CN103874850B - 优效型涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机和其实施方法，所述涡轮机包括叶片和电磁同步电机，所述叶片围绕中心轴转动安装，所述电磁同步电机与叶片被布置以修改叶片的转动角速度，以根据作用在叶片上的入射流体的速度优化叶片的机械效率。

Description

优效型涡轮机

技术领域

本发明涉及一种涡轮机，更特别地涉及一种可被低速流体带动的涡轮机。

背景技术

涡轮机是一种可将入射流体的动能转化为转动轴上的机械能的机器。这种机械能继而根据需要被使用，例如用于使水泵运行或使产生电流的交流发电机转动。涡轮机通常包括与电机轴相连在一起的多个叶片。叶片的数目和叶片的形状可非常多样化。流体可是液态的或气态的。

图1A示出根据现有技术的第一类涡轮机1。所述涡轮机1包括例如三个伸长形的叶片2。每个叶片包括两个远侧端部，每个远侧端部分别地在两个点3和4固定在轴体5上。轴体5围绕中心轴X转动安装。叶片的横截面具有例如基本上飞机机翼的形状，这种形状被取向以使得：当入射流体——其速度Vf1正交于中心轴X取向——作用在叶片上时，在叶片上产生作用力，根据转动角速度ω带动叶片围绕中心轴X转动。

图1B示出根据现有技术的第二类涡轮机1。所述涡轮机包括叶片2，叶片形成安装在轴体5上的螺旋桨8，轴体垂直于螺旋桨的平面。轴体5围绕中心轴X转动安装。当入射流体——其速度Vf1沿着中心轴X取向——作用在螺旋桨的叶片2上时，在叶片上产生作用力，根据转动角速度ω带动螺旋桨8围绕中心轴X转动。

存在许多其它类型的涡轮机，涡轮机包括围绕中心轴转动的一个或多个叶片。对于给定的入射流体，在轴体5上可用的机械能Pm越高，叶片的机械效率——被定义为在通过叶片2传递到电机轴5的能和流体的动能之间的比例——越高。有利地是，表现为涡轮机的效能的这种机械效率是最大的。

现有的涡轮机的叶片仅仅对于具有给定速度的给定流体在效率上是最优的。例如，风轮机的螺旋桨的安装角根据主导风的平均速度固定。

发明内容

本发明的一实施方式的目的在于提出一种涡轮机，所述涡轮机的机械效率最优，而无论带动所述或多个叶片的入射流体的速度或速度变化如何。

本发明的另一实施方式的目的在于提出一种涡轮机，即便对于用于带动所述或多个叶片的低值的流体的速度，所述涡轮机的机械效率并不是无效的。

因此，本发明的一实施方式设置一种涡轮机，所述涡轮机包括：叶片，所述叶片围绕中心轴转动安装；电磁同步电机；和调节部件，调节部件通过电磁同步电机调节叶片的转动角速度，以根据作用在所述叶片上的入射流体的速度优化所述叶片的机械效率。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机的同步电机包括转子和定子，转子包括安装在叶片上的调节磁体，定子包括至少一调节线圈。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机包括机壳，定子安装在机壳中，叶片布置在由机壳界定的内腔室中，所述内腔室具有一型面，所述型面被构形以在叶片处通过文丘里效应使流体速度加速。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机的叶片形成围绕中心轴转动安装的螺旋桨。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机的调节部件包括用于测量叶片的转动角速度和相关联的入射流体的速度的测量部件，所述测量部件连接到逻辑计算单元，用以计算叶片的最优的转动角速度，对于最优的转动角速度叶片的机械效率是最大的，而逻辑计算单元连接到同步电机，用以将叶片的转动角速度调节到最优的转动角速度。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机包括同步发电机，所述同步发电机包括感应器和电枢，感应器包括安装在所述叶片上的功率磁体，电枢包括至少一功率线圈。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机的调节线圈通过磁感应与功率线圈耦合。

根据本发明的另一实施方式，涡轮机的功率磁体被使用作为调节磁体。

本发明的另一实施方式设置涡轮机的一种运行方法，所述方法包括以下步骤：测量流体的速度和根据所测量的流体的速度修改叶片的角速度，以优化所述叶片的机械效率。

本发明的另一实施方式设置一种运输工具，所述运输工具包括涡轮机，所述涡轮机包括：叶片，叶片围绕中心轴转动安装；电磁同步电机；和调节部件，调节部件通过电磁同步电机调节叶片的转动角速度，以根据作用在所述叶片上的入射流体的速度优化所述叶片的机械效率。

附图说明

这些目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点将在接下来的参照附图对作为非限定性示例的具体实施方式的描述中详细示出，附图中：

