一种Π型悬臂式垂直轴潮流水轮机的制作方法

本发明涉及一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机，属于液力机械和液力发电机领域。

背景技术：

潮流能是一种清洁无污染的绿色可再生新能源，具有储量大、分布广、可预测性强等优点。开发利用潮流能对于缓解能源紧张，降低环境污染，发展沿海及岛屿经济，巩固海防等具有重要意义。

潮流能利用的核心装置为水轮机，根据其结构形式，主要有水平轴式和垂直轴式。水平轴式水轮机易实现变桨控制运行，具有能量转换效率高、设计理论和技术相对成熟等优点，但其水下结构和密封复杂，往往需要加设对流换向机构，且叶梢处空化和叶片振动问题突出；垂直轴式水轮机结构相对简单，流向适应性强，对水深要求不高，一直是研究和应用的热点机型。目前应用的垂直轴潮流水轮机多为固定偏角的“h型”和“φ型”水轮机，叶轮的水下结构相对复杂，启动流速高，运行工况控制困难，能量转换效率低，渔网或海草等缠绕问题难于克服，安装维护成本较高。为此，本专利发明了一种“π型”悬臂式垂直轴潮流水轮机，该水轮机克服了现有垂直轴潮流水轮机的不足，具有如下优点：

(1)叶轮结构呈π型，整体结构简单，生产和制造成本低。

(2)连接叶片与叶轮主轴的轮辐位于水面以上，叶轮转动时轮辐不产生水阻力能量耗散，叶轮的能量转换效率高。

(3)采用了水上支臂和水密轮盘以及水下悬臂叶片等独特结构设计，实现了叶片偏角的主动控制，进一步提高了水轮机的能量转换效率。

(4)实现了叶轮启动、正常运行和刹车等不同工况的主动控制，降低了水轮机的启动流速和过载风险，水轮发电机组的环境适应能力更强。

(5)除叶片以外，所有构件位于水面以上运行，降低了水密难度和水轮机的故障率，便于安装、维护、检修和运行管理。

(6叶片的水下部分没有轮辐或其它连接构件，解决了渔网和海草缠绕难以清除的问题，且便于叶片安装、维护、检修和叶片表面海生物清除等海上作业，长期运维成本低；

(7)悬臂式非等截面、近似于等应力梯形直翼叶片设计，叶根舷长和厚度较大，保证了叶片根部的耐载荷能力。

(8)主轴、轮盘、支臂、叶片座和叶片，采用没考好结构设计和活连接形式，不仅方便于运输安装、维护检修，还能够实现叶轮直径的调整。

经检索发现，公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开了一种垂直轴潮流发电机的叶轮装置。包括主轴及轮盘部分、轮辐部分和叶片及叶片连接部分。其特征是：主轴及轮盘部分包括主轴、轮盘、连接槽、槽连接孔；轮辐部分包括轮辐板、轮辐板连接孔、限位腿、角度调节螺栓；叶片及叶片连接部分包括叶片、叶片箍、限位座；主轴及轮盘部分通过连接螺栓与轮辐部分连接，轮辐部分与叶片及叶片连接部分转动相连。本发明可调整叶片的迎流攻角或控制叶片的摆角范围，可根据潮流环境更换轮辐部分，改变叶轮转动半径，是一种结构简单，安装、调节、拆换方便，运行可靠，适合工程应用的叶轮装置，用于潮流能转换。本发明专利所涉及的一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机与公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机存在以下不同：

1、叶轮结构形式不同。本发明专利采用的是π型悬臂式叶片的叶轮，叶片为根部舷长大，梢部弦长小的梯形变截面直翼叶片，水下部分无主轴，不仅能量损耗小、能量转换效率高，还克服了渔网、海草等的缠绕问题，生产制造成本低，方便安装、维护、检修和运行管理。

2、叶片控制方式不同。公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机的叶片为自适应被动控制攻角的方式，叶轮能量转换效率相对较低，不方便工况调整，环境适应能力弱，不易于水轮机的运行控制和管理。本发明专利采用了水密轮盘、支臂、电力控制系统等设计，可以主动控制叶片攻角变化，主动控制水轮机工况和运行，水轮机的环境适应能力更强，能量转换效率更高。

3、公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机叶轮浸没于水下，而本发明专利中所涉及的水轮机，除叶片以外，其他机电部件均位于水面以上，降低了水密处理的技术难度，提高了可靠性，便于安装、维护、检修和运行管理。

4、公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机为定叶轮直径的水轮机，而本发明专利采用了支臂、叶片座等的结构设计，可以实现叶轮直径调整。

5、公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机叶片为等翼型、等截面直翼叶片，而本发明专利的悬臂叶片为梯形变翼型、变截面直翼叶片，增强了叶片根部的抗载荷能力。

