应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法

本发明属于水轮机，具体涉及一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法。

背景技术：

1、潮流能是潮水在水平运动时所含有的动能，又称海流能；潮流能具有随机性和间歇性，使得水轮机获能变化幅度大且不稳定。

2、单一的变桨距调节沿桨叶的纵轴旋转整个叶片，改变桨叶位置，控制能量吸收。但增加了变桨距装置，控制复杂；且频繁而大量的调，增大变桨伺服机构的疲劳与叶片载荷，增加故障机率。

3、传统垂直轴水轮机自启动能力差等问题，直接影响了潮流能的装置的平稳运行与开发效率在流速低于启动流速时，潮流能水轮机不能正常启动；而当风速超过切出流速时，水轮机必须停机自保，这严重影响了潮流能的利用。

4、目前的水轮机叶片为一体结构，这样叶片转动时，既受水流的推力，也受到水流的阻力，从而导致水流的动能利用率不高，导致发电效果差，实用性不强，不能满足人们的使用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法，解决现有技术中，水轮机叶片为一体结构，转向变桨技术需要对整个叶片进行调节，变桨复杂，导致水流的动能利用率不高，导致发电效果差技术问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的方案是：

3、一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，包括轮毂和多个叶片，叶片包括主叶片和折叠叶片，多个主叶片绕轮毂的外周周向均匀分布；每个折叠叶片设置在主叶片远离轮毂的一端，每个主叶片和相应的折叠叶片通过转轴转动连接，每个主叶片上均设有驱动组件；每个驱动组件和相应的转轴传动连接，驱动组件能够带动转轴，使相应的折叠叶片转动。

4、通过设置驱动组件，驱动组件能够作用于转轴，使折叠叶片转动，所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。

5、进一步的是，主叶片和折叠叶片的长度之比为1：(0.5～1)，此比例优化叶片质量分布和降低叶片质量，并保证叶片承受极限风载时各个部位受力安全。

6、进一步的是，折叠叶片为弧形板，克服了垂直轴水轮机自启动性能差，荷载波动大的缺点，提高垂直轴水轮机发电的稳定性。

7、进一步的是，驱动组件为两个；驱动组件包括电机，电机固定安装在主叶片上，电机的输出轴上安装有主动齿轮，转轴上相应位置固定套设有和主动齿轮啮合的从动齿轮。

8、通过启动电机，使主动齿轮转动，带动从动齿轮和转轴，使折叠叶片旋转。

9、进一步的是，转轴上沿转轴的长度方向间隔设置有四个连接件，相邻两个连接件之间距离相同；其中两个连接件分别安装在转轴的两端；连接件包括连接块和u型底座，连接块的另一端与u型底座铰接，转轴和连接块通过轴承转动连接，转轴和u型底座固连。

10、通过使四个连接件等间距安装在转轴上，当水轮机转动时，可以使转轴各部分承受均匀的外力。

11、进一步的是，四个连接件依次记为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件，两个安装在转轴上的从动齿轮，其中一个位于第一连接件和第二连接件之间的中心位置，另一个位于第三连接件和第四连接件之间的中心位置。

12、进一步的是，还包括控制器和用于测量流速的多普勒流速传感器；u型底座上安装有用于监测转轴转动角度的角度传感器，以折叠叶片和主叶片相切时，转轴所对应的角度为0°，以折叠叶片展开时转轴的转动方向为正方向，以折叠叶片折叠时转轴的转动方向为反方向，转轴或折叠叶片的转动角度记为α。多普勒流速传感器、电机和角度传感器均与控制器电性连接。

13、基于上述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法，包括如下步骤：

14、步骤1：角度传感器采集折叠叶片的角度α、多普勒流速传感器采集的流速v，以及水轮机的转速的ω，实时传给控制器，控制器收到上述数据后，数据处理模块根据当前流速v和水轮机的转速的ω，计算出水轮机得当前功率p，并根据水轮机转速特性曲线，得出水轮机得最大功率pmax，以及最大功率pmax对应的叶尖速比；根据叶尖速比求出对应叠叶片旋转方向和旋转角度α0；

15、步骤2：控制器将采集折叠叶片的角度α与最大功率pmax对应旋转角度α0进行比较，然后发出指令，通过电机的转动角度和转动方向，调整折叠叶片的角度α，进一步提高能量捕获效率cp。

16、进一步的是，所述水轮机叶尖速比计算公式为：

17、

18、其中，v表示潮流速度，由多普勒流速传感器监测所得；r表示叶片的长度，ω为水轮机的转速，由水轮机自带测速装置测得。

19、进一步的是，所述叶片的长度r按照如下方式计算：

20、1)、当|α|<90°时，r＝l1+l2sinα；

21、2)、当α≥90°时，r＝l1为主叶片两端的直线距离；

22、其中，l1表示主叶片根部到与折叠叶片连接一端的直线距离；l2表示折叠叶片的长度。

23、本发明的有益效果是：

24、本发明通过将水轮机的叶片设计成两部分，包括通过转轴连接的主叶片和折叠叶片，并通过驱动组件作用于转轴，使折叠叶片转动。所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。

技术特征：

1.一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，包括轮毂(2)和多个叶片(3)，叶片(3)包括主叶片(4)折叠叶片(5)，多个主叶片(4)绕轮毂(2)的外周周向均匀分布；

2.根据权利要求1所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，所述主叶片(4)和折叠叶片(5)的长度之比为1：(0.5～1)。

3.根据权利要求2所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，折叠叶片(5)为板状结构。

4.根据权利要求3所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，所述驱动组件(6)为两个；

5.根据权利要求4所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，转轴(7)上沿其长度方向间隔设置有四个连接件，相邻两个连接件之间距离相同；其中两个连接件分别安装在转轴(7)的两端；

6.根据权利要求5所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，四个连接件依次记为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件；

7.根据权利要求6所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，还包括控制器和用于测量流速的多普勒流速传感器；

8.基于权利要求1-7中任一项所述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，所述水轮机叶尖速比计算公式为：

10.根据权利要求9所述的垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，所述叶片的长度r按照如下方式计算：

技术总结
本发明公开了一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法，该装置包括轮毂和多个叶片，叶片包括主叶片和折叠叶片，多个主叶片绕轮毂的外周周向均匀分布；每个主叶片远离轮毂的一端均设有折叠叶片，每个主叶片和相应的折叠叶片通过转轴转动连接，每个主叶片上均设有驱动组件；每个驱动组件和相应的转轴传动连接，驱动组件能够作用于转轴，使折叠叶片折叠。所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。伸展或完全展开，适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率。

技术研发人员：臧伟,周元斌,蒋涛,刘斌,张玉全,凌皓炜,潘卫锋,吉庆伟,周韩宝,赵文军,胡兆全,王艺蓉,赵习羽,孔千慧,顾晨
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12