TW200300479A - Straight blade type turbine - Google Patents

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TW200300479A TW091132725A TW91132725A TW200300479A TW 200300479 A TW200300479 A TW 200300479A TW 091132725 A TW091132725 A TW 091132725A TW 91132725 A TW91132725 A TW 91132725A TW 200300479 A TW200300479 A TW 200300479A
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200300479 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圓式簡單說明） 【發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於一種直葉片型渦輪機，其係具有複數 5 之直葉片而每一葉片係配置環繞著一垂直軸，並且藉由一 支柱葉片（strut blade)與垂直軸之一側連接。直葉片之橫截 面係為具有固性、一方向角、一厚度等，其係改良了渦輪 械之運轉效率’簡單的自動起動以及較小的噪音。 10 發明背景 近來，鑑於較少之能量消耗以及國際的環境保護已再 評估一風力發電系統以及一水力發電系統。 就一風力發電系統而言，主要係使用一種具有一水平 轴之螺疋槳的風力渦輪機。一螺旋槳風力渦輪機具有一較 15佳的自動起動性能並不需一特定的起動裝置，但具有與風 力方向相關的方向性。因此，風力渦輪機需要一裝置係面 向風力渦輪機頂著風。再者，螺旋槳之不利處在於其之複 雜的外形難以大量生產。 再者，已使用一些具有一垂直軸以及複數之垂直伸長 20的葉片的風力渦輪機。該等風力渦輪機之其中一著名者係 為一 Dardeus風力渦輪機，其係具有複數之伸長的葉片其 環繞著一垂直軸具有一弧形的剖面。 一垂直軸風力渦輪機不具對著風力方向之方向性，因 此其係適用於如同日本之風力隨著季節變化的區域。此外 200300479 玖、發明說明 ’垂直軸風力渦輪機具有-簡單的葉片剖面，ϋ易於大量 生產垂直軸風力渦輪機的運轉效率（輸出係數）與一水平 軸風力渴輪機的運轉效率相等。於此，效率係代表輸出（ 轉矩乘上轉數)對風能的比值。就在一水力發電系統中所 使用的垂直軸水力渦輪機而言，該效率係代表水力渦輪機 之輸出對水能的比值。 10 然而，傳統式垂直軸風力渦輪機之不利處在於1之自 動起動性㈣足，需要複數觀之設備諸如-起動馬達以 及一用於㈣該馬達的裝置。㈣，儘管垂直軸風力满輪 機具有剖面簡化的葉片’但需要該設備係增加了尺寸及成 本。再者’垂直軸風力渦輪機需具有改良的葉片剖面，用 以獲得較高之效率（輸出係數）。垂直轴風力涡輪機必需克 服所具有之較大的音響噪音4等問題係同時出現在水力 滿輪機。 H項^明内溶1 3 發明概要 鑑於上述之狀況，本發明之一目的在於提供一種一般 具有-垂直軸的渦輪機，其能達到較佳的運轉效率(輸出 係數）。較佳地，滿輪機具有一較佳的自動起動性能而不 20需一特別的起動裴置，並且在轉動時係為安靜的。 為達該目的，一直葉片型渦輪機係於本發明之申請專 利範圍第1項中加以說明，其具有至少一-一、， ^ v 一維的葉片係平 行並環繞著渦輪機之一中心軸而配置，其之特徵在於 該二維的葉片其之橫截面具有一弦長係相對於一線環 200300479 玖、發明說明 繞二維葉片之中心旋榦 遠桩由* 度的角度，該線係與另一 接中心軸與二維的葉片中心的假想線垂直； 介於橫戴面之-前端與中心間的一段 15至40〇/〇 ; 宁、為弦長的 5 二維的葉片 ’係介於〇. 5
