專利名稱：渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種從流體流捕獲能量的渦輪機(jī)，特別是風(fēng)カ渦輪機(jī)。然而，本發(fā)明也適用于水力渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
流動的流體中的能量，譬如來自于風(fēng)、流動的河水、潮汐中的能量，是用于例如發(fā)電而不會產(chǎn)生諸如ニ氧化碳等污染排放物的能源。目前需要能夠利用風(fēng)或其他流體流有效且經(jīng)濟(jì)地生成電能的裝置。即使現(xiàn)有的商業(yè)和エ業(yè)裝置也具有過長的投資回收期，這說明它們很難證明其具有完全的經(jīng)濟(jì)和商用基礎(chǔ)。
目前主要有兩種類型的風(fēng)カ渦輪機(jī)一種是水平軸風(fēng)カ渦輪機(jī)(HAWT)，其中風(fēng)沿著轉(zhuǎn)軸且穿過由旋轉(zhuǎn)式葉片形成的‘圓盤(disk)’而吹動；另ー種是垂直軸風(fēng)カ渦輪機(jī)(VAffT )，其中風(fēng)垂直于轉(zhuǎn)軸。HAWT是螺旋槳式設(shè)計(jì),其在一端處有長的葉片連接至旋轉(zhuǎn)葉轂(rotating hub)。一旦旋轉(zhuǎn)起來，對每個葉片有影響作用的可感風(fēng)向是沿著葉片(為了獲得最佳性能，該葉片呈扭曲狀)的長度而發(fā)生變化的。現(xiàn)在似乎公認(rèn)的是只有葉片靠外部的三分之一長度才生成可觀的動力。HAWT的尺寸較大，這引起了較大的工程及安裝問題，且這樣的HAWT存在噪曰。VAWT 的典型不例是由 Georges Jean Marie Darrieus 在美國專利 No. 1，835，018中首次說明的達(dá)里厄(Darrieus)設(shè)計(jì)。該潤輪機(jī)具有軸,該軸繞著垂直于風(fēng)向而延伸的軸 線旋轉(zhuǎn)。該渦輪機(jī)具有多個葉片，這些葉片機(jī)械地連接至上述軸。各葉片具有流線型截面，該流線型截面沿著正切干與上述軸同心的圓的軸線延伸。風(fēng)吹過渦輪機(jī)，產(chǎn)生橫向推力且因此使得軸旋轉(zhuǎn)。荷蘭小城洛亨(Lochem)的Turby B. V的VAWT最新設(shè)計(jì)以及XC02/QuietRevolution (英國專利申請No. GB-A-2404227)具有繞著縱向軸線旋轉(zhuǎn)的三個葉片，其中，葉片的上端和下端在水平方向上是相互偏置的，因此每個葉片呈螺旋狀形式。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的其他設(shè)計(jì)在 JP 2008-025518、WO 2006/039727、WO 02/095221、DE 2444803、DE245175UUS 2003/0209911 及 WO 2006/095369 中有所披露。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種從流體流捕獲能量的渦輪機(jī)，特別是風(fēng)カ渦輪機(jī)。所述渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)軸和多個轉(zhuǎn)子葉片，所述多個轉(zhuǎn)子葉片布置成繞著所述轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)，且所述多個轉(zhuǎn)子葉片在基本上平行于所述轉(zhuǎn)軸的方向上縱向延伸；屏蔽件，所述屏蔽件布置成在使用時屏蔽住一些所述轉(zhuǎn)子葉片使得這些轉(zhuǎn)子葉片避開迎面而來的流體流，以免流體沖入到這些轉(zhuǎn)子葉片上從而妨礙所述轉(zhuǎn)子在所述旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)；
其中，所述轉(zhuǎn)子葉片分布在所述轉(zhuǎn)子的圓周上且與所述轉(zhuǎn)軸分隔開，由此在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)界定了ー個大致呈柱形的空間，當(dāng)所述渦輪機(jī)工作時所述流體流穿過所述大致呈柱形的空間；其中，所述屏蔽件由徑向內(nèi)側(cè)表面和徑向外側(cè)表面界定,所述徑向內(nèi)側(cè)表面基本上循著所述轉(zhuǎn)子的一部分圓周；其中，所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面包括與所述徑向內(nèi)側(cè)表面相接的第一部分，且在與所述徑向內(nèi)側(cè)表面交界的區(qū)域中，所述第一部分在第一方向上延伸，所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向在逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角為O度以上且90度以下；并且其中，所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面包括與所述第一部分相接的第二部分，且所述第一方向與第二方向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于O度，所述第二方向循著所述第、ニ部分的至少一部分表面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有上述限定結(jié)構(gòu)的渦輪機(jī)與現(xiàn)有的設(shè)計(jì)相比在動カ輸出和效率上更優(yōu)越。尤其是，很多現(xiàn)有的設(shè)計(jì)依賴于文丘里(Venturi)效應(yīng)來讓空氣流從渦輪機(jī)中隧穿過去。