CN103703244A - 具有自主级的横流式船用涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机，该涡轮机包括叠置的级，每级包括横流式涡轮和发电机，在该涡轮机中，每个涡轮-发电机级具有独立的轴，且其中，每级关联于独立的整流罩（31-32），该整流罩相对于水流定向该级，各个整流罩为护罩类型且具有对称的侧翼。

Description

具有自主级的横流式船用涡轮机
技术领域
本发明涉及由至少一列叠置的涡轮构成的横流式水力涡轮发动机。
背景技术
发明人已经递交了一组关于横流式水力涡轮发动机的申请，其中：
-在2004年2月4日递交的法国专利申请04/50209（B6412），该申请涉及包括一列涡轮的横流式水力涡轮发动机，各个涡轮包括V形翼形式的叶片；
-在2005年2月14日递交的法国专利申请05/50420（B6869），该申请涉及用于使涡轮列牢固和避免涡轮列变形的支撑结构；和
-在2008年10月23日递交的专利申请PCT/FR2008/051917（B8450），该申请涉及由沿相反方向转动的两个双列的组件构成的涡轮发动机。
在本文中被认为是已知的这些专利申请描述了由至少一列叠置的涡轮构成的涡轮发动机，这些叠置的涡轮牢固地附接到共用轴。该共用轴将旋转力传递至与各列相关联的单个发电机。
专利申请05/50420和PCT/FR2008/051917提供了使用由两个中空的侧壁或翼构成的整流罩，用以使迎流集中朝向涡轮且因而增加涡轮的效率。在所有描述的情况中，整流罩是单件式的，即单个整流罩关联于一列或两列的全部涡轮。已知，如果各个翼的弦杆的长度基本上等于涡轮直径的三倍，则在将这种整流罩保持成对称地面向水流时，这种整流罩与壁为翼形的涡轮的关联能够使效率基本上提高两倍。
海流或河流的强度能够随着时间而变化。如今，因驱动叶片的转速（该转速取决于到达该驱动叶片的水流的速度）而获得涡轮所传递的最大功率。因此，提供了一种用于随着时间控制驱动轴的转速的调速系统，驱动轴的转速等于一列涡轮中各个涡轮的转速。可根据到达该列涡轮的海流或河流的上游速度的测量，或者直接根据该列涡轮所提供的功率的分析而形成该调速系统。
除了具有可变的强度，水流的方向也可随着时间而变化。在周期性换向的潮流（即单向潮流）中以及在科里奥利力（Coriolis force）的作用下旋转的潮流中观察这些变化，旋转的深度大于约10米。在专利申请05/50420和PCT/FR2008/051917中，已经设置了多个部件，用以在任何时间和地点，根据电流的方向推进这种涡轮发动机的方向：马达辅助或利用叶片型的尾部单元的自动旋转。也可通过将涡轮发动机的旋转轴放置在两个合力的上游来确保自动旋转，这两个合力施加在各个中空的侧壁上且交汇于其各自的推力中心。
除了可能的吃水外，涡轮列可以利用一路向下至海底或河底的全部高度的水流。因此，涡轮列会遭遇不可避免地出现在下部的强度变化。在法国专利申请05/50420中，涉及根据深度的水流强度变化，已经在各个涡轮的毂和相关联的驱动轴部分之间设置了变速箱或任何其它能够控制驱动叶片的转速的系统。在每个涡轮的水平处布置这样一个系统能够对一列涡轮中的每个涡轮起作用，使得各个涡轮为给定方向的水流提供最大的功率。然而，除了强度变化外，在大规模的流动系统产生能够影响潮流的风的海洋情况下，水流方向还可根据深度而变化。如今，在所公开的系统中，整流罩形成与整列涡轮相关联的块，因此设想为每个涡轮最佳地调整整流罩方向是不可能的。最后，由于一个涡轮的阻塞导致整列涡轮的阻塞，因此该系统在其结构和其操作上都不是模块化的。
在风力涡轮领域，专利申请DE-A-10065548提供了单列式涡轮发动机，其中，每级包括装配在轴上的涡轮和发电机，该轴独立于其它级的轴。由于两个连续的级能够沿相反的方向旋转，因此能够控制各个涡轮的叶片转速的系统的安装不仅能够在效率方面最佳地操作各个涡轮，而且能够固定该组件。应当注意，该专利申请涉及风力涡轮，但其中没有设置整流罩。
全部的这些涡轮发动机都具有这样或那样的多个缺点，而且不能提供最佳的效率。
发明内容
