CN1675466A - 涡轮机装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于从流体流收集能量的涡轮系统(10)，包括一转矩臂(12)，至少一对，优选是对称蛤壳式涡轮叶片(14)，具有相反地与转矩臂(12)相连的上半部分(16)和下半部分(18)。一配合系统(46)与对称蛤壳式涡轮叶片(14)相连。配合系统(46)还包括一第一系统(48)和一第二系统(52)。所述第一系统(48)被连接，以便控制并调节每个单独的蛤壳式涡轮叶片(14)的上半部分(16)和下半部分(18)的打开和闭合。第二系统(52)被连接在每对对称蛤壳式涡轮叶片(14)之间，从而当一个蛤壳式涡轮叶片(14)闭合时，相反的蛤壳式涡轮叶片(14)被打开。

Description

涡轮机装置和方法
技术领域
本发明涉及一种改进的涡轮机装置和方法。具体而言，本发明涉及一种用于从流体流收集能量的涡轮机装置。另外，本发明还涉及一种风力涡轮机装置。
背景技术
为了从流体流移送能量，已经开发了各种各样的涡轮机设备。古代的水车和风车被证明是人类通过从移动的流体获取动力，来减轻体力劳动负担的古老探索。人类从风和水获取有用能量的努力已经覆盖了广阔领域的方法和应用。在历史上，仅作为例子而非限制，许多进步是在人类有关帆船的经验的基础上作出的。在陆地上收集风能的早期努力是采用由织物制成且在某些木框架上伸展的帆，以提供与流动空气作用的较大且较轻的表面。对迄今的从流动的流体例如空气回收动力的所有成果进行分类，已经发展出两种基本的风力涡轮机类型。
第一种(较早的)类型的装置的特征是，简单地占据迎风气流中的空间，且通过空气分子在它们的表面上的撞击来获取能量。这些被称为“拉拽”型装置。拉拽是一种由于涡轮叶片的阻碍作用而使风减速所产生的力。由于具有质量和速度因此空气分子具有动能，其中一些动能由于撞击而被转移到风力涡轮叶片，在所述撞击中，空气分子被减速，且涡轮叶片被加速。
在历史上，拉拽型风力涡轮机已经利用了涡轮叶片的一些固定构造，所述构造使迎风气流呈现两种不同的状况，且借此使风的定向呈现不同状况。作用在两个不同构造上的拉拽力的微分值是涡轮机的转矩或回转力的原因。在现有的拉拽型涡轮机中，拉拽力微分较小，原因是在两个方向上的迎风的截面面积相同，仅构造(凹入或凸出)变化较大。大多数拉拽型现有装置的另一个典型特征是每个涡轮叶片的短力矩臂。旋转速度总是一个期望的值，且当增加转矩时，延长力矩臂增加该值。
普遍的现有拉拽型装置的一个例子是用于测量风速的风速计。在大多数风速计中，空心半球被安装在杆上，所述杆与一轴相连，由于迎风气流对半球的作用，该轴在旋转轴线的每侧上旋转。由于它们相对于迎风气流的相反的定向，关于它们自由旋转所绕的轴，在一侧与另一侧上的拉拽力之间存在一微分。该拉拽微分导致绕该轴的一转矩，由于该转矩使杯状物绕所述轴旋转。几乎所有的拉拽型装置都应用一组构造，旨在通过使用形状来优化该拉拽微分，所述形状在一个方向上自由地通过风，但是当在气流中旋转时挡住风。
第二种(较新的)类型的涡轮机装置包括依靠“抬升”力的装置，所述“抬升”力是由于风与帆或涡轮叶片的几何结构中所固有的特定形式或形状的相互作用而获得的。当翼面(优选是净形的，即，结构上连续的翼面)将迎风气流分成两部分所述两部分气流由于翼面的形状而以不同的速度行进时，就获得了所述抬升。在迎风气流中相对于被减速的部分而被加速的部分中，引起一较低气压。在翼面一侧上的该较低压力相对于另一侧产生一正交(垂直)于迎风气流的力，该力与翼面的高压侧上的力相反。
由于抬升型涡轮机装置不需要空气分子与帆或涡轮叶片的撞击，抬升型涡轮机装置具有获取较大部分迎风气流能量的潜力，因此，最近的绝大多数设计产生能量的涡轮机的努力都具有采用这种原理的特征。由于在抬升翼面中抬升力被引起的方式的几何结构，当前的风力涡轮机典型地在垂直于迎风气流的圆形平面中旋转，且绕着平行于迎风气流的的轴线旋转。因为地球表面附近的大多数气流是水平的，这就意味着风力涡轮机的旋转平面必须呈竖直状态取向，且所获得到能量产生在起始于风力涡轮机中心处的水平轴线的末端。由于迎风气流的流动方向是可变的，因此这种类型的风力涡轮机的操作平面必须也是可变的，以便使其持续地面对风。
另外，由于风力涡轮机的旋转平面是竖直的，因此其必须被某种塔架支撑在地球表面之上，所述塔架的高度至少大于风力涡轮机的旋转圆形平面的半径。此外，这种塔架被限制为在结构上是竖直悬臂式设计，因为牵索会防碍风力涡轮叶片的旋转。另外，由于风力涡轮机的旋转圆形平面是竖直的，且支撑它的塔架也是竖直的，因此它们必须彼此偏移，以防止它们之间发生碰撞。这些涡轮机还在塔架上产生偏心负载，这就进一步增加了设计的复杂性。为了平衡所述偏心负载，并充分利用在位于支撑塔架顶端的水平轴末端可获得的能量，大多数当今的/现有的设计要求电力传输，并要求将发电机安装在所述塔架的顶部，且位于水平驱动轴上与风力涡轮机相反的一端上。这些设计导致塔架必须支撑很大的重量，保持平衡，并能够随着风的转向而旋转。另外，所述塔架必须也被设计成抵抗由于风力涡轮机，毂组件和塔架自身的风阻而产生的总倾覆力矩。不仅所述塔架必须抵抗这些负载，而且塔基也必须通过将负载转移到周围大地中而将所述负载最终化解。这些要求严格地限制了这种风力涡轮机能够进行工作的在地球表面上的高度。
