CN102272444B - 用于涡轮机的流体引导系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于沿输入流方向引导进入轴流式涡轮机的流体的引导系统。该涡轮机包括多个涡轮叶片。引导系统包括基部结构、连接到基部结构的多个引导区段、基部结构的下游、和用于在缩回结构与展开结构之间可调节地定位引导区段的引导区段调节系统。引导区段在展开结构中沿横交于输入流方向的方向延伸超过基部结构并使流体朝向多个涡轮叶片的与叶片的较高转矩区域相对应的外圆周偏转。还公开了一种用于引导进入横流式涡轮机的流体的引导系统。在横流式涡轮机中，流体被朝向涡轮机的转子的中心线引导，所述中心线为涡轮叶片的高转矩区域。

Description

用于涡轮机的流体引导系统
技术领域
本发明总体涉及风轮机和水轮机。更具体地，本发明涉及一种用于引导进入轴流涡轮机或横流涡轮机的流体的流体引导系统。
背景技术
风轮机通常速率处于该风轮机产生发电机的额定功率或基本上最大额定功率的风速下。在低风速下，涡轮机将仅产生额定功率的一部分。
弱风与强风相比包含较少能量，使得该弱风自动产生较少有用的能量。由于叶片的雷诺数在低风速下减小，因此由风转化成有用转矩的转子效率或能量百分比也降低。明确需要一种可以增加从所有速度并且尤其低于涡轮机额定速度的速度下的气流获得的电力的转子设计。一旦超过所述额定速度，则由叶片生成的额外动力出现损失。
风速始终变化的事实对于风力发动机设计和风力发动机操作者来说是个问题。现有的风轮机设计对即时风速变化几乎没有控制。大多数现有涡轮机安装有液压驱动叶片间距调节装置。这些系统将叶片间距调节到在一定时间段上计算的平均风速而不是调节到瞬时风速。
在所有风速下，并且具体地在高风速下，阵风产生相当大的操作问题。阵风中的能量将快速增加转子和发电机转速。这可能会导致必须被电清除的产生的动力的电压波动。为了限制转速，可以调节叶片间距，但是叶片厚重，并且液压驱动间距调节较慢。因此，通常施加制动以限制转子速度的增加。
当相等时现有的涡轮机设计处理所述转子的扫掠区域。虽然叶片可用的风能在整个扫掠区域上不变，但是能量中大多数在与靠近叶片的末端的区域相对应的高转矩区域中生成。靠近扫掠区域的中心轴或中心移动的风的能量基本上被浪费掉。
解决以上困难的技术将大大提高涡轮机效率，提高生产的电稳定性并减少电力产生成本。
因此，目前需要一种增加由涡轮机在所有操作风速或流体速度下产生的能量的系统。
还需要一种将转子的扫掠区域分成高转矩部分和低转矩部分的系统。
还需要一种通过调节扫掠区域的尺寸增加并控制风速的系统。这通过对扫掠区域的一部分进行划分区组或分段来实现。
还需要一种系统，所述系统增加叶片的没有被分段的表面处的速度压力，并安装用于防止增加的速度压力从叶片边缘上泄露的外罩壳和用于防止空气涌入到转子的低转矩区域的内罩壳。
还需要一种通过转子叶片的未被分段区域控制风速的系统。
还需要一种通过转子分段以最大化速度压力来增加叶片处的风速、叶片雷诺数和转子效率系数的系统。
还需要一种根据风速和保持转子和发电机的转速恒定的分段式扫掠区域的尺寸建立有效的闭环控制的系统。
还需要一种在最大风压下将气流引导到转子的最大半径从而最大化每单位气团产生的转矩的系统。
还需要一种可以研制对现有涡轮机进行改进的转子分段设计的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足上述需要中的至少一个的引导系统。
根据本发明，提供一种用于沿输入流方向引导进入轴流式涡轮机的流体的引导系统，所述涡轮机包括多个涡轮叶片，所述引导系统包括：
-基部结构；
-连接到基部结构的多个引导区段；
-引导区段调节系统，用于在缩回结构与展开结构之间可调节地定位引导区段；和
-外罩壳，所述外罩壳包围涡轮叶片的圆周，
其中引导区段在展开结构中在横交于输入流方向的方向上延伸超过基部结构并使流体朝向多个涡轮叶片的外圆周偏转。
根据本发明，还提供一种用于沿输入流方向引导进入横流式涡轮机的流体的引导系统，所述涡轮机包括转子，该转子包括多个涡轮叶片，引导系统包括：
-朝向涡轮机引导流体的入口；
-连接到入口的多个引导区段；和
-引导区段调节系统，用于在缩回结构与展开结构之间可调节地定位引导区段；
其中引导区段在展开结构中在横交于所述输入流方向的方向上延伸超过入口并使所述流体朝向涡轮机的转子的中心线偏转。
本发明提供一种能够在流体流刚刚到达涡轮转子之前使流体流的一部分移动的设备。这种移动使流体从扫掠区域的产生低转矩的部分移动到产生高转矩的部分。两个流体体积合并以增加高转矩区域上的流体速度和速度压力。该原理共同用于所有的轴流式涡轮机和横流式涡轮机。
在轴流式涡轮机的情况下，设备由将来自中心的流体流朝向转子的周边引导的中心圆锥或半圆形锥形部构成。锥形部使重叠壁区段缩回或展开，从而产生使流体流穿过转子叶片的环形通道。涡轮机的外部被遮盖以防止由于在涡轮叶片的末端的泄漏而产生的速度压力增加。在分段式锥形部的缩回位置，分段式锥形部优选地占据总转子扫掠面积的50％与75％之间。
