一种波瓣式导管潮流涡轮及其设计方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210087819.7	申请日：	2012.03.29
公开号：	CN103362720A	公开日：	2013.10.23
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	登录超时
IPC分类号：	F03B3/12	主分类号：	F03B3/12
申请人：	周军伟; 王大政
发明人：	周军伟; 王大政
地址：	264209 山东省威海市文化西路2号哈尔滨工业大学(威海)船舶工程学院宋健研究院1号楼北328
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内容摘要

一种波瓣式导管潮流涡轮，由导管与涡轮叶轮组成，涡轮效率能够达到100%以上。导管由扩张段与工作段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道。水平轴涡轮叶轮置于工作段中间附近位置。本发明给出了导管几何曲面的造型方法，以及相匹配的涡轮叶轮叶片弦长与螺距角设计方法。具体的设计步骤为：首先根据设计功率要求计算得到涡轮半径，即工作段内壁半径；然后选定导管几何曲面造型的若干系数，得到波瓣式导管的三维曲面坐标；接下来根据选用的翼型的设计攻角与升力系数，并选取适当的涡轮叶片数目及涡轮转速，得到涡轮叶片弦长与螺距角沿叶片长度方向的分布。

权利要求书

权利要求书
1. 一种波瓣式导管潮流水平轴涡轮，其特征在于由导管与涡轮叶轮组成，导管由工作段与扩张段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道；定义导管扩张段长度为L，工作段长度为Ld，内壁半径为rd，壁厚为t；工作段长度与内壁半径存在关系Ld=αL ?rd，壁厚与内壁半径之间存在关系 t=αt?rd，内壁半径根据设计功率P及潮流速度v∞确定，可以表示为rd=αP?；导管三维几何坐标可表示为：x(z,θ)=r(z,θ)?cosθ，y(z,θ)=r(z,θ)?sinθ，式中θ为不同轴向位置截面上的角坐标，取值范围为0~2π，z为轴向坐标，取值范围为0~L，r(z,θ)为不同轴向坐标及角坐标下的半径，其表达式为r(z,θ)={rmin(z)+[rmax(z)-rmin(z)] ?[0.5+0.5sin(NL?θ)]}，式中NL为波瓣数目，为整数，rmin(z)、rmax(z)分别为不同轴向位置上波瓣形截面的最小半径与最大半径，其表达式为rmin(z)= rd+(rw,min-rd)?(z/L)3，rmax(z)= rd+(rw,max-rd)?(z/L)3，式中rw,min与rw,max分别为波瓣导管出口的最小半径与最大半径，rd、rw,min、rw,max三者之间满足关系rw,min=αmin?rd，rw,max=αmax?rd；涡轮设计：涡轮叶轮位于工作段中部，叶轮中心至工作段两端的距离分别为L1、L2，L1、L2与rd之间满足关系L1>α1?rd、L2>α2?rd，涡轮叶轮单个叶片的水动力设计参数包括弦长c(h)与螺距角β(h)沿叶片长度h的变化曲线，h定义为该位置距离叶轮轴线的长度，其中,式中B为叶轮的叶片数目，CL为所选构成叶片的翼型的升力系数，λ为叶轮的设计速比，表示为λ=ω?rd/v∞，式中ω为叶轮转速，ηEk为涡轮的动能转化率，ηFP为导管的流通率，螺距角β(h)=arctan[ω?h/(v∞?ηFP)]-AOA，式中AOA为所选构成叶片的翼型的攻角。

2. 如权利要求1所述，αL取值范围为2.0~3.0，αt取值范围为0.05~0.1，αP取值0.026，波瓣数目NL取值范围为6~15，αmin取值范围为0.9~1.1，αmax取值范围为1.8~2.2，α1取值0.25，α2取值0.25，导管流通率ηFP取值1.4，涡轮动能转化率ηEk取值1.0。