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)，至少在當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例情況下，在使得流體加速流入裝置且穿過裝置的所述屏蔽件的區(qū)域中建立了高壓區(qū)域。所述渦輪機(jī)的敞開式中心允許每個轉(zhuǎn)子葉片與流體相互作用兩次一次是當(dāng)流體進(jìn)入該轉(zhuǎn)子吋，另一次是當(dāng)流體離開該轉(zhuǎn)子時。這使得渦輪機(jī)能夠從流體取得最大能量。所述屏蔽件的所述徑向內(nèi)側(cè)表面循著所述轉(zhuǎn)子的一部分圓周。然而，可以采用但并非必須采用的是所述屏蔽件的所述徑向內(nèi)側(cè)表面沿所述徑向內(nèi)側(cè)表面的整個長度循著所述轉(zhuǎn)子的圓周。因此，所述徑向內(nèi)側(cè)表面可以偏離所述轉(zhuǎn)子的圓周方向，例如處于所述徑向內(nèi)側(cè)表面的背風(fēng)方向。所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向的所述夾角可以大于O度，較佳的是大于15度，優(yōu)選大于30度，更優(yōu)選大于45度，更加優(yōu)選大于60度。所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向的所述夾角可以小于90度，優(yōu)選小于85度，更優(yōu)選小于80度。所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向的所述夾角的優(yōu)選范圍為60度 80度。所述第一方向與所述第二方向的所述夾角可以大于40度，優(yōu)選大于60度。所述第一方向與所述第二方向的所述夾角可以小于100度。所述第一方向與所述第二方向的所述夾角的優(yōu)選范圍為60度 100度。可以認(rèn)為所述第二部分在第二方向上延伸，該第二方向與所述第一方向的反向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的(最大)夾角大于180度。所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面可以包括與所述第二部分相接的第三部分。所述第三部分的至少一部分可以在第三方向上延伸，所述第三方向與所述第二方向在所述旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于O度。因此，所述第三部分的至少一部分可以沿與所述第二方向的反向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角小于180度的第三方向延伸。所述第二方向與所述第三方向的夾角可以小于90度，優(yōu)選小于60度。所述第二方向與所述第三方向的所述夾角可以大于30度。所述第二方向與所述第三方向的所述夾角的優(yōu)選范圍為30度 60度。在某些實(shí)施例中，所述第三部分特別短，則所述第二部分與所述第三部分的所述夾角可以大于90度。當(dāng)所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面是彎曲的時候，所述第一方向和/或所述第二方向和/或所述第三方向可以參照所述彎曲表面的相關(guān)部分的切線來予以確定。因此，根據(jù)本發(fā)明，將這些彎曲表面選擇成使每個彎曲表面具有至少一條與有關(guān)方向的需求相符合的切線。所述第三部分的長度可以大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的一半且小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的三倍。所述第三部分的長度優(yōu)選大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的70%，所述第三部分的長度更優(yōu)選大于所述轉(zhuǎn)子的半徑。所述第三部分的長度優(yōu)選小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的二倍。所述第三部分的長度可以小于所述轉(zhuǎn)子的半徑。在決定第三(尾部)部分的合適長度時，渦輪機(jī)的動カ輸出與整個裝置的穩(wěn)定性及可生產(chǎn)性是此消彼長的關(guān)系。所述轉(zhuǎn)子葉片的剖面可以是拱形。在此意義上，雖然所述轉(zhuǎn)子葉片可以由圓的弧形成，但拱形并不意味著所述轉(zhuǎn)子葉片必須由圓的弧形成，僅僅是指所述轉(zhuǎn)子葉片以某種方式彎曲。帶有凹狀隨面(concave trailing surface)的彎曲葉片設(shè)計(jì)在“捕獲”流體流方面是有效的。同樣，所述轉(zhuǎn)子葉片的凸?fàn)顚?dǎo)面(convex leading surface)能夠引導(dǎo)流體流穿過渦輪機(jī)。所述葉片可以相對于所述轉(zhuǎn)子的徑向是傾斜的。因此，所述葉片的拱形剖面的端部之間的弦線(chord line)與所述轉(zhuǎn)子的外在徑向在逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角可以為大于O 度且小于45度。這里使用的術(shù)語“弦線”并非想要表明所述葉片由圓的弧形成，盡管這也是可以的。所述弦線與所述轉(zhuǎn)子的徑向的夾角可以大于5度，優(yōu)選大于10度。所述弦線與所述轉(zhuǎn)子的徑向的夾角可以小于40度，較佳的是小于35度，優(yōu)選小于30度，更優(yōu)選小于25度，更加優(yōu)選小于20度。盡管全部的所述轉(zhuǎn)子葉片可以在尺寸、位置或取向上都一祥從而簡化渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)及制造，但并不是必需都一祥。