在使该分段式锥形部免于接触流体流的分段式锥形部的壁的后面，安装允许重叠壁区段扩大或展开的机构。当区段扩大时，转子的分段或分块区域增加到100％。当标称流体速度低时，采用可用扫掠面积的90％-99％的区段，而可用扫掠面积的0-10％的区段对应于高标称流体速度。
在横流式涡轮机的情况下，安装气动侧偏转装置，使得可以延伸或旋转到流体流中。侧偏转装置连接到用作转子的上游面和下游面前面的壳体的涡轮罩壳。需要罩壳或侧壁以防止由于在转子叶片的边缘周围的泄露造成的速度压力的增加。
连接到涡轮机框架的致动器推压旋转到流体流中并减小开口的宽度的偏转装置。当偏转装置前进时，转子的低转矩部分减少，并且流体流集中在高转矩部分中。当偏转装置完全伸出时，高转矩区域几乎接收所有流体，而低转矩部分接收很少的流体或没有接收流体。
两组平直垂直侧板或内壁位于垂直轴线转子本身内。该侧板与侧偏转装置的移动同步往复移动以在较少湍流的情况下产生更大限定的通道。该侧板需要使用实际为H型的垂直转子结构，藉此叶片靠近其中点受到支撑且具有较少的交叉支撑。
对于轴流式涡轮机和横流式涡轮机，增加高转矩区域上的流体流的速度压力，从而提供相当大的动力。虽然已经减少了转子的扫掠面积，但是流体速度或速度压力的增加对能量产生提供更大的贡献。扫掠面积的调节还相对于叶片控制流体流速度，从而在所有标称流体速度下为转子提供最大效率。流体流速度的控制进而为更加稳定和有效的发电提供稳定的转子转速。
附图说明
在获悉详细说明并参照附图时，本发明的这些及其它目的和优点将变得清楚可见，其中：
图1是轴流式涡轮机的扫掠区域上的低转矩和高转矩的区域(区段)的示意图；
图2是根据本发明的优选实施例的用于有罩轴流式涡轮机的引导系统的侧视截面图；
图3是根据本发明的另一个优选实施例的用于加力轴流式涡轮机的引导系统的侧视截面图；
图4是根据本发明的另一个优选实施例的一件式引导系统在多个区段展开的情况下的立体图；
图5是图4中所示的引导系统在多个区段缩回的情况下的立体图；
图6A-6E分别为图4和图5中所示的分别处于完全展开、50％展开和缩回结构的引导系统的三个内部透视图和两个详细视图；
图7是根据本发明的另一个优选实施例的配备有变速压缩机风扇的引导系统的立体图；
图8是根据本发明的另一个优选实施例的两件式引导系统在区段展开的情况下的立体图；
图9是根据本发明的另一个优选实施例的两件式引导系统在区段缩回的情况下的立体图；
图10A-10C分别是图8和图9中所示的引导系统在完全展开结构、50％展开结构和缩回结构下的内部透视图；
图11是根据本发明的另一个优选实施例的配备有变速压缩机风扇的两件式引导系统的立体图；
图12是根据本发明的优选实施例的对于具有引导的有罩轴流式涡轮机在三个标称风速下的功率与分段比的曲线图；
图13是用于模拟标准扭转水平轴风轮机转子的操作的沿着叶片的弦和扭转角分布的曲线图；
图14是显示横流式涡轮机的扫掠区域上的低转矩和高转矩的区域(区段)的示意图；
图15是显示通用横流式涡轮机的切向力(FT)的方位变化的曲线图；
图16是根据本发明的优选实施例的与有罩横流式涡轮机一起使用的引导系统的俯视剖视图；
图17是根据本发明的另一个优选实施例的与加力横流式涡轮机一起使用的引导系统的俯视剖视图；
图18是根据本发明的另一个优选实施例的引导系统的立体图；和
图19是根据本发明的优选实施例的对于具有引导系统的有罩轴流式涡轮机在三个标称风速下的功率与分段比的曲线图。
具体实施方式
虽然根据具体的实施例说明本发明，但是要理解的是这里所述的实施例仅作为实例，并且本发明的保护范围不旨在受限于所述实施例。
如图2-11所示以及图4和图5最清楚地所示，根据本发明，提供了一种用于沿输入流方向引导进入轴流式涡轮机1002的流体的引导系统1000。涡轮机1002包括多个涡轮叶片1004。引导系统1000包括中心基部结构1006和连接到中心基部结构1006的多个引导区段1008。引导系统还包括用于可调节地将引导区段1008定位在缩回结构(图5中所示)和展开结构(图4中所示)之间的引导区段调节系统1010。在展开结构中，引导区段1008在横交于输入流方向的方向上延伸超过基部结构1006并使流体向多个涡轮叶片1004的外圆周偏转。
优选地，基部结构1006固定到涡轮机1002的中心旋转轴。
优选地，如图6A-6C清楚地所示，多个引导区段1008为绕着基部结构1006径向定位的重叠区段。引导区段调节系统1010包括将引导区段1008保持在适当的位置的一组拉杆1012和电动螺母系统1014，所述电动螺母系统沿中心旋转轴的螺纹部分移动并控制施加在拉杆1012上的压力。
优选地，如图5所示，涡轮叶片1004被容纳在内环形罩壳1016和外环形罩壳1018之间。基部结构1006可以径向延伸到内环形罩壳1016，并且引导区段1008延伸到与外环形罩壳1018的直径相对应的最大直径。
