一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的制作方法

本发明属于水轮机发电技术领域，特别是涉及一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机。

背景技术：
近些年来，随着海洋资源以及海洋权益日渐被关注，人类对于潮流能的探索和开发在逐渐地升温，潮流能作为海洋能的重要组成部分，具有可预测性、功率密度大及能量稳定等突出优点，开发利用备受关注。潮流能的开发主要集中在发电技术领域，潮流能水轮机便是其核心能量转换装置。按照结构分类，现有的潮流能水轮机主要有水平轴水轮机、垂直轴水轮机和振荡水翼，这些潮流能水轮机各有利弊，水平轴水轮机技术比较成熟，获能效率较高，但是偏航损失严重；垂直轴水轮机虽然结构简单，易于维修养护，但还存在着自启动困难、效率低的问题；振荡水翼的研究起步较晚，还处在探索阶段。同时，这些水轮机的振动与噪声大，对鱼类、头足类等海洋生物所赖以生存的海洋环境均有一定程度的影响与破坏。从已公布的专利技术来看，也因存在前述不足而无法进入实用阶段。中国专利申请201210556394.X公开了“复合式潮流能垂直轴水轮机”，该方案虽然采用了外部H型、内部S型的结构，具有快启动性能、稳定性较好等优点，但因叶片垂直轴方向布置，使得整机效率较低，且对海洋生物有较大影响。中国专利申请201310291232.2公开了“一种叶片姿势可变的潮流能获能水轮机”，该方案通过链接方式将弧形叶片布置在主轴上，叶片姿势可变，周期稳定性较好，但因其结构过于复杂，经济性较差，不具有实用价值。综上所述，如何克服现有技术的不足已成为当今水轮机发电技术领域中亟待解决的重点难题之一。

技术实现要素：
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带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机，本发明的水轮机巧妙地运用了呈二维对数螺旋线形状的对数螺旋形叶片，以沿类锥形轮毂的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在类锥形轮毂的外周上做匀速旋转运动，大大减少了水力摩擦碰撞，降低了入口水头损失，从而提高了水轮机获能功效并很好地解决了使海洋鱼群顺利通过等难题。根据本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机，包括主轴、机箱、推力轴承、联轴器、发电机、机架、底座、导水锥，所述机箱下方分别以机架和底座支撑；其特征在于，还包括呈二维对数螺旋线形状的对数螺旋形叶片、浸入水潮流中的类锥形轮毂、密封罩；所述发电机通过联轴器及主轴与类锥形轮毂联接，在主轴与类锥形轮毂连接处设置密封罩，在类锥形轮毂后侧的机箱尾部设置导水锥，所述对数螺旋形叶片通过推力轴承以沿类锥形轮毂的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在类锥形轮毂的外周上；所述对数螺旋形叶片在类锥形轮毂外周上的不同轴向距离下的截面翼型曲线上关键点的坐标以如下方式表示，X和Y分别代表对数螺旋形叶片截面翼型曲线上关键点的空间坐标值，距离类锥形轮毂的前缘轴向55cm处的参数参见表1：表1序号XY序号XY128.97724.80311125.854713.5602232.19695.33681228.586115.0669335.41665.87041331.317416.5736438.63626.40411434.048818.0803541.85596.93781536.780219.587645.07567.47151639.511621.0937748.29538.00511742.24322.6004851.5158.53881844.974424.1071954.73479.07251947.705825.61381057.95449.60622050.437227.1205拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片的左弦：y＝0.1650x+0.0073；对数螺旋形叶片的右弦：y＝0.5516x-0.7018；距离类锥形轮毂的前缘轴向110cm处的参数参见表2：表2序号XY序号XY1-82.5421-9.681911-74.9703-28.20682-77.9564-9.14412-58.0275-21.93863-73.3708-8.606113-70.7346-26.63974-68.7851-8.068214-41.0848-15.67045-64.1994-7.530315-66.4989-25.07276-59.6137-6.992516-49.5561-18.80457-55.0281-6.454617-53.7918-20.37168-50.4424-5.916718-62.2632-23.50569-45.8567