CN209354294U - 一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置 - Google Patents

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兰志刚
于汀
谭越
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Abstract

本实用新型涉及一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置，其包括基座、塔架和水轮机，以及支撑架；支撑架设置在水轮机的机舱外壳上部，数据采集器和迎面海流速度测量部分设置在支撑架上，迎面海流速度测量部分将采集到的迎面海流流速测量数据传输至数据采集器内；叶轮转速测量部分设置在水轮机的旋转轴及机舱壳体上，将采集到的叶轮转速数据传输至数据采集器内；数据采集器将接收到的数据输入预置在数据采集器内的水轮机叶尖速比计算模块，实现对潮流能水轮机叶尖比速的实海况测量。本实用新型能用于叶轮最大功率的跟踪控制，确保潮流能水轮机转换效率最高。

Description

一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种海洋能发电领域，特别是关于一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置。
背景技术
潮流能是一种极具开采价值的海洋能源。利用潮流驱动水轮机叶轮旋转产生电能，是潮流能开发所采用的主要技术。在用来表述水轮机性能的各项参数中，叶尖速比是十分重要的一个，它直接反映了水轮机捕获潮流能的能力和效率，对于评估水轮机性能具有非常重要的作用。但是迄今为止，尚没有潮流能水轮机叶尖速比的实海测量技术，导致很难对潮流能水轮机在海面下的真实工作情况及技术性能进行评估，迫切需要开发一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量技术。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置，其能用于叶轮最大功率的跟踪控制，确保潮流能水轮机转换效率最高。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置，其包括基座、塔架和水轮机；所述基座上设置有与其垂直的所述塔架，所述塔架中部设置有所述水轮机的机舱，位于所述机舱前端设置有所述水轮机的轮毂，所述轮毂周向设置有所述水轮机的桨叶；其特征在于：还包括支撑架、迎面海流速度测量部分、叶轮转速测量部分和数据采集器；所述支撑架设置在所述水轮机的机舱外壳上部，所述数据采集器和迎面海流速度测量部分设置在所述支撑架上，所述迎面海流速度测量部分将采集到的迎面海流流速测量数据传输至所述数据采集器内；所述叶轮转速测量部分设置在所述水轮机的旋转轴及机舱壳体上，将采集到的叶轮转速数据传输至所述数据采集器内；所述数据采集器将接收到的数据输入预置在所述数据采集器内的水轮机叶尖速比计算模块，实现对潮流能水轮机叶尖比速的实海况测量。
进一步，所述支撑架采用L型结构，其由水平梁和垂直梁一体成型；所述迎面海流速度测量部分设置在所述水平梁端部，所述数据采集器设置在所述垂直梁中部。
进一步，所述迎面海流速度测量部分呈水平放置，所述迎面海流速度测量部分的安装高度要高于叶轮上沿，所述水平梁长度以确保所述迎面海流速度测量部分的换能器面位于所述水轮机前方。
进一步，所述迎面海流速度测量部分由ADCP构成；所述ADCP通过ADCP信号电缆与所述数据采集器连接。
进一步，所述叶轮转速测量部分包括发讯盘、磁铁块和转速传感器；所述发讯盘固定套设在所述水轮机的旋转轴上，位于所述发讯盘圆周上等间隔设置有若干个所述磁铁块，若干个所述磁铁块位于一个同心圆上；所述转速传感器固定在所述水轮机的机舱壳体上，通过传感器信号电缆与所述数据采集器连接；所述转速传感器与所述发讯盘之间具有距离。
进一步，所述转速传感器与所述发讯盘之间的距离为2～5mm。
进一步，所述磁铁块设置有2～8个。
进一步，所述转速传感器采用霍尔传感器。
进一步，预置在所述数据采集器内的水轮机叶尖速比计算模块内的水轮机叶尖速比λ计算公式为：
其中，V为所述ADCP测得的实际流速；ω为所述水轮机旋转轴的转速；R为所述水轮机的直径。
