一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，包括转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上的叶片，所述转轴、轮毂以及叶片均置于叶轮室内，叶轮室两端分别为进水侧和出水侧，水流从进水侧沿轴向流向出水侧，轮毂采用球面形，方便叶片的安装于固定，从而提高叶片的做功能力。所述叶片采用不等厚度、不等弦长的翼型组成，相较于传统海流发电水轮机叶轮，叶片外缘翼型弦长较叶片根部翼型弦长较大，叶片整体根部小，外缘大，这样能够在叶轮旋转时产生较大的叶片扭矩，从而提高机组出力。根据这类叶轮所制造的具有导流罩的水轮机组，不仅在海流发电中有较高的运行效率，同时也可在低微水头发电时，整机安装较为简便，能够在微小水能条件下发电使用，充分达到水能高效利用的目的。
【专利说明】一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种水轮机叶轮，具体的说是一种应用于海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，属于流体机械及水电工程设备【技术领域】。
【背景技术】:
[0002]能源是经济增长和人类社会生存发展的重要物质基础，而水力资源是到目前为止人类找到的最好的清洁可再生绿色能源之一，因此，世界各国都把开发水电放在了能源开发的优先位置。我国水能资源总量十分丰富，不仅有中、高水头资源，而且有大量的低水头资源，约为0.8?1.0亿千瓦(含潮汐能)，而开发程度仅为20%左右。
[0003]近年来，广袤的海洋资源逐渐走入人们的视野中，越来越多的人开始关注并积极开发潜力巨大的海洋能源，在无限的海洋能源中，海流能拥有丰富的蕴藏和相对成熟的应用转化技术，具有极大的发展潜力。海流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转，然后再变换成高速，带动发电机发电，不需要较高水头创造初始压力，仅依靠水流流速就能实现发电。
[0004]传统的水轮机在利用高水头能量做功方面已取得较高的效率，而在低微水头甚至无水头情况下，传统的水轮机却失去了原有的优势。特别是海流本身的流速小、水头低，海水来流方向不稳定，若采用一般的水轮机，不仅机组本身结构复杂，而且机组效率很低。
[0005]此外，水轮机叶轮作为海流发电机组最为关键的部件之一，叶轮的性能直接影响着整个机组的性能，其成本也占到了整个发电机组的20%左右。传统的低微水头水轮机叶轮叶片一般采用不对称扭曲贯流式叶片，而海流能发电水轮机多借鉴风机叶片，两者适用条件及运行范围不同，叶轮结构复杂，制造成本较高，且运行效率较低。
【发明内容】
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[0006]发明目的:本发明的目的则是克服了现有技术的不足，设计一种结构简单，尺寸小，加工方便，经济成本低，效率高，能够用于海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，也可供山区，平原，山泉以及塘坝溪水等微小水能条件下发电使用，充分达到水能高效利用的目的。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，包括转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上的叶片，所述转轴、轮毂以及叶片均置于叶轮室内，叶轮室两端分别为进水侧和出水侧，水流从进水侧沿轴向流向出水侧。
[0009]所述叶轮室直径为D1,其截面形状为圆形，叶轮室长度L1与叶轮直径D1的比值为0.132 ?0.142。
[0010]所述转轴直径Dtl与叶轮室直径D1的比值为0.100?0.114，水流的冲击作用使叶片(4)旋转，从而使转轴(2)以一定的转速η旋转带动发电机转子旋转发电。
[0011]所述轮毂(3)为一球面突起，轮毂比即轮毂(3)直径Dh与叶轮室(I)直径D1的比值为0.214~0.220，轮毂长度Ltl与叶轮室直径D1的比值为0.089~0.097。
[0012]所述叶片(4)呈一定扭曲状，叶片数为4~6个，靠近轮毂(3)，直径为0.3倍叶轮
室直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(丨)% 0.554~0.560，以0.6倍叶轮室直径D1为直径的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(|)::为0.303~0.309，叶轮室最
外缘圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(I);为0.209~0.215。
