CN108779762B - 具有提高效率的双垂直轴涡轮机的浮式风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浮式风力涡轮机(10)，包括浮式平台(14)和置于平台上的涡轮机(12)，涡轮机包括：‑相对于第一平面对称设置的第一和第二横流涡轮机(24)，每个涡轮机包括叶片(32)，叶片(32)包括在端部处通过臂延伸的中心部分(33)，臂通过枢转连接件(74、76)连接到轴元件(52、56)，每个涡轮机还包括上和下整流罩(42、44)；以及，‑用于保持涡轮机的结构(26)，包括在涡轮机之间且在包含涡轮机的叶片的转动轴线(A、A')的第二平面的上游的垂直中间塔架(28)。

Description

具有提高效率的双垂直轴涡轮机的浮式风力涡轮机
本专利申请要求法国专利申请FR16/51913的优先权，其被视为形成本说明书的组成部分。
技术领域
本发明涉及一种浮式风力涡轮机，特别是用于近海。
背景技术
安装在干燥陆地上的大多数风力涡轮机包括通常包括三个叶片的轴流式涡轮机，其转动轴线平行于到达风力涡轮机的入射风的方向。这些风力涡轮机称为HAWT(水平轴风力涡轮机)。叶片由塔的上端的机舱承载。其他陆基风力涡轮机包括水平布置并且最经常是垂直布置的且称为VAWT(垂直轴风力涡轮机)的横流涡轮机，其转动轴线垂直于风向。风力涡轮机的叶片驱动传动轴转动，传动轴又驱动电力发电机(也称为发电机)。
目前的趋势是在近海安装风力涡轮机，因为那里的风更强烈且更恒定。目前有效的近海风力涡轮机基本包括轴流式涡轮机。承载轴流式涡轮机的塔的下端使用适于土壤的性质的各种系统固定到小于50-60米的深度处的海床。然而，存在具有浅深度的有限数量的站点，且因此期望设计称为浮式风力涡轮机的近海风力涡轮机，其包括通过锚固系统连接到海床的浮动支撑结构。
用于浮式风力涡轮机的许多提出的设计使用HAWT。这种选择是令人放心的，因为它为陆基或安装的近海风力涡轮机所采用的解决方案提供了连续性。然而，因为HAWT由于若干原因似乎不太适于近海浮式风力涡轮机，因此它可能会被质疑。原因之一是包含功率传递部件(可选地具有用作增速齿轮组的齿轮箱)、发电机和控制室的机舱设置在塔的顶部处。位于塔的顶部处的机舱的高位置(与机舱容纳的内容物靠近水的表面或甚至在水下的VAWT相比)意味着(a)由于难以接近，海上维护困难(b)由于重型部件、发电机和增速齿轮组的显著重量，平台对俯仰和滚动的补偿以实现垂直稳定性更加困难，并且(c)安装更困难，需要大型起重机。
此外，HAWT需要进行额外的调整，例如(d)对于偏航的空气动力学调整，其伺服机构也位于与机舱连接的塔的上端处，而VAWT对风向不敏感，以及(e)机舱中的热调解(发电机、增速齿轮组)；由于远离水的稳定影响，海上在该高度处的显著温度变化，该功能可能很关键。最后，(f)HAWT的叶片经受由于浮式风力涡轮机的功率增加而导致的其重量的增加而产生的循环重力载荷应力。这种增加由于这种类型的风力涡轮机的成本的优化而产生。因此，在设计阶段产生扩展困难。
使用VAWT开发浮式风力涡轮机似乎比HAWT更有利。已经描述了VAWT的许多示例。在这些示例中，分类为VAWT，但是在相对叶片之间的差分阻力的原理下操作的Savonius类型的垂直涡轮机，由于它们非常低的输出，在这里不认为它们是与功率水平必须非常高以便证明安装和维护成本合理的浮式风力涡轮机项目不相容的。另一方面，第二类型的VAWT在单个叶片上以升力原理操作，并且被分成具有troposkein形叶片的Darrieus涡轮机，或具有H配置或V形的直的或螺旋形叶片的涡轮机。例如，文献WO2009/036107描述了包括Darrieus涡轮机的浮式VAWT，且文献W02010/120182描述了由具有直叶片的H型涡轮机组成的浮式VAWT。
然而，第二种类型的VAWT仍然存在许多缺点，其中一些导致它们在陆地上失效，并且必须被消除或减少：
(i)可接受的是，第二种类型的VAWT产生的功率虽然高于第一种类型的VAWT产生的功率，但仍然低于相同大小的HAWT产生的功率。已经尝试了几种解决方案以减少该缺点。实际上，H涡轮机遭受在臂-叶片连接处和在翼端部处出现的耗散损失。那么最佳效率通常不是非常高。通过使用模制复合材料来减小成型的叶片-臂连接处的阻力，并且尤其是通过安装用于调节迎角的设备，能够稍微增加所述效率。在必须限制维护的恶劣的海上环境中，所述设备引入机械复杂性。另一方面，Darrieus涡轮机的最佳效率明显更高，这归功于减小(低于0.3)的坚固度S＝2Nc/D(其中N是叶片的数量，c是弦，并且D/2是涡轮机的半径)和高的最佳进程参数λ＝ωD/2Vi(ω是涡轮机的转动角速度，并且Vi是入射风速)(大于4)。除非增加涡轮机的最大截面，否则与该最大截面成比例的收获功率会较低。这涉及到大大增加塔的高度，这是由拉线保持的机器的严重障碍。
(ii)在叶片在给定的角位置保持不动的情况下，启动可能变得困难。
(iii)在涡轮机的每次转动期间，每个叶片上的切向和法向空气动力学力是脉动的。它们沿着连接臂传输，且然后传输到涡轮机的驱动轴上。在该驱动轴的底部处，特别是由于力的法向分量导致振荡弯矩，这导致结构上的显著疲劳。该力矩有两个分量：
