專利名稱：扭轉(zhuǎn)式橫流渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)，特別是，但不局限于，其中工作流體基本上橫貫設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)的渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)，特別是水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)(HAWT)，常被使用，以利用風(fēng)的動(dòng)能來發(fā)電?？梢栽谡麄€(gè)國家的許多地區(qū)看到HAWT，它們被安裝在大型塔架上，以俘獲在這樣的高度上吹過的快速風(fēng)。
HAWT具有安裝在這種塔架的頂部的轉(zhuǎn)子軸和發(fā)電機(jī)，其中(通常)三個(gè)大型渦輪機(jī)葉片被設(shè)計(jì)成將垂直氣流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)通過發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生電能。這種渦輪機(jī)具有高葉尖速比，高效率，以及可導(dǎo)致可靠性提高的低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
由于裝有HAWT的塔架會(huì)產(chǎn)生紊流，因此渦輪機(jī)本身最常被安置在塔架的上風(fēng)側(cè)。對于風(fēng)向改變，例如東北方向變?yōu)槲髂戏较?，就要求渦輪機(jī)樞轉(zhuǎn)180°以作出補(bǔ)償。一些小型渦輪機(jī)使用風(fēng)標(biāo)來將渦輪機(jī)與風(fēng)對正。另外，大型渦輪機(jī)具有風(fēng)向傳感器和電機(jī)以自動(dòng)樞轉(zhuǎn)渦輪機(jī)，并且使效率最大化。
利用樞轉(zhuǎn)而重新對正渦輪機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是，隨著葉片旋轉(zhuǎn)且整個(gè)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，陀螺力會(huì)作用在葉片上。這會(huì)引起扭轉(zhuǎn)力施加在渦輪機(jī)上，從而導(dǎo)致渦輪機(jī)元件的疲勞和最終損壞。
薩伏紐斯(Savonius)型風(fēng)力渦輪機(jī)在豎直軸線上操作，但通常效率低于升力產(chǎn)生型渦輪機(jī)。薩伏紐斯型風(fēng)力渦輪機(jī)類似于測風(fēng)儀，即具有用于捕風(fēng)的二或三個(gè)風(fēng)斗。這種渦輪機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是很少需要維護(hù)，并且遠(yuǎn)比具有類似尺寸的HAWT便宜。此外，不需要引導(dǎo)渦輪機(jī)，因?yàn)樗鼈兛梢岳萌魏螜M流風(fēng)操作。然而，薩伏紐斯型渦輪機(jī)效率低，這是因?yàn)榭偸谴嬖诔惺芤欢ㄗ枇Φ谋砻?。因此，薩伏紐斯型渦輪機(jī)被稱作阻力型系統(tǒng)。
達(dá)里厄(Darrieus)型風(fēng)力渦輪機(jī)(也被稱作“打蛋器”式渦輪機(jī))是豎直軸線渦輪機(jī)的另一個(gè)例子。豎直軸線渦輪機(jī)的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)(可能龐大和/或笨重)可以被布置在渦輪機(jī)的基部或地面上。對于薩伏紐斯型風(fēng)力渦輪機(jī)，不需要將達(dá)里厄型風(fēng)力渦輪機(jī)指向風(fēng)中。這一點(diǎn)在下述條件下特別有益，即在渦輪機(jī)位于多建筑物區(qū)域時(shí)，附近的建筑會(huì)導(dǎo)致風(fēng)紊流增加。
同HAWT相比的其它優(yōu)點(diǎn)有，葉片沒有葉尖或葉片端部，因此葉片端部上沒有葉尖噪音、紊流或阻力。此外，葉片通常采用的彎曲索(troposkien)形狀意味著沒有彎曲力施加在其內(nèi)的一或多根纜索，只有張力沿著纜索的長度分布。
達(dá)里厄型風(fēng)力渦輪裝置自1931年以來就以存在。這段時(shí)間內(nèi)，沒有對初始設(shè)計(jì)作出多少顯著改進(jìn)。出于多種原因，商業(yè)開發(fā)的達(dá)里厄型渦輪機(jī)難以生產(chǎn)。
一般而言，它們效率低，這顯著地限制了它們的潛在應(yīng)用和它們的商業(yè)生存能力。此外，作用在這種渦輪機(jī)的主軸承上的大型推力負(fù)載使得軸承的選擇非常重要。
達(dá)里厄型渦輪機(jī)的長葉片具有許多固有振動(dòng)頻率，在操作中必須避免這些頻率。為達(dá)到工作速度，一些渦輪機(jī)必須快速越過二或三種轉(zhuǎn)速。一些振動(dòng)模式可能會(huì)落在工作范圍內(nèi)，因此需要利用控制系統(tǒng)來避免這些振動(dòng)模式。
在這種類型的設(shè)備被用于變速流體例如大氣風(fēng)流時(shí)，在強(qiáng)風(fēng)條件下控制轉(zhuǎn)速可能會(huì)產(chǎn)生問題。這一問題特別存在于高效“升力”型設(shè)備，例如HAWT或達(dá)里厄型渦輪機(jī)，其中可能達(dá)到破壞性轉(zhuǎn)速。