当今的涡轮机技术的另一个主要限制是单个涡轮叶片所要求构造。这种叶片是当风经过它们时借助它们的形状而获得抬升的翼面。最佳形状要求叶片的长度较长，但是叶片的截面较短。这个较高的L/D比率与保持最大加速度所需的较小质量(重量)的要求一起在风力涡轮机本身的设计上设置了相互矛盾的限制。当前这些矛盾的变量的最佳选择导致叶片构造的每个类型变量都处于临界值或在临界值附近，并且严格地限制了当前的涡轮机可以安全经历的操作环境的范围。也就是说，新型的风力涡轮机系统配备有监控环境变量，例如，阵风的爆发，风向，风速和风切变(除了别的以外)的装置，并被设定为当上述变量中的任何一个超过设计工作范围时抑限制或停止全部工作。
现有技术中的拉拽型和抬升型装置的专利参考文献非常多。这里引用三篇有代表性的专利文献。美国专利4264279公开了一种抬升型涡轮机。虽然这是一种抬升型的设计，但是它采用了水平地安装在竖轴上的翼面。显然，其工作原理类似于直升飞机，因为它具有自起动特征。美国专利4377372是现有技术中拉拽型专利的一个例子。该装置使用在中部铰链连接的平板，以便改变呈现在风中的轮廓。所述铰接板借助重力被打开，而在风力的单独作用下被闭合。美国专利5823749也公开了一种拉拽型装置。由于考虑到重量，该装置采用织物叶片，因此使得它不适合于高风速的环境。然而，本发明给出了一种改进，即将相对的叶片用绳索连接起来。这样，当一个叶片借助重力被打开时，相连的绳索拉动相对的叶片，使其闭合。
总之，现有技术中公知的涡轮机，特别是公知的风力涡轮机的缺点包括：重量轻的需求，以及因此导致的易碎性，和由于这种结构而不能利用生产能力非常高的高风速环境。另外，除了基本的细绳/绳索装置之外，在风叶片之间不存在任何能够在所有风力条件下控制叶片的打开和闭合配合，且在多个风叶片之间也根本不提供配合。此外，当风超过设计极限时或当存在阵风状况时，现有的装置必须被停止。
因此，本技术领域需要提供这样一种涡轮机，该涡轮机能够应用在恶劣条件下，在崎岖地建造，设计效率高且廉价，其中，单个涡轮叶片与其它涡轮叶片相连，它们的运动相互配合。因此，本发明的一个目的是提供一种用于从流体流收集能量的改进的涡轮机系统。特别是，本发明的一个目的是提供一种用于在高空大气和阵风条件下工作的改进的风力涡轮机装置和方法。
发明内容
因此，根据本发明的一个实施例的用于从流体流收集能量的涡轮机装置，包括一转矩臂，至少一对，优选是对称蛤壳式涡轮叶片，具有相反地与转矩臂相连的第一和第二半部分。一配合系统与对称蛤壳式涡轮叶片相连。该配合系统包括一第一系统和一第二系统。所述第一系统被连接，以便控制每个单独的蛤壳式涡轮叶片的第一半部分和第二半部分的打开和闭合。第二系统被连接在每对对称蛤壳式涡轮叶片之间，从而当一个涡轮叶片闭合时，相反的涡轮叶片被打开。
在一个优选实施例中，对称蛤壳式涡轮叶片为流线型构造，以便使穿过流体流的运动的阻力最小。在另一个优选实施例中，所述流线型构造呈泪滴形状，具有一较大的前缘和一锥形后缘。在另一个实施例中，一可调节蛤壳式涡轮叶片调节系统被设置，用于调节所述配合系统的操作。在又一个实施例中，一旋转速度调速器被设置，其中，所施加的载荷与涡轮机装置的需求相匹配，从而其被用作一种调速器，以便将涡轮机装置的旋转速度限制在最佳范围内。
一种使用涡轮机装置从流体流收集能量的方法也被公开，并被要求保护，这在下文中将全面地进行阐述。
附图说明
根据优选实施例，附加的权利要求和以下附图的详细说明，本发明的其它目的，特征和优点将变得非常清楚，其中：
图1为根据本发明的涡轮机装置的优选实施例的透视图；
图2为根据本发明的一实施例的蛤壳式涡轮叶片的侧向透视近视图，示出了与两个转矩臂相连的两对相对定位的涡轮叶片；
图3为单个涡轮叶片的透视图；
图4a为处于打开状态的根据本发明的一实施例的蛤壳式涡轮叶片的侧视图，图4b为图4a所示的蛤壳式涡轮叶片的侧视图，示出了处于闭合状态的蛤壳式涡轮叶片；
图5为顺风观察的涡轮叶片机构的正视图；
图6为除去半个涡轮叶片的转矩臂的顶视图，示出了根据本发明的一实施例的直线轴承和液压缸；
图7为根据本发明的一实施例的闭环液压系统的局部示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例借助图1-7所示的示例举例说明。参照图1，根据本发明的一实施例的涡轮机装置10包括，转矩臂12和一对涡轮叶片14(优选是对称蛤壳式)。涡轮叶片14包括上半部分16和下半部分18，当处在闭合状态时，所述涡流叶片对流体呈流线型空气动力学形状。也就是，所述半部分16和18在其内侧与转矩臂12相连，从而当被闭合并使外部自由且不受防碍时，这样的连接被所述空气动力学形状所覆盖，这将在下文中更加详细地讨论。另外，在优选实施例中，蛤壳式涡轮叶片14的上半部分16和下半部分18是对称的，且彼此镜面相反。
如图1所示，根据本发明的优选实施例，一对转矩臂12支撑两对相对定位的涡轮叶片14。转矩臂12在其中心处与旋翼毂20相连，并借助旋翼毂20与竖直转矩传递驱动轴22相连。驱动轴22被支撑在空腹桁架塔24中。塔24由牵索26支撑，牵索26借助地锚30被固定在地面上。
