一种利用海洋能发电的水轮机系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于流体机械及水利水电工程设备技术领域，特别是设及一种利用海洋能 发电的水轮机系统。
【背景技术】
[0002] 传统能源即将枯竭并且带来了严重的环境问题，迫切需要寻找和开发可替代的新 型能源。世界海洋资源丰富，其中波浪蕴藏着巨大能量。利用海洋波浪发电，既不需要燃料， 同时对环境影响很小，具有重大的开发利用价值。
[0003] 中国专利申请201320442966. 1 "离岸式振荡水柱发电装置"公开了一种能够浮在 水域中的任一位置W利用波浪进行发电的离岸式振荡水柱发电装置，在波浪的作用下，波 浪经波浪进口进入气室而形成上下振动的水柱，水柱作上下振动运动时使气室内的气体往 复通过气室上端的出气口，气体往复通过出气口时驱动叶轮机转动，叶轮机带动发电机发 电。该装置使用时灵活机动性好，但由于空气叶轮转换效率低，气室的存在也会降低装置总 效率。同时在小波浪情况下，该装置发电极不稳定。因此整个装置波能转换率低，输出功率 小。
[0004] 中国专利申请201320156401. 7 "液压式水面发电装置"公开了一种利用波浪的垂 直位移，将垂直波浪能转换为机械能，带动满轮机发电的装置，提高了波浪能转换效率。但 由于活动部件过多，结构复杂，极易在波浪作用下发生破坏，丧失工作能力，且难W进行维 修及保护。
[0005] 中国专利申请201310316659. 3公开了一种"越浪式波能发电装置"，包括波能收 集系统、发电系统和自启闭电控系统，该装置实现了越浪型发电装置的动态蓄能和稳定的 电力输出。但由于该装置的水轮机对水头要求较高，如在低水头时存在效率和出力较低的 问题。
[0006] 综上所述，现有波浪发电装置普遍存在波能转换率低、输出功率小、稳定性差、装 置有效工作时间短等缺陷，如何克服现有技术的不足已成为当今流体机械及水利水电工程 设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种利用海洋能发电的水 轮机系统，本发明能够根据实地实时海洋波浪的波高和波长自动调节张缩坡角的坡道，最 大化的获取波浪能量来提高发电机组发电的总效率，适用于替代现有各种越浪式波浪发电 装置的水轮机系统。
[0008] 根据本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统，它包括聚波单元、蓄水池 和水轮机，其特征在于，
[0009] 所述聚波单元包括聚波板、较链、主动杆、电机、坡度控制器、水平支撑架、滑槽、滑 块、从动杆；所述聚波板通过较链分别与主动杆W及从动杆连接，聚波板位于水平支撑架上 方，坡度控制器控制聚波板的坡度大小；所述主动杆通过转轴与电机连接；聚波板与水平 支撑架形成坡角，所述水平支撑架一侧设有滑槽，所述滑块通过较链与从动杆连接，滑块在 从动杆作用下在滑槽的左右两端往返滑动；
[0010] 所述聚波单元可根据实地实时的海洋波浪资源参数形成外形为卿趴形的可自动 张缩坡角的坡道，该坡道与海洋连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通过边墙与蓄水池连 通；
[0011] 所述蓄水池包括带有出水流道的蓄水单元、流量控制器，所述流量控制器控制带 有出水流道的蓄水单元；出水流道口设有向下延伸的释放势能推动水轮机旋转发电的出水 管；
[0012] 所述水轮机包括进水口段、上导叶、转轮、下导叶和出水口段，所述上导叶设置在 进水口段和转轮之间，下导叶设置在转轮和出水口段之间；所述上导叶和下导叶的开度大 小由智能导叶开度控制器控制，该智能导叶开度控制器依据实时流经水轮机的流量和水头 情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率。
[0013] 本发明的实现原理是：本发明运用聚波单元、蓄水池和水轮机的协同作用来集聚 海洋能，整个系统实施对聚波和蓄能的自动控制。所述聚波单元可根据实地实时海洋波浪 的波高和波长自动调节张缩坡角的坡道，最大化的获取波浪能量，使海洋波浪在逐渐变窄 的坡道中波高不断被放大，直至波峰溢过边墙，将海洋能转换成势能胆存在高位的蓄水池 中；所述蓄水池的出水流道设有向下延伸的释放势能推动水轮机旋转发电的出水管，由该 出水管流出的海水经水轮机进水口段在水轮机的上导叶处汇合并进入水轮机的转轮室，水 流冲击转轮叶片，通过转轮叶片转换能量带动水轮机输出轴旋转，将蓄水池内的势能转换 为水轮机动能带动发电机发电，水流再经下导叶，通过出水口段流向大海；所述水轮机的导 叶构成的封水面与机组转动中屯、线呈悬空交叉分布，由于采用双侧导叶和弯曲尾水管，使 得发电机组发电的总效率大幅提高。
[0014] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：
[0015] 一是本发明提出的利用海洋能发电的水轮机系统，能够充分发挥聚波单元、蓄水 池和水轮机的协同作用，首创了聚波单元可根据实地实时海洋波浪的波高和波长自动调节 张缩坡角的坡道来集聚海洋能，使得后续发电机组发电的总效率大幅提高。
[0016] 二是所述出水口段的流道为楠圆形截面，出水口段最远端楠圆形截面的短轴与长 轴之比为黄金分割比；从最远端楠圆的短轴与长轴之比线性递增，在下导叶后方的截面短 轴与长轴之比转变为1，即由楠圆形截面转变为反向圆形截面，大大降低了=维建模及制造 难度，从而保证水流在楠圆形流道中平滑、顺杨和流动对称，也使得机组总体发电效率进一 步提局。
[0017] S是本发明提供的水轮机叶片直径为0. 8m，适用于范围为Im~2. 5m的水头，平均 越浪量为Im~2. 5m。它解决了现有装置适用范围小，功能单一，效率低下的问题。
[001引四是本发明实现了越浪型发电装置的动态蓄能和稳定的电力输出，具有波能转换 率高、对水头要求低、系统有效工作时间长和稳定性好等显著效果，适用于替代现有各种越 浪式波浪发电装置的水轮机。
【附图说明】
[0019] 图I是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的结构示意图。
