CN105736220B - 一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置。装置采用单叶轮的对称型结构，叶轮轮毂的两端各设有一套传动与发电***，传动与发电***主要由导流罩和装在导流罩内的发电机和传动齿轮箱构成，两套传动与发电***以所述叶轮轮毂对称分布，叶轮轮毂经主轴与传动齿轮箱连接，传动齿轮箱输出端与发电机连接，周面装有叶轮叶片；两套传动与发电***的发电机的输出线缆经电气并联平衡输出装置连接并网或负载装置。本发明优化了双向流场特性，实现功率分流，有效降低了同功率下对传动与发电***的规格性能要求，减少了设计制造成本；并且有效地改善了水平轴海流发电装置的受力状况，从而提高了运行的稳定性与寿命。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电领域，具体是涉及了一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置。
背景技术
进入21世纪，传统石化资源日渐枯竭，能源危机，环境污染的问题出现，促使人们将研究重点投入到新能源开发利用领域。海流能作为一种清洁可再生能源，其具有蕴藏量大，分布广，周期性强和能量密度大等优点，日渐成为新能源技术研究与开发的一个重点。在海流能发电装置研究应用领域，有传统的筑坝利用潮汐发电，也有垂直轴海流能发电装置，从成本与能量捕获效率来看，类似于风机的水平轴桨叶捕获发电装置具有良好的性能。
水平轴海流发电装置近些年在国内外发展迅速，国际范围内主要有英国、美国、加拿大、日本等国家从事海流发电技术研究。中国的海流资源相对丰富，起步较早，近十年来发展出一类“半直驱”水平轴发电装置。例如中国专利《一种低速半直驱海流能发电装置》，公开号CN102345550A，公开了一种类似于水平轴风力发电机的海流发电装置，它以其高效水平轴和机身径向尺寸较小(相对直驱)，齿轮箱升速比与电机转速都相对较低，因此整机效率和可靠性较高为技术特征，代表了目前一类海流能发电装置的类型。但随着海流发电机组大型化，其结构存在着一定的缺陷。海水的密度是空气的一千多倍，可压缩性小，能量密度大，要提高能源捕获效率和叶轮可靠性，则不仅要求海流发电装置整机具有良好的流线型外形设计和流场设计，还要尽可能减小机身的径向尺寸以减小无效而有害的挡水面积。特别是当机组功率上升到兆瓦级别时，发电装置的体积特别是径向尺寸势必增大，产生的挡流和流场特性问题趋于严重，导致叶片受到的载荷冲击增大，极易出现叶片挥舞和振摆问题，甚至发生弯折或折断的情况。同时，机组上升到大功率级别，对传动链(齿轮箱)，发电机的功率容量要求也大幅提高，造成成本提高。这一问题的症结实际上是如何在保持机组装机功率不变的前提下尽可能减小径向尺寸和无效挡水面积。
发明内容
为解决上述典型半直驱水平轴海流发电装置大型化时存在的问题，本发明是提供了一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，提出并发展了一种水平轴海流发电装置在同等功率条件下实现“大长径比”狭长机型的优化设计概念或方法，采用单叶轮对称型结构，具备两套传动与发电***。
本发明采用如下的技术方案如下：
所述装置采用单叶轮的对称型结构，包括导流罩、发电机、传动齿轮箱、叶轮轮毂、主轴、叶轮叶片、电气并联平衡输出装置，叶轮轮毂的两端各设有一套传动与发电***，传动与发电***主要由导流罩和装在导流罩内的发电机和传动齿轮箱构成，两套传动与发电***以所述叶轮轮毂对称分布，叶轮轮毂经主轴与两侧的传动齿轮箱连接，传动齿轮箱输出端与发电机连接，叶轮轮毂的周面装有多个叶轮叶片；两套传动与发电***的发电机的输出线缆与所述电气并联平衡输出装置的输入端连接，经过电学的整定与变换，将所述电气并联平衡输出装置输出端连接于并网或负载装置，实现电能的供给。
所述叶轮轮毂与两套传动与发电***采用公共主轴或各自主轴外套轮毂方式。一种方式是所述两套传动与发电***共用同一主轴，主轴同轴穿过叶轮轮毂。另一种方式是所述两套传动与发电***采用各自的主轴，主轴端部同轴固定连接到叶轮轮毂。
所述叶轮叶片的数量不限，例如2-6个叶片，叶轮叶片采用单组的叶片变桨或双向叶片定桨。
进一步地，所述叶轮轮毂上沿周向均匀安装所述叶轮叶片。
本发明装置沿主轴的轴向长度与导流罩直径之比可大幅度大于现有传统同类装置的“长径比”参数，至少提到一倍多。
所述导流罩包裹在每套传动与发电***的发电机、主轴和传动齿轮箱外部。所述主轴另外一端与所述传动齿轮箱输入轴固定联接，所述传动齿轮箱输出轴与所述发电机输入端固定联接。
本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用单叶轮对称型结构，相对传统相同功率机组，扩展了发电装置的“长径比”，减小了机身的横断面积，从而减小挡流作用，提高了整机效率和同一地点资源利用率，优化了发电装置流场设计及其流体力学特性，并且实现了输入机械功率分流，不仅减小了所述传动齿轮箱与所述发电机的功率与尺寸，也降低了设计与制造的成本。
