阅读说明：本技术 一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置 (Bionic wing-shaped vertical shaft water turbine power generation device ) 是由 周波 陆文龙 刘凯华 皮君涛 张桂勇 刘辉 张腾 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置,属于可再生能源技术领域。该装置将三个转子以等腰三角阵列方式设置于海底平台的三个端部,通过不同的安装方式,使迎流两个转子叶片的旋转方向相反,两个转子分别形成顺时针和逆时针的涡,顺逆涡对会形成反卡门涡街,降低了尾流影响,提高水轮机的水动力利用效率。旋转叶片均采用仿座头鲸鳍肢的半菱形凸起结构,能够减缓失速区间,可以从流体中捕捉更多的能量,提高水轮机的获能效率,降低阻力可使得降低水轮机的结构强度,同时,采用仿座头鲸鳍肢的翼型叶片能够改变尾流的湍流结构,使涡变得更小,从而降低尾迹噪声对环境的影响。仿生翼型叶片的两端加装了翼型端板,可减少叶片的压力脉动,抵消叶尖产生的涡流。(A bionic wing-shaped vertical shaft water turbine power generation device belongs to the technical field of renewable energy sources. The device sets up three rotor in seabed platform's three tip with isosceles triangle array mode, and through the mounting means of difference, the direction of rotation that makes two rotor blades of incident flow is opposite, and two rotors form clockwise and anticlockwise whirlpool respectively, and the direct and inverse vortex pair can form anti-karman vortex street, has reduced the wake influence, improves the hydrodynamic force utilization efficiency of the hydraulic turbine. Rotating vane all adopts the protruding structure of rhomboid of imitative seat head whale fin limb, can slow down the stall interval, can follow and catch more energy in the fluid, improves the capacitation efficiency of the hydraulic turbine, and the reduction resistance can be so that reduce the structural strength of hydraulic turbine, and simultaneously, the wing section blade that adopts imitative seat head whale fin limb can change the torrent structure of wake, makes the vortex become less to reduce the influence of wake noise to the environment. The wing-shaped end plates are additionally arranged at the two ends of the bionic wing-shaped blade, so that the pressure pulsation of the blade can be reduced, and the vortex generated by the blade tip can be offset.)

一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置

技术领域

本发明涉及一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置，属于可再生能源

技术领域

。

背景技术

海洋能作为一种清洁可再生能源，具有储量大、分布广的特点。目前，人类对于海洋能的开发利用集中在海洋风力发电以及潮流能发电两种形式。其中，潮流能发电技术较为成熟，应用广泛。与其他可再生能源相比，潮流能具有以下几个特点：1)较强的规律性和可预测性；2)功率密度大，能量稳定；3)利用形式为开放式，对海洋环境造成的影响小。

潮流能水轮机发电装置在现实布置中，当布机较密集时下游水轮机受上游水轮机尾流影响，导致水轮机利用效率下降，当布机间距大时不能充分利用土地资源，整体水轮机利用率不高，使用寿命周期短。通过实验和数值模拟研究发现，两个竖轴水轮机转子采用不同的旋转方向时，会分别形成顺时针和逆时针的涡，顺逆涡对形成反卡门涡街，对后面的流场有增益效应，降低了尾流影响。将此运用到竖轴水轮机发电机中，将每个顺逆涡对视为两个旋转方向不同的竖轴水轮机转子。如图所示，三角形每个顶点视为阵列中每台水轮机所在的位置。

随着潮流能的不断开发利用，在项目施工前必须通过科学的环境评估，包括潮流能水轮机在施工期和运行期的噪声对海洋生物的影响评估，水轮机转子叶片采用仿生翼型，降低翼型表面的压力脉动，减少了噪声对海洋环境的影响。

