專利名稱：一種垂直軸渦輪機裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直軸渦輪機，特別涉及一種用于但不僅限于用于發(fā)電的 垂直軸渦輪機。
背景技術(shù)：
眾所周知，幾個世紀以來，能源可以由風(fēng)力獲得。在許多國家中世紀的風(fēng) 景畫中，風(fēng)車是為人所熟知的特征，即使在今天，風(fēng)車也應(yīng)用于世界各地的各 種場合。發(fā)電是風(fēng)力渦輪機的一個特別的應(yīng)用。
隨著對化石燃料的枯竭以及對使用化石燃料可能對環(huán)境造成的不良影響 的關(guān)注的增長，利用風(fēng)力渦輪機發(fā)電尤其是大規(guī)模發(fā)電的可能性，再次引起人 們的興趣。
許多國家已經(jīng)建成所謂的"風(fēng)力農(nóng)場"，以期通過這種方式收獲風(fēng)能。"風(fēng) 力農(nóng)場"一般由一排塔組成，每個塔的頂端帶有可旋轉(zhuǎn)的、用于對準風(fēng)向的頂 部，該頂部上安裝有多個渦輪葉片，這些渦輪葉片像螺旋槳葉片一樣，全部和 一個旋轉(zhuǎn)軸連接。但是不同的是，螺旋槳葉片由發(fā)動機驅(qū)動，而這些渦輪葉片 由風(fēng)力驅(qū)動，從而產(chǎn)生的向前的推力。己經(jīng)有大量關(guān)于這種水平軸風(fēng)力渦輪機 裝置的文獻發(fā)表。
雖然已經(jīng)開始利用這種裝置進行商業(yè)發(fā)電，但是一些觀察家擔心當這種裝 置坐落于田園風(fēng)光之中時會有礙觀瞻。架設(shè)離岸風(fēng)力渦輪機能降低對景觀的影 響，并且將反對理由轉(zhuǎn)移到裝置的絕對尺寸和數(shù)量上。通過增大離岸風(fēng)力渦輪 機的尺寸，可以減少提供給定功率所需的風(fēng)力渦輪機的數(shù)量，從而能降低電氣 連接到岸上的成本。
葉片旋轉(zhuǎn)時其重量產(chǎn)生的葉片的重復(fù)性彎曲翻轉(zhuǎn)所引起的疲勞損傷(如 "金屬疲勞")限制了水平軸風(fēng)力渦輪機裝置的尺寸。假設(shè)在設(shè)計上沒有進行 其它的改進，由葉片重量引起的疲勞損傷隨葉片尺寸的增大而成比例地增大。 當葉片的尺寸變得更大時，設(shè)計者不得不采用耐疲勞性更好的不同材料，但這
些材料通常更加昂貴，因而降低了該裝置的成本效率。
葉片繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力渦輪機裝置不會受到重量引起的反向彎曲，但會 受到風(fēng)壓負載引起的疲勞損傷。然而，風(fēng)壓疲勞不會隨所謂的垂直軸風(fēng)力渦輪 機裝置的尺寸的增大而增大，因此不會對其尺寸產(chǎn)生限制。
在過去已經(jīng)提出許多利用垂直軸風(fēng)力渦輪機發(fā)電的建議。有大量涉及到所
謂Savonius設(shè)計和Darrieus設(shè)計的文獻，并且實用的發(fā)電單元也己建成。但是， 由于缺少很好地開發(fā)，利用垂直軸風(fēng)力渦輪機發(fā)電并沒有獲得商業(yè)風(fēng)力農(nóng)場經(jīng) 營者的好感。缺乏對垂直軸風(fēng)力渦輪機的開發(fā)的原因在于，通常認為垂直軸風(fēng) 力渦輪機的運行效率低于水平軸渦輪機的運行效率。
GB-A-2102079描述了一種垂直軸風(fēng)力渦輪機，該垂直軸風(fēng)力渦輪機具有 以可選擇的角度相對水平面向上傾斜的雙葉片，該雙葉片底端連接到一軸，從 而允許其繞一垂直軸旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計還沒有進行任何商業(yè)性的開發(fā)。該設(shè)計具 有產(chǎn)生風(fēng)壓力的缺點，所產(chǎn)生的風(fēng)壓力會導(dǎo)致整個裝置的過度翻轉(zhuǎn)或傾覆力 矩?？箖A覆力矩的成本是不經(jīng)濟的。