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子葉片可以具有螺旋形結(jié)構(gòu)。因此，所述葉片可以不僅在與渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸平行的方向上而且在與所述轉(zhuǎn)軸相切的方向上縱向延伸，由此界定了螺旋。典型地，所述渦輪機(jī)可以包括多于5個且少于19個的轉(zhuǎn)子葉片。較佳的是，所述渦輪機(jī)可以包括多于7個的轉(zhuǎn)子葉片。較佳的是，所述渦輪機(jī)可以包括少于17個的轉(zhuǎn)子葉片，優(yōu)選少于15個的轉(zhuǎn)子葉片，更優(yōu)選少于13個的轉(zhuǎn)子葉片，更加優(yōu)選少于11個的轉(zhuǎn)子葉片，最優(yōu)選少于9個的轉(zhuǎn)子葉片。當(dāng)前,優(yōu)選的全尺寸生產(chǎn)原型(full-size productionprototype)的潤輪機(jī)設(shè)計(jì)包括8個轉(zhuǎn)子葉片。所述轉(zhuǎn)子葉片在所述轉(zhuǎn)子的徑向上的尺度可以大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的10%且小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的50%。較佳的是，所述轉(zhuǎn)子葉片在所述轉(zhuǎn)子的徑向上的尺度可以大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的15%，優(yōu)選大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的20%，更優(yōu)選大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的25%。較佳的是，所述轉(zhuǎn)子葉片在所述轉(zhuǎn)子的徑向上的尺度可以小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的45%，優(yōu)選小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的40%。所述渦輪機(jī)可以包括位于所述大致呈柱形空間內(nèi)的導(dǎo)流部件。所述導(dǎo)流部件可以具有徑向外側(cè)表面，所述徑向外側(cè)表面基本上循著所述大致呈柱形空間的圓周的一部分。所述導(dǎo)流部件可以具有基本上鏡像所述徑向外側(cè)表面的徑向內(nèi)側(cè)表面。所述渦輪機(jī)可以配置成使得界定了所述屏蔽件的所述轉(zhuǎn)子的半徑與流體流流入渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方向的夾角(“風(fēng)向角(wind angle)”)為O度以上且45度以下。所述風(fēng)向角可以大于O度，優(yōu)選大于5度，更優(yōu)選大于10度。所述風(fēng)向角可以小于45度，優(yōu)選小于35度，更優(yōu)選小于25度。所述風(fēng)向角的優(yōu)選范圍為10度 25度。


下面，僅以示例的方式且參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖I是用來解釋本發(fā)明的裝置的平面圖；圖2a是圖I所示裝置的一部分的剖面圖；圖2b是圖2a所示裝置的一部分的替代實(shí)施例的剖面圖；圖3是具體體現(xiàn)了本發(fā)明的裝置的平面圖；圖4是本發(fā)明另ー實(shí)施例的渦輪機(jī)的示意性平面圖；以及圖5是本發(fā)明又一實(shí)施例的渦輪機(jī)的示意性平面圖。
具體實(shí)施例方式圖I中以風(fēng)カ渦輪機(jī)的形式示出了用來將流體流轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的裝置100。驅(qū)動葉片是沿著轉(zhuǎn)軸延伸的，且轉(zhuǎn)軸是從地面豎直伸出的。因此，該裝置可以被描述為垂直軸風(fēng)カ渦輪機(jī)。圖I中流體流的方向與裝置的轉(zhuǎn)軸相互垂直。該裝置可以采取帶有ー個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的簡單配置形式，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件把來自風(fēng)カ的動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。如圖I所示，裝置100包括由軸102形成的轉(zhuǎn)子，多個葉片104連接至軸桿102且圍繞軸102布置。各葉片104借助于圓盤101連接至軸102。圓盤101以軸102為中心且與軸102相連接。從剖面圖看，各葉片104是具有凸?fàn)顚?dǎo)面和凹狀隨面的拱形。各葉片104在徑向上與軸102相距ー樣的間距，且各葉片104沿著圓周以均等的間距排列著。各葉片104的縱長軸基本上平行于軸102而延伸。各葉片104都是ー樣的且是直的。各葉片也可以是螺旋形的，即它們在沿著轉(zhuǎn)軸延伸的同時也繞著轉(zhuǎn)軸呈扭曲狀。各葉片還可以在沿著轉(zhuǎn)軸延伸的同時也朝著轉(zhuǎn)軸延伸。轉(zhuǎn)軸102可以連接至發(fā)電機(jī)或其他的發(fā)電設(shè)備，以便利用流體流來發(fā)電。可選的，轉(zhuǎn)軸102可以作為動カ使用，或者在把動カ和發(fā)電結(jié)合起來的情況下使用。圖2a中示出了葉片104的剖面形狀。