驱动轴22从塔24的塔顶32延伸到塔24的塔底座34。在塔底座34处，动力输出装置36将驱动轴22与从动装置38相连。根据本发明的一实施例，从动装置38为正排量泵。根据另一个实施例，从动装置/正排量泵38与歧管40相连，以便从正排量泵提供恒定输出。
图1示出了处于打开状态42和闭合状态44的涡轮叶片14。对于每一对涡流叶片14而言，一个涡轮叶片被打开和/或开放，而相对的涡流叶片被关闭和/或闭合。
配合系统46也在图1中示出，且将在下文中更全面地进行说明。根据本发明的一实施例，配合系统46包括用于控制每个涡轮叶片14的上半部分16和下半部分18的打开和闭合动作的第一系统48。根据一个实施例，该第一系统48包括一对与涡轮叶片14的上半部分16和下半部分以及转矩臂12相连的直线轴承50，这将在下文中参照图2-5更全面地进行说明。
配合系统46包括一第二系统52。第二系统52连接相对定位的蛤壳式涡轮叶片对14，从而，当一个蛤壳式涡轮叶片14闭合时，相对的蛤壳式涡轮叶片14被打开。根据本发明的一个实施例，第二系统52包括一闭环液压系统，这将在下文中参照图7更全面地进行说明。
根据一优选实施例，本发明的涡轮机装置10被设计成，在影响大多数现有装置的地面效应紊流之上工作。在一优选实施例中，本发明的涡轮机装置10支撑在高出地面28大于100米的高空大气中的蛤壳式涡轮叶片14。
现参照图2，风沿箭头54的方向从左向右吹。涡轮机装置10沿着箭头56所示方向旋转。图中示出了两对涡轮叶片14，其中每一对与转矩臂12相连。每个单独的涡轮叶片14与所述转矩臂12相连，且与另一个涡轮叶片14相反。即，涡轮叶片14对A1-A2与转矩臂12A3相连，而涡轮叶片对B1-B2与转矩臂12B3相连。移动进入风或逆风的涡轮叶片14处于闭合状态44。它们是涡轮叶片14A1和B1。在这种“逆风”形态中，蛤壳式涡轮叶片14由于它们的对称形状，因此完全闭合在一起。也就是说，上半部分16和下半部分18镜面相反。因此，没有在逆风情况下产生不需要的拉拽的悬垂物或突出物。实际上，在优选实施例中，蛤壳式涡轮叶片14呈流线型构造，且在闭合状态44下没有暴露的连接，以便为移动通过流体流、空气或水等提供最小的阻力。在另一个优选实施例中，所述流线型构造为如图2所示的近似泪珠状的翼面形状，其中蛤壳式涡轮叶片14处于闭合状态44。该翼面，泪珠形状包括一较大的前缘58和一锥形后缘60。
根据本发明的一实施例，当一对涡轮叶片14中的一个处于闭合状态44时，相反的涡轮叶片14则处于打开状态42。如图2所示，这意味着，当涡轮叶片14A1和B1处于闭合状态44时，涡轮叶片14A2和B2处于打开状态42。
图2中也示出了配合系统46的更多细节。第一系统48包括与直线运动轴承座62相连的一对直线轴承50。直线运动轴承座62与转矩臂12相连。如图所示，一对控制杆64在它们的一端与每个直线轴承50相连，而在它们的另一端与上半部分16和下半部分18相连。有关液压缸66的第二系统52的部分在图中示出。参照图7对第二系统52和液压缸66进行了更加全面地说明。图3以更加靠近的方式示出了这些元件的细节。
现参照图4a和4b，图4a示出了处于打开状态42的根据本发明的一实施例的涡轮叶片14。涡轮叶片14包括借助连接机构70与转矩臂12相连的前缘58。在该打开状态42，该前缘58顺着沿箭头54方向从左向右移动的流体、风的方向。如图所示，上半部分16和下半部分18借助连接机构72与转矩臂12的相反侧相连。根据一个实施例，连接机构72是可移动，可转动，铰链连接。
控制杆64将上半部分16和下半部分18与滑环74相连。铰接连接机构76将控制杆64与涡轮叶片14相连，铰接连接机构78将控制杆64与滑环74相连。如图2和3清楚地示出，根据本发明的一实施例，一对控制杆64按照上述方式与两个直线轴承50中的每一个相连。
直线轴承50与转矩臂12相连。直线轴承50是现有的和今后研发的任何直线轴承。滑环74与直线运动轴承杆80相连。直线运动轴承杆80与直线运动轴承座62相连。根据一个实施例，如图5所示，在直线运动轴承50之间，液压缸66与转矩臂12相连。如图7更清楚地示出，液压缸66包括外壳84和可伸长的液压杆86。滑环74也与可伸长的液压杆86相连。
如图4a所示，构架82在它们的空气动力学、翼面形状中支撑涡轮叶片14。对称的半部分16和18处于打开状态42，并挡住沿着箭头54的方向从左向右移动的流体，风，水等。如图1和2所示，当一对涡轮叶片中的一个涡轮叶片14处于打开状态42时，如图4b所示，与转矩臂12的相反端相连的涡轮叶片14处于闭合状态44。
根据一优选实施例，当涡轮叶片14处于闭合状态44时，没有支撑结构暴露在流体流中。随着流体流沿着图4b中箭头54所示的方向从右向左的移动，呈现一个平滑的，不间断的空气动力学表面。该结构大大地减小了拉拽，并提高了申请人的涡轮机装置10的效率。