Nc/R ’其係藉由-半徑R(係自轴延伸至 中心)、弦長c、以及二維的葉片數m十算而得 與2.2之間；以及 二維的葉片之—最大的厚度係介於弦長的獅 間。 /、 乂· 1〇、、於此形式中，當該二維葉片的旋轉角係小於5度時， β枚之運轉效率（輸出係數）係為零而不供涡輪機所用。 其間’ 3度至度的旋轉角能夠至少提供渦輪機之最大效 率（輸出係數）之-半的效率，使轉動之渴輪機獲得一較佳 之效率。當介於橫截面之一前端與中心間的一段距離係為 15弦長之15至40%時，能夠達到涡輪機之較佳的效帛，因此 直葉片之一頭部下降力矩維持了满輪機之自動起動的性能 ，儘管在該-段距離係為弦長之㈣之安裝位置處效率係 為最再者，NC/R(固性或葉片面積比）不小於0.5時提 么、了彼佳的自動起動的性能，同時固性超過2·2則降低了 率（輸出ί«τ'數）。因此，NC/I^〇.5至2·2維持了渴輪機之 “的效率以及足夠的自動起動的性能。再者，二維葉片 之取大的厚度，係介於弦長之2〇%與25%之間，利用維持 -維茶片之足夠的強度而改良了渦輪機之自動起動的性能 以及效率。因此，該渦輪機在其之自動起動的性能以及效 200300479 从、發明說明 率上係為較佳的。 在申請專利範圍第2項中所說明之一種直葉片型渴幹 機係依附申請專利範圍 八一 一 貝，、之特敛在於該渦輪機包 ;3—柱葉片其具有—對稱的橫截面將二維葉片與中心軸 > ==邊結合，該支柱“所具有之最大的厚度係介於支 柱茱片之弦長的15%與20%之間。 此形式提供支柱葉片之低的轉動阻力並保持二維 。夠的強度，進一步地改良了渦輪機之自動起動的性能 ίο 15 機係利範圍Γ3項中所說明之一種直葉片型渦輪 ^ ν 一維某片，其係配置平行並環繞著渦輪機 二心轴，其之特徵在於該二維葉片的橫截面係為一流 1 ®，其之厚度大體上係為二維葉片之最大厚度的一 〇 當於風力渦輪機中使用此形式時，降低了在該二维葉 片之後側所產生之空氣渦流，減小或降低該二維苹片之Γ 響噪音。同樣地’當於水力渦輪機t使用此形式時，㈣ _了在紅維葉片之後侧所產生之水渦流，減小或降低因該 一維葉片所造成之噪音。 在申請專利範圍第4項中所說明之一種直葉片型渦輪 %,附申睛專利範圍第3項’其之特徵在於流線的凸面 /、之厚度係"於支柱葉片之弦長的12與17%之間。此形 降低了因二維葉片轉動所產生之空氣或水噪音。 在申請專利範圍第5項中所說明之一種滿輪機係依附 20 200300479 玖、發明說明 申請專利範圍第1或2項，其之特徵在於該二維葉片具有如 申请專利範圍第3或4項中所說明之流線的凸面。 此形式包括3度至-2度的旋轉角，弦長之15至40%的橫 截面之中心的位置，所決定之nc/r係介於〇5與22之間， 5二維葉片之厚度係介於弦長之20與25%之間，以及具有流 線凸面的橫截面。如此達成渦輪機具有較佳的自動起動性 能與效率（輸出係數）並降低其之空氣或水噪音。 圖式簡單說明 第1圖係為本發明之一種直葉片型渦輪機的一具體實 10 施例的透視圖； 第2圖係為沿著第1圖之線α·α所取之一斷面圖，用於 顯示一直葉片的剖面； 第3圖係為沿著第1圖之線Β_Β所取之一斷面圖，用於 顯不一支柱葉片的剖面； 15 第牦、仆及乜圖係為解釋圖式顯示直葉片，在第乜圖 中葉片角為零度，在第4b圖中角度增加，在第4c圖中角度 增加； & 第5圖係為一圖表顯示渦輪機之葉片角與效率（輪出係 數）間的關係； 2〇 第6圖係為一圖表顯示渦輪機之葉片中心與效率門的 關係； 、 w 口 弟圖係為一圖表顯示渦輪機之固性（NC/R)與效率間 的關仏，所包括之每一曲線係相關於每一葉片角； 第8圖係為一圖表顯示一種具有另一直葉片之渦輪機 200300479 玖、發明說明 的固性與效率間的關係； 第9圖係為一圖表顯示渦輪機之葉尖速度比與效率間 之關係所包括之每一曲線係相關於每一固性； 第1 〇圖係為一圖表顯示基於第9圖之渦輪機的固性與 5放率間的關係，所包括之每一曲線係相關於每一葉尖速度 比；以及 第11 a、11 b及11 c圖係相繼地為位在直葉片之一端部 處一流線凸面的俯視圖、正視圖以及側視圖。 t ]| 10較佳實施例之詳細說明 參考伴隨之圖式，之後將詳述本發明之具體實施例。 第1圖係顯示一種具有一垂直軸的直葉片型渦輪機， 其係為本發明之-具體實施例。直葉片型渴輪機具有一垂 直軸2、複數（本具體實施例係為三）之主要的直葉片3、以 及複數之水平的支柱葉片4，該每一支柱葉片係將每一直 茱片結合至轴2。 如第2圖中所示，該圖係沿著第1圖之線a_a所取之斷 面圖(省略了剖面線)’該直葉月3係為一非對稱的二維葉片 直葉片3八有平均線9其係自一前邊緣7向下地（在第2 2〇圖中係為向下地以及在第！圖中係向内地朝向轴）彎曲，並 在中心10處與-葉片弦線！】相交，於該處二維葉片的厚度 最大。