说明书

说明书一种波瓣式导管潮流涡轮及其设计方法
技术领域
本发明涉及海洋能开发中的潮流能发电领域，具体的来讲是一类由导管包容的水平轴潮流涡轮，包括一类特殊形式的导管及相匹配的涡轮叶轮。
背景技术
潮涨潮退使得近海存在周期性的潮流能，潮流能为潮流中蕴含的动能，其研究开发近十几年来发展迅速。由于潮流能变化规律稳定，通常采用高效率的水平轴涡轮来进行能量提取。水平轴潮流涡轮与风力涡轮在结构形式上类似。由于世界上大部分沿海地区潮流速度较低，能量密度小，开发成本高，许多国家发展潮流能发电仅作为未来战略技术储备。提高潮流涡轮的能量转换效率是降低潮流能开发成本，尽早实现商业化的主要途径之一，而采用导管式潮流涡轮能够明显提高涡轮效率。不同的导管设计对涡轮效率的影响明显，其主要影响因素包括导管几何、结构的设计，以及相对应的涡轮设计方法。
发明内容
本发明为一种波瓣式导管潮流水平轴涡轮，其特征在于由导管与涡轮叶轮组成，涡轮效率能够达到100%以上，其设计几何参数如图1所示。具体设计方法为：导管设计：导管由工作段与扩张段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道。定义导管扩张段长度为L，工作段长度为Ld，内壁半径为rd，壁厚为t；工作段长度与内壁半径之间存在关系Ld=αL ?rd，壁厚与内壁半径之间存在关系 t=αt?rd，内壁半径根据设计功率P及潮流速度v∞确定，可以表示为rd=αP? ；导管三维几何坐标可表示为：x(z,θ)=r(z,θ)?cosθ，y(z,θ)=r(z,θ)?sinθ，式中θ为不同轴向位置截面上的角坐标，取值范围为0~2π，z为轴向坐标，取值范围为0~L，r(z,θ)为不同轴向坐标及角坐标下的半径，其表达式为r(z,θ)={rmin(z)+[rmax(z)-rmin(z)] ?[0.5+0.5sin(NL?θ)]}，式中NL为波瓣数目，为整数，rmin(z)、rmax(z)分别为不同轴向位置上波瓣形截面的最小半径与最大半径，其表达式为rmin(z)= rd+(rw,min-rd)?(z/L)3，rmax(z)= rd+(rw,max-rd)?(z/L)3，式中rw,min与rw,max分别为波瓣导管出口的最小半径与最大半径，rd、rw,min、rw,max三者之间满足关系rw,min=αmin?rd，rw,max=αmax?rd；涡轮设计：涡轮叶轮位于工作段中部，叶轮中心至工作段两端的距离分别为L1、L2，L1、L2与rd之间满足关系L1>α1?rd、L2>α2?rd，涡轮叶轮单个叶片的水动力设计参数包括弦长c(h)与螺距角β(h)沿叶片长度h的变化曲线，h定义为该位置距离叶轮轴线的长度，其中,式中B为叶轮的叶片数目，CL为所选构成叶片的翼型的升力系数，λ为叶轮的设计速比，表示为λ=ω?rd/v∞，式中ω为叶轮转速，ηEk为涡轮的动能转化率，ηFP为导管的流通率，螺距角β(h)=arctan[ω?h/(v∞?ηFP)]-AOA，式中AOA为所选构成叶片的翼型的攻角。设计过程中涉及的经验参数取值如下：αL取值范围为2.0~3.0，αt取值范围为0.05~0.1，αP取值0.026，波瓣数目NL取值范围为6~15，αmin取值范围为0.9~1.1，αmax取值范围为1.8~2.2，α1取值0.25，α2取值0.25，导管流通率ηFP取值1.4，涡轮动能转化率ηEk取值1.0。
附图说明
图1是波瓣式导管涡轮的侧视图与右视图。
图2是具体实施方式中设计的导管涡轮效率的数值预测曲线。
图3是具体实施方式中设计的导管涡轮输出功率的数值预测曲线。
具体实施方式
在潮流速度v∞=1m/s的情况下，设计涡轮功率1500瓦，则涡轮半径，即工作段内壁半径rd=αP?=0.026×=1.007，单位米，取涡轮半径为1米。
取αL=2.0，αt=0.1，NL=12，αmin=1.0，αmin=2.0，则得到导管三维曲面坐标为x(z,θ)=r(z,θ)?cosθ，y(z,θ)=r(z,θ)?sinθ，其中r(z,θ)={1+z3/8?[0.5+0.5sin(NL?θ)]}。
取涡轮叶片数B=3，某翼型设计攻角AOA=8.5°时升力系数为CL=0.71，取转速为6转/秒，则叶尖速比λ=ω?rd/v∞=6，根据公式，涡轮叶片螺距角β(h)=arctan[4.28h]-8.5，涡轮叶片弦长c(h) =0.351sinβ(h)；涡轮置于工作段中间位置。
采用数值方法对该涡轮在不同转速下的效率曲线进行了预测，峰值效率达到了117%。转速从5.5~8转/秒的范围内，涡轮效率都超过100%，如图2所示；涡轮输出功率最高达到1800多千瓦，如图3所示，实现了最初的设计要求。

