[發明專利]帶阻力型導流葉片的升力型垂直軸水輪機

有效

• 申請號: 201810777400.1
• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN108915935B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 孫曉晶;許應橋;戴自強
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: F03B13/00
• 分類號: F03B13/00;F03B3/12
• 代理公司: 31001 上海申匯專利代理有限公司
• 代理人: 吳寶根;王晶

本發明涉及一個帶阻力型導流葉片的升力型垂直軸水輪機，兩個直徑相同的阻力型轉子分別置于升力型轉子下游的斜上方及斜下方，并對稱布置；兩阻力型轉子之間的安裝角的相位差Φ為90°,阻力型轉子直徑D’為升力型轉子直徑D的1/4～1/2，兩阻力型轉子的旋轉中心與升力型轉子旋轉中心的距離S為3.5D’～5.5D’之間。兩個阻力型轉子對稱安裝在升力型垂直軸水輪機轉子下游的斜上及斜下方，阻力型轉子與升力型轉子間可形成一狹窄流道，使流體通過時提高其速度，改善葉片旋轉到后半周期時因流速降低而導致其做功性能下降的缺點。本發明能更高效地實現將流體動能轉換為機械能，進而轉化為電能的這一能量轉換過程。

技術領域

本發明涉及一種升力型垂直軸水輪機，尤其是一種帶阻力型導流葉片的升力型垂直軸水輪機。

背景技術

海流能是指海水在水平流動中蘊藏的動能，是海洋可再生能源中的一種，一般來說水流速度大于2米/秒的海底水道或海峽中以及由于潮汐導致的有規律的海水流動地區內的海流能資源都具有可開發利用的價值。由于與風力發電的原理相似，目前大多數研制中的海流能發電裝置也沿襲了風力機的設計，可分為水平軸式和垂直軸式兩類，垂直軸式的海流能裝置(水輪機)的發電設備可安裝在水面以上甚至是岸邊，從而大大減小了海水對這些關鍵部件的侵蝕破壞，進而降低了系統的維護費用。此外，垂直軸式海流能水輪機的迎流面積為矩形從而在安裝時受到水深高度的制約性較小，因此比水平軸裝置更適用于流速大，水深較淺的流道中。盡管垂直軸海流能水輪機與水平軸裝置(如圖1所示)相比有諸多優點，但是這種水輪機的能量轉換效率較低，迄今仍普遍低于水平軸式裝置，而提高垂直軸式海流能水輪機的能量轉換效率是使這種發電裝置得到更廣泛應用的關鍵。

目前提高垂直軸式水輪機的方法可分為主動式和被動式兩類，主動式的可在水輪機轉子葉片上通過射流、振動薄片或吹、吸氣的方法通過局部能量的輸入，改善葉片表面的流動狀態，提高葉片的做功性能，但這類方法需要消耗能量而且機構復雜，不適合嚴酷和復雜多變的海洋環境。被動式方法在葉片上加裝附屬小結構如肋條、圓柱、優化葉片幾何形狀等，這類方法不需要消耗能量，無需額外添加裝置或系統因此結構簡單。

目前利用附屬小結構如肋條、圓柱、優化葉片幾何形狀等改善葉片做功性能的被動式方法需要在轉子葉片表面直接進行加裝，在實際應用中的變工況性能較差，不能根據主流工況的變化進行相應的調整，在某些工況下因為改變了葉片的幾何外形反而會增大流動阻力，降低水輪機葉片的水動力特性。

此外，傳統的升力型垂直軸水輪機葉片在旋轉一周的過程中當葉片旋轉到下半周期即180°-360°(如圖1所示)時，葉片往往運行在上半周期中葉片及旋轉軸后部產生的尾跡區內，流速降低，葉片獲能效率下降，使得轉子高效做功區域減小。

發明內容

本發明是要提供一種帶阻力型導流葉片的升力型垂直軸水輪機，該水輪機能更高效地實現將流體動能轉換為機械能，進而轉化為電能的這一能量轉換過程，此外，兩個按照特定方式安裝的阻力型轉子間的流場可以產生一定的耦合作用，使得兩轉子間流體的速度加快，這樣有益于升力型轉子后部尾跡區內速度虧損盡快恢復。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一個帶阻力型導流葉片的升力型垂直軸水輪機，包括三葉片的升力型轉子，兩個直徑相同的阻力型轉子，兩個直徑相同的阻力型轉子分別置于升力型轉子下游的斜上方及斜下方，并對稱布置；兩阻力型轉子之間的安裝角的相位差Φ為90°,阻力型轉子直徑D’為升力型轉子直徑D的1/4～1/2，兩阻力型轉子的旋轉中心與升力型轉子旋轉中心的距離S為3.5D’～5.5D’之間。

進一步，所述升力型轉子與兩阻力型轉子高度相同。

進一步，所述升力型轉子和兩阻力型轉子的上下端裝有圓形端板。

進一步，所述升力型轉子的轉軸通過發電機齒輪箱連接發電機。