平均線9自中心10至葉片的後邊緣8係向上彎曲。支 柱葉月4係自第2圖中直葉片3向下地配置。此二維葉片的 剖面使渦輪機達到較高之效率（輸出係數），在感應到風力（ 10 200300479 玫、發明說明 水力）方向不需改變二维辇 夂、♦茶片的角度。於日本專利公開案 弟751號令專利”人提 如第3圖中所示’該圖係沿著第1圓之線B-B所取之斷 面圖，支柱葉片4具有一斟魈沾&二 有對無的剖面，以及-中心線係與 -千均線15自葉片的一前邊緣12至一後邊緣η對正。對稱 的支柱某片4降低在前邊緣12處由空氣流或風力流所造成 之阻力’同日讀稱之支柱葉片4增加了在後邊緣η處由空 氣流或風力流所造成之阻力，提供-轉動力供洞輪機所用 〇 ίο 15 當支柱葉片4採用一具有如同第2圖中所示之剖面的一 非對稱葉片時’一上（第1圖）葉片具有與第2圖相同之剖面 /時一下（第1圖）葉片其之剖面係將第2圖之剖面颠倒而 付0 :此，上一維某片產生-升力係藉由下二維葉片所產 生之-向下力而抵消’使渦輪機平順地轉動。再者減】 =轴2之-轴承(未顯示)上的推進力用以改良轴承之使 彳=直某片3及支检某片4係以諸如玻璃纖維及碳 之重量輕且高強度的材料一體成型地製成。滿卿 能夠使用作為一風姆機或是—水力渴輪機。苹 =剛性能夠抵抗強烈的水流。該一體成型之主體心具 ^接凹°，其確實地防止水侵^輪機之内部。再者 里Φϋ之葉片改良了滿輪機之自勒 數）。 自動起動性能與效率（輸出係 20 200300479 玖、發明說明 呈：佳地，轴2係為一中空的轉子軸⑺係以金屬製成並 ； 端部，例如，與發電機之一轉子軸（未顯示）結合。 ::中空的轉子軸降低了軸2之重量，改良渦輪機之起動性 月匕。该直葉片3係可為對稱的葉片（斷面對稱 ,π , ν禾月），该處 虫或水力方向係為不變的，因此葉片角不受變化。一環 =板(未顯示)可配裝至葉片3之每一頂部與底部部分，並： 每一板之中心可受支撐而可將軸2去除。 渦輪機1之效率（輸出係數）係隨著直葉片3相對於支柱 葉片4之葉片角、直葉片3相對於軸2之中心的結合位置、 1〇 2輪機1之固性等而變化。同時，該自動起動的性能係隨 著渦輪機1之固性、直葉片3與支柱葉片4之厚度等而變化 〇 如第4a圖中所示，一假想線22係自軸2之中心徑向地 延伸，該線係與直葉片3之一假想線22垂直並在點21處與 15假想線22交叉。自直葉片3之前邊緣7至相交點21的一段距 離X，相對於一弦長c的比例（％)係表示葉片之中心位置。 如第4a、4b及4c圖中所示，介於一線18與一葉片弦線丨丨之 間的葉片角係以一角度a(度）表示，該處線丨8係與徑向的假 想線垂直，以及葉片弦線係相對於線18向内或是向外地傾 20斜。第4b圖係顯示一 h的葉片角，同時第4c圖係顯示·3的 葉片角，而第4a圖係顯示葉片角為零度。 藉由NC/R定義固性，其係藉由一自軸中心2〇延伸至 相交點21的一半徑汉（公尺）、弦長c(公尺）以及二維葉片之 數目N計算而得。葉片厚度值係以葉片之最大厚度值對弦 12 200300479 玖、發明說明 5 10 長的—比例W表示。效率（輸出係數）係為功（轉矩乘上滿 “機之轉速）對風力或水力之能量（定義糾之一比例。 一 a 1月之目的在於提供一種具有一垂直軸的渦輪機 ^ r東最优的或疋有效的使用範圍而能達到較佳的自 動起動性能與較佳的運轉效率（輸出係數），該使用範圍係 與堵如葉片角、葉片令心、固性以及葉片厚度的函數有關 。之後’將說明以一有關於該等因素之分析研究的結果。 /百先’在第5圖中之圖表係顯示關於葉片角及效率(輸 出係數）的-研究結果。於第5圖中，垂直座標係表示效率 以及水平座標係表示葉片角(度），同時固性(職)係在 0·18與4.0之間相繼地加以選定，係為五固性 2.0、3.0及4·0)。
