应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法与流程

1.本发明属于水轮机技术领域，具体涉及一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法。


背景技术：

2.潮流能是潮水在水平运动时所含有的动能，又称海流能；潮流能具有随机性和间歇性，使得水轮机获能变化幅度大且不稳定。
3.单一的变桨距调节沿桨叶的纵轴旋转整个叶片，改变桨叶位置，控制能量吸收。但增加了变桨距装置，控制复杂；且频繁而大量的调，增大变桨伺服机构的疲劳与叶片载荷，增加故障机率。
4.传统垂直轴水轮机自启动能力差等问题，直接影响了潮流能的装置的平稳运行与开发效率在流速低于启动流速时，潮流能水轮机不能正常启动；而当风速超过切出流速时，水轮机必须停机自保，这严重影响了潮流能的利用。
5.目前的水轮机叶片为一体结构，这样叶片转动时，既受水流的推力，也受到水流的阻力，从而导致水流的动能利用率不高，导致发电效果差，实用性不强，不能满足人们的使用需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法，解决现有技术中，水轮机叶片为一体结构，转向变桨技术需要对整个叶片进行调节，变桨复杂，导致水流的动能利用率不高，导致发电效果差技术问题。
7.本发明解决其技术问题所采用的方案是：
8.一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，包括轮毂和多个叶片，叶片包括主叶片和折叠叶片，多个主叶片绕轮毂的外周周向均匀分布；每个折叠叶片设置在主叶片远离轮毂的一端，每个主叶片和相应的折叠叶片通过转轴转动连接，每个主叶片上均设有驱动组件；每个驱动组件和相应的转轴传动连接，驱动组件能够带动转轴，使相应的折叠叶片转动。
9.通过设置驱动组件，驱动组件能够作用于转轴，使折叠叶片转动，所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。
10.进一步的是，主叶片和折叠叶片的长度之比为1：(0.5～1)，此比例优化叶片质量分布和降低叶片质量，并保证叶片承受极限风载时各个部位受力安全。
11.进一步的是，折叠叶片为弧形板，克服了垂直轴水轮机自启动性能差，荷载波动大的缺点，提高垂直轴水轮机发电的稳定性。
12.进一步的是，驱动组件为两个；驱动组件包括电机，电机固定安装在主叶片上，电机的输出轴上安装有主动齿轮，转轴上相应位置固定套设有和主动齿轮啮合的从动齿轮。
13.通过启动电机，使主动齿轮转动，带动从动齿轮和转轴，使折叠叶片旋转。
14.进一步的是，转轴上沿转轴的长度方向间隔设置有四个连接件，相邻两个连接件之间距离相同；其中两个连接件分别安装在转轴的两端；连接件包括连接块和u型底座，连接块的另一端与u型底座铰接，转轴和连接块通过轴承转动连接，转轴和u型底座固连。
15.通过使四个连接件等间距安装在转轴上，当水轮机转动时，可以使转轴各部分承受均匀的外力。
16.进一步的是，四个连接件依次记为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件，两个安装在转轴上的从动齿轮，其中一个位于第一连接件和第二连接件之间的中心位置，另一个位于第三连接件和第四连接件之间的中心位置。
17.进一步的是，还包括控制器和用于测量流速的多普勒流速传感器；u型底座上安装有用于监测转轴转动角度的角度传感器，以折叠叶片和主叶片相切时，转轴所对应的角度为0
°
，以折叠叶片展开时转轴的转动方向为正方向，以折叠叶片折叠时转轴的转动方向为反方向，转轴或折叠叶片的转动角度记为α。多普勒流速传感器、电机和角度传感器均与控制器电性连接。
18.基于上述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法，包括如下步骤：
19.步骤1：角度传感器采集折叠叶片的角度α、多普勒流速传感器采集的流速v，以及水轮机的转速的ω，实时传给控制器，控制器收到上述数据后，数据处理模块根据当前流速v和水轮机的转速的ω，计算出水轮机得当前功率p，并根据水轮机转速特性曲线，得出水轮机得最大功率p
max
，以及最大功率p
max
对应的叶尖速比；根据叶尖速比求出对应叠叶片旋转方向和旋转角度α0；
20.步骤2：控制器将采集折叠叶片的角度α与最大功率p
