專利名稱：用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)，是對(duì)利用海洋潮流和江河水流動(dòng)能工作的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的改造，屬液力機(jī)械和液力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
國(guó)外科技文獻(xiàn)《Energe Conversion & Management》41(2000)1811-1827“Streamtube model for analysis of vertical axis variable pitch turbinefor marine currents energy conversion”一文中詳細(xì)介紹了一種具有Voith-Schneider(VS)推進(jìn)器的垂直軸可變螺距水輪機(jī)(vertieal axisvariable pitch turbine)的結(jié)構(gòu)、性能和優(yōu)缺點(diǎn)。在水輪機(jī)工作過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)保證各個(gè)翼型弦線的法線始終相交于橫斷面內(nèi)的一點(diǎn)P，稱之為運(yùn)動(dòng)極點(diǎn)，亦稱之為VS推進(jìn)器的操縱(控制)中心。其性能曲線如文獻(xiàn)中圖6所示。其缺點(diǎn)是葉片擺動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高。改進(jìn)辦法是采用液壓凸輪環(huán)(ring-cam hydraulics)，詳見(jiàn)該文參考文獻(xiàn)[4]。國(guó)內(nèi)《哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報(bào)》1991年第12卷第3期“1kw直葉片擺線式水輪機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究”一文對(duì)其亦有詳述。
本發(fā)明可采用下述兩種技術(shù)方案。
用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)的第一種技術(shù)方案是用螺旋彈簧控制葉片的攻角，它包括一套水輪機(jī)機(jī)座、一根主軸、一個(gè)轉(zhuǎn)盤箱、若干個(gè)葉片、葉片軸以及與之配套的葉片軸承座、擺桿、鉸支座、導(dǎo)桿、螺旋彈簧、滑套和滑套座。其中，具有矩形斷面的圓形、中空轉(zhuǎn)盤箱借助中軸線處固裝的主軸插裝在水輪機(jī)機(jī)座內(nèi)的軸承中，可繞其中軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。若干個(gè)梯形或矩形直葉式葉片上沿縱向安裝的葉片軸軸頭插裝在中空轉(zhuǎn)盤箱內(nèi)、靠近外圓周壁、沿縱向安裝的葉片軸承座中。葉片裸露在轉(zhuǎn)盤箱之外，且可借助葉片軸和葉片軸承座自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)盤箱內(nèi)，每組葉片軸承座間的葉片軸上均沿軸的徑向固裝一根長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)臄[桿，擺桿應(yīng)與葉片翼型斷面弦線垂直。擺桿的另一端兩側(cè)各固裝一個(gè)鉸支座。每根從鉸支座上引出的導(dǎo)桿均在套裝一個(gè)長(zhǎng)度、剛度適當(dāng)?shù)穆菪龔椈珊蟛迦胍粋€(gè)滑套中，每個(gè)滑套借助兩側(cè)的軸頭均可在固定于轉(zhuǎn)盤箱內(nèi)適當(dāng)位置上的滑套座內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
