CN103114876A - 波浪发电厂中的与双向换向气流一起使用的冲击式空气涡轮机装置 - Google Patents

波浪发电厂中的与双向换向气流一起使用的冲击式空气涡轮机装置 Download PDF

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Abstract

一种波浪发电厂中的与双向换向气流(F1，F2)一起使用的冲击式空气涡轮机装置，包括：轴流式涡轮机转子(10)，及安装在所述涡轮机转子每侧上的引导所述双向气流流入及流出所述涡轮机转子(10)的蜗壳(16，116)。每个蜗壳(16，116)相对于涡轮机轴(12)在径向外口(18，118)和径向内口(20，120)之间周向延伸。所述径向外口(18，118)被定向为沿切向方向输出/输入所述气流，所述径向内口(20，120)轴向地定向以将涡旋气流冲击到所述涡轮机转子(10)上或从所述涡轮机转子(10)接收涡旋气流。

Description

波浪发电厂中的与双向换向气流一起使用的冲击式空气涡轮机装置
技术领域
本发明大体上涉及一种波浪发电厂中的与双向换向气流(reversingbi-directional air flow)一起使用的冲击式空气涡轮机装置。本发明的实施方式涉及一种与由波能转换器生成的双向换向气流一起使用的冲击式空气涡轮机装置。因此，该冲击式空气涡轮机装置被用于电力生产。
背景技术
波浪发电厂利用波能转换器来将海浪的上升运动和下落运动转化成双向换向气流。在空气压缩机腔体中的波浪面的上升运动和下落运动产生的双向换向气流被广泛用于振荡水柱(Oscillating-water-column，OWC)波浪发电厂中。无论是OWC型或其他类型的波浪发电厂，包括利用双向换向气流来产生电力的动力输出装置。所述动力输出装置典型为必须在同一方向连续转动的空气涡轮机，而不管穿过涡轮机的气流方向如何。
韦尔斯涡轮机(Wells turbine)通常用于波浪发电厂尤其是OWC波浪发电厂中。韦尔斯涡轮机的涡轮机转子叶片包括不管气流方向如何而维持转子在同一方向转动的对称的翼。然而，韦尔斯涡轮机并不适用于大的流速，具体来说，在易于引起堵塞的高流速下操作。典型的韦尔斯涡轮机的操作有效性在50％和55％之间。
另一个已知的空气涡轮机是丹尼斯·奥尔德涡轮机(Dennis-Auld turbine)，丹尼斯·奥尔德涡轮机利用变螺距转子叶片来提高操作有效性，并且特定被设计用于OWC波浪发电厂。机械驱动系统用来改变转子叶片的安装角，但该系统增加了维护的负担，并且可导致可靠性的减小。还需要控制系统根据波浪剖面参数(例如波高、波形以及波动历时)的实时测量来控制机械驱动系统的操作。然而，OWC波浪发电厂通常遇到的是不规则的波浪剖面，当叶片安装角实际需要变动时会难以正确识别。
其他已知的涡轮机装置包括冲击式空气涡轮机(impulse air turbine)，最初气流被引导穿过一组周向隔开的导流叶片(circumferentially spaced guide vane)，又被以合适的角度和速度引导至涡轮机转子叶片上。为了处理波浪发电厂中遇到的双向换向气流，在涡轮机转子的每侧上放置一组周向隔开导流叶片。
周向隔开的导流叶片的安装角通常是固定的，这就意味着导流叶片的构形在穿过涡轮机的两个方向上不能优化气流。涡轮机转子的每侧的导流叶片的安装角通常可选地以最适宜的角度和速度引导转子叶片上的气流。因此，并不优化导流叶片的安装角以接受来自涡轮机转子下游侧的涡旋气流，这样会导致穿过导流叶片下游的压降增大并且降低了涡轮机的操作有效性。