前文所述的图1A是根据现有技术的第一类涡轮机的示意图；

前文所述的图1B是根据现有技术的第二类涡轮机的示意图；

图2是根据本发明的一实施方式的涡轮机的示意图；

图3是示出根据本发明的一实施方式的根据转动角速度由叶片传递到涡轮机的轴体上的机械能的曲线图；

图4是根据本发明的一实施方式的涡轮机的正视图；

图5是根据本发明的另一实施方式的包括控制系统的涡轮机的框图；

图6是根据本发明的另一实施方式的涡轮机的剖视图；

图7是根据本发明的另一实施方式的与同步发电机相连接的涡轮机的正视图；和

图8是根据本发明的另一实施方式的电动三轮车的侧视图。

具体实施方式

出于清晰度的考量，仅仅示出和描述对于理解本发明有用的元件。出于清晰度的考量，相同的元件在不同附图上通过相同的附图标记表示，和此外，多个附图没有按比例描绘。

图2是根据本发明的一实施方式的如在上文参照图1B限定的第二类型的涡轮机1的示意图。示例容易地可移用到任何类型的涡轮机和特别是如在上文参照图1A所描述的第一类型的涡轮机。涡轮机1包括至少一叶片2，所述叶片可形成螺旋桨8，螺旋桨优选地固定地连接到轴体5，轴体围绕中心轴X转动安装。电机6，优选地是可逆地，与叶片2被布置以带动叶片转动，这可例如通过使电机6与轴体5耦合来实施，以能够带动轴体5转动。优选地，电机6是电磁同步电机。经受速度为Vf1的入射流体的叶片2的机械效率取决于叶片2的转速，如在下文参照图3所教导的。电机6允许加快或放慢叶片的转速，以获得尽可能最好的机械效率。因此，出人意料地，为了增大用于带动电机轴5的涡轮机1的效率，有利地用电机带动所述叶片2，或者用于增大叶片的转速，或者用于减小叶片的转速。换句话说，涡轮机包括围绕中心轴X转动安装的至少一叶片2、电磁同步电机、和通过电磁同步电机调节叶片2的转动角速度ω的调节部件，用以根据作用在叶片2上的入射流体的速度Vf1优化所述叶片的机械效率。

图3是示出根据叶片的转动角速度由叶片传递到涡轮机的轴体上的和由入射流体的速度确定参数的机械能Pm的曲线图。转动角速度ω参照命名为ω的横坐标轴，传递到转动轴上的机械能Pm参照命名为Pm的纵坐标轴。描绘三个曲线V1、V2、V3，用于入射流体的三个递增的速度Vfa、Vfb、Vfc。曲线图包括三个区域A、B和C。第一区域A对应叶片的低转动角速度ω。传递到轴体上的机械能Pm随叶片的转动角速度ω非常缓慢地增大，并且如果流体速度减小（曲线图的曲线V1和V2的情形），机械能可保持为零。在该第一区域A中，涡轮机的静态摩擦是占优势的，且可最大限度地避免叶片的转动。第二区域B对应叶片的适中的角速度。传递到转动的轴体的机械能Pm随叶片的转动角速度ω规则地增加。在该区域B中，静态摩擦不再存在，动态摩擦保持是小的。当叶片的转速增大时，叶片在流体中的入射角度通过流体在运动中的叶片上的相对速度的方向变化的作用而减小。叶片在流体中的正面阻力减小，其升力增大，空气动力效率增大。传递到转动的轴体的机械能Pm随轴体的转速增大，直到分别地对应叶片的转动角速度ω1、ω2、ω3的最优值Pmax1、Pmax2、Pmax3。第三区域C对应叶片的高转动角速度。当叶片的角速度增大超过ω1、ω2、ω3时，传递到轴体上的动能Pm减小，这是因为入射流体在叶片上的入射角度不再适于叶片的型面（这引起升力的减小和正面阻力的增大）。此外，动态摩擦力强烈地增大。

概括来说，作为示例，图3的曲线图示出：对于给定的叶片和对于给定的入射流体速度，存在叶片的最优的转动角速度ω1、ω2、ω3，对最优的转动角速度，机械能Pmax1、Pmax2、Pmax3，和因此叶片或涡轮机的机械效率是最大化的。对于与叶片的低转动角速度ω相关联的入射流体的足够低的速度，由叶片传递到轴体上的机械能是零。在此情形中，轴体不能没有附属系统而被施以转动。此外，对于足够高的转动角速度ω，叶片的机械效率降低。从这种事实造成，自相矛盾地，对于优化涡轮机的效率优选地减小叶片的转动角速度ω。

