CN1133005C - 由流体介质驱动的涡轮机 - Google Patents
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Abstract
一种通过流动介质驱动产生电能的涡轮机，其包括多个具有合适长度、宽度和厚度的叶片(5)，所述叶片(5)具有流体动力学形状。各叶片(5)通过叶片轴(6)的上部固定到可以转动的、平圆盘形状的支撑结构(3)上，后者连接涡轮机的主轴(2)，而且叶片(5)的纵向轴(6)基本上平行于主轴(2)。其中各叶片(5)上装有马达(8)，马达(8)独立地使各叶片(5)围绕其纵向轴(6)转动。一个叶片(5)的转动独立于另一个叶片(5)，以便各叶片(5)的主表面进入相对于流动介质(11)方向需要的相对和绝对冲击角度。这种涡轮机适用于在流速相当低的水流中生产电能。
Description
发明领域
本发明涉及一种涡轮机，其具有可调整的叶片，并由流体介质驱动，还涉及采用这种涡轮机生产电能的方法。
发明背景
很久以来，人们采用不同类型的设备来利用流体介质中的能量。近几十年来，具有水平转动轴的风力涡轮机得到发展，并且被大量部署，用于生产电能。但是，这种设备中存在着大量缺陷，例如，噪音、视觉环境污染、生产和安装成本过高。大部分风力涡轮机仅仅利用了全部可以利用的风力能量的一小部分。
在现有技术中，已经开发出具有竖直轴的风力涡轮机。与上述设备比较，这些设备具有许多优点：例如由于其圆周速度低，所以噪音低，而且安装结构的高度低，因此降低了安装和运行成本。这种设备不依赖于风的方向。已经知道，需要调整风力冲击叶片的角度，其取决于介质的强度和速度。已经知道，调整风力冲击叶片的角度具有不同的方式，但是，还没有找到独立调整叶片的有效方法。
美国专利US-4052134公开了一种风力涡轮机，其具有竖直的转动轴，在该转动轴上装有设有仪器的翼片，以便在涡轮机转动轨迹路径中，调整叶片返回稳定位置。
挪威专利NO-302590公开了一种具有竖直轴的风力涡轮机，其中设有仪器，用于向叶片施加反作用，使叶片趋于和风的视风向对准。
美国专利US-4168439公开了一种巨型风力涡轮机，其具有复杂的电动机、齿轮和仪器系统，以便控制非常巨大的翼片，其主要用于控制该设备的开启和停止。
丹麦专利DK-164294公开一种改善风力涡轮机翼片的方法，其通过在翼片的自由端设置可变化的鱼雷形的物体，从而改善了风力涡轮机翼片。
美国专利US-2950765和US-2250772公开了具有竖直轴和受控制的叶片的涡轮机，其中所有的叶片借助杆件推拉，同时被引导着进入设定的位置。所述杆件通过偏心安装的转动轮的错位而被导向。这些涡轮机是为船舶获得推动力而设计的。
用于从流动的水流中转换能量的涡轮机属于现有技术。通常，在大部分涡轮机中，水流必须以有限的速度、方向和流量对准涡轮机的动力生产区域。已经证实，推动涡轮机产生的电能与流体介质的流动速度成正比例，即，随着在涡轮机动力生产区域水流速度的增加，涡轮机生产的电能量增加。
更有利的是，要在电能生产中利用低速流体的能量。本发明以简单、便宜的方式实现了这种可能性。
发明概述
本发明为此提供了一种由流动介质驱动产生电能的涡轮机，其包括多个具有合适长度、宽度和厚度的叶片，所述叶片具有按照国家航天顾问委员会(NACA)标准确定的流力动力学形状。各叶片通过叶片轴的上部固定到可以转动的、平圆盘形状的支撑结构上，所述支撑结构连接涡轮机的主轴，而且叶片的纵向轴基本上平行于主轴。其中各叶片上装有马达，采用的马达独立地使各叶片围绕其纵向轴转动。一个叶片的转动独立于另一个叶片，以便各叶片的主表面进入相对流动介质的方向需要的相对和绝对冲击角度。
