TWI226919B - Straight blade type turbine - Google Patents

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TWI226919B
TWI226919B TW091132725A TW91132725A TWI226919B TW I226919 B TWI226919 B TW I226919B TW 091132725 A TW091132725 A TW 091132725A TW 91132725 A TW91132725 A TW 91132725A TW I226919 B TWI226919 B TW I226919B
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Kazuichi Seki
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1226919 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、實施方式及囷式簡單說明） 【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 機之運轉效率，簡單的自動起動以及較小的噪音。 【先前技術3 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 5平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 軸之螺旋槳的風力渦輪機。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轴以及複數之垂直伸長 2〇的葉片的風力渴輪機。該等風力渦輪機之其中一著名者係 為一 Darrieus風力潤輪機，其係具有複數之伸長的葉並、 環繞著一垂直軸具有一弧形的剖面。 一 /、 一垂直軸風力料機不具對著風力方向之方向性 此其係適用於如同日本之 4〈紙力&者季即變化的區域。此外 1226919 玖、發明說明 ，垂直軸風力渦輪機具有一簡單的葉片剖面，並易於大量 生產。垂直軸風力渦輪機的運轉效率（輸出係數）與一水平 軸風力渦輻機的運轉效率相等。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 5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。 然而，傳統式垂直軸風力渦輪機之不利處在於其之自 動起動性能不足，需要複數種類之設備諸如一起動馬達以 及一用於控制該馬達的裝置。因此，儘管垂直轴風力渴輪 10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）。垂直轴風力渴輪機必需克 服所具有之較大的音響噪音。該等問題係同時出現在水力 滿輪機。 15 【赛^明内溶1】 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 具有一垂直軸的渦輪機，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需一特別的起動裝置’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 _ ^ 夕一維的葉片係平 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 1226919 玖、發明說明 繞二維葉片之中心旋轉3度至-2度的角度，該線係與另_ 連接中心轴與二維的葉片中心的假想線垂直； 介於橫戴面之一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r(係自軸延伸至二維的葉片 中心）、弦長c、以及二維的葉片數N計算而得，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 0與2 5 %之 間。 10 15 20 於此形式中，當該二維葉片的旋轉角係小於5度時， 渴輪機之運轉效率（輸出絲）料零μ供渦輪機所用。 其間，3度至.2度的旋轉角能夠至少提供渴輪機之最大效 率（輸出係數）之-半的效率，使轉動之渦輪機獲得一較佳 之效率。當介於橫截面之-前端與中心間的一段距離係為 弦長之15至40%時，能夠達到渦輪機之較佳的效率，因此 直葉片之-頭部下降力矩維持了渴輪機之自動起動的性能 ’儘管在該-段距離係為弦長之25%之安裝位置處效率係 為最再者，NC/R(固性或葉片面積比）不小於〇·5時提 供了較佳的自動起動的性能，同時固性超過2.2則降低了 效率（輸出係數）。因此，職為〇.5至22維持了渦輪機之 恰當的效率以及足夠的自動起動的性能。再者，二維葉片 之'大的厚度’係介於弦長之2〇%與25%之間，利用維持 -維茱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 7 1226919 坎、發明說明 率上係為較佳的。 p在申請專利範圍第2項中所說明之一種直葉片型渦輪 ''依附申胡專利範圍第i項，其之特徵在於該渦輪機包 3 一支柱葉片其具有一對稱的橫截面將二維葉片與中心軸 之:側邊結合，該支柱葉片所具有之最大的厚度係介於支 才主葉片之弦長的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葉片 之足夠的強度，進-步地改良了渦輪機之自動起動的性能 10 在申請專利範圍第3項中所說明之一種直葉片型渦輪 _具有至少―二維“，其絲置平行並環繞著渴輪機 之—中心軸’其之特徵在於該二維葉片的橫截面係為一流 線的凸面’其之厚度大體上係為二維葉片之最大厚度的一 葉 音 當於風力渦輪機中使用此形式時，降低了在該二維 片之後侧所產生之空氣堝流，減小或降低該二維葉片之立 響噪音。