CN101868618B - 具有总升力下降的横流式液力涡轮的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机(55)，该涡轮机包括至少第一和第二升式横流涡轮垛(53A、53B)。第一涡轮垛中相邻涡轮的轴由适于补偿空间错位的第一连接装置相连，第一涡轮垛中相邻涡轮的轴由适于补偿空间错位的第二连接装置相连。该涡轮机包括用于支撑第一和第二涡轮垛的装置(46，48)，该装置相对于所述平面对称，该涡轮机还包括控制装置(220A，220B，224)，所述控制装置适于永远保持第一和第二涡轮垛相对于所述平面对称，并适于保持第一和第二涡轮垛的转速大小相等但旋转方向相反。

Description

具有总升力下降的横流式液力涡轮的涡轮机
技术领域
本发明涉及水轮机，特别涉及用于利用并转换海流或河流的动能、尤其用于提供电能的水轮机。
背景技术
在清洁的天然能源中，当前尚未充分开发的能源相当于全世界天然存在的水流：外海海流、潮汐流、海峡流和河口流、河流。事实上，如果说用蓄水(例如，河上的水坝)中蕴含的势能来提供电能的水电站分布还算广泛的话，那么直接用海流或河流的动能来提供电能的设备通常仍停留在设计阶段。
尽管可用于用海流或河流来提供电能的坝址通常相当于低水流速度，从0.5m/s到6m/s，但是坝址规模和潜在的大量坝址使得这样的能源特别有吸引力。事实上，从河流到大的海流，与水流相交的可开发的面积一般从100m2到100km2不等，对于2m/s的速度来说，这相当于理论上有从400千瓦到400吉瓦不等的可利用的能量。
用于利用和转换海流或河流的动能的设备通常包括涡轮，它具有一组叶片，当其浸没在水流中时，该组叶片适合让轴旋转。在不同类型的涡轮中，可以分为轴流式涡轮和横流式涡轮，前者的流向平行于涡轮的旋转轴，而后者的流向是斜的，且通常垂直于涡轮的旋转轴。
为了工作，某些横流式涡轮利用水流施加在叶片上的升力，因此叶片具有诸如翼形的轮廓，以驱动旋转轴。主要由流动施加在涡叶片片上的升力引起旋转的涡轮称为升力涡轮。对于Darrieus或Gorlov型横流式涡轮或者在本申请人提交的欧洲专利申请EP1718863中公开的那种涡轮来说，尤其如此。
水轮机的一般特征是存在垂直于涡轮旋转轴线和上游流向的总升力。事实上，叶片围绕涡轮(被视为整体)的旋转轴线旋转导致液体围绕涡轮旋转，液体的旋转运动叠加到垂直于旋转轴的入射运动上。就像浸没在垂直于滚筒轴线的入射流中的旋转滚筒一样，这通常导致升力(称为总升力)最终施加在涡轮的旋转轴上，并因此而垂直于流向和旋转轴。总升力总是存在，与涡轮的旋转原因无关，即，对某些横流式涡轮而言，与涡轮轴的旋转是由于每个叶片的局部升力这一事实无关。与用具有非常平滑的表面的旋转滚筒可以观察到现象相反，在常规涡轮上观察到的总升力往往围绕一平均值变化。涡轮每旋转360°，观察到的围绕该平均值的波动就周期性地重复。然后，必须将用于保持涡轮的装置以及可能有的用于将涡轮固定到地上的系统设计成除了能抵抗阻力之外，还能抵抗总升力。此外，涡轮机作为一个整体，即包括转换由涡轮轴提供的机械功率的系统在内，必须能承受由总升力变化导致的振动引起的疲劳。
当若干涡轮彼此相连以增加利用的能量时，问题甚至更严重。
国际专利申请WO200704581公开了一种风轮机，它包括若干连接到桅杆上的风力涡轮。各风力涡轮互不相连，独立运行。已知流动液体中的升力要强得多，因此这种涡轮机不可用于水轮机的构造。
发明内容
本发明的一个方面针对的是横流式涡轮，运行中，作用在该涡轮机的保持装置上的总横向升力基本为零。
一个实施方式提供了一种涡轮机，它具有至少第一、第二、第三和第四升式横流水力涡轮，第一涡轮具有第一旋转轴，第二涡轮具有第二旋转轴，第一和第二涡轮相对于一个平面彼此对称，第三涡轮具有由第一连接装置连接到第一旋转轴上的第三旋转轴，第一连接装置能够补偿第一和第三旋转轴之间的空间错位，第三涡轮与第一涡轮形成第一涡轮垛，第四涡轮具有由第二连接装置连接到第一旋转轴上的第四旋转轴，第二连接装置能够补偿第二和第四旋转轴之间的空间错位，第三和第四涡轮相对于所述平面彼此对称，第四涡轮与第二涡轮形成第二涡轮垛。涡轮机还包括用于保持第一和第二涡轮垛的装置，该装置包括相对于所述平面对称的单个垂直构件，或包括若干垂直构件，其中每个垂直构件相对于所述平面每个都对称和/或垂直构件相对于所述平面整体对称布置，该保持装置还包括相对于所述平面对称、至少部分垂直于所述平面、并且布置在第一和第三涡轮之间以及第二和第四涡轮之间的第一和第二板，第一和第二旋转轴与第一板通过枢轴相连，第三和第四旋转轴与第二板通过枢轴相连。涡轮机还包括控制装置，当第一和第二涡轮垛浸没在流动液体中时，该控制装置能永远保持第一和第二涡轮垛相对于所述平面对称，并能保持第一和第二涡轮垛的转速大小相等但旋转方向相反。
