本实用新型涉及潮流能水轮机，具体涉及一种可变曲率的柔性叶片及潮流能水轮机。
背景技术：
全球化石燃料储备的枯竭与日益严重的环境问题，使得人们不得不重点发展适宜生态环境的可再生替代能源。潮流能分布广泛，具有重大的开发利用价值。但是目前的潮流能水轮机普遍存在自启动困难或者效率不高的问题。公开号为CN105697224B、CN105736213B、CN105736227B、CN105736230B和CN105736231B的中国专利文献公开的螺旋形叶片水平轴潮流能水轮机系列，具有易于维护、可靠性高和对水生物保护好等优点，但是由于结构过于简单，难以提高水轮机的单机容量，且随着容量提高，启动更加困难。同时，由于潮流流速不稳定，传统的水轮机很难保证在各个工况都有较高的效率。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种可变曲率的柔性叶片及潮流能水轮机，本实用新型通过改变形变控制线的拉线张力大小即可改变柔性叶片本体的曲率，从而改变叶片的流体动力学特性，从而在启动阶段提高水轮机的启动性能、在水轮机启动达到额定转速后保持水轮机较高的能量转换效率；同时在水流速度改变时，可保证使水轮机工作在最优工况。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
本实用新型提供一种可变曲率的柔性叶片，包括固定梁和固定于固定梁上的柔性叶片本体，所述柔性叶片本体中设有至少一个形变控制线单元；所述形变控制线单元为形变控制线，所述形变控制线包括套管和拉线，所述套管嵌设于固定梁中，所述拉线穿设于套管中且一端固定于柔性叶片本体上；或者所述形变控制线单元为牵引缸，所述牵引缸的缸体固定在固定梁上，且活塞杆的端部与柔性叶片本体相连，所述牵引缸为液压牵引缸或者气压牵引缸，所述牵引缸的驱动管路嵌设于固定梁中。
优选地，所述柔性叶片本体中嵌设有用于调节柔性叶片本体厚度的调节气囊。
优选地，所述调节气囊包含相互独立的多个调节室，所述调节室均为柱状结构，且所述多个调节室分别沿着柔性叶片本体的长度方向平行布置，每一个调节室包括多个独立的海绵状结构的小室。
优选地，所述柔性叶片本体包括上弹性金属面板、下弹性橡胶面板和橡胶端盖，所述上弹性金属面板的头侧固定于固定梁上且上弹性金属面板接触水的一侧粘贴有碳纤维编织布，所述调节气囊固定于下弹性橡胶面板，且所述调节气囊位于上弹性金属面板、下弹性橡胶面板之间，所述下弹性橡胶面板的外壁面作为柔性叶片的迎水面，所述上弹性金属面板和下弹性橡胶面板两者的头部与固定梁固定连接、尾部相连形成柔性叶片的翼尖。
优选地，所述柔性叶片本体的根部分别用于和水轮机转轮体连接并保持柔性叶片本体内部密封的上橡胶连接面板以及下橡胶连接面板，所述上橡胶连接面板、下橡胶连接面板的头部分别与固定梁密封连接、尾部相连形成柔性叶片根部的翼尖，所述上橡胶连接面板朝向翼尖的一侧和上弹性金属面板密封连接、所述下橡胶连接面板朝向翼尖的一侧和下弹性橡胶面板密封连接。
优选地，所述柔性叶片本体中设有四根形变控制线：叶端翼中控制线、叶端翼尖控制线、叶根翼中控制线以及叶根翼尖控制线，所述叶端翼中控制线设于柔性叶片本体的叶端翼中处，所述叶端翼尖控制线设于柔性叶片本体的叶端翼尖处，所述叶根翼中控制线设于柔性叶片本体的叶根翼中处，所述叶根翼尖控制线设于柔性叶片本体的叶根翼尖处。
本实用新型提供一种潮流能水轮机，包括转轮体和设于转轮体上的叶片，所述叶片为前述的可变曲率的柔性叶片，所述转轮体中设有拉线牵引组件，所述拉线牵引组件分别与形变控制线的拉线相连。