GB-A-2303409公開了一種類似的垂直軸風(fēng)力渦輪機，該風(fēng)力渦輪機由繞 垂直軸旋轉(zhuǎn)的平衡傾斜的單獨的葉片組成，在風(fēng)壓作用下，該垂直軸能在與平 衡質(zhì)量的阻力相反的方向上搖擺。這種設(shè)計減少傾覆力矩，但需要較重的葉片 和平衡質(zhì)量，經(jīng)濟性較差。
從中世紀的水車到安裝在水下用于從水流中提取電能的、稱為水力發(fā)電的 更多渦輪機的現(xiàn)代設(shè)計，用于從流水中提取電能的渦輪機裝置也是人所共知 的。

發(fā)明內(nèi)容
我們提供一種垂直軸渦輪機的新型設(shè)計，該新型設(shè)計可以把垂直軸渦輪機 的尺寸可提高到超過經(jīng)濟上可行的水平軸渦輪機的尺寸。該垂直軸渦輪機可作 為在岸或離岸風(fēng)力渦輪機使用或者用于水下，用于從流體中提取電能。
根據(jù)本發(fā)明最寬泛的一個方面，本發(fā)明提供一種垂直軸渦輪機，該垂直軸 渦輪機包括固定基座和安裝于該固定基座上并可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的具有葉片 的渦輪構(gòu)件，該具有葉片的構(gòu)件由至少一個從旋轉(zhuǎn)軸向外部上方傾斜的傾斜伸 長的翼梁組成，該翼梁上或者該每個翼梁上設(shè)置至少一個短的翼形截面或水翼
形截面的葉片。優(yōu)選地，調(diào)整所述短的翼形截面或水翼形截面葉片與翼梁的夾 角，以在渦輪機承受風(fēng)力或水流負載時，最優(yōu)化繞垂直軸的總旋轉(zhuǎn)力偶并最小 化總傾斜力矩。當不只有一個葉片時，所有葉片與翼梁的夾角可以不同。作為 翼形或水翼形零件的結(jié)構(gòu)性支撐，伸長翼梁必須依靠自身承受載荷，因此，所 述翼梁優(yōu)選為具有翼形或水翼形剖面，以使阻力最小。
優(yōu)選地，所述翼梁的數(shù)目為2或3個，但是如果需要，可以設(shè)置高達50 個所述翼梁。如果翼梁超過一個，優(yōu)選地所述多個翼梁由多個張索或類似物保 持在一起，該張索將每個翼梁和與該翼梁相對的或者相鄰的翼梁連接到一起。 該每個翼梁相對垂直方向的傾斜角度是可調(diào)的，如鉸接每個翼梁的基部從而通 過縮短或延長張索來調(diào)整該傾斜角度。優(yōu)選地，所述短的翼形截面或水翼形零 件的數(shù)目介于1到20個之間，更優(yōu)選地為介于2到5個之間，最優(yōu)選地為4
個o
葉片和翼梁的翼形或水翼形外形，也就是其前緣到后緣的剖面，在其分類、 厚度一翼弦比以及拱形形狀上可以不同。對于風(fēng)力渦輪機，所述葉片的氣動外
形的最大厚度一翼弦比優(yōu)選地為介于10%至50%之間。
所述每個短的翼形截面或水翼形截面的葉片的展弦比優(yōu)選地為介于2到5 之間，但最優(yōu)選地為介于3到4之間。
從包括翼梁中心線的徑向垂直平面內(nèi)的徑向向外的水平方向上測量，所述 短的翼形截面或水翼形截面葉片在翼梁或每個翼梁上的安裝角度優(yōu)選地為介 于90°到160°之間，但最優(yōu)選地為大約145。。
從短的葉片的法向橫截面平面內(nèi)的一條垂直于包括翼梁中心線的徑向垂 直向平面水平線測量，每個所述短的翼形截面或水翼形截面的葉片在翼梁上的 安裝角度，也就是傾斜角度，優(yōu)選地為在+5°到一5°之間。每個葉片的安裝 角度可以相同或者不同。應(yīng)該調(diào)節(jié)該角度以使渦輪機從風(fēng)力或水流中獲得電能 的效率最高，但是也可以利用這種角度調(diào)節(jié)實現(xiàn)其它的目的。例如，通過以漸 進的方式改變一個或多個短的翼形截面或水翼形截面的葉片的傾斜角度，該傾 斜角度的改變量可以達到90。，以達到氣動制動或液力制動的效果。這對有 效地控制渦輪機是很有價值的，例如在出現(xiàn)大風(fēng)或洪流時，利用上述角度調(diào)節(jié) 以限制輸出功率。另外， 一個或多個所述短的翼形截面或水翼形截面的可以包 括一種裝置，該裝置可以繞翼展方向的鉸鏈在+90°到-90°的范圍內(nèi)像幅翼一
樣循環(huán)地轉(zhuǎn)動所述葉片的最后面的部分，以最大化所述渦輪機的輸出功率。
本發(fā)明的渦輪機的尺寸可以在很大范圍內(nèi)變化，當然渦輪機的尺寸越大， 其能夠產(chǎn)生的功率也越大。設(shè)計容量為1兆瓦的風(fēng)力渦輪機的典型尺寸是翼 梁外緣水平掠過的圓的直徑為100米、葉片順翼展方向的長度為16米，以及