优选地，基部结构的直径至少是涡轮机的转子的直径的0.3倍。
优选地，如图7所示，引导系统1000还包括压缩机风扇1020，所述压缩机风扇定位于基部结构1006的上游并增加进入涡轮机的流体的速度。
优选地，引导区段调节系统包括控制器，并且引导系统还包括位于基部结构的上游的流体速度测量系统。测量系统产生指示进入涡轮机的流体速度的信号。控制器然后根据指示进入涡轮机的流体速度的信号调节引导区段调节系统。
根据本发明，还提供与至少一个涡轮机一起使用以增加接触风轮机的叶片的气流的速度压力的用于轴流式涡轮机的转子分段设备，该转子分段设备包括：
(a)内涡轮罩壳和外涡轮罩壳，所述内涡轮罩壳和外涡轮罩壳构成有罩的环形涡轮部分，所述部分包括入口和出口，所述入口具有等于所述出口的公称直径；
(b)用于所述有罩的环形部分的入口和出口适配器，且入口和出口直径稍微大于所述有罩部分，从而减少当气流进入和离开所述有罩部分时速度压力的损失；
(c)定位于转子的上游的气动分段形锥形部，所述锥形部具有允许所述分段式锥形部的基部的直径增加和减小同时保持其气动结构和相同形状的重叠壁；
(d)定位于转子叶片的顺风侧以最大化转子叶片后面的速度压力恢复的分段式锥形部；
(e)可调节上游分段式锥形部，所述可调节上游分段式锥形部具有等于外罩壳的直径的最大直径和等于内罩壳的直径的最小直径；
(f)收缩机构，所述收缩机构使重叠锥形区段缩回和展开；
(g)一组拉杆，所述拉杆将重叠区段保持在适当的位置并将锥形部的高度的改变转换成其基部的直径的变化；
(h)电动螺母，所述电动螺母沿转子轴的螺纹部分往复移动，以通过将压力施加到分段式拉杆保持盘或从所述分段式拉杆保持盘释放压力来调节分段式锥形部的直径；
(i)风速测量装置，所述风速测量装置位于分段式锥形部的上游并发送用于调节分段式锥形部的直径的连续信号；
(j)电子控制器，所述电子控制器被编程以从风速装置读取风速并调节电动螺母的位置，从而控制所述转子叶片的表面处的风速；以及
(k)具有可调节速度驱动器的压缩机风扇，所述压缩机风扇装配在转子轴的端部上并用于增加所述转子叶片的表面处的速度压力。
优选地，有罩的风轮机转子具有最少三个叶片和最多50个叶片，且所有叶片都具有与有罩部分相同的公称直径。
优选地，转子分段装置通过增加或减小分段装置的直径在可变尺寸的转子叶片的表面处产生环形通道。
优选地，转子分段设备能够在涡轮转子直径的0.30倍与1.0倍之间调节该转子分段设备的直径。
优选地，分段式锥形部的尺寸使得该分段式锥形部可以安装在涡轮转子的轴上以随涡轮机在风中旋转。
优选地，转子分段式锥形部具有最大化转子叶片的表面处的风压的流线形。
在本发明的另一个实施例中，转子分段式锥形部优选地利用转子轴的转速使重叠区段展开。
优选地，转子分段式锥形部在不需要增加锥形部的基部与转子之间的距离的情况下可增加该转子分段式锥形部的直径。
优选地，转子分段装置将气流引导到转子叶片的最佳部分以在所有风速下形成每单位风量的最大转矩。
优选地，转子分段式锥形部在估算的4.0m/s、7.0m/s和12.0m/s的风速下可以显著地增加由传统的HAWT或轴流式涡轮机生成的动力。
优选地，转子分段设备可以通过对现有转子或涡轮机的设备进行改进来增加现有HAWT风轮机的动力输出。
优选地，转子分段设备由非加力式或加力轴流式风轮机良好地实施。
优选地，转子分段设备将电动风扇组装在转子轴的端部上以增加转子叶片的表面处的速度压力。
本发明的上述及其它目的总体通过提供一种与风轮机一起使用以增加接触叶片的空气的速度压力的转子分段设备来实现。该转子分段设备包括有罩转子，该有罩转子具有在入口处的弯曲形适配器和在出口处的圆锥形或弯曲形适配器；分段式锥形部，所述分段式锥形部具有由转子的轴支撑的重叠区段；锥形部展开机构，所述锥形部展开机构采用位于分段式锥形段后面的张力臂；一系列重叠的外区段，所述重叠外区段当伸出时具有基本上与涡轮转子的半径相同的外半径；致动器，所述致动器安装在转子轴上，从而使所述区段以同步的方式展开；风测量装置，所述风测量装置位于转子分段设备入口的上游；和致动器或一系列致动器，所述致动器响应于被编程以通过调节锥形区段的展开来保持风速恒定的控制器。
该原理的思想在于使用适当的流动控制系统将进入气流朝向转子扫掠区域的在能量转换方面最有效的区域引导。具体地，该原理可以应用到在风加力系统内部中操作的传统的非加力式风轮机和加力式风轮机。风加力系统确保涡轮转子前面的风的速度压力增加。速度压力的增加可以小到大约为几英寸水的百分数，或者可以相当大到大约几英尺水，并且需要应用大的聚集-散开。
在HAWT(水平轴风轮机)涡轮机的情况下，可以通过具有可变几何形状性能的安装在转子前面的锥形或半圆形主体进行分段。锥形部将气通量朝向高转矩区域引导并防止该气通量通过该锥形部的低效率中心区域，同时还使气流加速。因为即使在加力系统中转子上游的流态也基本上是亚音速不可压缩流态(V＜100m/s)，放置在转子前面的用于分段的主体优选地具有半球形形状。
