一种集流式海流能水轮机装置

技术领域

本发明属于海能发电装置，具体涉及一种集流式海流能水轮机装置。

背景技术

随着社会的发展，科学技术的进步，占据全球超过70％面积的海洋的地位越来越重要。在各个国家都加紧对于海洋开发的大背景下，可以说谁控制了海洋谁家控制了未来的发展。目前对于海洋的探测依赖于不同种类的探测器，一个稳定的水下供电装置就显得尤为重要，而水下供电装置的各个部件中，可以将海流能或是波浪能等能量形式转换成机械能的水轮机尤为重要。而这种轮机往往需要更好的自启动性能以便利用水下较低的流速。就公开资料显示，风吹动海面只能引起500米的海水流动，但是有研究表明风能通过某种类似‘接力棒’的物质传递到深达1000m左右的深海区域，成为产生深海洋流运动的机械能。据现有观测资料显示，大多数水域水深在小于200m时最大流速为2m/s，1000m处流速最大仅0.5m/s，平均流速则远小于这个值。海底监测平台很多用电设备处在500m以下，目前的水轮机在低流速水流内，无法有效实现自启动，无法提高低速水流能量的有效利用，所以开发出一个拥有良好自启动性能的水轮机的极其必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集流式海流能水轮机装置，以克服现有技术的不足。

一种集流式海流能水轮机装置，包括螺旋叶片以及套设于螺旋叶片外圈的导流罩，螺旋叶片中间设有转轴，转轴两端分别安装有一个导流罩支架，其中一个导流罩支架为镂空结构；导流罩包括导流支架和固定于导流支架上的导流叶片，导流支架沿螺旋叶片外圈周向阵列设置，导流支架两端分别与转轴两端的导流罩支架连接，导流支架所在平面与螺旋叶片外圈圆周切线夹角小于90°，螺旋叶片的转轴一端连接电机驱动轴。

进一步的，螺旋叶片采用阿基米德螺旋叶片。

进一步的，导流支架上的导流叶片采用柔性叶片或采用刚性叶片。

进一步的，采用刚性叶片结构，导流支架与刚性叶片为一体结构，导流支架周向阵列于螺旋叶片外圈，导流支架与其两端的导流罩支架转动连接，导流支架能够相对导流罩支架转动，导流罩支架上设有限位块，导流支架与限位块接触时，导流支架所在平面与该导流支架转轴至螺旋叶片连线夹角a大于0°。

进一步的，相邻两个导流支架有部分搭接。

进一步的，相邻两个导流支架转动安装的距离大于导流支架的宽度，导流罩支架上设置有多个限位块，每个导流支架两侧分别设置一个用于限制导流支架的摆动角度的限位块。

进一步的，相邻两个导流支架转动安装的距离等于导流支架的宽度，导流罩支架上设置有多个限位块，每个导流支架对应设置两个限位块，分别设置于导流支架的两侧。

进一步的，导流支架向内转动至最大位置时，导流支架所在平面与螺旋叶片径向夹角为45°，螺旋叶片径向夹角为导流支架转动轴与螺旋叶片轴线的连线。

进一步的，采用柔性叶片结构，导流支架为矩形结构，柔性叶片三边与导流支架的三边固定连接，其中一侧为开口，开口侧与导流支架转动轴一侧相对且平行。

进一步的，螺旋叶片的转轴两端分别与导流罩支架通过轴承转动连接，另一个导流罩支架的底部设有固定架，固定架下端固定在河床或海床上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种集流式海流能水轮机装置，包括螺旋叶片以及套设于螺旋叶片外圈的导流罩，螺旋叶片中间设有转轴，转轴两端分别安装有一个导流罩支架，其中一个导流罩支架为镂空结构；采用导流罩套设于螺旋叶片上，导流罩轴线与螺旋叶片轴线平行，在导流罩上设置能够随水流摆动的叶片结构，在导流罩的一侧形成向内开口，另一侧减小导流罩开口，使水流垂直于螺旋叶片的方向进入导流罩内，在导流罩上的叶片作用下，水流沿螺旋叶片轴线移动，在螺旋叶片的中心轴方向形成压力差，迫使螺旋叶片转动，从而实现能量转化。外部导流支架在实现形成压力差的作用的同时，形成了一个稳定的笼型结构，增加轮机整体的刚性和强度。

进一步的，通过导流罩套设于螺旋叶片上，导流罩轴线与螺旋叶片轴线平行，形成一个较大的，平行于阿基米德螺旋线中轴的速度入口，并且封闭同样平行于阿基米德中轴线的速度出口，形成一个与阿基米德中轴线平行的压力差，运用刚性叶片和导轨装置或是限位装置，在轴向方向具有一定强度，不需要其他装置增加强度，适用于低水头的动能场，通过集流的方式把水的动能转换成沿着阿基米德水轮机螺旋中轴方向的压力差，实现能量转化。