-第一分量，倾向于使风力涡轮机平行于风向从前向后倾斜，反之亦然，且称为“前后”弯力；和
-第二分量，倾向于使风力涡轮机在垂直于风向的平面中从左向右倾斜，反之亦然，且称为“侧到侧”力矩。
众所周知，双反向转动涡轮机的并置使得可以定义消除或减少(i)、(ii)和(iii)缺点的涡轮发动机。首先设计的用于陆基应用的大多数这种涡轮发动机配备有第一类型的VAWT，且少数配备有第二类型的VAWT。相反，双涡轮机的并置的缺点是损失单个VAWT对入射风向的不敏感性：偏航调节变得必要。可以提及文献US 8,827,631，其描述了具有第二类型的涡轮机的海上涡轮机，并且文献WO2013/175123描述了具有该第二类型的涡轮机的风力涡轮机，其中侧向整流罩位于侧面并由使用大量的材料的中心直立部件保持；涡轮机配备的空气动力学调节器件也很庞大。因此无法推断出浮式风力涡轮机的功率增加。
因此，期望提出一种包括双涡轮机的浮式风力涡轮机，其减少或甚至消除上述故障中的一些，同时相对于材料是经济的。
此外，由于浮式风力涡轮机远离岸边，所设想的解决方案必须保持简单，以便限制昂贵的干预。
发明内容
实施例的主题是克服由双涡轮机形成的浮式风力涡轮机的上述缺点的全部或一部分。
实施例的另一主题是在不使用太多材料的情况下增加该风力涡轮机的效率。
实施例的另一主题是在涡轮机转动期间，使施加在涡轮机的枢轴连杆上的法向载荷的变化平稳。
实施例的另一主题是通过风力涡轮机的架构被动地提供风力涡轮机的迎风定向，以便不需要偏航控制。
因此，实施例提供了一种浮式风力涡轮机，其包括浮式平台和置于平台上的涡轮发动机，该涡轮发动机包括：
-相对于第一平面对称布置的第一和第二垂直轴涡轮机，每个涡轮机由叶片组成，叶片包括中心部分和臂；中心部分描述了转动的圆柱体并且在端部处通过臂延伸，臂还通过枢轴连杆连接到轴元件，每个涡轮机由配备有支撑结构的、不包括传动轴的上和下两个水平整流罩保持；
-用于承载涡轮机的结构，由所述上和下整流罩形成的系统组成，系统连接到涡轮机之间的垂直中间塔架，并且在包含涡轮机的叶片的转动轴线的第二平面的相对于风向的上游。
根据实施例，涡轮发动机适于相对于浮式平台围绕枢转轴线枢转，枢转轴线位于第二平面相对于风向的上游。
根据实施例，臂垂直于叶片的转动轴线。
根据实施例，每个叶片的中心部分通过四分之一圆的弯头部分连接到每个相应的臂。
根据实施例，每个叶片的中心部分是直的。
根据实施例，每个叶片的中心部分具有小倾斜角度(<5°)的偏转，同时在其转动期间保持在内接在由涡轮机描述的圆柱体内。
根据实施例，对于每个叶片，平行于叶片的转动轴线测量的叶片的中心部分的高度大于或等于平行于叶片的转动轴线测量的、连接到叶片的中心部分的两个臂之间的高度的2/3。
水平整流罩：
-配备有第一类支撑结构，整体称为MMESS整流罩(中等材料效率支撑结构)，使得可以容纳和遮挡臂免受入射风的影响，轴元件和轮毂完全容纳在整流罩内。根据实施例，每个MMESS整流罩包括壳体、环形开口，壳体由固定到整流罩的轴元件的盖部分地封闭，环形开口处于盖的边缘和整流罩的其余部分之间，以使涡轮机的叶片通过。根据实施例，每个MMESS整流罩容纳涡轮机的叶片的弯头部分的在一半和整个之间变化的部分。因此，相对于其容纳的弯头部件的部分，所述整流罩具有能够从涡轮机的直径到其一部分变化的宽度。根据实施例，MMESS整流罩还连接到第二平面相对于风向的下游的第一中间平面中的垂直稳定支柱；或者
-水平整流罩配备有第二类支撑结构，则组件称为HMESS整流罩(高材料效率支撑结构)，使臂对入射风开放；轴元件和轮毂部分地容纳在整流罩内。每个HMESS整流罩由在端部处的半翼(直的、扫过的、梯形的、椭圆形的等)形成，并且在其内布置有枢轴连杆，该枢轴连杆包括在半翼外延伸的转动轮毂，并且涡轮机的叶片经由与轮毂形成单件的转动盘在外部附接在其上。所述半翼具有仅延伸超过枢轴连杆的元件的宽度。
根据实施例，浮式风力涡轮机的每个MMESS整流罩还包括，对于每个涡轮机，在涡轮机与第一平面相对的侧上并且连接涡轮机的上和下整流罩的垂直侧向支柱。
根据实施例，每个MMESS整流罩包括通过第一结构管连接到中间塔架并且通过第二结构管连接到垂直稳定支柱的环形管。
根据实施例，每个HMESS整流罩包括沿着每个半翼的宽度延伸的，靠近前缘并将中间塔架连接到枢轴连杆的环形结构管。
根据实施例，每个涡轮机包括将每个叶片从位于叶片的上半部内的点连接到涡轮机的上枢轴连杆的转动部件的对角牵引线，以及将每个叶片从位于叶片的下半部内的点连接到涡轮机的下枢轴连杆的转动部件的第二对角牵引线。
根据实施例，每个涡轮机包括水平牵引线，水平牵引线经由设置在涡轮机的转动轴线上的公共节点，在位于沿叶片的接近一半的高度处，将涡轮机的每个叶片连接到涡轮机的其他叶片。
根据实施例，每个涡轮机包括由涡轮机的叶片驱动并且容纳在涡轮机的下整流罩中的电力发电机。
根据实施例，发电机是直驱式永磁同步发电机。
根据实施例，发电机包括盘式制动器。
根据实施例，用于疏散由发电机产生的电力和/或用于监控和/或控制发电机和/或盘式制动器的线缆布置在涡轮机的下整流罩的环形结构管中。
根据实施例，涡轮机的上和下整流罩的环形结构管适于使维护人员通过。
