一种带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机的制作方法

本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机。

背景技术：

海流能是指海水在水平流动中蕴藏的动能，是海洋可再生能源中的一种，一般来说水流速度大于2米/秒的海底水道或海峡中以及由于潮汐导致的有规律的海水流动地区内的海流能资源都具有可开发利用的价值。由于与风力发电的原理相似，目前大多数研制中的海流能发电装置也沿袭了风力机的设计，可分为水平轴式和垂直轴式两类，垂直轴式的海流能装置(水轮机)的发电设备可安装在水面以上甚至是岸边，从而大大减小了海水对这些关键部件的侵蚀破坏，进而降低了系统的维护费用。此外，垂直轴式海流能水轮机的迎流面积为矩形从而在安装时受到水深高度的制约性较小，因此比水平轴装置更适用于流速大，水深较浅的流道中。尽管垂直轴海流能水轮机与水平轴装置(如图1所示)相比有诸多优点，但是这种水轮机的能量转换效率较低，迄今仍普遍低于水平轴式装置，而提高垂直轴式海流能水轮机的能量转换效率是使这种发电装置得到更广泛应用的关键。

目前提高垂直轴式水轮机的方法可分为主动式和被动式两类，主动式的可在水轮机转子叶片上通过射流、振动薄片或吹、吸气的方法通过局部能量的输入，改善叶片表面的流动状态，提高叶片的做功性能，但这类方法需要消耗能量而且机构复杂，不适合严酷和复杂多变的海洋环境。被动式方法在叶片上加装附属小结构如肋条、圆柱、优化叶片几何形状等，这类方法不需要消耗能量，无需额外添加装置或系统因此结构简单。

但是，目前利用附属小结构如肋条、圆柱、优化叶片几何形状等改善叶片做功性能的被动式方法需要在转子叶片表面直接进行加装，在实际应用中的变工况性能较差，不能根据主流工况的变化进行相应的调整，在某些工况下因为改变了叶片的几何外形反而会增大流动阻力，降低水轮机叶片的水动力特性。此外，传统的升力型垂直轴水轮机叶片在旋转一周的过程中当叶片旋转到下半周期即180°-360°(如图2所示)时，叶片往往运行在上半周期中叶片及旋转轴后部产生的尾迹区内(如图3所示)，流速降低，叶片获能效率下降，使得转子高效做功区域减小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种改进的垂直轴式水轮机，通过设置增速聚能板，将至少两块增速局能办设置在垂直周氏水轮机转子下游，使流体通过增速局能板时提高流速，改善叶片旋转到后半周期时因流速降低而导致其做功性能下降的缺点。

本发明提出了一种带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机，所述垂直轴式水轮机包括一个与电机齿轮箱相连的转轴，所述转轴垂直向外延伸，在所述转轴的轴身和/或末端与至少一个水平延伸的支架相连接，所述支架的末端设置一个升力型叶片；位于所述升力型叶片的下游设置至少一个竖直放置的聚流板；所述升力型叶片在水流中旋转做功，带动与所述电机齿轮箱相连的发电机发电。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述聚流板的数量为两个，包括第一聚流板和第二聚流板；所述第一聚流板和所述第二聚流板对称分离式布置在所述转轴中心线下游的两侧。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板、所述第二聚流板均与所述升力型叶片位于同一水平高度。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板和所述第二聚流板的长度l与厚度d之比为l:d＝1:0.25～0.5。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板和所述第二聚流板与所述转轴沿水流延长线的夹角θ为5°≤θ≤75°。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板和所述第二聚流板与所述转轴的距离s与聚流板的长度或弧长l之比为s:l＝1:3.5～5.5。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板和所述第二聚流板为平板或弧形板。

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述第一聚流板和所述第二聚流板的安装角θ’为45°≤θ’≤75°

本发明提出的所述带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机中，所述升力型叶片、所述聚流板的上下两侧分别水平设置一个端板。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明带增速聚能板的垂直轴式水轮机采用的两块聚能板对称安装在垂直轴式水轮机转子下游的斜上及斜下方。聚能板与升力型转子间可形成一狭窄流道，使流体通过时提高其速度，改善叶片旋转到后半周期时因流速降低而导致其做功性能下降的缺点，因此该设计的装置能更高效地实现将流体动能转换为机械能，进而转化为电能的这一能量转换过程。此外，大量的研究表明两个按照特定方式安装的聚能板间的流场可以产生一定的耦合作用，使得流体的速度加快，这样有益于升力型转子后部尾迹区内速度亏损尽快恢复。因此当多个水轮机成群安装时可显著减小上游转子对下游转子的影响，提高水轮机群整体的获能效率。

附图说明

图1(a)为现有水平轴式海流/水流能水轮机。图1(b)为现有垂直轴式海流/水流能水轮机。

图2为现有升力型垂直轴水轮机截面示意图。

图3为三叶片升力型垂直轴水轮机运行在最佳尖速比附近时的速度云图。

图4为本发明带聚流增速板的升力型垂直轴式水轮机结构示意图。

图5为图4带聚流增速板的升力型垂直轴式水轮机截面1-1示意图。

图中，1-升力型叶片，2-第一聚流板，3-第二聚流板，4-转轴，5-端板，6-电机齿轮箱，7-发电机。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明提出的带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明提出了一种带分离式增速聚流板的垂直轴式水轮机，垂直轴式水轮机包括一个与电机齿轮箱6相连的转轴4，转轴4垂直向外延伸，在转轴4的轴身和/或末端与至少一个水平延伸的支架相连接，支架的末端设置一个升力型叶片1，位于升力型叶片1的下游设置至少一个竖直放置的聚流板；升力型叶片1在水流中旋转做功，带动与电机齿轮箱6相连的发电机7发电。聚能板与升力型转子间可形成一狭窄流道，使流体通过时提高其速度，改善叶片旋转到后半周期时因流速降低而导致其做功性能下降的缺点,

具体而言，参阅图4和图5，聚流板的数量为两个，包括第一聚流板2和第二聚流板3；第一聚流板2和第二聚流板3对称分离式布置在转轴4中心线下游的两侧。第一聚流板2、第二聚流板3均与升力型叶片1位于同一水平高度。第一聚流板2和第二聚流板3的长度l与厚度d之比为l:d＝1:0.25～0.5。第一聚流板2和第二聚流板3与转轴4沿水流延长线的夹角θ为5°≤θ≤75°。第一聚流板2和第二聚流板3为平板或弧形板，第一聚流板2和第二聚流板3与转轴4的距离s与聚流板的长度或弧长l之比为s:l＝1:3.5～5.5。第一聚流板2和第二聚流板3的安装角θ’为45°≤θ’≤75°。优选地，升力型叶片1、聚流板的上下两侧分别水平设置一个端板5，保证结构的整体性和稳定性。在升力型叶片转轴4下方连接发电机7齿轮箱6后与发电机7相连，水流冲击升力型叶片1使叶轮旋转做功，带动发电机7发电。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。