CN108884808B - 用于在垂直轴的水轮机的各叶片的连续和区别定位的装置 - Google Patents

Abstract

用于具有瞬间撞击角度位置的在垂直轴的自由流水轮机的各叶片的连续定位的装置对于任何不同水流速度而言总是最佳的。连接到由三个分离的电步进电机控制的杠杆系统的两个共面浮动盘组成所述装置。在改变水流速度时，沿着旋转筒的轨道路径出现叶片专用路径。叶片被等距地放置在旋转筒的边缘，而电步进电机被固定到水轮机的外部框架。

Description

用于在垂直轴的水轮机的各叶片的连续和区别定位的装置

背景技术

直接接触水流(河或海)的无压水轮机代表水动能的有效系统。在2008年安装在纽约的东河(East River)的Verdant Power Ltd.的涡轮机代表这种技术的第一示例。

在水平轴的涡轮机的三叶片转子是从风应用获得的经典结构，尽管相对简单并且可靠，但其在流体动力效率方面产生某种程度不大的回报。

使用具有垂直地布置的叶片的涡轮机的决定能够是替代解决方案以提高水动力效率并且简化大尺寸的涡轮机的构造，因为单向河流不需要利用装置来修改偏航旋转角，以及不需要根据风力发电机的涡轮机的需要在固定和移动部分之间插入第五轮接头。这允许使用适度尺寸的组件，便于携带和直接在安装地点组装。

通过采用叶片的即时和正确定位的技术系统以允许水流无干扰地穿过，因此克服具有并不十分自由的横穿的已有涡轮机的限制，具有拥有盘和支撑臂的垂直轴涡轮机(作为具有垂直轴的涡轮机的示例，类似于Darrieus和Kobold涡轮机)的解决方案中的水动力效率能够被显著提高。

通过采用在旋转筒上放置悬臂的叶片组件系统，每个叶片具有不同的方位等级，因此允许沿着轨道路径的连续变化，能够超越当前使用的解决方案的关键点。

水流横穿的动能被高效地转换成机械能，因为具有大直径的垂直轴的涡轮机的使用允许也利用大地能量，大地能量通过在支撑叶片的倾斜筒的两个相反的施加极值的限额的差异(在具有水平轴的涡轮机中不可获得的条件)来确定。

用于获得高水动力效率的必要条件在于能够通过叶片位置的合适的命令和控制实现的瞬时入射角的连续定向。

计算机化系统已经被有效地用在很大范围的具有垂直轴的发动机内，但水轮机需要极高的可靠性并且完全免维护。通过使用没有特定电子控制的非常坚固的机械系统，能够几乎可以完全或在任何情况下更容易地实现这些条件。注意力因此集中于在电气控制的具有非常坚固的运动控制的系统。

发明内容

本工业发明的主题，用于在垂直轴的水轮机的各叶片的连续和区别定位的装置即，代表了通常在水轮机出现的可靠性和极低维护问题的真实解决方案。

具体实施方式

图1显示三个电步进电机(标号1、2、3)，所述三个电步进电机连接到它们自己的齿轮系并且内置在固定盘(标号48)上。

图2显示电步进电机(标号1)，所述电步进电机利用法兰连接到它自己的蜗轮箱(标号46)，其冠状齿轮(标号62)刚性地连接到操纵和连接螺钉(标号4)的末端。所述组件(电步进电机标号1；蜗轮箱标号46；操纵和连接螺钉标号4)能够在销(标号50)上相对于固定到盘(图1的标号48)的支撑件(标号49)旋转角度±α，所述盘(图1的标号48)通过支柱(图1的标号47)连接到水轮机。操纵和连接螺钉(标号4)被移动，通过电步进电机(标号1)经冠状齿轮(标号62)接收旋转运动，而操纵和连接螺钉(标号4)的另一端在连接到箱(图3的标号64)的支撑件上是空转的。在操纵和连接螺钉(标号4)上，组合两个分离的内螺纹(图1和图2的标号6；图1和图5的标号7)。对于电步进电机(标号1)的给定旋转，内螺纹(标号6)移动某个距离rx。在内螺纹(标号6)上，在空转状态下铰接辊(标号5)，所述辊将会移动相同的距离rx。空转状态下的辊(标号5)连接到水轮机的固定部分，并且使壳体支撑件(标号8)的重新定位rx，所述壳体支撑件替代地连接到浮动盘(图5的标号40)。

在固定到水轮机的框架(图1的标号48)的支撑盘的末端，紧固所述箱(图3的标号64)，所述箱允许操纵和连接螺钉(标号4)在销(图2的标号50)上摆动角度±α。需要角度α的操纵和连接螺钉(标号4)的程度以便衡消由水轮机朝着自由穿过流动的方向的旋转引起的适当偏差。