葉片104具有彎曲的(拱形)輪廓，其逐漸變細(xì)直至在每一端部或每ー邊緣105處成為ー個點(diǎn)。從ー個端部到另ー個端部，上(導(dǎo))側(cè)表面或上拱起106長于下(隨)側(cè)表面或下拱起108。因此，每個葉片104具有翼形剖面。在本實(shí)施例中，各葉片104關(guān)于與弦線107垂直的面是對稱的。弦線或弦軸107是在葉片104的端部105之間延伸或界于葉片104的端部105之間的直線?？梢詫⒏魅~片104布置成讓每個葉片的弦線或弦軸107穿過裝置100的轉(zhuǎn)軸(圖I中的線113)，但這不是必須的。圖2b中示出了可替代的葉片剖面，且同一部分被賦予同一附圖標(biāo)記。每個葉片104的端部并不是形成ー個點(diǎn)，而是端部120被倒圓了。在圖I的示例中，各葉片的取向是使得該裝置沿著箭頭112所示的順時針方向旋轉(zhuǎn)。由于這些葉片的取向，并不是全部的葉片104都對裝置100在所需的方向上進(jìn)行驅(qū)動。在圖I的示例中，被標(biāo)記為“X”的葉片產(chǎn)生了阻力且產(chǎn)生了將圓盤在相反(逆時針)方向上驅(qū)動的矢量力(vectored force)。從非常普遍的方面講，跟被標(biāo)記為“b”的葉片ー樣，被標(biāo)記為“a”的葉片產(chǎn)生了將裝置在順時針方向上驅(qū)動的矢量力。產(chǎn)生了阻カ且將裝置在逆時針方向上驅(qū)動的葉片“X”位于145°與255°之間范圍內(nèi)的角度θχ。將裝置在順時針方向上驅(qū)動的葉片“a”位于255°與35°之間范圍內(nèi)的角度Θ a。也將裝置在順時針方向上驅(qū)動的葉片b位于35°與145°之間范圍內(nèi)的角度0b。因此，在跨度250°范圍內(nèi)的葉片將裝置在順時針方向上驅(qū)動。在圖3所示的實(shí)施例(與圖I中相同的部分被賦予相同的附圖標(biāo)記)中，導(dǎo)板或翅片150用來引導(dǎo)流體流，從而増大了裝置148在所需方向(本例中，為順時針方向)上產(chǎn)生推カ的那部分葉片104。防護(hù)板或屏蔽板152用來減小該裝置在相反的、不需要的方向(本例中，為逆時針方向)上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的那部分葉片104。為了改善或優(yōu)化流體流對葉片的攻角，通常將導(dǎo)板布置成垂直于當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時這些葉片運(yùn)動的瞬時方向或線性方向，或者垂直于與這些葉片連接的上述圓盤的圓周或邊緣。將屏蔽件設(shè)置成至少在局部防止了流體流動到如下的一部分葉片上這部分葉片與流體流的方向相對地進(jìn)行取向，因而它們產(chǎn)生了與所需方向相反的矢量力。本實(shí)施例中示出的導(dǎo)板或翅片不是必須使用的，這從圖4和圖5的實(shí)施例中顯然可知。在軸102的兩側(cè)都固定有屏蔽件152 (在圖3中分別被示出為V1和V2X屏蔽件V1和' 的內(nèi)邊緣154在各自的兩端處背離上述軸而向外彎曲。這種形狀形成了讓流體從其中流過的文丘里通道(Venturi channel)。屏蔽件V1和V2的外邊緣156平行于裝置的外 圓周而向內(nèi)彎曲。屏蔽件152的外邊緣156與上述外圓周之間的間隔的大小允許葉片104在其中運(yùn)動。屏蔽件V1和V2的迎風(fēng)側(cè)158在該屏蔽件V1和V2的內(nèi)邊緣154與外邊緣156之間呈傾斜狀，以將空氣流引導(dǎo)至文丘里通道內(nèi)。屏蔽件V1和V2的背風(fēng)側(cè)160在該屏蔽件V1和V2的內(nèi)邊緣154與外邊緣156之間呈傾斜狀，以將空氣流從文丘里通道內(nèi)向外引導(dǎo)至背風(fēng)側(cè)葉片上。文丘里通道驅(qū)使離開迎風(fēng)側(cè)葉片的風(fēng)到達(dá)背風(fēng)側(cè)葉片。本實(shí)施例中示出的文丘里通道不是必須使用的，這從圖4和圖5的實(shí)施例中顯然可知。導(dǎo)板gl都位于渦輪機(jī)的迎風(fēng)側(cè)。它們將流體流引導(dǎo)至位于渦輪機(jī)的迎風(fēng)側(cè)的葉片上。這就提供了理想的攻角從而使來自迎風(fēng)側(cè)的葉片上的動カ最大化。導(dǎo)板gli薄的平坦部件或長翅片，它們的縱長軸平行于上述軸而延伸。導(dǎo)板gl沿著渦輪機(jī)的圓周相互間隔開。在圖3所示的示例中，有六塊這樣的導(dǎo)板。即，該導(dǎo)板的數(shù)量與在迎風(fēng)側(cè)上能夠安裝于屏蔽件V1和V2之間的葉片的數(shù)量一致。導(dǎo)板g2都位于渦輪機(jī)的背風(fēng)側(cè)，且在屏蔽件V1及V2與背風(fēng)側(cè)葉片之間。它們也將流體流引導(dǎo)至位于渦輪機(jī)的背風(fēng)側(cè)的葉片上。這就提供了理想的攻角從而使來自背風(fēng)側(cè)的葉片上的動カ最大化。導(dǎo)板g2也是薄的平坦部件或伸長的翅片，它們的縱長軸平行于上述軸而延伸。導(dǎo)板g2沿著渦輪機(jī)的圓周相互間隔開。在圖3所示的示例中，有六塊這樣的導(dǎo)板。即，該導(dǎo)板的數(shù)量與在背風(fēng)側(cè)上能夠安裝于屏蔽件V1和V2之間的葉片的數(shù)量一致。屏蔽件V3防止了在不需要的逆時針方向上對裝置進(jìn)行驅(qū)使的負(fù)矢量力。屏蔽件V3固定于將渦輪機(jī)在逆時針方向上驅(qū)動的那些葉片104的外面。屏蔽件V3的內(nèi)側(cè)邊162呈彎曲狀且圍繞著渦輪機(jī)的外圓周。隧道166從迎風(fēng)側(cè)上的內(nèi)側(cè)邊162向外展開。隧道166將空氣流引導(dǎo)至葉片104上，這產(chǎn)生了順時針旋轉(zhuǎn)。在背風(fēng)側(cè)上位于內(nèi)側(cè)邊與外側(cè)邊之間的部分168是傾斜的，以允許空氣從葉片104向外流出。本實(shí)施例在渦輪機(jī)的迎風(fēng)側(cè)的90°范圍上以及背風(fēng)側(cè)的90°范圍上提供驅(qū)動力，因此總共在渦輪機(jī)的180°范圍上提供了這樣的驅(qū)動力。穿過露出的四分之一圓169(圖3)(從屏蔽件Vl的外側(cè)邊緣沿徑向向外延伸的區(qū)域)而作用于葉片的平坦側(cè)、下側(cè)或下拱起108 (圖2a和圖2b)上的流體壓カ提供了推動力。