max
对应旋转角度α0进行比较，然后发出指令，通过电机的转动角度和转动方向，调整折叠叶片的角度α，进一步提高能量捕获效率cp。
21.进一步的是，所述水轮机叶尖速比计算公式为：
[0022][0023]
其中，v表示潮流速度，由多普勒流速传感器监测所得；r表示叶片的长度，ω为水轮机的转速，由水轮机自带测速装置测得。
[0024]
进一步的是，所述叶片的长度r按照如下方式计算：
[0025]
1)、当|α|《90
°
时，r＝l1+l2sinα；
[0026]
2)、当α≥90
°
时，r＝l1为主叶片两端的直线距离；
[0027]
其中，l1表示主叶片根部到与折叠叶片连接一端的直线距离；l2表示折叠叶片的长度。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
本发明通过将水轮机的叶片设计成两部分，包括通过转轴连接的主叶片和折叠叶片，并通过驱动组件作用于转轴，使折叠叶片转动。所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。
附图说明
[0030]
图1显示了本发明的整体结构示意图。
[0031]
图2显示了叶片的结构示意图。
[0032]
图3显示了图2的左视图。
[0033]
图4显示了图2的局部放大试图。
[0034]
图5显示了基于所述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法的流程图。
[0035]
图6显示了水轮机特性曲线。
[0036]
图7显示了水轮机特性功率、转速曲线。
[0037]
图中零部件、部件及编号：水轮机输出轴1、轮毂2、叶片3、主叶片4、折叠叶片5、驱动组件6、转轴7、主动齿轮8、从动齿轮9、u型底座10、连接块11、电机12。
具体实施方式
[0038]
下面给出发明的具体实施方法，并结合附图对本发明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的部分实施例，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。
[0039]
实施例一：
[0040]
如图1-4所示，一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，包括轮毂2、控制器和多个叶片3，每个叶片3包括主叶片4和折叠叶片5，多个主叶片4绕轮毂2的外周周向均匀分布；每个主叶片4远离轮毂2的一端均设有折叠叶片5，每个主叶片4和相应的折叠叶片5通过转轴7转动连接，每个主叶片4上均设有驱动组件6；每个驱动组件6和相应的转轴7传动连接，驱动组件6能够带动转轴7，使相应的折叠叶片5转动。
[0041]
主叶片4和折叠叶片5的长度之比为1：0.5。
[0042]
折叠叶片5为弧形叶片结构。
[0043]
驱动组件6为两个；驱动组件6包括电机12，电机12固定安装在主叶片4上，电机12的输出轴上安装有主动齿轮8，转轴7上相应位置安装有和主动齿轮8啮合的从动齿轮9。所述电机为伺服电机。
[0044]
转轴7上沿转轴的长度方向间隔设置有四个连接件，相邻两个连接件之间距离相同；其中两个连接件分别安装在转轴7的两端；连接件包括连接块11和u型底座10，连接块11的一端固定在主叶片4的端部，连接块11的另一端与u型底座10铰接，转轴7和连接块11通过轴承转动连接，转轴7和u型底座10固连。
[0045]
四个连接件依次记为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件，两个安装在转轴7上的从动齿轮9，其中一个位于第一连接件和第二连接件之间的中心位置，另一个位于第三连接件和第四连接件之间的中心位置。
[0046]
水轮机外壳安装有控制器和多普勒流速传感器；u型底座10上安装有用于监测转轴7转动角度的角度传感器，以折叠叶片5和主叶片4相切时，转轴7所对应的角度为0
°
，以折叠叶片5展开时转轴7的转动方向为正方向，以折叠叶片5折叠时转轴7的转动方向为反方向，转轴7或折叠叶片5的转动角度记为α；多普勒流速传感器、电机和角度传感器均与控制器电性连接。
[0047]
当叶片根据理论桨距角旋转至相应角度位置后，控制器使电机停止转动，自锁装置使主动齿轮停止驱动并固定于当前位置，从而从动齿轮无法发生转动，进而折叠叶片不进行折叠或展开，也不会随水流阻力摇摆。