本发明的实施方式的目的在于提供一种具有多个涡轮列的横流式涡轮发动机结构以优化效率，该结构集中了多种现有结构的在理论上不兼容的优点。
本发明的实施方式的另一目的在于提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机尤其易于构成、维护、装配和拆卸。
本发明的实施方式的另一目的在于提供一种涡轮发动机，其中，一个涡轮的阻塞不会阻塞整列涡轮。
本发明的实施方式的另一目的在于提供一种涡轮发动机，其中，各个涡轮可以以一定速度旋转，可在任何时间最佳地调整该速度以达到在涡轮水平处的流速的有效强度。
本发明的实施方式的另一目的在于提供一种涡轮发动机，其中，各个涡轮可以以一定速度旋转，可在任何时间最佳地调整该速度以达到在涡轮水平处的水流的有效方向。
本发明的实施方式的另一目的在于提供一种具有高度模块性的涡轮发动机，即具有若干叠置的涡轮级，而并不影响发电机的选择，从而提供更好的制造模块性。
为了实现这些目的和其它目的，本发明的实施方式提供了一种包括叠置的级的涡轮发动机，每级包括横流式涡轮和发电机，其中，每个涡轮-发电机级具有独立的轴，且其中，每级关联于将该级相对于水流导向的整流罩，每个整流罩为护罩类型且具有对称的侧翼。
根据本发明的实施方式，各个级的发电机通过整流器相互连接。
根据本发明的实施方式，每个整流器的输出端被联接至独立的充电部件以控制所关联的发电机的转速或阻塞所关联的发电机。
根据本发明的实施方式，两个相邻的级被设计成使得该两个级的涡轮沿相反的方向旋转。
根据本发明的实施方式，每级通过受控部件被联接至相邻的级，该受控装置设置各级的相互取向。
根据本发明的实施方式，每个涡轮-发电机-整流罩级形成可原地叠置在另一模块上的独立模块。
根据本发明的实施方式，每个模块包括：框架，该框架包括护罩型整流罩的两个壁，这两个壁关联于上板和下板；第一外壳，该第一外壳附接到下板且容纳发电机；和第三板，该第三板相对于下板可旋转地装配在外壳下方，该第三板设置有附接到下部模块的部件。
根据本发明的实施方式，附接部件包括可插入到下部模块中的销。
根据本发明的实施方式，每级包括一对反向旋转的涡轮，每个涡轮关联于容纳在外壳中的发电机，每个涡轮通过对称的仿形件（profile）而与另一涡轮隔开，该仿形件至少一直向下延伸至后缘，每级通过从仿形件一直延伸至整流罩的上板和下板而与相邻的级隔开。
根据本发明的实施方式，每个涡轮的叶片为V形翼类型。
附图说明
在以下结合附图的具体实施方式的非限定性描述中，将详细讨论前述的目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点，其中：
图1A为单列式涡轮发动机的示例的透视图；
图1B为图1A的涡轮发动机的一级的透视图；
图1C为图1A的涡轮发动机的一级的轴向剖面图；
图2A为单列式涡轮发动机的示例的透视图；
图2B为图2A的涡轮的剖面形式的简化的俯视图；
图2C为图2A的涡轮发动机的一级的实施方式的剖面图；
图2D为图2A的涡轮发动机的一级的另一实施方式的剖面图；
图3A为具有双列的涡轮发动机的示例的透视图；
图3B为图3A的涡轮发动机的一级的透视图；和
图4为具有双列的涡轮发动机的示例的透视图。
具体实施方式
图1A、图1B和图1C为分别示出单列横流式水力涡轮发动机、该涡轮发动机的一级的透视图和该涡轮发动机的一级的局部剖面图的简化示图。这些视图被简化之处尤其在于这些视图没有示出用于附接或连接涡轮发动机的部件。涡轮发动机1由一组级3构成，其中，每级包括横流式涡轮5和发电机7。例如，各个基本的涡轮机是专利申请04/50209（B6412）中所描述的类型且被牢固地附接到轴8，轴8可旋转地装配在上凸缘9和下凸缘10之间，上凸缘9和下凸缘10通过杆11连接。各涡轮-发电机级的轴彼此独立。各个轴8驱动发电机7的转子12，该转子在定子13的内部旋转，定子13通过导线14提供电力供应。
各发电机的导线14直接并行地相互连接，或者通过当旋转涡轮发动机的涡轮时能够提供电力供应的其它连接部件而相互连接。该导线可被设置成使整流器与各个发电机的输出端相关联，以允许各个发电机在转矩和/或转速方面的专用独立控制。于是，将不同的整流器在D.C.（直流）总线上并联。为了连接至网络，需要在D.C.总线后放置单个逆变器。
