CN101048591B - 扭转式横流涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种横流式涡轮机具有一或多个翼型叶片(2)，其可旋转地围绕中心轴(3)安装，并且在所述一或多个叶片的每个端部处或靠近所述端部连接着所述中心轴。叶片具有一定程度的扭转挠度，以使得它们能够绕叶片纵向轴线扭转，以降低叶片的空气动力学效率，从而控制涡轮机转速。叶片的扭转可以通过弹簧(12)、其它机械式作动器或电机而被主动控制。

Description

扭转式横流涡轮机

技术领域

本发明涉及一种涡轮机，特别是，但不局限于，其中工作流体基本上横贯设备旋转轴移动的涡轮机。

背景技术

风力涡轮机，特别是水平轴线风力涡轮机(HAWT)，常被使用，以利用风的动能来发电。可以在整个国家的许多地区看到HAWT，它们被安装在大型塔架上，以俘获在这样的高度上吹过的快速风。

HAWT具有安装在这种塔架的顶部的转子轴和发电机，其中(通常)三个大型涡轮机叶片被设计成将垂直气流转换成旋转运动。转子轴的旋转通过发电机而产生电能。这种涡轮机具有高叶尖速比，高效率，以及可导致可靠性提高的低转矩脉动。

由于装有HAWT的塔架会产生紊流，因此涡轮机本身最常被安置在塔架的上风侧。对于风向改变，例如东北方向变为西南方向，就要求涡轮机枢转180°以作出补偿。一些小型涡轮机使用风标来将涡轮机与风对正。另外，大型涡轮机具有风向传感器和电机以自动枢转涡轮机，并且使效率最大化。

利用枢转而重新对正涡轮机的一个缺点是，随着叶片旋转且整个涡轮机旋转，陀螺力会作用在叶片上。这会引起扭转力施加在涡轮机上，从而导致涡轮机元件的疲劳和最终损坏。

萨伏纽斯(Savonius)型风力涡轮机在竖直轴线上操作，但通常效率低于升力产生型涡轮机。萨伏纽斯型风力涡轮机类似于测风仪，即具有用于捕风的二或三个风斗。这种涡轮机的主要优点是很少需要维护，并且远比具有类似尺寸的HAWT便宜。此外，不需要引导涡轮机，因为它们可以利用任何横流风操作。然而，萨伏纽斯型涡轮机效率低，这是因为总是存在承受一定阻力的表面。因此，萨伏纽斯型涡轮机被称作阻力型系统。

达里厄(Darrieus)型风力涡轮机(也被称作“打蛋器”式涡轮机)是竖直轴线涡轮机的另一个例子。竖直轴线涡轮机的一项优点是发电机(可能庞大和/或笨重)可以被布置在涡轮机的基部或地面上。对于萨伏纽斯型风力涡轮机，不需要将达里厄型风力涡轮机指向风中。这一点在下述条件下特别有益，即在涡轮机位于多建筑物区域时，附近的建筑会导致风紊流增加。

同HAWT相比的其它优点有，叶片没有叶尖或叶片端部，因此叶片端部上没有叶尖噪音、紊流或阻力。此外，叶片通常采用的弯曲索(troposkien)形状意味着没有弯曲力施加在其内的一根或多根缆索，只有张力沿着缆索的长度分布。

达里厄型风力涡轮装置自1931年以来就已存在。这段时间内，没有对初始设计作出多少显著改进。出于多种原因，商业开发的达里厄型涡轮机难以生产。

一般而言，它们效率低，这显著地限制了它们的潜在应用和它们的商业生存能力。此外，作用在这种涡轮机的主轴承上的大型推力负载使得轴承的选择非常重要。

达里厄型涡轮机的长叶片具有许多固有振动频率，在操作中必须避免这些频率。为达到工作速度，一些涡轮机必须快速越过二或三种转速。一些振动模式可能会落在工作范围内，因此需要利用控制系统来避免这些振动模式。

在这种类型的设备被用于变速流体例如大气风流时，在强风条件下控制转速可能会产生问题。这一问题特别存在于高效“升力”型设备，例如HAWT或达里厄型涡轮机，其中可能达到破坏性转速。