同樣地，當於水力渦輪機中使用此形式時，降二 _了在：二維葉片之後側所產生之水渴流，減小或降低因該 —維葉片所造成之噪音。 η在申請專利範圍第4項中所說明之—種直葉片型渴輪 機如依附申研專利範圍第3項，其之特徵在於流線的凸面 其之厚度係介於支柱葉片之弦長的12與17%^1 降低了因二維葉片轉動所蓋生之空氣或水噪音。 ” 在申請專利範圍第5項中所今日g 中所6兄明之-種渦輪機係依附 20 1226919 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 申請專利範圍第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4〇%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 一維篥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渴輪機的一具體實 10 施例的透視圖； 第2圖係為沿著第！圖之線A-A所取之一斷面圖，用於 顯示一直葉片的剖面； 、 第圖係為沿著第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； 々 仆及4c圖係為解釋圖式顯示直葉片，在第h圖 葉片角為零度，在第4b圖中角度增加，在第訃圖中 增加； 用又 弟5圖係為一圖表顯示渦輪機之葉片角與效率(輸出係 數）間的關係； 第6圖係為一 圖表顯示渦輪機之葉片中心與效率間的 第7圖係為一圖表 的關係， 知’所包括之每一 第8圖係為一圖表 一圖表顯示渦輪機之固性（NC/R)與效率間 一曲線係相關於每一葉片角； 一圖表顯示—種具有另-直葉片之渴輪機 1226919 玫、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10圖係為一圖表顯示基於第9圖之渦輪機的固性與 效率間的關係，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。 C資施方式】 10 較佳實施例之詳細說明 务考伴隨之圖式，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， 其係為本發明之一具體實施例。直葉片型渦輪機具有一垂 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，t亥每一支柱葉片係、將每一直 茶片結合至轴2。 20
如第2圖中所示，該圖係沿著第！圖之線A_A所取之 面圖（省略了剖面線），該直葉片3係為一非對稱的二維葉 。直葉片3具有一平均線9其係自一前邊緣7向下地（在第 圖中ir、為向下地以及在第丨圖中係向内地朝向軸）彎曲， 在中心1G處與-葉片弦仙相交，於該處二維葉片的厚/ 最大。平均線9自中心1G至葉片的後邊緣8係向上f曲。 柱葉片4.係自第2圖中直葉片3向下地配置。此二維葉片自 剖面錢輪機達到較高之效率（輸出係數），在感應到風力 10 1226919 玖、發明說明 水力）方向不而改變二維葉片的角度。於曰本專利公開案 第56_42751號中專利申請人提出直葉片3之剖面。 ’、 如第3圖中所示，該圖係沿著第1圖之線B-B所取之斷 面圖，支柱葉片4具有一對稱的剖面，以及一中心線係與 5 -平均線15自葉片的—前邊緣12至__後邊緣13對正。對稱 的支柱葉片4降低在前邊緣12處由空氣流或風力流所造成 之阻力fg]日可對稱之支柱葉片4增加了在後邊緣13處由空 氣流或風力流所造成之阻力’提供一轉動力供渦輪機所用 〇 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 ’同時-下(第1圖)葉片其之剖面係將第2圖之剖面顛倒而 得。 15 因此，上二維葉片產生一升力係藉由下二維葉片所產 生之一向下力而抵消，使渦輪機平順地轉動。再者，減小 知加在軸2之-軸承（未顯上的推進力用以&良軸承之使 用壽命。 ,乂佳地直葉片3及支柱葉片4係以諸如玻璃纖維及碳 纖維之重量輕且高強度的材料一體成型地製成。渦輪機^ 能夠使用作為一風力涡輪機或是一水力滿輪機。葉片具有 呵的剛性能夠抵抗強烈的水流。該_體成型之主體並不具 連接凹口’其確實地防止水侵入渦輪機之内部。再者，重 里輕之茱片改良了渦輪機之自動起動性能與效率⑽出係 數Μ 20 1226919 坎、發明說明 星有較t地料—巾空的㈣軸(2)細金屬製成並 例如，與發電機之—轉子轴（未顯示消合。 轉子軸降低了軸2之重量’改良渦輪機之起動性 =直葉片3係可為對稱的葉片(斷面對稱的葉片)，該處 π力或水力方向係為不變的’因此葉片角不受變化。一環 則反（未顯示）可配裝至葉片3之每—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。 10
“渦輪機1之效率（輸出係數）係隨著直葉片3相對於支柱 茶片4之葉片角、直葉片3相對於軸2之中心的結合位 渦輪機1之固性等而變化。同時， — 目動起動的性能係隨 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