本发明专利中所涉及的垂直轴潮流水轮机在主轴设置方式、叶片结构形式和设置方式、叶片攻角控制方式等方面与公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机存在明显不同，并且与公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机相比，本发明专利所涉及的水轮机，在提高能量转换效率、可维性、可控性，以及降低水密技术难度和运维成本方面都取得了显著的效果，为此本发明专利所涉及的一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机与公布号为cn201010101286.4的发明专利文件中公开的水轮机是完全不同的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机，是一种可以主动控制叶片攻角，具有良好的可维性、可靠性和运行工况可控性的利用潮流动能高效发电的旋转叶轮机械装置。

本发明的目的是这样实现的：在主轴的上端设置有法兰、下端设置有水密转盘2，所述水密转盘2的周向上等间距设置有至少三个弧板，每个弧板上设置有两个开孔侧板，两个开孔侧板的端部间设置有顶板，顶板、弧板、两个开孔侧板构成框架式结构，在每个框架式结构的上端设置有叶片座，叶片座上设置有控制电机，控制电机的输出端连接有叶片轴，每个叶片轴上设置有测力传感器，每个叶片轴的端部连接有叶片，所述水密转盘2内还设置有充电电源和叶片控制单片机，所述控制电机和测力传感器分别和叶片控制单片机连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述弧板的个数为3-6个。

2.每个开孔侧板上设置有一t型座，相邻两个t型座之间设置有一张紧器。

3.所述叶片是不等截面直翼叶片，叶梢弦长、叶根弦长、叶片展长和叶轮直径之比为1:2:20:a，其中a为20～30。

4.所述框架式结构的上端面与水平面平行、下端面与水平面之间的夹角是10°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明专利所要解决的技术问题是提供一种启动性能好，转换效率高，具有较好可维性、运行可控性和环境适应性，易于生产制造、运输安装、维护检修和运行管理，无需复杂水密工艺，适合潮流能转换的高性能水轮机。

本发明的一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机，由潮流冲击叶片经叶片轴、叶片座、支臂、水密轮盘及主轴传递，带动发电机发电，将潮流的动能转换为电能。本发明具有启动性能好，转换效率高，可维性好，可控程度高，易于生产制造、运输安装、维护检修和运行管理，无需复杂水密工艺等特点，适合用于潮流能发电。本发明的充电电源直接利用潮流发电机发出的电来充电，叶片控制单片机用于判断叶片受力和规划叶片攻角变化，通过实时接收和反馈信号控制叶片攻角变化。控制电机接收叶片控制单片机的信号，带动叶片和叶片轴在叶片座内旋转。测力传感器用于感知叶片受力，并将受力信号反馈给叶片控制单片机。叶片控制单片机、控制电机、测力传感器均由充电电源供电。

附图说明

图1是本发明的一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机结构示意总图；

图2是本发明的水密轮盘结构示意图；

图3是本发明的支臂结构示意图；

图4是本发明的叶片结构示意图；

图5是本发明的电力控制系统组成示意图；

图中：1、主轴；2、水密轮盘；3、法兰；4、控制电机；5、t型座；6、u型耳；7、不等截面直翼叶片；8、叶片上法兰；9、叶片下法兰；10、叶片座；11、叶片轴支撑；12、弧板；13、开孔侧板；14、顶板；15、调节杆；16、叶片轴；17、测力传感器；18、充电电源；19、叶片控制单片机；22、螺纹杆。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明专利主要包括主轴1、水密轮盘、支臂(或轮辐)、叶片及电力控制系统等。所述主轴1在水面以上工作，所述主轴1用于传递旋转机械能，带动发电机发电；所述水密轮盘用于搭载支臂、叶片和电力控制系统等；水密轮盘为活密封腔体，侧面设有支臂连接孔，用于活连接支臂，内部装有充电电源、叶片控制单片机。所述支臂为框架结构，用于直接搭载叶片；所述叶片7为不等截面直叶片，用于将潮流的动能转换为旋转机械能；所述电力控制系统用于主动控制叶片偏角变化，进而控制水轮机运行。所述主轴1上端设有连接法兰3，用于连接其他旋转轴和水密轮盘2；所述水密轮盘上开有螺纹连接孔，用于活连接支臂；所述支臂包括1块弧板12、2块开孔侧板13和1块顶板14，并通过弧板与水密转盘活连接；所述叶片通过叶片轴支撑11固定于支臂上，叶片轴16和叶片7通过叶片上法兰8和叶片下法兰9连接；所述电力控制系统包括充电电源18、叶片控制单片机19、控制电机4、测力传感器17。所述水密轮盘内搭载充电电源、叶片控制单片机；所述支臂的弧板、开孔侧板和顶板焊接连接，形成框架结构，支臂的框架式结构的上面平直，设有叶片座连接孔，下投影面与水平面成10度角；所述叶片轴上设有测力传感器，通过控制电机4控制叶片及叶片轴在叶片座10内旋转，主动变化偏角。支臂的开孔侧板上活连接有t型座5，由张紧器连接相邻两个t型座5，实现悬臂式支臂的结构加强；所述叶片为不等截面梯形直翼叶片7，叶梢翼型为naca0018，叶根翼型为naca0024，沿着展长方向连续过度。叶梢弦长与叶根弦长、叶片展长和叶轮直径之比为1:2:20:(20～30)；所述叶片轴承座与支臂通过螺栓活连接，可以实现叶轮直径的调整。根据主轴1上测力传感器数据，经单片机处理，实时反馈，由控制电机4驱动叶片偏角变化，优化水轮机运行，主动实现工况控制。潮流冲击叶片经叶片轴、叶片座、支臂、水密轮盘及主轴1传递，带动发电机发电，将潮流的动能转换为旋转机械能。

