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1、(10)申请公布号 CN 103573530 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103573530 A (21)申请号 201310496139.5 (22)申请日 2013.10.21 F03B 3/12(2006.01) (71)申请人 河海大学 地址 210098 江苏省南京市江宁区佛城西路 8 号 (72)发明人 周大庆 陈会向 钟淋涓 郑源 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 张惠忠 (54) 发明名称 一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮 (57) 摘要 本发明涉及一种海流能发电具有导流罩的水 轮机叶轮， 包括转轴和轮毂以及安。
2、装固定在轮毂 上的叶片， 所述转轴、 轮毂以及叶片均置于叶轮室 内， 叶轮室两端分别为进水侧和出水侧， 水流从进 水侧沿轴向流向出水侧， 轮毂采用球面形， 方便叶 片的安装于固定， 从而提高叶片的做功能力。所 述叶片采用不等厚度、 不等弦长的翼型组成， 相较 于传统海流发电水轮机叶轮， 叶片外缘翼型弦长 较叶片根部翼型弦长较大， 叶片整体根部小， 外缘 大， 这样能够在叶轮旋转时产生较大的叶片扭矩， 从而提高机组出力。根据这类叶轮所制造的具有 导流罩的水轮机组， 不仅在海流发电中有较高的 运行效率， 同时也可在低微水头发电时， 整机安装 较为简便， 能够在微小水能条件下发电使用， 充分 达到水。
3、能高效利用的目的。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)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2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103573530 A CN 103573530 A 1/2 页 2 1. 一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于包括转轴 （2） 和轮毂 （3） 以 及安装固定在轮毂 （3） 上的叶片 （4） ， 所述转轴 （2） 、 轮毂 （3） 以及叶片 （4） 均置于叶轮室 （1） 内， 叶轮室 （1） 两端分别为进水侧 （5） 和出水侧 （6） ， 水流从进水侧 （5） 沿。
4、轴向流向出水 侧 （6） 。 2. 根据权利要求 1 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述叶 轮室直径为 D1， 其截面形状为圆形， 叶轮室长度 L1与叶轮直径 D1的比值为 0.132 0.142。 3. 根据权利要求 1 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述转 轴直径 D0与叶轮室直径 D1的比值为 0.100 0.114， 水流的冲击作用使叶片 （4） 旋转， 从而 使转轴 （2） 以一定的转速 n 旋转带动发电机转子旋转发电。 4. 根据权利要求 1 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述轮 毂 （3） 为一球。
5、面突起， 轮毂比即轮毂 （3） 直径 Dh与叶轮室 （1） 直径 D1的比值为 0.214 0.220， 轮毂长度 L0与叶轮室直径 D1的比值为 0.089 0.097。 5. 根据权利要求 1 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述叶 片 （4） 呈一定扭曲状， 叶片数为 4 6 个， 靠近轮毂 （3） ， 直径为 0.3 倍叶轮室直径 D1的圆 柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.5540.560， 以0.6倍叶轮室直径D1为直径 的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.3030.309， 叶轮室最外缘圆柱面所截 圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为 0.209 0.2。