因此，另一项重要考虑是，在强风条件下必须限制涡轮机转速，并且为此已作出了许多尝试。

Jeronimidis等的英国专利申请2,216,606A公开了用于具有水平或竖直旋转轴的涡轮机的叶片。叶片具有各向异性，以使得它们随着转速增加而弯曲或拉伸。弯曲和/或拉伸会影响叶片转速，因为迎角被改变并且叶片上的负荷发生变化。

美国专利4,500,257公开了一种用于竖直轴线风力涡轮机的制动系统，其中挡块可滑动地安置在叶片上。在预定时刻，电磁线圈释放挡块，挡块在叶片上在离心力作用下移向其最外侧点。空气动力学效率的下降导致转速下降。

法国专利申请2583823示出了一种竖直轴线风力涡轮机，其具有毂或盘式制动器，以在涡轮机的旋转达到阈值速度时产生机械式制动系统。

这种阻力型装置和机械式制动器被提出来以在水平和竖直轴线涡轮机中限制转速。阻力型装置可能不可靠，并且需要维护。机械式制动器笨重并且会导致系统磨损和撕裂。这些限制旋转的方法还会影响涡轮机的平稳动力输出。

发明内容

本发明的一个目的是对涡轮机上限转速提供空气动力学限制。

本发明的另一个目的是通过扭转对涡轮机的上限转速提供空气动力学限制。

根据本发明第一方面，提供了一种横流式涡轮机，包括：

一个或多个翼型叶片，其可旋转地围绕中心轴安装，并且在所述一个或多个叶片的每个端部处或靠近所述端部连接着所述中心轴；

其中，所述一个或多个叶片具有一定程度的扭转挠度，从而它们可绕叶片纵向轴线扭转，以降低所述一个或多个叶片的空气动力学效率，从而控制涡轮机转速。

使所述一个或多个翼型叶片扭转脱离最佳升力条件，可以降低前向驱动力并且增大阻力，以限制涡轮机的转速。

优选地，所述一个或多个叶片设有可枢转连接器，以允许叶片绕叶片纵向轴线扭转。

优选地，可枢转连接器将所述一个或多个翼型叶片在叶片的一端连接至所述中心轴。

可选地，可枢转连接器在所述一个或多个叶片的两端将所述一个或多个翼型叶片连接至所述中心轴。

可选地，可枢转连接器在沿所述一个或多个翼型叶片的纵向轴线的一定距离处安置，以连接所述一个或多个翼型叶片的两个部分。

可选地，由离心力所引起的所述一个或多个翼型叶片中的张力驱动所述可枢转连接器枢转。

优选地，可枢转连接器设有枢转阻止装置，搜枢转阻止装置在低于预定离心力阈值的情况下防止枢转。

优选地，枢转阻止装置包括推抵着枢转止挡件卷绕的扭簧，所述枢转止挡件将所述一个或多个叶片保持就位。

可选地，枢转阻止装置包括一个或多个弹簧，搜一个或多个弹簧以一螺旋角固定至所述中心轴，并在另一端固定至所述一个或多个叶片。

可选地，枢转阻止装置包括两个由硬质材料形成的三连杆部分，挠性关节安置在所述连杆之间，各连杆形成Z形。

优选地，所述一个或多个翼型叶片被构造成当达到张力阈值时沿预定方向扭转。

优选地，所述一个或多个翼型叶片被构造成第一方向扭转，以实现涡轮机旋转的顺桨。

可选地，所述一个或多个翼型叶片被构造成沿第二方向扭转，以实现涡轮机旋转的失速。

可选地，可枢转连接器的枢转由作动器驱动。

优选地，在达到中心轴转速的预定阈值时，所述作动器操作。

优选地，所述作动器是动力驱动(电动)的。

优选地，所述作动器可手工控制。

可选地，所述作动器可自动控制。

优选地，所述一个或多个翼型叶片的扭转挠度被设置在预定级别。

优选地，所述一个或多个叶片的扭转挠度可以被设定，从而扭转程度导致所述一个或多个叶片端部之间的中间点处的成比例程度的扭转。