在本示例中，裝置148與風(fēng)向標(biāo)形式的輪葉(vane) —起位于可轉(zhuǎn)動式安裝架上，因此裝置148總保持為“頂著風(fēng)(head to wind)”，即導(dǎo)板gl處于迎風(fēng)側(cè)且導(dǎo)板g2處于背風(fēng)側(cè)。屏蔽件V1是可選的。如果不存在屏蔽件V1,則裝置的性能更好，因?yàn)榱黧w流推動了位于四分之一圓169內(nèi)的那些葉片，從而在這附近進(jìn)ー步驅(qū)動了渦輪機(jī)100。圖4示意性地示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)カ渦輪機(jī)的幾何平面圖。該渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子包括圍繞其圓周均勻分布的8個葉片104。跟前述實(shí)施例中一祥，轉(zhuǎn)子葉片104在頂部圓盤與底部圓盤之間大體上垂直地延伸，因此在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部形成了能夠讓風(fēng)通過的空間。在圖4中，由箭頭W示意地表示風(fēng)向。屏蔽件V3防止轉(zhuǎn)子的一部分接觸到風(fēng)。屏蔽件V3的面對著轉(zhuǎn)子的表面(徑向內(nèi)側(cè)表面)循著轉(zhuǎn)子的圓周且留有足夠的空隙讓轉(zhuǎn)子安全地旋轉(zhuǎn)。屏蔽件V3的徑向外側(cè)表面由線rl、線η、線P和線q界定。線rl是界定了轉(zhuǎn)子的圓的半徑且標(biāo)志著屏蔽件V3在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(圖4中的逆時針方向)上的最大尺度。在本實(shí)施例中，半徑rl與假設(shè)的風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向(圖4中的順時針方向)上的夾角Wrl (“風(fēng)向角”)為15度。屏蔽件V3的迎風(fēng)面由線η界定，在本實(shí)施例中，該線η與風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上的夾角fc為90度。此外，屏蔽件V3的外表面由線P界定，在本實(shí)施例中，該線P與風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Wp為30度。因此，在圖4所示的實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上，屏蔽件V3的由線η界定的表面與屏蔽件V3的由線P界定的表面之間的夾角ηρ為60度。如果風(fēng)向與屏蔽件V3的迎風(fēng)面η的夾角Wn增大了，則屏蔽件V3的前表面提供對于風(fēng)而言更具流線型的表面，該表面將空氣引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子葉片104上。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于屏蔽件而言較佳的是大體在線η與線P的交叉點(diǎn)附近產(chǎn)生高壓區(qū)域，這將會促使空氣從轉(zhuǎn)子中穿過而不是從轉(zhuǎn)子周圍穿過。屏蔽件V3包括尾部V5，該尾部V5在由線q表示的方向上從轉(zhuǎn)子向遠(yuǎn)處延伸，在本實(shí)施例中該尾部V5平行于轉(zhuǎn)子的半徑，因此尾部V5具有恒定不變的寬度。尾部V5提高了在屏蔽件V3附近對于風(fēng)流的阻力且因此増大了由屏蔽件V3產(chǎn)生的高壓區(qū)域。在本實(shí)施例中，屏蔽件V3的由線P界定的外表面與尾部V5的由線q界定的外表面在旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Pq為45度。在轉(zhuǎn)子內(nèi)，內(nèi)部屏蔽件V2提供讓風(fēng)從轉(zhuǎn)子中穿過的流線型通道。內(nèi)部屏蔽件V2由如下兩個半徑之間的弧界定該兩個半徑限定了屏蔽件V3、V5關(guān)于轉(zhuǎn)子的范圍。內(nèi)部屏蔽件V2的徑向外側(cè)弧線循著由葉片104的徑向內(nèi)側(cè)邊緣界定的圓，且留有足夠的間隙讓轉(zhuǎn)子安全地旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部屏蔽件V2的徑向內(nèi)側(cè)表面沿著界定了上述外側(cè)表面的那個弧的兩端之間的弦線與上述外側(cè)表面的輪廓鏡像。在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片104是拱形，且循著徑向最內(nèi)側(cè)點(diǎn)與徑向最外側(cè)點(diǎn)之間的曲線。將徑向最內(nèi)側(cè)點(diǎn)與徑向最外側(cè)點(diǎn)連接起來的直線由圖4中的線m表示。在該示出的實(shí)施例中，界定了轉(zhuǎn)子的上述圓的半徑與將轉(zhuǎn)子葉片的兩端連接起來的上述線在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角r2m大約為35度。