因此，另一項(xiàng)重要考慮是，在強(qiáng)風(fēng)條件下必須限制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速，并且為此已作出了許多嘗試。
Jeronimidis等的英國專利申請2,216,606A公開了用于具有水平或豎直旋轉(zhuǎn)軸的渦輪機(jī)的葉片。葉片具有各向異性，以使得它們隨著轉(zhuǎn)速增加而彎曲或拉伸。彎曲和/或拉伸會(huì)影響葉片轉(zhuǎn)速，因?yàn)橛潜桓淖儾⑶胰~片上的負(fù)荷發(fā)生變化。
美國專利4,500,257公開了一種用于豎直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)，其中擋塊可滑動(dòng)地安置在葉片上。在預(yù)定時(shí)刻，電磁線圈釋放擋塊，擋塊在葉片上在離心力作用下移向其最外側(cè)點(diǎn)?？諝鈩?dòng)力學(xué)效率的下降導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。
法國專利申請2 583 823示出了一種豎直軸線風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有轂或盤式制動(dòng)器，以在渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)達(dá)到閾值速度時(shí)產(chǎn)生機(jī)械式制動(dòng)系統(tǒng)。
這種阻力型裝置和機(jī)械式制動(dòng)器被提出來以在水平和豎直軸線渦輪機(jī)中限制轉(zhuǎn)速。阻力型裝置可能不可靠，并且需要維護(hù)。機(jī)械式制動(dòng)器笨重并且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)磨損和撕裂。這些限制旋轉(zhuǎn)的方法還會(huì)影響渦輪機(jī)的平穩(wěn)動(dòng)力輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是對渦輪機(jī)上限轉(zhuǎn)速提供空氣動(dòng)力學(xué)限制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過扭轉(zhuǎn)對渦輪機(jī)的上限轉(zhuǎn)速提供空氣動(dòng)力學(xué)限制。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種橫流式渦輪機(jī)，包括一或多個(gè)翼型葉片，其可旋轉(zhuǎn)地圍繞中心軸安裝，并且在所述一或多個(gè)葉片的每個(gè)端部處或靠近所述端部連接著所述中心軸；其中，所述一或多個(gè)葉片具有一定程度的扭轉(zhuǎn)撓度，從而它們可繞葉片縱向軸線扭轉(zhuǎn)，以降低所述一或多個(gè)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)效率，從而控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。
使所述一或多個(gè)翼型葉片扭轉(zhuǎn)脫離最佳升力條件，可以降低前向驅(qū)動(dòng)力并且增大阻力，以限制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)葉片設(shè)有可樞轉(zhuǎn)連接器，以允許葉片繞葉片縱向軸線扭轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，可樞轉(zhuǎn)連接器將所述一或多個(gè)翼型葉片在葉片的一端連接至所述中心軸。
可選地，可樞轉(zhuǎn)連接器在所述一或多個(gè)葉片的兩端將所述一或多個(gè)翼型葉片連接至所述中心軸。
可選地，可樞轉(zhuǎn)連接器在沿所述一或多個(gè)翼型葉片的縱向軸線的一定距離處安置，以連接所述一或多個(gè)翼型葉片的兩個(gè)部分。
可選地，由離心力所引起的所述一或多個(gè)翼型葉片中的張力驅(qū)動(dòng)所述可樞轉(zhuǎn)連接器樞轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，可樞轉(zhuǎn)連接器設(shè)有樞轉(zhuǎn)阻止裝置，其在低于預(yù)定離心力閾值的情況下防止樞轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括推抵著樞轉(zhuǎn)止擋件卷繞的扭簧，所述樞轉(zhuǎn)止擋件將所述一或多個(gè)葉片保持就位。
可選地，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括一或多個(gè)彈簧，其以一螺旋角固定至所述中心旋轉(zhuǎn)軸，并在另一端固定至所述一或多個(gè)葉片。
