專利名稱：由流體介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)，其具有可調(diào)整的葉片，并由流體介質(zhì)驅(qū)動(dòng)，還涉及采用這種渦輪機(jī)生產(chǎn)電能的方法。
背景技術(shù)：
很久以來，人們采用不同類型的設(shè)備來利用流體介質(zhì)中的能量。近幾十年來，具有水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的風(fēng)力渦輪機(jī)得到發(fā)展，并且被大量部署，用于生產(chǎn)電能。但是，這種設(shè)備中存在著大量缺陷，例如，噪音、視覺環(huán)境污染、生產(chǎn)和安裝成本過高。大部分風(fēng)力渦輪機(jī)僅僅利用了全部可以利用的風(fēng)力能量的一小部分。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)開發(fā)出具有豎直軸的風(fēng)力渦輪機(jī)。與上述設(shè)備比較，這些設(shè)備具有許多優(yōu)點(diǎn)例如由于其圓周速度低，所以噪音低，而且安裝結(jié)構(gòu)的高度低，因此降低了安裝和運(yùn)行成本。這種設(shè)備不依賴于風(fēng)的方向。已經(jīng)知道，需要調(diào)整風(fēng)力沖擊葉片的角度，其取決于介質(zhì)的強(qiáng)度和速度。已經(jīng)知道，調(diào)整風(fēng)力沖擊葉片的角度具有不同的方式，但是，還沒有找到獨(dú)立調(diào)整葉片的有效方法。
美國(guó)專利US-4052134公開了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在該轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有設(shè)有儀器的翼片，以便在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡路徑中，調(diào)整葉片返回穩(wěn)定位置。
挪威專利NO-302590公開了一種具有豎直軸的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中設(shè)有儀器，用于向葉片施加反作用，使葉片趨于和風(fēng)的視風(fēng)向?qū)?zhǔn)。
美國(guó)專利US-4168439公開了一種巨型風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)、齒輪和儀器系統(tǒng)，以便控制非常巨大的翼片，其主要用于控制該設(shè)備的開啟和停止。
丹麥專利DK-164294公開一種改善風(fēng)力渦輪機(jī)翼片的方法，其通過在翼片的自由端設(shè)置可變化的魚雷形的物體，從而改善了風(fēng)力渦輪機(jī)翼片。
美國(guó)專利US-2950765和US-2250772公開了具有豎直軸和受控制的葉片的渦輪機(jī)，其中所有的葉片借助桿件推拉，同時(shí)被引導(dǎo)著進(jìn)入設(shè)定的位置。所述桿件通過偏心安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)輪的錯(cuò)位而被導(dǎo)向。這些渦輪機(jī)是為船舶獲得推動(dòng)力而設(shè)計(jì)的。
用于從流動(dòng)的水流中轉(zhuǎn)換能量的渦輪機(jī)屬于現(xiàn)有技術(shù)。通常，在大部分渦輪機(jī)中，水流必須以有限的速度、方向和流量對(duì)準(zhǔn)渦輪機(jī)的動(dòng)力生產(chǎn)區(qū)域。已經(jīng)證實(shí)，推動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能與流體介質(zhì)的流動(dòng)速度成正比例，即，隨著在渦輪機(jī)動(dòng)力生產(chǎn)區(qū)域水流速度的增加，渦輪機(jī)生產(chǎn)的電能量增加。
更有利的是，要在電能生產(chǎn)中利用低速流體的能量。本發(fā)明以簡(jiǎn)單、便宜的方式實(shí)現(xiàn)了這種可能性。
發(fā)明概述本發(fā)明為此提供了一種由流動(dòng)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電能的渦輪機(jī)，其包括多個(gè)具有合適長(zhǎng)度、寬度和厚度的葉片，所述葉片具有按照國(guó)家航天顧問委員會(huì)(NACA)標(biāo)準(zhǔn)確定的流力動(dòng)力學(xué)形狀。各葉片通過葉片軸的上部固定到可以轉(zhuǎn)動(dòng)的、平圓盤形狀的支撐結(jié)構(gòu)上，所述支撐結(jié)構(gòu)連接渦輪機(jī)的主軸，而且葉片的縱向軸基本上平行于主軸。其中各葉片上裝有馬達(dá)，采用的馬達(dá)獨(dú)立地使各葉片圍繞其縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立于另一個(gè)葉片，以便各葉片的主表面進(jìn)入相對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的方向需要的相對(duì)和絕對(duì)沖擊角度。
