一种适用于亚洲海域振荡水柱式波能发电装置的非对称式空气透平的制作方法

本实用新型属于波浪能发电领域，特别涉及该领域中的一种适用于亚洲海域振荡水柱式波能发电装置的非对称式空气透平。

背景技术：

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。虽然波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种，但其在全世界的储量十分可观，理论估算值约为每年17TW·h。根据装置吸收波浪能工作原理的不同，波浪能发电装置可分为振荡水柱式、越浪式、振荡体式三种。相比之下，振荡水柱式(Oscillating Water Column，简称OWC)波能发电装置结构简单，且可与防波堤装置结合以降低工程造价，同时，由于其能量转换装置不与海水接触，可靠性较高且维修更为便利。2010年以来的大型OWC装置有位于西班牙北部Mutriku港的防波堤式装置、位于意大利Civitavecchia港的U型防波堤式REWEC3装置、位于爱尔兰Galway湾的后弯管浮式CORES装置、以及位于韩国济州岛的固定式Yongsoo装置。

空气透平是OWC装置中能量二次转换的重要部件，能够在往复气流中实现单向旋转，将气室产生的低压气动能转化为转轴轴功。空气透平在OWC装置中的应用具有一定的特殊性：其工作介质为往复空气流，具有非定常性及可压缩性；其工作特性使得透平在工作过程中有负功输出的可能性。常见的自整流式空气透平有两种：威尔斯式透平及冲击式透平。传统的威尔斯式透平具有结构简单，高峰值效率的优势，适合于波浪条件好的欧洲海域，该透平在失速前的小范围流量系数内具有极高的效率，但一旦失速，扭矩的巨减会使透平性能瞬间恶化，此外威尔斯式透平的缺点还包括自启动性能差、工作范围窄、工作噪音大等方面。传统的冲击式透平虽然峰值效率不及威尔斯式，但启动性能好，无失速现象，在大流量系数区效率下降缓慢，特别适合波浪条件较差的亚洲海域使用，但是其多为对称式，即动叶片轮廓及导流叶片位置均对称于动叶片沿旋转方向的中心线，而工程实际表明OWC装置在亚洲海域气室呼气阶段通过冲击式透平的气流幅值大于吸气阶段的气流幅值，导致在呼气阶段损失大量动力。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种适用于亚洲海域并可提高实海况下振荡水柱式波能发电装置气动能利用周期平均效率的非对称式空气透平。

本实用新型采用如下技术方案：

一种适用于亚洲海域振荡水柱式波能发电装置的非对称式空气透平，其创新之处在于：所述的空气透平包括空心的轮毂，在轮毂的两侧分别安装用于密封轮毂空腔的轮毂头，在轮毂上设置可绕轮毂旋转的动叶片轮，在动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有动叶片，所述动叶片的竖向截面形状为新月形，并且该新月形一侧凸起的弧度比另一侧凸起的弧度大，在动叶片轮的轮盘上设置带键槽的轴套，轴套上安装一侧伸出轮毂头外并可随动叶片轮同步旋转的透平轴，该透平轴与两侧的轮毂头均通过轴承相连接，在动叶片轮的两侧还各沿轮毂周向设置有一圈叶展比动叶片大的导流叶片，所述导流叶片的竖向截面由一段直线段以及一段圆弧段组成，并且其直线段导出气流的方向与动叶片上与之相邻一侧的气流流入方向相对。

进一步的，所述轮毂头的形状为半球体或者半椭圆球体。

进一步的，在动叶片轮的一侧设置同心盘，该同心盘与轮毂间通过螺栓固定连接，穿过同心盘的透平轴与同心盘之间以轴承相连接。

进一步的，沿同心盘的周向均匀设置四个螺栓孔，穿过螺栓孔的螺栓将同心盘与轮毂固定连接在一起。

进一步的，所述动叶片竖向截面的吸力面是由半径为R₂、R₄及R₅的圆弧组成的面，压力面是半径为R₃的圆弧面，吸力面和压力面的一侧通过半径为R₁的圆弧相连，另一侧由两条拉伸的直线段通过半径为R₆的圆弧相连。

进一步的，半径R₁：R₆＝3：1。

进一步的，半径R₃、R₂、R₅长度相同，为R₄的两倍。

进一步的，与压力面相连接直线段的装置角θ₁大于与吸力面相连接直线段的装置角θ₂。

进一步的，透平轴与空气透平外发电机的动力输入轴相连接。

进一步的，空气透平通过其上下两圈导流叶片与导流罩内壁固定连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的适用于亚洲海域的非对称式空气透平，其动叶片的竖向截面形状为新月形，并且该新月形一侧凸起的弧度比另一侧凸起的弧度大，将弧度大的一侧设为呼气阶段的迎流侧，即可增大动叶片压力面在呼气阶段高入射流速下的迎流面积，延缓气流在动叶片吸力面的流速分离现象，减少气流从动叶片进入下游导流叶片产生的动力损失，提高空气透平在呼气阶段的动力利用效率，进而提高空气透平在实际海况中的周期平均效率。

在气流峰值较大的气室呼气阶段，相比于对称式结构，本发明所公开非对称式空气透平的扭矩系数有大幅度提升，而输入系数有明显降低。因此在呼气阶段，非对称式空气透平的工作效率得到较大程度的提高。相比于对称式空气透平，非对称式空气透平对入射气流的不对称性较不敏感。气室呼气、吸气阶段气流流速越不对称，对称式空气透平的周期平均效率下降越多；而非对称式空气透平对气流的不对称性具有良好的适应性，其周期平均效率不会受气流的周期不对称性影响。