如第4a圖中所示，一假想線22係自轴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Η處與 15假想線22交又。自直葉片3之前邊緣7至相交點叫一段距 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與一葉片弦線此 間的葉片角係以-角度&(度）表示，該處線18係與徑向的假 想線垂，以及葉片弦線係相對於線18向^或是向外地傾 20斜。第朴圖係顯示_+3的葉片角，同時第^圖係顯示_a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R(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 1226919 坎、發明說明 =的-比例（％)表示。效率（輸出係數）係為功（轉矩乘上渴 榀機之轉速）對風力或水力之能量（定義為丨）之一比例。 本發明之-目的在於提供一種具有—垂直轴的渦輪機 ’藉尋求-最佳的或是有效的使用範圍而能達到較佳的自 5動起動性能與較佳的運轉效率（輸出係數），該使用範圍係 與諸如葉片角、葉片中心、固性以及葉片厚度的函數有關 。之後’將說明以-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）的一研究結果。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），同時固性係在 0.18與4.0之間相繼地加以選定，係為五固性（〇18、1〇8、 2·〇、3.0及4.0)。 自第5圖中可瞭解，渦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 15間的葉片角係為實用的，同時固性係位在從G. 18至4.0之-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·υ，可選擇葉片角介於+2度與_2度之間，或 2〇疋至多介於+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圖中係為〇25)的 一半。最佳之葉片角係介於+丨度與_丨度之間。 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1〇8與4〇之間時，在〇度與 13 1226919 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 片角較-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 ，整體而吕一正的葉片角係較一負的葉片角能夠提供較高 5之效率。此趨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 一數值0.18表示。例如，渦輪機之半徑係為125公尺以及 1〇 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)。介於〇·118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%與5〇%之間時獲得。 當葉片中心係為0〇/〇時，自軸徑向地延伸的一線（亦即 15，沿者支柱葉片）係與在第仏圖中直葉片的一前端部對正 。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，-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^圖 中距直葉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5〇%之一 比較寬的範圍内。然而，直葉片之一頭部落下力矩（由直 葉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 用的用以保持一較佳的自動起動性能。為獲得超過ο]: 14 1226919 玖、發明說明 放率’所決定之葉片中心並非位在50%内但位在40%内。 此^遥疋的一令人滿意之葉片中心係介於15%與40〇/〇之間 。第:圖之趨勢係顯現在風力渦輪機以及水力满輪機上。 第7圖係為—圖表顯示固性與效率間的關係，係由第5 5圖加以修改。於第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圖令所示，較大的固性提供一較小的效率，係 為所;^知的情況。在葉片角為零度下的效率幾乎與在+ 1度 罨 10之茱片角下的效率相同。在葉片角為+2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度下的效率 大約與在-2度之葉片角下的效率相同。在葉片角為度下 效率大大地下降變成低於〇·1。由第7圖，應注意的是-荦 片角係較佳地選定介於+3度與題之間，同時固性係選定 15 介於0.18與4·0之間。 事實上，固性不可選定為3或4。例如，一具有直葉片 3之固性的涡輪機包括。·3公尺之直徑以及弦長為。·3公尺的 鲁 一葉片。此形式幾乎是不實用的。大的固性降低了進入渦 輪機（於直葉片的一内空間中）之風力流或是水流用以降低 .20其之流速，減小了满輪機之轉速與轉矩。因此，約為2之 ·· 固性係為一實用的上限，因為第7圖之每一曲線於該處變 , 得具有一和緩的坡度。在考量包括-3度之葉片角，更為實 用的固性上限係為β1+α(α係較佳地約為〇2)。 車乂大之固ϋ提供-較佳的自動起動性能（一所熟知的 15 心 中%) 片C 葉 0 0 0 5 0 0 0 1 2 2 3 4 5 1226919 玖、發明說明 情況）。鑑於自動起動性能，固性應具有一較0·丨8為大的下 限。下限應選定介於⑺:^與丨之間，較佳地約為〇 6。之後 將說明固性之分析。第7圖之趨勢係顯現在風力渦輪機以 及水力渴輪機上。 5 與第5至7圖相對應之原始資料的一部分係顯示在表j 中作為參考資料。 表1 葉片角 (度） 3.43 2.06 0.69 0 -0.69 -2.06 -3.43 * 明之葉尖速度比係、為在其之前端部肩 葉片的轉速，對風力流或水流速度的比值。2.6之葉# 度比意謂直葉片移動係為風力流或水流速度的26^ 後將侧輪機之效率係隨著葉尖速度比大大地變J。 /第請係為_圖表顯示固性與與效率（輸出係數）間纪 係，同時陳係自—小於G·1至L的極小值擴大。於訪 況下’直葉片具有-比較薄之對稱的葉片(NACA0012 葉片厚度為12%。 由第8圖中瞭解，（U之固性係與高於的效率