优选地，所述级别被这样设置，即在所述一个或多个叶片的一端的大致180°扭转导致端部之间的中间点处的大致90°扭转。

这可以有效地停止所述一个或多个叶片上的驱动力。

可选地，所述级别被这样设置，即在所述一个或多个叶片的一端的大致180°扭转导致端部之间的中间点处的120°扭转。

可选地，所述级别被这样设置，即在所述一个或多个叶片的一端的大致180°扭转导致端部之间的中间点处的60°扭转。

典型地，通过使所述一个或多个叶片端部处的较小枢转而控制涡轮机的转速，这是因为任何枢转都会影响所述一个或多个叶片的空气动力学性能并且增大阻力。

一旦涡轮机转速被降低至等于或低于可接收的操作级别，所述一个或多个叶片端部将返回到它们的最佳叶片空气动力学原始位置。

优选地，所述一个或多个翼型叶片适于在绕中心轴旋转过程中呈现为弯曲索形状。

优选地，所述一个或多个翼型叶片包括一个或多个挠性缆索，所述一个或多个挠性缆索由翼型形状的轮廓封闭。

优选地，所述翼型形状的轮廓包含填料，以将所述翼型形状的轮廓机械式固定至所述一个或多个挠性缆索。

优选地，横流式涡轮机还包括：

设在所述一个或多个叶片一端的连接装置，所述连接装置被可释放地连接至所述中心轴，从而在涡轮机绕所述中心轴的转速增大到等于或超过预定阈值级别时，所述一个或多个叶片被释放。

通过释放所述一个或多个翼型叶片的一端以使它们向外飘，所述一个或多个叶片的前向驱动力降低。

在过高转速下因离心力导致的所述一个或多个叶片中的过大张力可以引起所述一个或多个叶片端部被释放。

这一特征为本发明提供了可在极端气候条件下操作的失效保护机构。

优选地，所述一个或多个翼型叶片是挠性的。

优选地，所述连接装置通过夹持器而被可释放地连接着。

优选地，横流式涡轮机包括多个翼型叶片，它们每个分别被可释放地连接着，并且，在达到所述预定阈值级别时释放所有叶片。

优选地，所述叶片被基本上同时释放。

优选地，单一的机构被用于释放所有的叶片。

当叶片端部被释放时，它们在离心力作用下向外摆动。所引起的直径增大将导致角惯量增大，由此导致涡轮机立即减慢。当叶片仅在一端被保持时，由于形成逆向空气动力学几何形态，可以实现进一步减慢。

根据本发明第二方面，提供了一种横流式涡轮机，包括：

一个或多个翼型叶片，其可旋转地围绕中心轴安装，并且通过连接装置而在所述一个或多个叶片的每个端部处或靠近所述端部连接着中心轴；

设在所述一个或多个叶片一端的所述连接装置被可释放地连接着，并且在涡轮机绕所述中心轴的转速增大到等于或超过预定阈值级别时被释放。

通过释放一个或多个翼型叶片的一端以使其向外飘，所述一个或多个叶片的前向驱动力减小。

在过高转速下因离心力导致的所述一个或多个叶片中的过大张力可以引起所述一个或多个叶片端部被释放。

这一特征为本发明提供了可在极端气候条件下操作的失效保护机构。

优选地，所述一个或多个翼型叶片是挠性的。

优选地，所述连接装置通过夹持器而被可释放地连接着。

优选地，横流式涡轮机包括多个翼型叶片，它们每个分别被可释放地连接着，并且，在达到所述预定转速阈值时释放所有叶片。

优选地，所述叶片基本上同时释放。

优选地，单一的机构被用于释放所有的叶片。

当叶片端部被释放时，它们在离心力作用下向外摆动。所引起的直径增大将导致角惯量增大，由此导致涡轮机立即减慢。当叶片仅在一端被保持时，由于形成逆向空气动力学几何形态，可以实现进一步减慢。