在HAWT转子(螺旋桨型)的情况下，这里所述的原理的应用用于将气通量朝向其周边(高转矩110的区域)引导，如图1所示，并且避免该气通量通过转子的中心区域，这是因为与叶片的旋转轴线的小距离会使切向速度减小，从而导致差的气动效率(低转矩区域100)。图2中对于有罩HAWT(包括罩壳入口210、涡轮罩壳200和罩壳出口220)的情况示出了转子扫掠区域“分段”概念的结构原理，以及在图3中对于采用风加力系统(包括涡轮机300、聚集入口310、扩散器320、可在卷起结构340与展开结构360之间进行调节的逆风锥形部312、支柱322、涡轮部分314和可调节顺风锥形部324)的情况示出了转子扫掠区域“分段”概念的结构原理。
在有罩涡轮机的情况下，入口和出口适配器位于罩壳或涡轮部分的端部处，而在加力式涡轮机的情况下，入口和出口适配器位于会聚器之后且在扩散器之前。两个适配器都被设计成专门降低入口和出口的损失。使用标准空气操纵设计惯例设计入口和出口适配器的长度、宽度和形状，并且入口和出口的长度、宽度和形状不会增加进入气流或排出气流的速度压力。两个适配器的内径基本上为罩壳的直径。入口和出口面积优选地在转子面积的1.2倍与1.7倍之间。
罩壳具有与转子基本上相同的直径以避免气流绕过转子叶片。当气流进入罩壳时，分段式锥形部逐渐缩小扫掠区域，并且这增加了叶片上游的速度压力。罩壳的作用是防止由于叶梢周围的泄露和叶片上游和下游的一致风向而使得速度压力增加。罩壳的长度是叶片上游的速度压力的函数。当速度压力较高时，与较低速度相比，罩壳在较高速度下需要形成为更长。
用于比较被分段的扫掠区域的相对量的参数是分段比或SR。SR被定义为作为转子的总扫掠区域的百分数的转子叶片的非扫掠区域(畅流区域)的百分数。
为了最小化分段式锥形拉杆的移动和区段的重叠量，一旦确定的高转矩区域完全朝向气流敞开，则锥形部的缩回定位将停止。通常，拉杆的移动长度对应于为0.70-0.0的SR。在0.0SR处，转子扫掠区域被完全分段且气流停止，在0.50下，分段面积等于转子扫掠面积的50％。
为了简化展开机构，分段式锥形部可以被构造成为两个部件而非一个部件。锥形部的头部被固定，而仅锥形部的基部展开。这缩短了锥形臂部的长度并提供对SR更加精确的控制。
已经确定了当SR减小甚至当锥形重叠区段打开或展开时，速度压力增加。锥形区段的展开即使对于大直径转子来说也都不是问题，这是因为固定锥形部的直径随着转子的直径而增加。离心力将还确保拉杆总是处于拉紧状态下。
通过在转子轴的螺纹部分上安装电动螺母来获得需要使区段缩回的力。当螺母转动时，螺母将增加锥形部的总高度。锥形部的顶点上将张力臂保持在适当的位置的圆形收集板通过电动螺母沿螺纹轴的移动而上升或下降。
当锥形部的基部固定时，施加到拉杆的将区段保持在适当的位置的拉力迫使分段式锥形部的基部的面积减小。这进而调节转子的分段比。当分段式锥形部的基部的位置固定时，重叠区段的边缘与转子叶片之间的距离在所有SR值下都保持不变。
在又一个实施例中，分段式锥形部设计除了为一个部件之外还可以被设计成如图8-11所示的两个不相等的部件。第一部件是固定的，具有固定直径并安装在转子轴的端部上或安装到支撑涡轮转子的框架。第二部件是一组可展开的重叠区段并安装在第一部件的背风区。可展开区段的形式基本上为与第一半的下部相同的形式。因此，可展开区段当完全缩回时被保护或遮盖而免于碰到气流。
当区段展开时，锥形部的直径增加并且区段的末端靠近转子叶片。区段的最大外缘在气流的方向上可以是圆形或流线型以减少叶片处的湍流。当区段展开时，外缘与叶片的表面之间的距离保持恒定。位于分段式锥形部的轴上的电动螺母推动锥形部的头部远离叶片。即将来临的风的压力总是将锥形部推向叶片。当区段完全展开时，区段将被分段的面积减小到总转子的扫掠面积的100％。
在分段式锥形部为一件式、两件式或多件式组件的情况下，使区段展开的致动器可以是气动的、液压的或电气的。当区段展开时，区段沿被设计成承受由引入风施加的力的轨迹滑动。因为分段式锥形部通常为圆形并固定到转子轴，因此该分段式锥形部产生环形分段区域，该环形分段区域的直径随着区段展开而增加。该环形结构是重要的，这是因为该环形结构相等地将气流引导到叶片的最大半径，并且是一种用于通过降低扫掠面积来增加速度压力的有效形式，且具有最小的摩擦损失。
在又一个实施例中，分段装置可以连接到现有三叶片转子的轴。这要求增加外罩壳以防止由分段装置生成的在叶片的末端上泄漏的额外风压的损失。增加第二内罩壳以防止由于进入位于转子轴中心上的低转矩区域而导致的速度压力增加。该装置提供相同的益处：该装置增加通过叶片的风的总能量，该装置将气流引导到高转矩区域的最优区域，并且该装置允许通过叶片对速度进行精确控制。
在又一个实施例中，将分段装置添加到转子的下游表面。这减小转子叶片下游的摩擦损失、湍流和速度压力损失。