6、15。 6. 根据权利要求 5 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述 叶片 （4） 靠近轮毂 （3） 处 0.3 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l1与叶轮室直径 D1的比值为 0.100 0.106， 该翼型最大厚度 d1与其弦长 l1的比值为 0.125 0.131， 该翼型最大 厚度点到前缘的距离 xd1与翼型弦长 l1的比值为 0.348 0.354， 该翼型最大弯度 f1 与翼型弦长l1的比值为0.0780.084， 该翼型最大弯度点至前缘的距离xf1与翼型弦 长 l1的比值为 0.443 0.449， 翼型后部增加厚度 b1， 它与翼型弦长 l1的比值为 0。
7、.010 0.014。 7. 根据权利要求 5 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述叶 片 （4） 在 0.6 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l2与叶轮室直径 D1的比值为 0.112 0.118， 该翼型最大厚度 d2与翼型弦长 l2的比值为 0.114 0.120， 该翼型最大厚度点到前缘 的距离 xd2与翼型弦长 l2的比值为 0.345 0.351， 该翼型最大弯度 f2与翼型弦长 l2 的比值为 0.069 0.075， 该翼型最大弯度点至前缘的距离 xf2与翼型弦长 l2的比值 权 利 要 求 书 CN 103573530 A 2 2/2 页 3 为 0.。
8、467 0.473， 翼型后部增加厚度 b2， 它与弦长 l2的比值为 0.009 0.015。 8. 根据权利要求 5 所述的海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 其特征在于 ： 所述叶 片 （4） 轮缘外侧即叶轮室直径 D1处翼型弦长 l3与叶轮室直径 D1的比值为 0.129 0.135， 该翼型最大厚度 d3与翼型弦长 l3的比值为 0.102 0.108， 该翼型最大厚度点到前 缘的距离 xd3与翼型弦长 l3的比值为 0.353 0.359， 该翼型最大弯度 f3与翼型弦长 l3的比值为 0.060 0.066， 该翼型最大弯度点至前缘的距离 xf3与翼型弦长 l3的比 值为 0.4。
9、78 0.484， 翼型后部增加厚度 b3， 它与翼型弦长 l3的比值为 0.008 0.012。 权 利 要 求 书 CN 103573530 A 3 1/5 页 4 一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮 技术领域 ： 0001 本发明涉及一种水轮机叶轮， 具体的说是一种应用于海流能发电具有导流罩的水 轮机叶轮， 属于流体机械及水电工程设备技术领域。 背景技术 ： 0002 能源是经济增长和人类社会生存发展的重要物质基础， 而水力资源是到目前为止 人类找到的最好的清洁可再生绿色能源之一， 因此， 世界各国都把开发水电放在了能源开 发的优先位置。我国水能资源总量十分丰富， 不仅有中、 高水头资。
10、源， 而且有大量的低水头 资源， 约为 0.8 1.0 亿千瓦 （含潮汐能） ， 而开发程度仅为 20% 左右。 0003 近年来， 广袤的海洋资源逐渐走入人们的视野中， 越来越多的人开始关注并积极 开发潜力巨大的海洋能源， 在无限的海洋能源中， 海流能拥有丰富的蕴藏和相对成熟的应 用转化技术， 具有极大的发展潜力。海流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转， 然后再 变换成高速， 带动发电机发电， 不需要较高水头创造初始压力， 仅依靠水流流速就能实现发 电。 0004 传统的水轮机在利用高水头能量做功方面已取得较高的效率， 而在低微水头甚至 无水头情况下， 传统的水轮机却失去了原有的优势。特别是。
11、海流本身的流速小、 水头低， 海 水来流方向不稳定， 若采用一般的水轮机， 不仅机组本身结构复杂， 而且机组效率很低。 0005 此外， 水轮机叶轮作为海流发电机组最为关键的部件之一， 叶轮的性能直接影响 着整个机组的性能， 其成本也占到了整个发电机组的 20% 左右。传统的低微水头水轮机叶 轮叶片一般采用不对称扭曲贯流式叶片， 而海流能发电水轮机多借鉴风机叶片， 两者适用 条件及运行范围不同， 叶轮结构复杂， 制造成本较高， 且运行效率较低。 发明内容 ： 0006 发明目的 ： 本发明的目的则是克服了现有技术的不足， 设计一种结构简单， 尺寸 小， 加工方便， 经济成本低， 效率高， 能够。
