CN102066744A - 水力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种涡轮机叶片，其包括：叶根；叶梢；从叶根延伸到叶梢的前缘；从叶根延伸到叶梢的尾缘；叶根弦，其被定义为在叶根处的位于前缘与尾缘之间的直线；叶梢弦，其被定义为在叶梢处的位于前缘与尾缘之间的直线；其中叶梢弦以50°与90°之间的扭转角从该叶根弦有角度地偏移。

Description

水力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及用于水力驱动涡轮机的涡轮机叶片(turbine blade)，以及涡轮机本身及其组件，而且涉及利用上述叶片和涡轮机发电的方法。
背景技术
涡轮机用于通过使用水流带动涡轮机转子来利用水流中的动力并产生动力(发电)。涡轮机叶片传统上为垂直于涡轮机的中心轴线而延伸的直叶片。涡轮机能够用于从诸如气流和潮汐流等风力运动或水力运动中发电。
虽然如今有多种不同的叶片形状和轮廓得到应用，但并不是所有种类的叶片在不同的涡轮机应用中都以相同的方式运作。对于船用涡轮机(marine tubine)而言，通常采用的是为风力发电开发的技术。由于海水的密度比风的密度大得多，因此可以通过船用涡轮机产生更多的动力。
在直叶片的情况下，由于叶梢的速度远大于叶根的速度，当流体在叶片上流过时，施加到叶片的作用力分布从叶根到叶梢有显著不同。这样就制约了叶片的效率，导致通过给定流体获得的发电量小于最佳值。
由于这些原因以及其它的原因，公知的中心轴线式水力涡轮机在典型的水流条件下无法提供最佳的可用功率输出。
本发明试图改进上述的一个或多个缺陷。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供了一种涡轮机叶片，其包括：
叶根；
叶梢；
从叶根延伸到叶梢的前缘；
从叶根延伸到叶梢的尾缘；
叶根弦(blade root chord)，其被定义为在叶根处的位于前缘与尾缘之间的直线；
叶梢弦(blade root chord)，其被定义为在叶梢处的位于前缘与尾缘之间的直线；
其中，所述叶梢弦以50°与90°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。
优选的是，所述叶梢弦以60°与80°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。更优选的是，所述叶梢弦以65°与75°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。更优选的是，所述叶梢弦以约70°的扭转角从叶根弦有角度地偏移。
根据本发明的叶片尤其适用于船用涡轮机。
所述叶片可由任何合适的材料利用模制工艺制造，所述材料使用纤维增强塑料或其它复合物，但可替代地采用钢、非铁合金或纤维增强塑料制成的结构肋和板状壳体制造。优选的是，所述叶片由合成材料制成。
在第二方案中，本发明提供了一种流体驱动的涡轮机，所述涡轮机包括根据本发明第一方案所述的涡轮机叶片。
优选的是，所述涡轮机是适于利用河流、洋流或潮汐流中的水运动来发电的船用涡轮机。
根据本发明的第三方案，提出了一种中心轴线式水力涡轮机(central axis water turbine)，其包括：
涡轮机本体，所述涡轮机本体具有中心轴线；
转子，所述转子安装在所述涡轮机本体上，绕着所述中心轴线旋转，所述转子包括支撑多个叶片的中心毂(central hub)，各个叶片均包括本发明第一方案的特征，并且均从安装于所述毂上的叶根延伸到叶梢；
产生装置(发电机)，所述发电机由所述转子驱动；和
壳体，所述壳体包围所述转子并适于将水流引向所述转子。
优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成大约1°至20°的倾斜角向后或向下游偏斜、倾斜、或者斜张。
优选的是，所述壳体从所述转子的前方的前开口至邻近所述涡轮机本体的较窄喉部收敛。
优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成2°至10°的倾斜角向后斜张，更优选为4°至6°。进一步优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成大约5°的倾斜角向后斜张。
