一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置

摘要

本发明提供的是一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置。包括主轴及轮盘部分、轮辐部分和叶片及叶片连接部分。其特征是：主轴及轮盘部分包括主轴、轮盘、连接槽、槽连接孔；轮辐部分包括轮辐板、轮辐板连接孔、限位腿、角度调节螺栓；叶片及叶片连接部分包括叶片、叶片箍、限位座；主轴及轮盘部分通过连接螺栓与轮辐部分连接，轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连。本发明可调整叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围，可根据潮流环境更换轮辐部分，改变叶轮转动半径，是一种结构简单，安装、调节、拆换方便，运行可靠，适合工程应用的叶轮装置，用于潮流能转换。

权利要求

1.一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置，包括主轴及轮盘部分、轮辐部分和叶片及叶片连接部分；其特征是：主轴及轮盘部分包括主轴、轮盘、连接槽、槽连接孔；轮辐部分包括轮辐板、轮辐板连接孔、限位腿、角度调节螺栓；叶片及叶片连接部分包括叶片、叶片箍、限位座；主轴及轮盘部分通过连接螺栓与轮辐部分连接，轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连；

主轴及轮盘部分的主轴上以焊接方式固连有两个轮盘，轮盘分别位于主轴底部和上部，下方轮盘底面与主轴底面平齐，上下轮盘上分别开有三个连接槽，槽上开有两个连接孔，通过连接螺栓与轮辐部分相连；

轮辐部分的轮辐板一端开有两个连接孔，用于连接主轴及轮盘部分，另一端设有两个限位腿和一个单层轴套，限位腿上设有角度调节螺栓，用于改变叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围；单层轴套通过转轴与叶片及叶片连接部分相接；轮辐板一端宽，一端窄，为梯形结构，轮辐板断面采用棱锥流线型；

叶片及叶片连接部分的叶片上下部分分别设有叶片箍，叶片箍具有流线型，与叶片横剖面形状相似，与叶片以焊接方式固连，叶片箍焊接于距叶片端部0.21-0.22倍长度处，叶片箍上设有限位座，与角度调节螺栓配合，调节叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围，限位座上设有双层轴套，通过转轴与轮辐部分相连。

说明书

一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置，属于液力机械和液力发动机领域。

背景技术

[0002] 潮流能是一种可再生清洁能源，与潮汐的涨落相伴。我国可开发潮流能资源居世界之首。

[0003] 潮流能转换过程中，潮流发电机的叶轮装置是潮流能开发和利用的关键水动力构件，其构成主要包括主轴、叶片以及相关的连接及调节控制机构等。潮流发电机叶轮装置分为水平轴式和垂直轴式。水平轴潮流发电机叶轮装置的主轴平行于水面，水流方向垂直于叶轮盘面；垂直轴潮流发电机叶轮装置的主轴垂直于水面，并且和来流的方向垂直，叶片展向平行于主轴。相对于水平轴叶轮装置，垂直轴叶轮装置启动方便，对水深要求不高，工作时不受来流方向改变的影响，控制调节机构相对简单，而且效率较高。垂直轴发电机叶轮装置根据叶片攻角的可调性又可分为固定攻角式和可变攻角式。固定攻角的特点是结构简单，工作可靠性强，可变攻角叶轮装置的特点是能量利用效率高，启动速度低。

[0004] CNKI中公开的一篇标题为“垂直轴潮流水轮机水力性能的数值模拟研究”的论文，基于理论分析和数值模拟对垂直轴潮流水轮机进行研究。在保持叶尖速比一定、改变来流速度的条件下，深入分析了两种叶片安装母线形状的潮流水轮机内部流场及水力性能。计算结果表明：当采用同一叶片翼型(NACA0018)、在相同的运行工况下，同等尺寸的螺旋形叶片潮流水轮机的输出功率要大于直线形叶片潮流水轮机的输出功率，而且在运行稳定性方面，前者比后者更佳；当采用不同叶片翼型时，水轮机的水力性能不同，输出功率有较大差异。研究也揭示了垂直轴潮流水轮机及其周围存在复杂的大规模漩涡运动。其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系。该研究对新型潮流水轮机的设计和应用有重要参考价值。