在WO-A-2008/012530中描述了一种用于OWC波浪发电厂的变径冲击式空气涡轮机，以期克服该难点。所述涡轮机具有位于涡轮机转子的对立侧的两组相同的固定构形的周向隔开的导流叶片以及从各组导流叶片延伸至涡轮机转子的环形气流通道。对比上述拓扑结构，涡轮机转子的每侧上的导流叶片从比转子叶片更大的半径转子叶片径向偏移。涡轮机转子的导流叶片下游传递涡旋运动至气流，然后随着气流穿过朝向较小直径的涡轮机转子的上游环形气流通道时增速。随后在气流通过上流导流叶片前气流流经下游环形气流通道时，具有减速的机会。尽管这种冲击式空气涡轮机的操作有效性高于具有上述拓扑的冲击式空气涡轮机，但是其明显更加笨重且需要大直径管道和管来引导气流至导流叶片和从导流叶片引导空气流。
因此，需要提供一种与双向转向气流一起使用的改进的冲击式空气涡轮机装置来克服目前空气涡轮机中存在的上述部分或全部问题。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种波浪发电厂中的与双向转向气流一起使用的冲击式空气涡轮机装置，所述冲击式空气涡轮机装置包括：
被安装为绕涡轮机轴旋转的轴流式涡轮机转子；
安装在所述涡轮机转子的每侧上的引导所述双向气流流入及流出所述涡轮机转子的蜗壳(16，116；216)，每个蜗壳(16，116；216)相对于所述涡轮机轴在径向外口(18，118；218)和径向内口(20，120；220)之间周向延伸；
所述径向外口被定向为沿切向方向输出/输入所述气流，所述径向内口(20，120；220)轴向地定向以将涡旋气流冲击到所述涡轮机转子(10)上或从所述涡轮机转子(10)接收涡旋气流。
根据本发明的第二个方面，提供了一种波浪发电厂，所述波浪发电厂包括波能转换器以及根据前述第一个方面所述的冲击式空气涡轮机装置，所述波能转换器提供双向换向气流，所述冲击式空气涡轮机装置被所述双向换向气流(F1，F2)驱动并与发电机相连接从而驱动所述发电机。
首先，穿过空气涡轮机装置的气流流经所述涡轮机转子的轴向上游的蜗壳，而流经所述涡轮机转子，最后流经所述涡轮机转子的轴向下游的蜗壳。
当空气流经轴向上游的蜗壳时，首先，空气在切向方向上进入径向外口。然后空气在周向和径向朝内的方向上流向径向内口而穿过蜗壳。随着空气穿过蜗壳，在旋涡气流被引导穿过轴向定向的径向内口和冲击到涡轮机转子上之前，空气加速并到达切向旋涡组件。
自涡轮机转子的下游侧排出的空气被认为穿过轴向下游的蜗壳的轴向定向的径向内口。然后空气在周向和径向朝内的方向上流向径向外口而穿过蜗壳。随着空气穿过蜗壳，在大体切向方向上穿过径向外口而排出蜗壳之前，空气扩散并重新涡流。
设置在轴流式涡轮机转子的每侧上的蜗壳优化穿过空气涡轮机装置的气流，而不管气流的方向如何，因此使得冲击式空气涡轮机装置在利用双向换向气流操作时得到良好的操作有效性。蜗壳的相对轴向的紧凑构形提供了相应的轴向紧凑冲击式空气涡轮机装置。
各个蜗壳的横截面流动面积可从径向外口朝向径向内口减少。随着空气从径向外口朝向径向内口流经蜗壳，减小的流动面积加速空气的流动。相同的，当气流在相反方向时，增加的流动面积减速空气的流动。
各个蜗壳可包括一对轴向隔开的壁以及多个轴向延伸的位于轴向隔开的壁之间的流体控制叶片。各个蜗壳的径向内口可被设置在邻近涡轮机转子的各个蜗壳的壁的大致中心区域处。
冲击式空气涡轮机装置可包括用于改变穿过各个蜗壳的流动面积的构件。在某些实施方式中，各个蜗壳的一个或两个壁可为可轴向移动的，以改变流动面积。通常，相邻涡轮机转子的内壁的位置是轴向固定的，而外壁的位置是可轴向移动的。这样的优点可能是能够改变流动面积，例如根据主要的海水情况，从而能够优化穿过蜗壳的气流状况以及由此产生的压降。这也有利于涡轮机阻尼和/或涡轮机速度控制。
一个或多个径向相邻轴向延伸的流体控制叶片相配合以在各个蜗壳内限定一个或多个周向延伸的流动通道。一个或多个周向延伸的流动通道在各个蜗壳的径向外口和径向内口之间引导气流。各个流动通道可具有径向外部周向开口和径向内部周向开口。