這個角度的重要性在于通過讓轉(zhuǎn)子葉片相對于所 述轉(zhuǎn)子的徑向向后傾斜，即在逆旋轉(zhuǎn)方向(旋轉(zhuǎn)方向的反方向)上傾斜，轉(zhuǎn)子葉片的導(dǎo)面在空氣完全從屏蔽件V3冒出之前就引導(dǎo)空氣穿過轉(zhuǎn)子從而捕獲該風(fēng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這顯著加強(qiáng)了渦輪機(jī)的動カ輸出。在該圖示的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子的直徑為I. 6m。這是原型尺寸，而全尺寸轉(zhuǎn)子的直徑大約為20m。在原型中，屏蔽件V3的厚度例如當(dāng)在尾部V5的遠(yuǎn)端處進(jìn)行測量時為21cm，該尾部的長度大約為2m。圖5示意性地示出了本發(fā)明又一實(shí)施例的風(fēng)カ渦輪機(jī)的幾何平面圖。在本實(shí)施例中，相比于圖4的實(shí)施例，屏蔽件V3的外側(cè)表面具有更彎曲、角度更小的輪廓。然而，根據(jù)本發(fā)明的屏蔽件的幾何結(jié)構(gòu)是類似的。在圖5的實(shí)施例中，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子包括沿其圓周均勻分布的8個葉片104。跟前述實(shí)施例中一祥，各轉(zhuǎn)子葉片104在頂部圓盤與底部圓盤之間基本 上垂直地延伸，使得在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部形成了能夠讓風(fēng)穿過的空間。在圖5的實(shí)施例中，屏蔽件V3的面對著轉(zhuǎn)子的表面(徑向內(nèi)側(cè)表面)循著轉(zhuǎn)子的圓周且留有足夠的間隙讓轉(zhuǎn)子安全地旋轉(zhuǎn)。屏蔽件V3的徑向外側(cè)表面由線rl、線η、線P和線q界定。線rl是界定了轉(zhuǎn)子的上述圓的半徑，且標(biāo)志著屏蔽件V3在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(圖5中的逆時針方向)上的最大尺度。從半徑rl開始，屏蔽件V3的徑向外側(cè)表面形成了光滑曲線，該曲線首先在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向(圖5中的順時針方向)上彎曲，然后改變方向在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(圖5中的逆時針方向)上彎曲。在本實(shí)施例中，半徑rI與假設(shè)的風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Wrl(“風(fēng)向角”)為15度。屏蔽件V3的迎風(fēng)面由線η界定，該線η是在該彎曲表面與轉(zhuǎn)子的半徑rl相接之處對該彎曲表面的切線(忽略在屏蔽件V3的頂端處的任何小規(guī)模平滑化)。在本實(shí)施例中，該線η與風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Wn為95度。屏蔽件V3的外表面還由線P界定，該線P代表了屏蔽件的彎曲外表面在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上(即，在上述曲線改變方向之前)的最大角寬范圍。在本實(shí)施例中，線η與線P在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角ηρ為80度。因此，本實(shí)施例中，線P與風(fēng)向W在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Wp為15度。跟前述實(shí)施例中一祥，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較佳的是將上述屏蔽件的結(jié)構(gòu)選擇成大體在線η與線P的交叉點(diǎn)附近產(chǎn)生高壓區(qū)域，這將會促使空氣從轉(zhuǎn)子中穿過而不是從轉(zhuǎn)子周圍穿過。屏蔽件V3包括尾部V5，該尾部V5在由線q表示的方向上從轉(zhuǎn)子向遠(yuǎn)處延伸。線q代表了在上述曲線改變方向之后屏蔽件的彎曲外表面在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(圖5中的逆時針方向)上的最大角寬范圍。在本實(shí)施例中，屏蔽件V3的由線P界定的外表面與尾部V5的由線q界定的外表面在旋轉(zhuǎn)方向上的夾角Pq為55度。在轉(zhuǎn)子內(nèi)，以與圖4的實(shí)施例中ー樣的方式，內(nèi)部屏蔽件V2提供了讓風(fēng)從轉(zhuǎn)子中穿過的流線型通道。在圖5的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片104是拱形，且循著徑向最內(nèi)側(cè)點(diǎn)與徑向最外側(cè)點(diǎn)之間的曲線。本實(shí)施例的轉(zhuǎn)子葉片104具有凸?fàn)顚?dǎo)面和凹狀隨面。將徑向最內(nèi)側(cè)點(diǎn)與徑向最外側(cè)點(diǎn)連接起來的直線由圖5中的線m表示。在該示出的實(shí)施例中，界定了轉(zhuǎn)子的上述圓的半徑與將轉(zhuǎn)子葉片的兩端連接起來的上述線在轉(zhuǎn)子的逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角r2m為15度。在圖5的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子的直徑為I. 6m。這是原型尺寸，而全尺寸轉(zhuǎn)子的直徑大約為20m。