图4b和图7示出了第一系统48的操作，其中液压缸66的可伸长液压杆86已经被伸长，这样滑环74沿着直线运动轴承杆80移动，同时拉动控制杆64。控制杆64折入折叠的涡轮叶片14内侧。当处于闭合状态44时，图4a所讨论的所有元件均被涡轮叶片14的上半部分16和下半部分18所覆盖。第一系统48控制上半部分16和下半部分18的运动，从而使它们随着控制杆64与直线运动轴承杆80的重叠和分离(与滑环74一致地)而平滑地且精确地被打开和闭合。然而，涡轮叶片14的操作速度可以以其它方式控制，这将在下文的有关第二系统52和旋转速度调速器的说明中更全面地讨论，第一系统48也可以通过改变滑环74沿着直线运动轴承杆80来回运动的难以程度来控制，仅举例说明。另外，根据本发明的一优选实施例，两对控制杆64有效地固定上半部分16和下半部分18，在流体流中从一侧到另一侧运动和/或扭转运动。
参照图5，示出了处于打开状态42的单个涡轮叶片14，并示出了沿着顺风方向观察的涡轮叶片14的内侧。这里示出了根据本发明的一实施例的设计图，其中两对控制杆64借助滑环74被铰接连接机构76连接到两个直线运动轴承50上。两个直线运动轴承50分别与液压缸66的两侧相连。图中还示出了位于上半部分16和下半部分18内侧上的加固肋88，这样当涡轮叶片14处于闭合状态44时，肋88不被暴露在流体流中。
图6为图5的顶视图，其中涡轮叶片14和控制杆64被卸下。图中再次示出了根据本发明的一实施例的设计图，其中包括直线运动支架62。如图所示，支架62与转矩臂12相连，且直线轴承50和液压缸66位于支架62的两个臂90和92之间。如前所述，支架62的盖94固定直线运动轴承杆80的端部。
现参照图7，根据本发明的一实施例，第二系统52包括与转矩臂12的相反端相连的液压缸66。仅为了举例说明，在沿着箭头54所示方向的风的作用下，转矩臂12沿着箭头98的方向绕着旋转中心96旋转。每个液压缸66按照如上所述方式在涡轮叶片14的上半部分16和下半部分18之间与转矩臂12相连。另外，液压管路100连接液压缸66A1与液压缸66A2。液压管路100在液压缸66A1和液压缸66A2之间以闭环形式运送液压机液体。
图7示出了具有处于伸长位置102的可伸长液压杆86的液压缸66A1和具有处于缩回位置104的可伸长液压杆86的液压缸66A2。由于液压管路100在液压缸66A1和A2之间形成一闭环，因此，一个可伸长液压杆86的运动就导致另一个液压杆86的运动。就是说，在液压缸66A1处，将可伸长液压杆86从伸长位置102移动到缩回位置104，就使液压缸66A2处的可伸长液压杆86从缩回位置104移动到伸长位置102，且所有位置都处于这两个位置之间。由于滑环74与一对涡轮叶片14中的每个可伸长液压杆86相连，因此，借助包括第一系统48和第二系统52的配合系统46，涡轮叶片14的打开和闭合动作被相互配合和控制。
图7还示出了一调节系统106。调节系统106与第二系统52相连，以便调节涡轮叶片14的打开和闭合。根据一个实施例，调节系统包括一手动阀108。如图所示，手动阀108与液压管路100相连，且包括操纵杆110。按照公知方式，通过移动操纵杆110，液压管路100中的液压机液体的流动可以被减少或全部停止。这样，根据本实施例的调节系统106使用户能够完全停止液压机液体的流动，从而仅用于举例说明，当涡轮机装置10正在被安装在塔24的顶部上时，使涡轮叶片14停止旋转。
根据另一个实施例，调节系统106包括一遥控阀112。遥控阀112可以现有或今后开发是任何类型的阀，包括电磁阀(仅为了举例说明)。遥控阀112的功能可与手动阀108的功能相同。另外，遥控阀112也可用作旋转速度调速器。在这种功能中，用户遥控操作阀112以减少液压机液体流过液压管路100的流量，直到涡轮叶片14的打开和闭合适合于流体流动的速度。例如，在高空或阵风条件下，遥控阀112使用户能够延长打开和闭合涡轮叶片14所需的时间，从而有效地降低它们的旋转速度。为遥控阀112供电以及操作遥控阀112的机构在本领域中也属于普通技术水平。
再次参照图1，根据本发明的一实施例的另一个旋转速度调速器包括将动力输出装置(PTO)36与竖直转矩传递驱动轴22相连。然后，用户选择一适当尺寸的从动装置38，并将其与PTO36相连。这里所使用的“适当尺寸”的意思是，由从动装置38施加在驱动轴22上的载荷与由驱动轴22施加在从动装置38上的载荷相匹配。这样，涡轮装置10的旋转速度可以被控制。本领域普通技术人员通过少量的计算就可获得适合的载荷，以便适应各种流体环境。
根据另一个实施例，从动装置38是一个用于泵水的正排量泵。根据另一个实施例，一歧管40与所述正排量泵相连，用于调节泵的输出，以便为发电装置(未示出)提供恒定输入源。
借助进一步的解释，当蛤壳式涡轮叶片14转入风中时，上半部分16和下半部分18被压在一起。液压机液体经液压管路100流动，从而相反定位的蛤壳式涡轮叶片14中的一个被打开，而另一个被推动闭合。重要的是，所述闭环液压系统对蛤壳式涡轮叶片14的打开和闭合动作产生缓冲。也就是，当打开和闭合时，所述过程可以以上文所述方式调节，从而使叶片按照操作者的要求更快地或更慢地移动。当然，操作速度在操作者根据现有或今后研发的装置进行控制的范围内。例如，通过简单地对液压机液体的粘度进行选择，就能够调节移动速度。