根据本发明的一个实施方式，至少一个相对于所述平面对称的垂直构件相对于液流方向向第一和第二涡轮垛的上游延伸，并且形成首柱。第一涡轮具有连接到第一旋转轴上的第一叶片。第二涡轮具有连接到第二旋转轴上的第二叶片。第三涡轮具有连接到第三旋转轴上的第三叶片。第四涡轮具有连接到第四旋转轴上的第四叶片。控制装置能够旋转第一、第二、第三和第四涡轮，以便当第一、第二、第三和第四叶片最接近所述平面时，它们使所述液体向上流动。
根据本发明的一个实施方式，至少一个垂直构件相对于液流方向向第一和第二涡轮垛的下游延伸，并且形成尾翼。
根据本发明的一个实施方式，第一和第二涡轮垛能够经传动装置驱动单个能量利用系统的输入轴，或者第一涡轮垛能够驱动第一能量利用系统的输入轴，第二涡轮垛能够驱动第二能量利用系统的输入轴。
根据本发明的一个实施方式，涡轮机包括至少两个相对于所述平面对称布置并且沿着流向形成至少一个扩散段的侧向垂直构件，第一和第二涡轮垛位于这些侧向垂直构件之间。
根据本发明的一个实施方式，第一和第二板能够将第一和第三涡轮之间的以及第二和第四涡轮之间的流动液体分开。至少第一涡轮具有连接到第一旋转轴上的第一叶片。保持装置具有至少一个布置在第一叶片的第一翼梢前面的部分。
根据本发明的一个实施方式，涡轮机具有抗碎片装置，抗碎片装置具有连接到至少一个垂直构件上并且至少部分围绕着第一和第二涡轮垛的平行的杆或棒。
根据本发明的一个实施方式，涡轮机具有能够让第一和第二涡轮垛在流动液体中绕枢轴旋转的系统。
根据本发明的一个实施方式，至少第一涡轮具有连接到第一旋转轴上的第一叶片。第一叶片的翼梢由随第一叶片旋转的第一环相连。
根据本发明的一个实施方式，第一涡轮具有连接到第一旋转轴上的第一叶片。第二涡轮具有连接到第二旋转轴上的第二叶片。第三涡轮具有连接到第三旋转轴上的第三叶片。第四涡轮具有连接到第四旋转轴上的第四叶片，第一叶片与第二叶片相对于所述平面对称，第三叶片与第四叶片相对于所述平面对称。在顶视图中，第一叶片相对于第三叶片偏移一定的角度。
根据本发明的一个实施方式，至少一个垂直构件对应于一个空腔，涡轮机还具有用于给该空腔至少部分注入或排空液体的装置。
根据本发明的一个实施方式，至少其中一个侧向垂直构件具有至少一个沿液流方向延伸的狭槽。
附图说明
下面将通过对具体实施方式的非限制性说明并结合附图来详细论述本发明的上述目的、特征和优点，以及其他的目的、特征和优点，在附图中：
图1是涡轮单元的常规实施方式的透视图；
图2是根据本发明的一对涡轮机的一个实施例的透视图；
图3是双塔实施例的透视图；
图4到6是根据本发明的一对涡轮机的其他实施方式的透视图；
图7和8是涡轮机对的其他实施例的顶视图；
图9和10是两个相邻涡轮机之间的连接实施例的简化详图；
图11是一对涡轮机的一个实施方式的类似于图2的视图，它包括首柱和尾翼；
图12是首柱的一个实施方式的局部视图；
图13和14是包括发电装置的双塔的实施方式的透视图；
图15和16是一对涡轮机的实施方式的简化透视图，它包括用于减小同一涡轮柱上相邻涡轮单元之间的相互作用的装置；
图17是图16的那对涡轮机的变型的详图；
图18是一对涡轮机的一个实施方式的类似于图2的视图，它包括首柱、尾翼和侧向垂直构件；
图19和20是具有涡轮机对的双塔实施方式的简化透视图，它包括首柱、尾翼和侧向垂直构件；
图21到23是具有抗碎片装置的涡轮机对的实施方式的简化透视图，它可调节涡轮机对的上游和/或下游的水流；
图24是双塔的一个实施方式的透视图，它包括双塔相对地面的通用定向装置；
图25是一对涡轮机的一个实施方式的透视详图，它包括用于防止形成翼梢旋涡的装置；
图26是垂直构件的内部结构的一个实施例的透视图；而
图27是一对涡轮机的一个实施方式的简化透视图，它包括首柱、尾翼和带有缝隙的侧向垂直构件。
具体实施方式
为清楚起见，在各图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
在说明书的其余部分，基本的横流式涡轮被称为涡轮单元，它包括旋转轴和能够旋转该轴的装置，当这些装置浸没在沿近似垂直于旋转轴的轴线的方向流动的液体中时，这些装置能够使该轴旋转。
图1展示了升式涡轮单元1的一个实施方式，它对应于本申请人提交的欧洲专利申请EP1718863中描述的那些实施方式中的一个。例如，涡轮单元1包括旋转轴2和轴毂3，轴毂3固定到旋转轴2上并且臂4从轴毂3伸出。每个臂4在它与轴毂3相对的端部处支撑着一个翼片5(或叶片)。每个翼片5，例如V形的，可以具有位于其端部的小翼6。
旋转轴彼此相连、并且基本对齐的若干涡轮单元的堆垛被称为涡轮柱。由涡轮柱和用于保持涡轮柱的装置形成的组件被称为塔。两个相邻的涡轮单元的组合被称为涡轮单元对，它具有基本平行且分开的旋转轴线。由一个涡轮单元对和相关保持装置形成的组件被称为涡轮机对。
