CN101842585B - 具有扭曲式翼片的横轴式涡轮 - Google Patents

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Abstract

一种适于用作水力涡轮或风力涡轮的涡轮，其用于由流体流产生旋转运动，其中，涡轮的旋转轴线横向于流动方向。涡轮具有可在旋转轴线处会合的两个翼片，且涡轮是螺旋式和渐缩的。涡轮具有类圆锥形底座。涡轮的非安装端优选地向下游倾斜成使得涡轮旋转轴线在离流动方向的垂线约5°至15°的范围中。

Description

具有扭曲式翼片的横轴式涡轮
技术领域
本发明涉及用于由流动的流体(一般是水或空气)产生旋转运动的涡轮，其中，在使用中，涡轮的旋转轴线横向于流体流的方向。
背景技术
构造成用于在其旋转轴线横向于风向的情况下使用的风力涡轮是众所周知的。在风力涡轮使其旋转轴线横向于空气流的情况下，旋转轴线最便利地(就安全安装和适应不同风向的能力而言)大体垂直地定向，而且这种风力涡轮通常被称为竖直轴风力涡轮(或VAWT)，以使它们区别于水平轴风力涡轮，在水平轴风力涡轮中，在使用中，旋转轴线大体平行于风向。水平轴风力涡轮的转子必须面向风向或背离风向，且需要偏航机构来使转子绕着塔架的竖直轴线旋转，以保持转子与风流恰当地对准。
竖直轴风力涡轮(VAWT)大体包括中心轴，中心轴相对于地面竖直地布置，且可旋转地支承排列在轴周围且粗略垂直于风流的多个叶片或导叶。竖直轴涡轮不需要偏航机构来使叶片与风对准，且发电机或其它能量转换器和相关的动力传递装备可在涡轮的底部处安装在地面上，从而潜在地显著地降低安装的复杂性和成本。
最著名的VAWT类型是Savonius型(如在授予Savonius的1930年6月24日授权的美国专利No.1,766,765，‘WIND ROTOR’(风力转子)中显示的，该专利公开了具有自调节机构的Savonius型涡轮)和Darrieus型(如在授予Darrieus的1931年12月8日授权的美国专利No.1,835,018，‘TURBINE HAVING ITS ROTATING SHAFTTRANSVERSE TO THE FLOW OF THE CURRENT’(使其旋转轴横向于流的流动的涡轮)中显示的)。如由以下示例性专利文献所表明，已经开发出了VAWT的若干种不同构造。
授予Smith的1914年6月16日授权的美国专利No.1,100,332，‘WINDMILL’(风车)公开了两级式竖直轴风力涡轮，其中高的级具有基本为Darrieus型的翼片。
授予Snarbach的1976年3月2日授权的美国专利No.3,941,504，‘WIND POWERED POTATING DEVICE’(风力驱动的旋转装置)公开了具有三个大体螺旋式翼片的竖直轴风力涡轮，其中，翼片的底部是隔开的，且翼片是扭曲的并且构造成使得翼片的前缘全部在翼片的顶部处会合。
授予Gilman的1981年10月6日授权的美国专利No.4,293,274，‘VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR GENERATINGUSABLE ENERGY’(用于产生可使用的能量的竖直轴风力涡轮)公开了具有用于改变可用于风接触的导叶表面的机构的螺旋式Savonius型涡轮。
授予Mason的1982年12月28授权的美国专利No.4,365,934，‘WIND MACHINE’(风力机)公开了具有这样的叶片的竖直轴风力涡轮：该叶片枢轴地安装以使得它们能够在涡轮的各次旋转期间按需要向外摆以捕捉风，以及向内摆到顺桨以减小阻力。
授予Goldberg的1995年4月11日授权的美国专利No.5,405,246，‘VERTICAL-AXIS WIND TURBINE WITH A TWISTEDBLADE CONFIGURATION’(具有扭曲式叶片构造的竖直轴风力涡轮)公开了具有螺旋式翼片的Darrieus型涡轮。
授予Jaakola的2002年8月6日授权的美国专利No.6,428,275，‘HELICAL WIND ROTOR AND METHOD FORMANUFACTURING SAME’(螺旋式风力转子及其制造方法)公开了具有使用了平面材料的翼片设计的螺旋式Savonius型涡轮。
授予Kane的2006年5月9日授权的美国专利No.7,040,859，‘WIND TURBINE’(风力涡轮)公开了这样的竖直轴风力涡轮：该竖直轴风力涡轮具有排列在其周边周围且具有圆形盖的多个大体竖直地延伸的叶片。
授予Becker的2006年11月7日授权的美国专利No.7,132,760，‘WIND TURBINE DEVICE’(风力涡轮装置)公开了一种混合式竖直轴风力涡轮，该混合式竖直轴风力涡轮包括一对内部螺旋式非交迭叶片和一对外部纵向延伸式翼型件式叶片。
2007年5月10公开的(专利)公开No.US 2007/0104582(现在为授予Rahai等人的2008年7月1日授权的美国专利NO.7,393,177)公开了用于Savonius型涡轮的翼片轮廓。
虽然，在给定流体密度和操作环境的差异的情况下，风力涡轮技术的一般发展可对水力涡轮技术有一些应用，但是最近的风力涡轮和水力涡轮发展中还不存在大的交迭。另外，作为大体被理解为横轴式涡轮的主要优势的内容，对准无关性在水力涡轮中较不重要，对于它而言，流动方向(在河流情况下)或多个流动方向(在潮汐流的情况下)的可预测性简化了对准问题，与VAWT相比，横轴式水力涡轮有相对较少的发展。水力涡轮通常类似于水平轴风力涡轮，因为它们构造成使得在使用中旋转轴线优选地与水的流动方向对准。
