２０１３年３月 节能减排（５２～５４） 环境研究与监测 第２６卷 基于机翼理论的新型水轮发电机 林康 张文菇 周怀保 张大龙 李若辉 李坚 郑卫刚 （武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉４３００６３） 摘 要：为了解决当前多数水力工程浩大、发电效率低以及对生态系统造成的不必要的破坏，设计了一种新型双轮水 流发电装置，本装置基于机翼理论设计转子，采用双轮同步运转，使得转子与转子之间的运动同步，叶片之间不会形成 干扰，转子的运转可靠性更好。装置水轮采用可以提供升力的流线型叶轮可提供更大的转矩；采用鱼尾式转舵机构感 知水流方向并使装置绕转动轴旋转，使装置首端始终正对水流，可适应不同水流对装置效率的影响。该装置结构简单， 设计制造成本低，可以在各种水流速度和水流角度下运转，既可以提高水能的利用率，还可以提高发电效率，具有很好 的市场应用价值。 关键词：流线型；升力；双转子；鱼尾转舵 中图分类号：ＴＫ７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：（Ｇ）０卜００７９（２０１３）０１—５２—５４—０３ 中国水力资源有着巨大的开发潜力，但目前已 知的水力发电往往需要拦河结坝，工程浩大，投入成 本高。而小型水流发电装置大多是由涡轮制作而成， 其水能利用率低，安装复杂，经济效益差。这就是现 有的水力发电技术所存在的不足之处。新型水轮发 电装置是为了克服现有技术所存在的不足，而提供 一种不需要建筑河水坝、蓄水，产品成本低，见效快， 大小流量的河水、洋流、平流水流均可适用的水流发 电装置，该装置安装简单，可高效利用水能进行发 电，且发电效率较高【ｌｌ。 １ 发电装置的结构 １一上盖板，２一驱动齿轮，３一发电机，４一中间齿轮，５一转子轴， ６一鱼尾转舵板，７升力型转子，８一下底板，９一分水体，１Ｏ一转动 １．１新型水轮发电装置整体结构 轴，１卜承载板 图１水轮发电装置的主视结构示意圈 图ｌ为水流发电装置的主视结构示意图。新型 水轮发电装置，它包括上盖板、下底板、承载板、升力 速箱和发电机位于上盖板的上方，上盖板与下底板 型转子、鱼尾转舵机构及由转子驱动的变速箱和发 之间固定有两个逆向转动的升力型转子，各升力型 电机，其特征是：所述上盖板与下底板各有一个，变 转子的相同端分别固定安装有等半径的齿轮，所述 上盖板与下底板之间位于升力型转子的进水端固定 收稿日期：２０１２—０７—０５ 安装有外凸流线型的分水体，逆水端固定安装有鱼 作者简介：林康，（１９９１一）年生，陕西安康人，本科在读，主要研究方 向：能源与动力机械． 尾转舵板，在分水体的中心处装有可自由转动的转 第１期 林康等：基于机翼理论的新型水轮发电机 动轴，在不同的水流方向下，装置本体均可绕着转动 轴转动以适应水流方向变化。 １．２双轮鱼尾式发电装置的转子及分水体［２１ 图２为沿图１中Ａ—Ａ向的剖视示意图。如图２ 连转子为 ‘七型多叶片转子，其能量来源为水流 下力及其经过叶片时所激发的升力。其叶片转子由 幽的立式机翼型小叶片和其内侧的大型薄翼叶片 组成。所述流线型分水体沿其轴线对称的两侧边及 底边为外凸的弧线。其中两个转子的驱动轴输出端 １一升力型转子，２一立式机翼型小叶片，３一大型薄翼叶片 图３升力型转子及其叶片 分别与变速箱啮合，并传递给发电机，其中变速箱齿 轮置于转动轴的中心处。沿垂直和水平方向依次设 置有多个上盖板和下底板，上盖板和下底板两侧边 ２ 具体实施方式 呈中凸状，刚好覆盖住转子，发电机用横杆固定于最 上层承载板上方。各个上盖板与下底板的尾部成流 线型设计，从中间凸起处向尾部逐渐收缩。该装置的 鱼尾转舵板的底边为外凸流线型的弧线或由两段沿 ２．１结构概述 新型水轮发电装置，如图１和图２所示，它包括 上盖板、下底板、左升力型转子７、右升力型转子１２ 其轴线对称、并外凸的流线型的弧线组成。