上游风速测量装置由安装在转子轴的延长部分上的装置构成。该装置是无线的并安装在轴承上以防止随轴一起旋转。当风速通常为12m/s时，3米的延长部将允许响应于外区段展开的控制器和致动器具有大约0.25秒的反应时间。
作为一个优选实施例，可调节衬套可以安装在转子的内边缘上并以与锥形区段相同的垂直速度展开。内衬套的作用是当叶片之间的气流靠近内边缘时简单地降低湍流。内区段不需要对转子进行划分区段。该内区段安装在内边缘上以减少当风通过转子叶片之间时的摩擦损失。基本上，内衬套和分段式锥形区段一起展开以提供在流动通过叶片和在叶片之后的更平坦的通道。
在另一个优选实施例中，电动可变速压缩机风扇在分段式锥形部上方连接到转子轴。压缩机风扇加快正在从低转矩区域移动到高转矩区域的气流的速度和体积。
涡轮机可以是加力式或非加力式，尽管加力式涡轮机可以更好地提供更高的风速。现有涡轮机的转子可以由该新技术替代以提高该涡轮机的性能。另外，在制造新的分段式且有罩的空气涡轮机和水轮机时可实施该技术。通过动态相似原理，当空气为运动着的流体时获得的结构也可应用于当水为运动着的流体的情况。
图2和图3显示转子分段装置的主截面，该转子分段装置首先包括轴流式涡轮机转子、转子叶片及其扫掠区域，并且其次包括分段式锥形设备。图4和图5示出了分段式锥形外罩壳(1)、安装在叶片轴(2)上的转子叶片、分段式锥形内罩壳(3)、转子轮辐(4)、转子轮毂(5)和涡轮驱动轴(6)。在所述的分段式锥形部中，图4和图5显示了形成锥形部(7)的主体的重叠区段的可调节外边缘、保持盘(8)的分段式拉杆和分段设备(9)的轴。
图4和图5还显示分段式锥形部的可变外半径(R3)、转子叶片的外半径(R2)和转子叶片的内半径(R1)的无量纲基准。图2显示分段式锥形部的可调节可变外半径(R3)的无量纲基准。对重叠区段(7)的可调节边缘的基准和对分段式锥形部的可调节外半径的基准(R3)是同义的。
图6A-6E显示分段式锥形部的展开机构，该分段式锥形部包括将重叠区段保持在适当位置的弯曲拉杆(10)、分段式锥形部的外边缘(11)、分段机构的轮辐(12)和滑动连接装置，该滑动连接装置通过使滑动连接装置沿分段机构(13)的轮辐移动而允许重叠区段展开和收缩。
图7显示具有用于安装在转子轴的端部上的压缩机风扇(15)的电动驱动装置(14)的分段式HAWT。
图8显示完全展开的两件式分段设备。重叠区段(7)从固定上锥形部(8)和分段式锥形部轴(9)展开。
图9显示在区段完全缩回的情况下的两件式分段装置。电动螺母(15)在分段装置的轴上转动，以便当区段展开时允许该电动螺母保持在与叶片恒定的距离处。
图10A-10C示出了两件式分段机构的内部结构。区段致动器(14)固定到分段装置的垂直轮辐。当致动器伸出时，区段展开，当致动器缩回时，区段缩回。图10A显示完全或100％展开的区段，图10B是50％展开的区段，而图10C为0.0％展开的区段。区段导向装置(10)将区段保持在适当的位置，外环(11)将锥形部的基部紧固到罩壳的内表面，致动器支撑杆(12)支撑致动器，致动器杆(13)从致动器壳体(14)伸出和缩回。
图11显示两区域式分段设备，所述分段设备配备有电动风扇驱动装置(14)、压缩机风扇(15)、两个上游风测量装置(17)、将测量装置保持在压缩机风扇的影响之外的垂直保持杆(16)、和使保持杆保持固定的自重装置(18)。轴将垂直保持杆连接到涡轮转子轴，所述涡轮转子轴配备有允许保持杆保持垂直的内滚柱轴承。
在由风轮机领域公认的技术人员应用的公认的计算机模拟软件获得的以下非限制性实例中说明本发明的操作性能。
为了使用扫掠区域分段系统对加力式HAWT和VAWT(垂直轴风轮机，以下更详细地进行说明)的影响进行定量评价，已经使用能够计算这种风轮机的性能(功率输出)的两个计算机程序。对于HAWT分析，使用的代码是WT Perf，而对于VAWT分析，使用CARDAAV代码。
WT Perf代码
WT Perf使用叶素动量(BEM)理论来预测HAWT的性能。该理论发展于由俄勒冈州大学几十年前初始建立的代码PROP的国家再生能源实验室(NREL)。美国国家再生能源实验室的国家风能技术中心的人员通过将研制的新功能添加到当前的WT Perf而具有现代化的PROP。
CARDAAV代码
CARDAAV是由用于对垂直轴风轮机的气动性能和特性的预测的由Ion Paraschivoiu研制的计算机代码。
CARDAAV基于在每一个流管中具有可变逆风和顺风诱导速度的多流管模型(DMSV)。由于该模型以及大量关于几何结构的选项、操作条件和对模拟过程的控制，CARDAAV证明是适合于VAWT设计者需要的有效软件包。CARDAAV对于给定操作条件下的任意几何形状的VAWT计算气动力和功率输出。