发明公开
本发明的横轴式涡轮大体属于所谓的Savonius型横轴式涡轮的类别。本发明包括一体式翼片(solid foil)构造(其中单个翼片非常笼统地类似于最初的Savonius型涡轮的“S”形转子)或双翼片构造(其中两个翼片非常笼统地类似于美国专利No.1,766,765中公开的Savonius型涡轮的两个翼片)两者。双翼片Savonius型涡轮可部分地由翼片之间的交迭(通常表示成各个翼片的弦长的百分比)描述，以及由翼片之间的间隙的最小尺寸(通常也表示成各个翼片的弦长的百分比)描述。通过用这种方法来描述双翼片Savonius型涡轮，一体式翼片Savonius型涡轮可被概念化为具有0％交迭和0％间隙的双翼片涡轮。
在此说明书和权利要求书中，下列术语具有以下意思：a)翼片或叶片：通常以从风中抽取动力的方式与风(或其它流动的流体)相互作用的涡轮的部分；b)双翼片涡轮(或构造)：具有两个翼片的涡轮，翼片之间有间隙，并且其中，各个翼片是另一个翼片的镜像；c)一体式翼片涡轮(或构造)：其翼片具有0％交迭和0％间隙的涡轮，其中，旋转轴线在包括翼片的构件内，且在旋转轴线的一侧上的构件部分是在旋转轴线的另一侧上的构件部分的镜像；d)翼展：从翼片的一端到翼片的另一端，基本平行于旋转轴线测得的距离；e)外边缘：离旋转轴线最远的翼片边缘；f)内边缘：双翼片涡轮的最接近旋转轴线的翼片边缘(一体式翼片构造的翼片不具有内边缘)；g)弦长：i)在双翼片涡轮的情况下，垂直于旋转轴线测得的从外边缘到内边缘的距离；以及ii)在一体式翼片涡轮的情况下，垂直于旋转轴线测得的从外边缘到旋转轴线的距离；h)翼片截面：当作为垂直于旋转轴线的截面观察时，从外边缘到内边缘(在双翼片涡轮的情况下)的翼片形状，或者从外边缘到旋转轴线(在一体式翼片涡轮的情况下)的翼片形状；i)扭曲：翼型件截面的入射角沿着翼展的改变；以及j)叶尖速比(TSR)：翼片的外边缘的旋转速度和引起翼片旋转的流体的流速的比率。
在此说明书和权利要求书中，表示风力涡轮或水力涡轮实施例的术语不应当理解为将本文描述的发明限于仅风力涡轮或水力涡轮；本发明适用于与任何流动的流体一起使用。类似地，在本文中使用表示位置和定向的术语，例如顶部、底部、上、下、右、左、竖直、水平等，以便于理解，且这些术语不表示这样描述的构件总是具有相同的位置或定向。
在一方面，本发明是横轴式涡轮，其通常在仅一端处(在VAWT的情况下，在涡轮的底部端处)具有安装件，其中，涡轮的轮廓是大体渐缩的，因为在与安装端相对的涡轮的端部(本文称为非安装端)附近，弦长减小，从而使得在顶部端处弦长为零、接近零或者至少远远小于安装端处的弦长。
渐缩可为直线式的，从而使得在使用中由涡轮扫掠过的三维区域基本是锥形区段。或者，渐缩可为曲线式的，从而使得由涡轮扫掠过的三维区域是基本椭圆形或球形的。另外，涡轮的一部分(优选为离安装端比离非安装端更近的部分)可以不是渐缩的(即由底部部分扫掠过的三维区域可为圆柱形的)。这种非渐缩部分可与直线式渐缩部分或曲线式渐缩部分结合。
另外，最大弦长可以不在安装端处，而是可位于沿着安装端和非安装端之间的翼展的位置处，其中，沿着翼展从安装端朝向非安装端移动，弦长增大直至最大弦长的位置，且然后朝非安装端减小。这种涡轮构造在本文中概括地称为双渐缩的。在风力涡轮的情况下，这种双渐缩构造可在湍流位置(例如可与地面密切有关)中最优地使用。
对于风应用，成双渐缩构造的最大弦长的位置可在翼展的约30％至50％(从安装端起测量)附近。安装端处的弦长为最大弦长的约85％。涡轮的高度与宽度的比率可在1.67∶1左右，且一般不小于1.5∶1。
涡轮可具有螺旋式构造，因为各个翼片可具有至少180°的扭曲。对于渐缩构造，优选的是扭曲为至少约200°至220°。或者，扭曲可基本大于200°，在这种情况下，扭曲的角度优选为约20°至30°加上180°的倍数。
涡轮可在安装端处具有类圆锥形底座，该类圆锥形底座具有简单的圆锥形或更优选地根据流体流具有复杂的凹入形状。类圆锥形底座是坚固的；通过减小相关流体流过的总表面(有时称为“湿的表面”)来减小阻力；并且为轴承和其它装备(例如发电机的全部或一部分)提供空间。
螺旋式构造有利于进行自启动，以及使各次完整的旋转的扭矩输出平滑。螺旋形式、本文描述的翼片截面构造、渐缩构造和类圆锥形底座均全部理解为有助于形成和保持低压升力区域，该低压升力区域在涡轮旋转时在翼片的表面上从安装端朝向非安装端迁移。当升力区域向上迁移时，其协助在其附近建立层流。层流的这种增强会导致在各个翼片截面上与层流相关的攻角的范围变宽，从而产生较大的升力。在升力区域建立处的截面上方的截面具有的旋转原动力比在升力区域没有迁移的情况下它们可能具有的旋转原动力更大，从而贯穿以此方式渐缩的翼片的各次完整的旋转产生相当恒定的扭矩。
在一方面，本发明是一种涡轮，其用于响应于相对于该涡轮流动的流体而旋转，其中，在使用中，涡轮定向成使其旋转轴线横向于流体流，该涡轮包括沿着旋转轴线延伸的至少两个翼片，其中：各个翼片在其翼展的一端处具有安装端，且在其翼展的另一端处具有非安装端；各个翼片沿着其翼展具有绕着旋转轴线不小于约180°的扭曲；各个翼片的翼片截面的一侧大体是凹的，且该翼片的翼片截面的另一侧具有外部凸出区段、中间凹入区段和内部凸出区段；并且翼片在安装端附近的弦长大于该翼片在非安装端附近的弦长，借此涡轮的轮廓是大体渐缩的。
