升力与阻力复合的水力发电装置

1.本发明涉及采用水流动能冲击转轮叶片而发电的水力发电装置，尤其涉及一种升力与阻力复合的水力发电装置，属于水力发电装备技术领域。


背景技术：

2.水力发电装置利用潮汐能、波浪能、河流水动能实现发电，在水流的冲击作用下，转轮将水流动能转换为使转轮轴旋转的机械能，转轮轴带动发电机转子旋转，转子与定子发生电磁耦合，输出电流。具有普通结构的转轮承受的侧向力矩较大，转轮有弯曲的风险，整个发电装置的运行稳定性受到影响；当转轮轴为垂直方向时，转轮旋转会对下游床层构成冲刷，从而破坏环境，且转轮的旋转对下游固体床层造成冲刷。
3.另外，从运行效率考虑，单纯阻力型的转轮产生的力矩较大，但能量转换效率较低；单纯升力型的转轮的能量转换效率较高，但启动性能较差。大型发电装置的尺寸较大，单机成本较高，且安装不灵活，在近海岸或浅水地域，适应性较差。
4.因此，亟需研发一种兼顾效率、启动性能、运行稳定性、制造成本与集群化应用的水力发电装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种升力与阻力复合的水力发电装置，有效兼顾能量转换效率、启动性能、运行稳定性以及对环境影响等方面。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
7.升力与阻力复合的水力发电装置，特点是：包含转轮轴以及与其同轴设置的升力转轮、首级阻力转轮、次级阻力转轮，所述转轮轴旋转支撑于支撑架上，首级阻力转轮与次级阻力转轮串联设置于转轮轴上，盘式发电机位于首级阻力转轮与次级阻力转轮中间并固定于转轮轴上，升力转轮位于首级阻力转轮和次级阻力转轮的外围并连接于转轮轴上，形成外层的单级升力转轮与内层的两级分体阻力转轮复合的结构；水流的作用，升力转轮通过其叶片升力产生使转轮轴旋转的力矩，首级阻力转轮和次级阻力转轮通过其叶片阻力产生使转轮轴旋转的力矩，共同将水动能转化为使盘式发电机转子旋转的机械能。
8.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，所述升力转轮包含三只扭曲型升力叶片，通过支撑杆安装在转轮轴上。
9.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，每只扭曲型升力叶片的两端均设置支撑杆，支撑杆通过轴套和键与转轮轴联接，使扭曲型升力叶片、支撑杆、转轮轴同步旋转。
10.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，所述扭曲型升力叶片的翼型为naca0018翼型，扭曲角为60
°
～66
°
。
11.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，所述扭曲角为65
°
。
12.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，所述首级阻力转轮和次
级阻力转轮均包含两只螺旋形阻力叶片，连接于转轮轴上。
13.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，首级阻力转轮的阻力叶片与次级阻力转轮的阻力叶片于周向呈错开设置，周向错开角度为90
°
。
14.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，螺旋形阻力叶片的螺旋角均为80
°
～100
°
。
15.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，螺旋角为90
°
。
16.进一步地，上述的升力与阻力复合的水力发电装置，其中，所述转轮轴呈水平设置。
17.本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
18.①
本发明水力发电装置设计独特，采用单级升力叶轮与两级分体阻力叶轮复合的结构形式，有效将上游水流的动能转化为驱动发电机转子旋转的机械能，具有较高的水动力发电效率和完全自启动性能，运行稳定；
19.②
扭曲型升力叶片的效率高，首级阻力转轮的阻力叶片和次级阻力转轮的阻力叶片产生的力矩大，集合了两类转轮的优势；水流的动能被转轮充分截获，转化为使转轮轴旋转的动力，工作效率较高；
20.③
升力叶片为扭曲形，阻力叶片为螺旋形，两者均能够适应不同方向的来流；无轮水流来自何方向，转轮均能够旋转，增强整个发电装置的启动性能，因转轮均可启动，所以无自启动盲区；