根据一优选实施例，例如如图1所示，设有四个涡轮叶片14。在该实施例中，液压缸66与每个蛤壳式涡轮叶片14相连，从而提供两个单独的液压管路100，用于配合且平稳地控制相反侧的蛤壳式涡轮叶片14的打开和闭合。第二系统52确保，当一个蛤壳式涡轮叶片14被完全打开时，另一个与其直接相反定位的蛤壳式涡轮叶片14被完全闭合。重要的是，从完全闭合到完全打开的所有位置也由第二系统52控制，使其相互配合。也就是，无论一个蛤壳式涡轮叶片14处于完全打开的任何百分比位置，相反定位的蛤壳式涡轮叶片14也处于相同百分比的闭合位置。
图1还示出了本发明的一优选实施例，其中，蛤壳式涡轮叶片14被相反地定位在转矩臂12上，且绕旋翼毂20对称地定位。另外，从图示实施例中可以清楚地看出，蛤壳式涡轮叶片14被定向在水平面中，且绕着一竖直轴对称地定位。这就允许使用具有有效牵索26的重量轻的塔24，以抵抗由风所引起的倾覆力矩。由于风速在地面附近的水平层中易于发生变化，因此，位于可变地面效应空气之上的涡轮机装置10完全在最佳设计高度的空气中工作。
根据进一步的解释，涡轮机装置10的动力以围绕竖直驱动轴28的转矩的形式被传递。这就使力在塔24的底座34处被传递，而不是在顶部32处被传递。实际上，任何和所有的适合的传动齿轮装置，发电机，泵和压缩机可以位于申请人的发明的塔底座34处，而非位于高空中，从而进一步减小了必须由塔24所支撑的重量。
如前所述，设置“旋转速度调速器”，以便使施加在涡轮机装置10上的载荷与涡轮机装置10所需的载荷相等。在疾风条件下，更多的载荷被施加，在弱风条件下，则需要更少的载荷。现有的或今后研发的任何用于施加可变载荷的装置都适合于本发明的目的，并且在本领域普通技术人员的能力范围之内。问题在于，由于涡轮机装置10响应于撞击在涡轮叶片14的表面上的风而工作，因此，涡轮叶片14的旋转速度可以是零和风或其它移动流体的当前速度之间的任何值。已经确定，当涡轮机装置10/涡轮叶片14的速度被保持在约等于风速的1/3时，最佳功率被输出。由于在涡轮叶片14静止时获得最大起动转矩，因此除非发生移动，否则就不作功或不输出能量。因此，通过仔细地设计涡轮叶片14的面积和延伸长度，并使其与适当的装配载荷、从动装置38(例如其功率曲线与涡轮机装置10设计的功率曲线相匹配)相匹配，在所有的工作条件下，涡轮机装置10的效率都可以被保持在最佳水平，从而转矩臂在最佳范围内旋转。
总之，根据本发明的一实施例的涡轮机装置10是一种使用枢接涡轮叶片14的竖直轴涡轮机装置，所述涡轮叶片在一水平面上工作，以便使由涡轮叶片14在它们从逆风、折叠和流线型构造循环到顺风、打开和杯形构造时所产生的拉拽力的微分最优化。
在顺风动力行程上，涡轮叶片14被打开，从而呈现挡风的最大表面面积，从而产生一绕竖直轴的扭力。在逆风行程上，涡轮叶片14折叠呈流线型构造，提供抬升和最小拉拽，及其相应的能量损失。实际上，申请人的涡轮机装置结合了上述的“拉拽”和翼面“抬升”的优点。
另外，所述涡轮机装置10绕一竖直轴对称，优选的是包括偶数个涡轮叶片14，每个叶片的重力载荷正好与相反的配对叶片相平衡。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，本发明也可采用奇数个涡轮叶片。
相反的叶片，蛤壳式叶片14被连接起来，并由闭环液压系统所调节，以保证当一个被打开时，另一个必须被折叠。就是说，所述闭环液压系统传递成对涡轮叶片14之间的双向力，从而当一个叶片打开时，另一个必须被折叠，反之亦然。作用在连接的成对涡轮叶片14上的差动力是起动所述构造变化的原因。在涡轮叶片14的旋转期间，这种变化被起动，而另一个完全打开的涡轮叶片14产生用于循环旋转的动力行程，并利用迎风气流的不同部分。
此外，申请人的涡轮机装置10对风向的改变固有地敏感。作用在成对蛤壳式涡轮叶片14的两种构造上的风的差动力，是构造变化的起动以及传递到竖直转矩传递驱动轴28上的力的产生原因。风向的改变仅仅使受影响的涡轮叶片对14的构造变化的周期改变。应当再次注意，引起涡轮叶片14的打开和闭合的迎风气流的部分与实际上将动力赋予打开的涡轮叶片14的迎风气流的部分不同。
另外，调节系统106是多功能的，其中，除了使构造能够变化，以及产生响应延迟之外，它还为相应的风速设定涡轮叶片14的旋转速度的上限。
在一优选实施例中，每个蛤壳式涡轮叶片14由两个基本上相同的半部分16和18构成，它们被可移动地连接/在它们的前缘被铰接，且在蛤壳式模式中工作，并被转矩臂12结构上支撑。上半部分16和下半部分18彼此相连，并由第一系统48以这样一种方式控制，即，使所述半部分的操作与和其配对的半部分的重力的拉动相“平衡”。就是说，在下半部分18由于重力的拉动而落下时，相应的力被传递到顶部，上半部分16，将其抬起。操纵成对的半部分所仅需的力是克服系统惯性和系统的摩擦损失所需的力。第一系统48控制所述半部分的从一侧到另一侧的运动和扭转运动，第二系统52和调节系统106合作，以控制并调节涡轮机装置10，防止突发的破坏性的未经调节的快速运动。
虽然优选实施例所提及的是风力涡轮机，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，这种涡轮机可以被用在任何流体，例如水中。例如，申请人设计的涡轮机装置可以被锚定在海洋中，并从湾流中有效地收集能量。
