专利名称：一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水平轴发电水轮机的导流装置。
背景技术：
潮流能发电水轮机主要有水平轴和垂直轴两种形式。水平轴潮流发电水轮机叶轮 的旋转轴与水流方向或海平面平行，具有装置振动小，启动性能好，发电效率高，结构相对 简单等特点。水平轴潮流发电水轮机按叶轮外面是否加装集流装置又可分为扩张型和敞水 型。为了提高潮流发电水轮机启动性能和能量利用效率，国内外许多学者开展了潮流 能发电水轮机结构和水动力性能研究。理论上，在潮流发电水轮机叶轮外侧加装导流装置 能够提高潮流发电水轮机的启动性能和能量利用率。哈尔滨工程大学、清华大学等高校在 潮流发电水轮机导流装置上做过相关研究并取得一些成果。公开号为CN 101319648A的专利文件中公开了一种垂直轴潮流发电机的导流装 置，该技术方案的特点是由导流装置入口，收缩段，中间流道，扩散段，以及导流装置出口组 成主流道。流体通过收缩段和中间流道的前段时加速，从中间流道的末端至导流装置出口 流速降低，压力恢复。这样使得流体在经过转轮位置时具有较高的流速，便于提高水能的利 用效率，并且在转轮的下游恢复稳定的流动状态。该装置还设有辅助流道，使导流装置入口 迎流面圆弧低压处与中间流道末端的开口相连通，该结构将对中间流道的流体产生抽吸作 用，扩大转轮位置前后的压差，促进流体进一步加速，并改善流体的流态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以使得水平轴潮流发电水轮机在较低的潮流或海 流下下启动，且结构简单，生产、加工、制造方便，可以改善水平轴潮流发电水轮机流体动 力学性能，提高水平轴潮流发电水轮机的能量利用效率的水平轴潮流发电水轮机的导流装置。本发明的目的是这样实现的包括相对于中心线对称布置的入口、收缩段，喉部、扩散段、出口和围板，入口、收 缩段、喉部、扩散段和出口沿流顺序组合构成内壁面，内壁面的剖线方程为ζ = 0. 0066X5-0. 0524x4+0. 149X3+0. 0103X2-0. 5836X+2. 9263，围板一端与出口焊接、另一端焊接在扩散段上 构成外壁面。本发明还可以包括1、还包括结构加强筋，结构加强筋连接在内壁面与外壁面之间。2、所述内壁面呈前收后扩形式，中间最小半径处为喉部，入口半径R1、喉部半径 R0、出口半径&之比为1. 2 1. 3 1 1.6 1.8。3、围板与扩散段的焊接点位于扩散段的0. 85 0. 95倍长度处。4、喉部位于0. 4 0. 45倍长度处，长度L与喉部半径Rtl之比为0. 85 0. 95间。
水轮机叶片位于导流装置的喉部位置，该水平轴潮流发电水轮机的导流装置利用 壁面型线对流场的干扰，使导流装置内的叶轮位置处流速增大，提高水轮机的启动性能和 能量利用率；利用导流装置出口的斜凸边设计，在尾流区形成漩涡，对导流装置内的流体产 生抽吸作用，提高水平轴潮流发电水轮机的启动性能和能量利用率。数值模拟和实验研究 表明，与无导流装置的水平轴潮流发电水轮机相比，该导流装置可使水平轴潮流发电水轮 机的能量利用效率提高两倍左右，启动流速由1. lrn/s降低到0. 7m/s。本发明专利与公开号为CN 101319648A的专利文件中公开的一种垂直轴潮流发 电机的导流装置存在明显不同1.导流对象不同。本发明专利主要应用于水平轴潮流发电 水轮机或水平轴风力发电机上，而公开号为CN 101319648A的专利文件中公开的导流装置 主要应用于垂直轴潮流发电水轮机或垂直轴风力发电机上；2.结构形式不同。本专利根据 水平轴潮流发电水轮机的结构特点，通过大量理论计算和实验研究，确定特有的导流装置 内壁面剖线、半径比、长度比以及生涡斜凸边；3。工作原理不同。本专利主要是利用壁面型 线对流场的干扰以及斜凸边设计，使导流装置内的叶轮位置处流速增大，提高水轮机的启 动性能和能量利用率，而公开号为CN 101319648A的专利文件中公开的导流装置通过流体 增速和辅助流道提高垂直轴潮流发电水轮机的启动性能和能量利用率。本发明具有如下特 点1.结构简单，生产、加工、制造方便；2.导流装置不仅可以应用于水平轴潮流发电水轮 机上，而且可以应用于水平轴风力发电机上；3.能够有效提高水平轴潮流发电水轮机的启 动性能；4.能够有效提高水平轴潮流发电水轮机的能量利用率；5.流线型内壁面和出口斜 凸边设计，使导流装置入口、导流装置内部、导流装置出口和尾流区处流态相对稳定，同时 减小了气蚀和绕流作用对导流装置和水轮机叶轮的破坏。本发明提供了一种利用水流速度较低的潮流或海流水平向流动动能发电的水平 轴潮流发电水轮机的导流装置，该装置也可应用于风力发电装置。
图1水平轴潮流发电水轮机导流装置结构总图；图2水平轴潮流发电水轮机导流装置前视图；图3水平轴潮流发电水轮机侧视图；图4数值模拟计算能量利用效率曲线；图5实验获得能量利用效率曲线。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明进行详细说明结合图1，水平轴潮流发电水轮机的导流装置包括导流装置入口 1、收缩段2，导流 装置喉部3、扩散段4、导流装置出口 5、结构加强筋6、围板7。该导流装置相对于中心线对 称布置。导流装置入口 1、收缩段2、导流装置喉部3、扩散段3和导流装置出口 5沿流顺序 组合构成了导流装置的内壁面，内壁面的剖线方程为ζ = 0. 0066X5-0. 0524X4+0. 149X3+0. 0 103x2-0. 5836X+2. 9263。