可選地，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括兩個(gè)由硬質(zhì)材料形成的三連桿部分，撓性關(guān)節(jié)安置在所述連桿之間，各連桿形成Z形。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成當(dāng)達(dá)到張力閾值時(shí)沿預(yù)定方向扭轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成第一方向扭轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的順槳。
可選地，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成沿第二方向扭轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的失速。
可選地，可樞轉(zhuǎn)連接器的樞轉(zhuǎn)由作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
優(yōu)選地，在達(dá)到中心軸轉(zhuǎn)速的預(yù)定閾值時(shí)，所述作動(dòng)器操作。
優(yōu)選地，所述作動(dòng)器是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)(電動(dòng))的。
優(yōu)選地，所述作動(dòng)器可手工控制。
可選地，所述作動(dòng)器可自動(dòng)控制。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片的扭轉(zhuǎn)撓度被設(shè)置在預(yù)定級別。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)葉片的扭轉(zhuǎn)撓度可以被設(shè)定，從而扭轉(zhuǎn)程度導(dǎo)致所述一或多個(gè)葉片端部之間的中間點(diǎn)處的成比例程度的扭轉(zhuǎn)。
優(yōu)選地，所述級別被這樣設(shè)置，即在所述一或多個(gè)葉片的一端的大致180°扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致端部之間的中間點(diǎn)處的大致90°扭轉(zhuǎn)。
這可以有效地停止所述一或多個(gè)葉片上的驅(qū)動(dòng)力。
可選地，所述級別被這樣設(shè)置，即在所述一或多個(gè)葉片的一端的大致180°扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致端部之間的中間點(diǎn)處的120°扭轉(zhuǎn)。
可選地，所述級別被這樣設(shè)置，即在所述一或多個(gè)葉片的一端的大致180°扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致端部之間的中間點(diǎn)處的60°扭轉(zhuǎn)。
典型地，通過使所述一或多個(gè)葉片端部處的較小樞轉(zhuǎn)而控制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)槿魏螛修D(zhuǎn)都會(huì)影響所述一或多個(gè)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能并且增大阻力。
一旦渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速被降低至等于或低于可接收的操作級別，所述一或多個(gè)葉片端部將返回到它們的最佳葉片空氣動(dòng)力學(xué)原始位置。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片適于在繞中心軸旋轉(zhuǎn)過程中呈現(xiàn)為彎曲索形狀。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片包括一或多個(gè)撓性纜索，其由翼型形狀的輪廓封閉。
優(yōu)選地，所述翼型形狀的輪廓包含填料，以將所述翼型形狀的輪廓機(jī)械式固定至所述一或多根纜索。
優(yōu)選地，橫流式渦輪機(jī)還包括設(shè)在所述一或多個(gè)葉片一端的連接裝置，其被可釋放地連接至所述中心軸，從而在渦輪機(jī)繞所述中心軸的轉(zhuǎn)速增大到等于或超過預(yù)定閾值級別時(shí)，所述一或多個(gè)葉片被釋放。
通過釋放所述一或多個(gè)翼型葉片的一端以使它們向外飄，所述一或多個(gè)葉片的前向驅(qū)動(dòng)力降低。
在過高轉(zhuǎn)速下因離心力導(dǎo)致的所述一或多個(gè)葉片中的過大張力可以引起所述一或多個(gè)葉片端部被釋放。
這一特征為本發(fā)明提供了可在極端氣候條件下操作的失效保護(hù)機(jī)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片是撓性的。
優(yōu)選地，所述連接裝置通過夾持器而被可釋放地連接著。
優(yōu)選地，橫流式渦輪機(jī)包括多個(gè)翼型葉片，它們每個(gè)分別被可釋放地連接著，并且，在達(dá)到所述預(yù)定轉(zhuǎn)速閾值時(shí)釋放所有葉片。
優(yōu)選地，所述葉片被基本上同時(shí)釋放。