发明内容

本发明的目的：为了提高现有竖轴水轮机发电装置获能效率，增强水轮机系统的稳定性，同时提高水轮机阵列的排布效率，降低尾流影响，进一步减少因为水轮机带来的环境噪音影响，本发明提出了一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置。这种仿生翼型竖轴水轮机发电装置采用仿座头鲸鳍肢翼段的仿生翼型叶片，仿生翼型叶片上的凸起的幅度a为翼型叶片弦长的5-12%，突起的角度α为40度角，突起的长度b为叶片展长d的10%，可以减缓叶片失速区间，增加升力，减少阻力；改变尾流的湍流结构，使涡变得更小，从而降低尾迹噪声。水流经过前两个转子时，由于转子的旋转方向不同，顺逆涡对形成反卡门涡街，对后面的流场有增益效应。在仿生翼型叶片顶部和底部的外半端加装了翼型端板，可以减少叶片的压力脉动，抵消叶尖产生的涡流，翼型端板的长度c为叶片弦长e的1.2倍；翼型端板只在叶片提供正向转矩的方位角范围内起作用，而在圆周其它位置失效，减少端板自身的阻力，进一步增强了水轮机的功率输出，同时减少转矩的变化幅值。

本发明采用的技术方案：一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置，包括竖轴水轮机发电机组、海底基座和桩腿，海底基座与固定在海床上的桩腿连接，所述竖轴水轮机发电机组采用三个竖轴水轮机组呈三角形排布的结构，竖轴水轮机组包含机舱和竖轴水轮机，机舱内设置发电机，增速器，所述发电机连接增速器的输出轴，所述竖轴水轮机包含仿生翼型叶片、转轴、连接架、顶盖，仿生翼型叶片通过连接架与转轴固定连接，转轴顶端通过固定在顶盖内的轴承支撑，转轴底部与增速器的输入轴连接。竖轴水轮机连接增速器的输入轴，从而带动发电机旋转。

所述三台竖轴水轮机组独立安装于海底基座上。三个竖轴水轮机上部的顶盖通过上支撑杆连接，下部的机舱通过下支撑杆连接；

所述发电系统适用于近海海域，桩腿通过打桩方式让海底基座布置于海底。

所述翼型端板只在仿生翼型叶片顶部和底部的外端面安装。

所述仿生翼型叶片采用设置多个半菱形凸起的仿座头鲸鳍肢结构，仿生翼型叶片的半菱形凸起的幅度a为仿生翼型叶片弦长e的5-12%，角度α为40度角，长度b为仿生翼型叶片展长d的10%；

所述仿生翼型叶片的顶部、底部设置前端与仿生翼型叶片顶部中线、底部中线对齐，后端伸出仿生翼型叶片外侧的流线型的翼型端板，翼型端板的长度c为仿生翼型叶片弦长e的1.2倍。

三个所述竖轴水轮机组呈等腰三角形排布，两个迎流竖轴水轮机的旋转方向相反设置，每个竖轴水轮机的转轴连接三个周向均布的仿生翼型叶片，相邻转轴之间的距离L为四倍的转子半径R。

采用上述的技术方案，三个转轴独立安装，两个迎流竖轴水轮机相对旋转，每个竖轴水轮机的仿生翼型叶片沿水轮机旋转面等间距角布置，叶片通过连接架连接至水轮机的转轴。当水流流过该潮流能水轮机发电装置时，水轮机转子受到升力作用绕各自旋转轴转动，两个竖轴转子因其旋转方向的不同，顺逆涡对形成反卡门涡街，对后面的流场有增益效应；将三个转子布置为等腰三角形，每个转轴之间的距离L为四倍的转子半径R，从而提高水轮机整体对能量的利用效率，同时增强系统稳定性，使发电装置快速达到稳定输出状态。

本发明的有益效果在于：一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置包括竖轴水轮机发电机组、海底基座和桩腿，海底基座与固定在海床上的桩腿连接，竖轴水轮机发电机组采用三个竖轴水轮机组呈三角形排布的结构。这种仿生翼型竖轴水轮机发电装置，将三个转子以等腰三角阵列方式设置于海底平台的三个端部，通过不同的安装方式，使迎流两个转子叶片的旋转方向相反，对之后的流场有增益作用，降低了尾流影响，提高水轮机的水动力利用效率；旋转叶片均采用仿座头鲸鳍肢的半菱形凸起结构，能够减缓失速区间，可以从流体中捕捉更多的能量，提高水轮机的获能效率，降低阻力可使得降低水轮机的结构强度，同时，采用仿座头鲸鳍肢的翼型叶片能够改变尾流的湍流结构，使涡变得更小，从而降低尾迹噪声，降低噪声对环境的影响。仿生翼型叶片的两端在外端部加装了翼型端板，可以减少叶片的压力脉动，抵消叶尖产生的涡流，翼型端板只在叶片提供正向转矩的方位角范围内起作用，而在圆周其它位置失效，减少端板自身的阻力，进一步增强了水轮机的功率输出，同时减少转矩的变化幅值。该装置的三个转子布置成三角形，减少因为单转子结构带来的弯矩影响，提高了结构的稳定性。

