CN107636304B - 导叶组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导叶组件，该导叶组件包括：帆装结构，所述帆装结构能构造有涡轮机并且具有形成其末端的内部部分和外部部分；帆；以及致动器组件。所述帆联接到所述帆装结构并且成形为向冲击流体流呈现为槽，所述槽具有从所述帆装平面限定的深度。所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸以终止于限定有出口的内边缘处。冲击在所述帆上的所述流体被集中在所述槽处并且从所述出口朝向所述涡轮机被重定向。

Description

导叶组件

技术领域

本发明总体涉及一种用于包括竖直风力涡轮机的涡轮机的导叶组件。

背景技术

自古以来，风能一直为机械提供动力。从那时起，从像风一样的绿色和可再生的能源生成动力的需求变得越来越迫切，并且涡轮机已被研发用于生产电力。尽管如此，由于随着时间和地理位置的推移风的供应的可变性，风电很少成功实现商业化。通常，在恒定高风速的地区运行的涡轮机往往是商业上最可行的，但这样的地点很少。

不同的涡轮机设计已被研发用于不同的场景和应用。例如，涡轮机可根据风向标的叶片是否围绕水平或竖直布置的轴的轴线旋转进行分类。往往更普遍地部署水平轴线式涡轮机(HAWT)，因为它们往往更有效率：这是由于叶片在垂直于风流方向的方向上旋转，使得涡轮机在旋转期间通过整个循环来接收能量。然而，水平轴线式涡轮机遭受各种缺点(尤其是在塔架和叶片的纯粹高度、大小和重量方面)，这使得装设、运行和维护成本极高。水平轴线式涡轮机还需要在风中仔细定位，并且在风的速度和方向可变的条件下不太可能运行良好。这样的涡轮机还潜在地在视觉上以及从野生动物到无线电信号传输的任何层面上是破坏性的。

竖直轴线式涡轮机(VAWT)固有地不太有效，因为叶片仅针对其旋转循环的一部分(在此期间，它被向前“吹”)从风中接收能量。针对循环的剩余部分的大部分，叶片在大致对着风流方向的方向上旋转。已公开了导叶用于将风流更好地引导到叶片以提高VAWT的效率。然而，使用具有平坦表面的导叶常常导致冲击在导叶的平坦表面上风量远离朝向叶片的预期流动方向分散。因此，存在用于解决前述问题的导叶的需要。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种导叶组件，该导叶组件包括：帆装结构，所述帆装结构能构造有涡轮机并且具有形成其末端的内部部分和外部部分；帆；以及致动器组件。所述帆装结构限定帆装平面，所述内部部分被定位成比所述外部部分更靠近所述涡轮机。所述帆联接到所述帆装结构并且成形为向冲击流体流呈现为槽，所述槽具有从所述帆装平面限定的深度。所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸以终止于限定出口的内边缘处。冲击在所述帆上的所述流体被集中在所述槽处并且从所述出口朝向所述涡轮机被重定向。所述致动器组件联接到所述帆装结构并且所述帆的位于所述出口处的部分被锚固到所述致动器组件。所述致动器组件可操作地将所述帆的所述内边缘朝向以及远离所述帆装平面而往复运动以改变所述槽在所述出口处的所述深度。

根据本发明的第二方面，公开了一种包括支撑结构和多个导叶组件的导叶结构。所述支撑结构限定柱形中空体，结构轴线沿着所述柱形中空体的长度延伸。所述柱形中空体用于在其中接收包括多个转子叶片的涡轮机，所述多个转子叶片的旋转轴线与所述结构轴线基本上重合。所述多个导叶组件联接到所述支撑结构的外部且沿着所述支撑结构的外部并且在空间上围绕所述结构轴线分布。所述多个导叶中的每者均包括帆装结构、帆以及致动器组件。所述帆装结构具有形成其末端的内部部分和外部部分，所述帆装结构限定帆装平面，所述内部部分被定位成比所述外部部分更靠近所述涡轮机。所述帆联接到所述帆装结构并且成形为向冲击流体流呈现为槽。所述槽具有从所述帆装平面限定的深度，所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸以终止于限定了出口的内边缘处。冲击在所述帆上的所述流体被集中在所述槽处并且从所述出口朝向所述涡轮机被重定向。所述致动器组件联接到所述帆装结构并且所述帆的位于所述出口处的部分被锚固到所述致动器组件。所述致动器组件可操作地将所述帆的所述内边缘朝向和远离所述帆装平面往复运动以改变所述槽在所述出口处的所述深度。