附图说明

下面将参照附图而以示例的方式描述本发明，在附图中：

图1示出了垂直于涡轮机旋转轴的扭转型涡轮机的视图；

图2示出了沿着涡轮机旋转轴所作的视图；

图3(局部放大A)示出了叶片的可枢转端部固定件的示意图；

图4示出了叶毂扭转形态的示意图；

图5更详细地示出了叶毂扭转形态；

图6示出了另一种叶毂扭转形态的示意图；

图7更详细地示出了所述另一种叶毂扭转形态；

图8示出了设置在叶片两端(叶毂)的扭转机构的示意图；

图9示出了设置在叶片中央的扭转机构的示意图；

图10(a)至(f)示出了所提出的叶片形态的剖视图；

图11示出了垂直于涡轮机旋转轴的释放型涡轮机的视图；

图12示出了沿着涡轮机旋转轴所作的视图；

图13(局部放大A)示出了叶片的可释放的端部固定件的示意图。

具体实施方式

下面将要讨论的实施例旨在通过采用失速(stall)或顺桨(feathering)状态而扭转涡轮机叶片使之离开最佳升力状态。目的是限制涡轮机转速，例如在强风条件下。在对应于例如最大期望转速的特定离心力作用下，叶片的扭转可以自然实现。

通过扭转而实现失速，涉及沿这样的方向扭转，即显著地增大迎角以引起空气动力学失速。通过扭转而实现顺桨，涉及沿相反方向扭转，以通过减小迎角而引起顺桨。失速可能会引起发生过大的叶片振动。顺桨不会产生这种振动问题，然而需要程度大得多的扭转。

如显示于图1，三个翼型叶片(aerofoil blade)2在每个端部固定在叶毂(4和5)上，所述叶毂安装于转轴3上。所述轴通常安装在未示出的轴承中，并且连接着从动负荷例如发电机。

每个翼型叶片2被制作成具有高抗拉强度，但在弯曲方面是半挠性的。

在本例中，每个叶片在其一端牢固保持在叶毂4上。叶片另一端保持在枢转部分1中。在本例中，枢转是由于叶片旋转时的离心力导致的叶片中的张力而引起的。枢转部分可以被调节，从而在达到阈值力之前没有枢转发生，这样，叶片驻留在其预设的(如图所示)开始位置，直至达到此点。

下面将参照图4和5描述可枢转连接器的一种形式的例子。短长度的滚珠丝杠6连接着叶片端部7。相配合的往复运动滚珠螺母8连接着叶毂。扭簧9轴向对正滚珠丝杠6的轴线，并且在一端连接着叶毂5，在另一端连接着叶片端部7。扭簧9推抵着用于将叶片端部保持在常规角位置的枢转止挡件卷绕，并且卷绕起足以防止滚珠丝杠6转动的尺寸，直至达到用于启动速度控制的设计转速(rpm)。当超过该速度时，随着叶片2的扭转沿着丝杠6产生足以克服扭簧9预载的力，滚珠丝杠6开始转动。随着叶片2因该作用而被扭转，叶片2上的净的前向空气动力学力降低，以防止转速进一步增大。优选地所有三个叶片端部以这种方式起作用，以保持平衡。

可枢转连接器的另一个例子显示于图6和7。叶片2包括两根缆索(10和11)，它们延伸通过叶片2的长度。一根缆索10栓接至叶毂5，从而提供固定枢轴点。另一缆索11连接着弹簧12或其它阻尼器，从而在超过阈值速度时，类似于前例，弹簧张力被克服，且叶片2能够扭转，其中栓接缆索10用作所述扭转的枢轴。

确定在哪一侧栓接、在哪一侧连接至弹簧，取决于期望实现失速还是顺桨。

枢转机构的另一个例子是由设在叶片端部的多个弹簧段形成的短螺旋结构，从而各个弹簧段分别在一端以一螺旋角固定在叶毂上，在另一端固定在叶片上，所有这些弹簧段形成在圆周方向相隔的组。当通过叶片离心力施加张力时，各弹簧的张力在叶片上产生枢转作用。