根据实施例，浮式风力涡轮机还包括固定到上整流罩之一的上表面的至少一个光伏板。
附图说明
这些以及其他特征和优点将在以下参考附图非限制性地给出的特定实施例的描述中详细公开，其中：
图1是具有MMESS整流罩的浮式风力涡轮机的实施例的局部图示性透视图；
图2A和2B分别是图1中所示的涡轮机之一的上部分和下部分的局部图示性分解图；
图3A和3B是图1中所示的涡轮机之一的上部分和下部分的放大的局部图示性横截面图。
图4是具有MMESS整流罩的浮式风力涡轮机的局部图示性透视图。
具体实施方式
在图中仅描述和示出了可用于理解本发明的元件。在说明书的其余部分中，除非另有说明，否则表述“近似”、“基本上”和“大约”指加或减10％，优选加或减5％。此外，术语“上”、“下”、“上方”、“下方”、“顶部”和“底部”相对于风力涡轮机的涡轮机的转动轴线限定的，其例如基本上对应于垂直方向。
图1是具有MMESS整流罩的浮式风力涡轮机10的实施例的局部图示性透视图。浮式风力涡轮机10包括在位于浮式平台14处的水位上方的涡轮发动机12。
涡轮发动机12包括具有转动轴线A和A'的、两个并置的横流涡轮机24，每个横流涡轮机24利用承载结构26由上和下MMESS整流罩42、44保持，其中承载结构26具有围绕所述转动轴线的扁平的回转椭圆形状，所述整流罩配备有支撑结构(图2中所示)，支撑结构通过结构管64连接到中间塔架28并且通过结构管64连接到垂直稳定支柱30，所述塔架和所述垂直稳定支柱包含在中间垂直平面中，在中间垂直平面的两侧上，两个涡轮机24对称设置。在垂直于涡轮机24的转动轴线的平面中，垂直稳定支柱的横截面是对称的翼形轮廓。
以这种方式，通过固定到上和下MMESS整流罩42、44的枢轴连杆，可以承载具有轴线A和A'的涡轮机的叶片32，这将在图2、3A和3B中详述。因此，每个涡轮机24能够省掉传动轴，如在上述横流涡轮机中那样。因此，支承功能由中间塔架28和垂直稳定支柱30提供。这使得可以将同一个涡轮机的两个轮毂分离，允许这两个轮毂之间不对准，而不会产生源自上枢轴连杆朝向下枢轴连杆的寄生弯曲应力。特别地，这使得可以避免源自上枢轴连杆朝向下枢轴连杆的弯矩的影响。
根据实施例，塔架28具有相对于中间平面对称的基本上三角形的横截面，以及呈圆弧形的上游表面和两个平坦或凹的侧面，这两个平坦或凹的侧面朝向包含在中间平面中的消失线在下游相交。在其上游零件中，该塔架通过具有轴线O的圆柱形塔连接到浮动支撑架，并且其在深处的延伸部具有涡轮机的直径的至多一半。根据实施例，在根据风向的上游侧上，包含轴线A和A'的平面与包含轴线A且与塔架28相切的平面之间的角度小于或等于30°。
塔架在风向上的扫过的形状与沿涡轮发动机的俯仰轴线的二次力矩成反比。现在，由于其在深处的延伸部，该塔架的力矩远大于相同最大截面的圆形塔的力矩。因此，塔架能够更好地吸收经由涡轮机的枢轴连杆传输到其上的纵向空气动力学和机械不稳定应力。
根据实施例，每个涡轮机24包括叶片32，其在数量上至少为两个，并且例如在图1中在数量上为三个。图1中的右侧所示的涡轮机24的叶片32可动地安装为可围绕轴线A转动，并且图1中左侧所示的涡轮机24的叶片可动地安装为围绕轴线A'转动。优选地，轴线A和A'是平行的。在运动中，叶片32扫过内接在直径为D的转动的圆柱体内的表面，并且分别具有图1中右侧所示的涡轮机24的轴线A和图1中左侧所示的涡轮机24的A'。每个叶片32包括中心部分33，该中心部分33包含在直径为D的圆柱体内。例如，中心部分33是直的并且平行于轴线A或A'。在该图中，仅中心部分33暴露于风中，但是如下文所述，能够设想MMESS整流罩的其他实施例。
叶片32具有相对于分隔圆柱体的中间平面对称地分布在这些圆柱体上的轮廓。因此它们具有相对的转动方向，该方向使得叶片32在中间截面中逆风运动。
在垂直于转动轴线A或A'的平面中，每个叶片32的横截面能够对应于中空对称或不对称的双凸类型的轮廓或者具有双曲率的轮廓。根据实施例，直径D包括在20m和80m之间。
在图1中所示的实施例中，每个涡轮机24的叶片32具有直的中心部分33，但是能够使用源自横流涡轮机的任何类型的叶片，只要叶片32的中心部分33扫过转动的圆柱体即可。例如，涡轮机能够配备有其中心部分是螺旋形的叶片，或配备有其中心部分是V形的叶片，例如专利US2011006534中所描述的，但是叶片扫过不能超过10°，以便不会引起效率的急剧下降。螺旋形叶片或V形叶片的使用具有使叶片提供的转矩均匀的优点。
平台14能够是半潜式的，并且对应于三浮式平台。平台14包括以星形布置的三个浮动柱或圆柱体16。平台14还包括具有轴线O的中心塔18，其通过桁架20连接到浮动圆柱体16。平台14是稳定的，使得涡轮机的轴线A和A'接近垂直位置，不仅通过由于以星形的三个浮动柱16的流体静力学刚度，还通过设置在柱的下部中的压载物(能够是液体压载物)，来提供最大收获功率。能够控制这些柱中的液体的分布，使得不会发生明显的姿势的变化。平台14通过锚固系统(未示出)保持就位，锚固系统包括例如连接到海床的悬链线。三浮式平台14的优点在于其在原材料成本、安装成本和海上性能之间的令人满意的折衷。能够使用其他类型的浮式平台。根据变型，平台14能够对应于文献WO2013/175124中描述的平台，其被认为形成本说明书的组成部分。根据变型，平台14还能够对应于驳船(barge)、“帆桅(spar)”平台或张力腿平台(TLP)。水位由图1中的线22图示性地示出。
