一种带增能转轮的潮流能水轮机的制作方法

本发明属于流体机械及水电工程设备
技术领域：
，特别是涉及一种带增能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。技术实现要素：：本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种带增能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带增能转轮的潮流能水轮机，包括导流罩、固定在转动轴上的轮毂、固定在轮毂上的基础叶轮，所述转动轴、轮毂以及基础叶轮均置于导流罩内，其特征在于，还包括带半径可变的对数曲线螺旋形叶片的增能转轮，所述增能转轮位于导流罩的出口端，所述对数曲线螺旋形叶片是根据对数曲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对数曲线螺旋形叶片的各截面的交点为原点建立坐标系，所述对数曲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半径最大处的关键点的坐标以如下方式表示，x代表对数曲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代表对数曲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，对数曲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：对数曲线螺旋形叶片的左弦：y＝0.1650x+0.0073；对数曲线螺旋形叶片的右弦：y＝0.5516x-0.7018；对数曲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xy序号xy1-82.5421-9.68197-74.9703-28.20682-77.9564-9.1448-58.0275-21.93863-68.7851-8.06829-41.0848-15.67044-59.6137-6.992510-49.5561-18.80455-50.4424-5.916711-62.2632-23.50566-41.271-4.840912-36.8491-14.1034拟合后的两条曲线方程分别为：对数曲线螺旋形叶片的左弦：y＝0.1174x+0.0014；对数曲线螺旋形叶片的右弦：y＝0.3694x-0.4771；对数曲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xy序号xy118.44-55.814728.439-51.406220.489-62.015831.457-57.118324.587-74.418937.494-68.541428.685-86.8211043.531-79.965532.782-99.2251149.569-91.388636.88-111.6281255.606-102.812拟合后的两条曲线方程分别为：对数曲线螺旋形叶片的左弦：y＝0.0001x2-3.0283x+0.0087；对数曲线螺旋形叶片的右弦：y＝-0.0001x2-1.8885x+2.3695。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，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。其中，呈对数曲线螺旋线形状的螺旋形叶片可根据潮流流速不同设置成不同的螺距并调节空间扭曲度；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对数螺线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，本发明提供了一种带增能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潮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对数曲线螺旋线形状，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的后方设置的对数曲线螺旋形叶片在径向具有变截面功能，其采用金属铰接的伸缩装置使得对数曲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。附图说明图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是本发明的对数曲线螺旋形叶片的立体结构示意图。图4是本发明对数曲线螺旋形叶片的对数曲线螺旋线结构示意图。图5是本发明带增能转轮的潮流能水轮机转轮示意图。图6是本发明的对数曲线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向102cm处的对数曲线螺旋形叶片的截面型线示意图。图7是本发明的对数曲线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向132cm处的对数曲线螺旋形叶片的截面型线示意图。图8是本发明的对数曲线螺旋形叶片的截面翼型距离轮毂的前缘轴向192cm处的对数曲线螺旋形叶片的截面型线示意图。