第二種技術(shù)方案是用板式彈簧控制葉片的攻角，同時(shí)為了減小葉片軸的變形，在每個(gè)葉片的另一端也加裝葉片軸和支承，即采用雙層轉(zhuǎn)盤箱結(jié)構(gòu)。為此，加長(zhǎng)第一種技術(shù)方案中的主軸，主軸上端仍插裝在水輪機(jī)機(jī)座的軸承孔內(nèi)。并在其下端再加裝一套下轉(zhuǎn)盤箱。梯形或矩形葉片兩端的葉片軸軸頭分別插裝在上、下兩層中空轉(zhuǎn)盤箱中的葉片軸承座內(nèi)。將擺桿改換成剛度適當(dāng)、可產(chǎn)生橫向變形的板式彈簧。取消第一種技術(shù)方案中的鉸支座、導(dǎo)桿、螺旋彈簧、滑套和滑套座。葉片軸的每個(gè)軸頭都與一根板式彈簧的一端固連，另一端用兩個(gè)板簧夾輪限位，并作為板式彈簧該端的滑動(dòng)支座，每個(gè)板簧夾輪均借助兩側(cè)的軸頭可在固定于轉(zhuǎn)盤箱內(nèi)適當(dāng)位置上的夾輪座內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
在兩種技術(shù)方案中葉片的安裝初始位置是葉片翼型斷面的弦線與轉(zhuǎn)盤箱該處的圓周線相切，即擺桿或板式彈簧處于圓形中空轉(zhuǎn)盤箱的徑向位置。
工作時(shí)，水輪機(jī)主軸軸線與水面垂直，葉片潛入水中。漲潮或退潮時(shí)潮流沿轉(zhuǎn)盤箱徑向與主軸軸線垂直。一旦有潮流，所有葉片上升力的合力會(huì)使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中作用于每個(gè)葉片上的合力與彈簧力的平衡狀態(tài)將時(shí)時(shí)改變，由于葉片軸位于葉片翼型斷面前緣和壓力中心之間，葉片的攻角也將時(shí)時(shí)改變。分析表明本發(fā)明的能量利用率接近于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的擺線式直葉片變攻角水輪機(jī)。性能價(jià)格比較擺線式直葉片水輪機(jī)可提高30％。
圖3用板式彈簧控制葉片攻角的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意4用板式彈簧控制葉片攻角的水輪機(jī)局部放大主視5用板式彈簧控制葉片攻角的水輪機(jī)局部放大俯視6三種形式水輪機(jī)能量利用率比較圖用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)的第一種技術(shù)方案如

圖1、2所示，是用螺旋彈簧控制葉片的攻角，它包括一套水輪機(jī)機(jī)座(1)、一根主軸(2)、一個(gè)轉(zhuǎn)盤箱(3)、若干個(gè)葉片(4)、葉片軸(5)以及與之配套的葉片軸承座(12)、擺桿(6)、鉸支座(7)、導(dǎo)桿(8)、螺旋彈簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)。其中，具有矩形斷面的圓形、中空轉(zhuǎn)盤箱(3)借助中軸線處固裝的主軸(2)插裝在水輪機(jī)機(jī)座(1)內(nèi)的軸承中，可繞其中軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。若干個(gè)梯形或矩形直葉式葉片(4)上沿縱向安裝的葉片軸(5)軸頭插裝在中空轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)、靠近外圓周壁、沿縱向安裝的葉片軸承座(12)中。葉片裸露在轉(zhuǎn)盤箱之外，且可借助葉片軸(5)和葉片軸承座(12)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)，每組葉片軸承座(12)間的葉片軸(5)上均沿軸的徑向固裝一根長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)臄[桿(6)，擺桿(6)應(yīng)與葉片(4)翼型斷面弦線垂直。擺桿(6)的另一端兩側(cè)各固裝一個(gè)鉸支座(7)。每根從鉸支座(7)上引出的導(dǎo)桿(8)均在套裝一個(gè)長(zhǎng)度、剛度適當(dāng)?shù)穆菪龔椈?9)后插入一個(gè)滑套(10)中，每個(gè)滑套(10)借助兩側(cè)的軸頭均可在固定于轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)適當(dāng)位置上的滑套座(11)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