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1、(10)申请公布号 CN 103362720 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103362720 A *CN103362720A* (21)申请号 201210087819.7 (22)申请日 2012.03.29 F03B 3/12(2006.01) (71)申请人周军伟地址 264209 山东省威海市文化西路 2 号哈尔滨工业大学(威海)船舶工程学院宋健研究院 1 号楼北 328 申请人王大政 (72)发明人周军伟王大政 (54) 发明名称一种波瓣式导管潮流涡轮及其设计方法 (57) 摘要一种波瓣式导管潮流涡轮，由导管与涡轮叶轮组成，涡轮效率能够。

2、达到 100% 以上。导管由扩张段与工作段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道。水平轴涡轮叶轮置于工作段中间附近位置。本发明给出了导管几何曲面的造型方法，以及相匹配的涡轮叶轮叶片弦长与螺距角设计方法。具体的设计步骤为：首先根据设计功率要求计算得到涡轮半径，即工作段内壁半径；然后选定导管几何曲面造型的若干系数，得到波瓣式导管的三维曲面坐标；接下来根据选用的翼型的设计攻角与升力系数，并选取适当的涡轮叶片数目及涡轮转速，得到涡轮叶片弦长与螺距角沿叶片长度方向的分布。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页说明书 2 页附图 2 页 (19。

3、)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书1页说明书2页附图2页 (10)申请公布号 CN 103362720 A CN 103362720 A *CN103362720A* 1/1 页 2 1. 一种波瓣式导管潮流水平轴涡轮，其特征在于由导管与涡轮叶轮组成，导管由工作段与扩张段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道；定义导管扩张段长度为L，工作段长度为Ld，内壁半径为rd，壁厚为t；工作段长度与内壁半径存在关系Ld=L rd，壁厚与内壁半径之间存在关系 t=trd，内壁半径根据设计功率P及潮流速度v 确定，可以表示为rd=P；导。

4、管三维几何坐标可表示为：x(z,)=r(z,)cos， y(z,)=r(z,)sin，式中为不同轴向位置截面上的角坐标，取值范围为 02， z为轴向坐标，取值范围为 0L，r(z,) 为不同轴向坐标及角坐标下的半径，其表达式为r (z,)=rmin(z)+rmax(z)-rmin(z) 0.5+0.5sin(NL)，式中NL为波瓣数目，为整数，rmin(z)、rmax(z) 分别为不同轴向位置上波瓣形截面的最小半径与最大半径，其表达式为 rmin(z)= rd+(rw,min-rd) (z/L)3，rmax(z)= rd+(rw,max-rd) (z/L)3，式中rw,mi。

5、n与rw,max分别为波瓣导管出口的最小半径与最大半径，rd、rw,min、rw,max三者之间满足关系rw,min=minrd， rw,max=maxrd；涡轮设计：涡轮叶轮位于工作段中部，叶轮中心至工作段两端的距离分别为L1、L2，L1、L2与rd之间满足关系L11rd、L22rd，涡轮叶轮单个叶片的水动力设计参数包括弦长c(h) 与螺距角(h) 沿叶片长度h的变化曲线，h定义为该位置距离叶轮轴线的长度，其中 , 式中B为叶轮的叶片数目，CL为所选构成叶片的翼型的升力系数，为叶轮的设计速比，表示为=rd/v ，式中为叶轮转速，Ek为涡轮的动能转化率， FP为导管的。

6、流通率，螺距角(h)=arctanh/(v FP)-AOA，式中AOA为所选构成叶片的翼型的攻角。 2. 如权利要求 1 所述，L取值范围为 2.03.0，t取值范围为 0.050.1，P取值 0.026，波瓣数目NL取值范围为 615，min取值范围为 0.91.1，max取值范围为 1.82.2， 1取值 0.25，2取值 0.25，导管流通率FP取值 1.4，涡轮动能转化率Ek取值 1.0。权利要求书 CN 103362720 A 2 1/2 页 3 一种波瓣式导管潮流涡轮及其设计方法技术领域 0001 本发明涉及海洋能开发中的潮流能发电领域，具体的来讲是一类由。

7、导管包容的水平轴潮流涡轮，包括一类特殊形式的导管及相匹配的涡轮叶轮。背景技术 0002 潮涨潮退使得近海存在周期性的潮流能，潮流能为潮流中蕴含的动能，其研究开发近十几年来发展迅速。由于潮流能变化规律稳定，通常采用高效率的水平轴涡轮来进行能量提取。水平轴潮流涡轮与风力涡轮在结构形式上类似。由于世界上大部分沿海地区潮流速度较低，能量密度小，开发成本高，许多国家发展潮流能发电仅作为未来战略技术储备。提高潮流涡轮的能量转换效率是降低潮流能开发成本，尽早实现商业化的主要途径之一，而采用导管式潮流涡轮能够明显提高涡轮效率。不同的导管设计对涡轮效率的影响明显，其主要影响因。