附图简述
图1是显示了本发明的示例性一体式翼片螺旋式单渐缩VAWT实施例的透视图。
图2是显示了本发明的示例性一体式翼片螺旋式双渐缩VAWT实施例的透视图。
图3是显示了本发明的示例性双翼片螺旋式单渐缩VAWT实施例的透视图。
图4是显示了本发明的示例性双翼片螺旋式双渐缩VAWT实施例的透视图。
图5是显示了本发明的示例性一体式翼片非螺旋式单渐缩VAWT实施例的透视图。
图6是显示了本发明的示例性一体式翼片非螺旋式双渐缩VAWT实施例的透视图。
图7是显示了本发明的示例性双翼片非螺旋式单渐缩VAWT实施例的透视图。
图8是显示了本发明的示例性双翼片非螺旋式双渐缩VAWT实施例的透视图。
图9是具有双曲线式翼片截面的本发明的一体式翼片VAWT实施例的翼片截面图，该图表示了翼片截面的偏移尺寸，偏移是从弦线/半径线得到的。
图10是具有双曲线式翼片截面的本发明的双翼片VAWT实施例的翼片截面图，该图表示了翼片截面的偏移尺寸，偏移是从弦线/半径线得到的。
图11是具有单曲线式翼片截面的本发明的双翼片VAWT实施例的翼片截面图，该图表示了翼片截面的偏移尺寸，偏移是从弦线/半径线得到的。
图12是具有单曲线式改进的Savonius型翼片截面的本发明的双翼片VAWT实施例的翼片截面图，该图表示了翼片截面的偏移尺寸，偏移是从弦线/半径线得到的。
图13是显示了本发明的螺旋式单渐缩VAWT实施例的选定的弦线/半径线的俯视示意图。
图14是显示了本发明的螺旋式双渐缩VAWT实施例的选定的弦线/半径线的俯视示意图。
图15是显示了具有类圆锥形底座的一体式翼片VAWT的局部透视图(仅示出了该翼片的一部分)。
图16是以与图15中的视图不同的相对旋转角度显示的图15所示的一体式翼片VAWT的局部透视图。
图17是移除了翼片的一体式翼片VAWT的类圆锥形底座的透视图。
图18是图17所示的类圆锥形底座的剖面透视图。
图19是具有安装在驾驶室上方和货舱前面的双涡轮偏转器的卡车的透视图，其中经过卡车的空气的一般流径大致由弯带表示。
图20是图19所示的卡车和双涡轮偏转器的侧视图。
图21是图19和20所示的双涡轮偏转器的正视图。
图22是显示了通过柔性传动缆绳悬吊在流水中的一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮的透视图。
图23是显示了悬吊在流水中且通过柔性传动缆绳连接到带系绳的浮动船舶上的一排四个一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮的侧视图。
图24是图23所示的涡轮排和船舶的正视图。
图25是图22、23和24所示的类型的示例性一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮的透视图。
图26是显示为在不同的旋转位置处的图25所示的水力涡轮的透视图。
图27是显示了图25和26所示的水力涡轮的选定的弦线/半径线的俯视示意图。
图28是显示了螺旋式冲压空气VAWT的透视图。
图29是图28所示的冲压空气VAWT的一个区段的透视孤立视图(isolated view)。
图30是图29所示的冲压空气VAWT的区段的透视局部剖面图，其显示了该区段的内部的一部分。
图31是与相关联的轴的一个区段一起显示的图28、29和30所示的冲压空气VAWT的板条的透视图。
图32是图31所示的板条的截面图。
图33至40是具有双曲线式翼片截面和沿着翼片的翼展改变的翼片截面的、本发明的一体式翼片螺旋式涡轮实施例的一系列的翼片截面图，其中各个截面图表示了从弦线/半径线得到的偏移尺寸，如下：a)图33是在安装端附近的翼片截面图；b)图34是自图33的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；c)图35是自图34的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；d)图36是自图35的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；e)图37是自图36的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；f)图38是自图37的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；g)图39是自图38的翼片截面起扭曲30°的截面的翼片截面图；以及h)图40是自图39的翼片截面起扭曲30°且在非安装端附近的截面的翼片截面图。为了细节清楚，图40与图33至39的比例不相同。
用于实现本发明的模式
本文描述的实施例包括复杂的形状和曲线。为了增强对这些形状的理解，若干幅图包含意图表示相关联的形状的轮廓的额外的线条。这种线条不应理解为表示特定特征，例如边缘或接头。
图1显示了具有平面底座61的一体式翼片螺旋式单渐缩VAWT60。图2显示了具有平面底座61的一体式翼片螺旋式双渐缩VAWT62。图3显示了双翼片螺旋式单渐缩VAWT64的翼片(即未显示底座或安装机构)。图4显示了双翼片螺旋式双渐缩VAWT66的翼片(即未显示底座或安装机构)。图5显示了一体式翼片非螺旋式单渐缩VAWT68的翼片(即未显示底座或安装机构)。图6显示了一体式翼片非螺旋式双渐缩VAWT70的翼片(即未显示底座或安装机构)。图7显示了双翼片非螺旋式单渐缩VAWT72的翼片(即未显示底座或安装机构)。图8显示了双翼片非螺旋式双渐缩VAWT74的翼片(即未显示底座或安装机构)。
