CN101720385A - 水轮机 - Google Patents

Abstract

公开了一种水轮机，包括围绕轴线可旋转安装的转子。该转子包括至少三个叶片，以便当叶片位于流动的水中时使得转子围绕轴线旋转。该转子包括三角形结构形式的多个部件，且至少一个所述部件包括一个所述叶片。

Description

水轮机

技术领域

本发明涉及一种轮机，用于从水流中提取自然能，例如为了产生电能。

背景技术

现在有许多可用或已提出的用于从潮汐水流提取能量的设备。一个极端的做法是跨越河口的固定障碍，其是直观和环境侵入的。另一个极端的做法是“点提取”设备，用于配置在高潮汐流区域。后者是不通过制造连续障碍中断流体的“自由潮流”设备。它们是本发明的起始点。

大多数点提取设备表面看起来如同“水下风机”，即其为轴向流轮机(轮机的旋转轴线平行或几乎平行于自由潮流流动的方向)。一般地，每个轮机具有两个或三个叶片，通常为可变倾角。变型包括管道轮机，和围绕其圆周而非轴支撑的轮机。每个支承结构上通常安装一个或两个轮机。

近海开发的经济状况是每次安装的固定成本都非常可观，因此大的设备变得更加经济可行。对于风轮机，仅通过增大转子的直径(和支承结构的高度)就可实现大的设备。但是，由于潮汐轮机受有效水深的限制，潮汐轮机的直径增大不可能超出严格限制。基于轴向流设备开发更大动力的主要方法是倍增设备的数目(以及因此的成本)，而不是增大设备的尺寸。因此，存在难以实现规模经济的问题；维修成本倍增；由于例如可变倾角叶片等特征，轴向流轮机本身建造和维护昂贵。

轴向流轮机的一种已提出的替代选择方案是横向流体轮机(旋转轴线基本上垂直于流体流向，或至少流向的主要部分垂直于旋转轴线)。

横向流体风轮机是众所周知的。最简单的通常被称为“Savonius Rotor”(萨伏纽斯转子)。更有效的设备是“Darrieus Turbine“(戴利尤斯轮机)(1931年授予专利)，参见图1。其已用作风轮机，通常具有竖向轴线，具有广泛范围的大小并具有许多变型形式。

基于与Darrieus(戴利尤斯)轮机相同原理但配置具有水中竖向轴线的设备被称为Davis Turbine(戴维斯轮机)，授权日期大约为1980年。但是当配置竖向轴线时，横向流体轮机仍然不可增大。

因此，一个建议是配置具有水平轴线的Darrieus(或Davis)型轮机。图2示出3叶片Darrieus轮机转子的基本形式。如果水平轴线Darrieus轮机跨越流体伸展，则叶片变得长且窄(相对于其长度)。每个叶片承受轮机旋转时剧烈变化的大的水平力。该形式的Darrieus轮机本身是非常易弯的结构。其由叶片中剪切力和弯曲运动的增长来抵抗施加的载荷。结果是长的Darrieus轮机承受不合理地大的偏转。

现在给出Darrieus结构的变形的模式和偏转问题的论述。图3示出2叶片Darrieus轮机的示意图。在来自流体动力的侧向载荷下，在末端支撑的叶片11将如图中虚线12所示的变形(为了说明的目的夸大了变形的大小)。

通过在沿轮机的截面引入刚性加强翼13减小偏转，如图4所示。这些抑制了整体结构的“弯曲偏转”，但不抑制“剪切偏转”。总变形仍然较大，如图4所示。

除上述偏转大小的问题之外，还存在由于偏转随轮机旋转而变化，材料将承受极端疲劳载荷的问题。因此，存在设计令人满意的水平轴线的轮机的问题。

进一步提出的结构是Gorlov轮机，是Darrieus轮机的变体，但具有螺旋叶片(这提供了更加连续动力生产的优点)。图5示出Gorlov轮机的转子的例子。Gorlov设备已被提议用作具有竖向或水平轴线的风驱和水驱轮机。进一步的信息可从例如US5,642,984获得。有些情况下(如图5所示)，叶片11由端板13支撑，在其它情况下由中心轴的轮辐支撑。但是，螺旋叶片不形成固有的刚性结构，但有赖于其因结构完整性而获得的弯曲刚度。这意味着叶片不能伸展成为特别长的结构内而不遇到上述偏转问题。还存在的问题是螺旋叶片本身制造困难且成本昂贵。

发明内容

本发明的目标是缓解或至少部分地缓解一个或多个上述问题。

本发明提供一种横向流体水轮机，包括围绕轴线可旋转安装的转子，该转子包括至少三个叶片，以便当叶片位于流动的水中时使得转子围绕轴线旋转，其中该转子包括多个三维三角形结构形式的部件，其中至少一个所述叶片用于构成(comprise)一个所述部件，其中所述至少一个叶片是长形的并具有基本上直的线，其中所述至少一个叶片的线不平行于所述轴线，并布置成叶片的线和轴线不在共同的平面内。