附图说明

图1示出了用于发动机的根据本发明的一个方面的导叶组件的示例性部分正视图；

图2示出了图1的导叶组件的立体图；

图3示出了根据视图A的图1的导叶组件的部分侧视剖视图；

图4示出了与图3的导叶组件的顶吊杆联接的帆的部分侧视剖视图；

图5示出了根据图3的视图B-B的图1的导叶组件的部分平面图；

图6示出了在风流朝向涡轮机的转子叶片被重定向的情况下根据图3的视图B-B的图1的导叶组件的部分平面图；

图7示出了构造成形成用于涡轮机的导叶结构的图1的多个导叶组件的立体图；

图8示出了用于支撑图7的导叶结构中的多个导叶组件的支撑结构；

图9示出了布置在构造有图7的导叶结构的保持架中的转子叶片阵列；

图10示出了构造有涡轮机时的图7的导叶结构的部分平面图表示；以及

图11示出了在说明风重定向到涡轮机的转子叶片的情况下构造有图7的导叶结构的多个导叶组件中的两个的平面图。

具体实施方式

下文中参考图1至图11描述了本发明的导叶组件20的示例性实施方式。优选地，导叶组件20用于涡轮机22以将流体流的能量转换成机械运动。涡轮机22包括用于收集流体流(例如风流)的能量的多个转子叶片24。为了有效地收集流体流的能量，流体需要在大致正确的流动方向上提供给多个转子叶片24中的每者。

优选地，导叶组件20包括可构造有涡轮机22和帆28的帆装结构26。帆装结构26具有内部部分30和外部部分32(形成其末端)。帆装结构26限定帆装平面34，将内部部分30定位成比外部部分32更靠近涡轮机22。帆28联接到帆装结构26并且成形为将槽36呈现给冲击流体流。冲击流体可以是风、水或任何类型的液体中的一者或组合。槽36具有从帆装平面34限定的深度40。帆28从帆装结构26的外部部分32朝向内部部分30延伸，以终止于内边缘42处，在该内边缘42处限定有出口44。冲击在帆28上的流体集中在槽36处并且从出口44朝向涡轮机22被重定向。导叶组件20进一步包括致动器组件，该致动器组件联接到帆装结构26并且帆22的处于出口44处的部分被锚固到该致动器组件。致动器组件可操作成使帆22的内边缘42朝向以及远离帆装平面34往复运动以改变槽36在出口处的深度44。

帆装结构26包括构造在帆装结构26的内部30处的柱48以及从柱48延伸的一对吊杆(具体是第一吊杆50和第二吊杆52)。柱48具有竖立和大致竖直的取向并且优选地至少在其一端处联接到支撑结构。第一吊杆50和第二吊杆52沿着柱48间隔开，每者均大致垂直于柱48朝向帆装结构26的外部延伸。优选的是，第一吊杆50和第二吊杆52均远离彼此倾斜，每者均被在柱48与第一吊杆50和第二吊杆52中的每者之间延伸的支撑线支撑。

柱48、第一吊杆50和第二吊杆52均由网架结构形成。然而，不排除适用具有实芯、空芯或基于框架的构造的其他类型的细长结构来形成或构造柱48、第一吊杆50和第二吊杆52。例如，第一吊杆50和第二吊杆均由具有三角形横截面形状的网架结构形成，第一吊杆50和第二吊杆52中的一者的网架结构的三角形横截面的角部向内指向第一吊杆50和第二吊杆52中的另一者的网架结构的三角形横截面的角部。