图9、10、11和12是本发明的不同的VAWT实施例的翼片截面图。这些图中的各个包括弦线/半径线，其中相关联的垂直线表示偏移尺寸集合的位置。通常，两个偏移尺寸与各个垂直线相关联：一个偏移尺寸为从弦线/半径线到最接近的翼片表面(由小写字母的参考标号表示)，另一个为从最接近的翼片表面到另一个翼片表面(由大写字母的参考标号表示)。各图中的大写字母的参考标号(例如，图9中的“Q”)与紧邻外边缘的翼片截面的半径相关联。各图上表示了相关涡轮的旋转轴线(中心)。
在本说明书中与图9、10、11和12中的各个图相关联的是根据图中显示的弦长/半径长度的百分比列出了在图中表示的尺寸的表格。本发明的实施例包括渐缩构造，其中弦长/半径长度在涡轮上的不同竖直位置处有所不同，但是翼片截面的相关形状在涡轮上的不同竖直位置处保持基本恒定。因此，可根据具有根据在选定的竖直位置处的弦/半径的弦长/半径长度和尺寸(或在非渐缩构造的情况下的尺寸)的百分比来规定的尺寸的翼片截面，来确定这种涡轮的一般形状。如果涡轮是螺旋式的，则可通过显示(通过图或表格)选定的竖直位置处的弦/半径之间的相对角度来规定扭曲(下面会进一步论述)。
图9显示了本发明的一个实施例的一体式翼片双曲线式VAWT翼片截面100。该翼片截面是双曲线式的，因为离弦线/半径线最远的翼片表面包括外部凸出区段102、中间凹入区段104和内部凸出区段106。作为弦长/半径长度(在图9中表示为“半径”)的百分比，图9中表示的尺寸如下：a 2.2A 2.2b 4.6B 5.0c 9.6C 6.8d 13.0D 5.8e 15.6E 3.2f 17.0F 1.8g 18.0G 1.4h 18.0H 2.6i 18.0I 4.8j 16.8J 7.0k 15.4K 9.0l 13.4L 10.2m 10.6M 10.8n 7.4N 11.0o 3.2O 10.2p .8P 8.6Q 1.6(外边缘的半径)R 6.6(所表示的偏移的间距)S 3.4(所表示的偏移的间距)
图10显示了本发明的一个实施例的双翼片双曲线式VAWT翼片截面200(以及另一个翼片的翼片截面的一部分)。翼片截面是双曲线式的，因为离弦线/半径线最远的翼片表面包括外部凸出区段102、中间凹入区段104和内部凸出区段106。作为弦长/半径长度(即从外边缘到旋转中心)的百分比，在图10中表示的尺寸如下：a 3.1A 1b 10.6B 5.8c 15.6C 6.8d 18.9D 3.8e 20.9E 1.9f 21.8F 2.2g 21.6G 5h 20.5H 8.4i 18.4I 11.2j 15.2J 12.9k 10.9K 13.4l 5.2L 12.8M 2(外边缘的半径)N 3.7(所表示的偏移的间距)O 10(所表示的偏移的间距)
图11显示了本发明的一个实施例的双翼片单曲线式VAWT翼片截面300(以及另一个翼片的翼片截面的一部分)。该翼片截面被称为单曲线式的，以使其区别于上述双曲线式翼片截面。不像双曲线式翼片截面，在双翼片单曲线式VAWT翼片截面300中，离弦线/半径线最远的翼片表面不具有凹入区段。作为弦长/半径长度(即从外边缘到旋转中心)的百分比，在图11中表示的尺寸如下：a 5.9B 7.1c 12.1C 2.7d 15.1D 6e 16.3E 9.9f 16.1F 14.6g 15G 19.4h 13.6H 23.8i 12I 27.6j 10.1J 30.9k 8.1K 33.9l 5.9L 36m 3.4M 35.2n .7N 29.6O 6.8(外边缘的半径)P 2.1(所表示的偏移的间距)R 10(所表示的偏移的间距)
图12显示了本发明的一个实施例的双翼片单曲线式的改进的Savonius型翼片截面400(以及另一个翼片的翼片截面的一部分)。作为弦长/半径长度(即从外边缘到旋转中心)的百分比，在图12中表示的尺寸如下：A 5.5B 31.5b 3.6C 41.5c 5.1D 47.3d 6.5E 50.5e 7.9F 51.6f 9.6G 50.6g 11.4H 47.6h 13.6I 42.1i 16.7J 32.2j 22K 8k 39.2L 0I 35.9M 9N 10.2(外边缘的半径)P 10(偏移的间距)
图13和14是显示了本发明的渐缩的螺旋式VAWT实施例的选定的弦线/半径线的俯视示意图。图13和14中的弦线/半径线从相关涡轮的旋转轴线(指的是图9至12中的旋转中心)放射出。沿着各个相邻的弦线/半径线对之间的翼展的偏置对于所有这种弦线/半径线对来说都是相同的。因此，相邻的弦线/半径线之间的角度表示相邻的弦线/半径线之间的扭曲，并且累积起来表示所示翼片的扭曲。如图13和14所表示，图中所示的翼片的扭曲为约200°。
为了清楚，图13和14显示了涡轮的仅一侧上的弦线/半径线；将清楚的是，翼片的涡轮另一侧的弦线/半径线将只是图中所示的弦线/半径线的镜像。
图13和14中的弦线/半径线大体对应于图9至12中表示的弦线/半径线。可在由图13和14表示的渐缩的螺旋式构造中使用图9至12中所示的任何翼片截面。
在图13和14所示的一般涡轮构造中：在各图中表示为“A”的弦线/半径线位于涡轮的底部/底座处；相邻的弦线/半径线沿着翼展彼此隔开等于最大弦长/半径长度的40％的量(因此沿着翼展从弦线/半径线“A”至弦线/半径线“K”的距离是各图中的最大弦长/半径长度的400％)；且相邻的弦线/半径线之间的角度为20°。
