水平轴多翼型潮流能发电系统设计
新型水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统设计及应用
得系统能够在高功率因数和高效率下运行 ； 二是其 额 定转 速 可 调 范 围较 大 ， 转 速 可 以较 低 ， 与 风 力 机 直接耦合连接 ， 取消了齿轮箱 ， 从 而提高 了风力发
电机组 的 效率 和可 靠性 。但 是 ， 传 统 的永 磁发 电机 应用 于潮 流能发 电系统需要 解决 其动 密封 问题 。此
能 资 源蕴 藏量 的统计 ， 我 国可利 用 的潮 流能 理论 平 均 功率 约 １ ４ Ｇ Ｗ［ ２ １ 。 潮 流能 的利用 方式 与风能类 似 ，
但流速较低 ， 且流速和流向更平稳 ， 其 主要利用形 式为发电。有效利用潮流能发电 ， 可 以为沿海及 岛 屿、 海洋监测仪器 、 水下声呐等提供电能。潮流能发 电技术 的推 广和 应用 将对 缓解 我 国能源 短缺 、 改善 能源结构 、 降低环境污染 、 开发海岛经济及增强海 洋国防实力具有重要意义。 由 于我 国沿 海 潮 流 能 持续 时 间最 长 的 流速 在 ０ ． ５ ～ ２ ｍ ／ ｓ 之间， 其能量密度远小于当今世界潮流能 开发较早 的英美等 国潮流能资源 ， 因此适应我 国现
关键词 ： 水平轴潮流能发 电系统 ； 双向潮流适应性 ： 功率变换 ： 建模仿真
中图分类 号 ： Ｐ ７ ４ ３
文献标 志码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ３ — ２ ０ ２ ９ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ５ — ０ ０ ７ ４ — ０ ６
潮流能作为一种海洋可再生能源 ，具有稳定 、 规律 、 不受天气影响 、 易于获取且储量 巨大等优点 。
作者 简介 ： 董永军 （ １ ９ ８ ４ 一 ） ， 男， 博士 ， 讲师 ， 主要研究方 向为海洋可再生能源开发利用。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｄ ｏ ｎ ｇ ｙ ｊ ５ ９ １ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
【CN209261721U】一种水平轴潮流能发电装置叶轮【专利】
5 .根据权利要求1所述的一种水平轴潮流能发电装置叶轮，其特征在于：所述叶尖小翼 (14)与一号碳纤维叶尖小翼变翼轴(2)组成转动结构，所述一号碳纤维叶尖小翼变翼轴(2) 的两端皆焊接于过度翼(3)的内侧。
2 .根据权利要求1所述的一种水平轴潮流能发电装置叶轮，其特征在于：所述叶片主翼 (5)的数量为三组，所述叶片主翼(5)围绕轮毂(7)呈环形等距排布。
3 .根据权利要求1所述的一种水平轴潮流能发电装置叶轮，其特征在于：所述变桨轴 (9)的外表面设有设有变桨轴承(10) ，所述变桨轴(9)与变桨轴承(10)组成转动结构，所述 叶片主翼(5)与变桨轴(9)组成转动结构。
(普通合伙) 11572 代理人 段宇 (51)Int .Cl . F03B 3/14(2006 .01)
(10)授权公告号 CN 209261721 U (45)授权公告日 2019.08.16
( 54 )实用新型名称 一种水平轴潮流能发电装置叶轮
( 57 )摘要 本实 用新型公 开了一 种水 平 轴 潮流能 发电
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )实 用新型专利
(21)申请号 201920041088 .X (22)申请日 2019 .01 .10 (73)专利权人 长春工程学院