虽然本发明已经以优选实施例的形式被公开，但是应当理解，还可以有落在由以下实施例所限定的本发明的精神和范围中的其它实施例。

Claims (73)

1.一种用于从流体流收集能量的涡轮机装置，包括：
(a)一转矩臂；
(b)至少一对涡轮叶片，具有相反地与所述转矩臂相连的第一半部分和第二半部分；
(c)一与所述涡轮叶片相连的配合系统，其中，所述配合系统进一步包括一第一系统和一第二系统，所述第一系统被连接，以便控制每个单独的涡轮叶片的所述第一半部分和第二半部分的打开与闭合，所述第二系统被连接在每对所述涡轮叶片之间，以便在闭合一个涡轮叶片的同时，打开相反的涡轮叶片，其中，所述配合系统被封闭在所述涡轮叶片闭合之后所形成的空间内。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二半部分与所述转矩臂的相反侧可移动地连接。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一和第二半部分是流线型构造的对称蛤壳式叶片。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述流线型构造是一种空气翼。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述空气翼呈泪滴形状，具有一较大的前缘和一锥形后缘。
6.如权利要求1所述的装置，进一步包括一调节系统，其与所述配合系统相连，用于调节所述配合系统的操作。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述调节系统进一步包括一机械控制阀。
8.如权利要求6所述的装置，其中，所述调节系统进一步包括一遥控阀。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述遥控阀包括一遥控操作的电磁阀。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一系统包括至少一个直线运动轴承，所述第二系统包括一闭环液压系统。
11.如权利要求1所述的装置，进一步包括一RPM调速器装置，该装置与所述配合系统和所述转矩臂相连，用于作为流体速度的函数改变施加在所述转矩臂上的载荷，因此所述转矩臂在最佳范围内旋转。
12.如权利要求11所述的装置，进一步包括，与所述转矩臂相连的一驱动轴和与所述驱动轴相连的一正排量泵。
13.如权利要求12所述的装置，进一步包括，与所述正排量泵相连的一歧管，用于调节所述正排量泵的输出。
14.如权利要求1所述的装置，其中，所述流体流从一个组中选择，该组包括风和水。
15.一种风力涡轮机装置，包括：
(a)与一转矩传递驱动轴相连的至少一个转矩臂；
(b)具有与所述转矩臂相连的上半部分和下半部分的至少一对相反定位的对称蛤壳式叶片；
(c)与所述对称蛤壳式叶片相连的一配合系统；
(d)其中，所述配合系统进一步包括一第一系统和一第二系统，所述第一系统被连接，以便控制每个蛤壳式叶片的所述上半部分和下半部分的打开与闭合，所述第二系统包括被连接在每对对称蛤壳式叶片之间的一闭环液压系统，以便同步地打开一个蛤壳式叶片，并闭合相反定位的蛤壳式叶片，其中，所述配合系统被封闭在所述对称蛤壳式叶片闭合之后所形成的空间内。
16.如权利要求15所述的装置，其中，第一系统包括至少一个直线运动轴承。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述对称蛤壳式叶片成流线型构造，以便为穿过空气的运动提供最小的阻力。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述流线型构造成具有一较大前缘和一锥形后缘的空气翼的形式。
19.如权利要求15所述的装置，进一步包括与闭环液压系统相连的一可调节蛤壳式叶片调节系统，用于调节所述闭环液压系统。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述调节系统进一步包括一控制阀，其中所述控制阀从以下组中选择，该组包括：机械和遥控操作控制阀。
21.如权利要求15所述的装置，进一步包括一RPM调速器，该调速器与所述转矩臂和所述闭环液压系统相连，用于作为风速的函数改变施加在所述转矩臂上的载荷，因此所述转矩臂在最佳范围内旋转。
22.如权利要求15所述的装置，进一步包括与转矩传递驱动轴相连的一正排量泵。
23.如权利要求22所述的装置，进一步包括与所述正排量泵相连的一歧管。
24.如权利要求15所述的装置，包括两个转矩臂和两对相反定位的对称蛤壳式叶片，其中一对叶片与每个转矩臂相连。
25.如权利要求15所述的装置，其中，对称蛤壳式叶片被定向在一水平面上，且绕一竖直轴对称地布置。
26.如权利要求15所述的装置，其中，至少一个转矩传递臂将转矩施加在绕一竖直轴的转矩传递驱动轴上。
27.如权利要求15所述的装置，其中，对称蛤壳式叶片位于地面之上，并位于地面效应紊流之外。
28.如权利要求15所述的装置，其中，对称蛤壳式叶片位于地面100米之上的高空空气中。