转子优选包括头锥体，所述头锥体安装在所述转子的前部以减小作用于所述转子上的阻力(drag)并减弱通过所述壳体的湍水流。
优选的是，所述头锥体为中空的，从而为诸如控制系统等辅助系统、或者用于辅助系统乃至主系统的储器提供空间。
在优选实施例中，所述发电机与所述转子容置在一起，所述发电机适于通过所述转子的旋转而产生电力。优选的是，所述发电机直接连接至轴。优选的是，所述发电机通过花键连接方式与所述轴连接。
优选的是，所述发电机由所述转子直接驱动，这种布置方式适合于诸如多极发电机或高极发电机(high-pole electric generator)等选定发电机所要求的输入速度。然而，在一些布置方式中，适于将齿轮箱连接至所述轴或发电机，从而将所述轴输入所述发电机的转速转变为适合于其它类型发电机的转速。
叶片可以具有诸如机翼形、渐缩形、梯形、矩形、平行多边形(parallel)、弯曲形或螺旋形等任何截面形状。在优选的布置方式中，所述机翼形为NACA 4412系列的截面形状。
此外，应当明白，任何叶片形状都是适合的，而且与叶片偏斜角为0°(即、无偏斜或无倾斜)的同类涡轮机相比，向下游或向后倾斜或偏斜1°至20°角能够提高具有合适壳体的中心轴线式涡轮机的功率输出。
优选的是，设置支撑柱来支撑所述转子和所述发电机。优选的是，所述支撑柱为中空的，以提供管道或储器。在一种布置方式中，所述支撑柱在所述转子与所述发电机之间大致沿径向延伸。在优选实施例中，所述支撑柱的位于所述发电机的一端安装成使得所述支撑柱大致沿所述发电机的切线方向延伸。这是为了改善所述发电机与所述壳体之间的扭矩传递，从而有利于使所述支撑柱更轻。此外，该优选布置方式的一个优点在于：由于使用过程中，沿切线方向安装的支撑柱并非布置成完全位于沿径向安装的叶片之后或者由沿径向安装的叶片完全“遮挡”，所以减小了作用于所述支撑柱上的疲劳载荷。
优选的是，设置制动器，用于阻止所述转子旋转。优选的是，所述制动器是失效保护机构(fail safe mechanism)。优选的是，在使用过程中，当向制动元件施加动力时，制动促动器(braking actuator)使所述制动元件保持克服促动力而远离所述转子。在使用过程中，当不向制动促动器施加动力时，来自弹簧或者利用其它类型的适当推动力的促动力克服了所述制动促动器的作用力，并使所述制动元件作用于所述转子，从而使所述转子的旋转减慢或停止。
优选的是，在叶根上设置滑脚(boot)或插塞以覆盖任何间隙、凸起或螺栓头等物，从而使该区域内的干扰阻力最小化。
优选的是，所述壳体限定了具有流动限制部的流道。有利的是，相对于流道的未受限部分而言，该布置方式提高了通过该流道的液体在该流道的限制部分处的流速。所述流动限制部优选包括文氏管，所述文氏管形成所述流道的一部分或全部。特别地，所述文氏管包括扩散-收敛-扩散型文氏管，其从所述流道的任一端处的开口朝向所述流道的内部渐缩。
优选的是，所述壳体关于所述转子大致对称。
文氏管包括：至少一个第一截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体(horn shaped)，可选地为圆柱体；以及至少一个第二截头圆锥体、截头棱锥形或喇叭形体。
在一种布置方式中，在第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中一者的扩散端与第一/第二截头圆锥体、截头角锥体或喇叭形体中另一者的相邻收敛端之间可设置间隙，第一/第二截头圆锥体、截头角锥体或喇叭形体中一者的扩散端的直径小于第一/第二截头圆锥体、截头角锥体或喇叭形体中另一者的收敛端的直径。
优选地，第一/第二截头圆锥体、截头角锥体或喇叭形体中一者的扩散端与第一/第二截头圆锥体、截头角锥体或喇叭形体中另一者的收敛端沿纵向大致吻合。
在优选实施方式中，所述壳体朝向所述转子的后方延伸并起到扩散器的作用，所述壳体从喉部向所述转子后方的后开口扩散。
优选地，所述转子支撑至少两个叶片。更优选地，所述涡轮机具有3个或6个叶片。然而，应当明白，所述涡轮机可采用2、3、4、5、6或更多的任意数量的叶片。
