CN102362067A - 用于水力发电的铰接叶片十字轴涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种发电机，其包括可驱动地附接于涡轮机的发电机。该涡轮机包括可转动地安装到框架上的轴。支撑板可驱动地接合该轴并且多个叶片可枢转地连接到支撑板上。每个叶片具有当叶片枢转到停止位置时邻近该轴地设置的远侧边缘。在运行期间。叶片围绕轴的轴线旋转。对于旋转运动的一部分，每个叶片通过流动流保持在停止位置，并且对于旋转运动的其余部分，每个叶片通过流动流枢转远离停止位置。在一个实施例中，叶片止挡件限制叶片的向外枢转，从而提高效率。在另一个实施例中，设置第二组叶片并使第二组叶片与第一叶片旋转偏离。在另一个实施例中，支撑板配置为发电机的转子。

Description

用于水力发电的铰接叶片十字轴涡轮机
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月23日提交的临时申请No.61/162560的权益，其整个内容在此全文引入以供参考。
背景技术
六千多年以来，已经使用设备来利用例如水和空气的运动流体能量作为动力。例如，数千年来水轮已经被用来利用来自运动水源的能量作为动力。根据一些来源，最早已知的水力涡轮机可追溯到大约第四世纪初，其中发现一对螺旋涡轮机碾磨地点可追溯到大约第四世纪初。具有倾斜叶片的卧式水轮安装在充满水的圆轴底部，因此来自水沟的水作用到浸入(浸没)在水中的水轮上而产生动力。
水力涡轮机的主要目的是利用存在于持续运动的流体流中的能量。提取能量的设备可以变化。总体上，水力涡轮机可分类为反动式轮机或冲动式轮机，其中在反动式轮机中，水压作用在轮机的叶片上，从而进行工作，而冲动式轮机改变流体喷射的速度进行工作。
早期水轮动力系统涉及将具有间隔桨叶的可转动轮部分地浸入例如江河或河流的水流中。水在流动时向浸入的桨叶施加力。该力使桨叶所附接的轮围绕中心轴线转动。这种设计存在一些缺陷。例如，通常只有一小部分桨叶暴露于流动水中。因此，由于水必须施加力以使该设备的所有元件转动，效率很低，意味着中心轴线转动只能捕获很少能量。提出的本发明使其整个结构暴露于水流中并且对于一定量的结构材料可以捕获多得多的能量。
用于从运动水中捕获能量的另一种方法使用螺旋桨式涡轮机，这种类型的涡轮机具有附接于单一杆上或容纳于壳体内的多个弯曲叶片。这种涡轮机被定位为其轴线平行于水流。这种方法也带来明显的缺陷，包括：
·制造困难，因为叶片使用了复杂的弯曲形状。这增加了成本并且降低了制造的可行性。
·安装这种设备困难，因为通常通过附接于通道底部或从水面悬挂下来的大型刚性结构使其保持就位。这需要相当多的附加结构。提出的本发明不需要类似的结构，因为本发明可以使用简单的系绳或绳索保持就位。
螺旋桨式转子以提升为基础而不是以拖曳为基础，因此具有“失速”或开始转动所需的最小流量。提出的本发明利用水的推动力，因此本发明没有失速，甚至根据发电机或转子上的其他载荷以非常慢的水流进行转动。
螺旋桨式转子是圆形的但是水通道通常是矩形的，因此转子不能紧密配合到该通道内。提出的本发明具有可变的矩形剖面轮廓并且可以紧密配合到任何矩形通道内。
发明内容
本发明使用具有铰接叶片的十字轴(交叉轴线)涡轮机从例如水和空气的流动流体中捕获(收集)能量。捕获的能量可被用于进行机械作业或发电。转子如浆轮一样动作，其中桨叶或叶片被铰接，以使得其可以转动远离转子的上游行程的水流，并因此显著减少拖曳并增加能量捕获效率。
公开了一种配置为置于流动(水)流中的水力涡轮机。该涡轮机包括具有第一端和第二端的框架结构。轴可转动地安装到该框架结构上，以围绕轴线转动，该轴在该框架结构的第一端和第二端之间延伸。第一支撑板在该框架结构的第一端附近可驱动地附接于该轴上，第二支撑板以一定距离远离所述第一支撑板地可驱动地附接于所述轴上。多个叶片在第一和第二支撑板之间延伸，每个叶片具有可枢转地附接于第一和第二支撑板上的近侧边缘和当叶片枢转到停止位置时邻近该轴地设置的远侧边缘。在水力涡轮机运行期间，叶片横向于流动流定位，因此当第一叶片围绕所述轴线旋转时，对于旋转运动的大约二分之一，每个叶片由流动流保持保持在停止位置，并且对于旋转运动的其余部分，每个叶片枢转远离所述停止位置。
