[發(fā)明專利]一種波瓣式導(dǎo)管潮流渦輪及其設(shè)計方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210087819.7
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN103362720A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周軍偉;王大政
• 申請（專利權(quán)）人: 周軍偉;王大政
• 主分類號: F03B3/12
• 分類號: F03B3/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海洋能開發(fā)中的潮流能發(fā)電領(lǐng)域，具體的來講是一類由導(dǎo)管包容的水平軸潮流渦輪，包括一類特殊形式的導(dǎo)管及相匹配的渦輪葉輪。

背景技術(shù)

潮漲潮退使得近海存在周期性的潮流能，潮流能為潮流中蘊(yùn)含的動能，其研究開發(fā)近十幾年來發(fā)展迅速。由于潮流能變化規(guī)律穩(wěn)定，通常采用高效率的水平軸渦輪來進(jìn)行能量提取。水平軸潮流渦輪與風(fēng)力渦輪在結(jié)構(gòu)形式上類似。由于世界上大部分沿海地區(qū)潮流速度較低，能量密度小，開發(fā)成本高，許多國家發(fā)展潮流能發(fā)電僅作為未來戰(zhàn)略技術(shù)儲備。提高潮流渦輪的能量轉(zhuǎn)換效率是降低潮流能開發(fā)成本，盡早實現(xiàn)商業(yè)化的主要途徑之一，而采用導(dǎo)管式潮流渦輪能夠明顯提高渦輪效率。不同的導(dǎo)管設(shè)計對渦輪效率的影響明顯，其主要影響因素包括導(dǎo)管幾何、結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及相對應(yīng)的渦輪設(shè)計方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為一種波瓣式導(dǎo)管潮流水平軸渦輪，其特征在于由導(dǎo)管與渦輪葉輪組成，渦輪效率能夠達(dá)到100%以上，其設(shè)計幾何參數(shù)如圖1所示。具體設(shè)計方法為：導(dǎo)管設(shè)計：導(dǎo)管由工作段與擴(kuò)張段兩段組成，工作段為直管，擴(kuò)張段為波瓣型管道。定義導(dǎo)管擴(kuò)張段長度為L，工作段長度為L_d，內(nèi)壁半徑為r_d，壁厚為t；工作段長度與內(nèi)壁半徑之間存在關(guān)系L_d=α_L??r_d，壁厚與內(nèi)壁半徑之間存在關(guān)系?t=α_t?r_d，內(nèi)壁半徑根據(jù)設(shè)計功率P及潮流速度v_∞確定，可以表示為r_d=α_P?????????????????????????????????????????????????；導(dǎo)管三維幾何坐標(biāo)可表示為：x(z,θ)=r(z,θ)?cosθ，y(z,θ)=r(z,θ)?sinθ，式中θ為不同軸向位置截面上的角坐標(biāo)，取值范圍為0~2π，z為軸向坐標(biāo)，取值范圍為0~L，r(z,θ)為不同軸向坐標(biāo)及角坐標(biāo)下的半徑，其表達(dá)式為r(z,θ)={r_min(z)+[r_max(z)-r_min(z)]??[0.5+0.5sin(N_L?θ)]}，式中N_L為波瓣數(shù)目，為整數(shù)，r_min(z)、r_max(z)分別為不同軸向位置上波瓣形截面的最小半徑與最大半徑，其表達(dá)式為r_min(z)=?r_d+(r_w,min-r_d)?(z/L)³，r_max(z)=?r_d+(r_w,max-r_d)?(z/L)³，式中r_w,min與r_w,max分別為波瓣導(dǎo)管出口的最小半徑與最大半徑，r_d、r_w,min、r_w,max三者之間滿足關(guān)系r_w,min=α_min?r_d，r_w,max=α_max?r_d；渦輪設(shè)計：渦輪葉輪位于工作段中部，葉輪中心至工作段兩端的距離分別為L₁、L₂，L₁、L₂與r_d之間滿足關(guān)系L₁>α₁?r_d、L₂>α₂?r_d，渦輪葉輪單個葉片的水動力設(shè)計參數(shù)包括弦長c(h)與螺距角β(h)沿葉片長度h的變化曲線，h定義為該位置距離葉輪軸線的長度，其中,式中B為葉輪的葉片數(shù)目，C_L為所選構(gòu)成葉片的翼型的升力系數(shù)，λ為葉輪的設(shè)計速比，表示為λ=ω?r_d/v_∞，式中ω為葉輪轉(zhuǎn)速，η_Ek為渦輪的動能轉(zhuǎn)化率，η_FP為導(dǎo)管的流通率，螺距角β(h)=arctan[ω?h/(v_∞?η_FP)]-AOA，式中AOA為所選構(gòu)成葉片的翼型的攻角。設(shè)計過程中涉及的經(jīng)驗參數(shù)取值如下：α_L取值范圍為2.0~3.0，α_t取值范圍為0.05~0.1，α_P取值0.026，波瓣數(shù)目N_L取值范圍為6~15，α_min取值范圍為0.9~1.1，α_max取值范圍為1.8~2.2，α₁取值0.25，α₂取值0.25，導(dǎo)管流通率η_FP取值1.4，渦輪動能轉(zhuǎn)化率η_Ek取值1.0。