這種渦輪機(jī)適用于在流速相當(dāng)?shù)退俚乃髦猩a(chǎn)電能。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是示意性的透視圖，其表示本發(fā)明的豎直軸的渦輪機(jī)，其具有四個(gè)葉片。
圖2是水平截面圖，其表示固定有四個(gè)葉片的平圓盤形支撐結(jié)構(gòu)。
圖3是葉片的豎直截面圖。
圖4是建議在葉片的自由端采用的流體動(dòng)力體的示意圖。
對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的目的是提供一種渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)有利于最好地利用來自不同方向以低速移動(dòng)的介質(zhì)中的動(dòng)力。
術(shù)語“流動(dòng)介質(zhì)”是指所有的流體流，比如自然運(yùn)動(dòng)的水流或氣流。運(yùn)動(dòng)的水包括在小溪流和河流中的水，通過管道或?qū)Ч?、和類似的容器輸送到渦輪機(jī)的水，以及各種已知的湖泊和海洋中的波濤。
術(shù)語“葉片”是指任何一種具有沿著一根連接軸連接的、兩個(gè)相應(yīng)的、彎曲的細(xì)長(zhǎng)外表面區(qū)域的翼片狀輪廓，其沿著速度方向呈圓形，在后部分尺寸減小形成銳利的邊緣。因此，葉片具有流體動(dòng)力學(xué)的形狀。多種不同形狀的葉片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)被記載在著名的國(guó)家航天顧問委員會(huì)(NACA)的標(biāo)準(zhǔn)中。
可以采用多種葉片形狀，但是，作為優(yōu)選的葉片形狀，可以由標(biāo)準(zhǔn)NACA63.015給出。
每個(gè)葉片具有沿縱向方向的豎直偏心軸。如果渦輪機(jī)是水平類型的設(shè)備，所說偏心軸沿著水平方向設(shè)置。本發(fā)明的渦輪機(jī)設(shè)有2～10個(gè)葉片，比較好是4～8個(gè)葉片，最好5個(gè)葉片，其連接在轉(zhuǎn)動(dòng)的平圓盤結(jié)構(gòu)的下側(cè)。以這種方式，葉片基本上處于接近豎直位置。所有的葉片相互之間隔開大致相等的距離、與轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的中心具有大致相等的距離、而且與轉(zhuǎn)動(dòng)軸大致平行，而固定于該支撐結(jié)構(gòu)上。
對(duì)于葉片的尺寸沒有特殊的限定，只要其能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)明目的。葉片的尺寸取決于流動(dòng)介質(zhì)的密度和速度。因此，用于水流的葉片其豎直長(zhǎng)度可以為1～100米，比較好是5～20米，最好大約為10米。葉片的寬度，或者是水平截面的長(zhǎng)度通常為0.5～5米，比較好是0.5～2米，最好是1米。葉片的厚度一般為0.05～1米，但是，其決定于選擇的葉片類型。
葉片可以由任何合適的材料制成，例如可以從包括鋼材、鋁材或聚合物組分，例如，纖維加強(qiáng)的不飽和聚酯樹脂(GUP)的一組材料中選擇。根據(jù)選擇的材料可以確定葉片尺寸。
下面參照附圖，圖1所示渦輪機(jī)具有豎直軸1，所述豎直軸1連結(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸2，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接在平圓盤支撐結(jié)構(gòu)3上。在此支撐結(jié)構(gòu)上固定有多個(gè)葉片5。每個(gè)葉片具有一根縱向的軸6，所述縱向軸可以使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)?？v向軸6的上端連接支撐結(jié)構(gòu)3。各葉片5連接到轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)8，最好是步進(jìn)馬達(dá)。由于設(shè)有馬達(dá)8，葉片能夠圍繞縱向軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的縱向軸6主要對(duì)準(zhǔn)渦輪機(jī)軸2，以這種方式，葉片可以進(jìn)入任何與流體介質(zhì)相關(guān)的位置。根據(jù)圍繞葉片5的自由端9產(chǎn)生的紊流使得葉片5的工作能力達(dá)到最大程度。