一种导管螺旋桨桨后涡轮发电装置

1.本实用新型涉及船舶绿色节能技术领域，具体为一种导管螺旋桨桨后涡轮发电装置。


背景技术：

2.2011年7月，国际海事组织(imo)在英国伦敦第62届海上环境保护委员会(mepc)会议上，通过了《国际防止船舶造成环境污染约》有关船舶能效规则的修正案，确立了“船舶能效设计指数”(eedi)和“船舶能效管理计划”(seemp)两项船舶能效标准，该项规则适用于2013年1月1日及以后安放龙骨的400总吨及以上国际航行船舶。而水运作为世界上最主要的运输方式，随着世界各地越来越紧密的交流往来和更加频繁的货物贸易及运输，我们加大了对大型船舶的需求。由此可见，船舶节能减排已成为全球造船界亟待解决的问题。因此与大型船舶相关的节能问题也将成为一大热点。
3.螺旋桨在工作过程中会有15％～30％的能量以周向运动的形式向后传播，为了节约能源，国内外有很多致力于二次利用能量的项目，例如桨后自由叶轮，能量回收涡轮等，但是这些方法或多或少都有其局限性:它们的应用场合比较有限，只能安装在由舵驱动转向的船的桨叶后；且他们的布置位置比较单一，不能确保适合绝大多数的船只。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了减少附加回收发电装置对船体航行的阻碍作用，提高节能效率一种导管螺旋桨桨后涡轮发电装置。
5.本实用新型的目的是这样实现的：
6.一种导管螺旋桨桨后涡轮发电装置，包括导管1，所述导管1内部设置有螺旋桨2和涡轮发电装置，螺旋桨2固定在导管1内侧前端，涡轮发电装置包括发电机定子和发电机转子，发电机定子包括定子铁芯6和定子线圈7，定子铁芯6均匀固定于导管1后端内侧，定子线圈7缠绕在定子铁芯6上，发电机转子安装在定子铁芯6内侧，发电机转子包括转子滑道板8、涡轮转子4、涡轮叶片3和永磁体槽5，转子滑道板8与导管滑道槽9滑动连接，导管滑道槽9固定在导管1上，涡轮转子4安装在转子滑道板8内侧，涡轮叶片3安装在涡轮转子4上。
7.本实用新型还包括这样一些结构特征：
8.1.所述定子线圈7、涡轮转子4两端均设置有密封圈。
9.2.所述涡轮转子4与涡轮叶片3通过桨叶安装基座固定。
10.3.所述永磁体槽5安装在转子滑道板8外侧。
11.4.所述永磁体槽5内安装有永磁体。
12.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
13.本实用新型利用桨后尾流发电，不需要额外的固定装置，占据空间很小。
14.通过应用特殊的环驱式发电装置，不需要延长螺旋桨轴系，不需要固定部件，涡轮叶片轴向面积小，对船体航行的阻碍作用较小，敞水效率只下降了0.34％。对涡轮布置进行
优化设计，选取最佳涡轮位置和叶片参数，提升了尾流能量的回收效率，实现能量二次利用，总节能4.61％。
15.桨后自由旋转叶轮(grim轮)虽然不需要复杂的传送装置，但其对船舰船尾的空间要求比较大，且需要对桨轴和轴承采取额外措施，生产安装难度较大；而本项目直接依托于导管桨的导管，不需要额外的固定装置，且不占据过多的船尾空间。
16.基于舵结构的尾流回收装置只能加装在船尾桨后的舵上，布置方式受到局限；而本设备直接加装于导管桨后，可以随螺旋桨的位置不同而加装于不同位置，如吊舱推进、槽道推进装置等的不同位置，布置方式多样化，应用场景非常广泛。
附图说明
17.图1是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置结构的立体图；
18.图2是本实用新型中中船用导管桨环驱式尾流能发电装置结构的剖面图；
19.图3是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置轮缘发电机的剖面图；
20.图4是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置导管与转子间滑轨连接结构图；
21.图5是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置定子结构图；
22.图6本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置桨后涡轮结构图；
23.图7是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置桨后涡轮的叶片侧视图；