本发明的优选实施方式包括偏斜的或向后斜张的叶片，所述叶片从基部至叶梢与垂直于中心轴线的平面成约1°至20°的倾斜角，以利于提供由所述涡轮机产生的可用功率。
根据本发明的第四方案，提出了一种利用水流发电的方法，该方法包括以下步骤：
将根据本发明第一方案的中心轴线式水力涡轮机设置到海洋或河流环境中，
使水流过所述涡轮机，以使叶片旋转；以及
从涡轮机获取可用功率。
根据本发明的第五方案，提出了一种用于中心轴线式水力涡轮机的由多个部件构成的(成套)装备，该装备包括：
发电机模块，其包括：中心轴线和涡轮机本体，安装在所述涡轮机本体上的转子，用以绕所述中心轴线旋转，所述转子包括用于支撑多个叶片的中心毂，所述发电机模块还包括用于安装一个或多个支撑柱的安装座(mount)和使用过程中由所述转子驱动的发电机；多个叶片，其包括本发明第一方案的特征；壳体；多个支撑柱，其用于将所述发电机模块支撑在所述壳体的中心位置；其中，所述壳体在使用过程中包围所述转子。
优选的是，所述壳体包括支撑柱安装座，用于将支撑柱安装就位，所述支撑柱可以容易地组装成在所述发电机模块与所述壳体之间延伸。
优选的是，所述壳体呈包括圆柱形腔孔的主体的形式，所述转子和所述叶片设置在所述腔孔中，当安装后，所述圆柱向所述叶片的上游延伸。
优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成约1°至20°的倾斜角向后或向下游偏斜或斜张。
纵观本说明书，除了上下文所要求的之外，用词“包括”或者诸如单数形式的“包括”或进行时的“包括”等变型，都应被理解为意指包括一个元件、整体或步骤，或者包括由多个元件、整体或步骤组成的群组，但并不排除任何其它的元件、整体或步骤，或者由多个元件、整体或步骤组成的群组。
任何对本发明中所包含的文献、行为、材料、装置、物品等的论述仅是为了提供本发明的背景内容。上述这些内容的任一项或全部均不应被认为是构成现有技术基础的一部分或在本申请文件的各项权利要求的优先权日之前在澳大利亚已存在的与本发明相关的领域内的公知常识。
为使本发明能够得到更清楚地理解，下面将结合以下附图和示例描述优选实施例。
附图说明
图1以多个视图示出了扭转角为70°的涡轮机叶片；
图2示出了涡轮机叶片的三维视图，图中限定了该叶片的扭转角为(β)，倾斜角为(γ)；
图3示出了涡轮机叶片的三维视图，图中示出了扭转的情况；
图4示出了在不同的流动条件下对应于各种叶片扭转角的涡轮机的效率结果的曲线图；
图5示出了具有六个涡轮机叶片的涡轮机本体；
图6是叶片的侧视图，图中示出了前缘为直边缘；
图7是叶片的正视图，图中示出了该叶梢被显著地扭转以便在掠出页面的正常旋转中呈现出近似的平面；
图8是叶干(blade stem)的详图，图中示出了纤维沿着叶片从叶根至叶梢纵向设置的的方向；
图9是叶干的剖面详图，图中示出通过干涉配合而得以保持的连接套筒；
图10示出了沿叶片从叶根至叶梢的多个剖视图，用以展示沿叶片长度方向的扭转；
图11示出了根据本发明的一个优选实施例的中心轴线式水力涡轮机的侧向剖视图；
图12是在不同的流动条件下，设置各种偏斜角或倾斜角的涡轮机的功率输出的曲线图；
图13是根据本发明的另一优选实施例的中心轴线式水力涡轮机的侧向剖视图；
图14示出根据本发明的一个优选实施例的水力涡轮机的转子的等距分解图；
图15是根据本发明的一个优选实施例的中心轴线式水力涡轮机的正视图；
图16是根据本发明的又一实施例的中心轴线式水力涡轮机的侧向剖视图；
图17是根据本发明的一个实施例的中心轴线式水力涡轮机的等距视图，图中为清晰起见而拆除了壳体或机罩；
图18是根据本发明的一个实施例的中心轴线式水力涡轮机的轴测图，图中示出了涡轮机处于带压载底座(ballasted foot)上的安装位置；
图19是图18中所示的安装好的涡轮机的正视图；
图20是图18中所示的安装好的涡轮机的俯视图；
图21是图18中所示的安装好的涡轮机的侧视图；
图22示出了根据本发明的优选实施方式的一对安装好的中心轴线式涡轮机的立体图；
图23是壳体的正视图，图中示出了沿切向安装的支撑柱；
图24是壳体的等距视图，示出了用于支撑柱的安装座；以及