[0005] 公开号为CN 1839258A的专利文件中公开的立轴式水轮机的技术方案，包括立式转子，该转子包括至少三个叶片，每个叶片通过一体的一对支臂与转子相连。转子的旋转过程中每个叶片相对于转子径向成80°-90°的范围内执行角位移。每个叶片配有一对配重件，叶片与配重件一体连接。配重件以10°极限枢转角链接在转子相应的一对支臂上，用于叶片在转子上的枢转连接。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种可调整叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围，可根据潮流环境更换轮辐部分，改变叶轮转动半径，且结构简单，安装、调节、拆换方便，运行可靠，适合工程应用的一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置。

[0007] 本发明的目的是这样实现的：

[0008] 包括主轴及轮盘部分、轮辐部分和叶片及叶片连接部分。其特征是：主轴及轮盘部分包括主轴、轮盘、连接槽、槽连接孔；轮辐部分包括轮辐板、轮辐板连接孔、限位腿、角度调节螺栓；叶片及叶片连接部分包括叶片、叶片箍、限位座；主轴及轮盘部分通过连接螺栓与轮辐部分连接，轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连。

[0009] 本发明还可以包括：

[0010] 1、所述的轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连是指：轮辐部分设有单层轴套、叶片及叶片连接部分设有双层轴套，单层轴套与双层轴套之间通过转轴连接。

[0011] 2、所述的轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连是指：轮辐部分与叶片及叶片连接部分还可通过球铰连接。

[0012] 3、所述主轴及轮盘部分的主轴上固连有两个轮盘，两个轮盘分别位于主轴下方和上方，下方轮盘底面与主轴底面平齐，两个轮盘上分别开有三个连接槽，槽上开有连接孔，通过连接螺栓与轮辐部分相连。

[0013] 4、所述轮辐部分的轮辐板的一端开有连接孔，用于连接主轴及轮盘部分，轮辐板的另一端设有两个限位腿，限位腿上设有角度调节螺栓，用于改变叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围。

[0014] 5、所述轮辐板一端宽，一端窄，为梯形结构，断面为棱锥流线型。

[0015] 6、所述叶片及叶片连接部分的叶片上下部分分别设有叶片箍，叶片箍具有流线型，与叶片横剖面形状相似，叶片箍与叶片固连，位于距叶片端部0.21-0.22倍长度处。

[0016] 7、叶片箍上设有限位座，与角度调节螺栓配合，调节叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围。

[0017] 本发明的一种潮流发电机的叶轮装置的主要特点在于：

[0018] 1、结构简单，运行可靠，易加工制造，安装、调节、拆换方便，适合工程应用；

[0019] 2、轮辐部分可拆换，可改变转动半径，适应不同使用环境；

[0020] 3、可实现固定攻角和变攻角之间的转换。固定攻角情况下，迎流攻角可调，变攻角情况下摆角范围可调，一定角度范围内可提高能量的利用率；

[0021] 4、轮辐板设计形式既考虑了工程应用中强度需要，又降低了轮辐板自重，同时减小了绕流影响；

[0022] 5、叶片连接设计保护了叶片的完整性，对提高叶片水力性能有利，叶片箍位于距叶片端部0.21-0.22倍长度处，使叶片所受弯矩最小，减小弯矩对叶片的破坏。

附图说明

[0023] 图1垂直轴发电机叶轮装置的第一种实施方式俯视图；

[0024] 图2垂直轴发电机叶轮装置的第二种实施方式俯视图；

[0025] 图3垂直轴发电机叶轮装置正视图；

[0026] 图4转轴及转盘部分结构示意图；

[0027] 图5轮辐部分结构示意图；

[0028] 图6叶片及叶片连接部分结构示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0030] 结合图1-图6。本发明的垂直轴潮流发电机的叶轮装置的组成包括：1.主轴，2.轮盘，3.连接螺栓，4.轮辐板，5.角度调节螺栓，6.限位腿，7.单层轴套，8.双层轴套，
9.限位座，10.叶片箍，11.转轴，12.叶片，13.连接槽，14.槽连接孔，15.轮辐板连接孔，
16.球铰，17.铰座。

[0031] 本发明的方案一分为主轴及轮盘部分、轮辐部分和叶片及叶片连接部分。主轴及轮盘部分包括主轴、轮盘、连接槽、槽连接孔；轮辐部分包括轮辐板、轮辐板连接孔、限位腿、单层轴套、角度调节螺栓；叶片及叶片连接部分包括叶片、叶片箍、双层轴套、限位座。主轴及轮盘部分通过连接螺栓与轮辐部分连接，轮辐部分通过转轴与叶片及叶片连接部分相连。

