TW201907084A - 具偏擺式葉片的渦輪 - Google Patents

Abstract

一種具偏擺式葉片的渦輪，可承受雙向流體推動，並維持單一方向旋轉，用以解決習知單一方向旋轉之渦輪的低轉換效率問題。係包含：數個葉片，各該葉片具有一樞轉軸，該樞轉軸二側具有一第一葉面及一第二葉面；二轉動輪，該二轉動輪具有一轂部、一外環體、一第一旋轉面及一第二旋轉面，該數個葉片等間距環設於該二轉動輪之該第一旋轉面及該第二旋轉面，各該葉片之該樞轉軸輻向固定於該二轉動輪之該轂部與該外環體間，各該葉片之第一葉面及第二葉面可繞該樞轉軸擺盪；一中心軸，該中心軸穿伸並固定於該二轉動輪之各該轂部之中心；及二導流輪，該中心軸可轉動地連接該二導流輪。

Description

具偏擺式葉片的渦輪

本發明係關於一種具偏擺式葉片的渦輪，尤其是一種承受雙向流體可維持單一方向旋轉的具偏擺式葉片的渦輪。

用於流體來回震盪的能量轉換，例如：波浪產生的水位高低差在空氣壓縮室內形成震盪空氣流，渦輪機必須是承受正逆雙流向流體皆以同一方向連續旋轉。

請參照第1圖，其係威爾斯渦輪(Wells turbine)，一種習知的無關於流體方向在單一方向旋轉之渦輪9，該渦輪9具有數個扇葉91及一旋轉軸92，各該葉片91的截面係對稱翼型，且弦線垂直該旋轉軸92，當流體通過及各該葉片91旋轉，可產生一垂直該葉片91表面的上升力，該上升力具有一分量作用於該葉片91的旋轉方向，另一分量則平行該旋轉軸92，當流體反向通過，同樣具有一分量作用於該葉片91的旋轉方向，使該渦輪9承受正逆雙流向流體皆以同一方向連續旋轉。

上述習知的渦輪9，由於流體對該葉片91之作用力，大部份轉換為平行該旋轉軸92之分量，導致低轉換效率，且啟動該渦輪9的旋轉需要一初始速度，或瞬間強力流體通過，因此需設置外加動力裝置，而增加設備體積及製造成本。

有鑑於此，習知的單一方向旋轉渦輪確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明提供一種具偏擺式葉片的渦輪，適用於正逆雙流向流體，且以同一方向連續旋轉，並具有高轉換效率。

本發明以下所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「上(頂)」、「下(底)」、「左」、「右」、「內側」、「外側」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明的具偏擺式葉片的渦輪，包含：數個葉片，各該葉片具有一樞轉軸，該樞轉軸二側具有一第一葉面及一第二葉面，該第一葉面大於該第二葉面；二轉動輪，各該轉動輪具有一轂部及一外環體，該二轂部與該二外環體之間具有一第一旋轉面及一第二旋轉面；二導流輪，各該導流輪具有一外轂部及一導流環；及一中心軸，該中心軸穿伸並固定該二轉動輪於該二轂部之中心，該中心軸可轉動地連接該二導流輪，該數個葉片等間距環設於該二轉動輪之該第一旋轉面及該第二旋轉面，各該葉片之該樞轉軸輻向固定於該二轉動輪之該轂部與該外環體間，各該葉片之第一葉面與另一葉片之第二葉面相鄰。

據此，本發明的具偏擺式葉片的渦輪，可以適用於正逆雙流向流體，且以同一方向連續旋轉，並具有高轉換效率，可應用於雙向動力源轉換為電能，又，偏擺式葉片對於流速變化之流體，可保持穩定轉速以提供穩定之電能輸出。