帆28具有分别联接到第一吊杆50和第二吊杆52的上边缘56和下边缘58。帆28可以直接联接到第一吊杆50和第二吊杆52。替代地，帆装结构26进一步包括：第一桅杆60，其联接到与帆28的上边缘56以可滑动的方式联接的第一吊杆50；以及第二桅杆62，其与帆28的下边缘58以可滑动的方式联接。这样使得帆28能从延伸状态朝向帆装结构26的内部30塌缩至缩回状态。优选地，第一吊杆50和第二吊杆52均被构造成允许挠曲。因此，作为网架结构的替代方案，第一吊杆50和第二吊杆能由金属H/I梁、复合伸长等结构构造以使第一桅杆60和第二桅杆62能够摆动。

上桅杆60和下桅杆62均可以包括并且采用滑轮线组件，以控制帆28在延伸状态与塌缩状态之间的部署。滑轮线组件可以联接到独立的上曲柄和下曲柄或者联接到公共曲柄(可操作地将运动传递到相应的滑轮线组件)。曲柄可以手动操作或依靠使其运行的马达。

例如，帆28由柔性材料、织物、牛仔布、聚合物、纤维素、金属网或其任何组合形成。当帆28处于延伸状态时，越接近帆装结构26的内部30，槽36的槽深度40增加。

致动器组件包括绞盘64以及与帆28的内边缘42联接的控制线66。绞盘64用于取出或者释放控制线66中的松弛物，从而使帆28的内边缘42朝向或者远离帆装平面34移位。控制线66可以是编织线缆、带、复合线缆等具有高拉伸强度的线。对出口44处的槽深度40的控制不仅控制出口44的横截面面积，而且用于改变槽36的可部署容积以及帆28相对于帆装平面34沿着大致垂直于帆28的内边缘42延伸的中间轴线67b的排气角度67a。

导叶组件20进一步包括与帆28形成的用于使槽40成形的多个加强件。多个加强件中的每者均是细长的并且沿着帆28的中间段70从帆装结构26的外部部分32朝向内部部分30在空间上相互移位，多个加强件中的每者均大致垂直于一对吊杆。多个加强件中的每者均成形并形成为被弹性地偏置以容纳帆28的中间段70并赋予帆28的中间段70挠曲。

第一桅杆60和第二桅杆62均包括一对凸缘72，这一对凸缘72在帆28的相对于帆装平面34倾斜的部分上从第一桅杆60和第二桅杆62的相应一者向外延伸。第一桅杆60和第二桅杆62中的每者处的一对凸缘72是为了减少流体从槽36朝向它逸出。

第一吊杆50和第二吊杆52与柱48以可旋转的方式联接，以能够改变帆装平面34相对于涡轮机22围绕限定在帆装结构26的内部30附近的第一轴线76的桨角74。具体是，桨角74从为涡轮机22的周界划界的基准圆的切线参考。帆装结构26包括致动器(例如线性马达和旋转马达)，以及用于围绕第一轴线76将位移传递到第一吊杆50和第二吊杆52的联接组件。联接组件为滑轮组件、平移连杆和多个齿轮中的至少一个，用以插入致动器以及第一吊杆50和第二吊杆52。

导叶组件20进一步包括在其上联接有柱48的旋转引导件。旋转引导件用于使帆装结构26围绕第二轴线以可枢转的方式引导和定位。优选地，旋转引导件包括用于使帆装结构26沿着旋转引导件围绕第二轴线移位的圆形致动器。

导叶组件20用包括支撑结构102和前述多个导叶组件20的导叶结构100实施。支撑结构102限定柱形中空体104及沿着其长度延伸的结构轴线106。柱形中空体104用于接收内部具有多个转子叶片24的涡轮机22。多个转子叶片24的旋转轴线与结构轴线106大致重合。多个导叶组件20联接到支撑结构102的外部108且沿着支撑结构102的外部108并且围绕结构轴线106在空间上分布。

支撑结构102包括上环形结构108、下环形结构110以及多个纵梁112，多个纵梁112在上环形结构108与下环形结构110之间延伸并且将上环形结构108和下环形结构110相互联接。在一些实施中，支撑结构102安置在圆形导轨上以使支撑结构102能够围绕结构轴线106旋转地移位。