本發(fā)明采用上述知識(shí)，在葉片5的自由端9設(shè)置平面形狀的物體15或者魚雷形狀的物體10，該物體的尺寸是葉片5的面積的1～50倍，比較好是葉片5的面積的2倍；或者是仔細(xì)地成形的橢圓形物體14，其形狀為葉片輪廓的二分之一，而且其尺寸范圍是葉片5寬度的1～50倍，比較好的情況是其尺寸與葉片5的尺寸相同。支撐結(jié)構(gòu)包括平圓盤物體3，葉片5被設(shè)置在所述平圓盤周邊附近的位置。因此，在運(yùn)行過程中，葉片5具有圍繞渦輪機(jī)軸2的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡12。這個(gè)圓形運(yùn)動(dòng)軌跡12限定了渦輪機(jī)的外徑構(gòu)成。在渦輪機(jī)的主結(jié)構(gòu)4構(gòu)成的裝置中，將渦輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)7，由此能夠產(chǎn)生電能。
在圖2描繪的渦輪機(jī)中，具有渦輪機(jī)軸2，以及四個(gè)葉片5，所述葉片5固定在支撐結(jié)構(gòu)3上，所述支撐結(jié)構(gòu)由平圓盤構(gòu)成，在由平圓盤構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)3上，葉片5可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在平圓盤的周邊附近，其使得葉片5圍繞渦輪機(jī)軸2形成同心的圓形軌跡12。圖2還表示出馬達(dá)8如何設(shè)置在葉片5的上方。由多個(gè)箭頭表示了流體流動(dòng)的方向11和渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向13。
圖3描繪了通過葉片5寬度的中心線所示的葉片5。其中表示了縱向軸6如何結(jié)合在葉片5中，在葉片5的形狀中包括葉片5的自由端。
圖4描繪了葉片5，以及葉片5的自由端9的幾種形狀。
圖4a描繪了葉片5，以及仔細(xì)成形的橢圓形物體14，這個(gè)橢圓形物體的形狀為葉片輪廓的二分之一。
圖4b描繪了葉片5，以及偏平形狀的物體15。這個(gè)平行四邊形的扁平物體15的對(duì)角線以葉片5為中心。這個(gè)平行四邊形物體15超過葉片5兩側(cè)相等的尺寸。平行四邊形物體15的厚度不太關(guān)鍵，因此沒有圖示。
圖4c描繪了葉片5，以及魚雷形狀的物體10，這個(gè)魚雷形狀的物體10超過葉片5所有側(cè)面的尺寸。所述物體10不預(yù)先設(shè)置在沿豎直方向豎立的葉片5上。
在本發(fā)明中，對(duì)于各葉片5采用相同類型的馬達(dá)8。采用的馬達(dá)可以是步進(jìn)電機(jī)，最好采用典型的混合型步進(jìn)馬達(dá)、平板式步進(jìn)(platestep)馬達(dá)或普通的步進(jìn)馬達(dá)。
對(duì)于各葉片5設(shè)有相同的控制系統(tǒng)，完全可以控制各葉片5的可轉(zhuǎn)動(dòng)位置。因此馬達(dá)8能夠控制葉片5相對(duì)于流體介質(zhì)的相對(duì)角度和絕對(duì)角度。葉片5沿著圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，接著必須依靠動(dòng)力方式調(diào)整葉片5的相對(duì)位置和絕對(duì)位置。
下面參照附圖2，描述渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)工作循環(huán)。當(dāng)葉片5在流動(dòng)的流體中處于基本豎直的位置時(shí)，由于葉片5被可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接，葉片趨向于相對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)占據(jù)最小阻力位置，即，與流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向?qū)R。為了使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且生產(chǎn)電能，在平圓盤形狀的支撐結(jié)構(gòu)3上的、連接在各馬達(dá)8上的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入相對(duì)于流動(dòng)方向合適的相對(duì)角度和絕對(duì)角位置。馬達(dá)8轉(zhuǎn)動(dòng)葉片5進(jìn)入5°～50°角度。因此，在葉片5的表面產(chǎn)生作用力，使得渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)葉片5改變流體沖擊葉片5的角度，控制馬達(dá)8轉(zhuǎn)動(dòng)葉片5進(jìn)入上述流體沖擊葉片的角度位置。流動(dòng)流體沖擊葉片5的角度的精確度取決于馬達(dá)8尋找和保持其位置的能力。在葉片5沿著圓形軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，進(jìn)行充分的調(diào)整。因此，基本上在整個(gè)圓形軌跡的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，葉片5都將產(chǎn)生作用力，這將在最佳狀態(tài)下產(chǎn)生能量。
