一种基于传统威尔斯式透平进行优化的自俯仰控制叶片式透平

摘要

本发明公开了一种基于传统威尔斯式透平进行优化的自俯仰控制叶片式透平，所述的透平包括管状轮毂，在轮毂的两侧分别安装轮毂头，在轮毂上嵌套可绕轮毂旋转的动叶片轮，在动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有两个以上的动叶片，所述动叶片通过枢轴与动叶片轮相铰接，在动叶片轮的轮盘上设置带键槽的轴套，轴套上安装一侧伸出轮毂头外并可随动叶片轮同步旋转的透平轴，在动叶片轮的上下两侧还各沿轮毂周向设置有一圈导流叶片组。本发明所公开的透平，动叶片可绕其枢轴在上限位点和下限位点之间自由摆动，以便根据来流大小及方向自主改变偏转角度，这样在波浪一周期内的不同阶段可以随时改变动叶片的安装角，进而提高透平在实际海况中的周期平均效率。

说明书

技术领域

本发明属于波浪能发电领域，特别涉及该领域中的一种基于传统威尔斯式透平进行优化的自俯仰控制叶片式透平。

背景技术

作为分布最为广泛的海洋能能种，波浪能几乎不受地点限制，是当今世界上实用化与商业化程度较高的海洋可再生能源。波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。虽然波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种，但其在全世界的储量十分可观，理论估算值约为每年17TW·h，且具有不存在间歇、受昼夜和季节影响小等特点。

根据装置吸收波浪能工作原理的不同，波浪能发电装置可归为振荡水柱式、越浪式、振荡体式三种。相比之下，振荡水柱式(Oscillating Water Column，简称OWC)波能发电装置结构简单，且可与防波堤装置结合以降低工程造价，同时，由于其能量转换装置不与海水接触，装置可靠性较高，维修也更为便利。2010年以来的大型OWC装置有位于西班牙北部Mutriku港的防波堤式装置、位于意大利Civitavecchia港的U型防波堤式REWEC3装置、位于爱尔兰Galway湾的后弯管浮式CORES装置、以及位于韩国济州岛的固定式Yongsoo装置。

其中透平是OWC装置中能量二次转换的重要部件，能够在往复气流中实现单向旋转，将气室产生的低压气动能成功地转化为转轴轴功。透平在OWC装置中的应用具有一定的特殊性：其工作介质为往复空气流，具有非定常性及可压缩性；其工作特性使得透平在工作过程中有负功输出的可能性。常见的自整流式透平有两种：威尔斯式透平(Wells turbine)及冲击式透平(Impulse turbine)。传统的冲击式透平虽启动性能较好，但峰值效率较低，比较适用于波浪条件较差的海域，其主要的不足在于气流进入下游导流叶片时具有较大的入射角，造成了大量的动力损失。传统的威尔斯式透平具有结构简单，峰值效率高的优势，适用于波浪条件较好的海域，但其最大的不足是工作范围窄，在失速前的小范围流量系数内具有极高的效率，一旦失速，扭矩的巨减使得透平性能瞬间恶化。

现有的威尔斯式透平均为叶片固定式，即动叶片沿轮毂旋转方向的中心线对称分布，一般与中心线呈90°，固定于轮毂上且不可进行自由偏转。透平的工作性能常用如图1所示的输入系数、扭矩系数和透平效率随流量系数的变化曲线来表示，可以看出随着流量系数的增加，转矩系数与透平效率曲线随着流量系数的增加到达极大值后会迅速回落，该点所对应的流量系数值称为“失速点”，其原因为当动叶片翼型攻角超过某一临界值时，翼型上表面后端流动工况开始恶化，边界层受到破坏，出现涡流区，导致升力急剧下降，出现失速现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种可提高透平在实际海况中的周期平均效率的自俯仰控制叶片式透平。

本发明采用如下技术方案：

一种基于传统威尔斯式透平进行优化的自俯仰控制叶片式透平，其改进之处在于：所述的透平包括管状轮毂，在轮毂的两侧分别安装用于封闭管口的轮毂头，在轮毂上嵌套可绕轮毂旋转的动叶片轮，在动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有两个以上的动叶片，所述动叶片通过枢轴与动叶片轮相铰接，并且在动叶片轮上位于各动叶片之上和之下的位置还各设置有一个限位点，使各动叶片可绕其枢轴在由上限位点设定的角度γo和下限位点设定的角度γi之间自由摆动，在动叶片轮的轮盘上设置带键槽的轴套，轴套上安装一侧伸出轮毂头外并可随动叶片轮同步旋转的透平轴，该透平轴与两侧的轮毂头均通过轴承相连接，在动叶片轮的上下两侧还各沿轮毂周向设置有一圈导流叶片组。