29.一种使用涡轮机从流体流收集能量的方法，包括以下步骤：
(a)将至少一个转矩臂与一转矩传递驱动轴相连；
(b)将具有上半部分和下半部分的至少一对相反定位的对称蛤壳式叶片与所述转矩臂相连，从而所述对称蛤壳式叶片在围绕所述转矩传递驱动轴的一平面内旋转；
(c)将一控制系统与所述对称蛤壳式叶片相连，其中，连接所述控制系统的步骤进一步包括连接一第一系统与一第二系统的步骤，第一系统被连接到每个单独的蛤壳式叶片的上半部分和下半部分，以便控制所述上半部分和下半部分的打开与闭合，所述第二系统包括一闭环液压系统，该系统被连接在每对所述对称蛤壳式叶片之间，以便在闭合一个蛤壳式叶片的同时，打开与其相反的蛤壳式叶片，其中所述控制系统被封闭在所述对称蛤壳式叶片闭合之后所形成的空间内。
30.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将所述对称蛤壳式叶片形成为泪滴的形状，具有一较大前缘和一锥形后缘。
31.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将一调节系统与所述闭环液压系统相连的步骤。
32.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将一RPM调速器与所述转矩臂和所述闭环液压系统相连的步骤，用于作为风速的函数改变施加在所述转矩臂上的载荷，因此所述转矩臂在最佳范围内旋转。
33.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将所述对称蛤壳式叶片布置在地面之上的风中，使其处于地面效应紊流之外的步骤。
34.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将所述对称蛤壳式叶片布置在高于地面100米之上的高空空气中的步骤。
35.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将一正排量泵与转矩传递驱动轴相连的步骤。
36.如权利要求35所述的方法，进一步包括，将一歧管与正排量泵相连的步骤，用于调节所述正排量泵的输出。
37.如权利要求29所述的方法，进一步包括，将所述对称蛤壳式叶片布置在水中的步骤。
38.如权利要求29所述的方法，其中，步骤(a)包括提供一竖直转矩传递驱动轴的步骤，步骤(b)包括将所述对称蛤壳式叶片与所述转矩臂相连，将所述转矩臂与所述竖直转矩传递驱动轴相连的步骤，从而，所述蛤壳式叶片在围绕所述竖直转矩传递驱动轴的一水平面内旋转。
39.如权利要求29所述的方法，其中，步骤(b)包括将所述上半部分和下半部分可移动地与所述转矩臂的相反侧相连的步骤。
40.如权利要求31所述的方法，进一步包括，为所述调节系统添加一机械控制阀的步骤。
41.如权利要求31所述的方法，进一步包括，为所述调节系统添加一遥控阀的步骤。
42.如权利要求41所述的方法，进一步包括，添加一遥控操作电磁阀的步骤。
43.一种调节涡轮机组件的操作的方法，该涡轮机组件包括：
(a)具有一第一端和一第二端的一转矩臂；
(b)分别被布置在转矩臂的第一端和第二端的第一和第二涡轮叶片；
(c)分别与第一和第二涡轮叶片以及转矩臂的第一端和第二端相连的第一和第二轴承组件；
(d)与第一轴承组件和第二轴承组件相连接的涡轮叶片控制装置，用于控制所述轴承组件的相对运动，从而，当第一涡轮叶片被打开时，使第二涡轮叶片被闭合，该方法包括，调节第一和第二涡轮叶片分别被打开与闭合的比率。
44.一种调节如权利要求43所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，通过控制液压缸内液压流体的流动，第一和第二涡轮叶片打开与闭合的比率被调节。
45.一种调节如权利要求44所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，液压流体的流动被手动地控制。
46.一种调节如权利要求44所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，液压流体的流动被遥控。
47.一种涡轮机装置，包括：
(a)具有一第一端和一第二端的一基本上呈直线的转矩臂；
(b)一第一涡轮叶片，包括一第一半叶片和一第二半叶片，第一涡轮叶片的第一半叶片部分和第二半叶片部分在所述转矩臂的第一端处被基本上共线地接合；
(c)一第二涡轮叶片，包括一第一半叶片和一第二半叶片，第二涡轮叶片的第一半叶片部分和第二半叶片部分在所述转矩臂的第二端处被基本上共线地接合；
(d)与第一涡轮叶片和第二涡轮叶片相连的配合装置，用于在打开第一涡轮叶片的同时，闭合第二涡轮叶片。
48.如权利要求47所限定的涡轮机装置，其中配合装置包括：
(a)一第一组件，其与转矩臂的第一端相连，并分别与第一涡轮叶片的第一半叶片和第一涡轮叶片的第二半叶片的内表面相连；
(b)一第二组件，其与转矩臂的第二端相连，并分别与第二涡轮叶片的第一半叶片和第二涡轮叶片的第二半叶片的内表面相连，从而在闭合所述涡轮叶片之后，所述各组件被封闭在由涡轮叶片的第一半叶片和第二半叶片所形成的空间内，以便减小涡轮叶片在流体中运动的阻力。