效率 0.118 0.203 0.233 0.235 0.227 0.171 0.079 2.6 个 个 个 个 个 个 10 16 15 1226919 玖、發明說明 °效率曲線急劇地上升具有—約為0.35的固性之尖峰值。 ^性由0.35變化至〇.65則效率迅速地降低，而固性由〇 65 變化至2·2則效率和緩地降低。在固性約為2.2處效率幾乎 為固定不變’而固性由2·4開始增加則效率進一步地降低 由第8圖之分析’應瞭解的是決定固性在04 0.65 2 間係可使渴輪機獲得較佳的效率。㈣，決定固性在⑽ 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。 10 15 20
最大效率cPmax係隨著雷諾數Re(Reyn〇lds⑽丨沾叫以 及葉W面（斷面剖面）而變化。CPmax係在0.2與0.48間變化 一與第8圖相關之雷諾數係為133χΐ〇5。效率同時係隨著直 茱片之茶尖速度比而變化。第8圖之趨勢係顯現在風力渴 輪機以及水力渦輪機上。 第9圖係為一圖表顯示當從0.36、0.6、1.2、1.4、1 、U以及2.2相繼地選定固性時葉尖速度比與效率（輸幻
數）間的關係。由筮Q同古人tL ^ 由弟9圖充分地了解，當葉尖速度比增加曰 亦即，當直葉片之轉速對風力流或水流速度之比值增乂 一」放率牦加。較小的葉尖速度比/5係與較大的固性相g 口同日寸較大的葉尖速度比係與較小的固性相配合。第 圖之趨勢係顯現在風力洞輪機以及水力雜機上。 第1〇圖係為一圖表顯示固性與效率間的關係，其係E 第9圖加以修改而成。於第10圖中，垂直座標係表示效a 以及水平座標係表示固性，圖内曲線分別為四葉尖速度卜 17 1226919 玖、發明說明 :19、2.0、2.5 以及 3.0。 由第10圖完全地瞭解，在較小的固性範圍内較大的葉 大速度比0(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/3 (1.9或2.0)提供最大的效率 5 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ι〇圖之分 析，應瞭解的是所決定之固性係超過〇·6，較佳地介於〇 6 與1.2之間，或是介於〇.6與22之間用以獲得較佳的起動性 1 〇此。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10 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。 15 減速比 a=l/2{l-/"(i-Cfx)} VR=(l-a)/'(1-2 ^ sinO +/3 2) 阻力係數 Cfx=-(niB/4 ；r ) j* ；Γ VR2{(CLcos 0 +cDsin 0 )
ο〇8φ +(CDcos φ -CLsin0 )8ΐηΦ }dO 2 CTB=(nls/4 ;r ) J* π VR2(CLsin 0 -CDcos 0 -CMlB)dd) 0
20 效率 xCTB
其中1B :弦長CB/半徑R
Vr :風速或是水速（相對於葉片） 18 1226919 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， 一般係顯示满輪機之固性、自動起動性能以及效率間的關
NC/R 起動性能 效率 CP 在效率尖峰值下的 籴尖速凌比Θ 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 1226919 软、發明說明 於表2中’第—欄位顯示固性；第二欄位顯示起動性 能；第三欄位顯示效率；以及第四攔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與〇8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〇·7，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一較低值。由於如第7 ίο及8圖中所示效率降低些許，即使固性係可選定介於〇·8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 15渦輪機之半徑R、直葉片之數目N以及弦長C所決定。之後 將。兒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 八直葉片（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 1226919 玖、發明說明 表3
