CN107829873A - 一种基于双转轮的潮流能水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于双转轮的潮流能水轮机，包括导流罩、转动轴、轮毂以及固定在所述轮毂上的叶片，其特征在于，还包括增能转轮，所述增能转轮位于导流罩的出口处，所述增能转轮包括连锁螺线螺旋形叶片，其中：所述连锁螺线螺旋形叶片是根据连锁螺线螺旋线沿转动轴的轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在转动轴的周向内壁上，X代表连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型曲线上关键点的空间横坐标值，Y代表连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型曲线上关键点的空间纵坐标值。发明的结构简单，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

一种基于双转轮的潮流能水轮机
技术领域
本发明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双转轮的潮流能水轮机。
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；二是属于单级海流能水轮机，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：一是属于单级海流能水轮机，利用海流能发电的效率较低；二是水轮机叶片设计仍然属于传统的设计理论，翼型过于简单，不能很好的利用流经转轮的水体能量。
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：一是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；二是属于单级海流能水轮机，利用海流能发电的效率较低。
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：
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于双转轮的潮流能水轮机，本发明的结构简单，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。
根据本发明提出的一种基于双转轮的潮流能水轮机，包括导流罩、转动轴、轮毂以及固定在所述轮毂上的叶片，所述转动轴、轮毂以及叶片均置于导流罩内，其特征在于，还包括增能转轮，所述增能转轮包括连锁螺线螺旋形叶片，其中：所述连锁螺线螺旋形叶片是根据连锁螺线螺旋线沿转动轴的轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在转动轴的周向内壁上，以所述转动轴为中心旋转面的连锁螺线螺旋形叶片的各截面的交点为原点建立坐标系，所述连锁螺线螺旋形叶片在转动轴外周上，不同轴向距离下的截面翼型曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向102cm处的参数参见表1，
表1：
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片的左弦：y＝0.0011x2-0.2253x+1.6783；
连锁螺线螺旋形叶片的右弦：y＝-0.3354x-0.0114；
连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向132cm处的参数参见表2，
表2：
序号 X Y 序号 X Y
1 -45.826 75.281 7 -35.12 79.78
2 -43.305 71.081 8 -33.169 75.348
3 -38.268 62.677 9 -29.266 66.483
4 -33.241 54.268 10 -25.364 57.619
5 -28.228 45.85 11 -21.462 48.754
6 -23.237 37.419 12 -17.56 39.89
拟合后的两条曲线方程分别为，
连锁螺线螺旋形叶片的左弦：y＝-0.0001x3-0.0054x2-1.8462x-3.3769；
连锁螺线螺旋形叶片的右弦：y＝-2.2714x+0.0025；
连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向192cm处的参数参见表3，
表3：
序号 X Y 序号 X Y
1 30.382 -47.191 7 24.831 -49.929
2 33.669 -52.495 8 27.59 -55.477
3 40.261 -63.091 9 33.108 -66.572
4 46.871 -73.677 10 38.626 -77.667
5 53.492 -84.255 11 44.145 -88.763
6 60.121 -94.829 12 49.663 -99.858
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片的左弦：y＝0.003x2-1.7248x+3.2307；
连锁螺线螺旋形叶片的右弦：y＝-2.0113x+0.0056；
