[发明专利]一种螺旋叶竖轴潮流水轮机

说明书

技术领域

本发明提供了一种利用潮流能发电的水轮机，尤其涉及一种螺旋式竖轴水轮机，属于水力发电技术领域。 

背景技术

潮流能作为可再生能源的重要组成部分，不仅对能源供应系统起到有效的补充作用，而且有利于生态保护以及环境治理。开发潮流能，大力发展可再生能源既是未来能源贮备的战略需要，也是解决局部地区能源供应短缺的具体措施。潮流能水轮机是获取潮流能的常用装置，它将潮流能转化为水轮机的动能，进而带动发电机做功。目前国外潮流发电技术发展迅速，而我国对于相关课题的研究尚处于起步阶段。 

相对于其他水力发电装置，潮流能水轮机所需要的能量转化装置的尺寸较小，对于百kW级装机容量的机组而言，尺寸通常在数十米左右。小尺寸通常具有很多便利，一是使用灵活，加工制作方便，拼装组合可以在较短时间内完成；二是可以通过单机小装机容量的装置并联或者串联得到大规模的装机容量；三是对海洋或者内陆河流的生态环境影响较小。正因为上述优点，目前国外潮流发电技术发展迅速。我国潮流能能量密度较高，较世界其他潮流能资源最好的区域并不逊色，同时开发和利用条件优越，潜力巨大。 

目前本领域内所采用的水轮机主要分为水平轴式水轮机和竖轴式水轮机，长期以来，由于人们普遍认为竖轴水轮机的叶尖速比不可能大于1，能量利用率低于水平轴水轮机，因而导致竖轴水轮机长期得不到重视。随着科学技术的不断发展以及人类认知水平的不断提高，人们逐渐认识到阻力型水轮机的叶尖速比不能大于1，而升力型水轮机的叶尖速比不仅能达到1甚至可以到达到6左右，并且其平均能量利用率也不低于水平轴水轮机。近年许多科研机构将注意力集中在了对竖轴水轮机的研究上，并且取得了极大发展。现在，科研工作者逐渐认识到竖轴水轮机相对于水平轴更为先进，由于竖轴式水轮机的安装轴垂直与来流水流，因此其转子的转动方向与来流方向无关，所以竖轴式水轮机越来越普及，竖轴式水轮机中最具代表性的为意大利Ponte di Archimede公司设计的三叶片Kobold水轮机，其转子半径为3m，叶片展向方向的长度为5m，叶片弦长为0.4m，当来流速度为2m/s时最大功率可达40kW。虽然实验和CFD模拟表明，当Kobold的转子上安装四个叶片时，此时水轮机的水力性能最优，但是考虑到装置的稳定性和制造成本，优先采用三叶片形式。Kobold水轮机中虽然叶片的固定安装角方式简化了转子 的结构，但不利于最大限度的利用能量，因此该型式的水轮机效率偏低，平均能量转化效率约为23%。 

发明内容

本发明提供了一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，解决了上述背景技术中的不足，该水轮机具有能量利用率较高，不易受来流方向影响，自启动性良好，结构构造简单，对水体环境影响较小等突出优点。 

实现本发明上述目的所采用的技术方案为： 

一种螺旋叶竖轴潮流水轮机，至少包括转轴以及叶片，转轴竖直安装，转轴的内部设有定子，转轴的外部为转子，当转轴转动时定子绕转子旋转而产生电能；转轴的顶端和底端均水平设有三根长度相同的连杆，分别为上连杆和下连杆，上连杆与下连杆之间的垂直高度为0.6米，所述的上连杆的横截面为翼型，上连杆以转轴为中心呈发射状分布，且三根上连杆中两两之间的夹角均为120°，下连杆的形状及分布均与上连杆相同，且下连杆与上连杆的位置上下对应；所述的叶片设有三片，叶片均采用NACA0018对称翼型，叶片呈螺旋状，其旋转半径为0.8-1.0米，叶片的弦长为0.18-0.24米，叶片的竖直高度为0.9米，叶片的包角为120°；叶片的顶部和底部分别固定在上下位置不相对应的上连杆和下连杆上。 

所述的连杆的翼型为NACA0012翼型，翼型弦长0.1米，连杆的长度为0.6米。 

作为优选，所述的叶片的旋转半径为0.8米，叶片的弦长为0.18米。 

与现有技术相比，本发明提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机有以下优点：1、本发明提供的螺旋叶竖轴水轮机在来流为2m/的情况下，最大飞逸角速度为4.36rad/s，最大功率可达2kW，最大能量利用率为30.3%。在此基础上适当调整叶片的安装半径和叶片的弦长，可以获得大出力、高能量利用率的竖轴水轮机。2、本发明提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机具有尺寸小巧，使用灵活，可通过并联或串联单机小装机容量的装置得到大规模的装机容量，对海洋和内陆河流的生态环境影响较小。 

本发明所提供的螺旋叶竖轴水轮机较直叶型竖轴水轮机有优越的水力特性，因此具有良好的应用及科研价值。 

附图说明

图1为本发明所提供的螺旋叶竖轴潮流水轮机的结构示意图；