CN108397332A - 一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机，包括两个竖轴升力型水轮机转子和水轮机旋转轴，水轮机旋转轴竖向安装，两个转子共用水轮机旋转轴，沿竖向串列布置，并错开一定角度，使两个水轮机转子对应的叶片上下错位相间布置；每个水轮机转子均包括若干个翼型叶片、流线型端板和流线型连杆，翼型叶片沿水轮机旋转面等间隔布置，在叶片的上端和下端均安装流线型端板，通过流线型连杆将叶片连接至水轮机旋转轴。本发明竖轴水轮机通过将两个转子错位相间布置大大减少了传统竖轴水轮机的脉动特性，通过在叶片上下两端加装流线型端板减少了叶片端部涡流的影响，提升了水轮机的水动力效率。

Description

一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机
技术领域
本发明属于海洋潮流能开发技术领域，具体涉及一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机。
背景技术
潮流能是海水在涨落潮周期运动中所携带的流体动能，潮流具有和潮汐现象类似的周期性特点，其在某一区域的大小和方向可以较为精确的预测，开发所得电能更易为电网所接受。由于潮流能清洁可再生，且在一些沿海海域储量巨大，因而获得了广泛的关注。
潮流能开发主要是通过水轮机将流体动能转换成旋转机械能再转换成电能，水轮机作为直接获能部件，性能极为重要。潮流能水轮机主要有竖轴与水平轴两种结构形式，竖轴水轮机旋转轴与水流来流方向垂直，相比于水平轴水轮机，其最大优势在于水轮机运转不受来流方向影响，在潮流流向往复变换的环境中不需偏航机械***；同时发电机也可以沿竖向布置于水轮机上方，不影响水轮机流场。竖轴水轮机通常为升力型水轮机，即基于翼型升力原理，叶片截面为翼型截面，采用3或4叶片形式，通过叶片两侧的压力差推动水轮机运转；然而在叶片末端，由于叶片两侧压力差的存在，流体会由高压一侧绕过叶片端部流向低压一侧，形成叶片端部涡流，叶片端部涡流会削弱叶片两侧压力差，降低叶片效率，进而影响竖轴水轮机整体水动力效率。同时，由于叶片在旋转平面内非连续均匀分布，竖轴水轮机荷载及输出呈较为明显的周期性脉动，对电控和结构设计较为不利。叶片的非连续均匀分布也影响了竖轴水轮机的自启动性能，当水轮机处于某些停止位置时难于在水流作用下自行启动。
发明内容
为了解决传统竖轴升力型水轮机荷载及输出脉动、自启动性能差的问题，同时降低叶片端部涡流对水轮机水动力性能的影响，本发明提供了一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机，该水轮机结构简单且易于制造，在继承传统竖轴升力型水轮机优点的同时，将水轮机荷载及输出脉动、自启动性能差、叶片端部涡流的问题大大改善，提升了竖轴水轮机的适用性和经济性。
一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机，包括转轴以及固定在转轴上的两个转子，所述转轴竖直安装且上端与发电机轴连接，用以将转子旋转得到的机械能转化为电能；两个转子结构相同且沿转轴竖向串列布置，每个转子均包含有叶片，两个转子错开一定角度，即一个转子的叶片需对应在另一个转子的相邻两个叶片之间。
进一步地，所述转子包含有3～4个翼型叶片，所述叶片两端安装有流线型端板，且叶片两端通过流线型连杆与转轴连接，叶片沿转轴周向等间隔布置；叶片上下两端安装流线型端板，能够减少端部涡流。
本发明水轮机通过将两个转子串列并错位相间布置，使两个转子的脉动特性相互补偿，最终达到稳定输出的效果；在启动前，即使其中一个转子处于不利启动位置，也可利用另一个转子进行自启动；由于双转子水轮机增加了叶片端部数量，会造成更多的叶片端部涡流损失并降低水轮机整体水动力效率；通过在叶片端部加装端板来减少端部涡流的产生，使得本发明双转子水轮机能够达到或超过传统竖轴升力型水轮机的水动力效率。