需要大量参数来进行完全说明，被分析的VAWT在指定VAWT的几何形状时提供相当大的自由度。在该分类中最重要的是：转子高度和直径、叶片数量和限定其横截面的翼面类型、中心柱(塔)的直径、支柱的尺寸和位置、扰流器的尺寸等。实际上，可以分析任意叶片形状，当然包括平直的叶片形状。此外，叶片可以由具有不同弦长和横截面(翼面)的区段制成。代码的翼面数据库包括一些公知的对称NACA形状(NACA 0012、NACA 0015、NACA 0018、NACA 0021)以及在Sandia NationalLaboratories为VAWT专门设计的一些数据(SNLA 0015、SNLA 0018、SNLA0021)。如果用户需要通过已经不再可用的翼面进行分析时，这可以十分简单地进行，通过在实际翼面数据库中包括其实验确定的升力和阻力系数的值。对于与在旋转叶片和壳体上在全360°范围的入射角(0°≤α≤360°)获得的雷诺数相对应的多个雷诺数(在每一个Re下)必须给出这些数据。
在可易于修改以满足特定分析的需要的主要操作参数中，可以说明的一个参数是：风速、转子的转速、局部重力加速度和工作流体特性(密度、粘性-通常对于空气来说)。或者当执行分析时可以考虑在不同风速下的恒定转速或在恒定风速下的不同转速。通过为大气风切变指数指定适当的值，在计算期间将考虑风速随高度的幂定律型变化。
在关心的控制参数中，代码需要限定在计算中要考虑的流管的总数的半周(方位)划分和垂直划分的数量以及在每一个管的宽度上的积分点的数量。在相同的分类中，用户在计算逆风和顺风干扰因子时与收敛准则一起必须指定最大迭代号(当计算干扰因子和动态失速时必须满足相对误差水平)。当指定控制参数时，必须确定是否使用与叶片末端效应有关的气动校正和由于动态失速造成的气动校正。可获得四个动态失速模型，其中三个动态失速模型由Gormont方法和“指数”模型获得。
参数和选项(上述)的重要数量在计算各种Darrieus型VAWT的特性时给出CARDAAV相当大的性能和灵活性。基于给这些参数的实际值，代码通过忽略或考虑动态失速的影响以及多个“附带效应”(例如，由于旋转中心柱、支柱和扰流器造成的效应)对具体结构进行计算。动态失速在低末端速度比下对气动载荷和转子性能具有显著的影响，而“附带效应”在中间和高末端速度比下是重要的。
在微软Windows环境下运行，CARDAAV是用户满意的，且设有图形界面，使得容易地修改对于综合性能分析(转子几何形状、操作和控制参数)需要经常更换的所有输入数据。局部诱导速度、雷诺数和冲角、叶片载荷和方位转矩以及功率系数为输出数据。这些结果可以直接在计算机的显示器上看到或者被存储在ASCII文件中或以与用于进一步后处理和解释的图形软件TECPLOT(Amtec Engineering Inc.)相容的格式被存储。
多个验证已经说明了CARDAAV以相当好的精度计算包括Darrieus H型的通用型垂直轴风轮机的气动载荷和整体特性(转矩、动力)的能力。在大范围末端速度比(TSR)上对CARDAAV结果与经验结果进行全面的比较。
使用标准22米直径HAWT叶片作为基准执行模拟。在4m/s、7m/s和12m/s的风速下对有罩转子执行模拟。分段比在1.0与0.25之间变化。对转子进行分段的作用和优点由图12中所示的测试结果清楚示出。
用于模拟的分段装置的形状是圆锥形。不评价改变分段装置的形状的效果，仅评价扫掠区域的变化的效果。可应用多种不同形状的分段装置，包括抛物线、锥形和半圆形，并且该形状可以稍微改进结果。然而，保持重要的变量在具有在叶片的表面处增加风压的效果并应用该风压以优化转子的高转矩区域的分段区域的变化。
使用标准22米HAWT叶片实现分段的模拟结果。图13中示出了弦和扭转角分布。
表1中列出了模拟结果并在图12中将该模拟结果示出为连续曲线。
表1
生成的电力与分段比
22米HAWT转子，风速为4.0m/s，7.0m/s和12m/s
Figure BDA0000074536220000151
实例1：4.0m/s的HAWT分段转子
在4.0m/s下，分段比在1.0与0.25之间变化。产生的电力从10kW增加到55kW，或增加5.5倍。
实例2：7.0m/s的HAWT分段转子
在7.0m/s下，分段比在1.0与0.25之间变化。产生的电力从30kW增加到300kW，或增加10倍。
实例3：12.0m/s下的HAWT分段转子
在12.0m/s下，分段比在1.0与0.25之间变化。产生的电力从190kW增加到1500kW，或增加7.7倍。
如本领域的技术人员将了解到多种类型的轴流式或水平轴涡轮机可以与本发明的装置一起使用。此外，对于每一个风轮机组合，例如对于叶片的不同数量和/或结构、风部分与风轮机之间的空间等可以使用不同的组合。
如本领域的技术人员将理解分段式锥形部的参数可以不同于该文献中所示的实例。类似地，用于调节孔口或流动通道的开口的机构可以根据流体、操作条件和涡轮机设备而不同。
横流式涡轮机的实施例