将与涡轮机对暴露于其中的液流的上游的平均速度矢量平行且与该涡轮机对的各涡轮单元的旋转轴线等距的线称为L1。将包含线L1且与涡轮单元的旋转轴线平行的平面称为P1。因此，平面P1与涡轮机对的各涡轮单元的旋转轴线等距。将包含涡轮机对的各涡轮单元的旋转轴线的平面称为P2。关于平面P1对称的两个涡轮单元的组合被称为对称涡轮单元对，因而所述平面被称为该对称对的正中面。由对称涡轮单元对和用于保持涡轮单元对各涡轮单元的装置形成的组件称为对称涡轮机对或双涡轮机，保持装置本身相对于平面P1对称。由若干涡轮机对的堆垛形成的组件被称为塔对，各涡轮机对的各涡轮单元互连形成两个涡轮柱。由若干对称的涡轮机对的堆垛形成的组件被称为对称塔对，或者双塔。
本发明针对的是由对称的涡轮机对的堆垛形成的对称塔对。每个对称涡轮机对包括用于保持至少一个升式横流涡轮单元对的装置，其中各涡轮单元以相同的转速沿反向旋转。通过增加保持装置内部和保持装置上的负载平衡，导致两个大小相等、方向相反且垂直于流向的总升力被抵消，然而当形成涡轮单元对的两个涡轮单元浸没在流动液体中时，这两个力作用在每个涡轮单元上。
更具体地说，对于对称塔对的每个对称涡轮机对来说，用于保持涡轮机对的装置一方面包括：一个或若干个相对于平面P1对称布置和/或它们本身相对于平面P1对称的垂直构件，另一方面包括一块或者若干块近似垂直于涡轮单元的旋转轴线的板，这些板沿涡轮单元的旋转轴线方向布置在涡轮单元的任一侧上，并且支撑着能确保形成涡轮单元对的每个涡轮单元旋转的销接头。
本发明适合任何形式的横流式涡轮。更具体地说，本发明适合于下述的横流式涡轮，其中每个涡轮具有在升力作用下使轴旋转的叶片。举例来说，本发明适合Darrieus型横流式涡轮，或者Gorlov型横流式涡轮(例如，在公开文献“helical Turbines for the Gulf Stream：Conceptual Approach toDesign of a Large-Scale Floating Power Farm(用于湾流的螺旋涡轮：大型漂浮式电站的概念化设计方法)”(Gorlov等，Marine Technology(海洋技术)，第35卷，第3期，1998年7月，第175-182页)中描述的涡轮，或者在本申请人提交的欧洲专利申请EP1718863中公开的那种涡轮。
图2是根据本发明用于形成双塔的双涡轮机的一个实施方式的简化透视图。对称的涡轮机对10包括两个横流式涡轮单元12A、12B。每个涡轮单元12A、12B包括具有轴线DA、DB的旋转轴14A、14B和能够使轴14A、14B旋转的驱动装置16A、16b。驱动装置16A、16B在图2中被示意性地表示为滚筒。更具体地说，每个滚筒表示包含横流式涡轮单元的驱动装置在内的套装，涡轮单元的旋转轴线与滚筒的旋转轴线重叠。轴14A、14B的轴线DA和DB基本上平行。箭头18表示涡轮单元12A和12B浸没在其中的液体流的上游的平均速度矢量。举例来说，每个涡轮单元12A、12B的外径可以从1米到10米不等。平面P1、P2和线L1用虚线显示。在该实施例中，涡轮单元12A和12B相对于平面P1对称布置。
对称的涡轮机对10包括用于保持涡轮单元12A和12B的装置20。保持装置20由两个基本上与轴线DA和DB平行的垂直构件22、24形成。保持装置20还包括两块基本上平行的板46、48，每块板状如中心开口的菱形。每块板46、48基本上垂直于旋转轴线DA和DB，并且附于与垂直构件22和24相对的两端，并且在另两个相对端处具有两个支撑点50A、50B，轴14A、14B的两端枢接到这两个支撑点上，从而使浸没在流动液体中的每个涡轮单元12A、12B能够旋转。因此，涡轮单元12A、12B被保持在由元件22、24、46和48形成的保持装置20的内部。在该实施方式中，垂直构件22相对于平面P1对称，并且垂直构件24也相对于平面P1对称。然而，对于被称为对称的涡轮机10，不必使垂直构件22与垂直构件24相对于平面P2对称。相对于流向来说，垂直构件22和24分别被布置在平面P2的上游和下游。垂直构件22、24具有三角形横截面，对于垂直构件22来说，一个端点指向上游，而对于垂直构件24来说，则指向下游。
举例来说，在顶视图中，涡轮单元12A顺时针旋转，而涡轮单元12B逆时针旋转。然而，涡轮单元12A也可以逆时针旋转，而涡轮单元12B也可以顺时针旋转。根据涡轮单元12A、12B的旋转方向，涡轮单元12A和12B的驱动装置16A和16B在正中面P1上使流动向上或向下。
就每个涡轮单元12A、12B而言，当浸没在流动液体中时，每个涡轮单元12A、12B所受的应力包括阻力和总升力。由于相对于浸没在流动液体中的保持装置20的平面P1对称，并且相对于(反向旋转的)涡轮单元12A、12B的同一个平面P1对称，因此在由保持装置20和涡轮单元对12A、12B形成的完全对称的涡轮机对10的内部获得了对称的液流。因此在对称的涡轮机对10的内部和内侧产生的流动液体的对称流动，导致两个强度相等、方向相反且垂直于装置上游的液流方向的瞬时总升力作用到涡轮单元12A、12B上。在板46和48内部传递、且通常作用在每个涡轮单元12A、12B上的升力叠加，并且在板46和48与垂直构件22和24的接合处抵消。