优选地，涡轮发动机12安装在平台14的中心塔18上。根据变型，能够在塔18的顶部提供枢轴连杆系统(图1中未示出)，以便使涡轮发动机12相对于浮式平台14绕基本垂直的轴线O自由转动。为此，塔架28能够由具有轴线O的圆柱形部分延伸，该圆柱形部分用作枢轴连杆的凸出部分，并且进入塔18中提供的具有轴线O的圆柱形开口，圆柱形开口用作枢轴连杆的凹入部分。该连杆能够通过在HAWT塔的顶部处建立的且包含大的滚子轴承的回转环的变型来提供。
该枢轴连杆允许涡轮发动机将其自身定向为迎风的。事实上，因为将轴线A和A'定位在转动轴线O的下游实际上倾向于使风力涡轮机在每个瞬间稳定为迎风的而不开始转动，由每个涡轮机施加在枢轴连杆上的、由MMESS整流罩42、44承载的法向力的合力被平衡掉，对于它们在轴线O上产生的力矩也是如此。
存在于具有MMESS整流罩的风力涡轮机中的垂直稳定支柱30有助于在正常操作中保持涡轮发动机12的对称轴平行于风向。事实上，垂直稳定支柱30用作具有基本杠杆作用的尾舵。总之，有利地是，不需要偏航控制。
在未提供塔18的顶部处的连杆系统的简化实施例中，风力涡轮机的航向稳定性仍然是可取的。图1中所示的平台浮动支撑件14经受这种修正的空气动力学力矩，其被添加到控制这种类型的浮动支撑件的航向的悬链线的力矩。
图2A和2B分别是图1中右侧所示的涡轮机24的上部和下部的局部图示性分解图。涡轮机24具有相对于中间平面彼此对称的结构。已知图1中左侧所示的涡轮机具有对称结构，现在将给出对图1中右侧所示的涡轮机24的更详细的描述。
每个叶片32包括上臂34和下臂36，上臂34优选地基本上垂直于轴线A或A'，特别是水平的，并且连接到叶片32的中心部分33的上端，下臂36优选地基本上垂直于轴线A或A'，特别是水平的，并且连接到叶片32的中心部分33的下端。根据实施例，对于每个叶片32，优选地基本上具有半径为R的四分之一圆的形状的上弯头38，将每个叶片32的中心部分连接到上臂34，并且优选地具有基本上半径为R的四分之一圆的形状的下弯头40，将每个叶片32的中心部分33连接到下臂36。从轴线A测量的每个臂34、36的长度L使得R+L＝D/2。仅从空气动力学的观点来看，R的值的由旨在最大化由涡轮机产生的功率的折衷所导致。通常，对于在无限介质中操作的所述涡轮机，低的R增加了由驱动部分33扫过的表面积，但是增加了干扰阻力，从而增加了相关的耗散源。对于每个特定的涡轮机几何结构(N、c、D等)寻求最佳值。R的上限是平行于轴线A测量的、在连接到叶片32的中心部分33的臂34和36之间的距离的1/6，或者换句话说，平行于每个叶片32的中心部分33的轴线A测量的高度大于或等于该距离的2/3。
上臂34经由穿孔的并固定到轮毂50的盘51连接到上轮毂50。经由图3A和3B中所示的轴承或衬套，上轮毂50围绕具有轴线A的上垂直引导轴元件52可转动地安装，上轴元件52固定到上整流罩42的上内表面。下臂36经由穿孔的并固定到轮毂54的盘55连接到下轮毂54。下轮毂54经由轴承或衬套(在这些图中未示出)围绕具有轴线A的下垂直引导轴元件56可转动地安装，轴元件56固定在下整流罩44的下内表面上。
臂34、36和弯头38、40具有能够与叶片32的中心部分33的形状不同的成型形状，以便承载施加在那里的剪切应力的增加。每个叶片32的臂34、36的横截面的最大厚度能够大于叶片32的中心部分33的横截面的最大厚度，例如大于或等于叶片32的中心部分33的横截面的最大厚度的两倍。
根据实施例，每个弯头部分38、40的轮廓提供了从弯头部分连接到的叶片的中心部分的轮廓的特征到弯头部分连接到的臂的轮廓的特征的单调过渡。
每个叶片32能够由使用碳纤维的复合材料生产。考虑到相对于中心部分经受的应力的均匀性，能够根据所述部分开发叶片在相同的板中的生产。也能够在板中进行上和下臂的生产，上和下弯头也能够单独生产。然后，这些板能够在现场与翼接合器和口袋系统连接，以便重新构造叶片，以降低物流和安装的成本。最后，根据拉挤成型工艺，能够以低成本生产叶片的直板。
刚刚描述的涡轮机24(图1中右侧所示)连接到下和上MMESS整流罩。尽管仅涵盖了涡轮机叶片的几何结构，但是描述同样可以是对应于如图4中所描述的另一实施例的连接到HMESS整流罩的涡轮机的叶片的描述，并且上面给出的该涡轮机的叶片的所有特征仍然有效。
根据实施例，在每个涡轮机24的顶部，上臂34和弯头38容纳在设置在转动的MMESS上整流罩42中的壳体46内。在每个涡轮机24的底部，上臂36和弯头40容纳在设置在转动的下整流罩44中的壳体48内。
每个MMESS整流罩42、44包括沿着基本平坦的板71的边缘延伸的管70。管70连接到在上游与中间塔架28相交的结构管64，并且管70连接到在下游与垂直稳定支柱30相交的结构管64。每个整流罩42、44还包括一组加强肋72，其从具有轴线A的圆柱形部分73开始向外延伸，圆柱形部分、肋72和管70形成具有板71的单件。