根据本发明，如图18所示，还提供一种用于沿输入流方向引导进入横流式涡轮机的流体的引导系统1800。该涡轮机包括转子。转子包括多个涡轮叶片1802。引导系统1800包括引导流体朝向涡轮机的入口1808和连接到入口1808在入口下游的多个引导区段1804。引导区段调节系统1806还被设置成可调节地将引导区段1804定位在缩回结构与展开结构之间。在展开结构中，引导区段在横交于输入流方向的方向上延伸超过入口1808并使流体朝向涡轮机的转子的中心线1801偏转。
优选地，多个引导区段1804为两个可枢转地连接到入口的入口侧偏转装置，并且引导区段调节系统1806包括用于使两侧偏转装置相对于入口枢转的一对致动器。
优选地，引导系统还包括引导流体远离涡轮机的出口1809、可枢转地连接到出口的第二组两个出口侧偏转装置1805和用于使第二组两个出口侧偏转装置相对于出口枢转的第二对致动器。
优选地，引导系统还包括一组可调节定位侧挡板1803，该挡板同心地定位于涡轮机的转子的外圆周内。
优选地，引导系统还包括一组挡板致动器，所述挡板致动器根据入口侧偏转装置或引导区段1804的相应结构可调节地定位侧挡板1803。
优选地，所述一组可调节挡板由连接到包围涡轮机的罩壳的一组支撑杆1807支撑。
优选地，引导区段调节系统包括控制器，并且引导系统还包括位于入口的上游并生成指示进入涡轮机的流体速度的信号的流体速度测量系统，并且其中控制器根据指示进入涡轮机的流体速度的信号调节引导区段调节系统。
根据本发明，还提供一种与至少一个风轮机一起使用以增加速度压力并最大化由接触风轮的叶片的风产生的转矩的转子分段装置，该转子分段装置包括：
(a)有罩通道部分，该通道部分包括四个壁、入口和出口，所述入口具有等于或稍微小于出口的面积；
(b)入口和出口适配器，所述适配器被设计成使气流进入和离开风轮机时的速度压力的损失最小化；
(c)一组两个枢转侧偏转装置，所述偏转装置位于风轮的上游和下游；
(d)一组致动器，所述致动器使上游侧偏转装置展开或缩回到气流中，气流的宽度或横截面由致动器或侧壁偏转装置控制；
(e)一组致动器，所述一组致动器使下游侧偏转装置展开或缩回到气流中，气流的宽度或横截面由致动器或侧壁偏转装置控制；
(f)一组可调节位置侧挡板，所述挡板位于由所述涡轮机转子限定的圆周内并以与可调节侧偏转装置同步的方式往复移动，从而控制流动通道的尺寸；
(g)一组致动器，所述致动器以与侧壁偏转装置同步的方式定位侧壁挡板；
(h)风测量装置，所述风测量装置位于入口适配器的上游并将风速的连续测量结果提供给可编程序控制器；
(i)可编程控制器，所述可编程控制器调节偏转装置和侧挡板的位置以通过可调节流动孔控制分段比和速度。
优选地，转子分段装置通过增加或降低所述分段装置的宽度而在为可变尺寸的转子叶片的表面上产生方形或矩形通道。
优选地，转子分段设备能够调节涡轮转子的流动孔的面积。
优选地，分段式锥形部的尺寸使得该分段式锥形部可以安装在涡轮转子的罩壳上以随涡轮机在风中旋转。
优选地，转子分段装置具有最大化转子叶片的表面处的风压的流线形状。
优选地，转子分段式锥形部通过将流动孔限制到使通过降低低转矩区域产生的转矩最大化来优化动力的生成。
优选地，转子分段装置将气流引导到转子叶片的最优部分，以在所有风速下形成每单位风量最大转矩。
优选地，转子分段式锥形部可以显著地增加在估算的4.0m/s、7.0m/s和12.0m/s的风速下由传统的VAWT或横流式涡轮机生成的动力。
优选地，转子分段设备可以通过对现有VAWT转子或涡轮机的设备进行改进来增加现有VAWT风轮机的功率输出。
优选地，转子分段设备通过非加力式或加力轴流式风轮机令人满意地实施。
优选地，转子分段设备通过动态模拟将提供与水或空气为通过涡轮机的流体时非常类似的整体性能。
诸如VAWT的横流式涡轮机的叶片在每一转中都不会提供连续水平的转矩。无论转子被遮盖或在敞开通道中操作，当叶片绕其360度路径移动时，所产生的转矩变化。类似于HAWT，如图14所示，具有低转矩区域1420和高转矩区域1410。当沿垂直横流转子的轴的方向看该垂直横流转子时，为逆风和顺风弧形的高转矩区段的中心位于12点钟和6点钟位置。低转矩区段的中心位于3点钟和9点钟位置。因此，在VAWT转子的情况下，“低转矩”(因此产生小功率)的区域位于转子扫掠区域的两侧，而“高转矩”区域与转子扫掠区域的中心部分重合，如图14所示。
图15中示出了通用VAWT的切向力FT的方位变化。
将分段设备安装在VAWT上的目的是引导空气远离低转矩区域并进入高转矩区域。计算机模拟已经允许确定生成的动力连续增加直到被分段的面积表现为总扫掠面积的67％为止。在67％以上，功率输出迅速下降。
分段装置在转子的逆风和顺风表面产生可调节矩形或方形开口。侧偏转装置可调节以减小孔的宽度。基本上，这能够从壁或低转矩区域除去气流并将该气流引导到沿转子中心线定位的高转矩区域。孔面积的减小增加风速压力。
转子被遮盖以防止空气在叶片边缘周围泄漏。逆风入口上的钟形唇缘和顺风出口上的成角度或圆形的唇缘用于最小化入口和出口的摩擦损失。
重要的是连接到涡轮罩壳的侧偏转装置对于每一种应用和流体来说都具有适当的气动形状。对于其中流体流的堵塞变成问题的应用中，挡板与涡轮轴对齐安装以将非分段区域分割成两个相等的部分。该挡板的壁具有微小的外半径。