优选地，所述转轮体的前侧设有整流罩、后侧设有端盖，所述转轮体内位于拉线牵引组件的前侧分别固定布置有集线法兰盘和束线法兰盘，各个叶片的形变控制线的套管分别穿过并固定在集线法兰盘上，所述套管内的拉线则分别穿过束线法兰盘上的束线孔后与拉线牵引组件相连。
优选地，所述拉线牵引组件为多转子电动机，所述多转子电动机的定子包括内磁铁柱和套设于内磁铁柱外侧的外磁铁环，所述内磁铁柱、外磁铁环之间设有多个依次同轴嵌套布置的转子，所述转子与单个叶片中的形变控制线的数量相同且一一对应，相邻的转子之间、最外侧的转子和外磁铁环之间、最内侧的转子和内磁铁柱之间均设有滚动体，每一个转子上设有线圈、绞盘、自锁机构和位移传感器，各个叶片相同位置的形变控制线的拉线的末端铰设于同一个转子的绞盘上。
优选地，所述拉线牵引组件包括与单个叶片中的形变控制线的数量相同且一一对应的多个牵引缸，所述牵引缸的缸体分别固定于转轮体中，各个叶片相同位置的形变控制线的拉线的末端分别和同一个牵引缸的活塞杆相连，所述牵引缸为液压牵引缸或者气压牵引缸。
本实用新型可变曲率的柔性叶片具有下述优点：本实用新型的可变曲率的柔性叶片包括固定梁和固定于固定梁上的柔性叶片本体，柔性叶片本体中设有至少一根形变控制线，形变控制线包括套管和拉线，套管嵌设于柔性叶片本体中，拉线穿设于套管中且一端固定于柔性叶片本体上，通过改变形变控制线的拉线张力大小即可改变柔性叶片叶根和叶端的曲率，从而改变叶片的流体动力学特性，从而在启动阶段提高水轮机的启动性能、在水轮机启动达到额定转速后保持水轮机的能量转换效率。本实用新型的潮流能水轮机包含本实用新型可变曲率的柔性叶片，同样也具有本实用新型可变曲率的柔性叶片的前述优点，在此不再赘述。
附图说明
图1为本实用新型实施例一柔性叶片的立体结构示意图。
图2为本实用新型实施例一柔性叶片的立体分解结构示意图。
图3为本实用新型实施例一形变控制线的立体结构示意图。
图4为本实用新型实施例一柔性叶片的主视结构示意图。
图5为图4中的A-A位置的剖视放大结构示意图。
图6为图4中的B-B位置的剖视放大结构示意图。
图7为本实用新型实施例一潮流能水轮机的立体结构示意图。
图8为本实用新型实施例一潮流能水轮机的主体部分的立体分解结构示意图。
图9为本实用新型实施例一潮流能水轮机的形变控制线安装立体结构示意图。
图10为本实用新型实施例一潮流能水轮机的形变控制线安装侧视结构示意图。
图11为本实用新型实施例一潮流能水轮机的拉线牵引组件的结构示意图。
图例说明：1、固定梁；2、柔性叶片本体；21、上弹性金属面板；22、下弹性橡胶面板；23、橡胶端盖；24、上橡胶连接面板；25、下橡胶连接面板；3、形变控制线；301、叶端翼中控制线；302、叶端翼尖控制线；303、叶根翼中控制线；304、叶根翼尖控制线；31、套管；32、拉线；4、调节气囊；5、转轮体；51、整流罩；52、端盖；53、集线法兰盘；54、束线法兰盘；6、拉线牵引组件；61、内磁铁柱；62、外磁铁环；63、转子；64、滚动体。
具体实施方式
实施例一：
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种可变曲率的柔性叶片，包括固定梁1和固定于固定梁1上的柔性叶片本体2，柔性叶片本体2中设有至少一个形变控制线单元，本实施例中形变控制线单元为形变控制线3，形变控制线3包括套管31和拉线32，套管31嵌设于固定梁1中，拉线32穿设于套管31中且一端固定于柔性叶片本体2上。其中，固定梁1采用刚性材料制造，使柔性叶片本体2与水轮机的转轮体刚性连接，同时固定梁1的中部设有中空内管，用于固定形变控制线3的套管31。拉线32穿设于套管31中使得拉线32能够在套管31内滑动，通过改变形变控制线3的拉线32张力大小即可改变柔性叶片本体2的曲率，从而改变叶片的流体动力学特性，从而在启动阶段提高水轮机的启动性能、在水轮机启动达到额定转速后保持水轮机的能量转换效率。本实施例中，套管31采用高强度的复合材料制成，拉线32采用高强度钢丝。
