一种利用海洋能发电的轴流式水轮机

1.一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，它包括进水口段(4-1)、上导叶(4-2)、转轮(4-3)、下导叶(4-4)和出水口段(4-5)，所述上导叶(4-2)设置在进水口段(4-1)和转轮(4-3)之间，下导叶(4-4)设置在转轮(4-3)和出水口段(4-5)之间；所述上导叶(4-2)和下导叶(4-4)的开度大小由智能导叶开度控制器(7)控制，该智能导叶开度控制器(7)根据实时流经水轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率。
2.根据权利要求1所述的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，所述出水口段(4-5)为椭圆形截面，出水口段(4-5)最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比，即从出水口段(4-5)最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比呈线性递增，至出水口段(4-
5)最近端椭圆形截面短轴与长轴之比转变为1，即出水口段(4-5)最近端椭圆形截面转变为反向圆形截面。
3.根据权利要求1所述的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，所述水轮机(4)的导叶构成的封水面与机组转动中心线呈悬空交叉分布，其中上导叶(4-2)中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标参数如下表1所示：
表1
序号 X Y 序号 X Y
101 -115.0645 172.5781 111 -94.4827 148.0646
102 -85.7159 186.7123 112 -64.9359 161.7898
103 -56.3673 200.8465 113 -35.7856 176.3331
104 -28.1037 217.0361 114 -8.3024 193.74705
105 -1.4009 235.6744 115 19.1808 211.161
106 23.1264 257.096 116 43.7081 232.5826
107 45.6266 280.6463 117 66.2084 256.1328
108 66.5398 305.6221 118 87.1215 281.1087
109 86.3829 331.4596 119 106.9647 306.9462
110 105.6908 357.7009 120 126.2725 333.1875
拟合后的上导叶上表面曲线方程为：
y＝-1.842×10-10x5-5.923×10-8x4+7.203×10-6x3+0.003403x2+0.7965x+236.8,拟合后的上导叶下表面曲线方程为：
y＝-5.693×10-10x5+5.686×10-9x4+1.573×10-5x3+0.002316x2+0.6587x+198.2。
4.根据权利要求1所述的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，所述下导叶(4-4)中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标参数如下表2所示：
表2
序号 X Y 序号 X Y
201 -155.7735 -634.2991 211 -118.8231 -634.2991
202 -155.7735 -602.2991 212 -118.8231 -602.2991
203 -155.7735 -570.2991 213 -118.8231 -570.2991
204 -155.7735 -538.2991 214 -118.8231 -538.2991
205 -155.7735 -506.2991 215 -118.8231 -506.2991
206 -155.7735 -474.2991 216 -118.8231 -474.2991
207 -155.7735 -442.2991 217 -118.8231 -442.2991
208 -155.7735 -410.2991 218 -118.8231 -410.2991
209 -155.7735 -378.2991 219 -118.8231 -378.2991
210 -155.7735 -346.2991 220 -118.8231 -346.2991
拟合后的下导叶上表面曲线方程为：
y＝-155.7735，
拟合后的下导叶下表面曲线方程为：
y＝-118.8231。
5.根据权利要求1所述的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，所述转轮(4-3)沿周向均匀设置叶片，所述叶片的形状为空间扭曲型，径向不同距离截面翼型型线曲线上部分点的坐标参数以如下方式表示:
距机组转动中心线径向125mm处如表3所示：
表3
拟合后的转轮上表面曲线方程为：
-10 5 -7 4 -6 3 2
y＝5.082×10 x+1.445×10 x+8.014×10 x-0.001727x-0.7459x-50.79,