12、用于海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 也可供 山区， 平原， 山泉以及塘坝溪水等微小水能条件下发电使用， 充分达到水能高效利用的目 的。 0007 为了解决上述技术问题， 本发明是通过以下技术方案实现的 ： 0008 一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 包括转轴和轮毂以及安装固定在轮毂 上的叶片， 所述转轴、 轮毂以及叶片均置于叶轮室内， 叶轮室两端分别为进水侧和出水侧， 水流从进水侧沿轴向流向出水侧。 0009 所述叶轮室直径为 D1， 其截面形状为圆形， 叶轮室长度 L1与叶轮直径 D1的比值为 0.132 0.142。 0010 所述转轴直径 D0与叶轮室直径 D1的比值为 0.1。
13、00 0.114， 水流的冲击作用使叶 片 （4） 旋转， 从而使转轴 （2） 以一定的转速 n 旋转带动发电机转子旋转发电。 0011 所述轮毂 （3） 为一球面突起， 轮毂比即轮毂 （3） 直径 Dh与叶轮室 （1） 直径 D1的比 说 明 书 CN 103573530 A 4 2/5 页 5 值为 0.214 0.220， 轮毂长度 L0与叶轮室直径 D1的比值为 0.089 0.097。 0012 所述叶片 （4） 呈一定扭曲状， 叶片数为 4 6 个， 靠近轮毂 （3） ， 直径为 0.3 倍叶轮 室直径D1的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.5540.560， 以0.6倍叶轮。
14、室 直径 D1为直径的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为 0.303 0.309， 叶轮室最 外缘圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为 0.209 0.215。 0013 所述叶片 （4） 靠近轮毂 （3） 处 0.3 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l1与叶轮室直径 D1的比值为 0.100 0.106， 该翼型最大厚度 d1与其弦长 l1的比值为 0.125 0.131， 该翼型最大厚度点到前缘的距离 xd1与翼型弦长 l1的比值为 0.348 0.354， 该翼型 最大弯度 f1与翼型弦长 l1的比值为 0.078 0.084， 该翼型最大弯度点至前缘的距离 xf1与翼型弦长 l1的比值。
15、为 0.443 0.449， 翼型后部增加厚度 b1， 它与翼型弦长 l1的 比值为 0.010 0.014。 0014 所述叶片 （4） 在 0.6 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l2与叶轮室直径 D1的比值为 0.112 0.118， 该翼型最大厚度 d2与翼型弦长 l2的比值为 0.114 0.120， 该翼型最 大厚度点到前缘的距离 xd2与翼型弦长 l2的比值为 0.345 0.351， 该翼型最大弯度 f2与翼型弦长 l2 的比值为 0.069 0.075， 该翼型最大弯度点至前缘的距离 xf2与翼 型弦长 l2的比值为 0.467 0.473， 翼型后部增加厚度 b2， 它与弦长。
16、 l2的比值为 0.009 0.015。 0015 所述叶片 （4） 轮缘外侧即叶轮室直径 D1处翼型弦长 l3与叶轮室直径 D1的比值为 0.129 0.135， 该翼型最大厚度 d3与翼型弦长 l3的比值为 0.102 0.108， 该翼型最 大厚度点到前缘的距离 xd3与翼型弦长 l3的比值为 0.353 0.359， 该翼型最大弯度 f3与翼型弦长 l3的比值为 0.060 0.066， 该翼型最大弯度点至前缘的距离 xf3与翼 型弦长 l3的比值为 0.478 0.484， 翼型后部增加厚度 b3， 它与翼型弦长 l3的比值 为 0.008 0.012。 说 明 书 CN 10357。
17、3530 A 5 3/5 页 6 0016 与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 0017 本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮采用 4 6 个扭曲叶片， 叶片 翼型简单， 由于叶片翼型从叶根到叶缘逐渐增大， 因此能够产生较大叶片扭矩， 从而提高叶 轮出力， 同时叶轮整体结构简单， 从加工制造到安装都十分方便。 0018 本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮针对海流能水流的特点， 水流 流速在 0.5m/s 以上就可以发电， 也可适用于 0.2m-1.5m 的微水头水流水能转化。 0019 经试验验证， 叶轮效率达到 85% 以上， 相对于传统的筑坝发电， 安装此设计叶轮的。