如图2所示，本实施例中柔性叶片本体2中嵌设有用于调节柔性叶片本体2厚度的调节气囊4。当调节气囊4充气时，调节气囊4将能够提供轴向刚性，调节气囊4只能径向膨胀和缩小，能够调节柔性叶片本体2的厚度。本实施例中，调节气囊4采用橡胶以及碳纤维复合材料制造，具有柔韧耐用的优点。
如图2所示，本实施例中调节气囊4包含相互独立的多个调节室，调节室均为柱状结构，且多个调节室分别沿着柔性叶片本体2的长度方向平行布置，每一个调节室包括多个独立的海绵状结构的小室，从而能够实现柔性叶片本体2的头部到尾部之间的曲率调节。本实施例中，调节气囊4包含16个相互独立的调节室，每个调节室又分为多个海绵状的小室，从而确保调节室不会由于某个小室破坏而影响其可调特性。
如图2、图4和图5所示，柔性叶片本体2包括上弹性金属面板21、下弹性橡胶面板22和橡胶端盖23，上弹性金属面板21的头侧固定于固定梁1上且上弹性金属面板21接触水的一侧粘贴有碳纤维编织布，调节气囊4固定于下弹性橡胶面板22，且调节气囊4位于上弹性金属面板21、下弹性橡胶面板22之间，下弹性橡胶面板22的外壁面作为柔性叶片的迎水面，上弹性金属面板21和下弹性橡胶面板22两者的头部与固定梁1固定连接、尾部相连形成柔性叶片的翼尖。本实施例中，上弹性金属面板21由碳纤维及钛合金材料制成，而且在金属面板接触水的一侧粘贴有碳纤维编织布，以增加叶片的弹性与强度，同时防止金属面板由于长时间弯曲产生裂纹。下弹性橡胶面板22采用橡胶以及碳纤维复合材料制造，以发电机主轴作为参考，该材料仅提供轴向弹力，不提供径向弹力，同时调节气囊4的各调节室固定在下弹性橡胶面板22的内侧面；橡胶端盖23采用高柔性橡胶材料制造，负责叶片端部的密封。
如图2、图4和图6所示，柔性叶片本体2的根部分别用于和水轮机转轮体连接并保持柔性叶片本体2内部密封的上橡胶连接面板24以及下橡胶连接面板25，上橡胶连接面板24、下橡胶连接面板25的头部分别与固定梁1密封连接、尾部相连形成柔性叶片根部的翼尖，上橡胶连接面板24朝向翼尖的一侧和上弹性金属面板21密封连接、下橡胶连接面板25朝向翼尖的一侧和下弹性橡胶面板22密封连接。其中，上橡胶连接面板24负责叶片根部上部的密封，下橡胶连接面板25负责叶片根部下部的密封，能够克服因上弹性金属面板21和下弹性橡胶面板22两者材料不同而导致的密封困难的问题。
如图2所示，本实施例中，柔性叶片本体2中设有四根形变控制线3：叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304，叶端翼中控制线301设于柔性叶片本体2的叶端翼中处，叶端翼尖控制线302设于柔性叶片本体2的叶端翼尖处，叶根翼中控制线303设于柔性叶片本体2的叶根翼中处，叶根翼尖控制线304设于柔性叶片本体2的叶根翼尖处。叶端翼中控制线301用于控制叶片端部翼型截面前中部的曲率，叶端翼尖控制线302用于控制叶片端部翼型截面中后部的曲率，叶根翼中控制线303用于控制叶片根部翼型截面前中部的曲率，叶根翼尖控制线304用于控制叶片根部翼型截面中后部的曲率，通过上述四根形变控制线3的布置，能够最有效地改变柔性叶片本体2的曲率，而且形变控制线3的数量较少。毫无疑问，在此结构的启示下，本领域技术人员也可以根据需要布置更多或者更少的形变控制线3，也可以需要布置在柔性叶片本体2中的其他位置，同样也可以实现改变柔性叶片本体2的曲率、从而改变叶片的流体动力学特性的目的。