自第5圖中可瞭解，渴輪機之效率係隨著葉片角大大 地變化。介於+4度與_4度之間或是至多介於+5度與度之 b間的葉片角係為實用的，同時固性係位在從〇18至4〇之一 極大的範圍内。超過+4度或是小於_4度的葉片角，或是至 多超過+5度或小於_5度的葉片角係不實用的，因為渴輪機 之最大效率幾乎為零。為於第5圖中為獲得一較佳之效率( 例如，超過0」），可選擇葉片角介於+2度與_2度之間，或 2〇是至多介於+3度與-3度之間。介於+2度與·2度之間的一葉 片角使效率（輸出係數）超過最大值（於第5圖中係為Ο ]。的 一半。最佳之葉片角係介於+ 1度與」度之間。 於第5圖中，當固性係為〇18時在+1度的葉片角下獲 得最大的效率。當固性係介於^⑽與斗^之間時，在〇度= 13 200300479 玖、發明說明 +1度之間的葉片角下獲得最大的效率。一般地，+1度之葉 片角車乂-1度之葉片角、+2度之葉片角較_2度之葉片角或是 +3度之葉片角較_3度之葉片角能夠獲得較高之效率。亦即 正體而3 一正的葉片角係較一負的葉片角能夠提供較高 5之效率此赵勢係顯現在風力渦輪機以及水力渦輪機上。 再者，參考第6圖，將說明關於葉片中心與效率（輸出 · 係數）的研究結果。於第6圖中，垂直座標係表示效率以及 水平座標係表示葉片中心（％)，同時固性（nc/r)係以一單 -數值〇·18表示。例如，潤輪機之半徑係為⑶公尺以及 · 10 弦長係為0.3公尺。 於第6圖中，在25%的葉片中心下獲得一最大的效率 (0.235)。介於0.118與〇.〇79之間一相對穩定的效率（輸出係 數）係在葉片中心配置在0〇/〇與5〇%之間時獲得。 當葉片中心係為0%時，自軸徑向地延伸的一線（亦即 15，沿著支柱葉片）係與在第4a圖中直葉片的-前端部對正 。當葉片中心係為50%時，自軸徑向地延伸的一線在弦長 之中間部分與葉片弦線相交。於第6圖中，一最佳的葉片 · 中心係為25%，同時自軸徑向地延伸的一線係在於第乜目 . 中距直茱片之前端部之弦長的四分之—處與弦長相交。 2〇 —較佳的葉片中心係配置在於第6圖中〇%至5()%之— ^ j㈣㈣圍内H直葉片之一頭部落下力矩（由直 茱片之前端部朝向軸所施加之一力量）環繞著〇%之葉片中 心無法有效地作功。因此，超過15%的_葉片中心係為實 用的用以保持-較佳的自動起動性能。為獲得超過的 14 200300479 玖、發明說明 效率所决疋之葉片中心並非位在50%内但位在4〇〇/0内。 此所遥疋的一令人滿意之葉片中心係介於與仆％之間 。第6圖之趨勢係顯現在風力渴輪機以及水力滿輪機上。 弟7圖係為一圖表顯示固性與效率間的關係，係由第5 圖力、U文方；第7圖中，垂直座標係表示效率（輸出係數） 以及水平座標係表示固性（NC/R)，同時該葉片角係為〇度 、+1度、+2度、+3度、]度、-2度、以及_3度。 如第7圖中所不，較大的固性提供一較小的效率，係 為所熟知的情況。在葉片角為零度下的效率幾乎與在+1度 1〇之葉片角下的效率相同。在葉片角為+2度下的效率大約與 在一1度之葉片角下的效率相同。在葉片角為+3度下的效率 大約與在度之葉片角下的效率相同。在葉片角為-3度下 效率大大地下降變成低於〇1。由第7圖，應注意的是一葉 片角係較佳地選定介於+3度與_2度之間，同時固性係選定 15 介於0.18與4.0之間。 20
事實上，固性不可選定為3或4。例如，一具有直葉》 3之固性的渴輪機包括G.3公尺之直徑以及弦長狀3公尺白 三葉片。此形式幾乎是不實用的。大的固性降低了進入^ 輪機（於直m内空間中）之風力流或是水流用以降作 其之流速，減小了渦輪機之轉速與轉矩。因此，約為^ 固性係為-實用的上限，因為第7圖之每_曲線於該處變 得具有-和缓的坡度。在考量包括_3度之#片角，更為實 用的固性上限係為1或1 + α (α係較佳地約為〇 2)。 較大之固性提供一較佳的自動起動性能(一所熟知的 15 200300479 玖、發明說明 情況）。鑑於自動起動性能，固性應具有一較〇·丨8為大的 限。下限應選定介於0.18與1之間，較佳地約為〇 / 將說明固性之分析。第7圖之趨勢係顯現在風力洞輪機以 及水力渦輪機上。 與第5至7圖相對應之原始資料的一部分係顯示在表1 中作為參考資料。 表1 葉片中心 (%) 葉片角 (度） 效率 在lift值下的 (供參考）p 0 3.43 0.118 2.6 10 2.06 0.203 t 20 0.69 0.233 个 25 0 0.235 个 30 -0.69 0.227 个 40 -2.06 0.171 t 50 -3.43 0.079 个 *人表1中所。兒明之葉大速度比係為在其之前端部處直 W葉片的轉速’對風力流或水流速度的比值。2·6之葉尖速 度比思明直葉片移動係為風力流或水流速度的2·6倍。之 後將說明渦輪機之效率係隨著葉尖速度比大大地變化。 第8圖係為一圖表顯示固性與與效率（輸出係數）間的關 係，同時固性係自-小於〇.m5的極小值擴大。於該狀 15 ^下，直葉片具有一比較薄之對稱的葉片（NACA0012)， 葉片厚度為12 %。 由第8圖中瞭~ ’ 〇·丨之固性係與高於⑴1的效率相對應 16 200300479 玫、發明說明 。效率曲線急劇地上升具有一約為0·35的固性之尖峰值。 口 f生由0.3 5、交化至〇·65則效率迅速地降低，而固性由〇 65 、交化至2.2則效率和緩地降低。在固性約為2·2處效率幾乎 為口疋不又，而固性由2·4開始增加則效率進一步地降低 5 〇 " 由第8圖之分析，應瞭解的是決定固性在〇·ι與0 65之 間ir、可使滿輪機獲得較佳的效率。同時，決定固性在㈣
