值为1.68～1.75；呈扭曲形状的叶片4受到水流的冲击而与转动轴2连动旋转。
本实用新型提出的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机的进一步的优选方案是：
所述的呈扭曲形状的叶片4的每个截面的安装角和弦长的参数分别如表1和表2所示：
表1：
从叶根到叶尖安装角与截面个数为6次方拟合，安装角拟合方程为：
Y＝-9.21×10-7x6+8.33×10-5x5-3.71×10-3x4+8.39×10-2x3-0.899x2+2.06x+38.86；
表2：
截面序号 弦长(m) 截面序号 弦长(m)
1001 0.2 1011 0.44
1002 0.25 1012 0.43
1003 0.3 1013 0.42
1004 0.34 1014 0.4
1005 0.39 1015 0.39
1006 0.42 1016 0.37
1007 0.44 1017 0.35
1008 0.45 1018 0.33
1009 0.45 1019 0.29
1010 0.45 1020 0.12
呈扭曲形状的叶片4从叶根到叶尖叶片的弦长与截面个数为7次方拟合，弦长拟合方程为：
Y＝-9.60×10-8x7+6.85×10-6x6-1.99×10-4x5+3.07×10-3x4-2.64×10-2x3+1.21×10-1x2-2.18×10-1x+0.37。
所述的轮毂3的形状呈球面突起，轮毂3的长度L0与导流罩1的中间段长度L1的比值为0.29～0.36，导流罩1的进口段长度L2与导流罩1的中间段长度L1的比值为0.08～0.15,导流罩1的出口段长度L3与导流罩1的中间段长度L1的比值为0.51～0.58，支撑轴7的直径Dp与导流罩1的总长度(L1+L2+L3)的比值为0.2～0.3，支撑轴7的中心至导流罩1的前端距离(L4+0.5Dp)与导流罩1的总长度(L1+L2+L3)的比值为0.45～0.65，液压转盘轴承8距导流罩1下部的距离H1与支撑轴7的直径Dp的比值为1.2-2.6，液压转盘轴承8的高度Hp与支撑轴7的直径Dp的比值为0.15-0.35，当来流方向不垂直于导流罩1的进水侧5入口平面时，支撑轴7中电机启动，通过液压转盘轴承8调节导流罩转角至最佳迎流角；考虑到结构稳定性及潮流微弱的来流变化，液压转盘轴承8可调节导流罩角度为-8至+8度的范围内。
所述的导流罩1的垂直来流方向的各个界面均为矩形，各个矩形的高度保持不变，垂直来流方向的界面中，导流罩1以轮毂3中心轴对称；导流罩1的各个俯视截面相等，两段为喇叭形，中间通过流线形过渡到直线。
下面结合附图进一步公开本实用新型的主要部件的具体实施例。
实施例1：结合图2，所述导流罩1的进口直径为302cm、基础转轮的直径为240cm，转动轴2的直径为50cm，导流罩1的中间段直径为270cm，导流罩1的出口段直径为238cm；导流罩1的进口段长为22cm，导流罩1的中间段长144cm，导流罩1的出口段为84cm。支撑轴长度为50cm，当来流方向与导流罩1的进水侧入口平面夹角为85度时，液压转盘轴承调节导流罩相对初始角度调整5度，使来流方向垂直于导流罩的进水侧入口平面。
实施例2：结合图2，所述导流罩1的进口直径为453cm、基础转轮的直径为356cm，转动轴2的直径为75cm，导流罩1的中间段直径为405cm，导流罩1的出口段直径为624cm；导流罩1的进口段长为33cm，导流罩1的中间段长216cm，导流罩1的出口段为125cm。支撑轴长度为110cm，当来流方向与导流罩1的进水侧入口平面夹角为82度时，液压转盘轴承调节导流罩1的相对初始角度调整8度，使来流方向垂直于导流罩1的的进水侧入口平面。
经试验验证，本实用新型的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机在1m/s以上的流速情况下即可自启动，并且具有高效率。相对于传统的筑坝发电，运用本发明的潮流能发电水轮机，不仅能够很好的保护自然环境，而且还大大降低了发电机组的造价成本，达到高效利用潮流能的目的。
本实用新型的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本实用新型经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本实用新型提出的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，包括导流罩(1)、固定设置在转动轴(2)上的轮毂(3)、固定设置在轮毂(3)上的叶轮，所述转动轴(2)、轮毂(3)和叶轮均设置于导流罩(1)内，所述导流罩(1)的两端分别为进水侧(5)和出水侧(6)，水流从所述进水侧(5)沿轴向流向所述出水侧(6)；其特征在于，还包括实时可调导流罩(1)转角的支撑轴(7)，所述叶轮包括3枚呈扭曲形状的叶片(4)，导流罩(1)的下端与支撑轴(7)固定连接，所述支撑轴(7)的中部设有用于控制导流罩(1)转角的液压转盘轴承(8)；所述转动轴(2)的直径Dh与叶轮的直径D0的比值为0.21～0.28，导流罩(1)的中间段的直径D1与叶轮的直径D0的比值为1.05～1.13，导流罩(1)的进水侧(5)的直径D2与叶轮的直径D0的比值为1.20～1.27，导流罩(1)的出水侧(6)的直径D3与叶轮的直径D0的比值为1.68～1.75；呈扭曲形状的叶片(4)受到水流的冲击而与转动轴(2)连动旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，其特征在于，所述轮毂(3)的形状呈球面凸起，轮毂(3)的长度L0与导流罩(1)的中间段的长度L1的比值为0.29～0.36，导流罩(1)的进口段的长度L2与导流罩(1)的中间段的长度L1的比值为0.08～0.15,导流罩(1)的出口段的长度L3与导流罩(1)的中间段的长度L1的比值为0.51～0.58，支撑轴(7)的直径Dp与导流罩(1)的总长度(L1+L2+L3)的比值为0.2～0.3，支撑轴(7)的中心至导流罩(1)的前端距离(L4+0.5Dp)与导流罩(1)的总长度(L1+L2+L3)的比值为0.45～0.65，液压转盘轴承(8)至导流罩(1)下部的距离H1与支撑轴(7)的直径Dp的比值为1.2-2.6，液压转盘轴承(8)的高度Hp与支撑轴(7)的直径Dp的比值为0.15-0.35，当来流方向不垂直于导流罩(1)的进水侧(5)入口平面时，支撑轴(7)中电机启动，通过液压转盘轴承(8)调节导流罩(1)转角，该转角的角度为-8至+8度。
3.根据权利要求2所述的一种基于实时可调导流罩转角的潮流能水轮机，其特征在于，所述导流罩(1)的垂直来流方向的各个界面均为矩形、各个矩形的高度保持不变，垂直来流方向的界面中，导流罩(1)与轮毂(3)中心轴对称；导流罩(1)的各个俯视截面相等、两段为喇叭形、中间段通过流线形过渡到直线。
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