優(yōu)選地，單一的機(jī)構(gòu)被用于釋放所有的葉片。
當(dāng)葉片端部被釋放時(shí)，它們在離心力作用下向外擺動(dòng)。所引起的直徑增大將導(dǎo)致角慣量增大，由此導(dǎo)致渦輪機(jī)立即減慢。當(dāng)葉片僅在一端被保持時(shí)，由于形成逆向空氣動(dòng)力學(xué)幾何形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減慢。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種橫流式渦輪機(jī)，包括一或多個(gè)翼型葉片，其可旋轉(zhuǎn)地圍繞中心軸安裝，并且通過連接裝置而在所述一或多個(gè)葉片的每個(gè)端部處或靠近所述端部連接著中心軸；設(shè)在所述一或多個(gè)葉片一端的所述連接裝置被可釋放地連接著，并且在渦輪機(jī)繞所述中心軸的轉(zhuǎn)速增大到等于或超過預(yù)定閾值級別時(shí)被釋放。
通過釋放一或多個(gè)翼型葉片的一端以使其向外飄，所述一或多個(gè)葉片的前向驅(qū)動(dòng)力減小。
在過高轉(zhuǎn)速下因離心力導(dǎo)致的所述一或多個(gè)葉片中的過大張力可以引起所述一或多個(gè)葉片端部被釋放。
這一特征為本發(fā)明提供了可在極端氣候條件下操作的失效保護(hù)機(jī)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述一或多個(gè)翼型葉片是撓性的。
優(yōu)選地，所述連接裝置通過夾持器而被可釋放地連接著。
優(yōu)選地，橫流式渦輪機(jī)包括多個(gè)翼型葉片，它們每個(gè)分別被可釋放地連接著，并且，在達(dá)到所述預(yù)定轉(zhuǎn)速閾值時(shí)釋放所有葉片。
優(yōu)選地，所述葉片基本上同時(shí)釋放。
優(yōu)選地，單一的機(jī)構(gòu)被用于釋放所有的葉片。
當(dāng)葉片端部被釋放時(shí)，它們在離心力作用下向外擺動(dòng)。所引起的直徑增大將導(dǎo)致角慣量增大，由此導(dǎo)致渦輪機(jī)立即減慢。當(dāng)葉片僅在一端被保持時(shí)，由于形成逆向空氣動(dòng)力學(xué)幾何形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減慢。


下面將參照附圖而以示例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1示出了垂直于渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)型渦輪機(jī)的視圖；圖2示出了沿著渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸所作的視圖；圖3(局部放大A)示出了葉片的可樞轉(zhuǎn)端部固定件的示意圖；圖4示出了葉轂扭轉(zhuǎn)形態(tài)的示意圖；
圖5更詳細(xì)地示出了葉轂扭轉(zhuǎn)形態(tài)；圖6示出了另一種葉轂扭轉(zhuǎn)形態(tài)的示意圖；圖7更詳細(xì)地示出了所述另一種葉轂扭轉(zhuǎn)形態(tài)；圖8示出了設(shè)置在葉片兩端(葉轂)的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的示意圖；圖9示出了設(shè)置在葉片中央的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的示意圖；圖10(a)至(f)示出了所提出的葉片形態(tài)的剖視圖；圖11示出了垂直于渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的釋放型渦輪機(jī)的視圖；圖12示出了沿著渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸所作的視圖；圖13(局部放大A)示出了葉片的可釋放的端部固定件的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將要討論的實(shí)施例旨在通過采用失速(stall)或順槳(feathering)狀態(tài)而扭轉(zhuǎn)渦輪機(jī)葉片使之離開最佳升力狀態(tài)。目的是限制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速，例如在強(qiáng)風(fēng)條件下。在對應(yīng)于例如最大期望轉(zhuǎn)速的特定離心力作用下，葉片的扭轉(zhuǎn)可以自然實(shí)現(xiàn)。
通過扭轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)失速，涉及沿這樣的方向扭轉(zhuǎn)，即顯著地增大迎角以引起空氣動(dòng)力學(xué)失速。通過扭轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)順槳，涉及沿相反方向扭轉(zhuǎn)，以通過減小迎角而引起順槳。失速可能會(huì)引起發(fā)生過大的葉片振動(dòng)。順槳不會(huì)產(chǎn)生這種振動(dòng)問題，然而需要程度大得多的扭轉(zhuǎn)。