进一步的，采用刚性叶片结构，结构简单，摆动角度大，提供大入口流速，产生较大的压力差，从而有效提高利用率。

进一步的，采用柔性叶片结构，安装简单，摆动幅度小，适用于小流速流域，有效实现水流的能量转化。

附图说明

图1为本发明实施例中水轮机装置柔性叶片安装立体结构示意图。

图2为本发明实施例中水轮机装置刚性叶片间隔设置安装主视图。

图3为本发明实施例中水轮机装置刚性叶片搭接位置安装主视图。

图4为本发明实施例中水轮机装置刚性叶片拼接位置安装主视图。

图5为本发明实施例中柔性叶片结构示意图。

图6为本发明实施例中柔性叶片安装水流冲向示意图。

图7为本发明实施例中刚性叶片安装装配结构示意图。

图中，1、螺旋叶片；2、转轴；3、导流罩支架；4、导流支架；5、导流叶片；6、限位块；7、柔性叶片；8、轴承；9、固定架；10、连接转轴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种集流式海流能水轮机装置，采用导流罩套设于螺旋叶片上，导流罩轴线与螺旋叶片轴线平行，在导流罩上设置能够随水流摆动的叶片结构，在导流罩的一侧形成向内开口，另一侧减小导流罩开口，使水流垂直于螺旋叶片的方向进入导流罩内，在导流罩上的叶片作用下，水流沿螺旋叶片轴线移动，在螺旋叶片的中心轴方向形成压力差，迫使螺旋叶片转动，从而实现能量转化。外部导流支架在实现形成压力差的作用的同时，形成了一个稳定的笼型结构，增加轮机整体的刚性和强度。

具体的，如图1所示，所述集流式海流能水轮机装置包括螺旋叶片1以及套设于螺旋叶片1外圈的导流罩，螺旋叶片1中间设有转轴2，转轴2两端分别安装有一个导流罩支架3，其中一个导流罩支架3为镂空结构；导流罩包括导流支架4和固定于导流支架上的导流叶片5，导流支架4沿螺旋叶片1外圈周向阵列设置，导流支架4两端分别与转轴2两端的导流罩支架3连接，导流支架4所在平面与螺旋叶片1外圈圆周切线夹角小于90°。螺旋叶片1套设于导流罩内，在导流罩内的空腔体内，利用导流支架4上的导流叶片径向引入空腔内，同时在同一流向内不同测的导流叶片开度不同，从而形成压力差，水流沿螺旋叶片1轴向流动迫使螺旋叶片1转动，螺旋叶片1的一端连接驱动轴，驱动发电设备进行发电，提供动力。

导流支架4上的导流叶片5采用柔性叶片或采用刚性叶片；螺旋叶片1采用阿基米德螺旋叶片，其转动轴采用阿基米德转子中轴。

如图2、图7所示，采用刚性叶片结构，导流支架4与刚性叶片5为一体结构，导流支架4周向阵列于螺旋叶片1外圈，导流支架4与其两端的导流罩支架3转动连接，导流支架4能够相对导流罩支架3转动，导流罩支架3上设有限位块6，导流支架4与限位块6接触时，导流支架4所在平面与该导流支架4转轴至螺旋叶片1连线(即螺旋叶片1的径向方向)夹角a大于0°，能够在水流作用下反向回位，防止导流支架4过度转动卡死；根据导流支架4阵列密度以及导流支架4宽度，相邻两个导流支架4有三种搭接位置关系；

第一种为搭接位置关系，相邻两个导流支架4有部分搭接，即相邻两个导流支架4转动安装的距离小于导流支架4的宽度(指沿周向方向的长度)，如图3所示，导流支架4安装的转动轴与螺旋叶片1表面的距离大于导流支架4的宽度，在水流作用下，如图3中箭头所示，导流支架4可转动最大内向位置如图3虚线位置，在圆周另一侧的导流支架4表面的受反向作用力，反向转动至与其相邻的一个导流支架内测相接触，从而在该表面形成封闭面。这时在导流支架作用下，水流从一侧流入，螺旋叶片1两端的支架一个设置镂空结构，另一侧为封闭结构，水流沿螺旋叶片轴向从镂空结构方向流出，从而在设置于导流罩内的螺旋叶片1所在空间形成压力差，形成了一个稳定的笼型结构，这样截流面积远大于作为水平轴水轮机的横截面，从而接收更多的能量，提高发电效率。