拟合后的转轮下表面曲线方程为：
y＝-1.011×10-9x5-2.158×10-7x4+1.439×10-5x3+0.004048x2-0.5859x-112.7；
距机组转动中心线径向175mm处如表4所示：
表4
序号 X Y 序号 X Y
401 -236.9729 23.0195 411 -232.5395 -3.5668
402 -195.5651 20.3649 412 -195.4656 -21.1661
403 -154.0755 11.56 413 -156.8853 -37.8249
404 -113.7086 -1.4603 414 -118.5486 -55.0372
405 -74.6421 -17.9966 415 -80.193 -72.2041
406 -36.8231 -37.2263 416 -41.2346 -87.9452
407 0.1999 -57.9568 417 -1.2384 -100.8
408 37.7879 -77.6164 418 39.087 -112.61
409 76.861 -94.1408 419 79.0774 -125.5228
410 116.9541 -108.014 420 119.4639 -137.1238
拟合后的转轮上表面曲线方程为：
y＝-2.617×10-11x5-9.032×10-10x4+5.938×10-6x3+0.0002771x2-0.5377x-57.54；
拟合后的转轮下表面曲线方程为：
-11 5 -8 4 -6 3 2
y＝-1.858×10 x-1.183×10 x-1.23×10 x+0.0005397x-0.3228x-101.5；
距机组转动中心线径向225mm处如表5所示：
表5
序号 X Y 序号 X Y
501 -263.8663 10.8386 511 -259.8283 -15.7768
502 -218.1936 5.136 512 -216.5876 -30.7401
503 -172.2497 -3.6822 513 -171.5322 -42.8431
504 -126.5465 -13.6535 514 -126.9363 -56.5195
505 -81.4062 -25.9168 515 -82.7443 -71.4721
506 -36.9149 -40.3644 516 -38.4279 -86.0497
507 7.1596 -56.0485 517 6.3568 -99.1112
508 51.1092 -72.0808 518 51.6145 -110.4247
509 95.3769 -87.2043 519 97.2372 -120.1694
510 140.3797 -99.9533 520 143.0351 -129.0619
拟合后的转轮上表面曲线方程为：
y＝5.38×10-12x5+5.551×10-9x4+2.024×10-6x3-0.0001994x2-0.3611x-53.34；
拟合后的转轮下表面曲线方程为：
y＝-4.102×10-11x5-1.145×10-8x4+1.631×10-6x3+0.0005829x2-0.2869x-97.57；
距机组转动中心线径向275mm处如表6所示：
表6
拟合后的转轮上表面曲线方程为：
y＝2.709×10-11x5+4.885×10-9x4-8.872×10-7x3-0.0001219x2-0.2235x-55.74；
拟合后的转轮下表面曲线方程为：
y＝-6.485×10-12x5+2.76×10-9x4+6.504×10-7x3-2.27×10-5x2-0.2017x-91.38。

一种利用海洋能发电的轴流式水轮机\n技术领域\n[0001] 本发明属于流体机械及水利水电工程设备技术领域，特别是涉及一种利用海洋能发电的轴流式水轮机。\n背景技术\n[0002] 传统能源即将枯竭并且带来了严重的环境问题，迫切需要寻找和开发可替代的新型能源。世界海洋资源丰富，其中波浪蕴藏着巨大能量。利用海洋波浪发电，既不需要燃料，同时对环境影响很小，具有重大的开发利用价值。\n[0003] 中国专利申请201320442966.1“离岸式振荡水柱发电装置”公开了一种能够浮在水域中的任一位置以利用波浪进行发电的离岸式振荡水柱发电装置，在波浪的作用下，波浪经波浪进口进入气室而形成上下振动的水柱，水柱作上下振动运动时使气室内的气体往复通过气室上端的出气口，气体往复通过出气口时驱动叶轮机转动，叶轮机带动发电机发电。该装置使用时灵活机动性好，但由于空气叶轮转换效率低，气室的存在也会降低装置总效率。同时在小波浪情况下，该装置发电极不稳定。因此整个装置波能转换率低，输出功率小。\n[0004] 中国专利申请201320156401.7“液压式水面发电装置”公开了一种利用波浪的垂直位移，将垂直波浪能转换为机械能，带动涡轮机发电的装置，提高了波浪能转换效率。但由于活动部件过多，结构复杂，极易在波浪作用下发生破坏，丧失工作能力，且难以进行维修及保护\n[0005] 中国专利申请201310316659.3公开了一种“越浪式波能发电装置”，包括波能收集系统、发电系统和自启闭电控系统，该装置实现了越浪型发电装置的动态蓄能和稳定的电力输出。但由于该装置的水轮机对水头要求较高，如在低水头时存在效率和出力较低的问题。\n[0006] 综上所述，现有波浪发电装置普遍存在波能转换率低、输出功率小、稳定性差、装置有效工作时间短等缺陷，如何克服现有技术的不足已成为当今流体机械及水利水电工程设备技术领域中亟待解决的重点难题之一。