如顯示于圖1，三個(gè)翼型葉片(aerofoil blade)2在每個(gè)端部固定在葉轂(4和5)上，所述葉轂安裝于轉(zhuǎn)軸3上。所述軸通常安裝在未示出的軸承中，并且連接著從動(dòng)負(fù)荷例如發(fā)電機(jī)。
每個(gè)翼型葉片2被制作成具有高抗拉強(qiáng)度，但在彎曲方面是半撓性的。
在本例中，每個(gè)葉片在其一端牢固保持在葉轂4上。葉片另一端保持在樞轉(zhuǎn)部分1中。在本例中，樞轉(zhuǎn)是由于葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力導(dǎo)致的葉片中的張力而引起的。樞轉(zhuǎn)部分可以被調(diào)節(jié)，從而在達(dá)到閾值力之前沒有樞轉(zhuǎn)發(fā)生，這樣，葉片駐留在其預(yù)設(shè)的(如圖所示)開始位置，直至達(dá)到此點(diǎn)。
下面將參照圖4和5描述可樞轉(zhuǎn)連接器的一種形式的例子。短長度的滾珠絲杠6連接著葉片端部7。相配合的往復(fù)運(yùn)動(dòng)滾珠螺母8連接著葉轂。扭簧9軸向?qū)φ凉L珠絲杠6的軸線，并且在一端連接著葉轂5，在另一端連接著葉片端部7。扭簧9推抵著用于將葉片端部保持在常規(guī)角位置的樞轉(zhuǎn)止擋件卷繞，并且卷繞起足以防止?jié)L珠絲杠6轉(zhuǎn)動(dòng)的尺寸，直至達(dá)到用于啟動(dòng)速度控制的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(rpm)。當(dāng)超過該速度時(shí)，隨著葉片2的扭轉(zhuǎn)沿著絲杠6產(chǎn)生足以克服扭簧9預(yù)載的力，滾珠絲杠6開始轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著葉片2因該作用而被扭轉(zhuǎn)，葉片2上的凈的前向空氣動(dòng)力學(xué)力降低，以防止轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大。優(yōu)選地所有三個(gè)葉片端部以這種方式起作用，以保持平衡。
可樞轉(zhuǎn)連接器的另一個(gè)例子顯示于圖6和7。葉片2包括兩根纜索(10和11)，它們延伸通過葉片2的長度。一根纜索10栓接至葉轂5，從而提供固定樞軸點(diǎn)。另一纜索11連接著彈簧12或其它阻尼器，從而在超過閾值速度時(shí)，類似于前例，彈簧張力被克服，且葉片2能夠扭轉(zhuǎn)，其中栓接纜索10用作所述扭轉(zhuǎn)的樞軸。
確定在哪一側(cè)栓接、在哪一側(cè)連接至彈簧，取決于期望實(shí)現(xiàn)失速還是順槳。
樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的另一個(gè)例子是由設(shè)在葉片端部的多個(gè)彈簧段形成的短螺旋結(jié)構(gòu)，從而各個(gè)彈簧段分別在一端以一螺旋角固定在葉轂上，在另一端固定在葉片上，所有這些彈簧段形成在圓周方向相隔的組。當(dāng)通過葉片離心力施加張力時(shí)，各彈簧的張力在葉片上產(chǎn)生樞轉(zhuǎn)作用。
樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的另一個(gè)例子是由兩個(gè)硬質(zhì)材料的三連桿部分形成的結(jié)構(gòu)，撓性關(guān)節(jié)安置在它們之間，從而各連桿的軸線形成Z形。三個(gè)連桿部分中的每個(gè)分別被面向相鄰的連桿部分折疊，從而位于″Z″形一端的連桿連接著葉片，位于″Z″形另一端的連桿連接著葉轂，當(dāng)葉片移動(dòng)離開葉轂時(shí)，所述折疊形狀張開，葉片相對于葉轂樞轉(zhuǎn)。彈性約束力可以由單獨(dú)連接的彈簧提供，或者通過將連桿本身由彈簧材料制成而提供。
圖8和9示出了不同的方式，其中可樞轉(zhuǎn)連接器扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可被采用。圖8示出了可樞轉(zhuǎn)連接器設(shè)置在兩個(gè)葉轂(4和5)時(shí)的情況。圖9示出了一種替代性形態(tài)，其中可樞轉(zhuǎn)連接器設(shè)置在葉片2的中點(diǎn)13。同葉轂(4和5)處的扭轉(zhuǎn)時(shí)的情況下比，葉片2的中點(diǎn)13處的扭轉(zhuǎn)可以用于減小所需的偏移程度。這里討論的任何扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以適合于安置在任一葉轂處，或是實(shí)際上安置在葉片中點(diǎn)處。