8、素包括导管几何、结构的设计，以及相对应的涡轮设计方法。发明内容 0003 本发明为一种波瓣式导管潮流水平轴涡轮，其特征在于由导管与涡轮叶轮组成，涡轮效率能够达到 100% 以上，其设计几何参数如图 1 所示。具体设计方法为：导管设计：导管由工作段与扩张段两段组成，工作段为直管，扩张段为波瓣型管道。定义导管扩张段长度为L，工作段长度为Ld，内壁半径为rd，壁厚为t；工作段长度与内壁半径之间存在关系Ld=L rd，壁厚与内壁半径之间存在关系 t=trd，内壁半径根据设计功率P及潮流速度v 确定，可以表示为rd=P ；导管三维几何坐标可表示为。

9、：x(z,)=r(z,)cos，y(z,)=r(z,)sin，式中为不同轴向位置截面上的角坐标，取值范围为 02，z为轴向坐标，取值范围为 0L，r(z,) 为不同轴向坐标及角坐标下的半径，其表达式为r(z,)=rmin(z)+rmax(z)-rmin(z) 0.5+0.5sin(NL)，式中NL为波瓣数目，为整数，rmin(z)、rmax(z) 分别为不同轴向位置上波瓣形截面的最小半径与最大半径，其表达式为rmin(z)= rd+(rw,min-rd) (z/L)3， rmax(z)= rd+(rw,max-rd) (z/L)3，式中rw,min与rw,max分别。

10、为波瓣导管出口的最小半径与最大半径，rd、rw,min、rw,max三者之间满足关系rw,min=minrd，rw,max=maxrd；涡轮设计：涡轮叶轮位于工作段中部，叶轮中心至工作段两端的距离分别为L1、L2，L1、L2与rd之间满足关系L11rd、L22rd，涡轮叶轮单个叶片的水动力设计参数包括弦长c(h) 与螺距角(h) 沿叶片长度h的变化曲线，h定义为该位置距离叶轮轴线的长度，其中 , 式中B 为叶轮的叶片数目，CL为所选构成叶片的翼型的升力系数，为叶轮的设计速比，表示为 =rd/v ，式中为叶轮转速， Ek为涡轮的动能转化率，FP为导管的流通率，螺距角(。

11、h)=arctanh/(v FP)-AOA，式中AOA为所选构成叶片的翼型的攻角。设计过程中涉及的经验参数取值如下：L取值范围为 2.03.0，t取值范围为 0.050.1， P取值 0.026，波瓣数目NL取值范围为 615，min取值范围为 0.91.1，max取值范围为说明书 CN 103362720 A 3 2/2 页 4 1.82.2，1取值 0.25，2取值 0.25，导管流通率FP取值 1.4，涡轮动能转化率Ek取值 1.0。附图说明 0004 图 1 是波瓣式导管涡轮的侧视图与右视图。 0005 图 2 是具体实施方式中设计的导管涡轮效率的数值预测曲线。 0。

12、006 图 3 是具体实施方式中设计的导管涡轮输出功率的数值预测曲线。具体实施方式 0007 在潮流速度v =1m/s 的情况下，设计涡轮功率 1500 瓦，则涡轮半径，即工作段内壁半径rd=P=0.026=1.007，单位米，取涡轮半径为 1 米。 0008 取L=2.0，t=0.1，NL=12，min=1.0，min=2.0，则得到导管三维曲面坐标为 x(z,)=r(z,)cos，y(z,)=r(z,)sin，其中r(z,)=1+z3/8 0.5+0.5 sin(NL)。 0009 取涡轮叶片数B=3，某翼型设计攻角AOA=8.5 时升力系。

13、数为CL=0.71，取转速为 6 转 / 秒，则叶尖速比=rd/v =6，根据公式，涡轮叶片螺距角 (h)=arctan4.28h-8.5，涡轮叶片弦长c(h) =0.351sin(h) ；涡轮置于工作段中间位置。 0010 采用数值方法对该涡轮在不同转速下的效率曲线进行了预测，峰值效率达到了 117%。转速从 5.58 转 / 秒的范围内，涡轮效率都超过 100%，如图 2 所示；涡轮输出功率最高达到 1800 多千瓦，如图 3 所示，实现了最初的设计要求。说明书 CN 103362720 A 4 1/2 页 5 图 1 说明书附图 CN 103362720 A 5 2/2 页 6 图 2 图 3 说明书附图 CN 103362720 A 6 。

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