图4是根据本发明的一实施方式的涡轮机的正视图。在图4上示出的涡轮机9是在图2上所示的涡轮机1的一实施示例，特别是用于同步电机6。电磁同步电机的运行对于本领域的技术人员是熟知的并且这里不再进行详述。如在图4上所示的电磁同步电机10包括转子11和定子13，转子配有至少一调节磁体12，所述定子作为参照呈现是固定的。转子11通过至少一叶片2形成，例如螺旋桨8的叶片，调节磁体12固定在叶片上。当然，螺旋桨可包括多个叶片，调节磁体12将可固定在螺旋桨的每个或多个叶片上。调节磁体12可是永磁体或通过直流电进行供电的电磁体。优选地，调节磁体12固定在叶片2的端部或固定在为此设置的叶片2的加厚部分上。调节磁体12通过由磁体的磁极定向的平行六面体示意地示出。同步转动电机的转子的磁体的任何常见构型都是可使用的，以使得调节磁体与螺旋桨8的叶片2相连在一起。定子13配有至少一调节线圈14或15。在图4上示意地示出两调节线圈14、15。通常在电磁转动电机中使用的例如具有磁性铁心和磁隙的调节线圈的任何构型都是可使用的。根据已知的同步电机的运行模式，定子14、15的调节线圈被供给交流电I1、I2，以产生围绕中心轴X转动的磁场B。配有经历由定子13产生的转动磁场B的调节磁体12的转子11在与定子的磁场B同步的转动运动中被带动。同步电机10的转速通过给定子13的调节线圈14、15进行供电的交流电I1、I2的频率确定。已知的是，配有转子的位置传感器的这类同步电机可基于转子11的确定位置被引导至预定的转速（“无刷电机”）。调节线圈14、15中的电流I1、I2的振幅和相位确定同步电机的电机性能或发电机性能。一般性地，通过消耗调节线圈中的电能，电机性能趋于使叶片2围绕中心轴X的转速ω加速。一般性地，通过给调节线圈的电源提供电流，发电机性能趋于使叶片2围绕中心轴X的转速ω减速。

与涡轮机的螺旋桨共生运行的这类同步电机可适于叶片围绕中心轴转动的任何类型的涡轮机，特别是适于如参照图1A限定的第一类型的涡轮机。为此只需在至少一转动叶片上固定至少一调节磁体，所述至少一转动叶片从而作为同步电机的转子运行。定子被布置围绕该至少一叶片，以产生带动转子转动所需的转动磁场。优选地，不过并非必需地，在相对于中心转动轴X的远端位置固定调节磁体，以使得在调节磁体上所应用的作用力相对于叶片的转动轴X具有最大的力矩。同步电机10可以单个叶片运行并包括单个的调节磁体12和单个的调节线圈14。在同步电机10的这种特定构型中，叶片2每次转动时，可通过唯一的调节线圈14在唯一的调节磁体12上应用驱动脉冲或制动脉冲。

图5是根据本发明的另一实施方式的包括控制系统21的涡轮机20的框图，所述控制系统可至少部分地形成上文所涉及的调节部件。作为示例，参照图4在上文所描述的涡轮机9已被使用于形成参照图5描述的涡轮机20的一部分。可使用与同步电机6相关联的任何其它涡轮机。涡轮机20包括螺旋桨8，螺旋桨围绕中心轴X转动安装和形成同步转动电机10的转子。该转动电机的定子13包括调节线圈14、15。控制系统21包括一组传感器22、逻辑计算单元24和调节控制电路25。传感器组22至少包括：叶片2的角速度ω的传感器26、流体速度传感器27、以及可选地和非必需地叶片的位置传感器28。这类传感器的实际实施对于本领域的技术人员是已知的并不再进行详述。控制系统21可包括逻辑计算单元，例如微控制器，所述逻辑计算单元取用由不同的传感器26、27、28提供的值。逻辑计算单元例如根据其在存储器上具有的运行算图确定：对于改进叶片的机械效率，是否需要使叶片的转速ω加速或减速。逻辑计算单元从而控制给定子13的调节线圈14、15供给电流I1、I2的调节控制电路。这些电流的频率、振幅和相位将取决于同步电机10的电机性能或发电机性能。同步电机10运行所需的电流被涡轮机外的外部电网或蓄电器29吸收或提供。