第二种为间隔设置位置关系如图2所示，相邻两个导流支架4转动安装的距离大于导流支架4的宽度(指沿周向方向的长度)，导流罩支架3上设置有多个限位块6，每个导流支架4对应设置两个限位块6，分别设置于导流支架4的两侧，用于限制导流支架4的摆动角度，在水流作用下，如图4中箭头所示，导流支架4可转动最大内向位置如图2实线位置，在圆周右侧的导流支架4向内转动与其内侧的限位块接触，在圆周左侧的导流支架4向外转动与其外侧的限位块6接触；导流支架4转动角度，根据实际长度进行设置，其向内转动角度开口大于向外转动位置开口，即进口水流大于另一侧出口水流，使水流能够沿螺旋叶片1轴向运动，从而能够形成压差；导流支架4向外转动至最大位置时，导流支架4中心位置与螺旋叶片1轴线连线垂直于导流支架4所在平面；导流支架4向内转动至最大位置时，导流支架4所在平面与螺旋叶片1径向夹角为45°，螺旋叶片1径向夹角为导流支架4转动轴与螺旋叶片1轴线的连线。

第三种为拼接位置关系如图4所示，相邻两个导流支架4转动安装的距离等于导流支架4的宽度，导流罩支架3上设置有多个限位块6，每个导流支架4对应设置两个限位块6，分别设置于导流支架4的两侧，用于限制导流支架4的摆动角度；导流支架4向外转动至最大位置时，相邻两个导流支架4端部接触；导流支架4向内转动至最大位置时，导流支架4所在平面与螺旋叶片1径向夹角为45°，螺旋叶片1径向夹角为导流支架4转动轴与螺旋叶片1轴线的连线。

采用柔性叶片结构，柔性叶片结构如图5所示，导流支架4为矩形结构，柔性叶片7三边与导流支架4的三边固定连接，其中一侧为开口，开口侧与导流支架4转动轴一侧相对且平行，柔性叶片在水流作用下沿开口测摆动；导流支架4的一侧设置有连接转轴10，与其两端的导流罩支架转动连接；安装柔性叶片的导流支架4，两端与导流罩支架3固定连接或者转动连接；当来流自左向右进入导流支架4的腔体时，左侧的柔性叶片在流场和导流支架4的共同作用下向内摆动，大部分的流体自左向右流入导流罩腔体，而在右侧的柔性叶片在流场和导流支架4的共同作用下向外摆动，形成很小的出口，使得大部分的流体只能从导流罩支架3通过，根据角动量守恒定律，流体流入腔体内即开始旋转，产生低压涡核心，形成垂直向上的压力梯度。

采用固定或转动连接时，导流支架4转动角b，即导流支架4转动与螺旋叶片1径向角度，此时该叶片受向右流动水流的作用时，如图6所示，位于右侧的导流支架4上的柔性叶片此时位于4-1位置，与其相邻的柔性叶片之间的空隙最小，即此时导流支架4向外转动至最大限位位置；而位于左侧的导流支架4上的柔性叶片此时位于4-3位置，与其相邻的柔性叶片之间的空隙最大，即此时导流支架4向内转动至最大限位位置。位于左侧的柔性叶片之间开口大，大部分的流体在图6中在左向右流入导流罩内，而此时位于右侧的柔性叶片之间开口最小，使得大部分的流体只能从导流罩端部镂空的支架通过，根据角动量守恒定律，流体流入腔体内即开始旋转，产生低压涡核心，形成垂直向上的压力梯度。

同理，受向左流动水流的作用时，如图6所示，位于右侧的导流支架4上的柔性叶片此时位于4-2位置，与其相邻的柔性叶片之间的空隙最大，即此时导流支架4向内转动至最大限位位置；而位于左侧的导流支架4上的柔性叶片此时位于4-4位置，与其相邻的柔性叶片之间的空隙最小，即此时导流支架4向外转动至最大限位位置。

同一水轮机装置上的导流支架4设置方向一致，呈圆周阵列；同一个导流支架4上的导流支架4可采用不同叶片结构，采用柔性叶片和采用刚性叶片周向间隔阵列设置，或者柔性叶片和采用刚性叶片对半设置，从而适应不同水流区域，提高大流向水流的效率。

一侧设置镂空结构的导流罩支架3采用伞状结构，能够使流体通畅流过，并且支撑结构稳定。

螺旋叶片1的转轴2两端分别与导流罩支架3通过轴承8转动连接，减小螺旋叶片1转动的摩擦力；另一个导流罩支架3的底部设有固定架9，固定架下端固定在河床或海床上。

本发明通过导流罩套设于螺旋叶片上，导流罩轴线与螺旋叶片轴线平行，形成一个较大的，平行于阿基米德螺旋线中轴的速度入口，并且封闭同样平行于阿基米德中轴线的速度出口，形成一个与阿基米德中轴线平行的压力差，运用刚性叶片和导轨装置或是限位装置，在轴向方向具有一定强度，不需要其他装置增加强度，适用于低水头的动能场，通过集流的方式把水的动能转换成沿着阿基米德水轮机螺旋中轴方向的压力差，实现能量转化。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述仅是本发明的一部分实施例，本发明的保护范围并不局限于此。基于本发明中的实施例，本领域技术人员所做的非创造性的改进、等同替换和变化等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。