在本发明的实施例中，涡轮机包括三个至六个平面状叶片。在本发明的实施例中，当叶片处于停止位置时，每个叶片的远侧边缘与所述轴邻近。
在另一个实施例中，涡轮机进一步包括在所述框架结构的第二端附近可驱动地附接于所述轴上的第三支撑板，并且多个第二叶片可枢转地附接于第一和第二支撑板上，当叶片枢转到停止位置时，其远侧边缘邻近所述轴地设置。所述多个第二叶片可与其他叶片转动偏离。
该发明内容部分被提供，以引入将在下面的详细说明中进一步描述的简化形式的设计概念的选择。该发明内容部分不意欲标识请求保护的主题的主要特征，也不意欲用于辅助确定请求保护的主题的范围。
附图说明
由于通过结合附图参考以下详细说明本发明变得更佳地理解，本发明的上述特征和许多伴随的优点将变得更易于理解，其中：
图1示出了根据本发明第一实施例具有四叶片水力涡轮机的水力发电机的正视图；
图2示出了沿图1中的剖面2-2的横截面视图，示出了运行中的水力涡轮机；
图3是运动学视图，示意性图示了运行期间具有三十度增量的图1所示水力涡轮机的单个叶片的理想运动；
图4是图1所示涡轮机的透视图；
图5是图1所示涡轮机的部分分解透视图；
图6是根据本发明的涡轮机的另一个实施例的透视图，包括具有转动偏移定向的多个转子部分；
图7是运动学视图，示意性图示了用于包括限制叶片转动的止动件的根据本发明的涡轮机的另一个实施例在运行期间具有三十度增量的单个叶片的理想运动；
图8是根据图7的涡轮机的横截面端视图；以及
图9图示了根据本发明的水力发电机的另一个实施例。
具体实施方式
根据本发明的水力发电机系统100图示于图1中。在该实施例中，系统100包括设置于可选框架结构110中的水力涡轮机120。虽然图示了简单的开口(敞开式)矩形框架结构110，可以理解，也可以替换地使用任何适宜的框架结构，例如包括位于涡轮机120的任一侧的直立支撑件的分叉式框架。
在该实施例中，一对发电机105附接于该框架结构110的任一端上。虽然示出了两个发电机105，可以理解，也可以替换地使用不同数量的发电机。据信在许多应用中，单个发电机105是优选的。
新型翻转翼(flip-wing)TM涡轮机120通过涡轮机传动轴122可转动地安装在框架110中，该涡轮机传动轴配置为可驱动地接合发电机105。涡轮机120包括附接以可转动地驱动轴122的相对设置的支撑板124。多个大体平面状的叶片126在第一和第二支撑板124之间延伸。在该实施例中，涡轮机120具有四个叶片126，尽管也可以替换地使用更多或更少的叶片。叶片126优选在板124的外周边附近可枢转地安装到支撑板124上，并配置为围绕平行于传动轴122的轴线的枢转轴线125(见图2)枢转。
图2示出了经过剖面2-2的涡轮机120的端视图。在该实施例中，支撑板124大体为圆形的。叶片126围绕相关的枢转轴线125枢转，所述枢转轴线125围绕轴122的轴线例如以90°的间隔均匀隔开。四个叶片被标识为126A，126B，126C和126D，并在此总称为叶片126。
叶片126如此定位和设计尺寸，以使得当叶片126向内枢转时每个叶片126的远侧边缘127接合轴122。最内侧枢转位置在此被称为停止位置。在该实施例中，叶片126在停止位置处邻接轴122，尽管很明显，例如栓销等的分离止动构件也可以替换地靠近轴122设置在支撑板124上。
流体流动流方向由箭头90表示。在图2所示位置，水压将上部叶片126C保持在停止位置(例如邻接轴122)，同时下部叶片126A由于水压作用枢转远离停止位置。水压倾向于将前部叶片126D推向停止位置，且重力倾向于将后部叶片126B保持在停止位置。因此，水将倾向于相对自由地流过涡轮机120的下部(轴122下方)，但是将基本上被上部叶片126C阻止，在轴122上方产生液压力，使涡轮机120如箭头92所示围绕轴122的轴线转动。
现在参考图3的运动学示意图，图示出通过围绕轴的轴线122的一个完整旋转运动(回转)的单个叶片126的运动，示出了每隔30°的理想的叶片126位置(为清楚起见，另一个叶片126未示出)。度数指示指支撑板124进行一次旋转运动时的相对角位置。