地址 吉林省长春市宽平大路395号 (72)发明人 张萧 罗中海 王晓丹 付大伟 (74)专利代理机构 北京卓特专利代理事务所
装置叶轮，包括叶轮主体，所述叶轮主体由轮毂、 导流罩与叶片主翼组成，且导流罩设置于轮毂的 前端外表面 ，所述轮毂的 外表面设有叶 片主翼 ， 所述叶片主翼的顶端设有过度翼，所述过度翼的 内侧惯出设置有二号碳纤维叶尖小翼变翼轴，所 述过度翼的顶端设有叶尖小翼，所述叶尖小翼的 内侧贯穿设置有一号碳纤维叶尖小翼变翼轴，所 述叶片主翼的内侧设有叶素压力中心与变桨轴， 且变桨轴设置于叶素前缘与叶素压力中心之间 的弦线上 ，所述叶 片主翼的 后侧设有叶 根襟翼 ， 所述叶根襟翼的内侧贯穿设置有碳纤维襟翼变 翼轴。本实用新型的有益效果为提高能量的捕获 效率，提高长期运行的可靠性，缩减发电成本。
风力发电水平轴叶片设计及动态过程仿真研究
风力发电水平轴叶片设计及动态过程仿真研究在当今减少化石燃料使用的形势下，风力发电作为一种可再生能源得到越来越广泛的利用。
作为风力发电机的核心部件之一，水平轴叶片的设计和优化对于风力发电机的效率和可靠性至关重要。
本文将从水平轴叶片的设计和动态过程仿真两个方面进行探讨。
一、水平轴叶片的设计1、基本构造对于水平轴风力发电机来说，叶片是最为关键的部分。
它直接承受风力的作用，将其转化为机械能，从而驱动发电机发电。
一般来说，水平轴叶片由根部、稳定段、弯曲段和空气动力学剖面组成。
其中，稳定段用于稳定叶片，弯曲段用于转向风力，而空气动力学剖面则决定了叶片的气动性能（如气动力和噪音）。
2、设计要点水平轴叶片的设计主要包括两个方面：第一是如何降低风力损失，提高转速和输出功率；第二是如何保证叶片的可靠性和长期稳定性。
为达到这一目的，需要考虑以下几个要点：（1）形状：叶片的形状对气动力性能影响很大。
目前国际上广泛采用的是“洛克曼涡轮鼻形叶片”，其特点是中央部分比两端略宽，使得空气更容易通过，从而减小阻力，提高效率。
（2）材料：叶片材料应具备高强度、低密度、抗疲劳和抗腐蚀等特性，一般采用玻璃钢或碳纤维增强树脂复合材料。
（3）重量：重量是影响叶片转速和输出功率的因素之一。
一般来说，重量越轻，转速就越高、输出功率就越大。
但是过轻的叶片可能导致振动和损耗加剧，因此需要在轻量化和强度之间找到平衡点。
（4）噪音：噪音是一项重要的考虑因素。
为了减少音量，需要采用优化的叶片形状和节距，并尽可能使叶片转速低于音速。
（5）制造工艺：叶片的制造工艺对于成本和质量至关重要。
传统的手工制造已经逐渐被自动化和数字化制造所代替，使得叶片的生产效率和精度得到了大幅提高。
二、动态过程仿真研究水平轴叶片作为动力机械的核心部件之一，在运行过程中其受力和受力状态会不断发生变化。
为了进一步了解叶片在实际使用中的性能表现和损伤情况，需要通过动态过程仿真研究来模拟叶片的运动过程和受力变化。
水平轴风力发电机设计
目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)1 绪论 (1)1.1风能资源的概述 (1)1.2风能资源的利用 (1)1.3风能资源利用的原理 (1)1.4风力发电的输出 (3)1.5风力发电机的种类 (3)1.5.1水平轴风力发电机 (3)1.5.2垂直轴风力发电机 (4)2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理 (5)2.1水平轴风力发电机的结构简介 (5)2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知 (6)2.2.1风轮叶片介绍 (6)2.2.2发电机 (6)2.2.3调速机构 (8)2.2.4调向机构 (9)2.2.5手刹车机构 (9)2.2.6塔架 (10)3 小型风力发电机叶轮和发电机装置的选择确定 (11)3.1设计风速的确定 (11)3.2风轮外形的计算 (12)3.2.1风能利用系数Cp (12)3.2.2风轮的扫掠面积确定 (12)3.2.3风轮直径的确定 (13)3.2.4回转体水平轴向力的计算 (14)3.2.5发电机的选择确定 (14)4 水平轴风力发电机回转体的设计与计算 (16)4.1回转体结构设定 (16)4.2轴承的计算与选用 (16)4.2.1轴承的功能与作用 (16)4.2.2轴承的查表选用 (16)5 塔架 (22)5.1塔架高度的确定 (22)5.2塔架材料的确定 (22)5.3整体建模效果图 (23)总结 (24)参考文献 (25)致谢 (26)摘要风能是清洁绿色的动力，风力能源目前相对于我国来说还是相当充裕的。
风力发电就是获取风能最主要的一种方法。
风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。
现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。
该课题是设计一台小型水平轴风力发电机，它的基本组成部件主要有以下五种①叶片②发电机③回转体④塔架⑤控制系统等。
潮流能发电技术[优质ppt]
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透平类的与风力发电的区别
① 由于海水的密度大约是空气的800倍左右，对于相同功率等级的 机组，潮流能系统的叶轮直径仅为风力机组的1/2左右，所以其 功率体积比大。
② 相对于风的瞬息万变，潮流能的稳定性及高可预测性对于潮流 能系统的控制及操作来说是比较有利。
③ 由于流体介质的区别，潮流能系统的透平装置受到的载荷更大， 但其只需正反180度两个方向运行，从而可省略偏航装置。
开发环境严酷，一次性投资大，但不污 染环境，不占用良田，可综合利用。
潮流能的定义
潮流是与潮汐相伴而产生的周期性海水水平流动， 在月亮和太阳引潮力作用下，海水做周期性的运动，它 包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动， 后者即被称为潮流。
潮流运动时所产生的动能即为潮流能。
潮流能的特点
1. 较强的规律性和可预测性； 2. 功率密度大，能量稳定，易于电网的发
1. 总体性能更好，能量捕获率高，自启动性能 好，转速也相对高，更利于直驱传动。
2. 更利于开展各种控制方法，如变速，失速， 变桨控制等。
3. 相关的知识库丰富，可利用的现有技术相对 较少，如风力机和船舶螺旋桨领域的技术。
潮流能透平的能量捕获原理
1 制动盘概念及动量定理 2.旋转尾流效应及角动量定理 3.叶素理论 4.叶素动量理论
④ 潮流能系统更方便使用聚流装置来增加流体速度，另外旋转部 分在水下，所以噪声小，没有视觉上的影响。
⑤ 恶劣的海洋工作环境使潮流能系统必须要考虑结构腐蚀，密封， 叶片损坏，系统维护，大的轴向受力及气蚀等问题
垂直轴式系统
在透平类潮流系统中，水平轴式和垂直轴式系统各具 特点。垂直轴系统其透平轴先分别垂直于潮流方向及水 平面，该类系统开发的较早，其技术优点有：（1）透平 总体设计更简单，成本低，叶片加工制作容易；（2）其 透片可适应各方向的来流，而发电机更方便放置在水面 以上，因此可简化对流问题，及降低水下密封部分的成 分。（3）因为叶尖损失相对小，所以噪声更小。（4） 安装支撑方式更适合采用漂浮式的结构，同时更便于采 用聚流装置来增大流速。（5）更适合于在垂直方向上流 速不均匀的浅水海洋环境，尤其是旋转形叶片的透平。 相应的垂直轴系统也有一些明显的缺点：比如通常透平 的启动转矩比较低，启动特性差，运行时有较大的转矩 脉动，能量转换效率较低。