基于所用导叶组件20的数量和风向，允许微小地调整支撑结构102围绕结构轴线106的移位，以将帆28最佳地呈现给风并且避免流动死区。

优选地，涡轮机22与支撑结构102一体形成。涡轮机22包括用于支撑多个转子叶片24的柱形的保持架114。保持架114适于使多个转子叶片24中的每者均能够围绕其长度旋转并且控制每个转子叶片24的取向。保持架114以可移动的方式联接到支撑结构102，充当具有支撑结构102的转盘。可移动联接可以通过包括插入保持架114和支撑结构102的摩擦片的各种联接设备来实现。摩擦片包括布置在联接到保持架114的每个轮对阵列之间的环形突起。每个轮对均骑在摩擦片的环形突起的内表面和外表面上以隔离保持架114的旋转，并因此隔离多个转子叶片24到围绕结构轴线106的特定路径的行程以及减少保持架114的移位行程的摆动。轮对阵列的每个轮均优选地由聚合物材料形成并且具有实芯或充气芯。保持架114经由万向接头联接到发电机，以将从涡轮机22传递的运动转换为能量，例如电能。

优选为6到8个导叶组件20的阵列可在导叶结构100中被采用并且优选地围绕结构轴线106以等角度的间距布置，第一轴线76大致平行于结构轴线以充当涡轮机22的外导叶(OGV)。基于进风的方向，导叶组件20的阵列均可用于引导并成形被接收于涡轮机的迎风侧的空气，以排出到多个转子叶片24来驱动涡轮机22。

多个转子叶片24中的每个均能围绕其纵向轴线旋转以将最佳的叶片取向呈现给从迎风突出的导叶组件排出的空气。在涡轮机22的背风侧，背风突出的导叶组件20用于引导离开涡轮机22的空气远离，以减少转子叶片24上的冲击湍流。

在利用6个导叶组件20的示例性构造中，导叶组件在支撑结构102上以12点钟、2点钟、4点钟、6点钟、8点钟和10点钟的角参考点从支撑结构102向外延伸，以结构轴线106为中心。随着风在涡轮机的9点钟方向上行进到3点钟方向，风将在12点钟、6点钟、8点钟和10点钟位置冲击导叶组件20的帆28。在使用具有平坦表面的典型外导叶时，风在冲击于外导叶的表面上时可能选取最小阻力的路径，并且还会远离预期流动方向朝向转子叶片24分散。然而在利用导叶组件20的情况下，风被收集并集中且沿着槽36，在特定情况下，在从出口44排出期间朝向位于相应导叶组件20近侧的转子叶片24的前缘重定向。

槽36还能够在其中累积空气压力以增加从出口44排出的空气的质量流量。在第一桅杆60和第二桅杆62中的每者处由一对凸缘72提供进一步辅助，以减少空气从帆28的上边缘56和下边缘58的溢出，这又减轻槽36的压力损失。每个转子叶片24均成形为具有沿着其弦线从前缘延伸到后缘的低压表面和高压表面。当风或流体在转子叶片24的前缘处指向其后缘时，沿着低压表面创建低压区域，从而为转子叶片24提供升力。

因此，在12点钟、6点钟、8点钟和10点钟位置由导叶组件在相应的转子叶片24处引导的空气的质量流量的增加将在相应的转子叶片24处生成升力，这将进而使涡轮机22旋转。甚至在12点钟和6点钟位置，定位在那里的导叶组件20能够朝向涡轮机22和近侧转子叶片24的前缘重定向冲击帆28(垂直于帆装平面34)的风。这样增加了可以受益于从导叶组件20排出的风或空气的转子叶片24的数目。

出口44处的槽36的槽深度40能控制以改变出口44处的流出面积。如果流出面积对于流入槽36的空气流入而言太小，则压力累积将限制和阻碍从出口44的流出。然而，如果槽36在出口44处的槽深度40太深，则帆28的内边缘42可能与临近其移位的转子叶片24碰撞。进一步考虑是帆28在出口区域处的排气角度66a，其构造有帆装平面34相对于涡轮机22的桨角74和转子叶片24的取向以防止停转并获得最佳的升力系数。进一步，对于每个导叶组件20的桨角74的调整是为了减少相邻导叶组件20之间沿风向的重叠。