亚洲海域波浪条件相较于欧洲海域较差，产生的入射气流峰值较小，而相对于欧洲海域普遍使用的威尔斯式透平，本发明所公开的非对称式空气透平具有良好的自启动特性，较低的工作转速，较宽的流量系数范围和较小的工作噪音，适合在亚洲海域使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平的主视图；

图2是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平的俯视图；

图3是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平的立体图；

图4是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平的剖视图；

图5是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平动叶片轮的立体图；

图6是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平同心盘的立体图；

图7是本实用新型实施例1所公开的非对称式空气透平的动叶片及其两侧导流叶片的竖向截面形状示意图；

图8为亚洲海域OWC装置气室产生的气流流量时程曲线图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，如图1-4所示，本实施例公开了一种适用于亚洲海域振荡水柱式波能发电装置的非对称式空气透平，所述的空气透平包括空心的轮毂5，在轮毂的两侧分别安装用于密封轮毂空腔的轮毂头1，在轮毂上设置可绕轮毂旋转的动叶片轮11，如图5所示，在动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有动叶片3，所述动叶片的竖向截面形状为新月形，并且该新月形一侧凸起的弧度比另一侧凸起的弧度大，在动叶片轮的轮盘上设置带键槽的轴套12，轴套上安装一侧伸出轮毂头外并可随动叶片轮同步旋转的透平轴8，该透平轴与两侧的轮毂头均通过轴承7相连接，在动叶片轮的两侧还各沿轮毂周向设置有一圈叶展比动叶片大的导流叶片2，所述导流叶片的竖向截面由一段直线段以及一段圆弧段组成，并且其直线段导出气流的方向与动叶片上与之相邻一侧的气流流入方向相对。

作为一种可供选择的方式，在本实施例中，所述轮毂头的形状为半球体或者半椭圆球体。如图6所示，在动叶片轮的一侧设置同心盘9，该同心盘与轮毂间通过螺栓10固定连接，穿过同心盘的透平轴与同心盘之间以轴承7相连接。沿同心盘的周向均匀设置四个螺栓孔13，穿过螺栓孔的螺栓将同心盘与轮毂固定连接在一起。同心盘可对透平轴起一定支撑作用，进一步保证旋转的同轴性。

如图7所示，所述动叶片竖向截面的吸力面是由半径为R₂、R₄及R₅的圆弧组成的面，压力面是半径为R₃的圆弧面，吸力面和压力面的一侧通过半径为R₁的圆弧相连，另一侧由两条拉伸的直线段通过半径为R₆的圆弧相连。半径R₁：R₆＝3：1。半径R₃、R₂、R₅长度相同，为R₄的两倍。与压力面相连接直线段的装置角θ₁大于与吸力面相连接直线段的装置角θ₂。

在使用过程中，需要将本实施例1所公开空气透平的透平轴与空气透平外发电机的动力输入轴相连接，动叶片轮在气流作用下旋转，带动透平轴旋转，从而带动发电机发电。

空气透平通过其上下两圈导流叶片与导流罩内壁固定连接，由于导流叶片的叶展比动叶片大，故而动叶片的末端与导流罩之间存在一定间隙，使动叶片轮可在导流罩内自由旋转。

将内置有本实施例1所公开非对称式空气透平的导流罩一端与振荡水柱式波能发电装置的气室出口相连通，另一端与大气相连通。在波浪的一个周期内，气流从气室出口经空气透平排出大气的过程称为呼气阶段，气流从大气经空气透平进入气室出口的阶段称为吸气阶段。图8为亚洲海域OWC装置气室产生的气流流量时程曲线图，可见一周期内气流流量为非对称式，呼气阶段产生的气流流量约为吸气阶段的1.5倍。因此将空气透平动叶片弧度大的一侧与气室出口相对设置以便提高呼气阶段的动力利用效率，弧度小的一侧则与大气相对设置。不论在呼气阶段还是吸气阶段，率先迎流的导流叶片称为上游导流叶片，随后送流的导流叶片称为下游导流叶片。

在呼气阶段，气流以流速V_E经上游导流叶片的引导进入动叶片，在动叶片的吸力面迎流侧形成驻点及绕流现象，一部分气流沿吸力面加速流动，一部分气流绕过半径为R₁的圆弧段进入压力面，并在压力面迎流侧形成小范围的流速分离及旋涡。动叶片尾部为流线形，因此由吸力面迎流侧加速的气流在动叶片尾部并不会出现流速分离现象，这在一定程度上减小了气流的动力损失。另一方面，动叶片压力面及吸力面上的压力差产生促使动叶片轮旋转的力矩，使动叶片轮以转速ω沿图7中箭头方向旋转。

在吸气阶段，气流以流速V_I进入动叶片后，动叶片压力面及吸力面上的压力差产生的力矩仍旧使动叶片轮沿图7中的箭头方向旋转，因此，本实施例1所公开的非对称式空气透平能够在OWC气室产生的往复气流中保持动叶片轮旋转方向的一致性，将往复气流的低压气动能持续转化为透平轴轴功，从而带动发电机持续性发电。