與2.2之間，儘管效率變得較低但可使渦輪機獲得較佳的 起動性能。 1〇 最大效率CiW係隨著雷諾數Re(Reyn〇lds number)以 及葉片剖面（斷面剖面）而變化。CPmax係在〇·2與0.48間變化 。與第8圖相關之雷諾數係為133xl()5。效率同時係隨著直 葉片之葉尖速度比而變化。第8圖之趨勢係顯現在風力渦 輪機以及水力渦輪機上。 15 第9圖係為一圖表顯示當從0.36、0.6、1.2、1.4、1 6
、1.8以及2.2相繼地選定固性時葉尖速度比與效率（輸出係 數）間的關係。由第9圖充分地了解，當葉尖速度比增加時 士亦即’當直某片之轉速對風力流或水流速度之比值增加 時則效率增加。較小的葉尖速度比石係與較大的固性相配 20合’同時較大的葉尖速度比係與較小的固性相配合。第9 圖之趨勢係顯現在風力渴輪機以及水力渦輪機上。 弟10圖係為一圖表顯示固性與效率間的關係，其係由 第9圖加以修改而成。於第1〇圖中，垂直座標係表示效率 以及水平座標係表示固性，圖内曲線分別為四葉尖速度比 17 200300479 玖、發明說明 :1.9、2.0、2.5 以及 3.0。 由第10圖完全地暸解，在較小的固性範圍内較大的葉 尖速度比6(2.5或3.0)提供最大的效率，同時在較大的固 性範圍内較小的葉尖速度比点（1·9或2〇)提供最大的效率 〇 因此，渦輪機之較快速的轉動其之固性係需較小，同 時渦輪機之較慢的轉動其之固性係需較大。由第1〇圖之分 析，應瞭解的是所決定之固性係超過〇·6，較佳地介於 與1.2之間，或是介於〇.6與2.2之間用以獲得較佳的起動性 能。較大的固性以及較小的葉尖速度比對於渦輪機之安全 性，諸如動力強度以及疲勞強度，而言係為有利的。第1〇 圖之趨勢係顯現在風力渦輪機以及水力渦輪機上。 直葉片型渦輪機之性能係由之後加以說明之特性方程 式表示。 減速比 π1/2{1-/·(ι·(：Γχ)} VR=(l-a)/·(1-2/3 8ίηφ + ^ 2) 阻力係數 C丨ττ ) } ττ Vr2{(Clc〇s 0 +cDsin 0 ) 0 〇〇8φ+(〇〇〇〇80 .CLsin0 )8ΐηΦ }άφ 2 CTB-(nls/4 π)^π VR2(CLsin φ -CDcos ψ -CMlB)d〇 ο
效率 CP=/5 xCTB 其中1b ··弦長CB/半徑R
Vr :風速或是水速（相對於葉片） 200300479 玖、發明說明 φ :渦輪機之旋轉角度 0 :流之攻角 cL :升力係數 CD :阻力係數 5 CM :力矩係數
表2顯示，供參考，由實驗與計算所得之分析結果， 一般係顯示渦輪機之固性、自動起動性能以及效率間的關 係0
表2 NC/R 起動性能 效率 Cp 在效率尖峰值下的 葉尖速度比/3 0.1 不能接受的 小 大 0.2 不能接受的 中 大 0.3 不能接受的 大 3.9 0.4 不能接受的 大 3.4 0.5 能接受的 中 3.0 0.6 . 能接受的 中 2.9 0.7 能接受的 中 2.6 0.8 能接受的 小 2.5 1.0 佳 小 2.3 1.2 佳 小 2.1 1.4 佳 小 2.0 1.6 佳 小 小 1.8 佳 小 小 2.0 佳 小 小 2.2 佳 小 小 2.4 佳 小 小 19 10 200300479 玖、發明說明 於表2中，第-攔位顯示固性；第二搁位顯示起動性 能；第三欄位顯示效率；以及第四搁位顯示在效率尖峰值 下的葉尖速度比。 由表2之分析，較佳地所選定之固性係介於〇·5與os之 5間，用以獲得適當的起動性能與能滿足需要的效率提供一 可接受的產生電力之性能。 鑑於低葉尖速度比使渦輪機能夠具有足夠的強度，固 性之最適當值係約為0.7，其中起動性能係為中等以及效 率係為中等，同時葉尖速度比係為-較低值。