在原型中，尾部的長度為0.6m。概括而言，裝置100的原理是使用了葉片104，該葉片104被布置成繞著固定軸線旋轉(zhuǎn)，且葉片104的主軸或長軸平行于該轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸的取向并不重要。但是，為了最高的效率，該轉(zhuǎn)軸應(yīng)該垂直于法向空氣流。于是，空氣從裝置100中橫穿流過?？諝饬鞅恢敢蛞龑?dǎo)著穿過裝置的直徑且穿過旋轉(zhuǎn)中心。于是，該空氣流穿過位于對面?zhèn)鹊牧愆`葉片104。該空氣然后就流出成為自由空氣。穿過葉片104的空氣的活動產(chǎn)生了與葉片104的主軸垂直的力，該カ借助于合適的結(jié)構(gòu)(例如，圓盤或輪)被傳遞給軸102，利用該軸102的旋轉(zhuǎn)獲得了動力。在本發(fā)明的實(shí)施例中，既利用屏蔽件的物理結(jié)構(gòu)又利用高壓區(qū)域和低壓區(qū)域來引導(dǎo)空氣，上述高壓區(qū)域和低壓區(qū)域是由屏蔽件和轉(zhuǎn)子與空氣的相互作用形成的。轉(zhuǎn)子的內(nèi)部或內(nèi)側(cè)被屏蔽或具有輸送通路，使得流入的空氣流被指引得以最佳的角度穿過直徑或中心然后穿過葉片而流出。由于每個葉片在轉(zhuǎn)子的一次循環(huán)中都遭受兩個方向上的流體流，因此對稱的葉片剖面意味著每個葉片在遭受到兩個方向上的流體流時都 向轉(zhuǎn)軸提供動力。對葉片上的流體流的控制為每個葉片賦予了最佳的攻角。概括而言，從流體流獲取能量的風(fēng)カ渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，上述轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)軸和多個轉(zhuǎn)子葉片104，上述多個轉(zhuǎn)子葉片被布置成繞著該轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。各轉(zhuǎn)子葉片在基本上平行于轉(zhuǎn)軸的方向上縱向延伸。當(dāng)風(fēng)吹入到一些轉(zhuǎn)子葉片上時將會妨礙所述轉(zhuǎn)子在所述旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)，屏蔽件V3被布置成屏蔽住這些轉(zhuǎn)子葉片使得這些轉(zhuǎn)子葉片避開迎面而來的風(fēng)。轉(zhuǎn)子葉片104被分布在轉(zhuǎn)子的圓周上且與所述轉(zhuǎn)軸分隔開，由此在轉(zhuǎn)子內(nèi)界定了讓風(fēng)從其中穿過的大致呈柱形空間。屏蔽件V3由徑向內(nèi)側(cè)表面和徑向外側(cè)表面界定。所述徑向內(nèi)側(cè)表面基本上循著轉(zhuǎn)子的圓周的一部分。屏蔽件V3的所述徑向外側(cè)表面包括與所述徑向內(nèi)側(cè)表面相接的第一部分。在與所述徑向內(nèi)側(cè)表面交界的區(qū)域中，所述第一部分在第一方向η上延伸，該第一方向η與所述轉(zhuǎn)子的徑向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角為O度以上且90度以下。屏蔽件V3的所述徑向外側(cè)表面包括與所述第一部分相接的第二部分。所述第二部分的至少一部分在第二方向P上延伸，該第二方向P與所述第一方向η在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于O度。本渦輪機(jī)與先前的類似設(shè)計(jì)相比具有更高的動カ輸出和效率。已經(jīng)具體參照圖示的示例說明了本發(fā)明的實(shí)施例。然而，應(yīng)該理解，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)對上述示例做出改變和修改。雖然主要針對流體流是風(fēng)的情況對上述示例進(jìn)行了說明，但本文描述的裝置也可以在其他流動的流體(例如河中和潮汐的流水)情況下使用。雖然已經(jīng)說明的圖I和圖3的裝置具有24個繞著圓周的葉片，但也可以使用其他不同數(shù)量的葉片。
權(quán)利要求
1.一種從流體流捕獲能量的渦輪機(jī)，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)軸和多個轉(zhuǎn)子葉片，所述多個轉(zhuǎn)子葉片布置成繞著所述轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)，且所述多個轉(zhuǎn)子葉片在基本上平行于所述轉(zhuǎn)軸的方向縱向延伸； 屏蔽件，所述屏蔽件布置成在使用時屏蔽住一些所述轉(zhuǎn)子葉片，使得這些轉(zhuǎn)子葉片避開迎面而來的流體流，以免流體沖入到這些轉(zhuǎn)子葉片上從而妨礙所述轉(zhuǎn)子在所述旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)； 其中，所述轉(zhuǎn)子葉片分布在所述轉(zhuǎn)子的圓周上且與所述轉(zhuǎn)軸分隔開，由此在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)界定大致呈柱形的空間，當(dāng)所述渦輪機(jī)工作時所述流體流穿過所述大致呈柱形的空間； 所述屏蔽件由徑向內(nèi)側(cè)表面和徑向外側(cè)表面界定，所述徑向內(nèi)側(cè)表面基本上循著所述轉(zhuǎn)子的一部分圓周； 