一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机及其转速调节方法技术

本发明专利技术公开了一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机及其转速调节方法，包括水轮机本体、安装水轮机本体的固定框架、调节固定框架深度的深度调节装置、调节水轮机本体叶轮转速的转速调节装置，深度调节装置包括对称设置于固定框架上下两端的上移动平台和下移动平台、深度驱动装置；转速调节装置包括调阻电机、调阻丝杆、调阻螺母，调阻电机带动调阻螺母在调阻丝杆上移动改变接入水轮机的电阻，从而改变水轮机转速。通过对称设置的上下移动平台的伸缩调节深度，选择水轮机合适的工作环境，且能够平衡水深调节时形成的运行阻力矩。根据实时潮流速度，在线调节水轮机转速，从而保证水轮机运行稳定，始终工作在最佳叶尖速比，保持最高能量转化效率。高能量转化效率。高能量转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机及其转速调节方法


[0001]本专利技术涉及水轮机，具体是涉及一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机及其转速调节方法。

技术介绍

[0002]潮流能是一种不消耗燃料、不污染环境、不受枯水或洪水影响、用之不竭的再生能源，潮流能开发一次能源和二次能源相结合，不受一次能源价格的影响。在海洋各种能源中，潮流能的开发利用最为简便，因此对于其的利用受到各界广泛的关注，主要是可以进行发电，潮流能发电的原理是海水在太阳和月球的引力下产生的周期性的往复运动，依靠高、低潮位之间形成的落差，推动水轮机实现旋转，从而带动发电机发电。利用潮流能源发电是—种有效、安全可靠、具有高稳定性、不易受外界因素影响的清洁发电方式，不但能够弥补日常使用电量的不足和节约日益枯竭的宝贵资源，还有利于保护人类赖以生存的环境，所以世界各国对于潮流能研究一直如火如荼。
[0003]在水轮机发电过程中，叶尖浸没水深以及叶尖速比是的两个重要参数，根据叶轮能量利用率随着叶尖浸没水深以及叶尖速比的变化规律，可以确定水轮机安装水深、控制水轮机转速，使得水轮机始终保持最高能量利用率。现有技术中，专利申请号为201310685130.9，名称为“可沉降式潮流能水轮机”的中国专利，主动调节水轮机所处水深，当水位变化时难以实现自动调节。专利申请号为202111292712.1，名称为“一种主被动平衡式漂浮型水轮机实验装置及其主动平衡控制”的中国专利，采用平面四连杆原理，主动调节水轮机水深，但是水轮机在垂直面内升降，将改变水轮机轴线到实验装置几何中心的距离，使得在实验过程中，水轮机不仅形成阻力，而且对装置形成阻力矩，即俯仰力矩，容易造成应力集中，不利于水轮机的升降。专利申请号为201811281428.2，名称为“一种自平衡的潮流能发电装置”，以及专利申请号为200810249755.X，名称为“升降式双浮体潮流发电机”的中国专利采用被动平衡方式调节水轮机所处水深，通过在水仓中注水和排水，实现水轮机实验装置整体的下沉和上浮，从而实现水轮机所处水深的调节。但是该种调节方式，将改变实验装置的整体迎水面，不仅增加了实验装置水中运行阻力，而且容易形成额外的阻力矩。专利申请号为201710810447.9，名称为“一种水平轴潮流能水轮机水动力性能试验平台及测试方法”的中国专利，通过手工调节电阻箱的方式调节水轮机转速，难以根据装置的实时运行速度进行水轮机转速在线自动调节。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上缺点，本专利技术提供一种始终保持最佳能量利用率的运动阻力矩自平衡潮流能水轮机。
[0005]本专利技术还提供一种运动阻力矩自平衡潮流能水轮机的转速调节方法。
[0006]技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机，包括水轮机本体、安装水轮机本体的固定框架、调节固定框架深度的深度调节装置、调节水
轮机本体叶轮转速的转速调节装置，所述深度调节装置包括对称设置于固定框架上下两端的上移动平台和下移动平台、调节上移动平台和下移动平台靠近或远离固定框架的深度驱动装置，所述上移动平台为固定框架提供浮力，所述下移动平台为固定框架提供重力；所述转速调节装置包括调阻电机、调阻丝杆和设置于调阻丝杆上的调阻螺母，所述调阻电机带动调阻丝杆转动，调阻丝杆转动带动调阻螺母移动，调阻螺母在调阻丝杆上移动改变接入水轮机本体的电阻，从而改变水轮机本体叶轮的转速。
[0007]上移动平台连接浮力块，上移动平台通过深度驱动装置实现上移动平台的伸展和收缩。因为水轮机整体的浮力和重力没有发生变化，所以在上移动平台伸展后水轮机整体的外部尺寸高度增大，中心水轮机本体相对于水面的深度也会相应的增大，因此能够调节水轮机的深度。
[0008]进一步的，所述深度驱动装置包括剪叉机构、与剪叉机构活动端固定连接的齿条、与齿条啮合的齿轮，所述上移动平台和固定框架上端面之间、下移动平台和固定框架下端面之间均设置剪叉机构，齿轮转动带动齿条移动，齿条移动带动剪叉机构活动端移动，从而带动上移动平台和下移动平台靠近或远离固定框架。
[0009]进一步的，所述深度驱动装置包括驱动电机、传动轴，所述传动轴竖直穿过固定框架，且传动轴两端分别与固定框架上下端面的两个齿轮固定连接，所述驱动电机输出端固定设置驱动齿轮，驱动齿轮与固定框架上下端面两个齿轮的其中一个啮合，通过传动轴使得一个驱动电机驱动两个剪叉机构工作。