[0013]所述叶片(4)靠近轮毂(3)处0.3倍叶轮室直径D1处翼型弦长I1与叶轮室直径
D1的比值为0.100~0.106，该翼型最大厚度Cl1与其弦长I1的比值(#)!为0.125~0.131，
该翼型最大厚度点到前缘的距离Xdl与翼型弦长I1的比值(I)1为0.348~0.354，该翼型
最大弯度与翼型弦长I1的比值(+) % 0.078~0.084，该翼型最大弯度点至前缘的距离
Xfl与翼型弦长I1的比值0.443~0.449，翼型后部增加厚度Id1，它与翼型弦长I1的 b
比值(Y)1S0.010 ~0.014。
[0014]所述叶片(4)在0.6倍叶轮室直径D1处翼型弦长I2与叶轮室直径D1的比值为0.112~0.118，该翼型最大厚度d2与翼型弦长I2的比值(f):为0.114~0.120，该翼型最
大厚度点到前缘的距离Xd2与翼型弦长I2的比值为0.345~0.351，该翼型最大弯度
f2与翼型弦长12的比值(+)2为0.069~0.075，该翼型最大弯度点至前缘的距离xf2与翼
型弦长I2的比值(I)2为0.467~0.473，翼型后部增加厚度b2，它与弦长I2的比值.(|)2为
0.009 ~0.015。
[0015]所述叶片(4)轮缘外侧即叶轮室直径D1处翼型弦长I3与叶轮室直径D1的比值为
0.129~0.135，该翼型最大厚度d3与翼型弦长I3的比值(I);:为0.102~0.108，该翼型最
大厚度点到前缘的距离xd3与翼型弦长I3的比值(￥); i为0.353~0.359，该翼型最大弯度
f3与翼型弦长I3的比值(+);为0.060~0.066，该翼型最大弯度点至前缘的距离xf3与翼
型弦长I3的比值(I),为0.478~0.484，翼型后部增加厚度b3，它与翼型弦长I3的比值(|)3为 0.008 ~0.012。[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0017]本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮采用4?6个扭曲叶片，叶片翼型简单，由于叶片翼型从叶根到叶缘逐渐增大，因此能够产生较大叶片扭矩，从而提高叶轮出力，同时叶轮整体结构简单，从加工制造到安装都十分方便。
[0018]本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮针对海流能水流的特点，水流流速在0.5m/S以上就可以发电,也可适用于0.2m-1.5m的微水头水流水能转化。
[0019]经试验验证，叶轮效率达到85%以上，相对于传统的筑坝发电，安装此设计叶轮的海流发电水轮机能够较好的保护当地环境，并且较好的降低了发电机组造价成本，能够达到水能高效利用的目的。
【专利附图】
【附图说明】:
[0020]下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
[0021]图1是本发明的叶轮整体结构示意图。
[0022]图2是本发明的叶轮各部分尺寸示意图。
[0023]图3a是本发明的叶轮叶片在0.SD1 (靠近轮毂附近)处的翼型分布示意图。
[0024]图3b是本发明的叶轮叶片在0.SD1 (靠近轮毂附近)处的翼型形状示意图。
[0025]图4a是本发明的叶轮叶片在0.BD1处的翼型分布示意图。
[0026]图4b是本发明的叶轮叶片在0.6Di处的翼型形状示意图。
[0027]图5a是本发明的叶轮叶片在D1 (即叶轮外缘)处的翼型分布示意图。
[0028]图5b是本发明的叶轮叶片在D1 (即叶轮外缘)处的翼型形状示意图。
[0029]图6a是本发明的叶片立体结构示意图。
[0030]图6b是本发明的叶片的主视图。
[0031]图6c是本发明的叶片的左视图。
[0032]图6d是本发明的叶片的俯视图。
[0033]图中:1、叶轮室，2、转轴，3、轮毂，4、叶片，5、叶轮进水侧，6、叶轮出水侧、叶轮
室直径，Dtl、转轴直径，Dh、轮毂直径；U、轮毂长度，L1、叶轮室长度；1、叶轮叶片翼型弦长，t、叶轮叶片栅距，d、叶轮叶片处翼型最大厚度，xd、叶轮叶片翼型最大厚度点到前缘距离，f>叶轮叶片翼型最大弯度，xf、叶轮叶片翼型最大弯度点到前缘距离，b叶轮叶片翼型边侧厚度。(注:下标I?3分别代表叶轮叶片在0.3D1、0.6Di及D1处翼型参数)
具体实施方案:
[0034]如图1所示，本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，包括转轴2和轮毂3以及安装固定在轮毂3上的数量为4?6个的叶片4，所述转轴2、轮毂3以及叶片4均置于叶轮室I内；如图2所示,叶轮室I两端分别为进水侧5和出水侧6,水流从进水侧5沿轴向流向出水侧6。