图25是用于减小叶片/头锥体的界面上的干扰阻力的半滑脚或半插塞的等距视图。
具体实施方式
参照图1至图3，流体驱动的涡轮机的叶片总体上以附图标记24表示。如图2中单独示出的，叶片24具有叶根27、叶梢28、从叶根27延伸到叶梢28的前缘31以及同样从叶根27延伸到叶梢28的尾缘33。
叶根弦被定义为在叶梢27处的位于前缘31与尾缘33之间的直线。叶梢弦被定义在叶梢28处的位于前缘31与尾缘33之间的直线。
在优选的形式中，叶片被设计成具有约70°的扭转角，这意味着该叶片的叶梢弦相对于叶根弦以约70°的扭转角有角度地偏移。
该约70°的最佳扭转角是利用计算流体动力学(CFD)建模来确定的。图4所示的曲线图示出了在不同流动条件下对应于各种叶片扭转角的涡轮机的效率。最佳点是在每一速度下效率处于最高的时候。对各种轮廓和扭转角进行了试验。结果发现，对于以27rpm的转速运行、壳体的喉部直径为5.5m的船用涡轮机而言，最佳扭转角为70°。
这一优选扭转角与传统的涡轮机叶片设计中经常使用的扭转角显著不同。尽管对于特定的涡轮机而言必须对优选扭转角进行优化，但是这种尺度的扭转角能够大幅提高涡轮机的效率。
这种叶片设计能够更为均匀地从来流中获取能量，而不会使作用力集中于叶梢。该扭转角还导致叶根27上的冲角(angle of attack)较大，而叶梢28上的冲角较小(技术上称之为“几何冲刷(geometrical washout)”)。这同样导致从叶根27到叶梢28能够有较好的功率吸收分布。
图5示出了安装在示例性的涡轮机上的六个叶片24。然而，上述叶片可以任意数量应用在各种不同的涡轮机设计中。上述叶片尤其适用于壳体限定有流道的涡轮机。优选的是，该壳体具有流动限制装置，下文描述其它的优选特征。有利的是，相对于流道的未受限部分而言，该优选的布置方式提高了流过流道的液体在该流道的限制部分处的流速。流动限制装置优选地包括文氏管，所述文氏管可形成流道的一部分或全部。特别地，所述文氏管可包括从流道的任一端处的开口朝向该流道的内部逐渐收缩的扩散-收敛-扩散型文氏管。
优选的是，所述壳体关于中心轴线大致对称。文氏管可包括：至少一个第一截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体，可选地为圆柱体；以及至少一个第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体。在一个实施例中，在第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中一者的扩散端与第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中另一者的相邻收敛端之间可设置间隙，第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中一者的扩散端的直径小于第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中的另一者的收敛端的直径。优选的是，第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中一者的扩散端与第一/第二截头圆锥体、截头棱锥体或喇叭形体中另一者的收敛端沿纵向大致吻合。
在优选实施例中，壳体朝向转子的前方延伸。壳体同样朝向转子的后方延伸并起到扩散器的作用，壳体从喉部向转子后方的后部开口扩散。优选的是，转子具有至少两个叶片。更优选的是，涡轮机具有3个或6个叶片。
图6示出由强化玻璃基材或碳强化基材构成的叶片。玻璃纤维或碳纤维设置成沿着叶片从叶根延伸到叶梢以获得最佳的强度/重量比。图9示出了压配合在从叶片伸出的短轴(stub axle)上的套筒。该套筒随后装配到设置在后方或下游的转子腔孔内，并优选为倾斜5度角以便提高功率输出。叶片短轴平行于叶片前缘而延伸。