[0010]进一步的，所述固定框架上下端面均设置燕尾槽，所述齿条在燕尾槽内滑动，齿条一端通过连杆与剪叉机构活动端连接。
[0011]进一步的，所述水轮机本体外套设导流罩，导流罩与固定框架固定连接，水轮机本体设置于固定框架中心。
[0012]进一步的，所述固定框架四角分别设置调速舱、电子舱、左电力舱、右电力舱，所述调速舱内设置转速调节装置，所述电子舱内设置水轮机的控制系统，用于实时调节水轮机姿态、转速；所述左电力舱和右电力舱用于电力的存储和供给。
[0013]进一步的，所述固定框架两侧分别设置沿竖直方向延伸的滑轨立柱，且滑轨立柱位于水轮机本体迎水面的两侧，所述固定框架两侧固定设置有滑轮，滑轮沿滑轨立柱滑动。
[0014]本专利技术还采用一种运动阻力矩自平衡潮流能水轮机的转速调节方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1：检测潮流实际运动速度V
实际
；
[0016]步骤2：根据叶轮能量利用率与叶尖速比之间的关系得到叶轮最高能量利用率时的最佳叶尖速比λ；
[0017]步骤3：根据得到的最佳叶尖速比得到水轮机本体的目标转速n
目标
；
[0018]步骤4：根据水轮机本体转速与接入水轮机本体的电阻之间的关系，控制转速调节装置调节调阻螺母，改变接入水轮机本体的电阻，从而改变水轮机本体的转速，使水轮机本体的转速达到目标转速；
[0019]步骤5：实时检测潮流实际运动速度，根据检测的潮流实际运动速度实时对水轮机本体转速进行调节。
[0020]进一步的，所述步骤4中具体包括：
[0021]步骤41：根据水轮机机械传输特性有：
[0022][0023][0024]T
m
＝C
M
φI
[0025][0026][0027]其中，J
r
为水轮机本体传动系统折合到水轮机主轴的惯量，w
r
为水轮机主轴转动角速度，T
r
为水轮机本体所获得的水动力矩，T
m
为电磁转矩，T
D
为阻尼力矩，r为水轮机叶轮半径，C
M
为转矩常数，φ为磁通，I为回路中电流，E为感应电势，R
a
为调阻装置接入电阻的阻值，C
E
为电势常数，C
n
为阻尼系数；
[0028]得到水轮机本体转速与接入水轮机本体的电阻之间的关系：
[0029][0030]通过检测的潮流实际运动速度V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动阻力矩自平衡式潮流能水轮机，其特征在于，包括水轮机本体(30)、安装水轮机本体的固定框架(4)、调节固定框架(4)深度的深度调节装置、调节水轮机本体叶轮转速的转速调节装置，所述深度调节装置包括对称设置于固定框架上下两端的上移动平台(1)和下移动平台(3)、调节上移动平台和下移动平台靠近或远离固定框架(4)的深度驱动装置，所述上移动平台(1)为固定框架(4)提供浮力；所述下移动平台(3)为固定框架(4)提供重力；所述转速调节装置包括调阻电机(50)、调阻丝杆(55)和设置于调阻丝杆(57)上的调阻螺母(57)，所述调阻电机(50)带动调阻丝杆(55)转动，调阻丝杆(55)转动带动调阻螺母(57)移动，调阻螺母(57)在调阻丝杆上移动改变接入水轮机本体的电阻，从而改变水轮机本体叶轮的转速。2.根据权利要求1所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述深度驱动装置包括剪叉机构、与剪叉机构活动端固定连接的齿条、与齿条啮合的齿轮，所述上移动平台和固定框架上端面之间、下移动平台和固定框架下端面之间均设置剪叉机构，齿轮转动带动齿条移动，齿条移动带动剪叉机构活动端移动，从而带动上移动平台和下移动平台靠近或远离固定框架(4)。3.根据权利要求2所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述深度驱动装置包括驱动电机(26)、传动轴(32)，所述传动轴(32)竖直穿过固定框架(4)，且传动轴(32)两端分别与固定框架上下端面的两个齿轮固定连接，所述驱动电机(26)输出端固定设置驱动齿轮，驱动齿轮与固定框架上下端面两个齿轮的其中一个啮合，通过传动轴(32)使得一个驱动电机(26)驱动两个剪叉机构工作。4.根据权利要求2所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述固定框架(4)上下端面均设置燕尾槽，所述齿条在燕尾槽内滑动，齿条一端通过连杆与剪叉机构活动端连接。5.根据权利要求1所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述水轮机本体(30)外套设导流罩(29)，导流罩(29)与固定框架(4)固定连接，水轮机本体(30)设置于固定框架(4)中心。6.根据权利要求1所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述固定框架(4)四角分别设置调速舱(5)、电子舱(6)、左电力舱(9)、右电力舱(10)，所述调速舱(5)内设置转速调节装置，所述电子舱(6)内设置水轮机的控制系统，用于实时调节水轮机姿态、转速；所述左电力舱(9)和右电力舱(10)用于电力的存储和供给。7.根据权利要求1所述的潮流能水轮机，其特征在于，所述固定框架(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文星，殷宝吉，辛伯彧，唐文献，成诗豪，颜静，张叶磊，陆杰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：