[0048]
实施例二：
[0049]
如图5所示，基于上述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法，包括如下步骤：
[0050]
步骤1：角度传感器采集折叠叶片的角度α、多普勒流速传感器采集的流速v，以及水轮机的转速的ω，实时传给控制器，控制器收到上述数据后，数据处理模块根据当前流速v和水轮机的转速的ω，计算出水轮机得当前功率p，并根据水轮机特性曲线，得出水轮机得最大功率p
max
，以及最大功率p
max
对应的叶尖速比；根据叶尖速比求出对应叠叶片旋转方向和旋转角度α0；水轮机特性曲线为已知，功率p与流速v和水轮机的转速的ω之间存在对应关系，如图6所示，出叶尖速比λ，即可通过查询得出对应得能量捕获效率cp。
[0051]
步骤2：控制器将采集折叠叶片的角度α与最大功率p
max
对应旋转角度α0进行比较，然后发出指令，通过电机的转动角度和转动方向，调整折叠叶片的角度α，进一步提高能量捕获效率cp。
[0052]
潮流能水轮机的能量捕获效率cp的计算公式为p为潮流能水轮机的输出功率，a为潮流流过的截面面积，v为潮流速度。
[0053]
无论是前旋转还是后旋转折叠叶片，当折叠叶片绕折叠叶片旋转轴线进行旋转运动时，都将使得折叠叶片的一侧出现翘边现象。翘边现象将显著改变折叠叶片的水动力特性，α角的绝对值越大，对其改变就越大。通过前旋转或后旋转产生不同方向的力矩，可以起到变桨效果，从而控制整个发电机组的功率。
[0054]
所述水轮机叶尖速比计算公式为：
[0055][0056]
其中，v表示潮流速度，由多普勒流速传感器监测所得；r表示叶片的长度，ω为水轮机的转速，由水轮机自带测速装置测得。
[0057]
所述叶片的长度r按照如下方式计算：
[0058]
1)、当|α|《90
°
时，r＝l1+l2sinα；
[0059]
2)、当α≥90
°
时，r＝l1为主叶片两端的直线距离；
[0060]
其中，l1表示主叶片根部到与折叠叶片连接一端的直线距离；l2表示折叠叶片的长度。
[0061]
本实施例中，如图7所示，所使用的水轮机转速区间为75-200rpm，当ω＜75rmp，即在水轮机机启动阶段，需要较大的启动旋转力矩，通过驱动电机驱动转动齿轮，使得折叠叶片在转动齿轮的作用下，旋转至α角为0度的位置，此时叶片长度最大，获得最大力矩，在较低流速情况下启动。在75rmp≤ω≤200rmp的工作获能阶段，潮流流速测量和叶轮转速测量装置测量潮流流速、采集水轮机转速信号，传输至控制器，计算当前环境流速最大功率点对应的叶尖速比，得出折叠叶片旋转方向和旋转角度。实时监测调节，将机组运行在最大功率曲线获取能量。当或在遇到潮流过大过猛，超出额定功率，需要进行水轮机的制动时，在驱
动电机驱动作用下转动齿轮将折叠叶片绕主轴折叠至主叶片较近一面。完全折叠后的整体叶片长度缩短，潮流载荷减少，叶片进入保护状态，保障了安全性。
[0062]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；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。

技术特征：
1.一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，包括轮毂(2)和多个叶片(3)，叶片(3)包括主叶片(4)折叠叶片(5)，多个主叶片(4)绕轮毂(2)的外周周向均匀分布；每个折叠叶片(5)设置在主叶片(4)远离轮毂(2)的一端，，每个主叶片(4)和相应的折叠叶片(5)通过转轴(7)转动连接，每个主叶上均设有驱动组件(6)；每个驱动组件(6)和相应的转轴(7)传动连接，驱动组件(6)能够带动转轴(7)，使相应的折叠叶片(5)转动。2.根据权利要求1所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，所述主叶片(4)和折叠叶片(5)的长度之比为1：(0.5～1)。3.根据权利要求2所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，折叠叶片(5)为板状结构。4.