水平轴风力机翼型的多学科优化设计_概述说明
水平轴风力机翼型的多学科优化设计概述说明1. 引言1.1 概述随着对可再生能源的需求日益增长，风力发电成为一种重要的清洁能源形式。
水平轴风力机作为最常见的风力发电装置之一，在其设计和优化中翼型起着关键作用。
本文将针对水平轴风力机翼型的多学科优化设计进行概述和说明。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先是引言部分，概述了文章的背景和目标，并介绍了文章的结构。
其次是正文一，介绍了风力机基本原理、翼型选择与设计要点以及多学科优化方法的相关概念。
然后是正文二，探讨了翼型气动性能分析与评估、结构强度分析与优化考虑因素以及考虑经济效益的多学科优化方法。
接下来是正文三，通过实例研究介绍了水平轴风力机翼型优化设计案例，并讨论了飞行器动态特性分析与控制策略考虑因素以及水平轴风力机可行性评估与成本效益分析方法。
最后是结论与展望部分，对整个研究进行总结，并提出了研究的局限性和进一步的研究展望。
1.3 目的本文的目的在于概述水平轴风力机翼型的多学科优化设计方法。
通过对风力机基本原理、翼型选择与设计要点以及多学科优化方法进行分析和讨论，探索提高风力机效率和经济性的可行途径。
同时，通过实例研究案例和相关考虑因素的介绍，为工程师们在实际设计中提供有益的指导和参考。
最后，通过对现有研究进行总结并展望未来发展方向，鼓励更多研究者进一步深入该领域，推动水平轴风力机技术的创新与改进。
2. 正文一：2.1 风力机基本原理风力机是利用风的动能通过翼型产生的气动力驱动发电机产生电能的装置。
其基本原理是：当空气经过翼型时，会在上下表面形成不同的压强分布，从而形成升力和阻力。
其中，升力可转化为扭矩，驱动发电机旋转；而阻力则会降低风能的转化效率。
2.2 翼型选择与设计要点翼型选择是水平轴风力机设计中的关键环节。
主要考虑以下几个方面：- 气动性能：包括升力系数、阻力系数、最大升阻比等指标，优化设计应使得这些指标达到最佳状态。
- 队列失速特性：在多个翼片构成的风力机中，为了避免部分翼片失速对整体性能造成损害，需考虑队列失速特性。
水平轴风力发电机的优化设计与制造
水平轴风力发电机的优化设计与制造随着全球能源问题的愈发突出，人们对新能源的需求也变得越来越迫切。
而风力发电作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。
而水平轴风力发电机作为其中一种常见的风力发电设备，具有使用灵活、安装方便的优点，正在逐步的被广泛应用和发展。
因此，如何对水平轴风力发电机进行优化设计和制造，以提高其发电效率成为了当前风力发电产业的研究方向之一。
一、水平轴风力发电机的结构组成水平轴风力发电机主要由叶轮机构、转子、电机、控制器等组成。
其中，叶轮机构是风力发电机的核心部分，一般采用3片或更多片的叶片，用于捕捉风能。
而转子则是叶轮机构带动的发电机内部核心，通过风能输入，传递到发电机中产生电力。
而电机则是将机械能转化为电能，供电或存储使用。
控制器则用于监控和控制发电机的工作状态，确保风力发电机的安全运行与高效利用。
二、水平轴风力发电机的优化设计在设计水平轴风力发电机的过程中，需要考虑到风场的环境、叶轮机构的结构、叶片的形状、转子和发电机等各种因素。
在此基础上，可以从以下几个方面对水平轴风力发电机进行优化设计。
1. 叶轮机构的设计优化在叶轮机构的设计优化方面，主要考虑叶片的几何结构、叶片数量、叶片材料和制造工艺等方面。