根据本发明的轮机具有以下优势，通过使其能够水平延伸从而其允许设备的增大(scalability)。

本发明的实施方式通过提供三维三角形结构来解决偏转问题，也就是提供主要通过压缩和拉伸承载载荷的非平面刚性结构。三角形结构优选基本上为直部件的组件；如果这些由在其端部通过“销”接头(即不抵抗力矩的接头)连接的部件代替，则该等效结构将是静定的或多余的。其不能形成机构。在真实结构中，其中接头可传递力矩，不管如何，结构中的载荷主要在轴向上，由于三角形形式的固有支承使得所述结构为刚性。在本发明的一个优选实施方式中，叶片的数目是六个，叶片相对于旋转轴线倾斜。与此相反，Darrieus型轮机通常由非三角形的两个或三个平行叶片(Davis轮机通常为4叶片)组成。在本发明中，叶片自身用于形成刚性结构的部件，抑制在侧向荷载下结构变形的主要原因。

布置基本上直的轮机叶片的线和轮机的旋转轴线，以使其不位于共同的平面内，使得能够构造本发明的实施方式，其中轮机的一个或多个叶片是三维三角形结构的一体结构构件，因此不需要额外的支承。

附图说明

现在参照附图仅以例子的方式说明本发明的实施方式，其中：

图1示出Darrieus风轮机；

图2示出非根据本发明的3叶片水平轴线Darrieus轮机；

图3示出非根据本发明的长2叶片Darrieus轮机的偏转；

图4示出非根据本发明的具有加固节部的长2叶片Darrieus轮机的偏转；

图5示出非根据本发明的Gorlov螺旋轮机；

图6示出根据本发明的实施方式的叶片形成三角形结构的6叶片轮机；

图7示出根据本发明的实施方式的多单元6叶片结构；

图8示出叶片切向偏移的体现本发明的6叶片结构；

图9示出叶片径向偏移的体现本发明的6叶片结构；

图10示出叶片切向偏移并且具有三角形端部的体现本发明的6叶片结构；

图11示出具有平行于轴线的3个叶片的体现本发明的不对称6叶片结构；

图12示出非根据本发明的长的、已支承(braced)的2叶片Darrieus轮机的偏转；

图13是体现本发明的轮机安装的正视图；

图14是图13的轮机安装的截面；

图15是图13的轮机安装的示意图；

图16示出非根据本发明的轴向流体轮机的相应安装；

图17示出体现本发明的长轮机安装；以及

图18是作为活动堰板的轮机安装的截面。

在附图中，相同部分由相同的附图标记指示。

具体实施方式

展示本发明的实施方式的主要应用是从潮汐流提取能量，但该设备同样可以配置于其它类型的流体，比如河流，或由洋流引起的流体。以下仅以潮汐流作为例子进行说明，但这仅是优选的配置且不排除在其它流体位置的配置。

第一实施方式

图6示出本发明的第一实施方式的轮机。与图2的轮机转子相比，叶片的数目增加至六个，叶片11重新排列形成三角形的结构。图6示出结构的一个单元。注意叶片11自身是如何用于形成三角形结构的长形(elongate)部件。这种情况下，叶片不平行于转子的旋转轴线14。此外，叶片11相对于轴线14不径向倾斜，而是切向倾斜，因此叶片11的纵向线和转子的轴线14不共面。这样，叶片11形成三维三角形结构的部件。当然，叶片另外还可以径向倾斜，比如假设转子在一端渐渐变细。几个单元附装到一起形成连续结构，如图7中示出为三个单元。尽管各单元显示为具有等直径和等长度，这并不必要。比如，直径在更深的水域可更大。轮机的直径没有特别的限制，但当用于60至80m深水时一般直径为20m。当然，可能是更小得多的型式。

通过考虑垂直于轮机转子的轴线的平面确定轮机叶片的数目，该平面截取(intercept)最大数目的与轴线有关的叶片；该数目给定叶片的数目。因此，尽管图7由每个具有六个不同叶片的三个单元组成，但仍然认为是六个叶片的轮机转子设计。优选地，所有叶片也是形成三角形结构的至少一部分的部件。但是，并非所有三角形结构的部件都必须是叶片。

叶片的轮廓可采取已知Darrieus轮机的任何适当形式。比如，叶片通常具有横断面上的翼型(aerofoil)形状，该翼型是对称的，即相对面的轮廓相同。

在本实施方式中，叶片基本上是直的并沿其长度限定直线。可选择的，可扭转叶片的翼型轮廓(而叶片的纵向线保持基本上直的)以使流体效率最佳，因此旋转轴线的径向垂直于叶片沿其长度的平面。但是，即使在这种情况下，每个叶片的线也是直的。在构造的一个形式中，每个叶片具有钢的中央直骨梁(spar)和可扭转的形成翼型轮廓的外壳。该壳体为轻重量材料，比如纤维玻璃或其它复合材料。

进一步的实施方式

本发明的重要部分是该设计是三角形的以利用叶片作为结构元件形成刚性结构。这使得轮机能够横穿流体延伸并减少所需支撑的数目。尽管附图6和7示出在每个单元的末端处的圆盘上相交的直的、扭转叶片，而且具有相等面积且相同地倾斜于轴线，但这些特征对于本发明都不是必要的。本发明的第一实施方式的其它、替代实施方式和变型包括：