如图２所 和由左升力型转子与右升力型转子驱动的变速箱和 变速箱和发电机位于承载板上方。上盖板与 示鱼尾转舵板、分水体、上盖板与下底板之间构成的 发电机，空间为升力型转子的工作空间。上盖板、分水体和下 下底板之间位于左升力型转子和右升力型转子的进 底板与所述上盖板、鱼尾转舵板和下底板上分别设 水端固定连接有流线型的分水体，出水端固定连接 有流线型的鱼尾转舵板，分水体的轴线、鱼尾转舵板 置有同心的定位孔。设置有同心的转动轴孔，并且转 动轴穿过轴孔。装置本体通过水流作用在鱼尾转舵 的轴线与左升力型转子和右升力型转子圆心连线的 板的偏转力下可绕转动轴转动。 ’ 中垂线共线，上盖板、下底板、分水体和鱼尾转舵板 组成固定的装置基本框架，通过上盖板和下底板将 驱动轴和驱动轴定位，从而保证左升力型转子和右 升力型转子正常稳定工作。 ２．２转子结构及它与发电机的连接关系 左升力型转子和右升力型转子的各叶片中的能 量转换面（即顺水方向转动的叶片中的迎水面）的两 头镂空、中间为薄翼平板并偏有一定角度，左升力型 转子的一端固定安装有驱动齿轮，发电机通过变速 箱、驱动轴与驱动齿轮、左升力型转子相连，发电机 ５、１３－转子轴，６一鱼尾转舵板，７、１２一升力型转子， 的设置方式可以采用两种形式：（１）驱动轴或驱动轴 的输出端连接有变速箱和发电机；（２）驱动轴和驱动 轴的输出端分别连接有变速箱和发电机。 ２．３分水体结构 ●８一下底板，９一分水体，１Ｏ转动轴，１５一定位孔 图２ Ａ—Ａ向剖视示意图 １．３装置的转子结构 如图３所示的升力型转子其能量转换面为立式 尖角流线型的分水体沿其轴线对称的两侧边为 机翼型小叶片和其内侧的大型薄翼叶片构成的叶 内凹的弧线，其底边为内凸弧线或由两段沿其轴线 面，这样使叶片能够截取更多的流水，从而使转子两 对称、并外凸的弧线组成。分水体尖角端的轴线部位 侧顺着水流方向的叶片产生升力和推力推动转动轴 的正面水流在分水体的两侧边的作用下沿内凹弧线 带动发电机发电。 冲击左升力型转子和右升力型转子的叶片的倾斜平 环境研究与监测 第２６卷 面，通过分水体的两侧边及左升力型转子和右升力 稳定漂浮作业；（２）沉底安装：将本发电装置底部固 床，变速箱和发电机在水上工作。此时， 型转子的叶片两头镂空中间平板并偏有一定角度的 定于河（海）结构，可以有效地提高水流对左升力型转子和右升力 分水体和鱼尾转舵板可以采用实心结构或空心结构 型转子的叶片的作用力（冲击力及升力），从而提高 内灌注重体材料（如沙石等），以增加整个装置的稳 水能的利用率和发电效率；鱼尾转舵板呈流线型，且 定性；（３）全水下安装作业，在这种情况下，防水和防 其底边由两段沿其轴线对称、并且外凹的弧线组成。 ２．４稳固设计 腐蚀技术可以采用现有技术实现，在此不再赘述。 ２．７应用范围 为了更好的固定整个发电装置，在左升力型转 本发电装置可以应用在多种场合（如水流速相 子和右升力型转子的进水端：上盖板、分水体和下底 对较小时）：（１）在平流或水面斜度较小的水流，这时 板上设置有同心的定位孔；在升力型转子和升力型转 允许采用上述任意一种固定安装方式；（２）对于垂直 子的出水端：上盖板、鱼尾转舵板和下底板上设置有 水流（女Ⅱ瀑布）和水面斜度较大的水流，采用将本发电 同心的定位孔。这种结构形式可以实现沿垂直方向， 装置的底部固定安装于平水流以上的侧壁上，上部 一根定位桩依次穿过各上盖板、分水体和下底板上 用牵引索牵引固定，使装置保持与水流方向垂直； 的定位孔，另一根定位桩依次穿过上盖板、鱼尾转舵 （３）对于深度较大的水流（如洋流），可采用全水下安 板和下底板上的定位孔。在分水体中心靠后位置有 装使用。 个大的轴孔，用于使穿过轴孔为装置本体提供旋 整个装置的模型效果图如图４所示。 