如图7、图8和图9所示，本实施例提供一种潮流能水轮机，包括转轮体5和设于转轮体5上的叶片，叶片为前述的可变曲率的柔性叶片，转轮体5中设有拉线牵引组件6，拉线牵引组件6分别与形变控制线3的拉线相连。转轮体5作为叶片的载体负责承载叶片，拉线牵引组件6则用于调节形变控制线3的张力以根据需要改变叶片的曲率。本实施例中，转轮体5上共设有9个叶片，每一个叶片包含4根形变控制线3，一共具有36根形变控制线3。
如图7、图8和图10所示，转轮体5的前侧设有整流罩51、后侧设有端盖52，转轮体5内位于拉线牵引组件6的前侧分别固定布置有集线法兰盘53和束线法兰盘54，各个叶片的形变控制线3的套管31分别穿过并固定在集线法兰盘53上，套管31内的拉线32则分别穿过束线法兰盘54上的束线孔后与拉线牵引组件6相连。整流罩51用于密封转轮体5并同时进行导流，端盖52则用于转轮体5后部的密封，同时外部驱动设备的主轴穿过端盖52以驱动拉线牵引组件6。集线法兰盘53用于将各形变控制线3集中在一起防止纠缠，同时固定各形变控制线3的套管31；束线法兰盘54用于防止各形变控制线3的拉线32之间相互纠缠，同时配合拉线牵引组件6完成拉线和放线动作。
如图11所示，本实施例中，拉线牵引组件6为多转子电动机，多转子电动机的定子包括内磁铁柱61和套设于内磁铁柱61外侧的外磁铁环62，内磁铁柱61、外磁铁环62之间设有多个依次同轴嵌套布置的转子63，转子63与单个叶片中的形变控制线3的数量相同且一一对应，相邻的转子63之间、最外侧的转子63和外磁铁环62之间、最内侧的转子63和内磁铁柱61之间均设有滚动体64，每一个转子63上设有线圈、绞盘、自锁机构和位移传感器，各个叶片相同位置的形变控制线3的拉线32的末端铰设于通过一个转子63的绞盘上。本实施例中，内磁铁柱61与外部驱动设备的主轴相连，内磁铁柱61、外磁铁环62均采用稀土磁铁，用于形成驱动转子63转动的磁场，每一个转子63上设有线圈、绞盘、自锁机构和位移传感器，用于对转子旋转角度进行精确控制；例如自锁机构可采用电磁铁、弹簧实现，弹簧上设有和电磁铁相对布置的锁块，不通电状态下弹簧张力将锁块抵触在相邻的部件上（可以是内磁铁柱61、外磁铁环62、其他的转子63三者之一），通电后电磁铁产生磁吸力将锁块吸附使得弹簧压缩，从而锁块脱离相邻的部件，使得本转子63可以通过滚动体64相对相邻的部件发生转动。对应单个叶片中的四个不同位置安装的形变控制线3：叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304，内磁铁柱61、外磁铁环62之间也设有四个转子63，分别带有叶端翼中控制线绞盘、叶端翼尖控制线绞盘、叶根翼中控制线绞盘以及叶根翼尖控制线绞盘，叶端翼中控制线绞盘通过形成电磁转矩调整叶端翼中控制线301内部拉线32与套管31之间的相对滑动， 叶端翼尖控制线绞盘通过形成电磁转矩调整叶端翼尖控制线302内部拉线32与套管31之间的相对滑动， 叶根翼中控制线绞盘通过形成电磁转矩调整叶根翼中控制线303内部拉线32与套管31之间的相对滑动， 叶根翼尖控制线绞盘通过形成电磁转矩调整叶根翼尖控制线304内部拉线32与套管31之间的相对滑动。