(a)叶片可稍微弯曲。它们不必具有恒定的弦宽度。但是，它们充当桁架结构(基本上为三角形结构)的压缩和拉伸部件。

(b)叶片可在其相交处稍微地偏移，如图8(切向偏移)和图9(径向偏移)所示。这些设计满足刚性结构的基本要求，但可为流体动力的原因被优化。

(c)它们不必在圆盘内相交，而可在如图10所示的三角形末端15相交。

(d)叶片的尺寸和相对流体的角度可变化。图11示出一个例子，其中三个叶片平行于旋转轴线，三个较小叶片倾斜。它们仍然形成刚性三角形结构。

(e)叶片的数目不必为六个。例如，可以采用不同数目的叶片，比如八个，取决于轮机包括三角形结构的要求。

(f)获得刚性三角形结构的另一种方法是通过利用至少3个叶片、用细长拉伸构件横向支承，可选择的为流线型截面的杆的形式。附加支承构件的效果的显示在图12给出。该图没有根据本发明的实施方式，因为它用于2叶片轮机并且为清晰起见仅示出在一个平面内的支承，但其给出以用于与图3和4作比较。如图12所示，整体结构的剪切偏转变得小得多，抑制了相应的变形。独立的叶片11仍然变形为12，如图12所示，但其偏转与图3和4所示结构的先前的总变形相比小得多。

体现本发明的轮机的配置

图13示出体现本发明的轮机的典型的可能配置。所示两个轮机转子5由固定到海底2的三个结构3、4支撑，两个结构3穿出水面1，一个结构4则没有穿出。为了运输、波浪载荷和环境的缘故，其具有不穿出水面的支承结构可能是有利的。轮机转子可连接到独立的各个发电机(未示出)，或可与支承结构3之一中的单个发电机连接在一起。为了减小施加在支承结构上的转矩，相邻轮机转子可相反地旋转。另外，并不要求所有轮机转子5必须彼此直径相同，直径也不必沿它们长度一致。

图14示出穿过体现本发明的轮机的轴线的截面，示出水流7横过轮机5。当流体在潮汐中反转时，轮机5如先前同样意义地旋转：不论流体方向如何，轮机5同样地旋转。

图15示出设计的相同方案，示出流体7横过轮机5。流体不必准确地在横向方向。但是，偏斜的流体将引起一些效率损失。

与图13相比较，图16示出占据横穿流体相似宽度的轴向流体轮机8的典型配置。与体现本发明的轮机相比较，该轴向流体方案：

(a)截取流体的较小横截面，

(b)需要更多支承结构，为了通向发电机，所有支承结构必须穿透水面，

(c)需要更多发电机，

(d)需要用于轴承的更多基本封密等。

比如在浅水河口，具有一个或多个发电机6，体现本发明的一系列轮机将连接在一起以形成如图17所示的长列。

体现本发明的轮机还可配置在更高速流体中，比如河流。在适当情况下，轮机5可充当“活动堰板”，参见图18。堰板的下游，流体会变得超临界，接着是水力后跳至次临界流体。

支承结构3、4可采取任何适当的形式。例如，其可为具有基于独桩、多桩、重力基座或沉箱的基础的固定结构。支承结构可为钢或混凝土制成。在某些应用(比如很深的水中)，系缆浮力结构可能是适当的。

发电机也可采取任意若干适当结构。例如，发电机可以是没有齿轮的低角速度发电机，或具有轮机和发电机之间的加速(step-up)齿轮箱的更高角速度发电机。每个支承结构中可有一个(或两个)发电机，或轮机转子5可仅通过支承结构(比如利用允许轻微角偏差的连接器)联接在一起，动力输出可仅在沿线上的一点。还可设想更复杂的方案，其中采用机械传输系统以使发电机能够坐落在水位线之上。

Claims (7)

1.一种横向流体水轮机，包括安装成可围绕轴线旋转的转子，所述转子包括至少三个叶片，以便当叶片位于流动的水中时使转子围绕轴线旋转，

其中所述转子包括多个三维三角形结构形式的部件，其中至少一个所述叶片用于构成一个所述部件，其中所述至少一个叶片是长形的并具有基本上直的线，且其中所述至少一个叶片的所述线不平行于所述轴线，并布置成所述叶片的所述线和所述轴线不在共同的平面内。

2.根据权利要求1所述的横向流体水轮机，包括形成所述三角形结构的部件的至少六个叶片。

3.根据权利要求1或2所述的横向流体水轮机，其中每个叶片基本上是直的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的横向流体水轮机，其中至少一个叶片具有翼型轮廓。

5.根据前述权利要求中任一项所述的横向流体水轮机，其中至少一个叶片是沿其长度扭曲的翼型。

6.根据前述权利要求中任一项所述的横向流体水轮机，其中，在沿所述轴线的至少一个位置，垂直于所述轴线的平面由所述三角形结构的至少六个部件截取。

7.根据前述权利要求中任一项所述的横向流体水轮机，其中所述轴线基本上是水平的。

Images