当叶片126枢轴在轴122上方时，水压倾向于将叶片126保持在停止位置(邻近轴122)。叶片126经过180°位置之后，水压将使叶片126“翻转”(如图3中箭头94所示的逆时针方向)。在叶片126的枢转轴线125低于轴122时，叶片126于是将倾向于保持与流动方向平行。应当理解，大体上垂直于转动轴线(轴122)的连续水流将在轴122上方产生明显的流体压力，因此将产生可从中提取有用功的期望轴转动。虽然在图3的理想示意图中叶片126在大约180°位置“翻转”，实践中叶片倾向于在稍后一些的旋转时翻转，例如在大约200°旋转时翻转。
根据本发明的涡轮机220的第二实施例的透视图图示于图4中，而涡轮机220的分解图图示于图5中。涡轮机220与上述涡轮机120类似，只是该实施例采用了六个以等间距间隔可枢转地附接于支撑板224上的叶片226(只有四个可见)。涡轮机220类似地安装到包括端板214的开口框架结构210上，发电机(未示出)可安装到该端板上，以接合传动轴222。
如以上所讨论，涡轮机220横向置于流动流(流动水流)中，从而进行发电。涡轮机220便利地采用矩形形状，该形状理想地适合于从例如运河、溢洪道等流体被容纳于规则形状的通道内的许多人工流动流中提取功。然而，涡轮机运行并不必然要求成形通道，并且可以预期，涡轮机220可用于在更开阔的水域内发电，例如由潮汐流发电。涡轮机220非常适用于例如小溪和河流的高度定向流，以及例如潮汐港塘等的大规模定向流。
在上述实施例中，例如在图2所示的涡轮机120中，主要从接合位于传动轴122的旋转轴线上方的叶片126的水流中获取能量。可替换地，涡轮机120沿相反方向定位(或颠倒方向的水流中，例如潮汐流中)，因此水流90从图2左侧冲击或接合涡轮机。通过研究附图应当理解，涡轮机120将在逆向水流中工作，主要是当叶片126位于传动轴122上方时，叶片126将处于停止位置(并承受高压)。
同时对本领域普通技术人员来说显而易见的是，该涡轮机120可经济廉价地构造。尤其是，叶片优选(但并非必须)呈基本上平面状，并且可以简单地由例如金属板或塑料材料的板状材料制成。此外，涡轮机220不依赖于流经狭窄通道的水流，这种水流可能易于被河流中的异物堵塞。由图2可以理解，提供原动力的水流部分(图2中的上部)不流经任何狭窄通道，同时为不驱动涡轮机220的那部分水流提供相对相对宽阔的流动路径。
现在参见图6，其为涡轮机320的另一个实施例的透视图，具有可枢转地附接于近侧支撑板324A和中间支撑板324B之间并与其相连的第一组叶片326A(在该实施例中，具有三个叶片326A，其中两个叶片可见)。类似的第二组叶片326B可枢转地附接于中间支撑板324B和远侧支撑板324C上。三个支撑板324A、324B、324C固定附接于可以可驱动地接合一个或多个发电机(未示出)的传动轴322。叶片326A、326B以如上所述相同的方式运行，其中当涡轮机320横向置于流动流中时，上部叶片将在轴322上产生旋转力。
第一组叶片326A优选为均匀间隔(例如每隔120°)并与第二组叶片326B转动偏离，例如偏离60°。因此，在相对连续的流动流中，第一组叶片326A和第二组叶片326B将平均地处于互补的发电阶段，因此使涡轮机320产生的电力平缓或平稳。虽然示出了两组叶片326A、326B，可以理解，可以提供更多叶片组，每一组处于特定的转动方向。例如，可提供第二中间支撑板，并且可提供三组叶片，每一组叶片可枢转地附接在两个支撑板之间。
现在参见图7，示出了与图3类似的运动学简图，图示出在支撑板424的一次转动过程以60°间隔(0°、60°、120°、180°、240°和300°)的单个涡轮机叶片126。在该实施例中，支撑板424进一步包括以短距离与叶片126的枢转轴线125隔开的叶片止挡件421。也参考图8，图示了包括叶片止挡件421的涡轮机420的横截面端视图(类似于图2)。当叶片位于传动轴122的旋转轴线上方时(例如叶片126C、126D)，其如上所述地与水流90相互作用。然而，在大约180°位置和大约270°位置之间(例如在旋转运动的后下四分之一或后下象限期间)，叶片位置由叶片止挡件421限制，因此叶片向上倾斜。在该向上倾斜位置(例如，图8中叶片126B)，叶片将使水流向上转向，在叶片126B上产生高压，提供附加动力。当支撑板424经过大约270°位置时，叶片将不再接合止挡件421(例如叶片126A)。因此，止挡件421将改进涡轮机420的效率。