其中，各該葉片間隔設置於該第一旋轉面及該第二旋轉面。如此，使該第一旋轉面及該第二旋轉面的葉面覆蓋率互補，係具有增加受流體作用面積，進而獲得更大的扭力的功效。

其中，該第一旋轉面及該第二旋轉面垂直於該中心軸。如此，各該葉片可均勻承受流體之作用力，係具有提升轉換效率及穩定結構 的功效。

其中，各該轉動輪具有數個肋條，該數個肋條等間距輻向排列，且連接該轂部及該外環體。如此，可加強該轉動輪之結構，以分散各該葉片結合應力，係具有提升葉片擺盪效率的功效。

其中，各該導流輪具有一軸承，各該軸承置於各該外轂部之中心，該中心軸套接於該二軸承。如此，使該中心軸可順利旋轉於該二導流輪之間，而該二導流輪固定，係具有提升轉換動能經由該中心軸輸出效率的功效。

其中，各該外轂部之外側端係半球狀或流線狀。如此，係具有減少流體通過阻力的功效。

其中，各該導流輪具有數個連接翼，該數個連接翼等間距輻向排列，且連接該外轂部及該導流環。如此，盡可能避免對流體造成阻礙，係具有保留固定構造強度，並減少流體通過阻力的功效。

其中，該二導流環之直徑大於該二外環體之直徑。如此，由該二導流環固定並導入流體，而不影響各該轉動輪及各該葉片的旋轉，係具有提升能量轉換效率的功效。

其中，該轉動輪之該轂部沿外周面形成連續山狀的具有數個峰部及數個谷部，各該峰部及各該谷部等間距交錯排列，且各該峰部及各該谷部各具有一第三結合部；該外環體沿內周面形成連續山狀的具有數個頂部及數個底部，各該頂部及各該底部等間距交錯排列，且各該頂部及各該底部各具有一第四結合部；於該轂部峰部的第三結合部與外環體的該頂部的第四結合部相對應，且該轂部谷部的第三結合部與該外環體的該底部的第四結合部相對應。如此，該葉片係具有易於組裝的功效。

其中，該葉片具有一第一結合部及一第二結合部，該第一結合部可轉動地樞接於該二轉動輪之各該第三結合部，該葉片之該第二結合 部可轉動地樞接於該第四結合部。如此，該葉片係具有易於組裝的功效。

其中，該中心軸之一端可動力連結一發電機。如此，本發明的具偏擺式葉片的渦輪，係具有將雙流向流體動力源轉換為電能的功效。

〔本發明〕

1‧‧‧葉片

11‧‧‧第一結合部

12‧‧‧第二結合部

2‧‧‧轉動輪

21‧‧‧轂部

211‧‧‧第三結合部

22‧‧‧肋條

23‧‧‧外環體

231‧‧‧第四結合部

3‧‧‧中心軸

4‧‧‧導流輪

41‧‧‧外轂部

42‧‧‧連接翼

43‧‧‧導流環

44‧‧‧軸承

S1‧‧‧第一旋轉面

S2‧‧‧第二旋轉面

X‧‧‧樞轉軸

A1‧‧‧第一葉面

A2‧‧‧第二葉面

G‧‧‧發電機

〔習用〕

9‧‧‧渦輪

91‧‧‧扇葉

92‧‧‧旋轉軸

第1圖：一種習知的威爾斯渦輪示意圖。

第2圖：本發明一較佳實施例的分解立體圖。

第3圖：本發明一較佳實施例的組合正面圖。

第4圖：沿第3圖的I-I線剖面圖。

第5圖：沿第3圖的Ⅱ-Ⅱ線剖面示意圖。

第6圖：如第5圖所示之流體反向通過之情形圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第2至4圖所示，其係本發明具偏擺式葉片的渦輪的一較佳實施例，係包含數個葉片1、二轉動輪2、一中心軸3及二導流輪4，該數個葉片1輻向等間距設置於該二轉動輪2，該二轉動輪2以軸向結合並固定於該中心軸3，使設置於該二轉動輪2之該數個葉片1互相交錯，且該二轉動輪2繞該中心軸3旋轉時，該二轉動輪2上之該數個葉片1分別形成一第一旋轉面S1及一第二旋轉面S2，且該第一旋轉面S1及該第二旋轉面S2較佳垂直於該中心軸3，該中心軸3之二端分別可轉動地連接該二導流輪4。