由於如第7 10及8圖中所不效率降低些許，即使固性係可選定介於ο』與 2.2之間。表2之趨勢係顯現在風力渦輪機以及水力渦輪機 上。 起動性能與效率係受直葉片之厚度Τ(見第4a圖）以及 支柱茱片之厚度的影響，以及固性係為一葉片面積比藉由 °輪钱之半徑r、直葉片之數目N以及弦長c所決定。之後 將。兄明直葉片與支柱葉片之厚度的分析。 表3係利用渦輪機之自動起動性能、效率以及強度顯 直葉片（主葉片）之厚度關係的分析，該分析係藉由其之 實驗與計算而得。 20 20 200300479 玖、發明說明 表3 葉片厚度 (%) 起動性能 效率 強度 5 不能接受的 不能接受的 不能接受的 10 不能接受的 不能接受的 不能接受的 15 能接受的 能接受的 能接受的 20 佳 佳 佳 25 佳 佳 佳 30 能接受的 能接受的 佳 35 不能接受的 不能接受的 佳 40 不能接受的 不能接受的 佳 於表3中，葉片厚度係以最大的葉片厚度對弦長c的比 值（％)表示。由表3中充分地瞭解，最適當之葉片厚度係選 5定介於2〇%與25%之間，於該範圍内渦輪機之起動性能、 效率以及強度係為能接受的。實用的葉片厚度係選定介於 15%與30%之間。儘管該任—厚度在起動性能上係為能接 受的，但是30%之葉片厚度在起動性能上係優於15%之葉 片厚度。 · 10 選定介於35%與40%之間的較大葉片厚度增加直葉片 的剛性’㈣時亦增加了直葉片的重量。重量增加對於在 渴輪機轉動期間維制輪機之機械強度係為不利的。· 片厚度係為30%時直葉片之強度係能夠接受的，而當葉片 厚度係介於35%與40%之間時直葉片之強度係不能接受的 15 。因此，直葉片必需以纖維材料製成，該材料重量較輕且 〃車乂兩強度。者如玻璃纖維以及一碳纖維。纖維材料的厚 度可約為2公釐。 21 200300479 玖、發明說明 於渦輪機轉動期間，直葉片接受一環繞著一軸的偏搖 力矩（yawing moment)其係定向在一阻力方向上（方向χ)， 環繞著一軸的一俯仰力矩（pitching m〇ment)其係定向在一 橫向方向上（方向Y)，以及環繞著一軸的一轉矩（turning 5 moment)其係定向在一升力方向上（方向z)。因此，針對該 等力矩直葉片必需具有足夠的強度。表3之趨勢係顯現在 風力渴輪機以及水力涡輪機上。
表4係利用渦輪機之自動起動性能、轉動的阻力（效率 降低因素）以及強度顯示支柱葉片（對稱的葉片）之厚度關係 10的分析，該分析係藉由其之實驗與計算而得。 表4
葉片厚度 (%) 起動性能 5 不能接受的 10 不能接受的 15 能接受的 20 能接受的 25 佳 30 佳 35 佳 40 佳 45 佳 轉動阻力 強度 小 不能接受的 小 不能接受的 中 能接受的 中 能接受的 大 佳 大 佳 大 佳 大 佳 大 佳 、之支柱葉片其之葉片係相對於如第3圖中所示之一 水平線而為對稱的。轉動 乃阻力係為一流體阻力定向在 或是水力的方向上。去知笹 支柱茱片之較小的厚度能夠獲得 的效率，但降低了支柱荦 回 才業片在自動起動的性能。支柱葉片 22 15 200300479 玖、發明說明 10 15 同時接受該三力矩以及直葉片。 由表4’超過15%的葉片厚度能夠施用在支柱葉片， 用以獲得渦輪機之適當的起動性能。鑑於起動性能，所選 定的葉片厚度介於15%與20%之間係具有中等的轉動阻力 但是係為最佳的狀況。由於選定的葉片厚度介於15%與 20%之間係達到中等的強度，所以直葉片能夠，例如，藉 由一對支柱葉片加以支撐用以獲得一可靠的強度。 為獲得較佳的起動性能，儘管轉動阻力係為大的並且 效率變得較小，但40%之葉片厚度比係為實用的。當葉片 厚度係位在一較大的範圍内時，支柱葉片的強度高於直葉 片的強度。因為，葉片之剖面彼此不同，並且支柱葉片具 有適於重力的-形式。5%至1〇%的葉片厚度對於起動性能 與強度而言係為不利的，但是提供了 一較小的轉動阻力。 假若增加支柱葉片的數目用以達到渦輪機之適當的強度， 則能夠使用葉片厚度為5%錢％的練葉片。表4之趨勢 係顯現在風力渦輪機以及水力渦輪機上。
20 總結以上的討論，由第5至10圖以及表1與2瞭解， 性（NC/R)係較佳地決定^小敎5用於達_輪機之之 動起動的性能。固性介於〇.65與12之間係為最佳的。實 上使用的陳係藉於0.5與2.2之間。然而，假若起動性 係藉由—起動裝置加以補償，則能夠使用介於(U與0.5 間的固性用以維持渦輪機之一可接受的效率。