图9图示了根据本发明的发电系统500的另一个实施例。除了接下来论述的其他方面，涡轮机520基本上与上述的任何一种涡轮机类似。在该实施例中，涡轮机520包括可驱动地接合相对设置的发电机转子524的传动轴522。多个涡轮机叶片526靠近转子524的外周边可枢转地附接于发电机转子524上，并围绕平行于传动轴522的轴线的轴线枢转。涡轮机叶片526的尺寸和位置被设定为接合传动轴522(或靠近传动轴的止挡件)，因此如上所述当涡轮机520在适当地放置在流动流中时将被可驱动地接合。
相对设置的发电机定子505附接于框架510上并周向地环绕相关转子524，因此当转子524转动时，通过发电机转子/定子524/505对产生电流。例如，转子524可包括支撑板，该支撑板具有沿支撑板的外周边设置的多个磁体，定子可包括多个线圈，其配置为具有由转动磁体感应的电流。用于产生电流的其他转子/定子结构对本领域普通技术人员来说是显而易见的。可以理解，在该实施例中，定子直径相对大，这将有利于在相对低的旋转速率下进行发电。虽然所公开的系统500具有两个相对设置的发电机(524/505)，可以预期，在其他实施例中，可以提供单个发电机，或者提供附加发电机，例如与所示发电机同轴和位于外侧的发电机。
虽然上述实施例公开了发明人的当前优选方法和装置，在不脱离本发明的情况下可以进行一些改变。例如，可以预期，举例来说，涡轮机叶片可围绕平行于叶片枢转轴线的轴线弯曲。这种弯曲可带来流动优点(例如，减少拖曳，增加提升)。虽然大体平面状的叶片是当前优选的，还可以预期叶片可成形为具有特征厚度剖面，例如翼型，从而改进性能。在另一种变型中，可以预期，提供可调节和/或可动态控制的叶片止挡件，从而在叶片处于传动轴的后侧(例如下游)时更精确地控制叶片位置。
涡轮机可由适用于系统预定运行的环境的任何材料制成，包括适宜的金属、聚合物材料和复合材料。例如，可以预期，根据本发明的系统可放置在具有明显潮汐产生流的水体中，具有连接到岸上从而接收该系统产生电力的电缆。
本发明的各个实施例具有以下优点中的一个或多个：
i.相对简单的机械结构。
ii.由标准材料廉价地构造。
iii.沿同一方向转动而与水流方向无关，因此适合于逆转方向的潮汐流或波浪推动的上下运动。
iv.可水平或竖直地安装在水流中。
v.适应不同应用的可量测性或灵活性。
vi.可以紧密配合到大多数水道内，从而极大地增加发电效率，因为大部分水冲过转子而不是绕过转子。
vii.对鱼类和水生生物来说是安全的，因为其转动缓慢并且提供经过涡轮机的大水道。
viii.可靠性，因为该涡轮机很难被漂浮物堵塞。漂浮废物倾向于在涡轮机顶部上方经过。
为了图示和说明，已经给出了本发明的优选实施例的上述描述。不意味着排外或者将本发明限制到所公开的精确形式。根据上述教导可以进行明显变型或改变。为了更好地图示本发明的原理及其实际应用选择并描述了实施例，因而本领域普通技术人员能够最佳地将本发明应用到各实施例及适合于预期专门用途的各种变型中。意味着本发明的范围由后附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种配置为置于流动流中的水力涡轮机，该涡轮机包括：
具有第一端和第二端的框架结构；
轴，其可转动地安装到所述框架结构上，以围绕轴的轴线转动；
在所述框架结构的第一端附近固定附接于所述轴上的第一支撑板和以一定距离远离第一支撑板固定附接于所述轴上的第二支撑板；以及
可枢转地连接到第一和第二支撑板的周边部分上的多个第一叶片，每个叶片具有当叶片枢转到停止位置时邻近所述轴地设置的远侧边缘，
其中，在该水力涡轮机运行期间，第一叶片围绕所述轴的轴线旋转，且对于旋转运动的一部分，每个叶片通过流动流保持在停止位置，并且对于旋转运动的其余部分，每个叶片通过流动流枢转远离停止位置。
2.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，所述多个第一叶片包括至少四个叶片。
3.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，所述多个第一叶片围绕第一和第二支撑板均匀地间隔。