第二種技術(shù)方案如圖3、4、5所示，是用板式彈簧控制葉片的攻角，它包括水輪機(jī)機(jī)座(1)、主軸(2′)、上轉(zhuǎn)盤箱(31)、若干個(gè)葉片(4)、葉片軸(5)及與之配套的葉片軸承座(12)、板式彈簧(6′)、夾輪(7′)和夾輪座(11′)。將第一種技術(shù)方案中的主軸(2)加長(zhǎng)為主軸(2′)，并在其下端加裝下轉(zhuǎn)盤箱(32)，主軸(2′)上端仍插裝在水輪機(jī)機(jī)座(1)的軸承孔內(nèi)；擺桿(6)改換成剛度適當(dāng)、可產(chǎn)生橫向變形的板式彈簧(6′)。若干個(gè)梯形或矩形葉片(4)兩端的葉片軸(5)插裝在上、下兩層中空轉(zhuǎn)盤箱(31)和(32)中的葉片軸承座(12)內(nèi)。取消第一種技術(shù)方案中的鉸支座(7)、導(dǎo)桿(8)、螺旋彈簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)。每個(gè)葉片軸(5)都與一根板式彈簧(6′)的一端固連，另一端用兩個(gè)板簧夾輪(7′)限位，并作為板式彈簧(6′)該端的滑動(dòng)支座，每個(gè)板簧夾輪(7′)均借助兩側(cè)的軸頭可在固定于上轉(zhuǎn)盤箱(31)和下轉(zhuǎn)盤箱(32)內(nèi)適當(dāng)位置上的夾輪座(11′)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
在兩種技術(shù)方案中葉片(4)的安裝初始位置是葉片(4)翼型斷面的弦線與轉(zhuǎn)盤箱(3)或上轉(zhuǎn)盤箱(31)和下轉(zhuǎn)盤箱(32)在該處的圓周線相切，即擺桿(6)或板式彈簧(6′)處于圓形中空轉(zhuǎn)盤箱(3)或上轉(zhuǎn)盤箱(31)和下轉(zhuǎn)盤箱(32)的徑向位置。
工作時(shí)，水輪機(jī)主軸(2)或加長(zhǎng)的主軸(2′)軸線與水面垂直，葉片(4)潛入水中。漲潮或退潮時(shí)，潮流沿轉(zhuǎn)盤箱(3)或上轉(zhuǎn)盤箱(31)和下轉(zhuǎn)盤箱(32)徑向與主軸(2)或加長(zhǎng)的主軸(2′)軸線垂直。一旦有潮流，所有葉片(4)上升力的合力會(huì)使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中作用于每個(gè)葉片(4)上的合力與彈簧力的平衡狀態(tài)時(shí)時(shí)改變，由于葉片軸(5)位于葉片翼型斷面前緣和壓力中心之間，葉片(4)的攻角也時(shí)時(shí)改變。分析表明本發(fā)明的能量利用率接近于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的擺線式直葉片水輪機(jī)，參見(jiàn)附圖6。圖6給出了擺線式直葉片水輪機(jī)、彈簧控制葉片攻角的水輪機(jī)和固定葉片式水輪機(jī)的能量利用率對(duì)比曲線，其對(duì)應(yīng)的曲線標(biāo)號(hào)分別為6-1、6-2和6-3。
本發(fā)明是一種可變攻角直葉式水輪機(jī)。它用簡(jiǎn)單的彈簧機(jī)構(gòu)代替了擺線式可變攻角直葉水輪機(jī)的葉片控制機(jī)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了變攻角時(shí)的能耗，增加了系統(tǒng)工作的可靠性，提高了性能價(jià)格比，維護(hù)保養(yǎng)方便。而且在潮流方向穩(wěn)定后(無(wú)論漲潮還是退潮)，葉片在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的不同位置借助彈簧力可自主地將葉片的攻角調(diào)整至較佳值，進(jìn)而提高了水輪機(jī)的能量利用率，使之接近于機(jī)構(gòu)復(fù)雜的擺線式可變攻角的直葉水輪機(jī)，性能價(jià)格比較擺線式直葉片水輪機(jī)可提高30％。
權(quán)利要求