图13显示了本发明的螺旋式单渐缩VAWT500实施例的选定的弦线/半径线。作为最大弦长/半径长度的百分比，在图13中表示的弦线/半径线的尺寸如下：A 100B 100C 100D 100E 99F 97G 93.2H 82.3I 65.2J 38.5K 8
图14显示了本发明的螺旋式双渐缩VAWT600实施例的选定的弦线/半径线。作为最大弦长/半径长度的百分比，在图14中表示的弦线/半径线的尺寸如下：A 20B 40C 100D 100E 99F 97G 93.2H 82.3I 65.2J 38.5K 8
图13和14所示的渐缩和其它类似的渐缩也可与非螺旋式构造一起使用。在与这种非螺旋式构造的图13和14类似的俯视示意图中，弦线/半径线将仅会彼此交迭。
图15、16、17和18显示了用于一体式翼片VAWT的类圆锥形底座700。底座称为类圆锥形而非仅是圆锥形，因为优选的旋转表面不是由圆锥形区段组成的，而是复杂的凹入形状。如图15和16所示，翼片和类圆锥形底座700的交汇处优选地修整成具有凹形圆角702，以减小湍流。如与传统的翼片-底座连接相比(其中，翼片和底座仅以约90°会合)，类圆锥形底座是坚固的，且通过减小相关流体流过的总表面(有时称为“湿的表面”)来减小阻力。如图18所示，类圆锥形底座还可在底座内为发电机的全部或一部分(或者涡轮所驱动的其它装置)提供足够的空间，从而降低轴承负载，且允许较紧凑的安装。
垂直轴涡轮会经受马格纳斯(Magnus)效应(有时也称为Flettner效应)，借此物体的旋转会影响其通过流体的路径，或者如果物体在固定位置上或者物体移动但以使其路径不会受流经它的流体影响的方式安装，则流体的流径受到影响。马格纳斯效应被理解为包括伯努利效应和在旋转的物体周围的介质中形成边界层的各种现象的产物。
在这种涡轮排列的情况下，可使用由于垂直轴涡轮旋转而导致的流体流偏转来获得期望的流动型式，且也可使用该流体流偏转来使经过移动的运载工具的空气流偏转。现代的大型卡车(特别是长距离运输卡车)的前端，通常成形成以便通过平滑地(或者至少像运载车辆设计的普通约束允许的一样平滑)使经过卡车的空气转向(并且，通常较小程度地转向到侧部)来减小空气阻力。使经过移动的运载工具的空气转向通常会在运载工具上产生向下力，从而导致增大轮胎磨损。或者，安装在运载工具前部处的垂直轴涡轮将由于马格纳斯效应而使经过运载工具的空气转向，并且驱动旋转驱动的装置(例如发电机或制冷压缩机)。
图19和20显示了安装在驾驶室上方且安装在卡车802的货舱前面的双涡轮式偏转器800。双涡轮式偏转器800的各个涡轮是一体式翼片螺旋式单渐缩涡轮。因为沿着渐缩涡轮的翼片的流(不同于受马格纳斯效应影响的一般流)的一部分从涡轮的底座(即单渐缩涡轮的最宽部分)朝向涡轮的另一端(即传统定向的VAWT中的顶部)，所以双涡轮式偏转器还起使空气(卡车802从该空气中穿过)的一部分朝向运载工具的各个侧部转向的作用。图21显示了适于安装在运载工具上的双涡轮式偏转器800。
已经发现，本文大体描述的类型的涡轮可以用与涡轮的旋转轴线成除了大约90°之外的角度的流体流来有用地起作用。
使本发明的涡轮倾斜为使得该涡轮的非安装端向下游倾斜成涡轮旋转轴线在离流动方向的垂线约5°至15°的范围中(且优选为约7°)，提高了涡轮的性能。理解的是当倾斜相对于流动方向恰当地定向时，最好地获得了这种倾斜的好处。但是，倾斜和流动方向不需要完美地对准，且这样来理解倾斜：整个流动方向的约180°(即相对于倾斜与流动方向对准的任一侧为90°)上，与定向成垂直于所有一般的可行流动方向的涡轮相比，倾斜至少对性能没有有害作用。但是，倾斜最好用在流动方向相当恒定的情况下，例如与河流中的水力涡轮一起使用，以及也许与经受持久的风(例如信风)的位置上的风力涡轮一起使用。
也可在涡轮安装结构可相对于流动方向重新定向的情况下使用倾斜，例如，在水力涡轮安装在潮汐流中的驳船上的情况下使用，驳船可被锚定，以便相对于水流自由地进行自定向。或者，如果安装位置不允许驳船进行这种自定向，则可使用可能由涡轮供以动力的流量传感器、计算机控制器和机械装置来改变涡轮相对于驳船的倾斜。
图22中显示了提供自对准和倾斜(尽管倾角不像在以轴的方式安装的水力涡轮的情况下那样受控制)的、以轴的方式安装的水力涡轮的一个备选方案。如图22所示，可使用一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮900来通过经由柔性传动缆绳902悬吊在流水中而由流水产生旋转运动。这种构造安装起来相对廉价，且允许涡轮适应水流方向的变化(诸如(例如)当流为潮汐时)。安装的柔性性质还意味着与以刚性方式安装的涡轮相比，水力涡轮900较不易受水中的浮动的或部分浸没的物品(例如木头)的损害。水力涡轮900相对于流动方向的定向(即以除了90°之外的角)意味着水流的经过水力涡轮900的流动倾向于冲走较小的物品(例如塑料袋、海草等)，较小的物品可能会以别的方式粘附到水力涡轮900上，从而降低其效率。
图23和24显示了一排四个一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮900，它们悬吊在流水中，且通过柔性传动缆绳902连接到带系绳的浮动船舶904上。水力涡轮900可构造和定位成以便利用马格纳斯效应。如图24所示，在浮动船舶904的各侧上的一对水力涡轮900中的各个构造成以便沿与另一对水力涡轮900相反的方向旋转。