这种涡轮机适用于在流速相当低速的水流中生产电能。
附图的简要描述
图1是示意性的透视图，其表示本发明的竖直轴的涡轮机，其具有四个叶片。
图2是水平截面图，其表示固定有四个叶片的平圆盘形支撑结构。
图3是叶片的竖直截面图。
图4是建议在叶片的自由端采用的流体动力体的示意图。
对本发明的详细描述
本发明的目的是提供一种涡轮机，所述涡轮机有利于最好地利用来自不同方向以低速移动的介质中的动力。
术语“流动介质”是指所有的流体流，比如自然运动的水流或气流。运动的水包括在小溪流和河流中的水，通过管道或导管、和类似的容器输送到涡轮机的水，以及各种已知的湖泊和海洋中的波涛。
术语“叶片”是指任何一种具有沿着一根连接轴连接的、两个相应的、弯曲的细长外表面区域的翼片状轮廓，其沿着速度方向呈圆形，在后部分尺寸减小形成锐利的边缘。因此，叶片具有流体动力学的形状。多种不同形状的叶片的详细结构被记载在著名的国家航天顾问委员会(NACA)的标准中。
可以采用多种叶片形状，但是，作为优选的叶片形状，可以由标准NACA63.015给出。
每个叶片具有沿纵向方向的竖直偏心轴。如果涡轮机是水平类型的设备，所说偏心轴沿着水平方向设置。本发明的涡轮机设有2～10个叶片，比较好是4～8个叶片，最好5个叶片，其连接在转动的平圆盘结构的下侧。以这种方式，叶片基本上处于接近竖直位置。所有的叶片相互之间隔开大致相等的距离、与转动结构的中心具有大致相等的距离、而且与转动轴大致平行，而固定于该支撑结构上。
对于叶片的尺寸没有特殊的限定，只要其能够实现发明目的。叶片的尺寸取决于流动介质的密度和速度。因此，用于水流的叶片其竖直长度可以为1～100米，比较好是5～20米，最好大约为10米。叶片的宽度，或者是水平截面的长度通常为0.5～5米，比较好是0.5～2米，最好是1米。叶片的厚度一般为0.05～1米，但是，其决定于选择的叶片类型。
叶片可以由任何合适的材料制成，例如可以从包括钢材、铝材或聚合物组分，例如，纤维加强的不饱和聚酯树脂(GUP)的一组材料中选择。根据选择的材料可以确定叶片尺寸。
下面参照附图，图1所示涡轮机具有竖直轴1，所述竖直轴1连结转动轴2，所述转动轴连接在平圆盘支撑结构3上。在此支撑结构上固定有多个叶片5。每个叶片具有一根纵向的轴6，所述纵向轴可以使叶片转动。纵向轴6的上端连接支撑结构3。各叶片5连接到转动马达8，最好是步进马达。由于设有马达8，叶片能够围绕纵向轴6转动，所述的纵向轴6主要对准涡轮机轴2，以这种方式，叶片可以进入任何与流体介质相关的位置。根据围绕叶片5的自由端9产生的紊流使得叶片5的工作能力达到最大程度。本发明采用上述知识，在叶片5的自由端9设置平面形状的物体15或者鱼雷形状的物体10，该物体的尺寸是叶片5的面积的1～50倍，比较好是叶片5的面积的2倍；或者是仔细地成形的椭圆形物体14，其形状为叶片轮廓的二分之一，而且其尺寸范围是叶片5宽度的1～50倍，比较好的情况是其尺寸与叶片5的尺寸相同。支撑结构包括平圆盘物体3，叶片5被设置在所述平圆盘周边附近的位置。因此，在运行过程中，叶片5具有围绕涡轮机轴2的中心转动轨迹12。这个圆形运动轨迹12限定了涡轮机的外径构成。在涡轮机的主结构4构成的装置中，将涡轮机轴的转动运动传递到发电机7，由此能够产生电能。