一个或多个周向延伸的流体控制叶片是可移动的，从而改变其后掠角(sweep angle)并因此改变在径向相邻的周向延伸的流体控制叶片之间的径向间距，并且因此改变在径向外部周向开口和径向内部周向开口处的一个或多个流动通道的横截面流动面积。
各个蜗壳可包括作为周向延伸的管道形式的单一连续的流动通道来替代周向延伸的流体控制叶片和径向隔开的壁。
各个蜗壳的径向内口的横截面为大致环形。在一些装置中，各个流动通道的径向内部周向开口可在径向上定位在每个蜗壳的大致环形的轴向定向的径向内口外侧。
涡轮机罩可环绕涡轮机转子并在蜗壳之间轴向延伸。机器罩环绕涡轮机转子及其相关罩以及涡轮机转子每侧上的蜗壳。
附图说明
图1是根据本发明的包括有位于涡轮机转子的每侧上的蜗壳的冲击式空气涡轮机装置的横截面示意图；
图2是图1的冲击式空气涡轮机装置的爆炸图；
图3是图1中所示出的其中一个蜗壳的横截面示意图；以及
图4是另一蜗壳构形的横截面示意图。
具体实施方式
下面将通过实例并结合附图来详细描述优选的实施方式。
首先，参照图1和图2，一种冲击式空气涡轮机装置包括：具有涡轮机轴12的轴流式涡轮机转子10以及绕涡轮机转子10周向隔开的多个转子叶片14，其中涡轮机转子10绕涡轮机轴12转动。冲击式空气涡轮机装置构成波浪发电厂的一部分，波浪发电厂中的波能转换器用于将海浪的上升运动和下落运动转变成双向换向气流。冲击式空气涡轮机装置尤其适用于与具有管道的波能转换器一起使用，管道引导双向换向气流流入和流出涡轮机装置。涡轮机转子10与发电机(未示出)相连接并驱动发电机产生电力。应当理解地是，涡轮机转子10必须以绕涡轮机轴12的转动方向R的同一方向连续转动，而不管穿过涡轮机装置的气流方向如何。其可以利用本发明实施方式中的冲击式空气涡轮机装置的有效方式来实现。
为了优化自涡轮机转子10流入和流出并穿过冲击式空气涡轮机装置的气流，并且最大限度地增加涡轮机装置的操作有效性，蜗壳16、116布置在涡轮机转子10的每侧上，从而引导流入和流出涡轮机转子10的双向气流。蜗壳16、116相对于涡轮机轴12分别在径向外口18、118和径向内口20、120之间周向延伸。蜗壳16、116的径向外口18、118被定向为沿切向方向输出/输入空气，同时蜗壳16、116的径向内口20、120轴向地定向以将涡旋气流冲击在涡轮机转子10上或从涡轮机转子10接收气流。正常地，蜗壳16、116的径向外口18、118连接至波能转换器的管道以使得空气通过蜗壳16、116被引导流入和流出涡轮机转子10。
蜗壳16、116分别包括轴向外壁24、124以及邻近涡轮机转子10的轴向内壁26、126。图2中仅示出了蜗壳16的部分轴向外壁24和蜗壳116的部分轴向内壁126，同时图2中省略了蜗壳16的整个轴向内壁26以及蜗壳116的整个轴向外壁124。轴向内壁26、126分别包括位于涡轮机轴12中心的环形开口28、128并作为径向内口20、120。涡轮机罩38环绕涡轮机转子10并在轴向内壁26、126之间延伸，126。尽管未示出，还包括环绕涡轮机转子10的机器罩并且当空气涡轮机装置设置在波浪发电厂时连接涡轮机罩38和蜗壳16、116。
多个径向和周向延伸的流体控制叶片30、130分别位于蜗壳16、16的轴向外壁24、124和轴向内壁26、126之间。参见图2和图3，多组径向相邻的流体控制叶片30、130相配合以限定径向及周向延伸的多个流动通道32、132，流动通道32、132分别具有径向外部周向开口34以及径向内部周向开口36。流体控制叶片30、130分别具有从径向外部周向开口34朝向径向内部周向开口36.的径向向内周向方向连续减小的半径的曲率。径向相邻的流体控制叶片30、130交汇在径向向内周向方向以便于各个流动通道32、132在从径向外部周向开口34朝向径向内部周向开口36的方向上逐渐变窄。因此，各个流动通道32、132的横截面流动面积在径向向内周向方向上逐渐变窄。