为了减小空气在转子之间移动时的速度压力损失，两个可调节挡板平行于风向方向安装在转子内部。当侧偏转装置移动以增加或减小孔的宽度时，该侧偏转装置的水平移动和挡板的水平移动同步。该效果产生达到和通过转子叶片的更加连续的流动通道。
VAWT的分段可用于加力式和非加力式涡轮机。在所有情况下，转子被遮盖或通过导管进行输送。图16和图17分别显示非加力式涡轮机(包括涡轮罩壳160、罩壳入口162和罩壳出口164)和加力式涡轮机(包括涡轮机170、会聚入口172、扩散器174、侧板176、可调节逆风叶片178、可调节顺风叶片180)的结构原理。
图18显示用于横流式涡轮机的转子分段设备的主截面，该横流式涡轮机包括转子轴(1801)、转子翼面(1802)、可调节隔壁(1803)、逆风导流器(1804)、顺风导流器(1805)、逆风和顺风导流器致动器(1806)、可调节隔壁致动器(1807)、入口流适配器(1808)、出口流适配器(1809)和遮盖涡轮部分的顶部、底部和侧部的罩壳。为了清楚和理解，没有示出顶部罩壳。
在非限制性实例中说明了本发明的操作性能，其中该非限制性实例为模拟风轮机领域中公认的技术人员使用公认的计算机模拟程序准备的计算机模拟。在该文献的上述部分中论述了工具、方法和技术。
已经通过具有如表2所示的特性的垂直翼面执行如下所述的实例。转子已经配备有罩壳，并且在4.0m/s、7.0m/s和12.0m/s的风速下评价转子分段装置的效果。
表2
4.0m/s、7.0m/s和12.0m/s下的动力与SR
Figure BDA0000074536220000201
实例1：4.0m/s下的VAWT和分段转子
在4.0m/s下，分段比在1.0与0.67之间变化。产生的动力从10kW增加到35kW，或增加了3.5倍。
实例2：7.0m/s下的VAWT和分段转子
在7.0m/s下，分段比在1.0与0.67之间变化。产生的动力从50kW增加到120kW，或增加了2.5倍。
实例3：12.0m/s下VAWT和分段转子
在12.0m/s下，分段比在1.0与0.67之间变化。产生的动力从200kW增加到625kW，或增加了3.1倍。
获得的结果显示为图19中的曲线。
本领域的技术人员将了解到多种类型的横流式或垂直轴涡轮机可以与本发明的装置一起使用。此外，对于每一个风轮机，例如对于叶片的不同数量和/或结构、风部分与风轮机之间的空间等可以使用不同的组合。
本领域的技术人员将理解分段式锥形部的参数可以不同于该文献中所示的实例。类似地，用于调节孔或流动通道的开口的机构可以根据流体、操作条件和涡轮设备而不同。
虽然在上文中已经详细地说明了本发明的示例性及优选实施例，但是要理解的是可以以其它方式不同地实施和采用本发明的构思，并且所附权利要求用于被解释为包括除去现有技术限定的这些变化。

Claims (8)

1.一种用于沿输入流方向引导进入轴流式涡轮机的流体的引导系统，所述涡轮机包括多个涡轮叶片，所述引导系统包括：
-基部结构；
-连接到所述基部结构的多个引导区段；
-引导区段调节系统，用于能够调节地在缩回结构与展开结构之间定位所述引导区段；和
-外罩壳，所述外罩壳包围所述涡轮叶片的圆周，
其中，所述引导区段在所述展开结构中在横交于所述输入流方向的方向上延伸超过所述基部结构，并使所述流体朝向所述多个涡轮叶片的外圆周偏转。
2.根据权利要求1所述的引导系统，其中，所述基部结构固定到所述涡轮机的中心旋转轴。
3.根据权利要求2所述的引导系统，其中，所述多个引导区段为绕着所述基部结构径向定位的重叠区段，以及所述引导区段调节系统包括：
-一组拉杆，所述拉杆将所述引导区段保持在适当的位置；和
-电动螺母系统，所述电动螺母系统沿中心轴的螺纹部分移动，并使所述基部结构相对于所述引导区段的轴向移动而移动。
4.根据权利要求2或3所述的引导系统，其中，所述涡轮叶片被容纳在内环形罩壳与所述外罩壳之间，所述基部结构径向延伸到所述内环形罩壳，而所述引导区段延伸到与所述外罩壳的直径相对应的最大直径。
5.根据权利要求1所述的引导系统，其中，所述基部结构的直径至少是所述涡轮机的转子的直径的0.3倍。
6.根据权利要求1所述的引导系统，还包括：
压缩机风扇，所述压缩机风扇被定位于所述基部结构的上游并且增加进入所述涡轮机的流体的速度。
7.根据权利要求1所述的引导系统，其中，所述引导区段调节系统包括控制器，并且所述引导系统还包括流体速度测量系统，所述流体速度测量系统位于所述基部结构的上游并产生指示进入所述涡轮机的流体速度的信号，并且其中所述控制器根据指示进入所述涡轮机的流体速度的所述信号调节所述引导区段调节系统。
8.根据权利要求1所述的引导系统，其中，所述基部结构固定到由涡轮机框架支撑的固定轴。
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