图25和26显示了适于在图22、23和24所示的布置中使用的示例性一体式翼片螺旋式双渐缩水力涡轮900。图27显示了图25和26所示的水力涡轮906的弦线/半径线。下表给出了弦长在离距离柔性缆绳的连接点最远的涡轮的端部不同距离处(且处于不同的相对角度)的相对尺寸。
  从最低层开始的层   相对于最长的弦/最宽的半径的弦长   相对于最长的弦/最宽的半径的高出底座的高度 弦线的角度
  A   0   0   0
  B   18   10   10
  C   51.2   30   20
  D   71.8   50   30
  E   84.5   70   40
  F   96   90   50
  G   100   110   60
  H   100   130   70
  I   100   150   80
  J   100   170   90
  K   100   190   100
  L   100   210   110
  M   97   230   120
  N   92.2   250   130
  O   85.7   270   140
  P   78   290   150
  Q   71   310   160
  R   63.2   330   170
  S   55   350   180
  T   46.2   370   190
  U   37   390   200
  V   18.3   410   210
  W   0   420   220
图28显示了可收缩的螺旋式冲压空气VAWT1000。如图28所示，以及在图29和30中更加详细地就一些特征而言，冲压空气VAWT1000包括安装在柱1004上的底板1002和顶板1006。冲压空气翼片1008包括多个板条1010，其中各个板条1010在穿过板条1010的孔处可滑动地安装到轴1012上。板条1010绕着轴1012的相对旋转运动受到阻碍；优选地，轴1012开有键槽，且板条1010中的孔构造成以便与该键槽匹配。织物表皮1014附连到各个板条1010的各个边缘上，以便形成冲压空气翼片1008的表面。存在沿着冲压空气翼片1008的各个外边缘的长度延伸的孔口1016。
在使用中，各个隔室1018(即两个织物表皮1014和板条1010之间的空间)装有空气，空气是通过孔口1016而被推入隔室1018中的。板条1010和织物表皮1014构造成使得隔室1018中所得到压力迫使织物表皮1014成期望的翼片形状。
可通过这样的方式来使冲压空气VAWT1000收缩，即：使顶板1006和底板1002更加紧密地靠在一起，以便使板条1010成堆叠构造，这显著地减小了扫掠过的区域，且使织物表皮1014变松，从而使得空气流中的湍流经过收缩的冲压空气VAWT1000，从而导致最小的旋转扭矩或不存在旋转扭矩。冲压空气VAWT1000可构造成使得顶板1006可滑动的安装在冲压空气轴上，且底板1002固定到冲压空气轴1012上，使得可通过使顶板1006沿着冲压空气轴1012滑动来实现冲压空气VAWT1000的收缩。或者，顶板1006可固定到冲压空气轴1012上，且冲压空气轴1012可相对于底板1002可滑动地安装，从而使得可通过将冲压空气轴1012拉入柱1004中来实现冲压空气VAWT1000的收缩。
如图32所示，在一个实施例中，各个板条1010由两个半板条1020组成，在使用中，两个半板条1020用传统紧固件彼此附连。织物表皮1014的一部分被夹在半板条1018之间，从而将织物表皮1014固定到板条1010上。
图33至40显示了具有双曲线式翼片截面的本发明的一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100实施例。该一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100是“非恒定截面”的，因为翼片截面的特征的相关比例和相关位置会沿着翼片的翼展而改变。表示从弦线/半径线得到的偏移尺寸的截面图如下：a)图33是在安装端附近的安装端截面1102的翼片截面；b)图34是自安装端截面1102起扭曲30°的第二截面1104的翼片截面；c)图35是自第二截面1104起扭曲30°的第三截面1106的翼片截面图；d)图36是自第三截面1106起扭曲30°的第四截面1108的翼片截面图；e)图37是自第四截面1108起扭曲30°的第五截面1110的翼片截面图；f)图38是自第五截面1110起扭曲30°的第六截面1112的翼片截面图；g)图39是自第六截面1112起扭曲30°的第七截面1114的翼片截面图；以及h)图40是自第七截面1114起扭曲30°且在非安装端附近的第八截面1116的翼片截面图。
如以上所提到的，一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100是双曲线式的，因为离弦线/半径线最远的翼片表面包括外部可变凸出区段1120、中间可变凹入区段1122和内部可变凸出区段1124。
全部根据一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的百分比来给出针对图33至40提供的尺寸(包括截面的半径、偏移线的间距，以及偏移尺寸(由大写字母和小写字母表示))。