21.④
转轮下游的流体以水平线为轴、呈螺旋卷裹状向下游迁移，由于转轮与下游床层之间存在一定垂直距离，所以转轮下游的流体不会对床层产生剪切、挖掘作用，对周围环境和下游河床的干扰极小；
22.⑤
充分兼顾和保证发电的能量转换效率、启动性能和运行稳定性，且对下游床层和周围环境无影响，适于集群化广泛推广应用。
23.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1：本发明装置的结构示意图；
26.图2：升力转轮的结构示意图；
27.图3：首级阻力转轮与次级阻力转轮的结构示意图；
28.图4：单只升力叶片的截面受力示意图；
29.图5：单只阻力叶片的截面受力示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.如图1～3所示，升力与阻力复合的水力发电装置，包含转轮轴3以及与其同轴设置的升力转轮、首级阻力转轮、次级阻力转轮，转轮轴3呈水平设置，旋转自如地支撑于支撑架7上，首级阻力转轮与次级阻力转轮串联设置于转轮轴3上，盘式发电机5位于首级阻力转轮与次级阻力转轮中间并固定于转轮轴3上，首级阻力转轮包含两只螺旋形阻力叶片4，次级阻力转轮包含两只螺旋形阻力叶片6，均连接于转轮轴3上，首级阻力转轮的阻力叶片4与次级阻力转轮的阻力叶片6于周向呈错开设置，周向错开角度为90
°
，首级阻力转轮的阻力叶片4与次级阻力转轮的阻力叶片6的螺旋角均为80
°
～100
°
，优选90
°
；
33.升力转轮位于首级阻力转轮和次级阻力转轮的外围并连接于转轮轴上，升力转轮包含三只扭曲型升力叶片1，于周向呈均匀间隔设置，每只扭曲型升力叶片1的两端均设置支撑杆2，六只支撑杆2通过轴套和键与转轮轴3联接，使扭曲型升力叶片1、支撑杆2、转轮轴3同步旋转；扭曲型升力叶片1的翼型为naca0018翼型，扭曲角为60
°
～66
°
，优选65
°
；支撑杆2的断面与扭曲型升力叶片1的断面同为naca0018翼型；
34.形成外层的单级升力叶轮与内层的两级分体阻力叶轮复合的结构。
35.以单只升力叶片的截面受力为例说明其对转轮轴旋转的推动作用，如图4，来流方向自左向右，叶片截面在水流作用下产生的合力为f，其可分解为指向转轮轴线的力fn与沿圆周切线方向的分力fc，fn对升力叶片的旋转无贡献，而fc产生使升力叶片旋转的力矩。
36.以单只阻力叶片的截面受力为例说明其对转轮轴旋转的推动作用，如图5，来流方向自左向右，叶片截面在水流作用下产生的合力为f，其可分解为与转轮轴线相交的力分量fd与垂直于fd的力分量fw，fd对阻力叶片的旋转无贡献，而fw产生使阻力叶片旋转的力矩。
37.水流的冲击作用，使升力转轮和首级阻力转轮与次级阻力转轮均旋转；转轮轴水平设置，水流与位于外围的扭曲型升力叶片1发生相互作用时，利用叶片在水流作用下产生的升力，形成使转轮轴3旋转的力矩；水流与位于内侧的首级阻力转轮的阻力叶片4和次级阻力转轮的阻力叶片6的四只叶片发生相互作用时，在每个叶片两侧表面产生压差，进而产生使阻力叶片旋转的合力，形成驱动转轮轴3旋转的力矩，转轮轴与盘式发电机转子刚性联结，故发电机转子旋转，与定子产生发生耦合作用，产生感应电动势，输出电流。
38.当水流与转轮叶片相互作用时，扭曲型升力叶片1的效率高，首级阻力转轮的阻力叶片4和次级阻力转轮的阻力叶片6产生的力矩大，本发明发电装置集合了两类转轮的优势；且水流流经扭曲型升力叶片1与首级阻力转轮的阻力叶片4和次级阻力转轮的阻力叶片6后，水流的动能被转轮充分截获，转化为使转轮轴3旋转的动力，因此转轮的工作效率较
高，显著提高了工作效率。
39.由于升力叶片为扭曲形，阻力叶片为螺旋形，两者均能够适应不同方向的来流。换言之，无轮水流来自何方向，转轮均能够旋转，增强整个发电装置的启动性能，因转轮均可启动，所以无自启动盲区。
40.由于转轮轴为水平设置，采取两端支承方式，盘式发电机置于首级阻力转轮与次级阻力转轮中间，故水流对整个转轮组合产生的侧倾力矩由支架承受，不会引起转轮轴的弯曲，大大增强本发明发电装置的整体运行稳定性。
41.转轮下游的流体以水平线为轴、呈螺旋卷裹状向下游迁移，由于转轮与下游床层之间存在一定垂直距离，故转轮下游的流体不会对床层产生剪切、挖掘作用，减轻转轮旋转对下游床层的冲刷。
42.来流以垂直于转轮轴的方向流向本发明发电装置，不但升力叶片在升力作用下产生使转轮旋转的动力，阻力叶片也将会旋转，将水流动能充分转化为机械能。