49.如权利要求48所限定的涡轮机装置，进一步包括：
(a)与所述第一组件和第二组件相连接的涡轮叶片控制装置，用于控制所述组件的操作，从而使第一涡轮叶片被打开，使第二涡轮叶片被闭合。
50.如权利要求49所限定的涡轮机装置，其中涡轮叶片控制装置包括：
(a)与第一组件相连的一第一液压缸；
(b)与第二组件相连的一第二液压缸；
(c)连接所述第一液压缸与所述第二液压缸的一液压管路。
51.如权利要求50所限定的涡轮机装置，其中涡轮叶片控制装置进一步包括，被放入第一液压缸和第二液压缸之间的液压管路中的一阀。
52.如权利要求51所限定的涡轮机装置，其中，所述阀由手动操作。
53.如权利要求52所限定的涡轮机装置，其中，所述阀可被遥控。
54.如权利要求53所限定的涡轮机装置，其中，所述阀可被控制，从而响应于撞击在涡轮叶片上的流体的流量，来调节所述液压管路中的液压流体的流动。
55.如权利要求49所限定的涡轮机装置，其中每个组件分别包括：
(a)通过一轴承座而附着在转矩臂的一端上的一直线轴承；
(b)沿着由所述直线轴承所确定的方向可以移动的一滑环(traveler)；
(c)被连接在所述滑环和涡轮叶片的第一半部分之间的一控制杆；
(d)被连接在所述滑环和涡轮叶片的第二半部分之间的一控制杆。
56.如权利要求55所限定的涡轮机装置，其中涡轮叶片控制装置包括：
(a)与第一轴承组件相连的一第一液压缸；
(b)与第二轴承组件相连的一第二液压缸；
(c)连接第一液压缸与第二液压缸的一液压管路。
57.如权利要求56所限定的涡轮机装置，其中，所述涡轮叶片控制装置进一步包括被设置在第一液压缸与第二液压缸之间的一阀。
58.如权利要求49所限定的涡轮机装置，进一步包括：与涡轮叶片控制装置相连的一调节系统，用于调节涡轮叶片的打开与闭合。
59.如权利要求58所限定的涡轮机装置，其中，所述调节系统包括一手动操作阀。
60.如权利要求58所限定的涡轮机装置，其中，所述调节系统包括一遥控阀。
61.一种调节涡轮机组件的操作的方法，该涡轮机组件包括：
(a)具有一第一端和一第二端的一转矩臂；
(b)分别被设置在转矩臂的第一端和第二端处的第一和第二涡轮叶片；
(c)分别与第一和第二涡轮叶片以及转矩臂的第一和第二端相连的第一和第二轴承组件；
(d)与第一轴承组件和第二轴承组件相连的涡轮叶片控制装置，用于控制所述轴承组件的相对运动，从而，当第一涡轮叶片被打开时，使第二涡轮叶片闭合，所述方法包括，调节第一和第二涡轮叶片分别被打开和闭合的比率。
62.一种调节如权利要求61所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，通过控制液压缸中液压流体的流动来调节第一和第二涡轮叶片打开与闭合的比率。
63.一种调节如权利要求62所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，液压流体的流动被手动地控制。
64.一种调节如权利要求62所限定的涡轮机组件的操作的方法，其中，液压流体的流动被遥控。
65.如权利要求47所限定的涡轮机装置，其中，第一涡轮叶片被安排成闭合构造，因此，第一涡轮叶片在流体环境中呈现流线型轮廓。
66.如权利要求65所限定的涡轮机装置，其中，配合装置包括：
(a)一第一组件，其与转矩臂的第一端，第一涡轮叶片的第一半叶片和第一涡轮叶片的第二半叶片的各内表面相连；
(b)一第二组件，其与转矩臂的第二端，第二涡轮叶片的第一半叶片和第二涡轮叶片的第二半叶片的各内表面相连，从而在闭合涡轮叶片之后，所述各组件被封闭在由涡轮叶片的第一半叶片和第二半叶片所形成的空间内，以便减小涡轮叶片在流体中运动的阻力。
67.如权利要求66所限定的涡轮机装置，进一步包括：
(a)与第一组件和第二组件连接的涡轮叶片控制装置，用于控制所述组件的操作，从而当第一涡轮叶片被打开时，使第二涡轮叶片闭合。
68.如权利要求66所限定的涡轮机装置，其中每个组件分别包括：
(a)借助一轴承座被附着于转矩臂的一端部的一直线轴承；
(b)可沿着由直线轴承所确定的方向移动的一滑环；
(c)被连接在所述滑环和涡轮叶片的第一半部分之间的一控制杆；
(d)被连接在所述滑环和涡轮叶片的第二半部分之间的一控制杆。
69.如权利要求68所限定的涡轮机装置，其中涡轮叶片控制装置包括：
(a)与第一轴承组件相连接的一第一液压缸；
(b)与第二轴承组件相连接的一第二液压缸；
(c)连接第一液压缸与第二液压缸的一液压管路。
70.如权利要求69所限定的涡轮机装置，其中涡轮叶片控制装置进一步包括：被设置在第一液压缸和第二液压缸之间的一阀。
71.如权利要求66所限定的涡轮机装置，进一步包括，与涡轮叶片控制装置相连接的一调节系统，用于调节涡轮叶片的打开和闭合。
72.如权利要求71所限定的涡轮机装置，其中，所述调节系统包括一手动操作阀。
73.如权利要求71所限定的涡轮机装置，其中，所述调节系统包括一遥控操作阀。
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