附图说明
图1为本发明竖轴双转子潮流能水轮机的结构示意图。
图2为本发明竖轴双转子潮流能水轮机的立面示意图。
图3为双转子与单转子水轮机启动转矩系数沿方位角的分布曲线图。
图4为双转子与单转子水轮机输出转矩系数沿方位角的分布曲线图。
图5(a)为数值模拟得到的叶片加装流线型端板前叶片端部附近的流线图。
图5(b)为相同条件下叶片加装端板后叶片端部附近的流线图。
图中：1-翼型叶片，2-流线型端板，3-流线型连杆，4-水轮机旋转轴，5-上转子，6-下转子。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机整体结构如图1和图2所示，包括上转子5和下转子6两个转子和水轮机旋转轴4，水轮机旋转轴4竖直安装，上端可连接发电机将旋转机械能转化为电能，每个水轮机转子均包括若干个翼型叶片1、流线型端板2和流线型连杆3，翼型叶片1沿水轮机旋转面等间隔布置，在叶片1的上端和下端均安装流线型端板2，通过流线型连杆3将叶片1和端板2连接至水轮机旋转轴4；上转子5和下转子6共用水轮机旋转轴4，沿竖向串列布置，并错开一定角度安装，使每一个转子的叶片均处于另一个转子对应两个相邻叶片的中间位置。
单个竖轴水轮机转子由于叶片沿旋转平面非连续分布，转动过程中荷载与输出呈现周期性脉动；通过将两个水轮机转子错位相间布置，使两个转子的脉动特性峰谷相抵，可以得到较为稳定的荷载、输出状态及自启动性能；定义无因次转矩系数T*如下：
T*＝T/ρU2C2L
式中：T为水轮机在水流作用下所得水动力转矩，ρ为流体密度，U为来流速度，C和L分别为叶片的弦长和展长。
通过数值模拟得到的竖轴双转子及单转子水轮机在不同停止位置时的启动转矩系数分布如图3所示，图3中不同半径的圆圈代表启动转矩系数的大小，圆圈外的角度刻度位置代表水轮机转子方位角θ的相应取值。从图3可以看到，单转子水轮机启动转矩沿方位角变化较大，且在某些方位角区域为负值，即使在高启动转矩区域开始启动，由于启动时转速较低，也可能在进入不利启动位置时再次停止，而双转子水轮机的启动转矩沿方位角变化较小，且均为正值，有利于水轮机的平稳启动。图4为双转子和单转子水轮机在最佳工作尖速比时的转矩系数曲线，可以看到相比单转子水轮机，双转子水轮机输出极为稳定，作用在输出端的荷载脉动也将大大减小。
通过实验室物理模型实验，对水轮机直径与叶片竖向长度(展长)比值为1.875的单个三叶片水轮机转子模型进行测试，结果显示在叶片上下端部加装流线型端板可在同等条件下使水轮机水动力效率提升约7％。数值模拟结果显示，未在叶片端部加装流线型端板时，有较多流体绕过叶片端部形成端部涡流，如图5(a)所示；加装端板后，叶片端部涡流大大减少，如图5(b)所示，进而提升了叶片和水轮机的水动力效率。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种加装端板的竖轴双转子潮流能水轮机，其特征在于：包括转轴以及固定在转轴上的两个转子，所述转轴竖直安装且上端与发电机轴连接，用以将转子旋转得到的机械能转化为电能；两个转子结构相同且沿转轴竖向串列布置，每个转子均包含有叶片，两个转子错开一定角度，即一个转子的叶片需对应在另一个转子的相邻两个叶片之间。
2.根据权利要求1所述的竖轴双转子潮流能水轮机，其特征在于：所述转子包含有3～4个翼型叶片，所述叶片两端安装有流线型端板，且叶片两端通过流线型连杆与转轴连接，叶片沿转轴周向等间隔布置。
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