涡轮机22进一步包括内导叶120，用于将转子叶片44同心地插入在导叶组件20与内导叶120之间。在风横跨相应的转子叶片44从导叶组件20在12点钟、6点钟、8点钟和10点钟位置行进时，风在横跨内导叶120的第二部分流动以在2点钟与4点钟位置之间朝向转子叶片44被引导之前被内导叶120的第一部分引导到中央空间中。转子叶片的前缘在2点钟与4点钟位置之间呈现给内导叶120以在风在2点钟和4点钟位置朝向导叶组件20离开之前从中收集剩余的风能。

槽36在每个导叶组件20的出口44处的槽深度40在2点钟和4点钟位置基本上减小，以在风从帆装结构26的内部30朝向外部32逼近帆28时减少阻力。在2点钟和4点钟位置每个导叶组件20的帆装平面34的桨角74可进一步优化以引导离开转子叶片44的风流，从而减少可能向转子叶片44引入阻力的湍流或涡流漩涡。

本公开的特定实施方式的方面解决与现有导叶关联的至少一个方面、问题、限制和/或缺点。虽然与某些实施方式关联的特征、方面和/或优点已在本公开中描述，但是其他实施方式也可展示这样的特征、方面和/或优点，并非所有实施方式都必须展示这样的特征、方面和/或优点以落在本公开的范围内。本领域普通技术人员将理解，上述结构、部件或替代物中的几个可以期望地组合成替代结构、部件和/或应用。另外，本领域普通技术人员在仅由随附权利要求书限制的本公开的范围内公开的各种实施方式可作出各种修改、改变和/或改进。

Claims (21)

1.一种导叶组件，该导叶组件包括：

帆装结构，所述帆装结构能构造有涡轮机并且具有形成其末端的内部部分和外部部分，所述帆装结构限定帆装平面，所述内部部分被定位成比所述外部部分更靠近所述涡轮机；

帆，所述帆联接到所述帆装结构并且被成形为向冲击流体流提供槽，所述槽具有从所述帆装平面限定的深度，所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸以终止于限定有出口的内边缘处，冲击在所述帆上的流体被集中在所述槽处并且从所述出口朝向所述涡轮机被重定向；以及

致动器组件，所述致动器组件联接到所述帆装结构并且所述帆的位于所述出口处的部分被锚固到所述致动器组件，所述致动器组件能够操作以将所述帆的所述内边缘朝向或者远离所述帆装平面而定位，以改变所述槽在所述出口处的深度。

2.根据权利要求1所述的导叶组件，所述帆由能够通过冲击流体使所述槽横跨所述帆装平面移位的柔性材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的导叶组件，随着所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸，所述槽的所述深度增加。

4.根据权利要求1或2所述的导叶组件，所述致动器组件包括绞盘以及与所述帆的所述内边缘联接的控制线，所述绞盘用于抽取或者释放所述控制线中的松弛部，从而使所述帆的所述内边缘朝向或者远离所述帆装平面移位。

5.根据权利要求1或2所述的导叶组件，所述帆装结构包括：

柱，所述柱被构造在所述帆装结构的所述内部部分处；以及

从所述柱延伸的一对吊杆。

6.根据权利要求5所述的导叶组件，所述导叶组件进一步包括多个加强件，所述多个加强件与所述帆一起形成用于成形所述槽。

7.根据权利要求6所述的导叶组件，所述多个加强件中的每者均是长形的并且沿着所述帆的中间段从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分在空间上被相互移位，所述多个加强件中的每者均大致垂直于所述一对吊杆。

8.根据权利要求5所述的导叶组件，所述一对吊杆中的每者均具有与之联接的桅杆，所述帆以可滑动的方式联接到所述一对吊杆中的每者的所述桅杆用于以可滑动的方式移位，以朝向所述帆装结构的所述内部部分塌缩。