43.来流自轴向流向转轮，由于位于内侧的两级阻力型转轮叶片均为螺旋形，只要水流进入螺旋形叶片包围的空间，就会产生推动螺旋叶片旋转的力，从而带动转轮轴、升力叶片和发电机转子旋转。
44.综上所述，本发明水力发电装置设计新颖，采用单级升力叶片与两级阻力叶片复合的结构形式，有效将上游水流的动能转化为驱动发电机转子旋转的机械能，具有较高的水动力发电效率和完全自启动性能，运行稳定，保证发电装置的能量转换效率、启动性能和运行稳定性，且对下游床层和周围环境无影响，适于集群化广泛推广应用。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
46.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
47.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术特征：
1.升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：包含转轮轴以及与其同轴设置的升力转轮、首级阻力转轮、次级阻力转轮，所述转轮轴旋转支撑于支撑架上，首级阻力转轮与次级阻力转轮串联设置于转轮轴上，盘式发电机位于首级阻力转轮与次级阻力转轮中间并安装于转轮轴上，升力转轮位于首级阻力转轮和次级阻力转轮的外围并连接于转轮轴上，形成外层的单级升力转轮与内层的两级分体阻力转轮复合的结构；在水流的作用下，升力转轮通过其叶片升力产生使转轮轴旋转的力矩，首级阻力转轮和次级阻力转轮通过其叶片阻力产生使转轮轴旋转的力矩，共同将水动能转化为使盘式发电机转子旋转的机械能。2.根据权利要求1所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：所述升力转轮包含三只扭曲型升力叶片，通过支撑杆安装在转轮轴上。3.根据权利要求2所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：每只扭曲型升力叶片的两端均设置支撑杆，支撑杆通过轴套和键与转轮轴联接，使扭曲型升力叶片、支撑杆、转轮轴同步旋转。4.根据权利要求2所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：所述扭曲型升力叶片的翼型为naca0018翼型，扭曲角为60
°
～66
°
。5.根据权利要求4所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：所述扭曲角为65
°
。6.根据权利要求1所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：所述首级阻力转轮和次级阻力转轮均包含两只螺旋形阻力叶片，连接于转轮轴上。7.根据权利要求6所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：首级阻力转轮的阻力叶片与次级阻力转轮的阻力叶片于周向呈错开设置，周向错开角度为90
°
。8.根据权利要求6所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：螺旋形阻力叶片的螺旋角均为80
°
～100
°
。9.根据权利要求8所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：螺旋角为90
°
。10.根据权利要求1所述的升力与阻力复合的水力发电装置，其特征在于：所述转轮轴呈水平设置。

技术总结
本发明涉及升力与阻力复合的水力发电装置，包括转轮轴以及与其同轴设置的升力转轮、首级阻力转轮、次级阻力转轮，转轮轴旋转支撑于支撑架上，首级阻力转轮与次级阻力转轮串联设置于转轮轴上，盘式发电机位于首级阻力转轮与次级阻力转轮中间并安装于转轮轴上，升力转轮位于首级阻力转轮和次级阻力转轮的外围并连接于转轮轴上；在水流的作用下，升力转轮通过其叶片升力产生使转轮轴旋转的力矩，首级阻力转轮和次级阻力转轮通过其叶片阻力产生使转轮轴旋转的力矩，共同将水动能转化为使盘式发电机转子旋转的机械能。单级升力叶轮与两级分体阻力叶轮复合的结构，将上游水流动能转化为驱动发电机转子旋转的机械能，具有较高发电效率和完全自启动性能。效率和完全自启动性能。效率和完全自启动性能。


技术研发人员：康灿 汪志远 张永超 尹瑾 滕爽
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/7/7