附图说明

：

图1是一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置的立体结构图。

图2是一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置的主视图。

图3是一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置的左视图。

图4是一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置的俯视图。

图5是图3中A的局部放大图。

图6是图4中B的局部放大图。

图7是图2中C的局部放大图。

图8是仿生翼型和普通翼型在不同尖速比下的力矩对比图。

图中：1、竖轴水轮机，2、仿生翼型叶片，2a、翼型端板，2b、半菱形凸起，3、连接架，4、转轴，5、顶盖，6、上支撑杆，7、机舱，7a、下支撑杆，8、海底基座，9、桩腿。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1-4示出了一种仿生翼型竖轴水轮机发电装置的结构图。图中，这种仿生翼型竖轴水轮机发电装置包括竖轴水轮机发电机组、海底基座8和桩腿9，海底基座8与固定在海床上的桩腿9连接，竖轴水轮机发电机组采用三个竖轴水轮机组呈等腰三角形排布的结构，竖轴水轮机组包含竖轴水轮机1和机舱7，机舱7设在海底基座8上，机舱7内设置发动机和增速器，发电机连接增速器的输出轴，竖轴水轮机1包含仿生翼型叶片2、连接架3、转轴4和顶盖5，仿生翼型叶片2的上部和下部分别通过连接架3连接转轴4，转轴4的上端通过顶盖5上的轴承固定，下端连接机舱7内增速器的输入轴，三个竖轴水轮机2上部的顶盖5通过上支撑杆6连接，下部的机舱7通过下支撑杆7a连接。

三个竖轴水轮机组呈等腰三角形排布，两个迎流竖轴水轮机2的旋转方向相反设置，每个竖轴水轮机2的转轴4连接三个周向均布的仿生翼型叶片2，相邻转轴4之间的距离L为四倍的转子半径R。

本实施例中的仿生翼型叶片均采用设置多个半菱形凸起2b的仿座头鲸鳍肢结构，仿生翼型叶片2的半菱形凸起2b的幅度a为仿生翼型叶片2弦长e的5-12%，角度α为40度角，长度b为仿生翼型叶片2展长d的10%，能够在水轮机旋转时，减缓失速区间从而增加能量的利用效率。使用仿生翼型叶片能够改变尾流的湍流结构，使涡变得更小，从而降低尾迹噪声，有利于保护海洋环境。

在仿生翼型叶片2的顶部和底部的分别加装了翼型端板2a，翼型端板2a的长度c为叶片弦长e的1.2倍，翼型端板2a采用流线型板，翼型端板2a的前端与仿生翼型叶片2的叶片顶部（底部）中线对齐，后端伸出仿生翼型叶片2的外侧。将仿生翼型叶片和普通翼型叶片进行同比例缩小处理，采用弦长e=80mm、展长d=30cm，转子半径R=15cm的模型进行水动力分析计算，设置为来流1m/s，对比仿生翼型和普通翼型的力矩，图8为仿生翼型和普通翼型在不同尖速比下的力矩对比图，可以看出，同等尺度下仿生翼型可以比普通翼型获得更大的力矩，仿生翼型可以更好的延缓失速区间，在水轮机的最优尖速比工况下力矩得到显著的提高，从而提高水轮机转子的获能效率。

水流冲击叶片从而带动水轮机旋转，进而实现机械能转化为电能。三个水轮机呈等腰三角阵列排布于海底基座的三个端部，整体稳固性更好。

将三组水轮机以等腰三角阵列方式设置于海底基座的三个端点，通过不同的安装方式，使其迎流两个转子叶片的旋转方向相反，对后面的流场有增益的效果，降低了尾流影响，提高水轮机的能量利用效率。根据实际水流速度，调整两个转子之间的距离L为四倍的转子半径R以达到更好的效果。

海底基座设置为等腰三角形，能大大提高结构的稳定性，减少因为单转子结构带来的弯矩影响，有利于提高整体对能量的利用效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。本领域的普通技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。