在海浪的上升运动期间，气流按照图1中的第一流动方向F1穿过冲击式空气涡轮机装置，更具体地说，是穿过引导气流流入涡轮机转子10的蜗壳16，然后穿过引导气流流出涡轮机转子10的蜗壳116。同样，在海浪的下落运动期间，气流按照相反的第二流动方向F2穿过冲击式空气涡轮机装置，更具体地说，是穿过引导气流流入涡轮机转子10的蜗壳116，然后穿过引导气流流出涡轮机转子10的蜗壳16。
更具体地说，当气流在第一方向F1时，其首先在切向方向通过切向定向的径向外口18流入蜗壳16。然后通过流体控制叶片30在径向向内的周向方向上从径向外口18朝向邻近涡轮机转子10的径向内口20穿过蜗壳16。随着气流穿过逐渐变窄的流动通道32和在径向向内周向方向加速并达到切向旋涡组件。然后涡旋气流被引导穿过轴向定向的径向内口20以便于涡旋气流冲击在涡轮机转子10的转子叶片14上从而转动涡轮机转子10。
然后涡旋气流自轴向定向的径向内口120进入蜗壳116，并且通过流体控制叶片130在径向向外周向方向上从径向内口120朝向径向外口118穿过蜗壳116。随着气流穿过逐渐加宽的流动通道132，气流扩散并重新涡流。最后空气在大致切向方向穿过径向外口118而排出蜗壳116。
当空气在相反的第二流动方向F2流动时，空气首先流经蜗壳116，然后穿过涡轮机转子10且最后穿过蜗壳16。在这种情况下，需要理解地是，蜗壳116加速气流且在涡旋气流冲击在涡轮机转子10的转子叶片14上之前到达切向旋涡组件。然后蜗壳16扩散并重新涡流来自涡轮机转子10的气流。冲击式空气涡轮机装置获得无关气流方向的良好的操作有效性，并且尤其适用波浪发电厂中遇到的在通常运动条件下每六至十二秒流动方向逆转发生的低可用压降的高体积流量。空气涡轮机装置能够有效的在宽泛的气流速率中运行。
现在参照图4，图4中示出了另一构形的蜗壳216。蜗壳216的各部分与附图标记增大200后的蜗壳16的各部分相似。除非另有限定，蜗壳216用作蜗壳16。蜗壳216与蜗壳16、116类似且包括多个位于径向隔开的壁之间的径向和周向延伸的多个流体控制叶片230。如上所述，径向相邻的流体控制叶片230相配合以限定径向和周向延伸的多个流动通道232，各个流动通道232分别具有径向外部周向开口234和径向内部周向开口236。
相对于流体控制叶片30、130，图4中示出的流体控制叶片230具有较小的周长以产生较短的流动通道232。并且，流体控制叶片230并不具有周向减小的曲率。相反，各个流体控制叶片230的弯曲的半径在各个流动通道232的径向外部周向开口234和径向内部周向开口236之间是变化的。
在图1至4所示出的实施方式中，各个流动通道32、132、232的径向内部周向开口36、236在径向上定位在每个蜗壳16、116、216的大致环形的轴向定向的径向内口20、120、220外侧。
在任何一个上述实施方式中，值得注意地如图4所示是一个或多个流体控制叶片枢设在枢转配件242上，使得流体控制叶片的后掠角可变。
尽管在之前的段落中描述了示例性的实施方式，但是需要理解的是在不违背被所附权利要求的范围内，这些实施方式可进行各种改进。因此，上述示例性的实施方式不用于限制权利要求的宽度和范围。说明书包括权利要求和附图中所公开的各个特征可通过用于相同，等效或相似目的的替代特征来替代，除非另有明确规定。
除非上下文另有明确要求，在描述和权利要求中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等是解释包括所述的限度而不是唯一或详尽的意义，也就是说，在意思上是“包括，但不限于”。

Claims (12)

1.一种波浪发电厂中的与双向换向气流(F1，F2)一起使用的冲击式空气涡轮机装置，其中，所述冲击式空气涡轮机装置包括：
被安装为绕涡轮机轴旋转的轴流式涡轮机转子(10)；