枢转机构的另一个例子是由两个硬质材料的三连杆部分形成的结构，挠性关节安置在它们之间，从而各连杆的轴线形成Z形。三个连杆部分中的每个分别被面向相邻的连杆部分折叠，从而位于″Z″形一端的连杆连接着叶片，位于″Z″形另一端的连杆连接着叶毂，当叶片移动离开叶毂时，所述折叠形状张开，叶片相对于叶毂枢转。弹性约束力可以由单独连接的弹簧提供，或者通过将连杆本身由弹簧材料制成而提供。

图8和9示出了不同的方式，其中可枢转连接器扭转机构可被采用。图8示出了可枢转连接器设置在两个叶毂(4和5)时的情况。图9示出了一种替代性形态，其中可枢转连接器设置在叶片2的中点13。同叶毂(4和5)处的扭转时的情况下比，叶片2的中点13处的扭转可以用于减小所需的偏移程度。这里讨论的任何扭转机构可以适合于安置在任一叶毂处，或是实际上安置在叶片中点处。

图10(a)至(f)示出了可以被采用的叶片的各种形态。图10(a)示出了一种叶片，其中包含嵌入翼型横截面形状的橡胶本体15中的单一的缆索14。图10(b)包括双缆索16，用于提高抗拉强度。这种叶片也可以被用于图6和7所示的扭转机构。多缆索或线材17也可以被用于提高抗拉强度，以及控制扭转的程度和一致性。类似地，双环缆索18可以提供增大的抗拉强度，同时仍适用于图4和5中采用的扭转机构。两个双环缆索19可以提供类似于图6和7中的实施例的配置。另一个替代性实施例使用中空本体20，其中填有填料21。中空本体优选由纤维材料制成，以承载操作中的张力负载，例如弯曲索形状中的张力负载。

横截面可以朝向叶毂变化，以便缓解基于位置沿旋转轴的前向推力的振动。

本发明的一个实施例采用了用于释放一个或多个叶片的装置，如图11所示。本发明的该实施例提供了一种失效保护机构，并且防止涡轮机在极强风中旋转。该机构可以用于包含根据本发明的叶片扭转装置的涡轮机中。三个翼型叶片102在每端固定在装于转轴(103)上的叶毂(104和105)上。所述轴通常安装在轴承(未示出)中，并且连接着从动负荷例如发电机。

每个翼型叶片被制作成具有高抗拉强度，但在弯曲方面是半挠性的。

每个叶片在一端牢固保持在叶毂104上。叶片另一端保持在释放式夹持件101上。叶片从夹持件释放是通过叶片旋转时的离心力引起的叶片张力而实现的。如果需要其它速度限制系统例如发电机负载失效限制系统，以及需要紧急超速保护，则也可以设定这种释放。

为了在涡轮机中维持旋转平衡，所有夹持件相连，从而当一个释放时，所有其它夹持件也释放。

释放机构的一个例子是将叶片端部保持在槽中，所述槽维持叶片端部的正确定向。通过线环或锁环来防止所有叶片拉出，所述线环或锁环具有已知的断裂强度，并且穿伸通过每个叶片中的孔或销。如果涡轮机转速达到超速条件，所述环断裂，所有叶片从所述槽中释放。

释放机构的另一个例子是将所有可释放的叶片端部保持在由两个叶毂部分之间的间隙形成的槽中。每个叶片在其端部具有″卡止部″，其与一个叶毂″半体″中的突起接合而保持叶片就位。用于保持叶片接合的力由普通弹簧或者基本上沿着涡轮机轴的轴线作用的配重提供。移动的叶毂半体能够略微摇摆，以向所有叶片夹持器施加相等的力。如果叶片离心张力增加到足以将叶片从夹持件的一个节点拉出，则所产生的空隙使得夹持件能够倾斜并且释放其它叶片。