在箱(图3的标号64)的远侧，闩住板(图3的标号53)，所述板利用空转辊(图3的标号54)支撑销，所述空转辊允许操纵和连接螺钉(标号4)的行进。

空转辊(图3的标号54)被高放在斜坡(标号52)上，并且被低放在斜坡(标号65)上，所述斜坡(标号65)连接到支撑盘(图1的标号48)。

电步进电机(图1的标号2)被利用法兰布置在箱(图3的标号64)上面，所述电步进电机通过连接接头设置小伞齿轮(标号55)旋转，所述小伞齿轮咬合对应冠状齿轮(图3的标号56)。在冠状齿轮(标号56)上插入蜗杆(标号57)，所述蜗杆咬合冠状齿轮(标号58)，所述冠状齿轮(标号58)使轴(标号59)处于缓慢旋转，所述轴在它的边缘安装有小齿轮(标号60)，所述小齿轮咬合固定到支撑盘(图1的标号48)的冠状齿轮(标号65)。

由于通过轴(标号55)和齿轮(标号60)实现的rpm的高减速比，运动学运动是不可逆转的，确保在水轮机的任何操作条件下使操纵和连接螺钉(标号4)的位置保持为角度α。

在操纵和连接螺钉(标号4)上，除了内螺纹(图2的标号6)之外，还旋入另一内螺纹(图3的标号7)，所述另一内螺纹(图3的标号7)在外部形成冠状齿轮，与通过电步进电机(图1和图5的标号3)的轴而处于旋转的蜗杆啮合。

包含蜗杆与外部冠状齿轮(标号7)的箱自由摆动到支撑环(标号35)的枢轴上，所述支撑环保持锚定在水轮机的固定部分上，被插入具有旋转环(图5的标号41)的轴承。最后，集成到固定支撑盘(图1的标号48)的装置的上部不可逆转地确定空转状态下的辊(标号5)及其相对支撑件(图2和图5的标号8)的位置以及环(标号41)的位置。

所述定位来自于电步进电机(图1的标号1、2、3)的预设rpm。

参照水轮机的中央垂直轴z-z，惰辊(图5的标号5)设置浮动盘(图5的标号40)的偏心值，而环(图5的标号41)设置盘值(图5的标号37)。

所述两个盘(图5的标号40和标号37)是共面的并且与水轮机的垂直轴正交，并且将它们的偏心率传递给在水轮机的旋转筒中拥有的运动学。

枢轴(图5的标号30)被集成到浮动盘(标号40)，并且在枢轴上按照与其叶片支架轴(标号33)相等的数量插入杠杆(图4和图5的标号12)。

在轴(标号30)上在空转状态下铰接杠杆(标号12)。在每个杠杆的边缘，存在各连杆(图5的标号16)，所述连杆设置叶片支架轴(标号33)的尺寸λb，所述叶片支架轴在筒旋转期间摆动，执行叶片(标号28)摆线方位。

在杠杆(图4和图5的标号12)的中心线中，铰接轴(标号32)，所述轴(标号32)连接铰链(标号13)。铰链(标号23)以铰接方式连接到滑销(标号18)。

从盘(标号15)接收传输输入的连接和传输杆(图4和图5的标号24)通过绑定到它的销(标号44)移动滑块(标号18)。连接和传输杆(图4和图5的标号24)在枢轴(图4的标号43)上摆动。盘(标号15)设置控制主环(标号41)的位置的差动位移的范围。通过垂直支柱(图5的标号42)，盘(标号15)和控制主环(标号41)连接。因此，通过各连杆(图5的标号16)，环(标号41)的位置的变化确定连接到叶片支架轴(标号33)的每个杠杆(标号12)的λb摆动的大小的校正差动。

底环(图5的标号27)在其两个平行侧具有导轨，所述导轨在它们之间是正交的，分别连接到盘(标号15)和轨道(标号25)。轨道被紧固到筒的底部(标号26)。

即使在存在来自中心轴线z-z的相关偏移的情况下，互相正交的导轨的系统也允许从筒的底部(标号26)到盘(标号15)的旋转运动Ω_T的传输。

所有铰接的杠杆被包围在上端和下端的盘(分别是图5的标号36和标号26)与外部圆柱形层(标号31)之间。

旋转筒因此由层(标号31)和盘(分别是标号36和标号26)形成，叶片支架轴的支撑件(标号29)被安装在所述盘上。

筒和叶片代表水轮机的旋转部分，所述旋转部分从河流的减速或从经过涡轮机的海流吸收能量。

本工业发明的装置主题允许创建叶片摆线差动路径，允许它们从经过的水流的流动获得最大功率吸收，无论其可能具有什么样的速度、斜率和漩涡。

已使用许多CFD(计算流体动力学语言)仿真针对使用本工业发明的装置主题的叶片允许的各种路径，所述CFD突出显示宽范围的工作的参数值中的水垂直涡轮机的极好性能。

Claims (13)