这类控制系统的效率是优化的，这是因为这类控制系统能够通过在同步电机以发电机运行的阶段中将这种动能转化为电能，来回收转动的叶片的动能。最后，如参照图4已明确的，如果对于所选择的实施方式，出于对于入射流体的非常低的速度Vf1优化机械效率的原因，同步电机10应从叶片2处于停止——仅仅流体不足以在围绕中心轴X的转动状态中带动叶片——的静态状态开起叶片转动，位置传感器28并非是必不可少的。

图6是根据本发明的另一实施方式的涡轮机的剖视图。图6示出一种实施方式，在其中，涡轮机34包括同步电机35，同步电机包括转子36和定子37。转子36包括安装在至少一叶片2上的至少一调节磁体38，优选地在相对于中心转动轴X的远端位置。围绕转子36的定子37包括至少一调节线圈39。根据该实施方式，定子安装在机壳40中，机壳界定内腔室41，在内腔室中布置有所述至少一叶片2。内腔室41优选地具有一型面，所述型面被构形以在叶片2处通过文丘里效应使流体速度加速。优选地，腔室在两端部是敞开的，流体可涌入第一端部中并通过第二端部从腔室出离。因此，叶片的转动在其中内切的平面从而可基本上垂直于流体——在其端部处取道腔室的开口——的方向。通过在叶片2处增大流体速度Vf3，机壳40是一种补充部件，允许根据与图3相关联的教导，特别是对于入射流体的较低的初始速度Vf2改进涡轮机的机械效率。优选地，调节磁体38固定在叶片的端部。调节磁体38可固定在为此设置的叶片的加厚部分上。

根据图6的实施方式的一具体实施，机壳40在内腔室处包括环形槽道42，环形槽道在叶片2的转动在其中内切的平面中形成。该环形槽道42被构形用以接纳布置在叶片2端部的调节磁体38，和用以当负持磁体的叶片2转动时允许磁体在槽道42中移动。这种布置特别是利于不由于存在调节磁体38而干扰入射流体的流动。

图7是根据本发明的另一实施方式的涡轮机43的正视图。参照图4所描述的和用于调整和调节叶片2的转速ω的同步转动电机10通过第二电磁同步电机44变完整，第二电磁同步电机被构型呈发电机，用以提供电能。

电磁同步发电机44包括：感应器45，感应器配有至少一功率磁体46，优选地安装在叶片2上；和电枢47，电枢包括至少一功率线圈。电枢作为参照呈现是固定的。根据图7的实施示例的感应器45通过螺旋桨8的叶片2形成，功率磁体46固定在叶片上。该功率磁体46可是永磁体或通过直流电进行供电的电磁体。优选地，功率磁体46固定在叶片的端部或固定在为此设置的叶片的加厚部分上。功率磁体46由通过图7上的磁体的磁极定向的平行六面体示出，不过同步发电机的感应器的磁体的任何常见构型都是可使用的，以使得功率磁体46与螺旋桨8的叶片2相连在一起。同步发电机44的电枢47配有功率线圈50、51。在图7上，功率线圈示意性地示出。可使用通常在电磁同步发电机中使用的例如具有磁性铁心和磁隙的功率线圈的任何构型。如此描述的感应器45和电枢47形成能够叠置和与参照图4描述的同步电机10进行配合的同步发电机44。在感应器45包括多个功率磁体46的情形中，这些功率磁体46中的某些可例如被使用作为在调节线圈14、15的铁心中产生可变的磁感应的调节磁体12。某些调节线圈14（或15）可例如通过磁感应与功率线圈50、51耦合。图7示出后一构型。功率线圈51围绕调节线圈14，存在产生在分别地功率线圈51和调节14这两线圈——如变电器的初级线圈和次级线圈运行——之间的互感。因此，由同步发电机44产生的一部分功率电流（courant de puissance）被调节线圈14回收，以给所有其它调节线圈进行供电，来修正叶片2围绕中心轴X的转动角速度ω。在由涡轮机产生的一部分电能对于加速所述涡轮机的转速是可使用的，以快速地达到最优转速——对此机械效率是最大化的——的涵义上，涡轮机43从而是增压涡轮机（turbo turbine）。参照图5描述的叶片2的角速度的控制系统是容易地可编程的和可由本领域的技术人员使之适于上文所限定的增压涡轮机43。