\n发明内容\n[0007] 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利用海洋能发电的轴流式水轮机，本发明能够依据实时流经水轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率，适用于替代现有各种越浪式波浪发电装置的轴流式水轮机。\n[0008] 根据本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，其特征在于，它包括进水口段、上导叶、转轮、下导叶和出水口段，所述上导叶设置在进水口段和转轮之间，下导叶设置在转轮和出水口段之间；所述上导叶和下导叶的开度大小由智能导叶开度控制器控制，该智能导叶开度控制器根据实时流经水轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率；所述出水口段为椭圆形截面，出水口段最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比，即从出水口段最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比呈线性递增，至出水口段最近端椭圆形截面短轴与长轴之比转变为1，即出水口段最近端椭圆形截面转变为反向圆形截面。\n[0009] 本发明的实现原理是：海水经水轮机进水口段在轴流式水轮机的上导叶处汇合并进入水轮机的转轮室，水流冲击转轮叶片，通过转轮叶片转换能量带动轴流式水轮机输出轴旋转，将蓄水池内的势能转换为水轮机动能带动发电机发电，水流再经下导叶，通过出水口段流向大海；所述水轮机的导叶构成的封水面与机组转动中心线呈悬空交叉分布，由于采用双侧导叶使得发电机组发电的总效率大幅提高。\n[0010] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：\n[0011] 一是本发明提出的利用海洋能发电的轴流式水轮机，能够依据实时流经水轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率，使得后续发电机组发电的总效率大幅提高。\n[0012] 二是所述出水口段的流道为椭圆形截面，出水口段最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比；从最远端椭圆的短轴与长轴之比线性递增，在下导叶后方的截面短轴与长轴之比转变为1，即由椭圆形截面转变为反向圆形截面，大大降低了三维建模及制造难度，从而保证水流在椭圆形流道中平滑、顺畅和流动对称，使得机组总体发电效率进一步提高。\n[0013] 三是本发明提供的水轮机叶片直径为0.8m，适用于范围为1m～2.5m的水头，平均越浪量为1m～2.5m；它很好地解决了现有装置适用范围小，功能单一，效率低下的问题。\n[0014] 四是本发明具有对水头要求低、系统有效工作时间长和稳定性好等显著效果，适用于替代现有各种越浪式波浪发电装置的轴流式水轮机。\n附图说明\n[0015] 图1是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的应用系统的结构示意图。\n[0016] 图2是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的结构示意图。\n[0017] 图3是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机上导叶示意图。\n[0018] 图4是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机上导叶中间截面型线的示意图。\n[0019] 图5是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机下导叶示意图。\n[0020] 图6是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机下导叶中间截面型线的示意图。\n[0021] 图7是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机转轮示意图。\n[0022] 图8是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机转轮径向\n125mm处型线示意图。\n[0023] 图9是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机转轮径向\n175mm处型线示意图。\n[0024] 图10是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机转轮径向\n225mm处型线示意图。\n[0025] 图11是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机转轮径向\n275mm处型线示意图。\n[0026] 图12是本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的水轮机出水口段的流道示意图。