其中，叶片的几何结构对水平轴风力发电机的功率特性和效率有较大影响，因此需要进行合理的几何结构优化。
同时，叶片数量的选择也需要理性考虑，有些情况下增加叶片数量不一定能够增加风能捕捉，反而会降低效率。
2. 转子和发电机的设计优化在转子和发电机的设计优化方面，主要考虑转子加工工艺、发电机的输出电压、电流和功率等方面。
其中，转子加工工艺的优化可以将转子的损耗降到最低，提升风力发电机的效率。
而发电机输出的电压、电流和功率需要与实际的电网要求相对应，确保风力发电机能够顺利的与电网相连，输出稳定的电能。
3. 优化控制系统在风力发电机的控制系统中，主要考虑转速控制、负载控制等方面。
其中，转速控制是保证风力发电机运转在安全范围内、以最优化状态发电的关键。
潮流能发电及潮流能发电装置
潮流能发电及潮流能发电装置戴庆忠摘要 潮流能发电是利用潮汐动能的一种发电方式。
由于潮流能发电不需要筑坝 拦水，具有对环境影响小等许多优点。
因此，近年来潮流能发电引起许多国家 重视，潮流能发电技术发展很快。
本文从分析潮流能的特点入手，介绍了国内外潮 流能发电的近况，重点介绍目前出现的各种潮流能发电装置，包括水平轴潮流能水轮 机、竖井潮流能水轮机、振荡水翼式潮流能装置等。
关键词 潮汐 潮流能 潮流能水轮机 潮流能发电1 前言1.1 潮流能的特点潮流主要是指伴随潮汐现象而产生的有规律的海水流，潮流每天两次改变其大小和方向。
而潮流能发电则是直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电。
众所周知，潮汐是海水在月球、太阳等引力作用下形成的周期性海水涨落现象。
潮汐现象伴随两种运动形态：一是涨潮和落潮引起的海水垂直升降，即通常所指的潮汐；二是海水的水平运动，即潮流。
前者(海水垂直升降)所携带的能量(潮汐能)为势能；而后者所携带的能量(潮流能)为动能。
可以说，两者是与潮汐涨落相伴共生的孪生兄弟。
对前者，可以采用类似河川水力发电的方式，筑坝蓄水发电；而对本文所介绍的潮流能，可以采用类似于海流发电方式，利用潮流的动能发电。
与常规能源比较，潮流能有以下特点：(1) 潮流能是一种可再生的清洁能源。
(2) 潮流能的能量密度较低(但远大于风能和太阳能)，但总储量较大。
(3) 与海流能不同，潮流能是一种随时间、空间而变化的能源，但其变化有规律可循， 并可提前预测预报。
(4) 潮流能发电不拦海建坝，且发电机组通常浸没在海中，对海洋生物影响较小，也不 会对环境产生三废污染，不存在常规水电建设中头疼的占用农田、移民安置等诸多问题。
(5) 与陆地电力建设相比，潮流能开发环境恶劣，一次性投资大，设备费用高，安装维 护和电力输送等都存在一系列关键技术问题。
1.2 潮流能水轮机输出功率的计算潮流能机组输出功率的计算公式为： P=ηρ23AV式中 P ——功率，Wρ——海水密度，1025kg/m 3A ——潮流水轮机转子扫掠面积，m 2V ——潮流速度，m/sη——效率从上述可以看出，潮流能机组的输出功率很大程度决定于潮流速度。
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创新与实践ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４，２０１９水平轴多翼型潮流能发电系统设计
古淳月
（西北工业大学电子信息学院，陕西西安７１０１２９）
摘 要：水平轴多翼型潮流能发电系统是利用自然潮汐能发电的装置，该装置最大的的特点在于潮汐扇的设计，运用叶素动量理论、涡流理论和Ｗｉｌｓｏｎ理论等理论，优化出损耗小、利用高的叶扇。
此外，独特的潮流感知系统，当潮流方向有所变化时，迅速调节潮汐扇的方向，将潮流能最大化利用。