进一步，所述数据采集器经输出电缆输出流速流向、水轮机转轴转速和叶尖速比数据，通过数据接口实时输出给现有潮流能发电控制系统。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型通过同步测量潮流能装换装置的水轮机桨叶转速以及来流流速，从而得到潮流能水轮机的叶尖速比。2、本实用新型可以在实海条件下，实现潮流能装置叶轮机转速、水流来流流速、叶尖速比和叶轮捕获功率系数等参数的实时测量，从而对潮流能水轮机在海面下的真实工作情况及技术性能进行评估。3、本实用新型叶尖速比的测量结果可以实时输出给潮流能发电控制系统，用于叶轮最大功率的跟踪控制，从而确保潮流能水轮机转换效率最高。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图；
图2是本实用新型的发讯盘及磁铁块安装位置示意图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1、图2所示，本实用新型提供一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置，其包括基座1、塔架2和水轮机；基座1上设置有与其垂直的塔架 2，塔架2中部设置有水轮机的机舱3，位于机舱3前端设置有水轮机的轮毂4，轮毂4周向设置有水轮机的桨叶5。本实用新型的特征是还包括支撑架6、迎面海流速度测量部分、叶轮转速测量部分和数据采集器7。支撑架6设置在水轮机的机舱外壳上部，数据采集器7和迎面海流速度测量部分设置在支撑架6上，迎面海流速度测量部分将采集到的迎面海流流速测量数据传输至数据采集器7内。叶轮转速测量部分设置在水轮机的旋转轴及机舱壳体上，将采集到的叶轮转速数据传输至数据采集器7内。数据采集器7将接收到的数据输入预置在数据采集器7内的水轮机叶尖速比计算模块，实现对潮流能水轮机叶尖比速的实海况测量。
上述实施例中，支撑架6采用L型结构，其由水平梁和垂直梁一体成型。迎面海流速度测量部分设置在支撑架6的水平梁端部，数据采集器7设置在支撑架6 的垂直梁中部。
上述各实施例中，迎面海流速度测量部分由ADCP(多普勒海流剖面仪)8构成；ADCP8通过ADCP信号电缆与数据采集器7连接，进行数据传输。在一个优选的实施例中，ADCP 8采用水平两波束多普勒海流剖面仪。
在一个优选的实施例中，如图1所示，ADCP 8呈水平放置，ADCP 8的安装高度要高于叶轮上沿，水平梁长度以确保ADCP换能器面位于水轮机前方即可。安装时，将ADCP的两个波束形成的平面与水平面成α角。α值的确定原则是确保波束入射到位于水轮机轮毂4高度的水平面S时，两个交点的连线距轮毂4的距离约为20米以外即可，以确保测量点处的海流流场基本不受潮流能装置的影响。考虑到潮流以日变化或半日变化为周期，所以ADCP 8设置每5分钟测量一组流速流向数据即可。测量的流速、流向数据传输至数据采集器7。
其中，α角的计算公式为：
设ADCP 8安装位置距轮毂4的高度为H，两个波束入射到位于水轮机轮毂4 高度的水平面S时，两个交点的连线距ADCP 8在S上的投影之间的距离为L，则α角为：
上述各实施例中，叶轮转速测量部分包括发讯盘9、磁铁块10和转速传感器11。发讯盘9固定套设在水轮机的旋转轴12上，位于发讯盘9圆周上等间隔设置有若干个磁铁块10，若干个磁铁块10位于一个同心圆上。转速传感器11固定在水轮机的机舱壳体上，通过传感器信号电缆与数据采集器7连接，进行数据传输；转速传感器11与发讯盘9之间具有距离，优选的，该距离为2～5mm。
当水轮机转动时，发讯盘9将随水轮机旋转轴12以同样的角速度一起转动，旋转发讯盘9上的磁感应使转速传感器11产生计数脉冲信号，并将脉冲信号传输至数据采集器7。
在一个优选的实施例中，磁铁块10设置有2～8个。
在一个优选的实施例中，转速传感器11采用霍尔传感器。
上述各实施例中，数据采集器7利用在测量时间T内测得的脉冲个数N，依据 ADCP8测得的实际流速V、水轮机转轴的转速ω和水轮机直径R，由预置在数据采集器7内的水轮机叶尖速比计算模块得到水轮机叶尖速比。其中，水轮机叶尖速比计算模块内的水轮机叶尖速比λ计算公式为：
其中，ADCP 8测得的实际流速V为：由于ADCP 8测得的流速为实际流速在两个波束所形成平面上的投影，故设ADCP 8测得的流速为VADCP(ADCP 8的计算坐标系设置为声束坐标，其测得的流速剖面单元沿波束入射方向分布，读取位于波束与平面S交点处的单元流速做为ADCP的测量值VADCP)，则实际流速V为：