根据实施例，具有轴线A的涡轮机24的上MMESS整流罩42还包括具有轴线A的圆形盖58，圆形盖58覆盖壳体46并且被固定而不能在垂直导轴的上元件52的下端上转动。图1中未示出的环形开口，其宽度e是叶片32的中心部分33的厚度的三到五倍，并且半径等于D/2，布置在壳体46的边缘和盖58之间，以允许每个叶片32的中心部分33的上端进入壳体46，并经由弯头38和臂34连接到上轮毂50。盖58的直径Dp等于D-e。
具有轴线A的涡轮机24的下MMESS整流罩44还包括具有轴线A的圆形盖60，圆形盖60覆盖壳体48并且被固定而不能在垂直导轴的下元件56的上端上转动。图1中所示出的环形开口62，其宽度e是叶片32的中心部分33的厚度的三到五倍，并且半径等于D/2，布置在壳体48的边缘和盖60之间，以允许每个叶片32的中心部分33的下端进入壳体45并经由弯头38和臂34连接到下轮毂54。盖60的直径Dp等于D-e。
因此，具有轴线A的涡轮机24沿着该轴线部署在三个区域中，两个整流罩(上和下42、44)之间的中间区域，其中，位于直径为D的圆柱体上的叶片32的中心部分33经受入射风并且在驱动，以及包围臂34、36以及轮毂50、54的上和下整流罩42、44中的两个区域。在后两个区域中，臂34、36经受形状阻力并且对涡轮机24的操作没有驱动作用。然而，这些部件上的该阻力仅由该封闭空间中的纯转动运动产生，因为所述部件免受与入射风相关联的流动分量的影响，其中与入射风相关联的流动分量在没有MMESS整流罩42、44的情况下会增加阻力。在水平臂34足够远离上整流罩42和下整流罩中每个的上表面和下表面的程度上保持该提议。另外，如Darrieus H-或螺旋涡轮机中明显的，对于每个叶片32和在一次转动期间在叶片32的每个角位置处，配备有其盖58的上MMESS整流罩42和配备有其盖60的下MMESS整流罩44承担可以由在飞机翼的端部处的两个大的直的端部小翼所起的作用，并减小翼端的阻力。
根据另一实施例，尽管如此，由于结构原因，盖58、60的直径的值小于D-e是有利的，这是因为生产在大型风力涡轮机的操作中保持稳定的大尺寸的盖58、60可能是困难的。弯头的一部分(例如直到一半)能够对风开放而不会因此增加干扰阻力。优点是减小上和下MMESS整流罩和相关盖的直径。
最后，塔架提供四种空气动力学功能：
(i)塔架28的圆形的正面遮挡了叶片32的逆风运动，在这个区域中它们减速，并从而提高了它们的性能。
(ii)通过其存在，塔架使得每个涡轮机周围的整体流相对于平行于入射流并且穿过转动轴线的平面不对称。现在，至少在启动时无限介质中的立式涡轮机的这种流的对称性导致启动困难，叶片在给定的对称角位置中保持固定。
(iii)已经示出了该塔架的定位和几何结构如何以各种方式有助于风力涡轮机的迎风稳定性，以及因此在使用HMESS整流罩期间有助于(特别是将提到的)其偏航控制。
(iv)还已经提到，具有轴线A的涡轮机的叶片32由上和下MMESS整流罩42、44之间的枢轴连杆承载，其自身通过支撑中间塔架28来保持。图2通过示出叶片如何相对于上轴元件52和下轴元件56独立地枢转并且使得每个涡轮机24可以省掉传动轴来详述这一点。最终由于中间塔架28执行的支撑功能导致的中心轴的缺少也防止了涡流，特别是冯·卡门(vonKármán)涡街系统，其在叶片32围绕轴线A转动的过程中、在下游半盘内通过的期间中干扰叶片32。此外，这些系统的频率(无量纲参数Vi/a，其中a是传动轴的直径，而且称为Strouhal频率)会产生问题，因为随着Vi的增加，它接近塔的固有频率。这些问题因此也被消除了。
每个MMESS整流罩42、44也能够承担具有俯仰力矩贡献的翼的作用。
另外，通过结构管64的是发电机外壳中的部件的所有电气监控/控制电路，例如盘式制动器，用于疏散收获功率的电缆，以及通过整流罩外部的特定接近通道(未示出)可以接近整流罩内的维护人员。通过各种电气设备和可编程逻辑控制器管理风力涡轮机的功能的控制柜能够安装在中间塔架28的底部处和/或塔18的底部处。
根据实施例，对于每个叶片32，对角线防偏转牵引线66连接环形部件67，该环形部件67通过围绕上垂直引导元件52的下端的特定轴承或衬套可枢转地安装到位于其上半部分内的高度处的叶片32，并且对角线防偏转牵引线(未示出)连接环形部件，该环形部件通过围绕下垂直导轴元件56的上端的特定轴承或衬套可枢转地安装到位于其上半部分内的高度处的叶片32。牵引线66能够对应于线缆、绳索、链条、型材等。这两条线适当地分布在中心部分33上，以使叶片的变形在径向方向上是均匀的，使得可以一方面利用下线缆来抵抗在标称操作中相对于空气动力学力(升力和阻力)占优势的离心力，且另一方面利用上线缆来保持具有轴线A的涡轮机24的臂34、36的水平度，轴线A在每次涡轮机停止时易于在重力的影响下下降。
最后，对于每个涡轮机24，成型的外部垂直侧向支柱68有利地将涡轮机24的MMESS整流罩42、44连接在涡轮机24的与中间平面相对的侧上。
中间塔架28、垂直稳定支柱30、侧向支柱68和整流罩42、44能够由在航空工程中使用的用于生产翼的材料生产，例如复合材料。
图3A和3B分别是具有来自图1中所示的涡轮机24之一的MMESS整流罩的浮式风力涡轮机10的上部分和下部分的放大的局部图示性横截面图。