所述主轴1为涂有防腐漆的钢制筒型轴，上端焊连有上连接法兰，下端与水密轮盘焊接，，主轴1通过上连接法兰与其他主轴1活连接。所述主轴1工作时位于水面以上。

所述水密轮盘为涂有防腐漆的钢制密封轮盘，侧面均布开有多组支臂连接螺孔，每组支臂连接螺孔为4个，用于与支臂的弧板的活连接。水密轮盘内居中位置设有充电电源、叶片控制单片机。

所述支臂包括1块弧板、2块开孔侧板和1块顶板。所述2块开孔侧板的一端与弧板内侧焊接连接，另一端与顶板的内侧焊接连接，形成框架结构。所述弧板外侧壁面与水密轮盘侧壁外面贴合，并通过螺孔和螺栓活连接。所述开孔侧板上面开有多个叶片座连接螺孔，侧面开有梯形孔。所述开孔侧板上面平直，下面侧投影与水平面呈10度角。所述支臂的开孔侧板的侧面上分别设有1个t型座5，相邻两个t型座5间由1个张紧器连接，对悬臂式支臂进行结构加强。所述每个张紧器由2个u型耳6、2个螺纹杆22和1根调节杆15组成，通过旋转调节杆控制张紧器的张紧程度。所述每个支臂的上面通过4个叶片座连接螺孔活连接1个叶片座10。支臂上的叶片座连接螺孔为多孔设计，通过叶片座位置的调整实现叶轮直径的调整。

所述叶片为变翼型不等截面梯形直翼叶片，叶梢翼型为naca0018，叶根翼型为naca0024，沿着展长方向连续过度。叶梢弦长、叶根舷长、叶片展长、叶轮直径之间的比为1：2：20:(20～30)。叶片根部焊有叶片轴，叶片通过叶片轴固定于叶片座内，并在叶片座内自由旋转，叶片座沿支臂上面位置可调。所述每根叶片轴上活连接有1个测力传感器，用于测量叶片受力，并反馈给叶片控制单片机。

所述电力控制系统包括1个充电电源、1个叶片控制单片机、3个控制电机4(根据叶片数而定)、3个测力传感器(根据叶片数而定)。所述电力控制系统用于感知叶片受力，并控制叶片攻角变化，进而控制叶轮的工况和运行；所述充电电源和叶片控制单片机布置在水密轮盘内部中间位置，与水密轮盘活连接，充电电源利用潮流转换的电能充电。每个测力传感器活连接在每个叶片的叶片轴上，用于采集叶片受力信号，并实时反馈给叶片控制单片机，规划控制电机4的动作。每个控制电机4活连接在对应的叶片座上，控制电机4的转轴直接与叶片轴活连接，实时接收叶片控制单片机的控制信号后，实时控制叶片轴在叶片座内旋转，控制叶片攻角的变化，进而控制水轮机的工作工况和运行。所述叶片控制单片机、3个控制电机4、3个测力传感器均由充电电源供电。

所述一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机，由潮流冲击每个叶片经各自叶片轴、叶片座、支臂和水密轮盘及主轴1传递，带动发电机发电，将潮流的动能转换为电能。

所述一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机，具有启动性能好，转换效率高，可维性好，可控程度高，易于生产、制造、安装和维护检修，方便运行管理，无需复杂水密工艺等特点，适合用于潮流能发电。

本发明所涉及的一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机具体应用和工作流程：

一种π型悬臂式垂直轴潮流水轮机可为3-6叶形式，如图1-图5中的结构和方式连接，并固定在浮式平台或特质船舶下方，与潮流发电机相连。当有潮流存在时，潮流在叶片上施加荷载，叶片的荷载通过叶片轴、叶片座、支臂、水密轮盘和主轴1传递旋转扭矩，将潮流的动能转换为旋转机械能，进而带动发电机发电，最终将潮流动能转换为电能。

当潮流流速或其他环境条件发生变化时，叶片上所受的载荷发生变化，叶片轴上的测力传感器感知叶片受力，将叶片受力传递给水密轮盘内的叶片控制单片机，根据叶片控制单片机内的控制策略，确定叶片攻角变化策略，形成控制信号，实时规划叶片控制电机4的动作，实时控制叶片攻角变化，实现叶片运动的实时主动优化控制，进而实现水轮机工况和运行的主动控制。