高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102230439 A (43)申请公布日 2011.11.02 CN 102230439 A *CN102230439A* (21)申请号 201110196894.2 (22)申请日 2011.07.14 201110085300.0 2011.04.07 CN F03B 3/12(2006.01) (71)申请人 周军伟 地址 264209 山东省威海市高技区文化西路 2 号 申请人 王大政 (72)发明人 周军伟 王大政 (74)专利代理机构 威海科星专利事务所 37202 代理人 于涛 (54) 发明名称 高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方 法 (57)。

2、 摘要 本发明涉及涡轮叶片技术领域， 具体地说是 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方 法， 其特征在于采用了戴冠叶片， 戴冠叶片由叶片 和叶冠两部分组成， 叶片和叶冠可一体成型， 也可 以分体成型后通过螺栓相连接， 其设计方法是首 先确定叶冠的设计参数， 然后确定叶冠表面几何 造型， 最后叶冠与叶片的定位， 定位准则一是叶 尖翼型的几何中心点与叶冠的几何中心点重合， 二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的连 线， 本发明结构简单， 易于实现， 几乎不增加成本 且效率提高明显， 因此具有较大的应用前景。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权。

3、局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 5 页 CN 102230441 A1/1 页 2 1. 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片， 其特征在于采用了戴冠叶片， 戴冠叶片由 叶片和叶冠两部分组成。 2. 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片的设计方法， 其特征在于首先确定叶冠 的设计参数， 其包括叶冠长度L， 叶冠宽度w， 叶冠厚度t， 叶冠长度L由涡轮叶片叶尖弦 长c决定， 二者之间满足关系L=c，取值范围为 11.2 ； 叶冠宽度w由叶冠长度L决 定， 二者之间满足关系w =L，取值范围为 0.81.2 ； 叶冠厚度t由叶冠长度L决 定， 二者之间满足关系t =。

4、L，的取值根据选择的翼型决定， 然后确定叶冠表面几 何造型 , 叶冠表面视为由一系列固定比例的翼型曲线构成， 即所有翼型曲线满足关系 ， 当 y=yi， 截面翼型最大厚度， y=yi 截面翼型弦长 ， 选取一系列 y=yi 截面， 得到一组翼型曲线， 将翼型曲线沿 Z 轴平移， 使其最大厚度位置位 于 Z=0 处， 最终得到叶冠表面几何数据， 最后进行叶冠与叶片的定位， 定位准则一是叶尖翼 型的几何中心点与叶冠的几何中心点重合， 二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的 连线。 权 利 要 求 书 CN 102230439 A CN 102230441 A1/3 页 3 高效率水平轴潮汐流涡轮。

5、戴冠叶片及设计方法 技术领域 0001 本发明涉及涡轮叶片技术领域， 具体地说是一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶 片及设计方法。 背景技术 0002 众所周知， 潮汐能是一类清洁的、 可再生的、 来源稳定且易于控制的新能源。目前 开采潮汐能的方法主要有两种， 一种是传统的筑坝式， 一种是水平轴涡轮。筑坝式发电在 涨潮时储蓄水的势能， 在退潮时将势能通过水涡轮转换为机械能来进行发电。水平轴涡轮 发电类似陆地上的风力发电， 所以又俗称水下风车。 相比筑坝式发电， 水平轴涡轮发电投入 少， 易于维护， 且对沿海生态影响小， 具有明显的优势， 因此， 近几年来其研究发展迅速。 0003 水平轴潮汐流涡。

6、轮发电相比陆地上的风力发电推广较为缓慢， 究其原因， 潮汐流 涡轮在水下工作， 其建设、 维护成本较风力发电高。因而发展高效率的潮汐流涡轮， 降低单 位发电量的成本具有十分重要的意义。 0004 Betz 曾经给出了水平轴涡轮极限效率的理论值， 为 59.26%， 而实际设计及工作中 的涡轮效率主要集中在 35%40% 之间， 鲜有能达到 45% 的。研究表明， 造成涡轮实际工作效 率与理论最高值相差如此悬殊的原因主要是涡轮叶片的叶尖损失。围绕降低涡轮叶尖损 失、 提高涡轮效率的主题， 目前潮流流涡轮的研究主要有如下几个方面 ： 1、 采用包围涡轮叶 片的聚流罩， 从而降低叶尖损失， 提高效率。

7、。这种方法能大幅度的提高涡轮效率， 但附加的 聚流罩及其支撑结构增加了潮汐流涡轮的建设成本。2、 采用类似飞机机翼尖部小翼的结 构， 同样为了降低叶尖损失， 提高效率。这种方法对涡轮效率提高较小， 且增加的小翼使叶 片结构复杂， 叶尖局部应力增大， 且制造成本增加。 发明内容 0005 本发明的目的是克服上述现有技术的不足， 采用戴冠叶片的方法减小涡轮叶尖损 失， 提出一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片及设计方法。 0006 本发明可以通过如下措施达到 ： 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片， 其特征在于采用了戴冠叶片， 戴冠叶片由叶 片和叶冠两部分组成， 叶片和叶冠可一体成型， 也可以分体成。