所述连锁螺线螺旋形叶片的半径可伸缩，所述连锁螺线螺旋形叶片的最大半径Rmax与导流罩的出口直径D3的比值为0.92；所述连锁螺线螺旋形叶片的最小半径Rmin与连锁螺线螺旋形叶片的最大半径Rmax的比值为0.8。
本发明的实现原理是：本发明的具体应用过程为：当水流从导流罩进水口流入潮流能水轮机后，依次对基础转轮和增能转轮做功，双转轮所受外力之后同时旋转，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。其中连锁螺线螺旋形叶片可根据潮流流速不同调整成不同螺旋形叶片的半径，极大的保证了增能转轮转动的稳定性；水流出增能转轮后，从导流罩出口流出。由于增能转轮能够将流出基础转轮的水流的动能再次转换成转轮的旋转机械能，从而很好地解决了水能多次能量转换的难题，提高了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，本发明的水轮机后方的连锁螺线螺旋形叶片在径向拥有变截面功能，其采用金属铰接的伸缩装置使得连锁螺线螺旋形叶片半径可变，从而使得导流罩出口处流量可调节，进一步提升了水轮机的调节能力。
本发明与现有技术相比其显著优点是：
第一，本发明提出的基于双转轮的潮流能水轮机，具体是在基础转轮潮流能利用的基础上增设增能转轮，使得在相同的潮流能情况下，本发明的潮流能水轮机对水流能转换率在现有基础转轮的基础上有所增加，增能效果显著，从而提高了潮流能水轮机用于发电的转换功率。
第二，本发明的螺旋形叶片呈连锁螺线螺旋线形状，以沿转动轴的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在转动轴的外周上做匀速旋转运动，大大减少了水力摩擦碰撞，降低了潮流经过基础转轮后，再次利用的潮流的能量损失，从而提高了潮流能水轮机获能功效；
第三，本发明的潮流能水轮机的结构稳定性好、有效工作时间长和效率高，可作为现有技术的升级换代产品，适用于替代本领域利用潮流能发电的各种水轮机。
第四，本发明的潮流能水轮机后方的连锁螺线螺旋形叶片在径向拥有变截面功能，其采用金属铰接的伸缩装置使得叶片半径可变，从而使得导流罩出口处流量可调节，进一步提升了潮流能水轮机的调节能力。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
图1是本发明的叶轮整体结构示意图。
图2是本发明的叶轮各部件尺寸关系的示意图。
图3是本发明的锁螺线螺旋形叶片的立体结构示意图。
图4是本发明的连锁螺线螺旋形叶片的的连锁螺线螺旋线结构示意图。
图5是本发明的双转轮的立体结构示意图。
图6是本发明的连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向102cm处的螺旋形叶片截面型线示意图。
图7是本发明的连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向132cm处的螺旋形叶片截面型线示意图。
图8是本发明的连锁螺线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向192cm处的螺旋形叶片截面型线示意图。
附图中的编号说明：导流罩1、转轴2、轮毂3、叶片4、叶轮进水侧5、叶轮出水侧6、连锁螺线螺旋线叶片7、叶轮的直径D0、导流罩1的进口直径D2、导流罩1的出口直径D3、轮毂3的直径Dh、轮毂3的长度L0、导流罩1的中间段的长度L1、导流罩1的进口段的长度L2、导流罩1的出口段的长度L3、连锁螺线螺旋线叶片7处于半径最小状态时的连锁螺线螺旋线叶片7的最大半径Rmin、连锁螺线螺旋线叶片7处于半径最大状态时的连锁螺线螺旋线叶片7的最大半径Rmax。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1。
结合图1至图8，本发明提出的一种基于双转轮的潮流能水轮机，包括导流罩1、转动轴2、轮毂3以及固定在所述轮毂3上的叶片4，所述转动轴2、轮毂3以及叶片4均置于导流罩1内，还包括增能转轮，所述增能转轮包括连锁螺线螺旋形叶片7，其中：所述连锁螺线螺旋形叶片7是根据连锁螺线螺旋线沿转动轴2的轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在转动轴2的周向内壁上，以所述转动轴2为中心旋转面的连锁螺线螺旋形叶片7的各截面的交点为原点建立坐标系，所述连锁螺线螺旋形叶片7在转动轴2外周上，不同轴向距离下的截面翼型曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表连锁螺线螺旋形叶片7的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表连锁螺线螺旋形叶片7的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，连锁螺线螺旋形叶片7的截面翼型距离轮毂3的前缘轴向102cm处的参数参见表1，
表1：
序号 X Y 序号 X Y
1 34.951 -5.22 7 32.947 -11.081
2 38.823 -5.907 8 36.608 -12.313
3 46.571 -7.26 9 43.929 -14.775
4 54.322 -8.593 10 51.251 -17.238
5 62.076 -9.912 11 58.573 -19.7
6 69.831 -11.222 12 65.894 -22.163