图3是双塔52的一个实施方式的透视图，它对应于若干双涡轮机10的堆垛，两个相邻的双涡轮机之间的连接由垂直构件22、24来保证。涡轮单元彼此相连，形成两个相邻的涡轮柱53A、53B。更具体地说，两个相邻的涡轮单元的旋转轴沿堆垛方向彼此相连。
为了确保两涡轮柱以相反的方向、并且最好以相同的转速旋转，可以提供一个机械系统(例如带有齿轮的)将涡轮柱53A的旋转轴与涡轮柱53B的旋转轴相连，以便涡轮柱53A、53B的旋转轴的角位置永远彼此相连。当每个涡轮柱53A、53B与专门的发电机相连时，还可以由相连的发电机通过使用制动转矩来控制每个涡轮柱53A、53B的转速。然后确定制动转矩，以便涡轮柱53A、53B永远以相同的转速反向旋转。
图4是根据本发明的双涡轮机30的另一个实施方式的简化透视图，其中未显示板46、48。与双涡轮机10相比，垂直构件22、24由元件32相连，元件32既充当屏蔽元件，以防止流体在两个涡轮单元12A、12b之间流动，又充当增强元件，以提高保持装置20在平面P1上的挠曲强度，以对抗L1方向上的总阻力。更具体地说，元件32能够抑制保持装置20的第一正常振型。它还能避免由其中一个涡轮单元引起的涡流干扰另一个涡轮单元的工作。用于形成双涡轮机30的保持装置20可以由同一个机械构件形成，其横截面由元件20、24和32的横截面组合而成。
图5是根据本发明的对称涡轮机对36的另一个实施方式的简化透视图。与对称涡轮机对30相比，垂直构件22、24由十字形加强元件37相连，加强元件37提高了保持装置20的刚度，同时还部分屏蔽涡轮单元12A与涡轮单元12B。
图6是根据本发明的对称涡轮机对38的另一个实施方式的简化透视图。与对称涡轮机对10相比，垂直构件22和24具有圆柱形横截面。保持装置20还包括横截面为圆柱形的附加垂直构件40，举例来说，垂直构件40沿平面P1和P2的相交线布置。使用圆形横截面的垂直构件而非其他横截面形状的垂直构件的优点在于圆形横截面的垂直构件制造和供应简单。
图7和8是双涡轮机54的顶视图，其中的涡轮单元12A、12B对应于图1所示的涡轮单元1，在图1中表示涡轮单元1的旋转轴的附图标记2相当于显示这类涡轮单元的其他附图中的附图标记14A和14B。在图7和8中，涡轮单元12A、12B相对于平面P1对称布置。此外，在图7中，涡轮单元12A、12B如此布置：当流动方向由箭头18所示时，涡轮单元12A(在平面P1左侧)逆时针旋转，而涡轮单元12B(在平面P1右侧)顺时针旋转。在图8中，涡轮单元12A、12B如此布置：当流动方向由箭头18所示时，涡轮单元12A(在平面P1左侧)顺时针旋转，而涡轮单元12B(在平面P1右侧)逆时针旋转。对于图7和8，在旋转过程中，涡轮单元12A、12B相对于平面P1保持基本上彼此对称。
在某些情况下，可能需要使用用于联接同一涡轮柱的相邻涡轮单元的轴段的系统。使用这种联接系统需要双塔，对于双塔而言，每个涡轮单元位于与之相连的两块板46、48之间。
图9显示了挠性联接系统59的一个实施方式，用于联接同一涡轮柱53A的两个相邻涡轮单元12A的轴14A。挠性联接系统59能够在同一涡轮柱的两个相邻涡轮单元之间传递联接接，同时允许有轻微的错位时。在图9中，挠性联接系统59位于板46和48之间。
由于水动力学的原因，能够减小同一涡轮柱53A、53B的两个相邻涡轮单元12A、12B的轮毂3之间的间隔可能是有利的。
图10是双塔的一个实施方式的透视详图，相对于图9所示的双塔而言，图10中同一涡轮柱53A的两个相邻涡轮单元的轮毂3之间的间隔减小。旋转轴联接系统59位于由独立附着在每块板46、48上的两个壳体66、67形成的外壳内。每个壳体66、67沿流向可以成流线形。为了避免增加装配的不确定度，这一变型能让板46和48彼此更接近，但又不接触。每个壳体66、67都包括销接头型或者轴承型的机械构件，该机械构件能确保对应涡轮单元12A的轴14A旋转。通过配置动密封件和静密封件，可以提供能防止联接系统59与流动流体接触的紧密性。作为一个变型，联接系统59可以包括恒速接头。
图11是双涡轮机70的另一个实施方式的类似于图2的视图。与图2所示的实施方式相比，双涡轮机70包括相对于平面P1对称且相对于流动方向位于涡轮单元12A、12B上游的垂直构件72。垂直构件72包括主体74，主体74以相对较尖且指向上游的形状76延伸。其次，垂直构件72起首柱的作用。锥形的首柱72尤其能避免碎片积聚在它附近。此外，首柱72的形状能防止在首柱72上出现流动分离。此外，主体74在平面P1上为涡轮单元12A、12B提供保护。特别是，当涡轮单元12A、12B的布置使得翼片5使水流沿平面P1上升时(与图11所示的结构相反的结构)，首柱72起屏蔽作用，以在向上流动阶段，屏蔽翼片。