18、 海流发电水轮机能够较好的保护当地环境， 并且较好的降低了发电机组造价成本， 能够达 到水能高效利用的目的。 附图说明 ： 0020 下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。 0021 图 1 是本发明的叶轮整体结构示意图。 0022 图 2 是本发明的叶轮各部分尺寸示意图。 0023 图 3a 是本发明的叶轮叶片在 0.3D1（靠近轮毂附近） 处的翼型分布示意图。 0024 图 3b 是本发明的叶轮叶片在 0.3D1（靠近轮毂附近） 处的翼型形状示意图。 0025 图 4a 是本发明的叶轮叶片在 0.6D1处的翼型分布示意图。 0026 图 4b 是本发明的叶轮叶片在 0.6D1处的翼。
19、型形状示意图。 0027 图 5a 是本发明的叶轮叶片在 D1（即叶轮外缘） 处的翼型分布示意图。 0028 图 5b 是本发明的叶轮叶片在 D1（即叶轮外缘） 处的翼型形状示意图。 0029 图 6a 是本发明的叶片立体结构示意图。 0030 图 6b 是本发明的叶片的主视图。 0031 图 6c 是本发明的叶片的左视图。 0032 图 6d 是本发明的叶片的俯视图。 0033 图中 ： 1、 叶轮室， 2、 转轴， 3、 轮毂， 4、 叶片， 5、 叶轮进水侧， 6、 叶轮出水侧 ； D1、 叶轮 室直径， D0、 转轴直径， Dh、 轮毂直径 ； L0、 轮毂长度， L1、 叶轮室长度 。
20、； l、 叶轮叶片翼型弦长， t、 叶轮叶片栅距， d、 叶轮叶片处翼型最大厚度， xd、 叶轮叶片翼型最大厚度点到前缘距离， f、 叶轮叶片翼型最大弯度， xf、 叶轮叶片翼型最大弯度点到前缘距离， b 叶轮叶片翼型边侧厚 度。 （注 ： 下标 1 3 分别代表叶轮叶片在 0.3D1、 0.6D1及 D1处翼型参数） 具体实施方案 ： 0034 如图1所示， 本发明的一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮， 包括转轴2和轮 毂 3 以及安装固定在轮毂 3 上的数量为 4 6 个的叶片 4， 所述转轴 2、 轮毂 3 以及叶片 4 均置于叶轮室 1 内 ； 如图 2 所示， 叶轮室 1 两端分别。
21、为进水侧 5 和出水侧 6， 水流从进水侧 5 沿轴向流向出水侧 6。 0035 如图 1、 图 2 所示， 海流发电水轮机叶轮室直径为 D1， 其截面形状为圆形， 易于制造 固定安装， 叶轮室长度 L1与叶轮室直径 D1的比值为 0.132 0.142 ； 转轴直径 D0与叶轮室 直径 D1的比值为 0.100 0.114， 水流的的冲击作用使叶片 4 旋转， 从而使转轴 2 以一定的 转速n旋转带动发电机转子旋转发电 ； 轮毂3为一球面突起， 便于叶片4在其上的安装与固 说 明 书 CN 103573530 A 6 4/5 页 7 定， 从而提高叶片做功能力， 同时， 球面轮毂便于叶片角度。
22、的调整， 从而适应不同水轮机运 行工况要求。轮毂比即轮毂 3 直径 Dh与叶轮室直径 D1的比值为 0.214 0.220， 轮毂长度 L0与叶轮室直径 D1的比值约为 0.089 0.097。 0036 如图 1、 图 2、 图 3a、 图 4a、 图 5a、 图 6a、 图 6b、 图 6c、 图 6d 所示， 叶片 4 为从叶片根 部轮毂 3 处到叶轮外缘不等厚度、 不等弦长的翼型组成， 相较于传统海流发电水轮机叶轮， 叶片外缘翼型弦长较叶片根部翼型弦长较大， 这样能够在叶轮旋转时产生较大的叶片扭 矩， 从而提高机组出力， 叶片 4 呈一定扭曲状， 叶片数为 4 6 个。根据不同运行工况。
23、要求， 叶片 4 角度可作调整以满足叶轮高效运行。靠近轮毂 3， 直径为 0.3 倍叶轮室直径 D1的圆 柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.5540.560， 以0.6倍叶轮室直径D1为直径 的圆柱面所截圆柱面的轮缘侧叶栅稠密度为0.3030.309， 叶轮最外缘圆柱面所截圆 柱面的轮缘侧叶栅稠密度为 0.209 0.215。 0037 如图 1、 图 2、 图 3b 所示， 叶片 4 靠近轮毂 3 处 0.3 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l1 与叶轮室直径 D1的比值为 0.100 0.106， 该翼型最大厚度 d1与翼型弦长 l1的比值为 0.1250.131， 该翼型最大厚度点到前。