此外，优选地，将同一列的相邻涡轮设计成在海流或河流作用于该列时沿相反的方向旋转。例如，在图1A的实施方式中，相邻涡轮的叶片21、叶片22、叶片23、叶片24被不同地定向，使得包括叶片21和叶片23的涡轮沿第一方向旋转且包括叶片22和叶片24的涡轮沿另一方向旋转。因此，当该列受到水流的作用时，该列仅受到牵引力，该牵引力使其沿水流方向弯曲。假设该列的两个相邻涡轮相向旋转，则与水流方向正交的升力相互抵消或者至少大幅降低。进而减小因与各个涡轮的升力相关联的力矩的总和而导致的横向起重倾覆力矩。
图2A和图2B分别为单列横流式涡轮发动机的示例的透视图和涡轮及其相关联的整流罩的简化俯视图。
该涡轮发动机包括与图1A至图1C的元件相同的元件，将不再次描述这些元件。此外，每级形成包括涡轮、发电机和框架的自容纳型模块。该框架包括整流罩，该整流罩由两个竖向的或对称形状的壁（或翼）31和32、上板41以及下板（在图2A中未示出）构成。下部的整流罩元件33保护发电机。保护元件34旨在避免涡轮叶片和致动涡轮的水流所可能驱动的主体之间的任何撞击。将涡轮发动机以这样的方式（未示出）装配在基础结构上，使得下部的级可以围绕纵轴自由旋转。
图2B的俯视图示意性地示出了涡轮的三个叶片21A、21B和21C，以及相关联的整流罩的两个侧翼31和32。方向A对应于模块的对称轴，箭头C指示水流方向。各个翼31、32具有的弦相对于对称轴的倾角为角度β。角度β在接近临界入射角αc（分离）的入射角的值（即基本上在10°到25°之间）与其三分之一的倾角的范围内。在护罩内的涡轮存在的情况下考虑此处的分离，且该分离不同于针对单独的仿形件或一对相对的仿形件的分离。如上文所指出，这种在各级处独立的整流罩的关联可以优化系统操作。
因此，将β-kβ称为水流的方向与系统的对称轴之间的角度，并且如果涡轮沿着箭头R所指示的方向旋转，则在随水流上升的翼的弦与水流的方向C之间的角度αr等于kβ，且随水流下降的翼的弦与水流的方向C之间的角度αd等于(2-k)β。整流罩的最佳方向在于，与逆着水流的叶片运动相对应的侧壁具有小于β的入射角αr（对应于β的分数kβ，k值取决于所选择的仿形件、水流的流入速度、以及机器的转速）。在这样的定向下，各个叶片面临着超速（如果相对于流入速率k<0，则或者甚至速度不足），当叶片逆着水流运动时，该超度低于αr=β时的速度。另一方面，与叶片的下降运动相对应的侧壁具有的入射角αd（αd=(2-k)β）必须大于β，接近但小于αc。因此在下降运动期间，该超速大于αd=β时的速度。在现有技术的示例中，塔架（各级的列）包括插入具有不均匀方向的水流中的一件式整流罩，然而，如果入射角αr比β大5度到10度，则一些级的效率将明显下降（可下降50%）。
独立模块的整流罩的自然（被动）取向接近正对水流的对称情形，对于进速比的一般值（在2和5之间），αr#αd<β，进速比为叶片尖端的速度与流速的比。这种自然取向提供的效率大于20%以内，该效率接近对应于最佳取向的效率。因此接近涡轮的最佳效率，这显示出自由地旋转独立级的优势。在这种情况下，最终有利于β接近于αc：护罩打开越大，护罩中流体（仅通过孔洞限制）的加速度越大且取样功率越大。
根据本发明的变型，代替设置相对于彼此自由旋转的级，可设置成使各个级与相邻的级通过电机驱动系统结合，该电机驱动系统能够影响或调整两个级之间的角位移。因此，在任何时间且对于各个级，可以通过被迫取向而有利地将被动取向情况修改成最佳取向。于是将这种控制与涡轮转速的控制相结合。
涡轮-发电机-整流罩级的使用是特别有利的，除了效率增益外，还提供了多个优势，这些优势包括下列几点：
-相对于现有系统，可减轻各个整流罩的翼，在现有系统中，大型翼必须承受结构的压力。
-在潮流的变化中，可使对支撑结构的压力随时间变得平稳，各级相对于彼此旋转给定的角位移，这避免颠簸而重新定位。于是，通过联接叠置的框架所形成的用于支撑一列涡轮的结构变得更轻。事实上，该结构仅需要抵抗给定方向上的弯曲应力，而无需抵抗正交于给定方向的附加的可变应力。