安装在所述涡轮机转子的每侧上的引导所述双向气流流入及流出所述涡轮机转子的蜗壳(16，116；216)，每个蜗壳(16，116；216)相对于所述涡轮机轴在径向外口(18，118；218)和径向内口(20，120；220)之间周向延伸；
所述径向外口被定向为沿切向方向输出/输入所述气流，所述径向内口(20，120；220)轴向地定向以将涡旋气流冲击到所述涡轮机转子(10)上或从所述涡轮机转子(10)接收涡旋气流。
2.根据权利要求1所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳(16，116；216)的横截面流动面积从所述径向外口(18，118；218)朝向所述径向内口(20，120；220)减小。
3.根据权利要求1或2所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳(16，116；216)的所述径向内口的横截面为大致环形。
4.根据权利要求1或2所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳(16，116；216)分别包括一对轴向隔开的壁(24，26，124，126)以及多个径向和周向延伸的位于所述轴向隔开的壁之间的流体控制叶片(30，130；230)。
5.根据权利要求4所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳(16，116；216)的所述径向内口(20，120；220)被设置在邻近所述涡轮机转子(10)的所述壁(26，126)的大致中心区域处。
6.根据权利要求4所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳的所述壁(24，26，124，126)中的至少一个相对于所述涡轮机轴(12)是可轴向移动的，从而改变穿过每个蜗壳(16，116；216)的流动面积。
7.根据权利要求4或5所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，所述流体控制叶片(30，130；230)中的一个或多个是可移动的，从而改变所述流体控制叶片(30，130；230)的后掠角。
8.根据权利要求4所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，一个或多个径向相邻的流体控制叶片(30，130；230)相配合以在每个蜗壳内限定一个或多个径向和周向延伸的流动通道(32，132；232)，每个流动通道具有径向外部周向开口(34，134；234)和径向内部周向开口(36，136；236)。
9.根据权利要求8所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个流动通道(32，132；232)的所述径向内部周向开口(36，136；236)在径向上定位在每个蜗壳的所述轴向定向的径向内口(20、120、220)外侧。
10.根据权利要求1或2所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，每个蜗壳(16，116；216)包括周向延伸的管道。
11.根据权利要求1或2所述的冲击式空气涡轮机装置，其中，所述冲击式空气涡轮机装置还包括：环绕所述涡轮机转子(10)并在所述蜗壳(16，116；216)之间轴向延伸的涡轮机罩。
12.一种波浪发电厂，其中，所述波浪发电厂包括波能转换器以及根据前述任一权利要求所述的冲击式空气涡轮机装置，所述波能转换器提供双向换向气流，所述冲击式空气涡轮机装置被所述双向换向气流(F1，F2)驱动并与发电机相连接从而驱动所述发电机。
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