双涡轮机70还包括相对于平面P1对称并且相对于流动方向布置在涡轮单元12A、12B下游的垂直构件80。有利的是，垂直构件80具有低阻力。垂直构件80具有翼形轮廓的横截面，其前沿82朝向上游，而其后沿84朝向下游。垂直构件80起尾翼作用。它尤其能让双涡轮机70轻松沿流向定向，这将在下面说明。它还能分开涡轮单元12A、12B的尾流，尾流可能相互有不利影响。
图12显示了包括前垂直构件139在内的装置138的一个实施方式，前垂直构件139通过翼梁140连接到首柱72上。前垂直构件139可以起抗碎片装置的作用。外部的抗碎片装置可以固定到前垂直构件139上，这将在下面详细说明。图12中的首柱72和前垂直构件139的组合起抗碎片装置的作用，同时避免使用大尺寸的首柱72，大尺寸的首柱可能引起大的阻力。
图13显示了由双涡轮机的堆垛形成的双塔218的一个实施方式，其中双涡轮机的结构类似于图11所示的双涡轮机86的结构，图中还显示了两个发电机220A、220B。发电机220A由涡轮柱53A驱动，而发电机220B由涡轮柱53B驱动。每台发电机220A、220B都包括变速系统，变速系统根据到达涡轮柱的流量的不同，能改变相连的涡轮柱的轴的转速和相连的发电机的输入轴的转速之比。
图14显示了结构类似于双塔218的双塔222的一个实施方式，但事实上，它包括由两个涡轮柱53A、53B驱动的单台发电机224。然后，涡轮柱53A、53B的旋转轴的端部连接到动力传输系统上，例如齿形皮带或者齿轮式动力传输系统，该系统驱动发电机224的输入轴。传输系统还可使涡轮柱53A相对于涡轮柱53B的相对角位置保持固定。发电机224包括变速系统，变速系统能根据到达涡轮柱53A、53B的流量，改变涡轮柱53A、53B的轴的转速和发电机224的输入轴的转速之比。
发电机220A、220B和224还可根据到达横流式涡轮单元的液体流量，提供确定振幅的制动转矩，以遏制涡轮柱53A、53B的旋转。
当用单台发电机224来收集和转换由每个涡轮柱53A、53B提供的机械能时，可以使用齿轮型动力传输系统，尤其是带有斜齿轮的，如果对发电机224的正常运行必要的话，该系统还能使用涡轮柱的转速和位于发电机输入端的机械轴的转速之间的倍增系数。有利的是，这个简单的齿轮系统可以用更复杂的动力传输系统来代替，例如不同类型的，如齿轮箱型系统。在使用单台发电机时，当两个涡轮柱以略微不对称的方式运行且其转速并不完全同步时，不同类型的系统可能特别有利。
在图13和14所示的实施方式中，发电机220A、220B和224位于涡轮柱53A、53B的顶部。作为一种变型，发电机220A、220B和224可以设置在涡轮柱53A、53B的底部。
尽管已经公开了用于将海流或河流的动能转换成电能的双塔的实施例，但是应该明白本发明也可用于将海流或河流的动能转换成其他形式的能量。举例来说，根据本发明的涡轮机可用于驱动泵送系统或者氢气生成系统，等等。
图15是双涡轮机143的类似于图11的视图，其中每块板46、48由整板形成，并且在该实施例中，所述整板与首柱72和尾翼80相连，且包括用于接收涡轮单元12A、12B的旋转轴14A、14B的支撑点50A、50B。这一实施方式能完全防止同一涡轮柱的两个相邻涡轮单元之间的相互作用。
图16是双涡轮机144的类似于图15的视图，其中每块板46、48包括两个环状部分145A、145B、146A、146B。每个环状部分与涡轮单元12A、12B的翼片5的端部相对，以便在旋转时，每个翼梢——可能包括小翼6——永远靠近环状部分145A、145B、146A、146B运动。环状部分145A、145B、146A、146B能减小同一涡轮柱的两个相邻涡轮单元之间的相互作用，更具体地说，能起小翼的作用，因为它们有利于阻扰翼梢旋涡。
图17是环状部分146B的局部横截面侧视图。还显示了涡轮单元12B的没有小翼6的翼片5的翼梢。环状部分146b可以包括平的表面147，它们位于涡轮单元的翼梢的前面，并由弯曲部分148连在一起。弯曲部分148能够减小由环状部分146B造成的沿流向的阻力。
图18是双涡轮机88的类似于图11的视图，除首柱72和尾翼80之外，还包括两个附着于板46、48上的侧向垂直构件90A、90B。侧向垂直构件90A、90B相对于平面P1对称布置，并且与首柱72和尾翼80一起来限制每个涡轮单元12A、12B处的流动。流动自始至终被限制于涡轮单元12A、12B。在每个涡轮单元12A、12B之外，由于侧向垂直构件90A、90B从平面P1一直到它们的后沿91A、91B的距离增加，因此流动形成一发散部分。例如，对于每个涡轮单元12A、12B而言，翼片5的翼梢位于其中一个环状部分145A、145B、146A、146B的前面。在该实施例中，对于每个涡轮单元12A、12B而言，涡轮单元12A、12B上游的收缩部分部分屏蔽涡轮单元12A、12B的从入射流靠近侧向垂直构件90A、90B的给定区域。为此，相对于图18所示的旋转方向，涡轮单元12A、12B的旋转方向可以反过来。