根据权利要求3所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，所述驱动组件(6)为两个；驱动组件(6)包括电机(12)，电机(12)固定安装在主叶片(4)上，电机(12)的输出轴上安装有主动齿轮(8)，转轴(7)上相应位置固定套设有和主动齿轮(8)啮合的从动齿轮(9)。5.根据权利要求4所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，转轴(7)上沿其长度方向间隔设置有四个连接件，相邻两个连接件之间距离相同；其中两个连接件分别安装在转轴(7)的两端；连接件包括连接块(11)和u型底座(10)，连接块(11)的一端固定在主叶片(4)的端部，连接块(11)的另一端与u型底座(10)铰接，转轴(7)和连接块(11)通过轴承转动连接，转轴(7)和u型底座(10)固连。6.根据权利要求5所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，四个连接件依次记为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件；两个安装在转轴(7)上的从动齿轮(9)，其中一个位于第一连接件和第二连接件之间的中心位置，另一个位于第三连接件和第四连接件之间的中心位置。7.根据权利要求6所述的一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置，其特征在于，还包括控制器和用于测量流速的多普勒流速传感器；u型底座(10)上安装有用于监测转轴(7)转动角度的角度传感器，以折叠叶片(5)和主叶片(4)相切时，转轴(7)所对应的角度为0
°
，以折叠叶片(5)展开时转轴(7)的转动方向为正方向，以折叠叶片(5)折叠时转轴(7)的转动方向为反方向，转轴(7)或折叠叶片(5)的转动角度记为α；多普勒流速传感器、电机和角度传感器均与控制器电性连接。8.基于权利要求1-7中任一项所述应用于垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：角度传感器采集折叠叶片的角度α、多普勒流速传感器采集的流速v，以及水轮机的转速的ω，实时传给控制器，控制器收到上述数据后，数据处理模块根据当前流速v和水轮机的转速的ω，计算出水轮机得当前功率p，并根据水轮机转速特性曲线，得出水轮机得最大功率p
max
，以及最大功率p
max
对应的叶尖速比；根据叶尖速比求出对应叠叶片旋转方向和旋转角度α0；
步骤2：控制器将采集折叠叶片的角度α与最大功率p
max
对应旋转角度α0进行比较，然后发出指令，通过电机的转动角度和转动方向，调整折叠叶片的角度α，进一步提高能量捕获效率cp。9.根据权利要求8所述的垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，所述水轮机叶尖速比计算公式为：其中，v表示潮流速度，由多普勒流速传感器监测所得；r表示叶片的长度，ω为水轮机的转速，由水轮机自带测速装置测得。10.根据权利要求9所述的垂直轴潮流能水轮机的控制方法，其特征在于，所述叶片的长度r按照如下方式计算：1)、当|α|<90
°
时，r＝l1+l2sinα；2)、当α≥90
°
时，r＝l1为主叶片两端的直线距离；其中，l1表示主叶片根部到与折叠叶片连接一端的直线距离；l2表示折叠叶片的长度。

技术总结
本发明公开了一种应用于垂直轴潮流能水轮机的可折叠式叶片装置及控制方法，该装置包括轮毂和多个叶片，叶片包括主叶片和折叠叶片，多个主叶片绕轮毂的外周周向均匀分布；每个主叶片远离轮毂的一端均设有折叠叶片，每个主叶片和相应的折叠叶片通过转轴转动连接，每个主叶片上均设有驱动组件；每个驱动组件和相应的转轴传动连接，驱动组件能够作用于转轴，使折叠叶片折叠。所以本发明只需要控制驱动组件，使折叠叶片折叠、伸展或完全展开，就能适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率，所以不需要通过复杂变桨来提高获能效率。伸展或完全展开，适应涨潮和退潮时潮流方向的变化，提高获能效率。提高获能效率。提高获能效率。


技术研发人员：臧伟 周元斌 蒋涛 刘斌 张玉全 凌皓炜 潘卫锋 吉庆伟 周韩宝 赵文军 胡兆全 王艺蓉 赵习羽 孔千慧 顾晨
受保护的技术使用者：江苏省骆运水利工程管理处 宿迁市淮西水利工程管理处
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/5/26