-同一列的相邻的涡轮可被设计成在海流或河流作用于该列时沿相反的方向旋转。如果该列的两个相邻涡轮相向旋转，则与水流方向正交的施加到联接的框架上的升力相互抵消或至少大幅降低。
图2C为示出可用在图2A的结构中的涡轮-发电机-框架的示例的剖面图。该结构并不完全对应于图2A的剖面图，而是示出对于本领域技术人员显而易见的一些变型。
整流罩的两个翼31和32通过上板41连接。该板包括开口42和开口43，用以接纳装配到邻级的螺钉44。这两个翼也通过下板45连接。涡轮5的轴8枢转地装配在轴承47、轴承48上，轴承47和轴承48分别被固定地附接至上板41和下板45。轴8连接至发电机的转子50，该发电机放置在与涡轮相对的板45的一侧上。例如，发电机的定子52通过外壳53附接至板45。第二板60被装配成可在与板45的平面平行的平面上自由旋转。例如，板60和板45之间的接合件由两个环状的轴承62和63构成，轴承62和轴承63分别被装配在板45的底部上和外壳53的侧壁上。
当然，多种替选实施方式是可行的，重点是在一级的整流罩和基础级之间具有旋转自由度。
图2D为示出可用在图2A所示的结构中的涡轮-发电机-整流罩的另一示例的剖面图。尽管图2C的结构可在浸没之前进行装配（由于存在螺钉或螺销44），但图2C的结构要在原地逐级进行装配。图2D示出与图2C中的元件相同的元件，这些元件用相同的附图标记表示。关于装配模式，开口42、开口43和装配螺钉44被开口71、开口72以及销73、销74替代。因此，该结构可在原地逐级进行装配。
在图2C和图2D的实施方式的优点中，应注意到，存在隔开两个相邻级的板。这避免了一个级的元件的旋转所引起的湍流传播到相邻的级。
图3A和图3B为具有双列的涡轮发动机以及这种涡轮发动机的一级的透视图。对于该结构的设计和不同变型的形成，可参照上述专利申请PCT/FR2008/051917。在示出的示例中，整流罩的各个元件相对于彼此固定，该组件可围绕桩80旋转地移动，例如，桩80可旋转地装配在固定的底座上。
在本实施方式中，一列的元件沿与相邻列的元件的旋转方向相反的方向旋转，以抑制作用于整个结构的升力。每级包括一对涡轮41和42，该对涡轮与一对发电机43和44相关联。
图4示出具有数个涡轮-发电机-整流罩级的双列式涡轮发动机，该涡轮发动机为图3A的结构的有利修改。各个级的整流罩独立于其它级的整流罩。通过桩（未示出）将每级与上一级接合，该桩在中央壁的高度处穿过所有级且附接至底座。该桩阻止径向位移和轴向位移。通过围绕桩的止推轴承在级间提供旋转的自由度。
图4示出这样的示例，水流的取向在结构的下部和上部之间变化。假定水流进行有规律地变化。因此，相对于前一级，各个级以一定角度沿相同的方向移动。对于这种具有多个双列的涡轮-发电机-整流罩级的涡轮发动机，与单列式涡轮发动机的不同之处在于：
-整流罩的自然（被动）取向正好是“面向水流”的对称情形，
-整流罩的最佳取向正好是整流罩的自然取向。
已经描述了每级都包括涡轮、发电机和整流罩的各个级，其中，这些级可以叠置和以各种方式进行装配。已经描述了涡轮、发电机和整流罩的具体实施方式。本领域的技术人员应该理解，这些元件中每个元件的形成可以具有多种变更，变更的示例尤其可在申请人的在先专利申请中发现，但这不作为限制。
上文所描述的涡轮-发电机-整流罩级叠置结构组合了以下的特征和优点。
1、易于装配/拆卸：各个涡轮级通过接合在另一级上可很容易地被叠置。此外，此处所描述的涡轮-发电机-整流罩级能够形成易于拆卸和运输的涡轮发动机，该涡轮发动机的各个级具有相等的重量，在实际实施中该重量将不会超过2吨到5吨之间的值。
2、电动自主性：在电转换方面（每个涡轮有一个发电机）以及在所考虑的级处根据流入速度的值驱动转速方面都具有电动自主性，以获得最佳效率（每级有一个控制系统）。这种独立性能够反应在速度的极值强度方面的不均一性。这种自主性的结果在于，如果必要，则可以例如在涡轮发生故障时，通过在电力上使该涡轮过度充电而使相邻或临近的涡轮的发电机减速。最终可以根据实施地点来调整级的数量，而无需修改发电机。