水轮机旋转轴12的转速ω为：
则水轮机的叶尖速为ωR。其中，m表示为位于发讯盘9圆周上等间隔设置的磁铁块个数。
综上所述，本实用新型利用固定于潮流能水轮机上的ADCP 8测量迎面海流速度，数据采集器7在接收来自ADCP 8的流速测量数据时，同时接收霍尔传感器的脉冲频率信号，并将该脉冲光频率信号转换成叶轮的叶尖转速。然后利用预置在数据采集器7内的水轮机叶比尖速计算模块求得实际的叶尖速比。水轮机转速特性曲线也预存在数据采集器7中，可以利用测得的叶尖速比和设计的叶轮节距角，通过查询该水轮机转速特性曲线，求得该潮流能水轮机的能量捕获效率CP。
数据采集器7可以经输出电缆输出流速流向、水轮机转轴转速、叶尖速比和能量捕获效率CP等数据，测量结果可以通过数据接口实时输出给现有潮流能发电控制系统，用于叶轮最大功率的跟踪控制以及评估潮流能水轮机技术性能及其在海面下的真实工作情况。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于实海况测量的潮流能水轮机叶尖比速测量装置，其包括基座、塔架和水轮机；所述基座上设置有与其垂直的所述塔架，所述塔架中部设置有所述水轮机的机舱，位于所述机舱前端设置有所述水轮机的轮毂，所述轮毂周向设置有所述水轮机的桨叶；其特征在于：还包括支撑架、迎面海流速度测量部分、叶轮转速测量部分和数据采集器；所述支撑架设置在所述水轮机的机舱外壳上部，所述数据采集器和迎面海流速度测量部分设置在所述支撑架上，所述迎面海流速度测量部分将采集到的迎面海流流速测量数据传输至所述数据采集器内；所述叶轮转速测量部分设置在所述水轮机的旋转轴及机舱壳体上，将采集到的叶轮转速数据传输至所述数据采集器内；所述数据采集器将接收到的数据输入预置在所述数据采集器内的水轮机叶尖速比计算模块，实现对潮流能水轮机叶尖比速的实海况测量。
2.如权利要求1所述测量装置，其特征在于：所述支撑架采用L型结构，其由水平梁和垂直梁一体成型；所述迎面海流速度测量部分设置在所述水平梁端部，所述数据采集器设置在所述垂直梁中部。
3.如权利要求2所述测量装置，其特征在于：所述迎面海流速度测量部分呈水平放置，所述迎面海流速度测量部分的安装高度要高于叶轮上沿，所述水平梁长度以确保所述迎面海流速度测量部分的换能器面位于所述水轮机前方。
4.如权利要求1所述测量装置，其特征在于：所述迎面海流速度测量部分由ADCP构成；所述ADCP通过ADCP信号电缆与所述数据采集器连接。
5.如权利要求1至4任一项所述测量装置，其特征在于：所述叶轮转速测量部分包括发讯盘、磁铁块和转速传感器；所述发讯盘固定套设在所述水轮机的旋转轴上，位于所述发讯盘圆周上等间隔设置有若干个所述磁铁块，若干个所述磁铁块位于一个同心圆上；所述转速传感器固定在所述水轮机的机舱壳体上，通过传感器信号电缆与所述数据采集器连接；所述转速传感器与所述发讯盘之间具有距离。
6.如权利要求5所述测量装置，其特征在于：所述转速传感器与所述发讯盘之间的距离为2～5mm。
7.如权利要求5所述测量装置，其特征在于：所述磁铁块设置有2～8个。
8.如权利要求5所述测量装置，其特征在于：所述转速传感器采用霍尔传感器。
9.如权利要求4所述测量装置，其特征在于：预置在所述数据采集器内的水轮机叶尖速比计算模块内的水轮机叶尖速比λ计算公式为：
其中，V为所述ADCP测得的实际流速；ω为所述水轮机旋转轴的转速；R为所述水轮机的直径。
10.如权利要求9所述测量装置，其特征在于：所述数据采集器经输出电缆输出流速流向、水轮机转轴转速和叶尖速比数据，通过数据接口实时输出给现有潮流能发电控制系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115030858A (zh) * 2022-05-16 2022-09-09 西安交通大学 基于集群智能优化的分布式海流能水轮机控制发电系统
WO2023165159A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 浙江大学 一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法

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