在图2描绘的涡轮机中，具有涡轮机轴2，以及四个叶片5，所述叶片5固定在支撑结构3上，所述支撑结构由平圆盘构成，在由平圆盘构成的支撑结构3上，叶片5可转动地固定在平圆盘的周边附近，其使得叶片5围绕涡轮机轴2形成同心的圆形轨迹12。图2还表示出马达8如何设置在叶片5的上方。由多个箭头表示了流体流动的方向11和涡轮机的转动方向13。
图3描绘了通过叶片5宽度的中心线所示的叶片5。其中表示了纵向轴6如何结合在叶片5中，在叶片5的形状中包括叶片5的自由端。
图4描绘了叶片5，以及叶片5的自由端9的几种形状。
图4a描绘了叶片5，以及仔细成形的椭圆形物体14，这个椭圆形物体的形状为叶片轮廓的二分之一。
图4b描绘了叶片5，以及偏平形状的物体15。这个平行四边形的扁平物体15的对角线以叶片5为中心。这个平行四边形物体15超过叶片5两侧相等的尺寸。平行四边形物体15的厚度不太关键，因此没有图示。
图4c描绘了叶片5，以及鱼雷形状的物体10，这个鱼雷形状的物体10超过叶片5所有侧面的尺寸。所述物体10不预先设置在沿竖直方向竖立的叶片5上。
在本发明中，对于各叶片5采用相同类型的马达8。采用的马达可以是步进电机，最好采用典型的混合型步进马达、平板式步进(plate step)马达或普通的步进马达。
对于各叶片5设有相同的控制系统，完全可以控制各叶片5的可转动位置。因此马达8能够控制叶片5相对于流体介质的相对角度和绝对角度。叶片5沿着圆形轨迹运动，接着必须依靠动力方式调整叶片5的相对位置和绝对位置。
下面参照附图2，描述涡轮机的转动工作循环。当叶片5在流动的流体中处于基本竖直的位置时，由于叶片5被可转动地连接，叶片趋向于相对于流动介质占据最小阻力位置，即，与流体介质的运动方向对齐。为了使涡轮机转动，并且生产电能，在平圆盘形状的支撑结构3上的、连接在各马达8上的叶片转动进入相对于流动方向合适的相对角度和绝对角位置。马达8转动叶片5进入5°～50°角度。因此，在叶片5的表面产生作用力，使得涡轮机转动。这个转动运动引导叶片5改变流体冲击叶片5的角度，控制马达8转动叶片5进入上述流体冲击叶片的角度位置。流动流体冲击叶片5的角度的精确度取决于马达8寻找和保持其位置的能力。在叶片5沿着圆形轨迹转动的过程中，进行充分的调整。因此，基本上在整个圆形轨迹的转动过程中，叶片5都将产生作用力，这将在最佳状态下产生能量。
最好，叶片5的钝头端部是流动流体通过的引导边缘。在图2中，如图中箭头所示，转动方向13和流体流动方向11，叶片5的钝头边缘构成引导边缘。叶片的位置同样与流体介质的属性无关。
因为由马达8独立调整叶片5的转动位置，涡轮机可以启动或停止转动而与流动介质的速度无关，从而不会导致该装置停机。
叶片5的可转动运动及其控制系统能够保持叶片5的位置，使涡轮机静止，并且能够对涡轮机进行修理和维护。
叶片5带动平圆盘形支撑结构13以有限的速度转动，优选的转速在5～60RPM，最好在5～20RPM。这个转动速度由在流动流体中的叶片5的位置来控制。
由涡轮机产生的作用力的大小取决于叶片5的高度、宽度和长度，以及流动流体的速率。低速叶片5呈比较凸出的形状，并且，具有比高速叶片较大的表面积。这种表面有利于形成介质的层流。
涡轮机的最大工作能力最好利用控制程序来获得，最好是电子程序，以便使叶片转动进入最佳位置，同时兼顾速度和作用力的最佳结合。
产生于叶片5自由端9的紊流从理论上讲会降低涡轮机的工作能力。
只要流体的流动方向不偏离垂直于涡轮机2主轴的方向太多，涡轮机2的工作能力就与流体的流动方向无关。