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 佳 25 佳 30 能接受的 35 不能接受的 40 不能接受的 效率 強度 不能接受的 不能接受的 不能接受的 不能接受的 能接受的 能接受的 佳 佳 佳 佳 能接受的 佳 不能接受的 佳 不能接受的 佳 5 枯於表3中’葉片厚度係以最大的葉片厚度對弦長C的比 J%)表示。由表3中充分地瞭解，最適當之葉片厚度係選 ^介於20%與25%之間，於該範圍内涡輪機之起動性能、 效率以及強度係為能接受的。實用的葉片厚度係、選定介於 ⑽與30%之間。儘f該任—厚度在起動性能上係、為能接 又的’但疋3G%之葉片厚度在起動性能上係優於m之葉
片厚度。 這疋介於35%與40%之間的較大葉片厚度增加直葉片 的剛性，但同時亦增加了直葉片的重量。重量增加對於在 渦輪機轉動期間維持渦輪機之機械強度係為不利的。當葉 片厚度係為30〇/〇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 具較高強度諸如一玻璃纖維以及一碳纖維。纖維材料的厚 度可約為2公釐。 21 1226919 玖、發明說明 於渦輪機轉動期間，直葉片接受一環繞著一轴的偏搖 力矩（yawing moment)其係定向在一阻力方向上乂方向X)， 環繞著一軸的一俯仰力矩（pitching moment)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 風力渦輪機以及水力渦輪機上。
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 轉動阻力 5 不能接受的 小 10 不能接受的 小 15 能接受的 中 20 能接受的 中 25 佳 大 30 佳 大 35 佳 大 40 佳 大 45 佳 大 強度
不能接受的 不能接受的 能接受的 能接受的 佳 佳 佳 佳 佳 “之柱茱片其之葉片係相對於如第3圖中所示之 水平線而為對稱的。轉動阻力係為—流體阻力定向在風 或是水力的方向上。主私整 支柱茱片之較小的厚度能夠獲得較
的效率’但降低了支柱葦M 業片在自動起動的性能。支柱葉 22 15 1226919 玖、發明說明 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 5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 10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 有適於重力的一形式。5%至10%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， b則能夠使用葉片厚度為5%至10%的支柱葉片。表4之趨勢 係顯現在風力渴輪機以及水力渴輪機上。 總結以上的討論，由第5至10圖以及表〗與2瞭解，固 f生（NC/R)係較佳地決定不小於〇·5用於達到滿輪機之之自 動起動的性能。固性介於〇.65與12之間係為最佳的。實務 20上使用的固性係藉於0.5與2.2之間。然而，假若起動性能 係藉由-起動裝置加以補償，則能夠使用介於〇1與〇5之 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，直葉片之葉片角介於+丨度與度之間 或疋"方、+2度與-2度之間係為最佳的。於實務上所使用的 23 1226919 玖、發明說明 f片角係介於+5度與_5度之間。超過+5度或是小於_5度的 葉片角係為不Λ用的。第5圖包括固性之變化的圖式，以 及能夠施用在第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 *弟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 貫用的茱片中心係選定介於15%與4〇%之間。葉片中心之 最佳的歧實用的範圍能夠施用在上述每—固性上。 由表3，鑑於渦輪機之起動的性能、效率以及強度， ^逡疋之最適s的直葉片厚度係介於2〇%與Μ%之間。所 選定之較佳的厚度係介㈣％與3()%之間。由表4，鑑於起 力的f生％阻力以及強度，所選定之介於15%與20%之間 的支柱葉片厚度係為最適當的。 T個別地決^葉片角、葉片中心、固性以及葉片厚度 之母一因素。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：
;丨方、+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25〇/〇或是介於15%與4〇%之間的葉片中心結合； 介於+5度與-5度之間或是介於+2度與_2度之間的一葉 20片肖，係與介於0.5與2.2之間或是介於〇65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 ;丨於+5度與-5度之間或是介於+2度與-2度之間的一葉 24 1226919 玖、發明說明 片角，係與介於15%與20〇/〇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气。 5 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度之間的一葉片角係與介於〇65與12之 間的固性結合；
25%的-葉片中心係與介於〇 65與12之間的固性結合； 介於〇.65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 片型滿輪機1之軸2係可由一對上與下短的圓柱輪轂（未顯 示）所取代。直葉片型涡輪機係可安裝在一高的建築物的 高侧壁上，渦輪機之一軸係為水平的。當該渦輪機係使用 2〇作為一水力渦輪機時，每一直葉片3係沒入水中而水渦輪 機之一軸係為垂直的，致使水渦輪機之一自由端係定向成 向刖。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。直葉片型渦輪機i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 1226919 玖、發明說明 本發明同時應用在-種製造直葉片型渦輪機的方法