由第5圖瞭解，直葉片之葉片 或是介於+2度與-2度之間係為最佳 角介於+1度與-1度之間 的。於實務上所使用的 23 200300479 玫、發明說明 綱係介於+5度與度之間。超過+5度或是小於_5度的 葉片角係為不實用的。第5圖包括固性之變化的圖式，以 及月匕夠把用在第5圖中所說明之每一固性上的最佳或是實 用的葉片角範圍。 5 *第6圖，直葉片之葉片中心最佳地係坐落在距前端 25%的位置處。鑑於自動起動的性能（頭部落下力矩），一 實用的葉片中心係選定介於15%與4〇%之間。葉片中心之 最佳的或是實用的範圍能夠施用在上述每一固性上。 由表3 ,鑑於渦輪機之起動的性能、效率以及強度， 1〇所選定之最適當的直葉片厚度係介於20%與25%之間。所 遥定之較佳的厚度係介於2〇%與3〇%之間。由表4，鑑於起 動的性能、阻力以及強度，所選定之介於15%與2〇%之間 的支柱葉片厚度係為最適當的。 可個別地決定葉片角、葉片中心、固性以及葉片厚度 15 之每一因素。可互相一致地決定該等因素。 例如，以下係為該五因素的十種結合方式： 介於+5度與-5度之間或是介於+2度與-2度之間的一葉 片角，係與25%或是介於15%與4〇%之間的葉片中心結合； w於+5度與-5度之間或是介於+2度與-2度之間的一葉 片角’‘與介於0 · 5與2 · 2之間或是介於〇. 6 5與1.2之間的固 性結合； 介於+5度與-5度之間或是介於+2度與-2度之間的一葉 片角，係與介於20%與30%之間的直葉片厚度結合；以及 介於+5度與-5度之間或是介於+2度與-2度之間的一葉 24 200300479 玖、發明說明 片角，係與介於15%與20%之間的直葉片厚度結合。 葉片角、葉片中心以及固性之三因素能夠為另一結合 方式’以及葉片角、葉片中心、固性、直葉片厚度以及支 柱葉片之四或五因素的另一進一步的結合方式。 特別地，鑑於渦輪機之效率以及自動起動的性能，以 下係為較佳的結合方式。該等結合方式係為： 介於+2度與_2度之間的一葉片肖係與介於〇65與口之 間的固性結合；
25%的一葉片中心係與介於〇.65與12之間的固性結合； 介於0.65與1·2之間的一固性係與介於2〇%與3〇%之間 的直葉片厚度結合；以及 介於0.65與1.2之間的一固性係與介於2〇%與3〇%之間 的直葉片厚度以及介於15%與20%之間的支柱葉片厚度結 合0 15 可使用一環形薄板取代支柱葉片4。上與下支柱葉片
係可由一具有足夠強度的單一中央支柱葉片所取代。直葉 片型渴輪機1之軸2係可由一對上與下短的圓柱輪轂（未顯 示）所取代。直葉片型渦輪機係可安裝在一高的建築物的 鬲侧壁上’渦輪機之一軸係為水平的。當該渦輪機係使用 20作為一水力渦輪機時，每一直葉片3係沒入水中而水滿輪 機之一軸係為垂直的，致使水渦輪機之一自由端係定向成 向前。直葉片3之沒入的長度係可根據電力產量或是水之 流速而改變。直葉片型滿輪機1不僅使用於產生電力，同 時用以作為一熱量轉換器與一能量轉換器用以提升水流。 25 200300479 玖、發明說明 本發明同時應用在-種製造直葉片型渴輪機的方法。 第lla、lib及He圖係顯示直葉片（主葉片）3其具有一 流線凸面41，用以降低直葉片型渴輪機1之轉動的噪音。 凸面41係疋義在直葉片之每一上及下邊緣(圖式中僅圖示 上邊緣）具有-直葉片的縱軸係為垂直的。凸面41的高度h 係約為直葉片之最大斷面厚度的一半。 弟11a圖係為直葉片3的一俯視圖（係為第]圖之減小比 例的圖式）；第m圖係為一前視圖(於轉動方向），以及第 ^圖係為-側視圖。於第lle圖中所示，凸面41的剖面係 10 15 20 為上或下半部藉由沿著葉片弦線π切割第2圖之葉片剖 面而知由第11 b圖之刚方觀視，凸面41具有—圓頭部42 相對於-垂直的中心線對稱。於第m圖中，圓頭部仏係 與直葉片3之每一側表面43平順地連接。凸面41之剖面並 不限定在直葉片3的形狀。 士第11a及lib圖中所圖示，凸面41之圓頭部在第 iib圖中所示介於凸面41之前端部料與中間部分之間係為 一平順的曲線。圓頭部42如第Ua圖中所示，在凸面41之 中間部分與一後端部45之間其之厚度係逐漸地減小。凸面 41之前端部44與後端部45係平順地連接至直葉片之前邊緣 7或是一後邊緣8。較佳地，凸面41係使用織物材料與直葉 片3—體成型。 