一转中心，转动轴下端固定于河底，上端安置承载板。 ２．５组建电网阵 整个发电装置可以根据需要沿垂直方向和水平 方向延伸，形成交错的发电网阵，以最大限度地利用 水能进行发电，并在发电网阵的上游通过水下固定 桩和锚链固定有牵引网架，牵引网架可以对发电网 阵上游的大型漂浮物进行拦截（防止撞损水流发电 装置）。发电网阵具体可以采用如下方式实现：（１）垂 直方向：设置有两个或者两个以上的支架，变速器和 发电机固定于最上层支架中的上盖板的上方，驱动 轴和驱动轴沿垂直方向延伸至最下层的支架中，使 左升力型转子和右升力型转子的扭矩力可以同时通 过驱动轴、驱动轴传递给变速箱，再通过变速箱传递 给发电机；（２）水平方向：在平流或水面斜度较小的 水流中，沿水平方向设置有两个或两个以上的支架， 变速器和发电机固定于各上盖板上的承载板的上 方，从而在水平方向形成多个并列的发电装置，以最 ３ 展望 图４装置模型效果圈 大限度地截取水流能，利用水流进行发电。 ２．６安装方式 本装置环保无污染，节能低碳环保，对生态几乎 无废料、 本发电装置可以采用如下三种安装方式：（１）漂 没有影响。它将海水动能为电能，“无废气、无噪音、无辐射”，对自然环境没有任何影 浮作业：在水下设置固定桩，通过相应的牵引装置将 无污水、乃绝对安全洁净的环保再生能源。同时当作破浪 本发电装置与固定桩相连，使本发电装置漂浮作业， 响，此时，变速箱和发电机漂浮在水面以上，分水体和鱼 器使用，保护海岸景观，以免受到波浪的冲击和侵 尾转舵板可以采用空心结构或轻体材料（如轻质耐 蚀。此外，国家对水电的开发利用一直实行政策优惠 （下转第 页） 腐蚀有机材料）制成，以使本发电装置能更好的实现 第１期 刘瑾：城市大气环境污染与大气质量评级预测 统一的计算程序，不同环评人员在大气预测中的编 Ｑｕｅｒｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ＳｔａｎｄａｒｄｓＥｍｉｓｓｉｏｍ，Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄ￣ｌｙｓｉｓ 程理念及方法处理的差异，以及不同预测方法或模 Ｄｉｖｉｓｉｏｎ．Ｒ岱ｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７７１１ １９９８．１￣２２８． 式的不同，都可能出现千差万别的预测结果。 ［４］ ／Ｔ２．２－１９９３，环境影响评价技术导则一大气环境［Ｓ］． ［５】李宗恺，潘云仙，孙润桥．空气污染气象学原理及应用［Ｉ ．北京：气 兰州市作为建国后重点建设的新兴工业城市之 象出版社，１９８５． 一，除了其工业布局和能源结构不合理，兰州的大气 【６】俎铁林．美国ＥＰＡ空气质量模式导则评述ｏ】．环境影响评价动态， 污染正严重阻碍经济的发展，环境空气质量的整治 ２００２，６（６）：１８－２５． 势在必行。我们正通过各种研究和探索，寻找最适合 ［７】国家环境保护总局．１ｔｙｒ ２．２—１９９３环境影响评价技术导则一大气 兰州特色的整治方案。 环境（征求意见稿）【ｓ０Ｌ】．［２００７—ｏ２—２５】．ｈｔｔ－ｐ．．Ａｖｗｗ．ｓｅｐａ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｍｆｏ／ ｇｗｂｇｔｈ，２００７０ＴＷ０２００７０２２７３０４４０７０８１４２９．ｐｄ￣ 参考文献 ［８】密保秀，李金龙．大气环境质量预测模型研究町．环境科学研究， １９９７，ｌＯ（５）． ［９］齐文启，孙宪先．环境监测新技术【Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４． 【１１］ Ａｌａｎ Ｊ．Ｃｉｍｏｒｄｌｉ ｅｔａ１．