进一步的，所述轮毂头的形状为半球体或者半椭圆球体。

进一步的，在动叶片轮的一侧设置同心盘，该同心盘与轮毂间通过螺栓固定连接，穿过同心盘的透平轴与同心盘之间以轴承相连接。

进一步的，沿同心盘的周向均匀设置四个螺栓孔，穿过螺栓孔的螺栓将同心盘与轮毂固定连接在一起。

进一步的，所述枢轴位于动叶片的前缘附近。

进一步的，在动叶片轮上位于各动叶片之上和之下的位置还各设置有两个以上的限位槽，将限位柱插入某个限位槽内即可构成限位点。

进一步的，透平轴与透平外发电机的动力输入轴相连接。

进一步的，透平通过其上下两圈导流叶片组与导流罩内壁固定连接。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的透平，动叶片可绕其枢轴在上限位点和下限位点之间自由摆动，以便根据来流大小及方向自主改变偏转角度，这样在波浪一周期内的不同阶段可以随时改变动叶片的安装角，进而提高透平在实际海况中的周期平均效率。

为了证明本发明所公开透平的优势，进行了数值模拟研究以及物理模型试验。其中设吸气期间的平均轴向速度最大值为vi，呼气期间的平均轴向速度为v0，根据参考文献，印度NIOT波能发电厂与日本JAMSTEC的“Mighty Whale”发电装置vi的最大值约为v0的0.6～1倍，因此在数值模拟与试验过程中vi/v0值取1.0，0.8和0.6，动叶片与呼气同向的偏转角度设定为γ₀，与吸气同向的偏转角度设定为γ_i，分别取值0°、6°、8°、10°。

结果表明，本发明所公开的透平相比传统威尔斯式透平具有以下优点：

1、在吸气与呼气期间的平均轴向速度相等的情况下，即vi/v0＝1，同时设定角度γ₀＝γ_i，结果发现透平效率都随着γ的增加而增加，在γ₀＝γ_i＝0°(传统式透平)的情况下，透平效率约为0.35，在γ₀＝γ_i＝6°、8°、10°的情况下，透平的最大效率值分别为0.43、0.44、0.45，最高效率均提高20％以上，且工作区域均增大100％，在vi/v0＝0.6、0.8时，结果趋势同上。

2、设定γ0≠γi，γ0都保持在10°，γi分别取值6°、8°、10°，在vi/v0＝1的情况下，在γi＝10°的情况下透平可以获得最大效率，在vi/v0＝0.6的情况下，效率随着γi的降低而增加，γi为6°的透平获得最大效率且大于γ0＝γi＝10°的最高效率，说明在一周期内气室呼气吸气阶段产生的气流流量不同的海域可以通过减小与吸气同向的偏转角度来改善效率。

3、在启动性能方面，对于任何一个vi/v0，本发明所公开的透平都可以在短时间内启动，且启动时间小于传统透平。此外随着偏转角度的增加，动叶片轮工作状态下的转速越低，有效的降低了噪音并且有利于驱动低转速负载。

综上所述，相对于传统威尔斯式透平，本发明所公开的透平可通过设置角度使其具有较好的自启动特性，较低的工作转速，较宽的流量系数范围，较高的工作效率，较小的工作噪音等优点。同时在一周期内气室呼气吸气阶段产生的气流流量不同的海域，可以通过减小动叶片与吸气同向的偏转角度来改善。