参照图11-25，根据本发明的一个优选实施例的一种中心轴线式水力涡轮机总体上以附图标记10表示，并且包括主体12、转子14和可选的壳体或机罩16。主体12包括发电机组件18，而转子14被安装成在轴20上绕中心轴线转动。转子14包括支撑多个叶片24的中心毂22，所示的优选实施例中为六个叶片，各个叶片均从安装于毂上的叶根27延伸到叶梢28。当安装后，壳体16被设置成处于使得壳体的内壁包围转子14的位置，而在一些实施例中，壳体从转子前方的前开口29至邻近转子14的较窄的喉部30收敛，用以将水流引向转子14。转子14的叶片24从叶根27至叶梢28以约5°的倾斜角向后偏斜，这意味着前缘31从叶根27到叶梢28以与垂直于在叶根27处穿过前缘的中心轴线的平面35成约5°的倾斜角向后延伸。
优选的倾斜角是利用计算流体动力学(CFD)建模来确定的。图12中所示的曲线图示出了在不同的流动条件下各种倾斜角的涡轮机的模型化相对功率输出。最佳点是各种速度下效率最高的时候。这说明在已知的条件和设计标准下，为使涡轮机以最佳效率运行，叶片应当具有1°与20°之间的，优选为约5°的向后倾斜角。虽然曲线图示出在倾斜角大于5°的情况下可获得最佳效率，但是在某些机械配置下，不大于5°的倾斜角对于叶根处的弯矩最小化是有利的。然而，可以想到，通过适当的安装，也可以成功采用5°以上的倾斜角，比如达到20°甚至更大的倾斜角。
在使用时，在一些实施例中，当设置在水流中并与水流大致平行时，水被收敛的机罩或壳体16引导流向转子14。当水流过叶片24时，转子14受到驱动而使轴20绕中心轴线旋转，所述轴进而驱动发电机18，从而产生功率输出。发电机组件18可以连接至齿轮箱，所述齿轮箱进而连接至轴，但是在这种优选的实施方式中，发电机18经由花键连接方式直接联接至轴而无需齿轮箱。
轴20的材料可以是能够在侵蚀性环境中抵抗腐蚀且能够支撑所需载荷的任何适当的材料。优选为碳钢，然而，也可以是其它材料，包括比如不锈钢。而且，出于同样的保护性目的，轴的一些暴露部分将由套筒、护套或诸如涂层等其它预防性材料覆盖。为利于进一步保护轴，将油脂或诸如重铬酸钡等类似物的其它保护性材料填充或注入到套筒与轴之间的间隙空间。
为了使干扰阻力最小，环绕叶根27和/或邻近叶根27处设置有插塞40，以便使叶根27和毂的附近区域中的水流畅顺。插塞40可由聚亚安酯形成并可采取柔性滑脚或安装时被泵入合适位置的密封剂/粘合液的形式。图25中示出了优选的插塞40或者说该插塞的一半。
毂22以干涉配合的方式附接于轴，从而不仅简化了其与轴的连接，而且确保了该连接的可靠性。
支撑柱50连接至机罩或壳体16，以便在机罩或壳体16上的大致中部的位置支撑主体12和转子。可以采用任何适当数量的支撑柱50，在所示的附图中，支撑柱50为三个。支撑柱50可以是中空的，以便容纳诸如油脂、空气或液压液体等材料的储器，或者形成供电缆或液压油管线等通过的管道。图1和5中所示的支撑柱50比如可以沿径向从发电机和转子伸出。
此外，支撑柱50可旋转地支撑轴20。采用两个隔开的轴承，一个是上游轴承51，一个是下游轴承53，两者通过轴承座套相互连接。支撑柱50以其外径连接至所述轴承座套。
设置制动器60，在所示的优选实施方式中，所述制动器布置在支撑柱附近。制动器60优选为失效保护机构，其中当涡轮机在使用时，利用压力，优选利用液压来保持制动块或诸如磁铁、气动元件等阻动元件克服接合力而不与轴20接合。如果出现诸如叶片损坏、折断，或者断电，或其他问题的故障情况，供给制动器的电力被缓慢或快速地切断，从而使得接合力驱动制动块或制动元件与轴20接合或与轴20作用，以使轴20和转子22减速或停止。
图13是优选的涡轮主体12和转子14的分解图。主体12容置发电机18，所述发电机18经由花键连接方式直接连接至轴20。在所示实施方式中，发电机18是一种感应电动机或永久磁铁电动机，其在发电模式下将转子旋转所输出的机械功率转变为电功率。旋转叶片24将机械扭矩供给轴20，这在定子输出端感生电压。传统上，感应电动机具有外源供给的可变的转子磁通(rotor flux)。当分别作为发动机或发电机运转时，该磁通与定子磁通相互作用，两者的旋转频率之间的差异确定了机械扭矩或感应的端电压。
转子14的毂22上安装有六个叶片24，而且叶片24具有如这里所述的大约70°的扭转角。然而，在不背离本发明的精神或范围的情况下，涡轮机10可以采用多种不同形状和构造的叶片24。叶片24可以采用纤维增强塑料或诸如碳纤维增强塑料等其它复合物通过模制工艺来制造，也可以替代性地采用钢、非铁合金或纤维增强塑料制成的结构肋和板状壳体制造。如图中所示，叶根27处的纤维方向是纵向的，以便提高该临界点处的强度。