ＡＥＲＭＯＤ：Ｄ￣ｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ［１ｏ］于桂云。金世洲，王洪涛。城市空气质量预报的意义及其进展Ⅱ】．黑 （ｄｒａｆｔ） ．ＵＳＡ：ＡＭＳ／ＥＰＡ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ Ｍｏｄｅｌ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｃｏｍ— 龙江环境通报；２００２。（３）． ｍｉｔｔｅｅ．２００４．１ －９１． ．【１ １】刘永，郭怀成，城市大气污染物浓度预测方法研究ｏ】．安全与环境 ［２］Ｒ．Ｊ．Ｐａｉｎｅ．Ｃｉｍｏｒｃｌｌｉ ｅｔａ１．Ｍｏｄｃｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ＡＥＲＭＯＤ 学报，２００４，（４）． （ｄｒａｆｔ）【Ｒ】．ＥＮＳＲＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１９９８．１￣４Ｏ． ［１２】刘方，王瑞斌．中国环境空气质量监测现状与发展Ⅱ】．中国环境监 【３】ＥＰＡ（ＵＳＡ）．Ｕｓｅｒ’ｓ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＡＥＲＭＯＤＵＧ，ＥＰＡ（ＵｓＡ）Ｄｏｃｕ— 测，２００４，２０（６）． ｍｅｎｔ［Ｒ．］．ＵＳＡ：Ｕ．Ｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ，Ｏｆｉｆｃｅ ｏｆＡｉｒ （上接第５４页） 和投资倾斜。常规水电站建设周期为３～４ａ，每ｋｗ建 设安装费用７０００～１００００元。该装置建设周期为电站 参考文献 建设周期的１／１０，每ｋｗ建设安装费用约为水电站投 资的１／３左右。我国海岸线绵延数千公里，蕴含着巨 【１】马一太，邢英丽．我国水力发电的现状和前景Ⅱ】．能源工程．２００３（４）． 大的水力资源，合理开发研究利用这些水力资源可 ［２］李锡林，张志新，贺世正．可同步旋转双转子稳态响应数值分析ｏ】．振 以缓解我国电力供应紧张局面，特别是沿海的电力 动与冲击．２０１０（５）． ［３辛小鹏，邵雪明，邓见，等．串列布置双转子海流机水动力性能预测Ⅱ】． 供应，支持岛屿经济建设，为海洋环境测量仪器补充 浙江大学学报．２０１１ｇ）． 电力，优化电力供应结构。因此，水流发电的研究对 ［４】高孔军，孙炯，李雄飞．鱼雷雷体阻力与升力系数数值计算与校验 我国发电产业的发展具有重大影响。 Ⅱ】．计算机与数字工程．２００８（５）． （上接第６７页） ［１】董德明，朱利中，环境化学实验 】．北京高等教育出版杜，２８，１０３． ｆ２１国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会编著，水和废 ４结束语 水监测分析方法 】（第四版增补版）．北京：中国环境科学出版社， ２０１１年． 高校景观水环境是高校人文、生态环境的重要 ｆ３】廖颉，刘迎云，陈小明，等．潜流人工湿地处理城市污水氮和有机物 组成部分，是大学生对校园文化环境的心理要求。通 的研究Ⅱ】．水科学与工程技术，２０１０，（１）３３＂３５． 过对华侨大学厦门新校区地表生态景观湿地和景观 【４１陈明利，吴晓芙，陈永华，等．景观型人工湿地污永处理系统构建及 水环境的监测与评价，将为其他高校在校园景观生 植物脱氮效果研究田．环境科学，２０１０，２１（３）６６０＇－６６５． 【５】林海，周刚．，张彤晴，等．室内水生动物对蓝藻生长的抑制效果Ⅱ】． 态的规划建设方面提供参考。 江苏农业学报，２００９，２５（３０）：６８５－６８８． 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