圖10(a)至(f)示出了可以被采用的葉片的各種形態(tài)。圖10(a)示出了一種葉片，其中包含嵌入翼型橫截面形狀的橡膠本體15中的單一的纜索14。圖10(b)包括雙纜索16，用于提高抗拉強(qiáng)度。這種葉片也可以被用于圖6和7所示的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。多纜索或線材17也可以被用于提高抗拉強(qiáng)度，以及控制扭轉(zhuǎn)的程度和一致性。類似地，雙環(huán)纜索18可以提供增大的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)仍適用于圖4和5中采用的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。兩個(gè)雙環(huán)纜索19可以提供類似于圖6和7中的實(shí)施例的配置。另一個(gè)替代性實(shí)施例使用中空本體20，其中填有填料21。中空本體優(yōu)選由纖維材料制成，以承載操作中的張力負(fù)載，例如彎曲索形狀中的張力負(fù)載。
橫截面可以朝向葉轂變化，以便緩解基于位置沿旋轉(zhuǎn)軸的前向推力的振動(dòng)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采用了用于釋放一或多個(gè)葉片的裝置，如圖11所示。本發(fā)明的該實(shí)施例提供了一種失效保護(hù)機(jī)構(gòu)，并且防止渦輪機(jī)在極強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)。該機(jī)構(gòu)可以用于包含根據(jù)本發(fā)明的葉片扭轉(zhuǎn)裝置的渦輪機(jī)中。三個(gè)翼型葉片102在每端固定在裝于轉(zhuǎn)軸(103)上的葉轂(104和105)上。所述軸通常安裝在軸承(未示出)中，并且連接著從動(dòng)負(fù)荷例如發(fā)電機(jī)。
每個(gè)翼型葉片被制作成具有高抗拉強(qiáng)度，但在彎曲方面是半撓性的。
每個(gè)葉片在一端牢固保持在葉轂104上。葉片另一端保持在釋放式夾持件101上。葉片從夾持件釋放是通過葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力引起的葉片張力而實(shí)現(xiàn)的。如果需要其它速度限制系統(tǒng)例如發(fā)電機(jī)負(fù)載失效限制系統(tǒng)，以及需要緊急超速保護(hù)，則也可以設(shè)定這種釋放。
為了在渦輪機(jī)中維持旋轉(zhuǎn)平衡，所有夾持件相連，從而當(dāng)一個(gè)釋放時(shí)，所有其它夾持件也釋放。
釋放機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子是將葉片端部保持在槽中，所述槽維持葉片端部的正確定向。通過線環(huán)或鎖環(huán)來防止所有葉片拉出，所述線環(huán)或鎖環(huán)具有已知的斷裂強(qiáng)度，并且穿伸通過每個(gè)葉片中的孔或銷。如果渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到超速條件，所述環(huán)斷裂，所有葉片從所述槽中釋放。
釋放機(jī)構(gòu)的另一個(gè)例子是將所有可釋放的葉片端部保持在由兩個(gè)葉轂部分之間的間隙形成的槽中。每個(gè)葉片在其端部具有″卡止部″，其與一個(gè)葉轂″半體″中的突起接合而保持葉片就位。用于保持葉片接合的力由普通彈簧或者基本上沿著渦輪機(jī)軸的軸線作用的配重提供。移動(dòng)的葉轂半體能夠略微搖擺，以向所有葉片夾持器施加相等的力。如果葉片離心張力增加到足以將葉片從夾持件的一個(gè)節(jié)點(diǎn)拉出，則所產(chǎn)生的空隙使得夾持件能夠傾斜并且釋放其它葉片。
很顯然，同時(shí)釋放所有葉片是有利的。
可以設(shè)想，將扭轉(zhuǎn)型渦輪機(jī)和釋放型渦輪機(jī)相組合可以提供這樣的方案，即帶有固有速度限制裝置和在達(dá)到閾值釋放速度時(shí)停止渦輪機(jī)的緊急裝置。
本發(fā)明的提供了適用于民用渦輪機(jī)中的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。例如，民用環(huán)境中通常會(huì)有的氣流穩(wěn)流，可以通過豎直軸線渦輪機(jī)而得以利用。此外，本發(fā)明的安全方面，即速度限制系統(tǒng)和可由釋放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的緊急釋放系統(tǒng)，使得本發(fā)明同HAWT相比更好地用于民用。同小型HAWT和以前的達(dá)里厄型渦輪機(jī)相比，還能夠提供降低振動(dòng)的顯著優(yōu)點(diǎn)。
在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，可以做出各種改進(jìn)和修改。例如，本發(fā)明通過應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)的方式被舉例描述。需要指出，本發(fā)明還可以用于流體介質(zhì)例如水。此外，扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以通過電機(jī)或其它任何適宜的控制裝置實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種橫流式渦輪機(jī)，包括一或多個(gè)翼型葉片，其可旋轉(zhuǎn)地圍繞中心軸安裝，并且在所述一或多個(gè)葉片的每個(gè)端部處或靠近所述端部連接著所述中心軸；其中，所述一或多個(gè)葉片具有一定程度的扭轉(zhuǎn)撓度，從而它們可繞葉片縱向軸線扭轉(zhuǎn)，以降低所述一或多個(gè)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)效率，從而控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)葉片設(shè)有可樞轉(zhuǎn)連接器，以允許所述一或多個(gè)翼型葉片繞葉片縱向軸線扭轉(zhuǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)，其特征在于，可樞轉(zhuǎn)連接器在所述一或多個(gè)翼型葉片的一端將所述一或多個(gè)翼型葉片連接至所述中心軸。