\n具体实施方式\n[0027] 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详细描述。\n[0028] 结合图1，本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机适用于利用海洋能发电的水轮机系统，该系统包括聚波单元(2)、蓄水池(3)和水轮机(4)，所述聚波单元依据实时的海洋波浪(1)资源参数形成外形为喇叭形的自动张缩坡道，该自动张缩坡道与海洋连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通过边墙与蓄水池(3)连通；所述蓄水池(3)通过流量控制器控制带有出水流道的蓄水单元，出水流道口设有向下延伸的释放势能推动水轮机(4)旋转发电的出水管；所述水轮机(4)依据实时流经水轮机(4)的流量和水头情况，由智能导叶开度控制器(7)自动调节导叶开度，使水轮机(4)输出最大功率和最高效率。\n[0029] 结合图2，本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机，它包括进水口段(4-1)、上导叶(4-2)、转轮(4-3)、下导叶(4-4)和出水口段(4-5)，所述上导叶(4-2)设置在进水口段(4-1)和转轮(4-3)之间，下导叶(4-4)设置在转轮(4-3)和出水口段(4-5)之间；所述上导叶(4-2)和下导叶(4-4)的开度大小由智能导叶开度控制器(7)控制，该智能导叶开度控制器(7)依据实时流经水轮机的流量和水头情况，自动调节导叶开度，使水轮机输出最大功率和最高效率。\n[0030] 本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式水轮机的进一步优选方案是：\n[0031] 结合图12，所述出水口段(4-5)为椭圆形截面，出水口段(4-1)最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比为黄金分割比，即从出水口段(4-1)最远端椭圆形截面的短轴与长轴之比呈线性递增，至出水口段(4-1)最近端椭圆形截面短轴与长轴之比转变为1，即出水口段(4-1)最近端椭圆形截面转变为反向圆形截面。\n[0032] 结合图3和图4，所述水轮机(4)的导叶构成的封水面与机组转动中心线呈悬空交叉分布，其中上导叶(4-2)中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标参数如下表1所示：\n[0033] 表1\n[0034]\n序号 X Y 序号 X Y\n101 -115.0645 172.5781 111 -94.4827 148.0646\n102 -85.7159 186.7123 112 -64.9359 161.7898\n103 -56.3673 200.8465 113 -35.7856 176.3331\n104 -28.1037 217.0361 114 -8.3024 193.74705\n105 -1.4009 235.6744 115 19.1808 211.161\n106 23.1264 257.096 116 43.7081 232.5826\n107 45.6266 280.6463 117 66.2084 256.1328\n108 66.5398 305.6221 118 87.1215 281.1087\n109 86.3829 331.4596 119 106.9647 306.9462\n110 105.6908 357.7009 120 126.2725 333.1875\n[0035] 拟合后的上导叶上表面曲线方程为：\n[0036] y＝-1.842×10-10x5-5.923×10-8x4+7.203×10-6x3+0.003403x2+0.7965x+236.8,[0037] 拟合后的上导叶下表面曲线方程为：\n[0038] y＝-5.693×10-10x5+5.686×10-9x4+1.573×10-5x3+0.002316x2+0.6587x+198.2。\n[0039] 结合图5和图6，所述下导叶(4-4)中间截面型线上20个点在直角坐标系中的坐标参数如下表2所示：\n[0040] 表2\n[0041]\n[0042]\n[0043] 拟合后的下导叶上表面曲线方程为：\n[0044] y＝-155.7735，\n[0045] 拟合后的下导叶下表面曲线方程为：\n[0046] y＝-118.8231。\n[0047] 结合图7、图8、图9、图10和图11，所述转轮(4-3)沿周向均匀设置叶片，所述叶片的形状为空间扭曲型，径向不同距离截面翼型型线曲线上部分点的坐标参数以如下方式表示：\n[0048] 距机组转动中心线径向125mm处如表3所示：\n[0049] 表3\n[0050]\n序号 X Y 序号 X Y\n301 -189.9405 35.9852 311 -184.9593 9.3844\n302 -155.3051 31.811 312 -156.529 -11.4139\n303 -121.6746 18.1459 313 -124.0475 -27.2907\n304 -89.2125 1.8496 314 -92.0354 -44.073\n305 -56.7211 -14.3851 315 -62.5883 -64.9936\n306 -24.8525 -31.7555 316 -35.6444 -89.1018\n307 3.6518 -54.2364 317 -6.0182 -109.6694\n308 31.8293 -77.1538 318 27.2336 -123.8018\n309 61.7222 -97.7634 319 61.5641 -135.1418\n310 93.8041 -114.7502 320 96.2196 -145.4519\n[0051] 拟合后的转轮上表面曲线方程为：\n[0052] y＝5.082×10-10x5+1.445×10-7x4+8.014×10-6x3-0.001727x2-0.7459x-50.79,拟合后的转轮下表面曲线方程为：\n[0053] y＝-1.011×10-9x5-2.158×10-7x4+1.439×10-5x3+0.004048x2-0.5859x-112.7；\n距机组转动中心线径向175mm处如表4所示：\n[0054] 表4\n[0055]\n序号 X Y 序号 X Y\n401 -236.9729 23.0195 411 -232.5395 -3.5668\n402 -195.5651 20.3649 412 -195.4656 -21.1661\n403 -154.0755 11.56 413 -156.8853 -37.8249\n404 -113.7086 -1.4603 414 -118.5486 -55.0372\n405 -74.6421 -17.9966 415 -80.193 -72.2041\n406 -36.8231 -37.2263 416 -41.2346 -87.9452\n407 0.1999 -57.9568 417 -1.2384 -100.8\n408 37.7879 -77.6164 418 39.087 -112.61\n409 76.861 -94.1408 419 79.0774 -125.5228\n410 116.9541 -108.014 420 119.4639 -137.1238\n[0056] 拟合后的转轮上表面曲线方程为：\n[0057] y＝-2.617×10-11x5-9.032×10-10x4+5.938×10-6x3+0.0002771x2-0.5377x-\n57.54；\n[0058] 拟合后的转轮下表面曲线方程为：\n[0059] y＝-1.858×10-11x5-1.183×10-8x4-1.23×10-6x3+0.0005397x2-0.3228x-101.5；\n[0060] 距机组转动中心线径向225mm处如表5所示：\n[0061] 表5\n[0062]\n[0063]\n[0064] 拟合后的转轮上表面曲线方程为：\n[0065] y＝5.38×10-12x5+5.551×10-9x4+2.024×10-6x3-0.0001994x2-0.3611x-53.34；\n[0066] 拟合后的转轮下表面曲线方程为：\n[0067] y＝-4.102×10-11x5-1.145×10-8x4+1.631×10-6x3+0.0005829x2-0.2869x-97.57；\n[0068] 距机组转动中心线径向275mm处如表6所示：\n[0069] 表6\n[0070]\n序号 X Y 序号 X Y\n601 -276.2578 0.3066 611 -272.5231 -26.3515\n602 -226.7491 -4.48 612 -225.7469 -43.2832\n603 -177.7593 -14.5881 613 -177.432 -56.2353\n604 -129.1873 -26.582 614 -128.4556 -66.4304\n605 -80.5228 -38.1915 615 -79.2595 -75.5288\n606 -31.616 -48.7358 616 -30.167 -85.1666\n607 17.2657 -59.3872 617 18.8229 -95.3162\n608 65.8477 -71.3408 618 67.8768 -105.1407\n609 114.5413 -82.8277 619 117.1725 -113.6772\n610 163.5694 -92.7798 620 166.6023 -121.3844\n[0071] 拟合后的转轮上表面曲线方程为：\n[0072] y＝2.709×10-11x5+4.885×10-9x4-8.872×10-7x3-0.0001219x2-0.2235x-55.74；\n[0073] 拟合后的转轮下表面曲线方程为：\n[0074] y＝-6.485×10-12x5+2.76×10-9x4+6.504×10-7x3-2.27×10-5x2-0.2017x-91.38。\n[0075] 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。\n[0076] 本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。\n[0077] 以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种利用海洋能发电的轴流式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。