基本信息
- 项目名称：
- 竖轴变桨距潮流发电水轮机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在分析和比较现有叶片调距机构的基础上，设计了一种新型的竖轴变浆距潮流能发电水轮机，它是以双转块机构作为该偏心盘式调距机构的基本原理方案，实现了叶片方向角的周期性变化，从而实现叶片浆距调整，根据基本原理方案对该水轮机进行了工作原理、自由度等分析，并给出了设计装配图。该新型水轮机为潮流能发电提供一种有益且行之有效的水轮机结构方式，可以连续平稳工作、简单实用，成本低廉。
- 详细介绍：
- 为了进行竖直轴潮流发电水轮机的水动力性能模型试验研究，需要重点研究水轮机的叶片变桨距机构。目前，比较先进的竖轴水轮机大多可实现变攻角，但其叶片控制点的偏心率及偏心方向却无法改变，以至于其只能在特定流速、来流方向、负载的情况下达到最高的能量捕获效率，一旦流速、来流方向或负载改变，能量捕获效率就会大大降低。 在分析和比较现有叶片调距机构的基础上，设计了一种新型的竖轴变桨距潮流能发电水轮机，它是以双转块机构作为该偏心盘式调距机构的基本原理方案，使其可以根据水流速度、方向、负载大小适时地改变偏心方向以及偏心率的大小，使水轮机始终保持最大的能量捕获效率，而且本水轮机还具有启动方便，对水深要求不高，控制机构简单等特点。根据基本原理方案对该水轮机进行了工作原理分析，给出了设计装配图，并进行了模型样机的加工。水槽试验验证了该方案设计的合理性，试验结果表明模型样机达到了预期的目的。该新型水轮机为潮流能发电提供一种有益且行之有效的水轮机结构方式，可以连续平稳工作、简单实用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计制作目的： 为解决目前能源紧缺问题，设计一种高效率的潮流能捕获装置——竖轴变桨距潮流发电水轮机，可以连续平稳工作、简单实用，成本低廉。 基本思路： 在对国内外各类水轮机结构、设计与制造技术进行系统分析基础上，经过对双曲柄机构、双转块机构等典型机构的分析与综合，设计一套全新的偏心盘式水轮机调距机构(图1)，以及叶片控制点（图2中N 点）偏心率及偏心方向的调整机构。然后利用PRO/E软件对两种机构进行建模、分析，并设计水轮机整体模型，最终完成水轮机原理样机机械结构方面以及电气控制方面的制作并进行相关试验。 创新之处： （1）基于双转块机构原理的叶片控制点偏心调整机构的设计使水轮机叶片控制点偏心率及偏心方向可调。 （2）新型偏心盘式调距机构的设计。 技术关键： （1）水轮机调距机构的设计； （2）水轮机叶片控制点的偏心调整机构设计； （3）以上两方面机构的整合以及水轮机整体的综合设计； （4）水轮机的控制系统以及电能转换、存储装置的设计。 主要技术指标： （1） 水轮机模型在1.5m/s的水流速度下可以安全平稳运行。 （2） 水轮机的最高能量捕获效率达30%以上。 （3） 水轮机的最大发电功率达到90W。 由于试验条件有限，目前我们只做了流速在0.65m/s情况下，不同负载对应每一种偏心率下的发电情况。由试验看出，不同负载时最大发电功率对应的偏心率是不同的。试验时最高发电功率为5.7W，能量捕获效率达33.8%且试验过程中水轮机运行平稳。
科学性、先进性
- 通过查阅资料可知，竖轴潮流发电水轮机是目前广泛实验和研究的潮流能转换装置。 与横轴水轮机相比较： 竖轴水轮机具有对水深和流速的要求不高，不受来流方向变化的影响，不需要额外的偏航对流机构，结构简单，工作可靠，可实现自启动，能量利用率高等优点。 与现有竖轴水轮机相比较： 目前，比较先进的竖轴水轮机大多可实现变攻角但其叶片控制点的偏心率及偏心方向却无法改变、叶片摆角范围无法改变，以至于其只能在特定流速、特定来流方向、特定负载的情况下达到最高的能量捕获效率，一旦流速或来流方向改变，能量捕获效率就会大大下降。由于本水轮机设计了叶片控制点的偏心调整机构，所以其可以在任意流速、来流方向以及负载下达到最大的能量捕获效率。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年12月 哈尔滨**大学首届新能源应用设计大赛 一等奖 2011年05月 哈尔滨**大学“庆懋杯”科技作品创新设计大赛 特等奖 2011年05月 哈尔滨**大学第十七届“五四杯”科技创新设计大赛 一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品是一种可实现叶片控制点偏心可调的竖轴变桨距水轮机，可根据水流速度和来流方向以及负载情况自动或者手动调节偏心率和偏心方向，使水轮机达到最大的能量捕获效率。本作品还有起动力矩小、适用范围大、简单实用，成本低廉等优点，是适合我国经济发展水平和社会需求的结构紧凑、小巧轻便、功能适合的潮流能发电水轮机，特别适合近海、边远海岛、江河等电力供应不足或输电不便的地区应用，具有很大的市场潜力和推广前景。
同类课题研究水平概述
- 在国内，上世纪80年代，哈尔滨**大学率先开始了竖轴潮流发电水轮机的研究工作。经过20多年的积淀，在国家863计划支持下，该校研发团队在浙江建造了我国第一台“万向Ⅰ”70千瓦漂浮式潮流实验电站和“万向Ⅱ”40千瓦座海底式潮流电站（如图6所示），并成功通过了海洋试验。 在国外，熟知的竖轴Darrieus水轮机的叶片桨距是固定的,它在低叶片密实度高速运行时性能优良,但难以自启动。意大利Ponte di Archimede S.p.A（PDA）公司设计的Kobold水轮机如图7所示，实验测得该种水轮机能量捕获系数在0.23左右，2005年在墨西哥建成的漂浮式电站，水轮机直径6m，高5m，电站发电接入当地电网，这是世界上第一个接入电网的竖轴潮流能水轮机。从国内外研究情况可以看出，目前无论是科研院所还是各高校都十分重视水轮机的开发与研制，而目前水轮机研究的关键所在就是如何提高其能量捕获效率。