4.如權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)，其特征在于，可樞轉(zhuǎn)連接器在所述一或多個(gè)翼型葉片的兩端將所述一或多個(gè)翼型葉片連接至所述中心軸。
5.如權(quán)利要求2至4中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，可樞轉(zhuǎn)連接器在沿所述一或多個(gè)翼型葉片的縱向軸線的一定距離處安置，以連接所述一或多個(gè)翼型葉片的兩個(gè)部分。
6.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，由離心力所引起的所述一或多個(gè)翼型葉片中的張力驅(qū)動(dòng)所述一或多個(gè)翼型葉片樞轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求2至6中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，由離心力所引起的所述一或多個(gè)翼型葉片中的張力驅(qū)動(dòng)所述可樞轉(zhuǎn)連接器樞轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求2至7中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，可樞轉(zhuǎn)連接器設(shè)有樞轉(zhuǎn)阻止裝置，其在低于預(yù)定離心力閾值的情況下防止樞轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其特征在于，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括推抵著樞轉(zhuǎn)止擋件卷繞的扭簧，所述樞轉(zhuǎn)止擋件將所述一或多個(gè)葉片保持就位。
10.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其特征在于，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括一或多個(gè)彈簧，其以一螺旋角固定至所述中心旋轉(zhuǎn)軸，并在另一端固定至所述一或多個(gè)葉片。
11.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其特征在于，樞轉(zhuǎn)阻止裝置包括兩個(gè)由硬質(zhì)材料形成的三連桿部分，撓性關(guān)節(jié)安置在所述連桿之間，各連桿形成Z形。
12.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成當(dāng)達(dá)到張力閾值時(shí)沿預(yù)定方向扭轉(zhuǎn)。
13.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成第一方向扭轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的順槳。
14.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片被構(gòu)造成沿第二方向扭轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的失速。
15.如權(quán)利要求2至14中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，可樞轉(zhuǎn)連接器的樞轉(zhuǎn)由作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的渦輪機(jī)，其特征在于，在達(dá)到中心軸轉(zhuǎn)速的預(yù)定閾值時(shí)，所述作動(dòng)器操作。
17.如權(quán)利要求15或16所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述作動(dòng)器是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的。
18.如權(quán)利要求15至17中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述作動(dòng)器可手工控制。