8、型后通过螺栓相连接。 0007 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片的设计方法， 其特征在于 ： 1、 首先确定叶冠的设计参数， 其包括叶冠长度L， 叶冠宽度w， 叶冠厚度t， 叶冠长度L由 涡轮叶片叶尖弦长c决定， 二者之间满足关系L=c，取值范围为 11.2 ； 叶冠宽度w由 叶冠长度L决定， 二者之间满足关系w =L，取值范围为 0.81.2 ； 叶冠厚度t由叶冠长 度L决定， 二者之间满足关系t =L，的取值根据选择的翼型决定， 2、 确定叶冠表面几何造型。叶冠表面视为由一系列固定比例的翼型曲线构成， 即所有 翼型曲线满足关系， 当 y=yi， 截面翼型最大厚度 ， y=yi 截 说 明。

9、 书 CN 102230439 A CN 102230441 A2/3 页 4 面翼型弦长， 选取一系列 y=yi 截面， 得到一组翼型曲线， 将翼型曲线沿 Z 轴平移， 使其最大厚度位置位于 Z=0 处， 最终得到叶冠表面几何数据， 3、 叶冠与叶片的定位， 定位准则一是叶尖翼型的几何中心点与叶冠的几何中心点重 合， 二是叶冠中剖面垂直于叶冠几何中心与轴心的连线。 0008 本发明结构简单， 易于实现， 几乎不增加成本且效率提高明显， 因此具有较大的应 用前景。 附图说明 0009 图 1 是发明的使用示意图。 0010 图 2 是本发明的一种结构示意图。 0011 图 3、 图 4、 图 。

10、5 是本发明中叶冠三维投影图及参数说明示意图。 0012 图 3 是主视图。 0013 图 4 是图 3 的左视图。 0014 图 5 是图 3 的仰视图。 0015 图 6 是本发明由一组曲线表示的叶冠曲面。 0016 图 7、 图 8 是本发明中叶片与叶冠之间的定位关系示意图。 具体实施方式 0017 一种高效率水平轴潮汐流涡轮戴冠叶片， 其特征在于采用了戴冠叶片， 戴冠叶片 由叶片 1 和叶冠 3 两部分组成， 叶片 1 安装在轮毂 2 上， 最后通过支架 4 固定于海床上， 叶 片 1 与叶冠 3 之间采用双螺栓连接固定， 如图 2 所示。 0018 本发明涡轮戴冠叶片的曲面几何造型方。

11、法如下 ： 1、 选取某涡轮叶片。已知该涡轮叶片采用 S814 翼型， 利用叶素动量理论设计， 翼型外 观如图 1 所示， 其弦长， 扭转角沿半径方向的分布如表 1 所示。 0019 表 1、 某涡轮叶片设计参数 半径 （米）弦长 （米）转角 （度） 0.21630.138515.4896 0.31430.12811.0564 0.41220.1178.8924 0.51020.10657.1849 0.60820.0965.8257 0.70610.08554.6561 0.80410.07453.5536 0.9020.0642.4733 10.0520.5409 2、 确定叶冠的设计参数。

12、。 0020 已知涡轮叶片叶尖弦长 c=0.052， 选取=1.2， 得叶冠长度 L=c=0.0624 ； 这里采 用的翼型为 NACA66-12 翼型，取值为 0.12， 叶冠厚度 t=L 0.0075 ； 选取=1， 则叶冠 宽度 w=L=0.0624。 0021 3、 叶冠曲面几何造型 根据发明内容 （二） 中的叶冠三维造型方法， 得到叶冠曲面几何数据。叶冠曲面由一系 说 明 书 CN 102230439 A CN 102230441 A3/3 页 5 列 NACA66-12 翼型曲线组成。当 y=yi， 截面翼型最大厚度， 进而可知 y=yi 截面翼型弦长。选取一系列 y=yi 截面，。

13、 即能够得到一组翼型曲线， 将这一系 列翼型曲线沿 Z 轴平移， 使其最大厚度位置位于 Z=0 处， 最终得到叶冠表面几何数据。 0022 4、 根据发明内容 （三） 中的叶片与叶冠间定位准则， 对叶冠进行平移及旋转， 使叶 冠与叶片匹配， 最终得到叶片与叶冠的几何坐标。叶片与叶冠整体效果图如图 1 所示。 0023 采用三维流场模拟方法对比戴冠叶片与不戴冠叶片涡轮效率， 前者比后者高出约 5 个百分点。由此证明戴冠叶片涡轮的高效性。 0024 本发明不限于本申请案中指出和说明的特殊实施例子， 只要不违背权利要求书中 限定的新构思和范围就可以做出各种改变和改进的方案。 说 明 书 CN 102230439 A CN 102230441 A1/5 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102230439 A CN 102230441 A2/5 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 102230439 A CN 102230441 A3/5 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102230439 A CN 102230441 A4/5 页 9 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102230439 A CN 102230441 A5/5 页 10 图 8 说 明 书 附 图 CN 102230439 A 。