所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面包括與所述徑向內(nèi)側(cè)表面相接的第一部分，且在與所述徑向內(nèi)側(cè)表面交界的區(qū)域中，所述第一部分在第一方向上延伸，所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向在逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角為O度以上且90度以下；并且 所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面包括與所述第一部分相接的第二部分，且所述第一方向與第二方向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于0度，所述第二方向循著所述第二部分的至少一部分表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪機(jī)，其中所述第一方向與所述轉(zhuǎn)子的徑向的所述夾角大于0度且小于90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的渦輪機(jī)，其中所述第一方向與所述第二方向的所述夾角大于0度且小于140度。
4.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中所述屏蔽件的所述徑向外側(cè)表面包括與所述第二部分相接的第三部分，且所述第三部分的至少一部分沿第三方向延伸，所述第三方向與所述第二方向在所述旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于0度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)，其中所述第二方向與所述第三方向的所述夾角小于90度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的渦輪機(jī)，其中所述第三部分的長度大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的一半且小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的三倍。
7.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子葉片的剖面呈拱形，并且所述轉(zhuǎn)子葉片的所述拱形剖面的端部之間的弦線與所述轉(zhuǎn)子朝外的徑向在所述逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于0度且小于45度。
8.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括多于5個且少于19個的轉(zhuǎn)子葉片。
9.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子葉片在所述轉(zhuǎn)子的徑向上的尺度大于所述轉(zhuǎn)子的半徑的10%且小于所述轉(zhuǎn)子的半徑的50%。
10.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)還包括位于所述大致呈柱形的空間內(nèi)的導(dǎo)流部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)，其中所述導(dǎo)流部件具有徑向外側(cè)表面，所述徑向外側(cè)表面基本上循著所述大致呈柱形的空間的一部分圓周。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪機(jī)，其中所述導(dǎo)流部件具有基本上鏡像所述徑向外側(cè)表面的徑向內(nèi)側(cè) 表面。
全文摘要
從流體流捕獲能量的風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)軸和布置成繞著該轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的多個轉(zhuǎn)子葉片(104)。各轉(zhuǎn)子葉片在基本上平行于轉(zhuǎn)軸的方向縱向延伸。當(dāng)風(fēng)吹入到一些轉(zhuǎn)子葉片上時將會妨礙轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)，屏蔽件V3布置成屏蔽這些轉(zhuǎn)子葉片使得它們避開迎面而來的風(fēng)。轉(zhuǎn)子葉片(104)分布在轉(zhuǎn)子的圓周上且與轉(zhuǎn)軸分隔開，由此在轉(zhuǎn)子內(nèi)界定了讓風(fēng)從其中穿過的大致呈柱形空間。屏蔽件V3由徑向內(nèi)側(cè)表面和徑向外側(cè)表面界定。徑向內(nèi)側(cè)表面基本上循著轉(zhuǎn)子的一部分圓周。屏蔽件V3的徑向外側(cè)表面包括與徑向內(nèi)側(cè)表面相接的第一部分。在與徑向內(nèi)側(cè)表面交界的區(qū)域中，第一部分在第一方向n上延伸，該第一方向n與轉(zhuǎn)子的徑向在逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角為0度以上且90度以下。屏蔽件V3的徑向外側(cè)表面包括與第一部分相接的第二部分。第二部分的至少一部分在第二方向p上延伸，該第二方向p與第一方向n在逆旋轉(zhuǎn)方向上的夾角大于0度。本渦輪機(jī)與先前的類似設(shè)計(jì)相比具有更好的動力輸出和效率。
文檔編號F03D3/04GK102713265SQ201080054243
公開日2012年10月3日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者安東尼·芬威克-威爾遜, 尼克·克羅夫特, 艾莉森·威廉斯, 薩姆·羅蘭, 馬克·克羅斯, 鮑勃·泰 申請人:橫流能源有限公司