[0035]如图1、图2所示，海流发电水轮机叶轮室直径为D1，其截面形状为圆形，易于制造固定安装，叶轮室长度L1与叶轮室直径D1的比值为0.132?0.142 ;转轴直径Dtl与叶轮室直径D1的比值为0.100?0.114，水流的的冲击作用使叶片4旋转，从而使转轴2以一定的转速η旋转带动发电机转子旋转发电；轮毂3为一球面突起，便于叶片4在其上的安装与固定，从而提高叶片做功能力，同时，球面轮毂便于叶片角度的调整，从而适应不同水轮机运行工况要求。轮毂比即轮毂3直径Dh与叶轮室直径D1的比值为0.214~0.220，轮毂长度L0与叶轮室直径D1的比值约为0.089~0.097。
[0036]如图1、图2、图3a、图4a、图5a、图6a、图6b、图6c、图6d所示，叶片4为从叶片根
部轮毂3处到叶轮外缘不等厚度、不等弦长的翼型组成，相较于传统海流发电水轮机叶轮，叶片外缘翼型弦长较叶片根部翼型弦长较大，这样能够在叶轮旋转时产生较大的叶片扭矩，从而提高机组出力，叶片4呈一定扭曲状，叶片数为4~6个。根据不同运行工况要求，叶片4角度可作调整以满足叶轮高效运行。靠近轮毂3，直径为0.3倍叶轮室直径D1的圆
柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(> 为0.554~0.560，以0.6倍叶轮室直径D1为直径
的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.303~0.309，叶轮最外缘圆柱面所截圆
柱面的轮缘侧叶栅稠密度(丨)3为0.209~0.215。
[0037]如图1、图2、图3b所示，叶片4靠近轮毂3处0.3倍叶轮室直径D1处翼型弦长I1与叶轮室直径D1的比值为0.100~0.106，该翼型最大厚度Cl1与翼型弦长I1的比值(彳义为
0.125~0.131，该翼型最大厚度点到前缘的距离Xdl与翼型弦长I1的比值为0.348~
0.354，该翼型最大弯度与翼型弦长I1的比值(I)1为0.078~0.084，该翼型最大弯度点
至前缘的距离Xfl与翼型弦长I1的比值(+爿为0.443~0.449，为了方便制造加工，翼型后
部增加厚度K，它与翼型弦长I1的比值为0.010~0.014。
[0038]如图1、图2、图4b所示，叶片4在0.6倍叶轮室直径D1处翼型弦长I2与叶轮室直SD1的比值为0.112~0.118，该翼型最大厚度(12与翼型弦长I2的比值(f)2为0.114~
0.120，该翼型最大厚度点到前缘的距离Xd2与翼型弦长I2的比值(￥):.为0.345~0.351，
该翼型最大弯度f2与翼型弦长I2的比值(I):为0.069~0.075，该翼型最大弯度点至前缘
的距离Xf2与翼型弦长I2的比值(|):为0.467~0.473，为了方便制造加工，翼型后部增加
厚度b2，它与翼型弦长I2的比值(|)2为0.009~0.015。
[0039]如图1、图2、图5b所示，叶片4轮缘外侧即叶轮室直SD1处翼型弦长I3与叶轮室直径比值为0.129~0.135，该翼型最大厚度d3与翼型弦长I3的比值为0.102~0.108，该翼型最大厚度点到前缘的距离Xd3与翼型弦长I3的比值(￥);为0.353~0.359，该翼型最大弯度f3与翼型弦长I3的比值(+)为0.060~0.066，该翼型最大弯度点至前缘的距离Xf3与翼型弦长I3的比值(+)3为0.478~0.484，为了方便制造加工，翼型后部增加
厚度b3，它与翼型弦长I3的比值为0.008~0.012。
[0040]以下是几个具体算例:
[0041]例1，设叶轮室直径D1为lm，叶片安放角为40°，水流流速为3m/s，叶轮额定转速为157.6r/min，机组实测流量2.44m3/s，轴功率12.53kff,叶轮效率87.29%，符合设计要求。
[0042]例2，设叶轮室直径D1为2m，叶片安放角为40°，水流流速为3m/s，叶轮额定转速为78.8r/min，机组实测流量9.74m3/s，轴功率50.53kff,叶轮效率88.21%，符合设计要求。
[0043]例3，设叶轮室直径D1为2m，叶片安放角为40°，水流流速为2m/s，叶轮额定转速为57.3r/min，机组实测流量6.53m3/s，轴功率14.86kff,叶轮效率87.46%，符合设计要求。
[0044]例4，设叶轮室直径D1为3m，叶片安放角为40°，水流流速为3m/s，叶轮额定转速为52.5r/min，机组实测流量21.89m3/s，轴功率114kW，叶轮效率88.63%，符合设计要求。
[0045]例5，设叶轮室直径D1为3m，叶片安放角为37°，水流流速为3m/s，叶轮额定转速为52.5r/min,机组实测流量20.04m3/s,轴功率113.24kff,叶轮效率88.98%，符合设计要求。