[0020] 图2是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的聚波单元极限位置A结 构不意图。
[0021] 图3是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的聚波单元极限位置B结 构不意图。
[0022] 图4是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的蓄水单元的流量控制 结构不意图。
[0023] 图5是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的蓄水单元的结构示意 图
[0024] 图6是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机结构示意图。
[00巧]图7是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机上导叶示意图。
[0026] 图8是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机上导叶中间截 面型线的示意图。
[0027] 图9是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机下导叶示意图。
[0028] 图10是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机下导叶中间截 面型线的示意图。
[0029] 图11是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机转轮示意图。
[0030] 图12是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机转轮径向 125mm处型线示意图。
[0031] 图13是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机转轮径向 175mm处型线示意图。
[0032] 图14是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机转轮径向 225mm处型线示意图。
[0033] 图15是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机转轮径向 275mm处型线示意图。
[0034] 图16是本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的水轮机出水流道示意 图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0036]结合图1，一种利用海洋能发电的水轮机系统，它包括聚波单元（2)、蓄水池（3)和 水轮机（4)，其中：
[0037] 结合图2和图3,所述聚波单元（2)包括聚波板（2-1)、较链（2-2)、主动杆（2-3)、 电机（2-4)、坡度控制器巧）、水平支撑架（2-6)、滑槽（2-7)、滑块（2-8)、从动杆（2-9);所 述聚波板（2-1)通过较链（2-2)分别与主动杆（2-3)W及从动杆（2-9)连接，聚波板（2-1) 位于水平支撑架（2-6)上方，坡度控制器（5)控制聚波板（2-1)的坡度大小；所述主动杆 (2-3)通过转轴与电机（2-4)连接；聚波板（2-1)与水平支撑架（2-6)形成坡角，所述水平 支撑架（2-6) -侧设有滑槽（2-7)，所述滑块（2-8)通过较链（2-2)与从动杆（2-9)连接， 滑块（2-8)在从动杆（2-9)作用下在滑槽（2-7)的左右两端往返滑动；所述聚波单元（2) 可根据实地实时的海洋波浪（I)资源参数形成外形为卿趴形的可自动张缩坡角的坡道，该 坡道与海洋连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通过边墙（9)与蓄水池（3)连通；
[003引结合图4和图5,所述蓄水池（3)包括带有出水流道的蓄水单元、流量控制器化）， 所述流量控制器（6)控制带有出水流道的蓄水单元；出水流道口设有向下延伸的释放势能 推动水轮机（4)旋转发电的出水管（10);
[0039] 结合图6,所述水轮机（4)包括进水口段（4-1)、上导叶（4-2)、转轮（4-3)、下导叶 (4-4)和出水口段（4-5)，所述上导叶（4-2)设置在进水口段（4-1)和转轮（4-3)之间，下 导叶（4-4)设置在转轮（4-3)和出水口段（4-5)之间；所述上导叶（4-2)和下导叶（4-4) 的开度大小由智能导叶开度控制器（7)控制，该智能导叶开度控制器（7)依据实时流经水 轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率。
[0040] 本发明提出的一种利用海洋能发电的水轮机系统的进一步优选方案是：
[0041] 所述坡度控制器（5)包括电源和电机控制单元，所述电机控制单元根据聚波板 (2-1)的两个极限位置控制电机（2-4)起停和正反转向。
[0042] 所述滑槽（2-7)的左右两侧端点与滑块（2-8)运动轨迹的左右极限端点重合。
[0043] 所述蓄水池包括带有出水流道的蓄水单元和流量控制器，所述流量控制器控制带 有出水流道的蓄水单元。
[0044] 结合图16,所述出水流道为楠圆形截面，出水流道最远端楠圆形截面的短轴与长 轴之比为黄金分割比，即从出水流道最远端楠圆形截面的短轴与长轴之比呈线性递增，至 出水流道最近端楠圆形截面短轴与长轴之比转变为1，即出水流道最近端楠圆形截面转变 为反向圆形截面。
[0045] 结合图7和图8,所述水轮机（4)的导叶构成的封水面与机组转动中屯、线呈悬空 交叉分布，其中上导叶（4-2)中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标参数如表1所 示：
[0046] 表 1
[0048] 拟合后的上导叶上表面曲线方程为：
[0049] y= -1. 842X10i\5-5. 923X10