附图说明

图1是透平的输入系数、扭矩系数和透平效率随流量系数的变化曲线；

图2是本发明实施例1所公开透平的主视图；

图3是本发明实施例1所公开透平的俯视图；

图4是本发明实施例1所公开透平的立体图；

图5是本发明实施例1所公开透平的内部结构示意图；

图6是本发明实施例1所公开透平动叶片轮的结构示意图；

图7是本发明实施例1所公开透平同心盘的结构示意图；

图8是本发明实施例1所公开透平动叶片的立体图；

图9是本发明实施例1所公开透平动叶片的主视图；

图10是本发明实施例1所公开透平动叶片与导流叶片组的配合关系图；

图11是本发明实施例1所公开透平动叶片的受力分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图2-5所示，本实施例公开了一种基于传统威尔斯式透平进行优化的自俯仰控制叶片式透平，所述的透平包括管状轮毂5，在轮毂的两侧分别安装用于封闭管口的轮毂头1和6，在轮毂上嵌套可绕轮毂旋转的动叶片轮11，如图6所示，在动叶片轮的外壁上沿周向均匀设置有两个以上的动叶片3，所述动叶片通过枢轴15与动叶片轮相铰接，并且在动叶片轮上位于各动叶片之上和之下的位置还各设置有一个限位点14，使各动叶片可绕其枢轴在由上限位点设定的角度γo和下限位点设定的角度γi之间自由摆动，在动叶片轮的轮盘上设置带键槽的轴套12，轴套上安装一侧伸出轮毂头外并可随动叶片轮同步旋转的透平轴8，该透平轴与两侧的轮毂头均通过轴承7相连接以便保证其光滑旋转，在动叶片轮的上下两侧还各沿轮毂周向设置有一圈导流叶片组2和4。

在本实施例中，所述轮毂头的形状为半球体或者半椭圆球体。在动叶片轮的一侧设置同心盘9，如图7所示，该同心盘与轮毂间通过螺栓固定连接，穿过同心盘的透平轴与同心盘之间以轴承7相连接。沿同心盘的周向均匀设置四个螺栓孔13，穿过螺栓孔的螺栓10将同心盘与轮毂固定连接在一起。同心盘可对透平轴起一定支撑作用，进一步保证旋转的同轴性。如图8所示，所述枢轴15位于动叶片3的前缘附近。

在动叶片轮上位于各动叶片之上和之下的位置还各设置有两个以上的限位槽，将限位柱插入某个限位槽内即可构成限位点，如此可以根据需要方便的对γo和γi进行调整。

在使用过程中，需要将本实施例1所公开透平的透平轴与透平外发电机的动力输入轴相连接，动叶片轮在气流作用下旋转，带动透平轴旋转，从而带动发电机发电。

透平通过其上下两圈导流叶片组与导流罩内壁固定连接，由于导流叶片组的叶展比动叶片大，故而动叶片的末端与导流罩之间存在一定间隙，使动叶片轮可在导流罩内自由旋转。

如图9所示，动叶片通过位于前缘附近的枢轴设置在动叶片轮上，通过设置限位点使得动叶片能够在的两个预设角度γ₀，γ_i之间摆动。当设定为一定入射角度的动叶片经历绕枢轴的俯仰力矩M时，可以根据流动方向在γ₀、γ_i之间自行翻转，因此，在较低的转速下本实施例所公开的透平可比传统透平捕获更大的转矩。

将内置有本实施例所公开透平的导流罩一端与振荡水柱式波能发电装置的气室出口相连通，另一端与大气相连通。在波浪的一个周期内，气流从气室出口经透平排出大气的过程称为呼气阶段，气流从大气经透平进入气室出口的阶段称为吸气阶段。不论在呼气阶段还是吸气阶段，率先迎流的导流叶片组称为上游导流叶片组，随后送流的导流叶片组称为下游导流叶片组。

如图10-11所示，气室呼气阶段气流以流速v_E流经透平，气室吸气阶段气流以流速v_I流经透平。动叶片横截面为NACA“XYZZ”翼型系列，其中，X为相对弯度，Y为最大弯度位置，ZZ为相对厚度，翼型均为对称翼，即相对弯度与最大弯度同为0，透平通过翼型动叶片获得升力，由升力驱动动叶片轮转动，进而完成能量的转换。上下游导流叶片组截面由一段圆弧段组成，其装置角需与动叶片两侧的入射角相对应，保证导流叶片组对气流的导入、导出性能。

在气室呼气阶段，气流经上游导流叶片组的引导进入动叶片，动叶片可绕其枢纽旋转至限位点处。通过透平的空气流产生垂直于自由流的升力F_L和沿自由流方向的拖曳力F_D，升力和阻力可分解得到切向力F_T和轴向力F_A，使动叶片以转速ω沿图中方向旋转。在气室吸气阶段，由图可知仍可产生沿图中箭头方向的切向力F_T，因此，该形式透平能够在OWC气室产生的往复气流中保持动叶片轮旋转方向的一致性，将往复气流的低压气动能持续转化为透平轴轴功，从而带动发电机持续性发电。