4.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，每个第一叶片围绕平行于所述轴的轴线的轴线枢转。
5.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，所述第一叶片呈平面状。
6.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，当叶片处于停止位置时，所述多个第一叶片中的每个叶片的远侧边缘邻近所述轴。
7.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，所述框架结构包括基本上矩形的开口结构。
8.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，进一步包括附接于第一支撑板上的多个叶片止挡件，每个叶片止挡件与所述多个第一叶片中的一个相关联并与相关的第一叶片的枢转轴线相距一定距离地定位，以使得所述叶片止挡件在所述水力涡轮机运行期间限制相关叶片的向外枢转。
9.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，进一步包括在所述框架结构的第二端附近固定附接于所述轴上的第三支撑板，以及多个第二叶片，每个第二叶片具有可枢转地附接于第二和第三支撑板的周边部分上的近侧边缘，并且每个第二叶片进一步包括当第二叶片枢转到停止位置时邻近所述轴地设置的远侧边缘。
10.根据权利要求9所述的水力涡轮机，其特征在于，所述多个第二叶片在与所述多个第一叶片偏离的角位置处附接于第二和第三支撑板上。
11.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，所述第一支撑板配置为发电机的转子。
12.根据权利要求11所述的水力涡轮机，其特征在于，所述第一支撑板进一步包括围绕所述第一支撑板的外周边设置的多个磁体。
13.根据权利要求1所述的水力涡轮机，其特征在于，进一步包括附接于所述框架结构上并由所述轴可驱动地接合的发电机。
14.一种配置为浸入于流动流中的水力发电机，该水力发电机包括：
可驱动地附接于水力涡轮机上的发电机，其中所述水力涡轮机包括：
具有第一端和第二端的框架结构；
轴，其可转动地安装到所述框架结构上，以围绕轴的轴线转动；
在所述框架结构第一端附近固定附接于所述轴上的第一支撑板和以一定距离远离第一支撑板固定附接于所述轴上的第二支撑板；以及
可枢转地连接到第一和第二支撑板的周边部分上的多个第一叶片，每个叶片具有当叶片枢转到停止位置时邻近所述轴地设置的远侧边缘，
其中，在该水力涡轮机运行期间，第一叶片围绕所述轴的轴线旋转，且对于旋转运动的一部分，每个叶片通过流动流保持在停止位置，并且对于旋转运动的其余部分，每个叶片通过流动流枢转远离停止位置。
15.根据权利要求14所述的水力发电机，其特征在于，每个第一叶片围绕平行于所述轴的轴线的轴线枢转。
16.根据权利要求14所述的水力发电机，其特征在于，所述第一叶片呈平面状。
17.根据权利要求14所述的水力发电机，其特征在于，当叶片处于停止位置时，每个叶片的远侧边缘邻近所述轴。
18.根据权利要求14所述的水力发电机，其特征在于，进一步包括附接于第一支撑板上的多个叶片止挡件，每个叶片止挡件与所述多个第一叶片中的一个相关联并与相关的第一叶片的枢转轴线相距一定距离地定位，以使得所述叶片止挡件在所述水力涡轮机运行期间限制相关叶片的向外枢转。
19.根据权利要求14所述的水力发电机，其特征在于，进一步包括在所述框架结构的第二端附近固定附接于所述轴上的第三支撑板，以及多个第二叶片，每个第二叶片具有可枢转地附接于第二和第三支撑板的周边部分上的近侧边缘，并且每个第二叶片进一步包括当第二叶片枢转到停止位置时邻近所述轴地设置的远侧边缘。
20.根据权利要求19所述的水力发电机，其特征在于，所述多个第二叶片在与所述多个第一叶片偏离的角位置处附接于第二和第三支撑板上。
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