1.一种用于在垂直轴的水轮机的各叶片的连续和区别定位的装置，其特征在于用于处理叶片的旋转-传递和摆动移动的单个操纵和连接螺钉上的三个电步进电机的布置，和放置在旋转筒上的两个分离的共面第一浮动盘（37）和第二浮动盘（40）的使用，所述装置具有：

-第一电步进电机(1)，利用法兰连接到它自己的蜗轮箱(46)，其第一冠状齿轮(62)刚性地连接到操纵和连接螺钉(4)的末端；

-包括第一电步进电机(1)，蜗轮箱(46)和操纵和连接螺钉(4)的组件，所述组件被配置能够在销(50)上相对于固定到固定盘（48)的支撑件(49)旋转角度±α，所述固定盘（48）通过支柱(47)连接到水轮机；

-操纵和连接螺钉(4)，通过第一电步进电机(1)经第一冠状齿轮(62)接收旋转运动而被移动，而操纵和连接螺钉(4)的另一端在连接到箱(64)的支撑件上是空转的；

-在操纵和连接螺钉(4)上，两个分离的第一内螺纹(7)和第二内螺纹（6），对于第一电步进电机(1)的给定旋转，所述第二内螺纹(6)移动某个距离rx；

-在所述第二内螺纹(6)上，在空转状态下铰接辊(5)，所述辊(5)被配置为移动相同的距离rx；所述辊(5)连接到水轮机的固定部分，并且执行壳体支撑件(8)的重新定位rx，所述壳体支撑件连接到所述第二浮动盘(40)；

-第二电步进电机(2)被利用法兰布置在箱(64)上面，所述第二电步进电机通过连接接头设置小伞齿轮(55)旋转，所述小伞齿轮咬合第二冠状齿轮(56)；

-在第二冠状齿轮(56)上插入蜗杆(57)，所述蜗杆咬合第三冠状齿轮(58)，所述第三冠状齿轮(58)使轴(59)处于缓慢旋转，所述轴在它的边缘安装有小齿轮(60)，所述小齿轮咬合固定到固定盘(48)的斜坡(65)的内部冠状齿轮；

-第三电步进电机（3）使连接到第三电步进电机（3）的轴的外部冠状齿轮旋转；

其中，枢轴(30)被集成到第二浮动盘(40)，并且在枢轴上按照与其叶片支架轴相等的数量插入杠杆(12)，在每个杠杆的边缘，存在各连杆(16)，所述连杆设置叶片支架轴(33)的尺寸λb，所述叶片支架轴在旋转筒旋转期间摆动，执行叶片(28)摆线方位。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述三个电步进电机中的每个电步进电机的运动不可逆性，所述三个电步进电机连接到它们自己的齿轮系，这是即使在电步进电机的电源故障的情况下也保持位置所需的条件。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于将操纵系统紧固到单个支撑盘，所述操纵系统包括第一电步进电机和其齿轮系、第二电步进电机和其齿轮系、第三电步进电机和其齿轮系、和螺钉，所述单个支撑盘连接到支撑水轮机的外部框架。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于使用两个分离的共面第一和第二浮动盘(37、40)，第二浮动盘（40）位于第一浮动盘（37）内部，并且第一和第二浮动盘(37、40)都被放置在旋转筒(31)上端的支撑盘（36）上。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于将第二浮动盘(40)同轴紧固到枢轴(30)，杠杆处于空转状态，即未咬合。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于处于空转状态的杠杆在枢轴(30)上堆叠并顺序布置。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于使用两个铰接杆的每个叶片支架轴，其中的第一铰接杆被铰接在枢轴上，并且第二铰接杆被铰接在第一铰接杆的中心线和一个引导滑销之间。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于使用直线引导斜坡(52、54)，其支撑件固定到旋转壳体的底部，所述旋转壳体承载第二铰接杆的铰接枢轴，并且在旋转壳体的末端具有用于控制枢轴的滑动运动的滑动引导环。

9.如权利要求4所述的装置，其特征在于使用铰接到枢轴的杠杆，所述枢轴固定到旋转壳体的底部，在一端，在滑动引导环内部存在枢轴，而在另一端，存在用于控制枢轴(30)滑动运动的滑动引导环。

10.如权利要求4所述的装置，其特征在于使用两个盘，其中一个带有内部轮辐的第二浮动盘(40)具有用于杠杆运动控制的枢轴，并且轮辐通过支柱连接到外部第一浮动盘(37)。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于使用具有插入的中间支撑盘的正交引导滑块，一个滑块固定到旋转筒底部，而另一个滑块固定到带有内部轮辐的第二浮动盘(40)。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于在铰接到枢轴的杠杆(12)和叶片支架轴之间使用连杆。

13.如权利要求7所述的装置，其特征在于在连接到连杆的叶片支架轴上使用螺纹锁定锁结。

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