附图中的编号说明：导流罩1、转轴2、轮毂3、叶片4、导流罩的进水侧5、导流罩的出水侧6、对数曲线螺旋线叶片7、叶轮的直径d0、导流罩1的中间段的直径d1、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的出口长度l3、对数曲线螺旋线叶片7处于半径最小状态时的对数曲线螺旋线叶片7的最大半径rmin、对数曲线螺旋线叶片7处于半径最大状态时的对数曲线螺旋线叶片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，本发明提出的一种带增能转轮的潮流能水轮机，包括导流罩1、固定在转动轴2上的轮毂3、固定在轮毂3上的基础叶轮，所述转动轴2、轮毂3以及基础叶轮均置于导流罩1内，还包括带半径可变的对数曲线螺旋形叶片7的增能转轮，所述增能转轮位于导流罩1出口端，所述对数曲线螺旋形叶片7是根据对数曲线螺旋线沿转动轴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为中心旋转面的对数曲线螺旋形叶片7的各截面的交点为原点建立坐标系，所述对数曲线螺旋形叶片7在转动轴2外周上，不同轴向距离下的截面翼型曲线上半径最大处的关键点的坐标以如下方式表示，x代表对数曲线螺旋形叶片7的截面翼型曲线上的关键点的空间横坐标值，y代表对数曲线螺旋形叶片7的截面翼型曲线上的关键点的空间纵坐标值，对数曲线螺旋形叶片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：拟合后的两条曲线方程分别为：对数曲线螺旋形叶片7的左弦：y＝0.1650x+0.0073；对数曲线螺旋形叶片7的右弦：y＝0.5516x-0.7018；对数曲线螺旋形叶片7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xy序号xy1-82.5421-9.68197-74.9703-28.20682-77.9564-9.1448-58.0275-21.93863-68.7851-8.06829-41.0848-15.67044-59.6137-6.992510-49.5561-18.80455-50.4424-5.916711-62.2632-23.50566-41.271-4.840912-36.8491-14.1034拟合后的两条曲线方程分别为：对数曲线螺旋形叶片7的左弦：y＝0.1174x+0.0014；对数曲线螺旋形叶片7的右弦：y＝0.3694x-0.4771；对数曲线螺旋形叶片7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xy序号xy118.44-55.814728.439-51.406220.489-62.015831.457-57.118324.587-74.418937.494-68.541428.685-86.8211043.531-79.965532.782-99.2251149.569-91.388636.88-111.6281255.606-102.812拟合后的两条曲线方程分别为：对数曲线螺旋形叶片7的左弦：y＝0.0001x2-3.0283x+0.0087；对数曲线螺旋形叶片7的右弦：y＝-0.0001x2-1.8885x+2.3695。实施例2。结合图1至图5，本发明所述的半径可变的对数曲线螺旋形叶片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；所述基础转轮的叶片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，所述的轮毂3呈球面凸起的形状，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，本发明所述的基础叶轮包括叶片4，所述叶片4的数量为2-4枚。所述的转动轴2的直径dh与基础叶轮的直径d0的比值为0.21～0.28，导流罩1的中间段的直径d1与基础叶轮的直径d0比值为1.05～1.13，导流罩1的进口直径d2与基础叶轮的直径d0的比值为1.20～1.27，导流罩1的出口直径d3与基础叶轮的直径d0的比值为1.68～1.75。所述的带半径可变的对数曲线螺旋形叶片7的半径可伸缩，对数曲线螺旋形叶片7的最大半径rmax与导流罩1的出口直径d3的比值为0.92；对数曲线螺旋形叶片7的最小半径rmin与对数曲线螺旋形叶片7的最大半径rmax的比值为0.8，从而使得导流罩1的出口处的流量可调节。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d2为302cm、基础转轮的直径d0为240cm,转动轴2的直径为50cm，导流罩1的中间段的直径d1为270cm，导流罩1的出口直径d3为238cm；导流罩1的进口段的长度为22cm、中间段的长度为144cm、出口段的长度为为84cm；所述增能转轮的对数曲线螺旋形叶片7的数量为2枚，对数曲线螺旋形叶片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d2为453cm、基础转轮的直径d0为356cm,转动轴2的直径为75cm，导流罩1的中间段的直径d1为405cm，导流罩1的出口直径d3为624cm；导流罩1的进口段的长度为33cm、中间段的长度为216cm、出口段的长度为为125cm；所述增能转轮的对数曲线螺旋形叶片7的数量为3枚，对数曲线螺旋形叶片7的螺距为121cm，对数曲线螺旋形叶片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d2为400cm、基础转轮的直径d0为300cm,转动轴2的直径为75cm，导流罩1的中间段的直径d1为405cm，导流罩1的出口直径d3为624cm；导流罩1的进口段的长度为33cm、中间段的长度为216cm、出口段的长度为为125cm；所述增能转轮的对数曲线螺旋形叶片7的数量为4枚，对数曲线螺旋形叶片7的螺距为121cm，对数曲线螺旋形叶片7的直径为185cm。经试验验证，本发明提出的一种带增能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带增能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。当前第1页12