-5.378819-45.3204-17.237510-41.271-4.840920-36.8491-14.1034拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片的左弦：y＝0.1174x+0.0014；对数螺旋形叶片的右弦：y＝0.3694x-0.4771；距离类锥形轮毂的前缘轴向165cm处的参数参见表3：表3拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片的左弦：y＝1.0522x+0.0118；对数螺旋形叶片的右弦：y＝0.0001x2+1.5697x-1.9677；距离类锥形轮毂的前缘轴向200cm处的参数参见表4：表4序号XY序号XY118.44-55.8141128.439-51.406220.489-62.0151231.457-57.118322.538-68.2171334.476-62.83424.587-74.4181437.494-68.541526.636-80.621540.513-74.253628.685-86.8211643.531-79.965730.733-93.0231746.55-85.677832.782-99.2251849.569-91.388934.831-105.4261952.587-97.11036.88-111.6282055.606-102.812拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片的左弦：y＝0.0001x2-3.0283x+0.0087；对数螺旋形叶片的右弦：y＝-0.0001x2-1.8885x+2.3695；距离类锥形轮毂的前缘轴向250cm处的参数参见表5：表5拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片的左弦：y＝0.0727x+0.0059；对数螺旋形叶片的右弦：y＝0.2255x-0.2832。本发明的实现原理是：本发明的水轮机巧妙地运用了呈二维对数螺旋线形状对数螺旋形叶片，以沿类锥形轮毂的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在类锥形轮毂的外周上，当潮流流经本发明的水轮机时，潮流质点则伴随着绕流对数螺旋形叶片做匀速旋转运动，大大减少了水力摩擦碰撞，降低了入口水头损失，从而提高了水轮机获能功效；其中，类锥形轮毂可根据潮流流速不同而设置成不同的高径比，呈二维对数螺旋线形状的对数螺旋形叶片可根据潮流流速不同设置成不同的螺距并调节空间扭曲度；极大的保证了转轮转动的稳定性；对数螺旋形叶片所受外力之后旋转，进而带动主轴旋转，然后将力矩传递给与之相连的发电机组发电，将海潮流能转化为电能。本发明与现有技术相比其显著优点是：第一，本发明的对数螺旋形叶片呈二维对数螺旋线形状，以沿类锥形轮毂的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在类锥形轮毂的外周上做匀速旋转运动，大大减少了水力摩擦碰撞，降低了入口水头损失，从而提高了水轮机获能功效；第二，本发明的类锥形轮毂呈所述对数螺旋形叶片内缘的三维对数螺旋线绕轴向旋转形成的类圆锥形状，与对数螺旋形叶片配合并协同作用，不仅大大减小了水轮机机组的振动与噪声，而且可使海洋鱼群顺利通过，有效地解决了现有技术所存在的鱼类难于迁徙、对海洋生态环境造成破坏以及潮流能水轮机与海洋生物难于共存的问题。第三，本发明的水轮机结构填补了本技术领域的空白，它有效地解决了现有技术所存在的自启动困难的难题，且类锥形轮毂可根据潮流流速不同设置成不同的高径比，对数螺旋形叶片的截面形状可呈对称机翼型或非对称机翼型，这种以类锥形轮毂与对数螺旋形叶片协同匹配所产生的推力，能够获得更多的潮流能。第四，本发明的水轮机结构稳定性好、有效工作时间长和效率高，可作为现有技术的升级换代产品，适用于替代本领域中利用海潮流能发电的各种水轮机。附图说明图1是本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的结构剖视示意图。图2是本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的本体外形结构示意图。图3是本发明提出的对数螺旋形叶片的对数螺旋线示意图。图4是本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的转轮外形结构示意图。图5是本发明提出的单对数螺旋形叶片的外形结构示意图。图6是本发明提出的双对数螺旋形叶片组合的外形结构示意图。图7是本发明提出的对数螺旋形叶片的轴向不同位置截面示意图。图8是本发明提出的距离类锥形轮毂前缘轴向55cm处对数螺旋形叶片截面型线示意图。图9是本发明提出的距离类锥形轮毂前缘轴向110cm处对数螺旋形叶片截面型线示意图。图10是本发明提出的距离类锥形轮毂前缘轴向165cm处对数螺旋形叶片截面型线示意图。