在转子14的毂22的前部安装有头锥体65，用以减小转子14上的阻力并促进流动附着。头锥体65可由各种材料制造，其包括但不局限于纤维增强塑料，其它复合物或钢。头锥体可以是实心的，但是在所示的优选实施方式中，头锥体是中空的，而且可以为诸如油脂槽等储器提供空间。在附图中所示的优选实施方式中，还可以设置尾锥体，所述尾锥体具有与头锥体相同的功能。优选地，设置油脂槽和配给单元(dosing unit)，这些部件布置在壳体的上部、喉部和叶片的外侧，以使其不会干扰从中获取可用能量的水流。
图22示出了布置在塔架(pylon)67上的两个涡轮机10。涡轮机10也可以采用其它方式来布置，例如但不局限于：重力基座结构(gravity based structures)或浮动结构(floating structures)。这些结构可以提供绕竖向轴线的轴向旋转，或者可以不提供绕竖向轴线的轴向旋转。附图中所示的涡轮机壳体由组合式部件构成，这些组合式部件通常由模制的纤维增强塑料分成几部分制造，然后用结构性的紧固件联结在一起。涡轮机壳体能够替代性地用钢、非铁合金或纤维增强塑料制成的结构肋和板状外壳制造。壳体使得与叶片的旋转平面不垂直的水流中的水汇聚到涡轮机中。
出于商业目的，涡轮机10可以是任意尺寸。作为示例，可以预期，在叶片处为五米直径且在壳体口部处为大约七米的涡轮机根据水流速度能够产生高达大约1MW的功率。发电机单元可以产生作为交流电(AC)或直流电(DC)的电力，而且可以用电方式进行控制，由此可以控制电力输出特征。
发电机装置产生的电力可以通过例如一个或多个电池储存在发电机装置中或者与发电机装置分开地单独储存，或者可以直接供给电力系统，比如本地的电力系统。在后一种情况下，在将所产生的电力供给当地的配电主系统、如电力网之前，可以使用变速传动装置(VSD)以用电方式对该电力的同步性、功率因数和电压进行调节。发电机装置可以通过电缆、比如海底电缆联接至本地的配电系统。
如上所述，优选实施方式中的壳体或管道16具有穿过其中的液体或流体流道，转子14安装在该流道中用以响应于流过该流道的液体/流体(水)而旋转。该流道确定了一个流动限制装置，该流动限制装置能够形成文氏管，包括从流道任一端的开口朝向流道的内部逐渐收缩的收敛-扩散型文氏管。壳体相对于中点位置大致对称，转子大致定位在流道内的中点位置。
壳体、管道或机罩16包括单个套筒。在这种施行方案中，壳体或管道在其两端之间的外表面上具有缩窄或缩小的腰部，在这种情况下，所述腰部处于这两端之间的大致中部。然而，在改进的施行方案中，涡轮机壳体包括外部壳体套筒和内部壳体套筒，该内部壳体套筒限定了流道。在使用过程中，壳体能够通过支撑件或安装座结构固定至水面以下并大致对准预测潮汐或当前水流的方向。壳体的实际方向与潮汐或当前水流的方向之间的角度在约0°至约45°之间或更大。如图所示，壳体包括多个段，每一段在其周边都包括凸缘，从而可以用螺栓或诸如粘结带或胶等其它紧固件使各段保持贴附于相邻的部件。
如图所示，测试显示，当入口半径大于喉部半径时，从涡轮机单元输出的功率会增大。测试和建模计算表明，当平稳地克服阻力时，当入口半径增大约10％时，在阻力被平衡的情况下，功率会增大到最佳水平，然而，也可采用诸如20％或30％等其它比例，这些比例被认为可增大功率输出。
根据所需要的发电量，流道的入口和/或出口直径范围在1米至25米以上。通常，涡轮机的直径为2至10米。流道或管道的长度范围在1米至15米以上。
涡轮机壳体16优选通过比如安装座结构固定至水面以下，例如，海，洋或河流的底部或地层，该壳体16大致对准潮汐流的方向。可替代地，涡轮机壳体16可动地固定至水面以下，从而允许移动以便面向主流或潮汐流的方向。涡轮机单元包括海底涡轮机，但是应当明白，涡轮机单元可以应用于存在液流的任何水下环境中，比如，可以应用于任何潮汐流或河流的场所。
在附图所示的优选实施方式中设置有电气柜(electrical cabinet)69，该电气柜固定至发电机18的下游端。发电机室通过正向的气流压或液流压与电气柜密封式隔离。