24.图8是本实用新型中船用导管桨环驱式尾流能发电装置桨后涡轮的叶片俯视图；
具体实施方式
25.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。
26.参照图1
‑
图8所示包括导管1，导管1内沿导管轴向依次布置有两个的轮转组件，主要结构由螺旋桨2，导管1，涡轮发电装置组成，其中，发电机部分主体由定子、转子、导管的后半部分构成。
27.发电机定子由定子铁芯6和定子线圈7构成，定子铁芯6置于导管内侧，定子线圈7缠绕在定子铁芯6上，定子固定在导管1内壁上。
28.发电机转子由带有转子滑道板8的涡轮转子4，涡轮叶片3，永磁体槽5构成，发电机转子通过其上转子滑道板8和导管1上的导管滑道槽9形成环形滑道结构，实现与导管的配合，参考图4所示。
29.进一步地，涡轮叶片3安装在涡轮转子4上，永磁体槽5内固定有永磁体，随涡轮转子4转动。
30.进一步地，含永磁体的转子固定于转子环外侧，转子环内侧设置了桨叶安装基座，根据实际试验需求，可方便拆装或更换桨叶。
31.进一步地，定子线圈7、涡轮转子4两端都设置有密封圈，使推进器模型部分成为一个独立的整体。
32.进一步地，涡轮转子4在导管中转动，通过前置螺旋桨旋转产生的尾旋流驱动轮缘发电机的涡轮叶片3，从而带动发电机发电可为船舶的正常运转提供额外的电能。
33.进一步地，通过分析计算结果可得，前置螺旋桨与发电机叶轮距离为0.5倍涡轮叶
片直径。
34.进一步地，在船舶螺旋桨旋转推进过程中，通过前置螺旋桨旋转产生的尾旋流驱动轮缘发电机的涡轮叶片，从而带动发电机发电可为船舶的正常运转提供额外的电能。
35.图1给出了该系统装置的总体布置。该装置由螺旋桨2，导管1，涡轮转子4，涡轮叶片3等组成。螺旋桨尾流带动涡轮转子4转动，涡轮叶片3沿周向均匀分布并固定连接在转子涡轮中心，涡轮转动带动涡轮叶片转动进行发电。
36.图1给出了轮缘发电机的剖面图，图2为桨后涡轮结构图，图3为定子结构图，涡轮各个叶片3直接与涡轮转子外环相连，永磁体阵列位于外环上。磁体围绕涡轮的周向并且沿着涡轮转子外环大致均匀分布。线圈绕组采用三相对称星形接法，由多匝导线构成，即若干匝数的导线串联构成。有三个呈星形排列的绕组，每个绕组由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，同时采用双层绕组的方式，每个槽内放置两个线圈边，且分为上下两层。既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料，涡轮捕捉周向能量之后，带动发电机转子旋转发电，达到能量回收节能效果。
37.涡轮整体位于螺旋桨桨后，将轮缘发电机定子与导管固定，由转子连接涡轮叶片3。涡轮叶片剖面采取翼型结构，这样设计的目的是为了在对来流产生较小阻力的同时，其升力还可以提供一定的涡轮周向力，辅助推动涡轮旋转。翼型方向由螺旋桨桨后尾流的周向旋转方向确定。其主要设计参数有涡轮与螺旋桨间距和涡轮叶片长度，其可通过对螺旋桨桨后流场分析取得合适的值。
38.涡轮的自身周向诱导速度与螺旋桨2的周向诱导速度方向相反，所以可以部分抵消涡轮前方螺旋桨2尾流的旋转，而两者轴向诱导速度也相反，使得在两者无穷远后方的轴向诱导速度相对单桨时变小，从而损失了部分推力，但获得了电能。该设备在安装后增加的阻碍影响消耗的能量为较小的0.34％，涡轮回收能量4.95％，总节能为4.61％，涡轮所回收的尾流能量要远大于推力下降导致的效率损失。
39.本实用新型的工作过程是：在船舶正常前进中，船舶螺旋桨旋转，螺旋桨产生的尾流能推动转子转动，转子转动的机械能最后在永磁体和定子线圈7的作用下转换为电能，无论在何种工况下，转子发电机都可以利用流过涡轮叶片3的水流的动能进行发电并将电能储存起来备用，达到节能减排的目的。
40.与传统只具有推进功能的推进器相比，本实用新型既能产生推力又能吸收水流动能发电；航行器行进时，推进与发电同步进行，涡轮叶片3吸收了未被船舶螺旋桨桨叶有效利用的涡动能，转换为电能，提高能量的利用率。
41.本实用新型通过对发电机转子处固定的涡轮叶片的优化设计，在仅可能小地减少尾流轴向能量损失的前提下尽可能多地回收尾流的周向能量，将其转化为电能并入船舶电网进行二次利用，涡轮叶片轴向面积小，对船体航行的阻碍作用较小，敞水效率只下降了0.34％，总节能4.61％。