很显然，同时释放所有叶片是有利的。

可以设想，将扭转型涡轮机和释放型涡轮机相组合可以提供这样的方案，即带有固有速度限制装置和在达到阈值释放速度时停止涡轮机的紧急装置。

本发明的提供了适用于民用涡轮机中的多项优点。例如，民用环境中通常会有的气流稳流，可以通过竖直轴线涡轮机而得以利用。此外，本发明的安全方面，即速度限制系统和可由释放系统实现的紧急释放系统，使得本发明同HAWT相比更好地用于民用。同小型HAWT和以前的达里厄型涡轮机相比，还能够提供降低振动的显著优点。

在不脱离本发明范围的前提下，可以做出各种改进和修改。例如，本发明通过应用于风力涡轮机的方式被举例描述。需要指出，本发明还可以用于流体介质例如水。此外，扭转机构可以通过电机或其它任何适宜的控制装置实现。

Claims (25)

1.一种横流式涡轮机，包括：

一个或多个翼型叶片，其可旋转地围绕中心轴安装，并且在所述一个或多个翼型叶片的每个端部处或靠近所述端部连接着所述中心轴；

其中，所述一个或多个翼型叶片具有一定程度的扭转挠度，从而它们可绕叶片纵向轴线扭转，以降低所述一个或多个翼型叶片的空气动力学效率，从而控制涡轮机转速。

2.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片设有可枢转连接器，以允许所述一个或多个翼型叶片绕叶片纵向轴线扭转。

3.如权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，可枢转连接器在所述一个或多个翼型叶片的一端将所述一个或多个翼型叶片连接至所述中心轴。

4.如权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，可枢转连接器在所述一个或多个翼型叶片的两端将所述一个或多个翼型叶片连接至所述中心轴。

5.如权利要求2至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，可枢转连接器在沿所述一个或多个翼型叶片的纵向轴线的一定距离处安置，以连接所述一个或多个翼型叶片的两个部分。

6.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，由离心力所引起的所述一个或多个翼型叶片中的张力驱动所述一个或多个翼型叶片枢转。

7.如权利要求2至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，由离心力所引起的所述一个或多个翼型叶片中的张力驱动所述可枢转连接器枢转。

8.如权利要求2至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，可枢转连接器设有枢转阻止装置，所述枢转阻止装置在低于预定离心力阈值的情况下防止枢转。

9.如权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，枢转阻止装置包括推抵着枢转止挡件卷绕的扭簧，所述枢转止挡件将所述一个或多个翼型叶片保持就位。

10.如权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，枢转阻止装置包括一个或多个弹簧，所述一个或多个弹簧以一螺旋角固定至所述中心轴，并在另一端固定至所述一个或多个翼型叶片。

11.如权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，枢转阻止装置包括两个由硬质材料形成的三连杆部分，挠性关节安置在所述连杆之间，各连杆形成Z形。

12.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片被构造成当达到张力阈值时沿预定方向扭转。

13.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片被构造成第一方向扭转，以实现涡轮机旋转的顺桨。

14.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片被构造成沿第二方向扭转，以实现涡轮机旋转的失速。

15.如权利要求2至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，可枢转连接器的枢转由作动器驱动。

16.如权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，在达到中心轴转速的预定阈值时，所述作动器操作。

17.如权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述作动器是动力驱动的。

18.如权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述作动器可手工控制。

19.如权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述作动器可自动控制。

20.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片的扭转挠度被设置在预定级别。

21.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片适于在绕中心轴旋转过程中呈现为弯曲索形状。

22.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，其特征在于，所述一个或多个翼型叶片包括一个或多个挠性缆索，所述一个或多个挠性缆索由翼型形状的轮廓封闭。

23.如权利要求22所述的涡轮机，其特征在于，所述翼型形状的轮廓包含填料，以将所述翼型形状的轮廓机械式固定至所述一个或多个挠性缆索。

24.如权利要求1至4中任一所述的涡轮机，还包括：

设在所述一个或多个翼型叶片一端的连接装置，所述连接装置可释放地连接着所述中心轴，从而在涡轮机围绕所述中心轴旋转的转速增大到等于或超过预定阈值级别时，所述一个或多个翼型叶片被释放。

25.如权利要求24所述的涡轮机，其特征在于，所述连接装置通过夹持器而被可释放地连接着。

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