2、本发明采用对称型设计，将所述叶轮轮毂与所述叶轮叶片放置于发电装置中间，改变了传统悬臂结构，也增加了机组旋转发电轴系的支撑点，使所述叶轮轮毂受到更加均衡的支撑力，也平衡了所述主轴与整机的轴向与径向受力，从而减少了受力不平衡及海流载荷波动所导致的冲击与振动，增加发电装置运行平稳性。相比于传统的水平轴海流发电装置，轮毂空间相对宽松，可增加变桨动密封设计的灵活性、可靠性。另外，将旋转叶轮置于发电装置中间，方便于装配过程中的整体封装，显著降低了主轴外露部分，有效地防止运行过程中的异物缠绕，提高发电装置的自我保护能力。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为图1结构的侧视图；
图3为本发明装置的叶片叶轮实施例。
图中：导流罩1、发电机2、传动齿轮箱3、叶轮轮毂4、主轴5、叶轮叶片6、电气并联平衡输出装置7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照图1，装置包括导流罩1、发电机2、传动齿轮箱3、叶轮轮毂4、主轴5、叶轮叶片6、电气并联平衡输出装置7。采用对称型结构，以所述叶轮轮毂4中心线为对称，两边各布置所述传动齿轮箱3，所述发电机2与所述导流罩1。
相对传统单边结构，该对称型结构可利用现有两套同类装置将功率和“长径比”提高约1倍(叶片相应增大)，有效减小了无效挡流面积，优化了双向流场特性，并且有效的实现了功率分流，降低了对所述传动齿轮箱3与所述发电机2的规格性能与功率要求，从而降低了设计与制造的成本。并且均衡所述叶轮轮毂4的轴向支撑力，也平衡了所述主轴5与整机所受的轴向力。并且，将叶轮布置于整机中间减少了主轴外露部分，有效地防止运行过程中的异物缠绕。
参照图2，采用三叶片形式，叶轮叶片6数量为均布的三个，采用单组的叶片变桨的对流发电结构，叶轮轮毂4上沿周向均匀安装叶轮叶片6，叶轮叶片6桨距可根据需求调整。
叶轮轮毂4与主轴5一端固定联接，采用公共主轴方式，主轴5另外一端与传动齿轮箱3输入轴固定联接，传动齿轮箱3输出轴与所述发电机2输入端固定联接。导流罩1分别安装在发电装置的前后两端，其作用为优化发电装置的流场流线型。
本发明的结构改变传统的悬臂结构，有效地改善了同功率下水平轴海流发电装置的受力状况，从而提高了其运行的稳定性与寿命。
前后两个所述发电机2的输出线缆与所述电气并联平衡输出装置7的输入端连接，经过电学的整定与变换，将所述电气并联平衡输出装置7输出端连接于并网或负载装置，实现电能的供给。
实施例2
参照图3，为实施例1的一种特殊情况，所述叶轮叶片6叶片数为2，此情况便于叶轮叶片的成批运输与吊装。
实施例3
与实施例1基本相同，所不同的是：中间轮毂处采用双向叶片定桨方式，从而在保证双向潮流发电的前提下，简化了机构，节约了成本。
实施例4
与实施例1基本相同，所不同的是：实施的两套传动与发电***采用各自的主轴，主轴端部同轴固定连接到叶轮轮毂的端面中心。
由以上实施可见，本发明装置具有单个叶轮，两套传动机构，两个发电机，采用对称布置，将叶轮置于海流发电装置中间，有利于轴向受力平衡，实现了输入机械功率分流，同等功率下，极大地降低了对传动链与发电机的制造、安装要求，降低了成本。
并且，本发明实现了在同等功率约束下的最大长径比，对整机进行优化设计，提出了水平轴“大长径比狭长型”海流发电机组新型结构，有效减小无效挡水面积，改善机组流场特性，提高整机效率，配合以变桨机构，实现双向运行，取得高效捕能发电效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，任何基于本发明原理的扩展或者改进均视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，其特征在于：所述装置采用单叶轮的对称型结构，包括导流罩(1)、发电机(2)、传动齿轮箱(3)、叶轮轮毂(4)、主轴(5)、叶轮叶片(6)、电气并联平衡输出装置(7)，叶轮轮毂(4)的两端各设有一套传动与发电***，传动与发电***主要由导流罩(1)和装在导流罩(1)内的发电机(2)和传动齿轮箱(3)构成，两套传动与发电***以所述叶轮轮毂(4)对称分布，叶轮轮毂(4)经主轴(5)与两侧的传动齿轮箱(3)连接，传动齿轮箱(3)输出端与发电机(2)连接，叶轮轮毂(4)的周面装有多个叶轮叶片(6)；两套传动与发电***的发电机(2)与电气并联平衡输出装置(7)连接，经过电学的整定与变换，电气并联平衡输出装置(7)输出端连接于并网或负载装置；
所述叶轮轮毂(4)与两套传动与发电***采用公共主轴或各自主轴外套轮毂方式。
2.根据权利要求1所述的一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，其特征在于：所述两套传动与发电***共用同一主轴，主轴同轴穿过叶轮轮毂(4)。
3.根据权利要求1所述的一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，其特征在于：所述两套传动与发电***采用各自的主轴，主轴端部同轴固定连接到叶轮轮毂(4)。
4.根据权利要求1所述的一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，其特征在于：所述的叶轮叶片(6)采用单组的叶片变桨或双向叶片定桨。
5.根据权利要求1所述的一种单叶轮对称型大长径比的海流发电装置，其特征在于：所述导流罩(1)包裹在每套传动与发电***的发电机(2)、主轴(5)和传动齿轮箱(3)外部，所述主轴(5)另外一端与所述传动齿轮箱(3)输入轴固定联接，所述传动齿轮箱(3)输出轴与所述发电机(2)输入端固定联接。
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