安装端截面1102的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的100％。图33中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的11.11％。图33中表示的尺寸如下：A 23.92a 23.92B 23.50b 15.99C 23.39c 3.27D 20.55d 4.12E 17.67e 10.41F 15.98f 13.21G 15.56g 13.09H 14.63h 10.37I 13.15i 5.31R 1.66
第二截面1104的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的100％。图34中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的11.11％。图34中表示的尺寸如下：A 16.43a 16.43B 21.93b 3.85C 16.50c 4.47D 11.66d 9.94E 11.34e 13.15F 11.81f 14.17G 12.78g 13.29H 13.13h 10.25I 12.07i 4.97R 1.51
第三截面1106的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的100％。图35中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的11.11％。图35中表示的尺寸如下：A 10.01a 10.01B 19.62b 0C 14.09c 6.15D 10.32d 10.00E 10.77e 12.14F 11.89f 12.70G 13.13g 11.73H 13.08h 9.20I 11.82i 4.90R 1.44
第四截面1108的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的100％。图36中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的11.11％。图36中表示的尺寸如下：A 10.01a 10.01B 19.61b 0.3C 14.07c 5.36D 10.30d 10.24E 10.62e 12.45F 11.89f 13.07G 13.15g 12.16H 13.21h 9.70I 11.76i 5.46
第五截面1110的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的100％。图37中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的11.11％。图37中表示的尺寸如下：A 10.01a 10.01B 19.61b 0.3C 14.07c 5.36D 10.30d 10.24E 10.62e 12.45F 11.89f 13.07G 13.15g 12.16H 13.21h 9.70I 11.76i 5.46
第六截面1112的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的92.13％。图38中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的10.24％。图38中表示的尺寸如下：A 9.22a 9.22B 18.07b 0.10C 12.96c 5.76D 9.48d 9.21E 9.76e 11.18F 10.98f 11.70G 12.12g 10.80H 12.20h 8.47I 10.89i 4.51R 1.33
第七截面1114的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的64.05％。图39中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的7.12％。图39中表示的尺寸如下：A 6.38a 6.38B 12.56b 0.28C 9.01c 3.96D 6.59d 6.40E 6.78e 7.77F 7.65f 8.15G 8.43g 7.51H 8.48h 5.89I 7.57i 3.18R 0.92
第八截面1116的半径为一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的22.59％。图40中的偏移线隔开一体式翼片螺旋式非恒定截面涡轮1100的最大半径的2.51％。图40中表示的尺寸如下：A 2.25a 2.25B 4.44b 0C 3.18c 1.40D 2.33d 2.26E 2.40e 2.75F 2.70f 2.87G 2.98g 2.65H 3.00h 2.08I 2.68i 1.11R 0.33
如可在图33至40中看到的，外部可变凸出区段1120、中间可变凹入区段1122和内部可变凸出区段1124的相关位置和大小沿着翼片的翼展不是恒定的。在翼片的安装端(即安装端截面1102)附近，内部可变凸出区段1124邻近旋转轴线，而在其它截面中，内部可变凸出区段1124朝向翼片的外边缘转移。如图33所示，在安装端截面1102中，对应于内部可变凸出区段1124的位置的最大偏移尺寸在旋转轴线处。如图35至40所示，对应于内部可变凸出区段1124的位置的最大偏移尺寸在B处，即沿着弦长离旋转轴线约11％。因此，从涡轮的旋转轴线和翼片的外边缘之间的弦测得的内部凸出区段的最大尺寸在与距旋转轴线为弦长的约12％内的弦上位置相垂直(normalto)的位置处。