凸面41之咼度H與弦長之比例較佳地介於12%與1 7%之 間’係為施用在直葉片3之介於24%與34%間之比例的一半 。因為，直葉片的斷面一般係相關於一中心線而對稱。此 26 200300479 玖、發明說明 李父佳的範圍係基於一實驗的資料。 凸面41之高度比係選定介於12%與17%之間，用以消 除環繞著供風力渴輪機所用之直葉片的上及下端部所產生 之音響噪音。因為，凸面41能夠避免在直葉片之上或下端 5郤的後側中產生渴流。&面41之高度比係選定介於m與 17 /〇之間，用以消除環繞著供水力渦輪機所用之直葉片的 上及下端部所產生之音響噪音。 在直茱片3之每一上與下端部處配置一側板（未顯示）， 取代葉片狀凸面4 1。較佳地，環狀側板係與複數之直葉片 相、、、σ a取代支柱葉片4。側板係可設計為適當的形狀。 茱片狀凸面41與側板係可單獨地設計，或是結合第5 圖之葉片角、第6圖之葉片中心、第7至1()圖與表2之固性 、表3之直葉片厚度以及表4之支柱葉片厚度間的任一因素 而決定。 15 【圓式簡單說明】 第1圖係為本發明之一種直葉片型渦輪機的一具體實 施例的透視圖； 第2圖係為沿著第i圖之線a_a所取之一斷面圖，用於 顯示一直葉片的剖面； 第3圖‘為沿著第1圖之線B-B所取之一斷面圖，用於 顯示一支柱葉片的剖面； 弟4a 4b及4c圖係為解釋圖式顯示直葉片，在第^圖 中葉片角為令度，在第4b圖中角度增加，在第4(：圖中角度 增力口 ； 27 200300479 玖、發明說明 第5圖係氣 係 數)間的關係:、顯示渦輪機之葉片角與效率(輸出 第6圖係為 關係； 圖表顯示滿輪機之葉片中心與效率 間的 弟7圖传么 ’、马一圖表顯示渦輪機之固性（NC/R)ik 的關係，所““ 一 +Γθ1 G栝之母一曲線係相關於每一葉片角； ^回系為圖表顯不一種具有另一直葉片之渦輪機 、固性與效率間的關係； 10
第9圖係為一圖表顯示渦輪機之葉尖速度比與效率間 關係所包括之每一曲線係相關於每一固性； 第1 〇圖係為一圖表顯示基於第9圖之渦輪機的固性與 ;勺關係，所包括之每一曲線係相關於每一葉尖速度 比；以及 第1 la、lib及lie圖係相繼地為位在直葉片之一端部 15處一流線凸面的俯視圖、正視圖以及側視圖。
【圖式之主要元件代表符號表】 1 ·，.直葉片型滿輪機 13...後邊緣 2···垂直軸 18 · · ·線 3 ·..直葉片 21··.點 4 · · ·支柱葉片 22...假想線 7·..前邊緣 41…流線凸面 8·..後邊緣 42...圓頭部 9··.平均線 43…側表面 10...中心 44...前端部 11...葉片弦線 45...後端部 12...前邊緣 28

Claims (1)

  1. 200300479 拾、申 5円· 10 15 20 1. 一種直葉片型渦輪機，其具有至少一二維的葉片係平 行並環繞著渴輪機之一中心軸而配置，其之特徵在於 該二維的葉片其之橫截面具有一弦長係相對於一 線環繞二維葉片之中心旋轉3度至_2度的角度，該線係 與另一連接中心軸與二維的葉片中心的假想線垂直； 介於橫截面之-前端與中心間的一段距離係為弦 長的15%至40% ; NC/R，其係藉由一半徑&(係自軸延伸至二維葉片 的中心）、弦長c、以及二維的葉片數价十算而得，係介 於〇·5與2.2之間；以及 二維的葉片之一最大的厚度係介於弦長的2〇%盥 25%之間。 ” 2.:申請專鄕圍第w輪機，其之特徵在於㈣輪 機包3 -支柱葉片其具有一對稱的橫截面將二維葉片 與中心轴之-側邊結合，該支柱葉片所具有之最大的 厚度係介於支柱葉片之弦長的15%與20%之間。 3 · 種直葉片型涡輪機，且古5小 y一、， 戍具具有至少一二維的葉片係平 行並核繞著渦輪機之一 一 甲軸而配置，其之特徵在於 '二維葉片在葉片之'縱向端部處配置一流線的凸面 ’该流線的凸面其之厚 疋与度大體上係為二維葉片之最大 与度的一半。 4·如申請專利範圍第3頊，、j3^人， ^ ^ 、渦輪機，其之特徵在於流線的凸 面其之厚度係介於支柱葦U p p 文往葉片之弦長的12%與ι7%之間。 • 2請專利範圍第1或2項之渦輪機，其之特徵在於該二維 、 月專利軌圍第3或4項中所說明的流線凸面。
    29 25
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