图19显示了双塔55的一个实施方式，它相当于与双涡轮机88类似的双涡轮机56的堆垛，其中的涡轮单元对应于图1所示的涡轮单元1。对于双塔55，涡轮单元12A、12B的翼片5相对于同一涡轮柱53A、53B的相邻涡轮单元的翼片沿堆垛方向偏移一定的角度，例如40°角。例如，对于每个涡轮单元12A、12B，翼片5的翼梢就在由图15所示的整板形成的板46、48的前面。垂直构件90A、90B与涡轮单元12A、12B相切，尽管如此，但相对于平面P2并不对称。因此侧向垂直构件90A、90B没有屏蔽涡轮单元12A、12B。当垂直构件90A、90B沿着内部流动方向近涡轮单元12A、12B时，由垂直构件90A、90B的内部轮廓明确的宽度突然下降，靠近涡轮单元时，宽度保持定值，之后，在涡轮单元12A、12B的下游，宽度逐渐增加，形成一种扩散段。因此，这种侧向垂直构件的形状可以为NACA、Eppler、Wortman等类型的翼片的形状，也可以有弧度较大的弧面。垂直构件90A、90B在涡轮单元12A、12B下游彼此之间大大分开的事实能增加双涡轮机55所见的液体横截面。如同图18一样，该结构更适合单向流动。
图20显示了由双涡轮机96的堆垛形成的双塔95的一个实施例，它的垂直构件22、24和元件32是一个整体，像图18所示的双涡轮机88一样，双涡轮机96还包括侧向垂直构件90A、90B。此外，侧向垂直构件90A、侧向垂直构件90B和垂直构件24都相对于平面P2对称。因此，对于方向保持基本恒定的反向流动，每个双涡轮机96都可以同样运行(例如，对于潮汐流就是如此)。在图20的实施例中，垂直构件22、24由起首柱和尾翼作用的空心结构97延伸而成。此外，侧向垂直构件90A、90B和元件32基本上与涡轮单元12A、12B相切，同时相对于平面P2对称。当垂直构件90A、90B挨近涡轮单元12A、12B时，由垂直构件90A、90B的内部轮廓明确的宽度逐渐下降，靠近涡轮单元时，宽度保持定值，之后，在涡轮单元12A、12B的下游，如上所述，宽度增加，形成一种有规律的缩放通道。
图21是双涡轮机116的类似于图11的视图，除首柱72和尾翼80之外，每个涡轮单元12A、12B还包括上游抗碎片装置106A、106B和下游抗碎片装置118A、118B。每个上游抗碎片装置106A、106B包括向涡轮单元12A、12B的上游延伸的平行棒108，每根棒的一端与首柱72相连，而它的相对端与垂直构件110A、110B相连，垂直构件110A，110B与板46、48相连。棒108具有弯曲的形状，易于使碎片倾斜和滑动，从而改善碎片清除。此外，棒108能够调节流动。保护网可以连接到上游抗碎片装置106A、106B，举例来说，以避免鱼触及涡轮单元12A、12B。作为一个变型，棒108可以用弯管代替。每个下游抗碎片装置118A、118B包括向涡轮单元12A、12B的下游的延伸的平行棒120，每根棒的一端与尾翼80相连，而它的相对端与垂直构件122A、122B相连，垂直构件122A、122B与板46、48相连。下游抗碎片装置118A、118B能避免碎片从下游到达涡轮单元12A、12B，特别是对弱流而言。它们还能调节对称涡轮机对116下游的流动，这可能是有利的，特别是当另一个对称的涡轮机对位于下游时。此外，如下所述，可以提供能让整个对称的涡轮机对绕平行于旋转轴线DA和DB的轴线旋转的装置。举例来说，用双涡轮机旋转几百度以上产生的流动来直接清洁上游抗碎片装置106A、106B可能是有利的。在此情况下，下游抗碎片装置118A、118B起抗碎片装置106A、106B在清洁阶段所起的作用。
图22是双涡轮机128的类似于图21的视图，其中侧向垂直构件110A、110B、122A、122B由垂直构件130A、130B代替，后者大体上具有图18所示的涡轮机88的侧向垂直构件90A、90B的形状。与图21所示的上游抗碎片装置106A、106B相比，图22所示的上游抗碎片装置106A、106B在首柱72位置处具有更尖的形状。这降低了撞上碎片的风险，并且易于清除碎片。作为一个变型，侧向垂直构件130A、130B可以不直接连接到板46、48上，而是只连接到抗碎片装置106A、106B、118A、118B上。
图23是双涡轮机134的类似于图21的视图，其中首柱72和尾翼80由垂直构件135、136代替，后者具有图2所示的双涡轮机10的垂直构件22、24的形状。上游抗碎片装置106A、106B的棒108相互连接，然后仅在它们的端部处连接到垂直构件130A、130B上。同样，下游抗碎片装置118A、118B的棒120相互连接，然后仅在它们的端部处连接到垂直构件130A、130B上。作为一个变型，可以省略垂直构件135和136。然后，涡轮机的机械保持由侧向垂直构件130A、130B提供。这能使用双塔，而与涡轮单元12A、12B的旋转方向无关。至于图23，垂直构件130A、130B没有像在图22中一样屏蔽涡轮单元12A、12B，并且垂直构件130A、130B如此布置：使得由垂直构件130A、130B明确的宽度在涡轮单元12A、12B的下游逐渐增加，从而形成一种扩散段。垂直构件130A、130B在涡轮单元12A、12B下游彼此之间大大分开的事实能增加双涡轮机134所见的液体横截面。因此，每个侧向垂直构件都可以具有如图19所示的翼片的形状。