[0032] 主轴及轮盘部分的主轴上以焊接方式固连有两个轮盘，轮盘分别位于主轴底部和上部。下方轮盘底面与主轴底面平齐，上下轮盘上分别开有三个连接槽，槽上开有两个连接孔，通过连接螺栓与轮辐部分相连。该部分使用不锈钢材料。

[0033] 轮辐部分的轮辐板一端开有两个连接孔，用于连接主轴及轮盘部分，另一端设有两个限位腿和一个单层轴套。限位腿上设有角度调节螺栓，用于改变叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围；单层轴套通过转轴与叶片及叶片连接部分相接。轮辐板一端宽，一端窄，为梯形结构，既有利于提高自身强度，又有利于减轻自身重量。轮辐板断面采用棱锥流线型，可以降低自身绕流影响，提高叶轮装置的性能。该部分角度调节螺栓使用稀土耐磨材料，其他部分使用不锈钢材料。

[0034] 叶片及叶片连接部分的叶片上下部分分别设有叶片箍，叶片箍具有流线型，与叶片横剖面形状相似，与叶片以焊接方式固连，叶片箍焊接于距叶片端部0.21-0.22倍长度处，以降低叶片上的弯矩。叶片箍上设有限位座，与角度调节螺栓配合，调节叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围。限位座上设有双层轴套，通过转轴与轮辐部分相连。该部分限位座使用稀土耐磨钢材料，其他部分使用不锈钢材料。

[0035] 本发明的方案二与方案一不同之处在于轮辐部分与叶片及叶片连接部分采用铰接方式相连，球铰一端与轮辐板固连，另一端通过铰座与限位座用螺栓相连。球铰采用稀土耐磨钢材料，其他组成和工作方式与方案一相同。

[0036] 方案一：

[0037] 如图1、图3和图4所示，主轴及轮盘部分的主轴1上以焊接方式固连有两个轮盘2，轮盘2分别位于主轴1的底部和上部。下方轮盘2底面与主轴底面平齐，上下轮盘2上分别开有连接槽13，槽上开有两个槽连接孔14，通过连接螺栓3与轮辐部分相连。该部分机构均使用不锈钢材料。

[0038] 如图1、图3和图5所示，轮辐部分的轮辐板4一端开有两个轮辐板连接孔15，用于连接主轴及轮盘部分，另一端设有两个限位腿6和一个单层轴套7。限位腿6上设有角度调节螺栓5，用于改变叶片迎流攻角或控制叶片摆角范围；单层轴套7通过转轴11与叶片及叶片连接部分相接。轮辐板4一端宽，一端窄，为梯形结构，既有利于提高自身强度，又有利于减轻自身重量。轮辐板4断面采用棱锥流线型，可以降低自身绕流影响，提高叶轮装置的性能，且设计加工方便。该部分的角度调节螺栓5使用稀土耐磨钢材料，其他构件使用不锈钢材料。

[0039] 如图1、图3和图6所示，叶片及叶片连接部分的叶片12上下部分分别设有叶片箍10，叶片箍10具有流线型，与叶片12横剖面形状相似，与叶片12以焊接方式固连。叶片箍
10上设有限位座9，与角度调节螺栓5配合，调节叶片12的迎流攻角或控制叶片12的摆角范围。限位座9上设有双层轴套8，通过转轴11与轮辐部分相连。该部分的限位座9使用稀土耐磨钢材料，其他构件使用不锈钢材料。

[0040] 方案二：

[0041] 如图2所示，轮辐部分的轮辐板4一端固连有球铰16，球铰16上设有铰座17，铰座17通过螺栓与叶片及叶片连接部分相连，其他组成及工作方式与方案一相同。

[0042] 潮流发电机的叶轮装置工作过程如下：

[0043] 本潮流发电机的叶轮装置可为3-6叶形式，按图1(或图2)和图3的方式连接，并固定在上浮台或特质船舶下方，与潮流发电机相连。当有潮流存在时，潮流在叶片12上施加荷载，叶片12的荷载通过叶片箍10、限位座9、双层轴套8和转轴11(球铰16和铰座17)、连接螺栓3和轮盘2等的作用，对主轴1形成扭矩，带动主轴1转动，进而带动发电机发电。

[0044] 当潮流环境发生季节性变化或潮流发电装置的使用区域发生变化时，可通过调换轮辐部分改变叶轮装置的转动半径，适应潮流环境或潮流区域，也可以根据潮流环境或潮流区域，改变叶片12的摆角范围或在变攻角和固定攻角之间切换，以及调整固定攻角情况下叶片的迎流攻角。