1.一種用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)，它包括水輪機(jī)機(jī)座(1)、主軸(2)、轉(zhuǎn)盤箱(3)、若干個(gè)葉片(4)、葉片軸(5)以及與之配套的葉片軸承座(12)；其特征在于它還裝有擺桿(6)、鉸支座(7)、導(dǎo)桿(8)、螺旋彈簧(9)、滑套(10)和滑套座(11)；其中，具有矩形斷面的圓形、中空轉(zhuǎn)盤箱(3)借助中軸線處固裝的主軸(2)插裝在水輪機(jī)機(jī)座(1)內(nèi)的軸承中，可繞其中軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，若干個(gè)梯形或矩形直葉式葉片(4)上沿縱向安裝的葉片軸(5)軸頭插裝在中空轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)、靠近外圓周壁、沿軸向安裝的葉片軸承座(12)中，葉片裸露在轉(zhuǎn)盤箱之外，且可借助葉片軸(5)和葉片軸承座(12)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)，每組葉片軸承座(12)間的葉片軸(5)上均沿軸的徑向固裝一根長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)臄[桿(6)，擺桿(6)應(yīng)與葉片(4)翼型斷面弦線垂直，擺桿(6)的另一端兩側(cè)各固裝一個(gè)鉸支座(7)；每根從鉸支座(7)上引出的導(dǎo)桿(8)均在套裝一個(gè)長(zhǎng)度、剛度適當(dāng)?shù)穆菪龔椈?9)后插入一個(gè)滑套(10)中，每個(gè)滑套(10)借助兩側(cè)的軸頭均可在固定于轉(zhuǎn)盤箱(3)內(nèi)適當(dāng)位置上的滑套座(11)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.一種用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)，它包括水輪機(jī)機(jī)座(1)、主軸(2′)、上轉(zhuǎn)盤箱(31)、若干個(gè)葉片(4)、葉片軸(5)及與之配套的葉片軸承座(12)；其特征在于它還裝有板式彈簧(6′)、夾輪(7′)和夾輪座(11′)；將權(quán)利要求1中的主軸(2)加長(zhǎng)為主軸(2′)，主軸(2′)上端仍插裝在水輪機(jī)機(jī)座(1)的軸承孔中，并在其下端加裝下轉(zhuǎn)盤箱(32)，若干個(gè)梯形或矩形葉片(4)兩端的葉片軸(5)插裝在上、下兩層中空轉(zhuǎn)盤箱(31)和(32)的葉片軸承座(12)內(nèi)；每個(gè)葉片軸(5)都與一根板式彈簧(6′)的一端固連，另一端用兩個(gè)板簧夾輪(7′)限位，每個(gè)板簧夾輪(7′)均借助兩側(cè)的軸頭可在固定于上、下轉(zhuǎn)盤箱(31)和(32)內(nèi)適當(dāng)位置上的夾輪座(11′)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于潮流能轉(zhuǎn)換的直葉式自適應(yīng)變螺距水輪機(jī)，是對(duì)利用海洋潮流和江河水流動(dòng)能工作的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的改造，屬液力機(jī)械和液力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。它包括一套水輪機(jī)座、一根主軸、一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)盤箱、若干個(gè)葉片、葉片軸以及與之配套的葉片軸承座、彈簧及相關(guān)附件。本發(fā)明用簡(jiǎn)單的彈簧機(jī)構(gòu)代替了擺線式可變攻角直葉水輪機(jī)的葉片控制機(jī)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了變攻角時(shí)的能耗，增加了系統(tǒng)工作的可靠性，維護(hù)保養(yǎng)方便。而且在潮流方向穩(wěn)定后(無(wú)論漲潮還是退潮)，葉片在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的不同位置借助彈簧力可自主地將葉片的攻角調(diào)整至較佳值，進(jìn)而改善了水輪機(jī)的性能曲線，使之接近于機(jī)構(gòu)復(fù)雜的擺線式可變攻角的直葉水輪機(jī)，性能價(jià)格比可提高30％左右。
文檔編號(hào)F03B3/06GK1439805SQ03106918
公開(kāi)日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月27日
發(fā)明者李鳳來(lái), 朱典明, 張亮 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)