参照图23，支撑柱150沿切向进行安装以改善发电机与壳体之间的转矩传递。该优选的布置方式是有利的，因为其有利于减小支撑柱的尺寸，而且减小了支撑柱的遮挡。也就是说，可以看到，在叶片每次经过支撑柱50时，径向延伸的支撑柱50(图5)会被径向延伸的叶片完全遮挡。然而，利用沿切向延伸的叶片将使这种遮挡更为延缓，这也有助于改善水流从叶片尾缘退出。
在一些优选的实施方式中，发电机组件18、电气柜69、制动器和毂以及转子可组装成单个模块。该模块(未图示)包括转子、轴、发电机、制动器、毂和适于安装在居中布置的模块中的其它相关元件。模块是流线型的，而且可以例如作为由多个部件构成的装备而被单独地装运。壳体可以如图14所示那样进行装运，其中支撑柱的安装座可以焊接至壳体的内壁。然后，将支撑柱螺接至壁的安装座上，随后螺接至切向的模块安装座上，这样通过支撑柱将模块保持在其中心位置并螺接在该位置上。所以，可以将由多个部件构成的装备供给到现场，在现场通过简单的螺栓连接将装备组装在比如说驳船上，然后安装在海上或诸如河流等其它水流场所。
海上环境对构成涡轮机组件的材料具有相当大的侵蚀性。所以，在所示的优选实施方式中采取多种方法来减轻对涡轮机组件的损害。例如，对壳体16和主体12，以及各种其它零件进行油漆，或者涂覆抗污损材料以尽可能遏制包括附着甲壳动物(barnacles)和其它海洋生物等海生物的生长。而且，将防蚀消耗阳极(sacrificial anode)(未图示)附接至金属部件或者以其它方式电连接至金属部件。
优选地，动力产生装置(发电机)产生电力。
该涡轮机还适于使泵运转，该泵进而使发电机旋转，从而通过由涡轮机泵送的流体来发电。
涡轮机包括壳体，所述壳体具有穿过其中的流道，至少一个涡轮机装置安装在流道中以响应于通过流道的液流而旋转。发电机装置可以与涡轮机壳体分开地或者与转子一体地进行定位。
优选的是，液体由涡轮机单元所潜入的水体中提供，其可以是海水或河流。
本领域技术人员应当明白，在不背离本发明的概括性描述的精神或范围的情况下，可以对具体实施方式中所示的本发明进行各种修改和/或改型。所以，无论从哪方面来看，本实施方式都应视作是示例性的，而非限制性的。

Claims (10)

1.一种涡轮机叶片，包括：
叶根；
叶梢；
从所述叶根延伸到所述叶梢的前缘；
从所述叶根延伸到所述叶梢的尾缘；
叶根弦，其被定义为在叶根处的位于所述前缘与所述尾缘之间的直线；
叶梢弦，其被定义为在叶梢处的位于所述前缘与所述尾缘之间的直线；
其中所述叶梢弦以50°与90°之间的扭转角从所述叶根弦有角度地偏移。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述叶梢弦以约70°的扭转角从所述叶根弦有角度地偏移。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶片，其中所述叶片由纤维增强塑料构成。
4.根据权利要求3所述的涡轮机叶片，其中纤维沿着所述叶片的长度延伸。
5.一种流体驱动的涡轮机，包括根据本发明的第一方案的涡轮机叶片。
6.一种中心轴线式水力涡轮机，包括：
涡轮机本体，其具有中心轴线；
安装在所述涡轮机本体上的转子，用于绕所述中心轴线转动，所述转子包括支撑多个叶片的中心毂，各叶片均为根据权利要求1-4中任一项所述的叶片，并且均从安装在所述毂上的叶根延伸到叶梢；
由所述转子驱动的发电机；以及
壳体，包围所述转子并适于将水流引向所述转子。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其中所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成约1°至20°的倾斜角向后或向下游偏斜、倾斜或斜张。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中所述壳体从所述转子的前方的前开口至邻近所述涡轮机本体的较窄喉部收敛。
9.根据权利要求6、7或8所述的涡轮机，其中所述叶片从所述叶根至所述叶梢以2°至10°的倾斜角向后斜张。
10.根据权利要求9所述的涡轮机，其中所述叶片从垂直于所述中心轴线的平面偏斜4°至6°。
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