最好，葉片5的鈍頭端部是流動(dòng)流體通過的引導(dǎo)邊緣。在圖2中，如圖中箭頭所示，轉(zhuǎn)動(dòng)方向13和流體流動(dòng)方向11，葉片5的鈍頭邊緣構(gòu)成引導(dǎo)邊緣。葉片的位置同樣與流體介質(zhì)的屬性無關(guān)。
因?yàn)橛神R達(dá)8獨(dú)立調(diào)整葉片5的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，渦輪機(jī)可以啟動(dòng)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)而與流動(dòng)介質(zhì)的速度無關(guān)，從而不會(huì)導(dǎo)致該裝置停機(jī)。
葉片5的可轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)及其控制系統(tǒng)能夠保持葉片5的位置，使渦輪機(jī)靜止，并且能夠?qū)u輪機(jī)進(jìn)行修理和維護(hù)。
葉片5帶動(dòng)平圓盤形支撐結(jié)構(gòu)13以有限的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，優(yōu)選的轉(zhuǎn)速在5～60RPM，最好在5～20RPM。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由在流動(dòng)流體中的葉片5的位置來控制。
由渦輪機(jī)產(chǎn)生的作用力的大小取決于葉片5的高度、寬度和長(zhǎng)度，以及流動(dòng)流體的速率。低速葉片5呈比較凸出的形狀，并且，具有比高速葉片較大的表面積。這種表面有利于形成介質(zhì)的層流。
渦輪機(jī)的最大工作能力最好利用控制程序來獲得，最好是電子程序，以便使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入最佳位置，同時(shí)兼顧速度和作用力的最佳結(jié)合。
產(chǎn)生于葉片5自由端9的紊流從理論上講會(huì)降低渦輪機(jī)的工作能力。
只要流體的流動(dòng)方向不偏離垂直于渦輪機(jī)2主軸的方向太多，渦輪機(jī)2的工作能力就與流體的流動(dòng)方向無關(guān)。
上面所說的本發(fā)明屬于在水流中處于豎直位置，但是，本發(fā)明在水平位置同樣能夠很好工作，并且，能夠在其他流體介質(zhì)中工作，例如，在風(fēng)中工作。
發(fā)電機(jī)7總是被固定的。渦輪機(jī)具有處于豎直位置的軸，但是，也可以具有處于水平位置的軸。如果渦輪機(jī)被用于水中，渦輪機(jī)可以被連接于錨固定設(shè)備、浮動(dòng)設(shè)備或者固定在海底的設(shè)備上。渦輪機(jī)的軸可以被安裝在所述設(shè)備的各個(gè)側(cè)面。如果渦輪機(jī)用于空氣中，渦輪機(jī)可以被安裝在基座、支架或同類設(shè)備上。
按照本發(fā)明，渦輪機(jī)適合于安裝在固定在河床、海床或海岸邊的浮動(dòng)或浸在水中的設(shè)備上。合適的浮動(dòng)設(shè)備包括平底船、浮標(biāo)、筏子、船舶、駁船、采掘船、“半潛水船”、“張力腿的平臺(tái)”，或者有關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)上。渦輪機(jī)也可以安裝在固定結(jié)構(gòu)上，例如，殼體、GBS、水下結(jié)構(gòu)件、內(nèi)置設(shè)施(executed in)、混凝土結(jié)構(gòu)件、纖維加強(qiáng)的不飽和聚酯樹脂(GUP)、鋼或其他金屬結(jié)構(gòu)件中。這些固定結(jié)構(gòu)也可以是有特殊用途的建筑物。
本發(fā)明的渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)可以是小型或大型設(shè)備。這種渦輪機(jī)可以作為單一豎立設(shè)備安裝，或者安裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)備中，以最佳利用方式利用流動(dòng)流體。本發(fā)明設(shè)備的建造和安裝位置對(duì)環(huán)境沒有較大沖擊。本發(fā)明的渦輪機(jī)可以安裝在海洋上，或海水表面的下方，因此不會(huì)影響視覺或阻礙海上交通。同樣的安裝方法可以適用于河流和湖泊上。
權(quán)利要求