如图3A中所示，上整流罩42包含将上轮毂50连接到上轴元件52的枢轴连杆74。例如，枢轴连杆74由轴承形成。
如图3B中所示，下整流罩44包含将下轮毂54连接到下轴元件56的枢轴连杆76。例如，枢轴连杆76由轴承形成。下整流罩44还包含发电机80，发电机80疏散由涡轮机24提供的机械功率。根据实施例，发电机80是直驱式永磁同步发电机。发电机80的定子82包括布置在支撑件86上的绕组84，支撑件86设置在由板71、圆柱形部件73和盘55界定的围壳88中。发电机80的转子90包括具有轴线A的圆柱形部件92，圆柱形部件92固定到与轮毂54形成单件的盘55，并且配备有面向绕组84设置的永磁体94。转子90还能够包括加强肋95。因此，转子90和定子82之间交换的流是径向的。直驱式永磁同步发电机80具有能够以可变速度操作的优点，不需要增速齿轮组，其将占据下整流罩44中的空间，增加其厚度，并且具有高功率重量比。发电机80必须配备有盘式制动器96，盘式制动器96包括与转子90形成单件的盘97和固定到下整流罩44的卡钳98。
图4是具有上MMESS整流罩126和下MMESS整流罩128的浮式风力涡轮机120的实施例的局部图示性透视图。浮式风力涡轮机120包括图1中所示的浮式风力涡轮机10的所有元件，不同之处在于，对于每个涡轮机24，上MMESS整流罩42或下MMESS整流罩44由具有减少空间需求的、被称为HMESS整流罩的上支撑结构126或下支撑结构128代替。另外，不存在垂直稳定支柱30。
每个上HMESS整流罩126或下HMESS整流罩128包括连接到塔架28的半翼(直的、扫过的、梯形的、椭圆形的等)，在其端部处布置有用于涡轮机24的枢轴连杆(未示出)。上HMESS整流罩126和下HMESS整流罩128分别包括上轴元件和下轴元件(未示出)。上轮毂50和下轮毂54(部分示出)通过轴承或衬套(在该图中未示出)分别可转动地安装在所述上轴元件和下轴元件上，圆形开口使所述轮毂在HMESS整流罩的外部延伸。固定到所述轮毂50、54的外部部分的上外盘51和下外盘55由涡轮机的叶片32的臂34和36驱动，在涡轮机中它们形成整体部分。
在该实施例中，上HMESS整流罩126和下HMESS整流罩128提供了某些与图2A和2B中所示的MMESS整流罩的这些功能共同的功能(并从其中得出随后的优点)。首先，支撑功能部分地由伸长的环形结构管(未示出)提供，伸长的环形结构管沿着每个半翼的宽度靠近前缘并连接到中间塔架。然后通过飞机翼中使用的传统装置(未示出)提供支撑功能：平行于这些管、肋和内部线缆的帆桅。
用于上整流罩126的，除了内部线缆之外，还能够添加拉线装配系统130的外部线缆，如图4所示，从塔架28的顶点处的垂直杆的顶部连接到半翼的轴元件，并且，对于下整流罩128，外部支撑杆132从塔架28的底部连接到半翼的轴元件。
因此，相对于下HMESS整流罩和上HMESS整流罩，环形结构管提供了维护人员接近部件的可能性，所述部件用于传输由整流罩内部和外部的叶片产生的机械功率。最后，仅相对于下HMESS整流罩，所述管另外使所述维护人员接近发电机的外壳内的部件的监控/控制电路，例如盘式制动器和用于疏散收获功率的电缆。
最后，不需要具有与MMESS整流罩公共的结构和空气动力学优点的驱动轴。
HMESS整流罩，因为叶片32的弯头38、40和臂34、36保持在整流罩外部，使叶片32的形状本身具有减少寄生阻力的功能。相比MMESS整流罩，不再被遮挡的臂34、36能够经受更强烈的阻力。另一方面，由叶片32的有效部分33的端部处的弯头38、40形成的组件本身能够相当于具有小于MMESS整流罩的表面积的翼，该组件由垂直于轴线A的上臂34和下臂36延伸。也能够通过调节弯头38、40的曲率半径，利用HMESS整流罩减小干扰阻力。中心轴的缺失还可以防止涡流，特别是冯·卡门涡街系统，其在叶片32围绕轴线A转动的过程中、在其通过下游半盘期间干扰叶片32。总之，在HMESS整流罩和MMESS整流罩存在的情况下，有关减少获得的寄生阻力的优点仍然总体上是实质性的和可比性的。
这些优点对由配备有支撑结构的这两种类型的整流罩支撑的涡轮机24提供的功率值具有显着影响。实际上，可以借助于两种类型的整流罩共同的风力涡轮机的总体结构，由其顶端和底端承载涡轮机而不需占用其转动区域，共用塔架28支撑这些区域之外的整流罩，并且因此有利地结合在升力的原理下操作的VAWT的两个主要变型的特征。Darrieus涡轮机采用其由于减小的坚固度S和它们的高的最佳进程比λo得到的效率，以及，H涡轮机，其最大截面明显比Darrieus涡轮机在给定高度处的最大截面大，这是由于它们的矩形形状(特别是通过牵引线保持的)。
根据实施例，为了抵抗离心力和重力，如图1中所示，总是可以使用对角线防偏转牵引线66(在该图4中未示出)，其连接类似于图2中所示的部件67的环形部件，但在外部上盘51的中心的周围，在位于叶片的上半部分内的紧固点处固定到叶片32。有利地，第二对角牵引线(未示出)能够将在外部下盘55的中心的周围固定的环形部件在位于叶片32的下半部分内的紧固点处连接到叶片32。应该注意的是，HMESS整流罩提供了一种紧固到枢轴连杆的方法，该方法不同于上面针对MMESS整流罩所描述的方法。对于后者，盘是内部的，因此有必要仅在外部元件周围引入附加轴承，其中，上固定的垂直轴元件52的下端支撑盖。