本发明可特别有利地适于在运输工具上装载的一个或多个风轮机。特别地，图8是根据本发明的另一实施方式的电动三轮车的侧视图。图8的三轮车60包括外壳61，外壳形成盖顶和界定在运输工具的移动方向上敞开的和被构形以通过文丘里效应使空气速度加速的内腔室62。在内腔室62中布置有根据本发明的至少一涡轮机（风轮机）63——可对于三轮车的强烈变化的低速度提供电流。三轮车配有蓄电器64，蓄电器能够储存由风轮机63产生的电能。三轮车包括例如可逆的和例如安装在后轮的轮轴上的电机65。当三轮车处于停止状态时，根据气候条件风轮机可给蓄电器64充电。当三轮车下坡时，执行双重制动。第一制动是通过给蓄电器64充电的风轮机63执行的空气动力制动。第二制动通过以发电机运行的和也给电池充电的可逆电机65提供。当三轮车逆风前进时，相对风速越大，风轮机63产生的电流越大。如此产生的电能是例如可通过可逆电机65使用的，以辅助使三轮车前进。在所有情形中，通过涡轮机63产生的电能对于使电动三轮车前进或对于任何其它用途是可使用的。

已描述本发明的多个具体实施方式。对于本领域的技术人员将呈现许多变型和修改。特别地，涡轮机的形状和机械运行模式不是限定的。特别地，所描述的所有实施方式适于仅仅包括单个叶片的涡轮机和是以单个调节线圈可实施的。本发明适用于其入射流体是液态的或气态的涡轮机，和是涡轮机的一特定情形的风轮机。涡轮机的功率和尺寸是任意的。例如，本发明适用于具有数米的螺旋桨、大直径为数十米的风轮机，和同样地适于在手持的移动装置中可使用的微风轮机。

使用通过本发明的涡轮机产生的机械能的任何类型的机械装置可连接到该涡轮机。本发明的涡轮机可与各种能量源——电能源或机械能源——进行配合，以进行运行。

参照图5所描述的控制系统和蓄电器可集成在同一电子芯片上。

上文已描述具有多种变型的多种实施方式。可以注意到，本领域的技术人员将可组合这些多种实施方式和变型的多种元件，而并不证明是发明性工作。

Claims (9)

1.一种涡轮机(1，9，20，34，43，63)，所述涡轮机包括：叶片(2)，所述叶片围绕中心轴(X)转动安装；电磁同步电机(6，10，35，65)；和调节部件，调节部件通过电磁同步电机(6，10，35，65)调节所述叶片(2)的转动角速度(ω)，以根据作用在所述叶片(2)上的入射流体的速度(Vf1，Vf2，Vf3)优化所述叶片的机械效率，并且从而所述涡轮机的机械效率最优，而无论入射流体的速度或速度变化如何，电磁同步电机(6，10，35，65)包括转子(11，36)和定子(13，37，47)，转子(11，36)包括安装在所述叶片(2)上的调节磁体(12，38)，定子(13，37，47)包括至少一调节线圈(14，15，39)，其中，调节部件包括用于测量所述叶片(2)的转动角速度(ω)和相关联的入射流体的速度(Vf1，Vf2，Vf3)的测量部件，所述测量部件连接到逻辑计算单元(24)，逻辑计算单元用以计算所述叶片(2)的最优的转动角速度(ω1，ω2，ω3)，对于最优的转动角速度所述叶片(2)的机械效率是最大的并且对于最优的转动角速度根据逻辑计算单元在存储器上具有的运行算图传递到涡轮机的转动轴上的机械能是最大的，并且逻辑计算单元连接到电磁同步电机(6，10，35，65)，用以通过增大或减小将所述叶片(2)的转动角速度调节到最优的转动角速度(ω1，ω2，ω3)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，电磁同步电机(6，10，35，65)包括被构形以加速所述叶片(2)的转动角速度(ω)的电机。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，所述涡轮机包括机壳(40，61)，定子(13，37，47)安装在机壳中，所述叶片(2)布置在由机壳(40，61)界定的内腔室(41，62)中，所述内腔室(41，62)具有一型面，所述型面被构形以在所述叶片(2)处通过文丘里效应使入射流体的速度(Vf1，Vf2，Vf3)加速。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，所述叶片(2)形成围绕中心轴(X)转动安装的螺旋桨(8)。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，所述涡轮机包括同步发电机(44)，同步发电机包括感应器(45)和电枢(47)，感应器包括安装在所述叶片(2)上的功率磁体(46)，电枢包括至少一功率线圈(50，51)。

6.根据权利要求5所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，调节线圈(14，15，39)通过磁感应与功率线圈(50，51)耦合。

7.根据权利要求5所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)，其特征在于，功率磁体(46)被使用作为调节磁体(12，38)。

8.根据权利要求1所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

－测量入射流体的速度(Vf1，Vf2，Vf3)；

－根据所测量的入射流体的速度修改所述叶片(2)的转动角速度(ω)，以优化所述叶片(2)的机械效率。

9.一种运输工具(60)，所述运输工具包括根据权利要求1所述的涡轮机(1，9，20，34，43，63)。