图11是本发明提出的距离类锥形轮毂前缘轴向200cm处对数螺旋形叶片截面型线示意图。图12是本发明提出的距离类锥形轮毂前缘轴向250cm处对数螺旋形叶片截面型线示意图。具体实施方式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的详细说明。结合图1-3，本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机，包括主轴(3)、机箱(5)、推力轴承(6)、联轴器(7)、发电机(8)、机架(9)、底座(10)、导水锥(11)，所述机箱(5)下方分别以机架(9)和底座(10)支撑；还包括呈二维对数螺旋线形状的对数螺旋形叶片(1)、浸入水潮流中的类锥形轮毂(2)、密封罩(4)；所述发电机(8)通过联轴器(7)及主轴(3)与类锥形轮毂(2)联接，在主轴(3)与类锥形轮毂(2)连接处设置密封罩(4)，在类锥形轮毂(2)后侧的机箱(5)尾部设置导水锥(11)，所述对数螺旋形叶片(1)通过推力轴承(6)以沿类锥形轮毂(2)的轴向渐变拉伸形成空间扭曲形状均匀分布设置在类锥形轮毂(2)的外周上。结合图4-12，本发明所述对数螺旋形叶片(1)在类锥形轮毂(2)外周上的不同轴向距离下的截面翼型曲线上关键点的坐标以如下方式表示，X和Y分别代表对数螺旋形叶片(1)截面翼型曲线上关键点的空间坐标值，距离类锥形轮毂(2)的前缘轴向55cm处的参数参见表1：表1序号XY序号XY128.97724.80311125.854713.5602232.19695.33681228.586115.0669335.41665.87041331.317416.5736438.63626.40411434.048818.0803541.85596.93781536.780219.587645.07567.47151639.511621.0937748.29538.00511742.24322.6004851.5158.53881844.974424.1071954.73479.07251947.705825.61381057.95449.60622050.437227.1205拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片(1)的左弦：y＝0.1650x+0.0073；对数螺旋形叶片(1)的右弦：y＝0.5516x-0.7018；距离类锥形轮毂(2)的前缘轴向110cm处的参数参见表2：表2序号XY序号XY1-82.5421-9.681911-74.9703-28.20682-77.9564-9.14412-58.0275-21.93863-73.3708-8.606113-70.7346-26.63974-68.7851-8.068214-41.0848-15.67045-64.1994-7.530315-66.4989-25.07276-59.6137-6.992516-49.5561-18.80457-55.0281-6.454617-53.7918-20.37168-50.4424-5.916718-62.2632-23.50569-45.8567-5.378819-45.3204-17.237510-41.271-4.840920-36.8491-14.1034拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片(1)的左弦：y＝0.1174x+0.0014；对数螺旋形叶片(1)的右弦：y＝0.3694x-0.4771；距离类锥形轮毂(2)的前缘轴向165cm处的参数参见表3：表3序号XY序号XY135.04936.91191128.18342.3335238.943441.01321231.173147.0372342.837745.11451334.163251.7409446.73249.21581437.153256.4446550.626453.31711540.143361.1484654.520757.41851643.133465.8521758.41561.51981746.123570.5558862.309465.62111849.113675.2595966.203769.72241952.103779.96321070.09873.82372055.093884.667拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片(1)的左弦：y＝1.0522x+0.0118；对数螺旋形叶片(1)的右弦：y＝0.0001x2+1.5697x-1.9677；距离类锥形轮毂(2)的前缘轴向200cm处的参数参见表4：表4序号XY序号XY118.44-55.8141128.439-51.406220.489-62.0151231.457-57.118322.538-68.2171334.476-62.83424.587-74.4181437.494-68.541526.636-80