24、缘的距离xd1与翼型弦长l1的比值为0.348 0.354， 该翼型最大弯度 f1与翼型弦长 l1的比值为 0.078 0.084， 该翼型最大弯度点 至前缘的距离 xf1与翼型弦长 l1的比值为 0.443 0.449， 为了方便制造加工， 翼型后 部增加厚度 b1， 它与翼型弦长 l1的比值为 0.010 0.014。 0038 如图 1、 图 2、 图 4b 所示， 叶片 4 在 0.6 倍叶轮室直径 D1处翼型弦长 l2与叶轮室直 径 D1的比值为 0.112 0.118， 该翼型最大厚度 d2与翼型弦长 l2的比值为 0.114 0.120， 该翼型最大厚度点到前缘的距离 xd2与翼。
25、型弦长 l2的比值为 0.345 0.351， 该翼型最大弯度 f2与翼型弦长 l2的比值为 0.069 0.075， 该翼型最大弯度点至前缘 的距离 xf2与翼型弦长 l2的比值为 0.467 0.473， 为了方便制造加工， 翼型后部增加 厚度 b2， 它与翼型弦长 l2的比值为 0.009 0.015。 0039 如图 1、 图 2、 图 5b 所示， 叶片 4 轮缘外侧即叶轮室直径 D1处翼型弦长 l3与叶轮室 直径 D1的比值为 0.129 0.135， 该翼型最大厚度 d3与翼型弦长 l3的比值为 0.102 说 明 书 CN 103573530 A 7 5/5 页 8 0.108。
26、， 该翼型最大厚度点到前缘的距离 xd3与翼型弦长 l3的比值为 0.353 0.359， 该翼型最大弯度 f3与翼型弦长 l3的比值为 0.060 0.066， 该翼型最大弯度点至前缘 的距离 xf3与翼型弦长 l3的比值为 0.478 0.484， 为了方便制造加工， 翼型后部增加 厚度 b3， 它与翼型弦长 l3的比值为 0.008 0.012。 0040 以下是几个具体算例 ： 0041 例 1， 设叶轮室直径 D1为 1m， 叶片安放角为 40， 水流流速为 3m/s， 叶轮额定转速 为 157.6r/min， 机组实测流量 2.44m3/s， 轴功率 12.53kW， 叶轮效率 8。
27、7.29%， 符合设计要求。 0042 例 2， 设叶轮室直径 D1为 2m， 叶片安放角为 40， 水流流速为 3m/s， 叶轮额定转速 为 78.8r/min， 机组实测流量 9.74m3/s， 轴功率 50.53kW， 叶轮效率 88.21%， 符合设计要求。 0043 例 3， 设叶轮室直径 D1为 2m， 叶片安放角为 40， 水流流速为 2m/s， 叶轮额定转速 为 57.3r/min， 机组实测流量 6.53m3/s， 轴功率 14.86kW， 叶轮效率 87.46%， 符合设计要求。 0044 例 4， 设叶轮室直径 D1为 3m， 叶片安放角为 40， 水流流速为 3m/s，。
28、 叶轮额定转速 为 52.5r/min， 机组实测流量 21.89m3/s， 轴功率 114kW， 叶轮效率 88.63%， 符合设计要求。 0045 例 5， 设叶轮室直径 D1为 3m， 叶片安放角为 37， 水流流速为 3m/s， 叶轮额定转速 为 52.5r/min， 机组实测流量 20.04m3/s， 轴功率 113.24kW， 叶轮效率 88.98%， 符合设计要 求。 0046 本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指 出 ： 对于本技术领域的技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进 和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103573530 A 8 1/4 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103573530 A 9 2/4 页 10 图 3a 图 3b 图 4a 说 明 书 附 图 CN 103573530 A 10 3/4 页 11 图 4b 图 5a 图 5b 图 6a 图 6b 说 明 书 附 图 CN 103573530 A 11 4/4 页 12 图 6c 图 6d 说 明 书 附 图 CN 103573530 A 12 。