图24是双塔196的一个实施方式的透视图，它相当于例如图19所示的双涡轮机88的堆垛，该图还显示了用于确定塔位置的装置198。例如，对于形成双塔196的每对双涡轮机，平面P1和P2被认为是垂直的。定位装置198包括上平台202，在该实施方式中，下平台204为盘状，用于保持位于双塔顶部的双涡轮机的装置与其相连。双塔196包括下平台204，在该实施方式中，其状如盘，用于保持位于双塔底部的双涡轮机的装置与其相连。轴线E的轴部208从平台202向上伸，轴线E’的轴部210从平台204向下伸。轴部210可以组装成在相对于地面固定的下容器(未示)位置处自由旋转。轴部208也可以组装成在上容器(未示)的位置处自由旋转，举例来说，上容器本身由梁或缆绳(未示)连接到地面上。轴线E和E’重合，从而能让双塔196组装成相对于地面旋转。作为一个变型，可以只有下平台204。
双塔196的旋转可以不借助动力而由双涡轮机的尾翼80维持，它自然会使线L1与上游的流向保持平行。因此，如果所述流动是变化的，可以让双塔196旋转，以保持线L1平行于上游的流动。将旋转轴线E或E’设置在两个都施加于侧向垂直构件上并且不经过各自推力中心的力的合力的上游，也可以形成自动旋转。在形成双塔的双涡轮机具有上游抗碎片装置106A、106B的例子中，也可以旋转双塔，以轻松清洁上游抗碎片装置106A、106B。
图25是带有板46和48的双涡轮机172的一个实施方式的透视详图，板46和48状如图15所示的板，只不过它们可以加工有开口。然后，在每块板46和48上分布开口170，例如，均匀地分布。位于涡轮单元同一侧上的翼片5的翼梢可以由环94连接，环94在图25中用黑色表示。环94位于某些开口170的前面，当环94运行经过时，这能减小液力摩擦，同时能减小同一涡轮柱上两个相邻涡轮单元之间的相互作用。涡轮单元12B的环94和相应的板48之间具有间隔173。让这种环94的横截面小一点，以使其宽度仅仅略大于叶片5的厚度，可能是有利的。环94不仅仅是金属丝环。在这种金属丝环上，也可以将小翼移植到叶片5的唯一的翼梢处，这种小翼从而让初始的金属丝环形成局部扩大。环94能提高涡轮单元12B的强度，以对抗由周期性的挠曲应力引起的疲劳。通常，带有环94的涡轮单元12A、12B可以使用任何类型的板46、48，即，相当于下列类型的板：可能加工有开口的整板，菱形板，环94的前面具有环形部分的板，等等。
图26显示了首柱72的一个实施方式，其中首柱72形成中空的水箱，它至少能部分注入液体。这易于安装/拆卸双塔。其次，涡轮机还包括遥控装置，当水箱浸没在液体中时，它能至少部分往水箱中注入液体，和/或至少部分排空水箱。关于中空首柱72的上述实施例可以适用于其他类型的上述垂直构件(尾翼80，侧向垂直构件90A、90B、130A、130B)。
当入射流到达双涡轮机时，它分成驱动涡轮单元的内部流(或称轴向流)和绕双涡轮机流动的外部流。
图27是根据本发明的对称涡轮机对99的另一个实施方式的简化透视图。与图18所示的双涡轮机88相比，双涡轮机99的每个侧向垂直构件90A、90B都与狭槽100相交，从而能在垂直构件90A、90B的外部流和使每个涡轮单元12A、12B旋转的内部入射流之间形成横流。这些横流起源于外部流，然后汇入内部流。横流穿过狭槽100而形成，从每个涡轮单元12A、12B开始，一直到狭槽100的后缘为止。用于将叶片连到涡轮单元旋转轴上的系统所处的涡轮单元区域的前面最好没有狭槽，以避免横流增加这种联接系统上的阻力。因此，提供两个狭槽100可能是有利的，狭槽100将垂直构件90B的中部101分开，垂直构件90B的中部101屏蔽涡轮单元12B的臂4所处的那一部分。除了两个狭槽100外，还可以设想有更多的偶数个狭槽100。
因此，对于每个涡轮单元12A、12B而言，通过改变狭槽100的厚度，所述压差得以减小，并且汽蚀的风险也减小了。调节双涡轮机99下游的轴向流，尤其能减少侧向垂直构件90A、90B的后沿91A、91B的下游的内部和外部流的搅拌汇合。最后，在垂直构件90A、90B的靠近轴向流的区域内，在没有狭槽100的情况下，叶片5将要么是轻微的驱动力要么是阻力的扭矩传递到涡轮单元12A、12B的轴2上，狭槽100的存在引入了影响内部边界层的附加流动，内部边界层形成在侧向垂直构件上，并且可能在局部产生传动力矩，并有助于提高涡轮单元12A、12B的总效率。
当水流流过的海洋或河流的场地很大时，可以将若干双塔集中起来，形成一个小型船队。小型船队中双塔的良好分布能使每个对称塔对利用的能量最大化。