各該葉片1具有一第一結合部11及一第二結合部12，沿該第一結合部11及該第二結合部12的中心形成一樞轉軸X，各該葉片1於該樞轉軸X二側具有一第一葉面A1及一第二葉面A2，該第一葉面A1大 於該第二葉面A2。

該二轉動輪2各具有一轂部21，該二轂部21沿外周面形成連續山狀的具有數個峰部及數個谷部，各該峰部及各該谷部等間距交錯排列，且各該峰部及各該谷部各具有一第三結合部211；該二轉動輪2之該轂部21之外周面等間距環設數個肋條22，該數個肋條22的一端連接於該轂部21，各該肋條22呈輻向且由另一端連接於一外環體23；該二外環體23沿內周面形成連續山狀的具有數個頂部及數個底部，各該頂部及各該底部等間距交錯排列，且各該頂部及各該底部各具有一第四結合部231；該二滾輪2之該數個峰部的第三結合部211與該數個頂部的第四結合部231相對應，且該數個谷部的第三結合部211與該數個底部的第四結合部231相對應，如第4圖所示，該二轉動輪2結合後，該右側轉動輪2之該峰部及該頂部，與該左側轉動輪2之該谷部及該底部係位於該第一旋轉面S1，且右側轉動輪2之該谷部及該底部，與該左側轉動輪2之該峰部及該頂部係位於該第二旋轉面S2。

請續參照第2、4圖所示，該中心軸3穿伸於該二轉動輪2之該二轂部21之中心，該中心軸3之左端可轉動地連接該左側之導流輪4，該中心軸3之右端可動力連結一發電機G。

該二導流輪4各具有一外轂部41，各該外轂部41之外周面等間距環設數個連接翼42，該數個連接翼42的一端連接於該外轂部41，各該連接翼42輻向且由另一端連接一導流環43，各該外轂部41之中心較佳具有一軸承44，各該外轂部41之外側端較佳為半球形或流線狀，可減少流體進入時的阻力。

請參照第2及3圖所示，各該葉片1之該第一結合部11可轉動地樞接於該二轉動輪2之各該第三結合部211，該葉片1之該第二結合部12可轉動地樞接於該第四結合部231，使各該葉片1可依該樞轉軸X 轉動，以調整各該葉片1與流體方向之夾角，如第5及6圖所示。

請參照第3及4圖所示，該數個葉片1等間距環設於該二轉動輪2之該第一旋轉面S1及該第二旋轉面S2，各該葉片1間隔設置於該第一旋轉面S1及該第二旋轉面S2，使該第一旋轉面S1及該第二旋轉面S2的葉面覆蓋率互補，可有效增加受流體作用面積，進而可以獲得更大的扭力。

各該葉片1之該第一葉面A1與另一葉片1之該第二葉面A2相鄰，使該數個葉片1受同一方向作用力影響可具有相同攻角。

請參照第2及4圖所示，該二轉動輪2各由該轂部21之中心固定於該中心軸3，使該二轉動輪2連同該中心軸3轉動，該二轉動輪2之旋轉動能經由該中心軸3輸出至發電機G；該中心軸3穿伸於該二導流輪4之該二軸承44，使該中心軸3可順利旋轉於該二導流輪4之間，且該二導流輪4可以固定於一固定裝置，該固定裝置可以為一套筒內或一架體等固定裝置，以導引流體作用於該數個葉片1；該二導流環43之直徑大於該二外環體23之直徑。