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片7的左弦：y＝0.0011x2-0.2253x+1.6783；
连锁螺线螺旋形叶片7的右弦：y＝-0.3354x-0.0114；
连锁螺线螺旋形叶片7的截面翼型距离轮毂3的前缘轴向132cm处的参数参见表2，
表2：
序号 X Y 序号 X Y
1 -45.826 75.281 7 -35.12 79.78
2 -43.305 71.081 8 -33.169 75.348
3 -38.268 62.677 9 -29.266 66.483
4 -33.241 54.268 10 -25.364 57.619
5 -28.228 45.85 11 -21.462 48.754
6 -23.237 37.419 12 -17.56 39.89
拟合后的两条曲线方程分别为；
连锁螺线螺旋形叶片7的左弦：y＝-0.0001x3-0.0054x2-1.8462x-3.3769；
连锁螺线螺旋形叶片7的右弦：y＝-2.2714x+0.0025；
连锁螺线螺旋形叶片7的截面翼型距离轮毂3的前缘轴向192cm处的参数参见表3，
表3：
序号 X Y 序号 X Y
1 30.382 -47.191 7 24.831 -49.929
2 33.669 -52.495 8 27.59 -55.477
3 40.261 -63.091 9 33.108 -66.572
4 46.871 -73.677 10 38.626 -77.667
5 53.492 -84.255 11 44.145 -88.763
6 60.121 -94.829 12 49.663 -99.858
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片7的左弦：y＝0.003x2-1.7248x+3.2307；
连锁螺线螺旋形叶片7的右弦：y＝-2.0113x+0.0056。
实施例2。
结合图1至图5，本发明所述连锁螺线螺旋形叶片7的半径可伸缩，所述连锁螺线螺旋形叶片7的最大半径Rmax与导流罩1的出口直径D3的比值为0.92，所述连锁螺线螺旋形叶片7的最小半径Rmin与最连锁螺线螺旋形叶片7的大半径Rmax的比值为0.8。
所述的连锁螺线螺旋形叶片7的数量为2-4枚。
所述增能转轮的进水口与导流罩1的中间段的尺寸相等；所述叶片4和增能转轮依次受潮流能冲击而旋转，所述旋转产生的旋转力矩传递给转动轴2，所述转动轴2与叶片4和增能转轮连动旋转。
实施例3。
结合图1和图2，本发明所述的轮毂3为带凸起的球面形状，所述轮毂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。
实施例4。
结合图1、图2和图5，本发明所述的转动轴2直径Dh与基础转轮的直径D0的比值为0.21～0.28，导流罩1的中间段的直径D1与基础转轮的直径D0的比值为1.05～1.13，导流罩1的进口直径D2与基础转轮的直径D0的比值为1.20～1.27，导流罩1的出口直径D3与基础转轮的直径D0的比值为1.68～1.75。
下面结合附图进一步公开本发明的主要部件尺寸的具体实施例。
实施例5。
结合图2，本发明所述导流罩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的中间段的直径为270cm，导流罩1的出口段的直径为238cm；导流罩1的进口段的长度为22cm、中间段的长度144cm、导流罩1的出口段的长度为84cm；所述增能转轮的连锁螺线螺旋形叶片7的数量为2枚，连锁螺线螺旋形叶片7的直径为218cm。
实施例6。
结合图2，本发明所述导流罩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的中间段的直径为405cm，导流罩1的出口段的直径为624cm；导流罩1的进口段的长度为33cm、中间段的长度为216cm、出口段的长度为125cm；所述双转轮中增能转轮的连锁螺线螺旋形叶片7的数量为3枚，连锁螺线螺旋形叶片7的螺距为121cm，连锁螺线螺旋形叶片7的直径为175cm。
实施例7。
结合图2，本发明所述导流罩1的进口直径为403cm、基础转轮的直径为306cm，转动轴2的直径为75cm，导流罩1的中间段的直径为405cm，导流罩1的出口段的直径为604cm；导流罩1的进口段的长度为33cm、中间段的长度为216cm、出口段的长度为125cm；所述双转轮中增能转轮的连锁螺线螺旋形叶片7的数量为4枚，连锁螺线螺旋形叶片7的螺距为121cm，连锁螺线螺旋形叶片(7)的直径为275cm。
经试验验证，本发明的一种基于双转轮的潮流能水轮机在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，应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。
本发明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。