[0046]本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指出:对于本【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于包括转轴(2)和轮毂(3)以及安装固定在轮毂(3)上的叶片(4)，所述转轴(2)、轮毂(3)以及叶片(4)均置于叶轮室(I)内，叶轮室(I)两端分别为进水侧(5 )和出水侧(6 ),水流从进水侧(5 )沿轴向流向出水侧(6)。
2.根据权利要求1所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述叶轮室直径为D1，其截面形状为圆形，叶轮室长度L1与叶轮直径D1的比值为0.132~0.142。
3.根据权利要求1所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述转轴直径Dtl与叶轮室直径D1的比值为0.100~0.114，水流的冲击作用使叶片(4)旋转，从而使转轴(2)以一定的转速η旋转带动发电机转子旋转发电。
4.根据权利要求1所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述轮毂(3)为一球面突起，轮毂比即轮毂(3)直径Dh与叶轮室(I)直径D1的比值为0.214~0.220，轮毂长度Ltl与叶轮室直径D1的比值为0.089~0.097。
5.根据权利要求1所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述叶片(4)呈一定扭曲状，叶片数为4~6个，靠近轮毂(3)，直径为0.3倍叶轮室直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(+)力0.554~0.560，以0.6倍叶轮室直径D1为直径的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(()，为0.303~0.309，叶轮室最外缘圆柱面所截
t圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度(I);为0.209~0.215。
6.根据权利要求5所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述叶片(4)靠近轮毂(3)处0.3倍叶轮室直径D1处翼型弦长I1与叶轮室直径D1的比值为0.100~0.106，该翼型最大厚度Cl1与其弦长I1的比值(I)1为0.125~0.131，该翼型最大厚度点到前缘的距离Xdl与翼型弦长I1的比值(，^为0.348~0.354，该翼型最大弯度与翼型弦长I1的比值为0.078~0.084，该翼型最大弯度点至前缘的距离Xfl与翼型弦长I1的比值(+),为0.443~0.449，翼型后部增加厚度Id1，它与翼型弦长I1的比值为0.010 ~0.014。
7.根据权利要求5所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述叶片(4)在0.6倍叶轮室直径D1处翼型弦长I2与叶轮室直径D1的比值为0.112~0.118，该翼型最大厚度d2与翼型弦长I2的比值(f):为0.114~0.120，该翼型最大厚度点到前缘的距离xd2与翼型弦长I2的比值(’)2为0.345~0.351，该翼型最大弯度f2与翼型弦长I2的比值(f):为0.069~0.075，该翼型最大弯度点至前缘的距离Xf2与翼型弦长I2的比值(y)2为0.467~0.473，翼型后部增加厚度b2，它与弦长I2的比值(|)2为0.009~0.015。
8.根据权利要求5所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮，其特征在于:所述叶片(4)轮缘外侧即叶轮室直SD1处翼型弦长I3与叶轮室直径D1的比值为0.129~0.135，该翼型最大厚度d3与翼型弦长I3的比值(I),为0.102~0.108，该翼型最大厚度点到前缘的距离xd3与翼型弦长I3的比值(+).;为0.353~0.359，该翼型最大弯度f3与翼型弦长I3的比值(fh为0.060~0.066，该翼型最大弯度点至前缘的距离xf3与翼型弦长I3的比值(+)3为0.478~0.484，翼型后部增加厚度b3，它与翼型弦长I3的比值(|)3为0.008~。0.012。
【文档编号】F03B3/12GK103573530SQ201310496139
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】周大庆, 陈会向, 钟淋涓, 郑源 申请人:河海大学