請參照第5圖所示，據由前述結構，當流體如箭頭所示由左向右之正向流動通過，各該葉片1之該第一葉面A1受較大之力矩依該樞轉軸X而轉動，使各該葉片1與流體流動方向形成一第一攻角，如此，該二轉動輪2以第一葉面A1往第二葉面A2之切線方向旋轉。

請參照第6圖所示，當流體如箭頭所示由右向左之反向通過，各該葉片1之該第一葉面A1受反向力矩依該樞轉軸X而反向轉動，使各該葉片1與流體流動方向調整為一第二攻角，如此，該二轉動輪2仍維持以第一葉面A1往第二葉面A2之切線方向旋轉。

當流體流速偏低，各該葉片1形成攻角的角度值大且轉換效率高；當流體流速偏高，形成攻角的角度值小且轉換效率低，使本發明的 具偏擺式葉片的渦輪應用於流速變化之流體，可保持穩定轉速。

本發明的具偏擺式葉片的渦輪可設置於一套筒並連通一空氣壓縮室(圖未繪示)，如此，當波浪產生的水位高低差在該空氣壓縮室內形成震盪空氣流，可以使套筒內的渦輪承受正逆雙流向空氣，而維持同一方向連續旋轉帶動發電機G產生電力，由於葉片1及發電機G於水面上工作，具有不易腐蝕、避免漏電、不影響生態等功效。

綜上所述，本發明的具偏擺式葉片的渦輪，可以適用於正逆雙流向流體，且以同一方向連續旋轉，並具有高轉換效率，可應用於雙向動力源轉換為電能，又，偏擺式葉片對於流速變化之流體，可保持穩定轉速以提供穩定之電能輸出。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

1. 一種具偏擺式葉片的渦輪，包含：數個葉片，各該葉片具有一樞轉軸，該樞轉軸二側具有一第一葉面及一第二葉面，該第一葉面大於該第二葉面；二轉動輪，各該轉動輪具有一轂部及一外環體，該二轂部與該二外環體之間具有一第一旋轉面及一第二旋轉面；二導流輪，各該導流輪具有一外轂部及一導流環；及一中心軸，該中心軸穿伸並固定該二轉動輪於該二轂部之中心，該中心軸可轉動地連接該二導流輪，該數個葉片等間距環設於該二轉動輪之該第一旋轉面及該第二旋轉面，各該葉片之該樞轉軸輻向固定於該二轉動輪之該轂部與該外環體間，各該葉片之第一葉面與另一葉片之第二葉面相鄰。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，各該葉片間隔設置於該第一旋轉面及該第二旋轉面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，該第一旋轉面及該第二旋轉面垂直於該中心軸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，各該轉動輪具有數個肋條，該數個肋條等間距輻向排列，且連接該轂部及該外環體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，各該導流輪具有一軸承，各該軸承置於各該外轂部之中心，該中心軸套接於該二軸承。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，各該外轂部之外側端係半球狀或流線狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，各該導流輪具有數個連接翼，該數個連接翼等間距輻向排列，且連接該外轂部及該 導流環。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，該二導流環之直徑大於該二外環體之直徑。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，該轉動輪之該轂部沿外周面形成連續山狀的具有數個峰部及數個谷部，各該峰部及各該谷部等間距交錯排列，且各該峰部及各該谷部各具有一第三結合部；該外環體沿內周面形成連續山狀的具有數個頂部及數個底部，各該頂部及各該底部等間距交錯排列，且各該頂部及各該底部各具有一第四結合部；於該轂部峰部的第三結合部與外環體的該頂部的第四結合部相對應，且該轂部谷部的第三結合部與該外環體的該底部的第四結合部相對應。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，該葉片具有一第一結合部及一第二結合部，該第一結合部可轉動地樞接於該二轉動輪之各該第三結合部，該葉片之該第二結合部可轉動地樞接於該第四結合部。
11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之具偏擺式葉片的渦輪，其中，該中心軸之一端可動力連結一發電機。