同样，在翼片的安装端(即安装端截面1102)附近，翼片截面的弦长/半径与翼片截面的宽度的比率小于在其它截面中的这个比率。如图33所示，在安装端截面1102中，对应于中间可变凹入区段1122的偏移尺寸(C)为23.39，从而使翼片截面的弦长/半径与翼片截面的宽度的比率为100.00比23.39(或23.39％)。如图36所示，在第四截面1108中，对应于中间可变凹入区段1122的偏移尺寸(D)为10.30，从而使翼片截面的弦长/半径与翼片截面的宽度的比率为100.00比10.30(或10.30％)。如图40所示，在第八截面1116中，对应于中间可变凹入区段1125的偏移尺寸(D)为2.35，从而使翼片截面的弦长/半径与翼片截面的宽度的比率为22.59比2.35(或10.40％)。在中间可变凹入区段1122处的各个翼片截面的宽度不小于翼片截面处的弦长的约10％。
翼片的形状沿其翼展的变化会在安装端附近加强翼片，且会提供用来在安装端处容纳轴承等的内部容积。已经发现，这种调节不会对涡轮的性能有显著的损害，而且这种调节可有助于在翼片的表面上形成和保持合乎需要的低压升力区域。
本发明的水力涡轮可便利地由聚丙烯纤维加强的混凝土制成。已经发现，这是相对廉价和易于操作的材料，其会产生足够坚固的水力涡轮。选择适当的轻质混凝料可生产具有接近中性浮力的涡轮，从而使得安装和维护这种涡轮更加容易。理解的是，聚丙烯纤维加强的混凝土对于至少翼展约四米直径约两米的水力涡轮来说是适当的材料。
可使用传统的玻璃纤维加工来便利地制造本发明的风力涡轮。为了强度和一些加工便利性，玻璃纤维翼片可具有传统的发泡芯材。但是，对本领域技术人员将显而易见的是，可用许多不同的方式来制造风力涡轮翼片。例如，已经发现，可使用胶合板框架利用雪松条结构来制造轻的、足够结实且相对廉价的涡轮。

Claims (14)

1.一种涡轮，用于响应于相对于所述涡轮流动的流体而旋转，其中，在使用中，所述涡轮定向成使其旋转轴线横向于所述流体的流动，所述涡轮包括：
沿着所述旋转轴线延伸的至少两个翼片，其中：
a)各个翼片在其翼展的一端处具有安装端，且在其翼展的另一端处具有非安装端；
b)各个翼片沿其翼展具有绕着所述旋转轴线不小于180°的扭曲；
c)各个翼片的翼片截面的一侧大体是凹的，且所述翼片的翼片截面的另一侧具有外部凸出区段、中间凹入区段和内部凸出区段；以及
d)所述翼片在所述安装端附近的弦长大于所述翼片在所述非安装端附近的弦长，借此所述涡轮的轮廓是大体渐缩的。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮是一体式翼片涡轮，借此所述翼片之间不存在交迭或间隙。
3.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述翼片从该翼片的所述安装端处的底座突出，且所述底座是类圆锥形的。
4.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，各个翼片在所述中间凹入区段处的翼片截面宽度不小于所述翼片截面处的弦长的10％。
5.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，从所述涡轮的旋转轴线和所述翼片的外边缘之间的弦测得的所述内部凸出区段的最大尺寸在与距所述旋转轴线为弦长的12％以内的弦上位置相垂直的位置处。
6.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述安装端附近的翼片截面的长度与宽度的比率大于所述非安装端附近的翼片截面的长度与宽度的比率。
7.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮的非安装端向下游倾斜成使得所述涡轮旋转轴线在离所述流体的流动的垂线5°至15°的范围中。
8.根据权利要求7所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮旋转轴线离所述流体的流动的垂线约7°。
9.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述渐缩是直线式的、曲线式的或者双曲线式的。
10.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮的一部分是非渐缩的，使得由所述非渐缩部分扫掠过的三维容积是圆柱形的。
11.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述扭曲为200°至220°。
12.根据权利要求11所述的涡轮，其特征在于，所述扭曲为约210°。
13.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮是由混凝土制成的水力涡轮、由用聚丙烯加强的混凝土制成的水力涡轮、由玻璃纤维制成的风力涡轮或者由雪松条在木材框架上制成的风力涡轮。
14.根据权利要求1或者2所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮是由玻璃纤维制成的风力涡轮，以及所述涡轮具有发泡芯材。
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