本实施例中，拉线牵引组件6的工作原理如下：内磁铁柱61、四个转子63、外磁铁环62、滚动体64形成一个四转子电动机，内磁铁柱61、外磁铁环62作为电动机的定子，形成永磁场；每个转子63之间分布有滚动体64，每一个转子63可以通过上面的线圈控制其转动、通过自锁机构实现不通电时无法自由旋转，从而使得各转子63之间相互独立，互不干扰；位移传感器能够实时反馈绞盘相对转轮体的相对位移，从而能够精确控制绞盘旋转角度。当需要调节某一组控制线（叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304）时，直接对相应绞盘中的线圈正向或反向通电，使控制线绞盘正转或反转，配合束线法兰盘54达到拉线和松线的目的，实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304中任意一组的调节。需要说明的是，由于拉线牵引组件6的调节幅度较小，转子63的旋转角度不超过120度。当需要调节多组形变控制线3时，不允许多个转子63的线圈同时通电，防止各转子63之间的磁场相互干扰；正确的控制方式为“依次排队调节”，每次仅允许一个转子63的线圈通电，同样也可以实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304中任意一组的调节。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：本实施例中，拉线牵引组件6包括与单个叶片中的形变控制线3的数量相同且一一对应的多个液压牵引缸，液压牵引缸的缸体分别固定于转轮体5中，形变控制线3的拉线32的末端分别和对应的液压牵引缸的活塞杆相连，本实施例中在转轮体5中设置液压驱动系统，采用液压的方式驱动液压牵引缸，同样也可以实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304中任意一组的同时调节，而且实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304的不同组也可以同时调节，调节效率相对更高。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：本实施例中，拉线牵引组件6包括与单个叶片中的形变控制线3的数量相同且一一对应的多个气压牵引缸，气压牵引缸的缸体分别固定于转轮体5中，形变控制线3的拉线32的末端分别和对应的气压牵引缸的活塞杆相连，本实施例中在转轮体5中设置气压驱动系统，采用气压的方式驱动气压牵引缸，同样也可以实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304中任意一组的同时调节，而且实现对所有叶片的叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304的不同组也可以同时调节，调节效率相对更高。
实施例四：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：本实施例中，形变控制线单元为牵引缸，牵引缸的缸体固定在固定梁1上，且活塞杆的端部与柔性叶片本体2相连，牵引缸为液压牵引缸或者气压牵引缸，牵引缸的驱动管路嵌设于固定梁1中。因此，单个叶片中的形变控制线3分别使用四个液压牵引缸或者气压牵引缸代替，且液压牵引缸或者气压牵引缸分别放置在叶片中分别替代叶端翼中控制线301、叶端翼尖控制线302、叶根翼中控制线303以及叶根翼尖控制线304的牵引端，将控制线所经过的路线替换成液压管路/气压管路，转轮体5中设置液压驱动系统/气压驱动系统，虽然会相对增加水轮机的自重，但是能够使调节系统更加精准高效。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。