本发明经反复试验验证，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发明提出的一种基于双转轮的潮流能水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于双转轮的潮流能水轮机，包括导流罩(1)、转动轴(2)、轮毂(3)以及固定在所述轮毂(3)上的叶片(4)，所述转动轴(2)、轮毂(3)以及叶片(4)均置于导流罩(1)内，其特征在于，还包括增能转轮，所述增能转轮包括连锁螺线螺旋形叶片(7)，其中：所述连锁螺线螺旋形叶片(7)是根据连锁螺线螺旋线沿转动轴(2)的轴向逐渐拉伸，呈空间交叉扭曲形状并均匀分布设置在转动轴(2)的周向内壁上，以所述转动轴(2)为中心旋转面的连锁螺线螺旋形叶片(7)的各截面的交点为原点建立坐标系，所述连锁螺线螺旋形叶片(7)在转动轴(2)外周上，不同轴向距离下的截面翼型曲线上的关键点的坐标以如下方式表示，X代表连锁螺线螺旋形叶片(7)的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，Y代表连锁螺线螺旋形叶片(7)的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，连锁螺线螺旋形叶片(7)的截面翼型距离轮毂(3)的前缘轴向102cm处的参数参见表1，
表1：
序号 X Y 序号 X Y 1 34.951 -5.22 7 32.947 -11.081 2 38.823 -5.907 8 36.608 -12.313 3 46.571 -7.26 9 43.929 -14.775 4 54.322 -8.593 10 51.251 -17.238 5 62.076 -9.912 11 58.573 -19.7 6 69.831 -11.222 12 65.894 -22.163
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片(7)的左弦：y＝0.0011x2-0.2253x+1.6783；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的右弦：y＝-0.3354x-0.0114；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的截面翼型距离轮毂(3)的前缘轴向132cm处的参数参见表2，
表2：
序号 X Y 序号 X Y 1 -45.826 75.281 7 -35.12 79.78 2 -43.305 71.081 8 -33.169 75.348 3 -38.268 62.677 9 -29.266 66.483 4 -33.241 54.268 10 -25.364 57.619 5 -28.228 45.85 11 -21.462 48.754 6 -23.237 37.419 12 -17.56 39.89
拟合后的两条曲线方程分别为；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的左弦：y＝-0.0001x3-0.0054x2-1.8462x-3.3769；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的右弦：y＝-2.2714x+0.0025；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的截面翼型距离轮毂(3)的前缘轴向192cm处的参数参见表3，
表3：
序号 X Y 序号 X Y 1 30.382 -47.191 7 24.831 -49.929 2 33.669 -52.495 8 27.59 -55.477 3 40.261 -63.091 9 33.108 -66.572 4 46.871 -73.677 10 38.626 -77.667 5 53.492 -84.255 11 44.145 -88.763 6 60.121 -94.829 12 49.663 -99.858
拟合后的两条曲线方程分别为：
连锁螺线螺旋形叶片(7)的左弦：y＝0.003x2-1.7248x+3.2307；
连锁螺线螺旋形叶片(7)的右弦：y＝-2.0113x+0.0056；
所述连锁螺线螺旋形叶片(7)的半径可伸缩，所述连锁螺线螺旋形叶片(7)的最大半径Rmax与导流罩(1)的出口直径D3的比值为0.92；所述连锁螺线螺旋形叶片(7)的最小半径Rmin与连锁螺线螺旋形叶片(7)的最大半径Rmax的比值为0.8。
2.根据权利要求1所述的一种基于双转轮的潮流能水轮机，其特征在于，所述连锁螺线螺旋形叶片(7)的数量为2-4枚。
3.根据权利要求2所述的一种基于双转轮的潮流能水轮机，其特征在于，所述增能转轮的进水口与导流罩(1)的中间段的尺寸相等；所述叶片(4)和增能转轮依次受潮流能冲击而旋转，所述旋转产生的旋转力矩传递给转动轴(2)，所述转动轴(2)与叶片(4)和增能转轮连动旋转。
4.根据权利要求3所述的一种基于双转轮的潮流能水轮机，其特征在于，所述轮毂(3)为带凸起的球面形状，所述轮毂(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)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。
5.根据权利要求4所述的一种基于双转轮的潮流能水轮机，其特征在于，所述转动轴(2)直径Dh与基础转轮的直径D0的比值为0.21～0.28，导流罩(1)的中间段的直径D1与基础转轮的直径D0比值为1.05～1.13，导流罩(1)的进口直径D2与基础转轮的直径D0的比值为1.20～1.27，导流罩(1)的出口直径D3与基础转轮的直径D0的比值为1.68～1.75。
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