根据实施例，为了仅抵抗离心力，还可以引入防偏转牵引线，在水平面上，将位于靠近叶片32的中间的点连接到位于转动轴线上的点。对于具有两个叶片的涡轮机，如图4中所示，这些防偏转线减少到单条线。相反，该解决方案能够在存在MMESS整流罩的情况下使用。
根据实施例，图1中的每条牵引线66以及其在叶片32的下半部上的补充物，能够包括覆盖有成型套筒的线缆，除了线缆与叶片32接触的区域之外，该套筒基本上在线缆的整个长度上延伸。套筒能够由聚合物制成。它能够具有对称轮廓的形式。
在提供了上述用于连接到塔18的顶部的系统的实施例中，不需要偏航控制。由每个涡轮机24施加在枢轴连杆上的、由HMESS整流罩126、128承载的法向力的合力被平衡掉，对于它们在O处产生的力矩也是如此。将轴线A和A'定位在转动轴线O的下游倾向于使风力涡轮机在每个瞬间稳定迎风而不开始转动。具有HMESS整流罩的风力涡轮机120中的有利地延伸的塔架28，例如达到涡轮机直径的一半，进一步强调了这种迎风稳定性。事实上，施加在塔架的(ⅰ)更多的暴露于风且(ⅱ)主要布置在塔架28的轴线O的下游的侧表面的风的作用起到了尾舵的作用。对于第三个原因，最多暴露于风的具有塔架28的涡轮机，共同遮挡最少暴露的涡轮机24。由风施加在第一涡轮机24上的总阻力大于第二涡轮机24上的总阻力，并且作为结果，塔架28的底部处的估计转矩也是校正的转矩。
在没有提供连接到塔18的顶部的所述系统的实施例中，图1中所示的平台浮动支撑件14经受这种校正空气动力学力矩，其被添加到悬链线的力矩，该悬链线控制该浮动支撑件的航向，并且有助于在正常操作下保持涡轮发动机12的对称轴与风向平行。
根据图4中所示的实施例，涡轮机配备有两个叶片。该选择非常有利于在紧急停止后稳定涡轮机：为此，必须使两个涡轮机停止在一个角度配置中，在该角度配置中它们的两个叶片仍然位于包含涡轮机的叶片的转动轴线的平面中，停止在其中驱动力最小或甚至为负的配置中。
上面已经描述了具有不同变型的各实施例。应注意，在不证明创造性的情况下，本领域技术人员可以组合这些各实施例和变型的各元件。

Claims (24)

1.一种浮式风力涡轮机(10)，包括浮式平台(14)和置于平台上的涡轮发动机(12)，所述涡轮发动机包括：
-相对于第一平面对称布置的第一和第二垂直轴涡轮机(24)，每个涡轮机包括等于或大于2的N个叶片(32)，所述叶片(32)包括中心部分(33)和成型的臂(34、36)；所述涡轮机的叶片的转动轴线(A、A')包含在垂直于所述第一平面的第二平面中，所述叶片的中心部分在转动时形成围绕轴线(A、A')的圆柱体并且在端部处通过臂延伸，所述臂还通过枢轴连杆(74、76)连接到轴元件(52、56)，所述臂(34、36)垂直于所述叶片(32)的转动轴线(A、A')，每个叶片(32)的中心部分(33)经由成型的弯头部分(38、40)连接到每个臂(34、36)，其中，对于每个叶片(32)，平行于所述叶片的转动轴线(A、A')测量的叶片的中心部分(33)的高度大于或等于平行于所述叶片的转动轴线(A、A')测量的、连接到叶片的中心部分的两个臂(34、36)之间的高度的2/3，并且其中，每个涡轮机由配备有支撑结构的上和下两个水平整流罩(42、44；126、128)支撑，并且不包括将所述轴元件连接在一起的传动轴；和
-用于承载所述涡轮机的结构，包括连接到所述涡轮机之间的垂直中间塔架(28)的、配备有支撑结构的所述上和下水平整流罩。
2.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个弯头部分(38、40)具有半径为R的四分之一圆的形状，并且每个弯头部分(38、40)在任何点处的曲率半径相对于所述四分之一圆的半径偏离小于5％。
3.根据权利要求1或2所述的浮式风力涡轮机，其中，每个弯头部分(38、40)的轮廓提供了从所述叶片的中心部分的轮廓的特征到所述臂的轮廓的特征的单调过渡，所述弯头部分连接到所述叶片的中心部分和所述臂。
4.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个涡轮机的上和下水平整流罩连接到涡轮机之间的垂直中间塔架，所述垂直中间塔架具有相对于所述第一平面对称的基本上三角形的横截面，以及呈圆弧形的、相对于风向的上游表面和两个平坦的或凹入的侧面，所述两个平坦的或凹入的侧面在所述第一平面中相交；在其上游部分中，该塔架通过具有轴线O的、基本上圆柱形的塔连接到浮动支撑件，所述塔设置在包含所述涡轮机的叶片的转动轴线的第二平面的上游。
5.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个涡轮机(24)包括将每个叶片(32)从位于叶片的上半部内的点连接到所述涡轮机的上枢轴连杆的部件的对角牵引线(66)，以及将每个叶片(32)从位于叶片的下半部内的点连接到所述涡轮机的下枢轴连杆的转动部件的第二对角牵引线。