9.根据权利要求8所述的导叶组件，所述桅杆中的每者均包括从所述桅杆相对于所述帆装平面倾斜地延伸的一对凸缘，以减少流体从所述槽朝向所述一对凸缘逸出。

10.根据权利要求5所述的导叶组件，所述一对吊杆和所述柱中的每者均是网架结构。

11.根据权利要求5所述的导叶组件，所述一对吊杆与所述柱以可旋转的方式联接，以改变所述帆装平面相对于所述涡轮机、围绕第一轴线的角度，所述第一轴线被限定在所述帆装结构的所述内部部分附近。

12.根据权利要求11所述的导叶组件，所述帆装结构包括致动器并包括滑轮、平移连杆和多个齿轮中的至少一者，用以介于所述致动器和所述一对吊杆之间以围绕所述第一轴线传递位移。

13.根据权利要求11所述的导叶组件，所述导叶组件进一步包括旋转引导件，在所述旋转引导件上联接有所述柱，所述旋转引导件用于使所述帆装结构围绕第二轴线枢转。

14.根据权利要求13所述的导叶组件，所述旋转引导件包括圆形致动器，用于使所述帆装结构沿着所述旋转引导件围绕所述第二轴线移位。

15.一种导叶结构，该导叶结构包括：

支撑结构，所述支撑结构限定柱形中空体，其中结构轴线沿着所述柱形中空体的长度延伸，所述柱形中空体用于在其中接收包括多个转子叶片的涡轮机，所述多个转子叶片的旋转轴线与所述结构轴线基本上重合；

多个导叶组件，所述多个导叶组件联接到所述支撑结构的外部部分且沿着所述支撑结构的外部部分并且在空间上围绕所述结构轴线分布，所述多个导叶中的每者均包括：

帆装结构，所述帆装结构具有形成其末端的内部部分和外部部分，所述帆装结构限定帆装平面，所述内部部分被定位成比所述外部部分更靠近所述涡轮机；

帆，所述帆联接到所述帆装结构并且成形为向冲击流体流提供槽，所述槽具有从所述帆装平面限定的深度，所述帆从所述帆装结构的所述外部部分朝向所述内部部分延伸以终止于限定有出口的内边缘处，冲击在所述帆上的流体被集中在所述槽处并且从所述出口朝向所述涡轮机被重定向；以及

致动器组件，所述致动器组件联接到所述帆装结构并且所述帆的位于所述出口处的部分被锚固到所述致动器组件，所述致动器组件能够操作以将所述帆的所述内边缘朝向或者远离所述帆装平面定位，以改变所述槽在所述出口处的深度。

16.根据权利要求15所述的导叶结构，所述涡轮机与所述支撑结构一体形成。

17.根据权利要求15或16所述的导叶结构，所述支撑结构包括：

上环形结构；

下环形结构；以及

多个纵梁，所述多个纵梁在所述上环形结构和所述下环形结构之间延伸并且将所述上环形结构和所述下环形结构相互联接。

18.根据权利要求17所述的导叶结构，所述上环形结构、所述下环形结构和所述多个纵梁中的至少一者由网架结构形成。

19.根据权利要求15或16所述的导叶结构，所述导叶结构进一步包括：

导轨，所述支撑结构安置在所述导轨上以使所述支撑结构能够围绕所述结构轴线旋转地移位。

20.根据权利要求15所述的导叶结构，所述导叶结构进一步包括摩擦片，所述摩擦片将所述支撑结构和保持架相互联接，所述保持架用于支撑所述多个转子叶片以在所述涡轮机中围绕所述结构轴线旋转地移位。

21.根据权利要求20所述的导叶结构，所述摩擦片包括布置在联接到所述保持架的每个轮对阵列之间的环形突起，所述轮对中的每者均骑在所述摩擦片的所述环形突起的内表面和外表面上，以隔离所述保持架的旋转和所述多个转子叶片到围绕所述结构轴线的特定路径的行程并且减少所述保持架的移位行程的摆动。

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