关键词：潮流发电机叶片结构；潮流感知；节能环保
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１９．０４．０１９
引言
随着社会经济的发展和科技的进步，能源的可持续发展与环境保护已成为亟待解决的问题。
化石能源与人类社会发展中的能源需求之间的矛盾迫使我们加强对可再生资源的有效开发和利用。
除了现有的太阳能、风能等可再生能源，潮汐能的分布广泛、预见性强、储藏量和可利用性十分可观，使得潮汐能在应用上更加便利，具有可观的开发价值。
潮汐扇设计
涡轮叶片通常由多个不同的翼型叠加，并且叶片性能与翼型的流体动力学特性密切相关。
采用不同翼型设计叶片的几何参数是叶片设计的主要内容。
研究发现，叶片不同部位的叶素执行的功能略有差别。
叶片根部承受较大的作用力。
因此，需选择厚度较大且扭矩系数较大的翼型；叶片中部是水轮机获能的关键，应选择升阻比较大的翼型；而叶尖部位应选取厚度较小，升阻比较大的翼型。
叶片设计方法的基本理论有叶素动量理论、涡流理论和Ｗｉｌｓｏｎ理论。
我们选用Ｗｉｌｓｏｎ设计方法，研究了叶尖、轮毂损失和升阻比对叶片性能的影响，基本设计步骤如下：
１）叶片在径向上分成ｎ个相等的部分，每一部分为１个叶素。
２）求解ａ、ｂ、Ｆ。
考虑叶尖和轮毂损失时，由
ｄＣ
ｐ
ｄλ
＝
８
λ３０
（１－ａ）ｂＦλ３可以确定每个叶素位置获能系数，要使水轮机的获能系数最大，就要求
ｄＣ
ｐ
ｄλ
最大。
因此要使用优化方法，使
ｄＣ
ｐ
ｄλ
最大，
本文以ｂ（１＋ｂ）λ２＝ａ（１－ａＦ）为约束条件，利用ＭＡＴＬＡＢ优化求解ａ、ｂ、Ｆ。
３）求解叶素的入流角Φ，并在运行条件下查询翼型的最佳迎角α，由β＝Φ－α求得扭角β，求得弦长ｃ。
４）叶片弦长和扭转角的线性化校正，如图１
所示。
图１ 叶片弦长和扭转角的线性化校正示意图
５）翼型坐标转换
从Ｐｒｏｆｉｌｉ中导出的翼型数据，是以弦长为１００ｍｍ，扭角为
０度的二维坐标的形式存在的，因此，需将叶素的二维坐标转
换为三维坐标，并进行比例变换，这种转换可以在ＭＡＴＬＡＢ中
实现。
６）运用ｓｏｌｄｗｏｒｋｓ，实现叶片三维模型实体建模，如图２
所示。
整体设计
本装置由潮汐叶扇模块、发电机模块（含传动装置）、潮流
方向感知模块、底座模块四部分组成，各模块间关系如图３
所示。
０
６
技术与市场
创新与实践
２０１９年第２６卷第４
期
图２ 叶片三维建模图
发电机模块的顶部是潮汐扇模块和发电机模块。
潮汐扇设计采用多翼型组合设计的方法，有效避免潮汐扇转动过程中涡流的产生，减少了转动阻力，提高了潮汐能利用率。
６叶片的设计则是出于对效率载荷考量下的最优方案。
发电机模块中，我们设计了行星齿轮装置，在不占用较大空间的前提下，提高传动效率、发电效率，各元件间通过机械连杆和齿轮组相互连接。
中间部分是潮流感知模块，通过模块内置的小功率发电机组，进而对不同流向潮流的感知，适时的调整潮汐扇的迎向，以保持发电效率的最优化。
最下方是底座模块，内部有潮汐扇迎向调节装置，稳压装置，电源装置，输出装置。
同时底座上还有延伸出来的固定支
架组，
保证整体结构的稳定性。
图３ 水平轴多翼型潮流能发电系统示意图
结语
潮流能发电利用前景广阔。
本文通过计算机模拟出了最优的潮汐扇模型，同时配合发电机模块（含传动装置）、潮流方向感知模块、底座模块，使系统更加完整，其在技术上可实现性较高，可以应用于大型的电站，如应用于我国的东部沿海地区，减轻东部沿海地区的电力供应压力；同时，由于其可调节性、扩展性高，也应用于小型发电站，满足近海、近潮周边的村落的供电。
参考文献：
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１
６。