3、机械自主性：在涡轮阻塞的情况下，可以通过采用上文第二点处所提到的预警，使同一列的其它涡轮保持运转。
4、水力操作的独立性：由于存在隔开相邻级的板，在两个叠置的涡轮之间、涡轮和其轴之间、发电机和涡轮之间等不存在会负面影响各个级的性能的相互作用。
5、动态稳定性：在单列式机器的情况下，由于一列的各级之间的旋转方向的倒转，因此各级组件具有抵抗因升力所引起的振动的动态稳定性，由此产生谐振现象。
6、静态稳定性：各级组件具有抵抗牵引力的静态稳定性，该牵引力趋向于使整列涡轮沿水流方向弯曲或者甚至将涡轮发动机沿着水流拖走。由这种力所产生的倾覆力矩远大于由升力所产生的倾覆力矩；当需要引入标准1）、标准3）以及下面的标准7）时，这些标准难以平衡。
7、级取向的优化：如果这些护罩导致各个级相对于水流方向的优化取向，则通过使用护罩来实现显著的性能增益（至少翻倍）。
对于本领域技术人员来讲，本发明可具有各种变更和修改，本领域技术人员尤其可应用发明人的在先出版物中所描述的各种变更。
已经描述了涡轮发动机的两个相邻涡轮沿相反方向旋转的情况。也可提供不同组的涡轮沿相反方向旋转。
最后，在涡轮发动机运行在液流中（水力涡轮发动机）的情况下描述了本发明。本发明可适用于运行在气流中的涡轮发动机（风力涡轮发动机）。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括：叠置的级（3），每级包括横流式涡轮（5）和发电机（7），其中，每个涡轮-发电机级具有独立的轴（8），且其中，每级与将该级相对于水流导向的独立的整流罩（31-32）相关联，每个整流罩为护罩类型且具有对称的侧翼。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中，各个级的所述发电机通过整流器相互连接。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其中，各个整流器的输出端被联接至独立的充电部件以控制所关联的发电机的转速或阻断所关联的发电机。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮发动机，其中，两个相邻的级被设计成使得所述两个相邻的级的涡轮沿相反的方向旋转。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮发动机，其中，每级通过受控部件被联接至相邻的级，所述受控部件设置各级的相互取向。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮发动机，其中，每个涡轮-发电机-整流罩级形成可原地叠置在另一模块上的独立模块。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮发动机，其中，每个模块包括：
框架，所述框架包括护罩形状的整流罩的两个壁（31、32），所述两个壁关联于上板（41）和下板（45），
第一外壳（53），所述第一外壳附接至所述下板且容纳所述发电机，和
第三板（60），所述第三板相对于所述下板可旋转地装配在所述外壳的下方，所述第三板设置有附接至下部模块的部件。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，附接部件包括可插入到所述下部模块中的销（65、66）。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮发动机，其中，每级包括一对反向旋转的涡轮，每个涡轮关联于容纳在外壳（53）中的发电机；每个涡轮通过对称的仿形件与另一涡轮隔开，所述仿形件至少一直向下延伸至后缘；每级通过从所述仿形件一直延伸至所述整流罩的上板和下板而与相邻的级隔开。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮发动机，其中，每个涡轮的叶片为V形翼类型（21-24）。
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