1.一種通過流動(dòng)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電能的渦輪機(jī)，其包括多個(gè)具有合適長(zhǎng)度、寬度和厚度的葉片(5)，所述葉片(5)具有流體動(dòng)力學(xué)形狀，各葉片(5)通過葉片軸(6)的上部固定到可以轉(zhuǎn)動(dòng)的、平圓盤形狀的支撐結(jié)構(gòu)(3)上，所述支撐結(jié)構(gòu)(3)連接渦輪機(jī)的主軸(2)，而且葉片(5)的縱向軸(6)基本上平行于主軸(2)，其特征是各葉片(5)上裝有馬達(dá)(8)，該馬達(dá)(8)用于獨(dú)立地使各葉片(5)圍繞其縱向軸(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)葉片(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立于另一個(gè)葉片(5)，以便各葉片(5)的主表面相對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)(11)的方向進(jìn)入需要的相對(duì)和絕對(duì)沖擊角度。
2.按照權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其特征是由液壓、氣動(dòng)或電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(8)。
3.按照權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其特征是馬達(dá)(8)是步進(jìn)馬達(dá)，所述步進(jìn)馬達(dá)是典型的混合型步進(jìn)馬達(dá)、平板式步進(jìn)馬達(dá)或普通的步進(jìn)馬達(dá)。
4.按照權(quán)利要求1～3之一所述的渦輪機(jī)，其特征是各葉片(5)的自由端(9)設(shè)有扁平的平行四邊形物體(15)，其位置垂直于葉片(5)的縱向軸線。
5.按照權(quán)利要求1～3之一所述的渦輪機(jī)，其特征是各葉片(5)的自由端(9)設(shè)有魚雷形狀的物體(10)，其位置垂直于葉片(5)的縱向軸線。
6.按照權(quán)利要求1～3之一所述的渦輪機(jī)，其特征是各葉片(5)的自由端(9)設(shè)有橢圓形物體(14)，其位置垂直于葉片(5)的縱向軸線。
7.按照權(quán)利要求1～6之一所述的渦輪機(jī)，其特征是設(shè)置的馬達(dá)(8)與各葉片(5)獨(dú)立配合，并且具有獨(dú)立的動(dòng)力，并且，由中央控制單元控制。
8.按照權(quán)利要求1～7之一所述的渦輪機(jī)，其特征是葉片(5)和馬達(dá)(8)安裝在平圓盤形的支撐結(jié)構(gòu)上。
9.按照權(quán)利要求1～8之一所述的渦輪機(jī)，其特征是轉(zhuǎn)動(dòng)軸基本上處于豎直位置。
10.按照權(quán)利要求1～8之一所述的渦輪機(jī)，其特征是轉(zhuǎn)動(dòng)軸基本上處于水平位置。
11.按照權(quán)利要求1～10之一所述的渦輪機(jī)，其特征是流動(dòng)介質(zhì)是流速相當(dāng)慢的水。
12.一種使用按照權(quán)利要求1～11之一所述的渦輪機(jī)生產(chǎn)電能的方法，其特征是渦輪機(jī)位于流速相當(dāng)?shù)偷乃髦小?br> 全文摘要
一種通過流動(dòng)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電能的渦輪機(jī),其包括多個(gè)具有合適長(zhǎng)度、寬度和厚度的葉片(5),所述葉片(5)具有流體動(dòng)力學(xué)形狀。各葉片(5)通過葉片軸(6)的上部固定到可以轉(zhuǎn)動(dòng)的、平圓盤形狀的支撐結(jié)構(gòu)(3)上,后者連接渦輪機(jī)的主軸(2),而且葉片(5)的縱向軸(6)基本上平行于主軸(2)。其中各葉片(5)上裝有馬達(dá)(8),馬達(dá)(8)獨(dú)立地使各葉片(5)圍繞其縱向軸(6)轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)葉片(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)獨(dú)立于另一個(gè)葉片(5),以便各葉片(5)的主表面進(jìn)入相對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)(11)方向需要的相對(duì)和絕對(duì)沖擊角度。這種渦輪機(jī)適用于在流速相當(dāng)?shù)偷乃髦猩a(chǎn)電能。
文檔編號(hào)F03B17/06GK1336985SQ00802593
公開日2002年2月20日 申請(qǐng)日期2000年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月6日
發(fā)明者小芬恩·卡勒, 伊文·伊文森 申請(qǐng)人:水動(dòng)力工業(yè)有限公司