係約為直葉片之最大斷面厚度的一半。
與直葉片3之每—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。 ϋ示，凸面41之圓頭部42在第 前端部44與中間部分之間係為 3第11a圖中所示，在凸面41之 如第11a及lib圖中所圖示 lib圖中所示介於凸面41之前海 一平順的曲線。圓頭部42如第 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 2〇 7或疋一後邊緣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之高度H與弦長之比例較佳地介於12%與17%之 間，係為施用在直葉片3之介於24%與34%間之比例的一半 口為，直葉片的斷面一般係相關於一中心線而對稱。此 26 1226919 玖、發明說明 較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 除環繞著供風力渦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部的後側中產生满流。凸面41之高度比係選定介於12%^ 17%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。 在直葉片3之每一上與下端部處配置一側板（未顯示卜 取代葉片狀凸面41。較佳地，環狀側板係與複數之直葉片 10 3互相結合取代支柱葉片4。側板係可設計為適當的形狀。 葉片狀凸面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1〇圖與表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【睏式簡單說明】 弟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1圖之線A-A所取之一斷面圖，用於 顯示一直葉片的剖面； 2〇 第3圖係為沿著第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； : b及4c圖係為解釋圖式顯示直葉片，在第4a圖 二 為零度，在第4b圖中角度增加，在第4c圖中角度 增加； 27 1226919 玖、發明說明 第5圖係為一圖表顯示渦輪機之葉片角與效率（輸出 數）間的關係； 、 第6圖係為一圖表顯示渦輪機之葉片中心與效率 關係； θ @ 第7圖係為一圖表顯示渦輪機之固性…以幻與效率間 的關係’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 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 1〇 之關係，所包括之每一曲線係相關於每一固性； 第10圖係為一圖表顯示基於第9圖之渦輪機的固性與 效率間的關係，所包括之每一曲線係相關於每_葉尖速度 比；以及 第Ha、lib及11c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 ·. ·直葉片型渴輪機 13...後邊緣 2··.垂直軸 18 · .•線 3 ···直葉片 21·.·點 4 · · ·支柱茶片 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 4 4…月丨j端部 il··.葉片弦線 45...後端部 12...前邊緣 28

Claims (1)

  1. 1226919 拾、申請專利|§圍 第91132725號申請案申請專利範圍修正本 93.09.27 1· 一種直葉片型渦輪機，其具有至少一二維的葉片係平 行並環繞著渦輪機之一中心軸而配置，該二維的葉片 透過一結合構件與該中心軸之側邊結合，其特徵在於 5亥一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； ;丨於秩截面之一前端與中心間的一段距離係為弦 長的15%至40% ; NC/R，其係藉由一半徑以(係自軸延伸至二維葉片 的中心）、弦長C、以及二維的葉片數^^計算而得，係介 於〇·5與2.2之間；以及 一維的葉片之一最大的厚度係介於弦長的2〇%與 25%之間。 ' 2·如申請專利範圍第丨項之渦輪機，其特徵在於該满輪機 匕δ 支柱葉片其具有一對稱的橫截面將二維葉片與 中心軸之一側邊結合，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· —種直葉片型渦輪機，其具有至少一二維的葉片係平 行並裒％著渴輪機之一中心軸而配置，該二維的葉片 透過一結合構件與該中心軸之侧邊結合，其特徵在於 該一維葉片在葉片之一縱向端部處配置一流線凸面， °亥μ線凸面之厚度大體上係為二維葉片之最大厚度的 29 1226919 拾、申請專利範圍 〜 如申π專利fe圍第3項之渦輪機，其特徵在於流線凸面 之厚度係介於支柱葉片之弦長的12%與17%之間。 5:=圍第1或2項之渦輪機，其特徵在於該二 5 Ji二 *Τ·· /1 hi . 凸面/ ;申料利範”3或4射所說明的流線
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