19.如權(quán)利要求15至18中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述作動(dòng)器可自動(dòng)控制。
20.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片的扭轉(zhuǎn)撓度被設(shè)置在預(yù)定級別。
21.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片適于在繞中心軸旋轉(zhuǎn)過程中呈現(xiàn)為彎曲索形狀。
22.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片包括一或多個(gè)撓性纜索，其由翼型形狀的輪廓封閉。
23.如權(quán)利要求22所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述翼型形狀的輪廓包含填料，以將所述翼型形狀的輪廓機(jī)械式固定至所述一或多根纜索。
24.如前面權(quán)利要求中任一所述的渦輪機(jī)，還包括設(shè)在所述一或多個(gè)葉片一端的連接裝置，其可釋放地連接著所述中心軸，從而在渦輪機(jī)繞所述中心軸的轉(zhuǎn)速增大到等于或超過預(yù)定閾值級別時(shí)，所述一或多個(gè)葉片被釋放。
25.如權(quán)利要求24所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述連接裝置通過夾持器而被可釋放地連接著。
26.一種橫流式渦輪機(jī)，包括一或多個(gè)翼型葉片，其可旋轉(zhuǎn)地圍繞中心軸安裝，并且通過連接裝置而在所述一或多個(gè)葉片的每個(gè)端部處或靠近所述端部連接著中心軸；其中，設(shè)在所述一或多個(gè)葉片一端的所述連接裝置被可釋放地連接著，并且在渦輪機(jī)繞所述中心軸的轉(zhuǎn)速增大到等于或超過預(yù)定閾值級別時(shí)被釋放。
27.如權(quán)利要求26所述的渦輪機(jī)，其特征在于，釋放所述一或多個(gè)翼型葉片的一端將引起所述一或多個(gè)葉片的前向驅(qū)動(dòng)力減小。
28.如權(quán)利要求26或27所述的渦輪機(jī)，其特征在于，在過高轉(zhuǎn)速下因離心力導(dǎo)致的所述一或多個(gè)葉片中的過大張力引起所述一或多個(gè)葉片端部被釋放。
29.如權(quán)利要求26至28中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片是撓性的。
30.如權(quán)利要求26至29中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述連接裝置通過夾持器而被可釋放地連接著。
31.如權(quán)利要求26至30中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)翼型葉片中的每個(gè)被可釋放地連接著，并且，在達(dá)到所述預(yù)定轉(zhuǎn)速閾值時(shí)釋放所述一或多個(gè)葉片。
32.如權(quán)利要求26至31中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，所述一或多個(gè)葉片被基本上同時(shí)釋放。
33.如權(quán)利要求26至32中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，單一的機(jī)構(gòu)被用于釋放所有的所述一或多個(gè)葉片。
34.如權(quán)利要求26至33中任一所述的渦輪機(jī)，其特征在于，當(dāng)所述一或多個(gè)葉片被釋放時(shí)，它們在離心力作用下向外擺動(dòng)。
35.如權(quán)利要求34所述的渦輪機(jī)，其特征在于，釋放所述一或多個(gè)葉片導(dǎo)致渦輪機(jī)立即減慢。
36.如權(quán)利要求35所述的渦輪機(jī)，其特征在于，借助于所述一或多個(gè)葉片僅在一端被保持時(shí)形成的逆向空氣動(dòng)力學(xué)幾何形態(tài)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減慢。
全文摘要
一種橫流式渦輪機(jī)具有一或多個(gè)翼型葉片(2)，其可旋轉(zhuǎn)地圍繞中心軸(3)安裝，并且在所述一或多個(gè)葉片的每個(gè)端部處或靠近所述端部連接著所述中心軸。葉片具有一定程度的扭轉(zhuǎn)撓度，以使得它們能夠繞葉片縱向軸線扭轉(zhuǎn)，以降低葉片的空氣動(dòng)力學(xué)效率，從而控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。葉片的扭轉(zhuǎn)可以通過彈簧(12)、其它機(jī)械式作動(dòng)器或電機(jī)而被主動(dòng)控制。
文檔編號(hào)F03D3/06GK101048591SQ200580030692
公開日2007年10月3日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
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