6.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个涡轮机(24)包括水平牵引线，所述水平牵引线经由设置在所述涡轮机的转动轴线上的公共节点，在位于沿叶片的接近一半的高度处，将涡轮机的每个叶片(32)连接到涡轮机的其他叶片。
7.根据权利要求5或6所述的浮式风力涡轮机，其中，每个牵引线覆盖有成型的套筒，除了所述牵引线与所述叶片(32)接触的区域之外，所述套筒基本上在所述牵引线的整个长度上延伸。
8.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，当转动时，所述叶片(32)的中心部分形成直径为D的圆柱体并且具有小于0.2的坚固度S＝2Nc/D，c为叶片的轮廓的弦长。
9.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，所述塔架(28)通过具有轴线O的圆柱形部分延伸，所述圆柱形部分用作枢轴连杆的突出部分并且进入塔(18)中提供的具有轴线O的圆柱形开口，所述圆柱形开口用作枢轴连杆的凹入部分，通过所述枢轴连杆，所述涡轮发动机(12)适于相对于所述浮式平台(14)枢转。
10.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个水平整流罩(126、128)形成上和下支撑结构，其位于每个水平整流罩(126、128)的端部，并且在所述水平整流罩内布置有枢轴连杆，所述枢轴连杆包括固定轴元件，转动轮毂(50、54)延伸到所述水平整流罩之外并且所述涡轮机(24)的叶片(32)的臂(34、36)经由盘(51、55)在外部附接到转动轮毂(50、54)上。
11.根据权利要求10所述的浮式风力涡轮机，其中，每个整流罩(42、44；126、128)的支撑结构包括在整流罩内部的帆桅、肋和线缆。
12.根据权利要求11所述的浮式风力涡轮机，包括用于上整流罩的、从所述塔架的顶点处的支撑结构连接到所述上水平整流罩的固定轴元件的拉线装配系统的外部牵引线，以及，用于下整流罩的、将所述塔架连接到所述下整流罩的固定轴元件的外部支撑杆。
13.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，配备有支撑结构的每个上和下水平整流罩(42、44)容纳：固定在整流罩内的固定轴元件(52、56)的枢轴连杆、围绕所述轴元件转动的轮毂(50、54)、连接到与转动轮毂形成整体的转动盘(51、55)的涡轮机(24)的叶片(32)的臂(34、36)，以及，涡轮机的叶片的弯头部分(38、40)的一部分。
14.根据权利要求13所述的浮式风力涡轮机，其中，所述涡轮机的每个整流罩(42、44)包括壳体(46、48)、环形开口(62)，所述壳体(46、48)由固定到整流罩的轴元件(52、56)的盖(58、60)部分地封闭，所述环形开口(62)处于所述盖的边缘和整流罩的其余部分之间，以使所述涡轮机的叶片(32)通过。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，支承结构(26)包括垂直稳定支柱(30)，所述垂直稳定支柱(30)在第二平面相对于风向的下游的第一中间平面中。
16.根据权利要求15中所述的浮式风力涡轮机，其中，每个整流罩(42、44)的承载结构包括通过第一结构管(64)连接到中间塔架(28)且通过第二结构管(64)连接到垂直稳定支柱(30)的环形管(70)。
17.根据权利要求16所述的浮式风力涡轮机，其中，所述第一结构管(64)适于使维护人员通过。
18.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个涡轮机(24)包括由涡轮机的叶片(32)驱动的电力发电机(80)，所述电力发电机(80)容纳在配备有支撑结构的下水平整流罩中或下方。
19.根据权利要求18所述的浮式风力涡轮机，其中，所述发电机(80)是直驱式永磁同步发电机。
20.根据权利要求18所述的浮式风力涡轮机，其中，所述发电机(80)包括盘式制动器(96)。
21.根据权利要求16所述的浮式风力涡轮机，
其中，每个涡轮机(24)包括由涡轮机的叶片(32)驱动的电力发电机(80)，所述电力发电机(80)容纳在配备有支撑结构的下水平整流罩中或下方，所述电力发电机(80)包括盘式制动器(96)，
其中，用于疏散由所述发电机(80)产生的电力和/或用于监控和/或控制所述发电机(80)和/或所述盘式制动器的线缆布置在所述第一结构管和第二结构管(64)中。
22.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，每个叶片(32)由使用碳纤维的复合材料生产。
23.根据权利要求1所述的浮式风力涡轮机，其中，对于每个叶片(32)，中心部分、上臂和下臂以及上弯头和下弯头单独生产。
24.根据权利要求23所述的浮式风力涡轮机，其中，所述中心部分、上臂和下臂以及上弯头和下弯头在现场连接在一起以便重新构造叶片。
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