.621540.513-74.253628.685-86.8211643.531-79.965730.733-93.0231746.55-85.677832.782-99.2251849.569-91.388934.831-105.4261952.587-97.11036.88-111.6282055.606-102.812拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片(1)的左弦：y＝0.0001x2-3.0283x+0.0087；对数螺旋形叶片(1)的右弦：y＝-0.0001x2-1.8885x+2.3695；距离类锥形轮毂(2)的前缘轴向250cm处的参数参见表5：表5拟合后的两条曲线方程分别为：对数螺旋形叶片(1)的左弦：y＝0.0727x+0.0059；对数螺旋形叶片(1)的右弦：y＝0.2255x-0.2832。结合图4-12，本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的进一步的优选方案是：本发明所述对数螺旋形叶片(1)的数量为1至5枚；所述对数螺旋形叶片(1)的截面形状呈对称机翼型或非对称机翼型；所述对数螺旋形叶片(1)的螺距为20～40厘米；所述类锥形轮毂(2)的高度与直径之比为3:1～5:1；所述导水锥(11)的高度与直径之比为1:1～2:5；所述类锥形轮毂(2)的过旋转轴截面的外周曲线上关键点的坐标以如下方式表示，X和Z分别代表类锥形轮毂(2)的过旋转轴截面的外周曲线上关键点的空间坐标值，具体参数参见表6：表6序号XZ序号XZ1-72.0000300.0000110.00000.00002-67.7113265.34241221.107825.84593-63.1372230.72141331.918159.03014-58.2120196.14871440.068492.98375-52.8410161.64261546.8766127.23436-46.8767127.23431652.8410161.64257-40.068492.98371758.2120196.14878-31.918059.03011863.1372230.72149-21.107825.84591967.7112265.3425100.00000.00002072.0000300.0000本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机的应用实施例如下：以沿海区域的潮流能流速为1.5m/s～2.5m/s条件下使用本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机为例:实施例1的设计方案与本发明上述的技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：本发明的对数螺旋形叶片(1)的数量为2枚；对数螺旋形叶片(1)的截面形状选择对称机翼型；对数螺旋形叶片(1)的高度为310cm、最大直径为180cm，最小螺距为85cm、螺距渐变比为5:6；类锥形轮毂(2)的高度为310cm、最大直径为105cm；所述导水锥(11)的高度为170cm、直径为105cm。实施例2的设计方案与本发明上述的技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：本发明的对数螺旋形叶片(1)的数量为1枚；对数螺旋形叶片(1)的截面形状选择非对称机翼型；等速螺旋形叶片(1)的高度为320cm、最大直径为190cm，最小螺距为85cm、螺距渐变比为5:6；类锥形轮毂(2)的高度为320cm、最大直径为105cm；所述导水锥(11)的高度为190cm、直径为105cm。实施例3的设计方案与本发明上述的技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公开如下：本发明的对数螺旋形叶片(1)的数量为5枚；对数螺旋形叶片(1)的截面形状选择对称机翼型；对数螺旋形叶片(1)的高度为320cm、最大直径为160cm，最小螺距为90cm、螺距渐变比为5:6；类锥形轮毂(2)的高度为320cm、最大直径为105cm；所述导水锥(11)的高度为160cm、直径为105cm。本发明的具体应用过程为：本发明的转轮包括对数螺旋形叶片(1)与沿类锥形轮毂(2)协同配合，当海洋中的潮流冲击本发明所述转轮的对数螺旋形叶片(1)，由转轮的对数螺旋形叶片(1)将潮流能的能量转换为转轮的动能，进而带动水平轴潮流能水轮机的输出轴旋转，将潮流的能量转换为水平轴潮流能水轮机的动能，进一步带动发电机发电，潮流通过导水锥段流向转轮的后方，回归海洋中。本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种带对数螺旋形叶片的水平轴潮流能水轮机技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。