上面所说的本发明属于在水流中处于竖直位置，但是，本发明在水平位置同样能够很好工作，并且，能够在其他流体介质中工作，例如，在风中工作。
发电机7总是被固定的。涡轮机具有处于竖直位置的轴，但是，也可以具有处于水平位置的轴。如果涡轮机被用于水中，涡轮机可以被连接于锚固定设备、浮动设备或者固定在海底的设备上。涡轮机的轴可以被安装在所述设备的各个侧面。如果涡轮机用于空气中，涡轮机可以被安装在基座、支架或同类设备上。
按照本发明，涡轮机适合于安装在固定在河床、海床或海岸边的浮动或浸在水中的设备上。合适的浮动设备包括：平底船、浮标、筏子、船舶、驳船、采掘船、“半潜水船”、“张力腿的平台”，或者有关的建筑结构上。涡轮机也可以安装在固定结构上，例如，壳体、GBS、水下结构件、内置设施(executed in)、混凝土结构件、纤维加强的不饱和聚酯树脂(GUP)、钢或其他金属结构件中。这些固定结构也可以是有特殊用途的建筑物。
本发明的涡轮机的结构可以是小型或大型设备。这种涡轮机可以作为单一竖立设备安装，或者安装在复合结构的设备中，以最佳利用方式利用流动流体。本发明设备的建造和安装位置对环境没有较大冲击。本发明的涡轮机可以安装在海洋上，或海水表面的下方，因此不会影响视觉或阻碍海上交通。同样的安装方法可以适用于河流和湖泊上。
Claims (10)
1.一种通过流动介质驱动产生电能的涡轮机，其包括多个具有合适长度、宽度和厚度的叶片(5)，各叶片(5)通过它的纵向轴(6)的上部固定到可以转动的、平圆盘形状的支撑结构(3)上，所述支撑结构(3)连接涡轮机的主轴(2)，所述叶片(5)的所述纵向轴(6)基本上平行于主轴(2)，其特征是：各叶片(5)上装有步进马达(8)，该步进马达(8)用于独立地使各叶片(5)围绕其纵向轴(6)转动，一个叶片(5)的转动独立于另一个叶片(5)，以便各叶片(5)的主表面相对于和绝对于流动介质(11)的方向进入所需的冲击角度。
2.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：步进马达(8)是混合型步进马达、平板式步进马达或普通的步进马达。
3.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：各叶片(5)的自由端(9)设有扁平的平行四边形物体(15)，其位置垂直于叶片(5)的纵向轴线。
4.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：各叶片(5)的自由端(9)设有鱼雷形状的物体(10)，其位置垂直于叶片(5)的纵向轴线。
5.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：各叶片(5)的自由端(9)设有椭圆形物体(14)，其位置垂直于叶片(5)的纵向轴线。
6.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：设置的马达(8)与各叶片(5)独立配合，并且具有独立的动力，并且由中央控制单元控制。
7.按照权利要求1所述的涡轮机，其特征是：叶片(5)和步进马达(8)安装在平圆盘形的支撑结构上。
8.按照权利要求1～7之一所述的涡轮机，其特征是：转动轴基本上处于竖直位置。
9.按照权利要求1～7之一所述的涡轮机，其特征是：转动轴基本上处于水平位置。
10.按照权利要求9所述的涡轮机，其特征是：流动介质是水。
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