外壁面围板7同时具有稳定流场和加强结构强度的作用，围板7 — 端与导流装置入口 1焊接，另一端与导流装置扩散段4焊接，焊接点位于扩散段4的0. 85 0.95处。结构加强筋6用来连接内、外壁面，加强导流装置的结构强度。所述导流装置呈前收后扩形式，中间最小半径处为导流装置喉部5，导流装置入口 1的半径R1、导流装置喉部3 的半径R。、导流装置出口 5的半径R2, R1 R0 R2为1.2 1.3 1 1. 6 1. 8。水轮 机叶轮8位于导流装置喉部3位置，喉部3位于导流装置0. 4 0. 45倍长度处，导流装置 长度L与喉部3半径Rtl之比为0. 85 0. 95。该水平轴潮流发电水轮机的导流装置利用内 壁面型线对流场的干扰，使导流装置内的叶轮8位置处流速增大，提高水轮机的启动性能 和能量利用率。同时，利用导流装置出口的斜凸边设计，在尾流区形成漩涡，对导流装置内 的流体产生抽吸作用，使导流装置内的叶轮8位置处流速增大，提高水轮机的启动性能和 能量利用率。数值模拟和实验研究表明，与无导流装置的水平轴潮流发电水轮机相比，该导 流装置可使水平轴潮流发电水轮机的能量利用效率提高两倍左右，启动流速由1. lm/s降 低到0.7m/s。导流装置的前视图如图2所示，导流装置的侧视图如图3所示。数值模拟计 算能量利用效率曲线和实验获得能量利用效率曲线分别如图4和图5所示。图4中曲线的 横轴为数值模拟计算的设定速比，纵轴为能量利用效率。图5中曲线的横轴为实验过程中 实测速比，纵轴为能量利用效率。本水平轴潮流发电水轮机的导流装置工作过程如下本导流装置与水平轴潮流发电水轮机按照图1位置安装固定在桩基础上、座海底 平台上或海上浮式平台下，当潮流由导流装置入口 1处流入导流装置后，经收缩段2加速， 潮流速度逐渐增大，经加速后的潮流推动导流装置喉部3处的水轮机6转动，水轮机6转动 带动电机舱9内的发电机发电。同时，潮流在流经导流装置外侧时，通过扩散段4和出口 5 处的斜凸边，绕流形成漩涡，在尾流区存在漩涡，于导流装置入口 1和出口 5处形成压差，对 导流装置内流体起到一定抽吸作用，使导流装置内的叶轮8位置处流速增大，提高水轮机 的启动性能和能量利用率。
权利要求
一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，包括相对于中心线对称布置的入口、收缩段，喉部、扩散段、出口和围板，其特征是入口、收缩段、喉部、扩散段和出口沿流顺序组合构成内壁面，内壁面的剖线方程为z＝0.0066x5 0.0524x4+0.149x3+0.0103x2 0.5836x+2.9263，围板一端与出口焊接、另一端焊接在扩散段上构成外壁面。
2.根据权利要求1所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是还包括 结构加强筋，结构加强筋连接在内壁面与外壁面之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是所 述内壁面呈前收后扩形式，中间最小半径处为喉部，入口半径R1、喉部半径Rtl、出口半径R2 之比为 1. 2 1. 3 1 1. 6 1. 8。
4.根据权利要求1或2所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是围 板与扩散段的焊接点位于扩散段的0. 85 0. 95倍长度处。
5.根据权利要求3所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是围板与 扩散段的焊接点位于扩散段的0. 85 0. 95倍长度处。
6.根据权利要求1或2所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是喉 部位于0. 4 0. 45倍长度处，长度L与喉部半径Rtl之比为0. 85 0. 95间。
7.根据权利要求3所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是喉部位 于0. 4 0. 45倍长度处，长度L与喉部半径Rtl之比为0. 85 0. 95间。
8.根据权利要求4所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是喉部位 于0. 4 0. 45倍长度处，长度L与喉部半径Rtl之比为0. 85 0. 95间。
9.根据权利要求5所述的一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置，其特征是喉部位 于0. 4 0. 45倍长度处，长度L与喉部半径Rtl之比为0. 85 0. 95间。全文摘要
一种水平轴潮流发电水轮机的导流装置。包括相对于中心线对称布置的入口、收缩段，喉部、扩散段、出口和围板，入口、收缩段、喉部、扩散段和出口沿流顺序组合构成内壁面，内壁面的剖线方程为z＝0.0066x5-0.0524x4+0.149x3+0.0103x2-0.5836x+2.9263，围板一端与出口焊接、另一端焊接在扩散段上构成外壁面。本发明提供了一种利用水流速度较低的潮流或海流水平向流动动能发电的水平轴潮流发电水轮机的导流装置，该装置也可应用于风力发电装置。
文档编号F03B13/26GK101956641SQ20101051192
公开日2011年1月26日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者孙科, 张亮, 荆丰梅, 那其, 马勇 申请人:哈尔滨工程大学