已经描述了本发明的具体实施方式。本领域熟练技术人员会想到各种变化和改进。特别是，先前在具体实施方式中描述过的某些方面可以与其他实施方式结合。例如，就图19和20所示的双塔而言，可以提供图24所示的平台202、204。此外，尽管本发明已经描述了具有两个横流式涡轮的双涡轮机，其中两个横流式涡轮具有单独的平行轴线，并且沿反向旋转，但是本发明显然也适用于具有偶数个涡轮的涡轮机，其中的偶数个涡轮具有由单个保持装置保持的单独的平行轴线，并且一半涡轮沿一个方向旋转，而另一半涡轮沿反向旋转。

Claims (12)

1.一种涡轮机(52；55)，包括：
至少第一、第二、第三、和第四升式横流水力涡轮(12A、12B)，第一涡轮(12A)具有第一旋转轴(14A)，第二涡轮(12B)具有第二旋转轴(14B)，第一和第二涡轮相对于平面(P1)彼此对称，第三涡轮具有通过第一连接装置(59)与第一旋转轴相连的第三旋转轴，第一连接装置能够补偿第一和第三旋转轴之间的空间错位，第三涡轮与第一涡轮形成第一涡轮柱(53A)，第四涡轮具有通过第二连接装置(59)与第二旋转轴相连的第四旋转轴，第二连接装置能补偿第二和第四旋转轴之间的空间错位，第三和第四涡轮相对于所述平面彼此对称，第四涡轮与第二涡轮形成第二涡轮柱(53B)；
用于保持第一和第二涡轮柱的装置(20)，包括相对于所述平面(P1)对称的单个垂直构件，或包括若干垂直构件(22，24)，其中垂直构件相对于所述平面对称，该保持装置还包括相对于所述平面对称、至少部分垂直于所述平面、并且布置在第一和第三涡轮之间以及第二和第四涡轮之间的第一和第二板(46，48)，第一和第二旋转轴与第一板通过枢轴相连，第三和第四旋转轴与第二板通过枢轴相连；和
控制装置，当第一和第二涡轮柱浸没在流动液体中时，该控制装置能永远保持第一和第二涡轮柱相对于所述平面对称，并能保持第一和第二涡轮柱的转速大小相等但旋转方向相反。
2.权利要求1的涡轮机，其中至少一个相对于所述平面(P1)对称的垂直构件(72)相对于液流方向向第一和第二涡轮柱(53A，53B)的上游延伸，并形成首柱，其中第一涡轮(12A)具有连接到第一旋转轴(14A)上的第一叶片(5)，其中第二涡轮(12B)具有连接到第二旋转轴(14B)上的第二叶片(5)，其中第三涡轮具有连接到第三旋转轴上的第三叶片，其中第四涡轮具有连接到第四旋转轴上的第四叶片，而其中的控制装置能够使第一、第二、第三和第四涡轮旋转，以便当第一、第二、第三和第四叶片最接近所述平面时，第一、第二、第三和第四叶片使所述液体向上流动。
3.权利要求1或2的涡轮机，其中至少一个垂直构件(80)相对于液体流向向第一和第二涡轮柱的下游延伸，并形成尾翼。
4.权利要求1的涡轮机，其中的第一和第二涡轮柱(53A，53B)能够经传动装置驱动单个发电机(224)的输入轴，或者其中的第一涡轮柱(53A)能够驱动第一发电机(220A)的输入轴，第二涡轮柱(53B)能够驱动第二发电机(220B)的输入轴。
5.权利要求1的涡轮机，包括至少两个相对于所述平面(P1)对称布置并且沿着流向形成至少一个扩散段的侧向垂直构件(90A，90B；130A，130B)，第一和第二涡轮柱(53A，53B)位于这些侧向垂直构件之间。
6.权利要求1的涡轮机，其中的第一和第二板(46，48)能够分开第一和第三涡轮(12A)之间以及第二和第四涡轮(12B)之间的流动液体，其中至少第一涡轮(12A)具有连接到第一旋转轴(14A)上的第一叶片(5)，而其中的保持装置(20)具有至少一个布置在第一叶片(5)的第一翼梢前面的环状部分(145A，145B)。
7.权利要求1的涡轮机，包括抗碎片装置(106A，106B；118A，118B)，抗碎片装置包括连接到至少一个垂直构件(72，80)上并且至少部分围绕第一和第二涡轮柱(53A，53B)的平行的杆和/或棒(108；120)。
8.权利要求1的涡轮机，包括能够让第一和第二涡轮柱(53A，53B)在流动液体中绕枢轴旋转的定位装置(198)。
9.权利要求1的涡轮机，其中至少第一涡轮(12A)具有若干连接到第一旋转轴(14A)上的第一叶片(5)，而这些第一叶片(5)的端部通过随第一叶片旋转的第一环(94)相连。
10.权利要求1的涡轮机，其中的第一涡轮(12A)具有连接到第一旋转轴(14A)上的第一叶片(5)，其中的第二涡轮(12B)具有连接到第二旋转轴(14B)上的第二叶片(5)，其中的第三涡轮具有连接到第三旋转轴上的第三叶片，其中的第四涡轮具有连接到第四旋转轴上的第四叶片，第一叶片与第二叶片相对于所述平面(P1)对称，第三叶片与第四叶片相对于所述平面(P1)对称，并且其中第一叶片相对于第三叶片偏移一定的角度。
11.权利要求1的涡轮机，其中至少一个垂直构件(72)对应于一个空腔，涡轮机还具有用于给该空腔至少部分注入或排空液体的装置。
12.权利要求5的涡轮机，其中至少其中一个侧向垂直构件(90A，90B)具有至少一个沿液流方向延伸的狭槽(100)。
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