弦長為5.5米。
垂直傾斜翼梁的結(jié)構(gòu)可以大不相同，該結(jié)構(gòu)也可以是簡單的，即單獨一個 中央翼梁向外部上方延伸，該結(jié)構(gòu)也可以是復(fù)雜的，例如由許多子翼梁構(gòu)成的 框架，該框架用于安裝單獨的短翼形截面或水翼形截面的葉片。優(yōu)選地，翼梁 的橫截面以及如支柱或其連接帶等其它任何構(gòu)件都是翼形截面或水翼形截面， 以最小化阻力。在這個條件下，可采用各種各樣的設(shè)計。


下面將參考附圖并通過實施例進一步詳細說明本發(fā)明，其中 圖1為本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力渦輪機裝置的立體圖； 圖2是圖1所示裝置的垂直軸剖面； 圖3是另一實施例的立體簡圖；以及
圖4是圖3中的實施例的完整的垂直剖面。
具體實施例方式
首先參考圖1和圖2，圖中示出了一種風(fēng)力渦輪機裝置，該風(fēng)力渦輪機裝 置具有兩個通過張索T連接的臂F，該臂F包括獨立的翼梁，該翼梁支撐短的 翼形截面的葉片S。
兩個翼梁F的基部在可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于基座B上的軸H處連在一起。當風(fēng) 吹過時，組件臂F、葉片S和張索T繞基座B上的垂直軸旋轉(zhuǎn)，并且由合適 的軸通過傳動裝置可以驅(qū)動適當類型的發(fā)電機裝置，或者優(yōu)選地，可以由該軸 直接驅(qū)動適當類型的發(fā)電機裝置。圖1和圖2所示的渦輪機裝置的整體尺寸可 以在很大的范圍內(nèi)變化，渦輪機裝置的尺寸越大其工程支出也越大，但其旋轉(zhuǎn) 所產(chǎn)生的功率同樣也越大。
現(xiàn)在參考圖3和圖4，圖中示出了一種風(fēng)力渦輪機裝置，該風(fēng)力渦輪機裝 置具有兩個臂，該臂包括支撐短的翼形截面的葉片S的由支柱及連接帶構(gòu)成的
復(fù)雜的框架。
形成臂或翼梁的每個支柱及連接帶具有翼形截面，以使風(fēng)阻最小。如圖中 所示，從通過裝置中心的垂直軸的周圍看，每個翼形零件的前緣在相同的圓周
方向，因此當風(fēng)水平吹過該裝置時，使得本發(fā)明的渦輪機裝置沿圖3中R所 表示的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。
從圖3中容易看出，該兩個臂建立在大致為圓柱形的基座B上。從圖中 可以看出，該兩個臂分別在其基部可旋轉(zhuǎn)地連接到一對安裝凸起部上，使得在 三個標記為F，的支柱脫離后，每個臂均可以繞一標記為A的大致水平的軸旋 轉(zhuǎn)。這是非常有用的，舉例來說，使得可以修復(fù)因鳥的碰撞而造成的任何翼面 損壞。
基座B安裝在適當?shù)妮S承系統(tǒng)上，并且提供相應(yīng)的裝置以直接或者間接 地驅(qū)動發(fā)電機，以在當風(fēng)吹過使圖3和圖4所示的組件旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生電能。
可以以類似的方式制造水下渦輪機裝置，但要考慮可能會遇到的情況。通 過精心設(shè)計，可以通過如制造中空的水翼形構(gòu)件，可以大大減小旋轉(zhuǎn)渦輪機構(gòu) 件的有效重量，從而大大地節(jié)約工程成本。
權(quán)利要求
1、一種垂直軸渦輪機，包括固定基座和安裝于該固定基座上并可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的具有葉片的旋轉(zhuǎn)渦輪構(gòu)件，該具有葉片的構(gòu)件由至少一個從旋轉(zhuǎn)軸向外部上方傾斜的傾斜伸長翼梁構(gòu)成，該翼梁上或者該每個翼梁上設(shè)置至少一個短的翼形截面或水翼形截面的葉片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其特征在于，調(diào)整所述短翼形截面或水翼形截面葉片與翼梁的夾角，以在渦輪機承受風(fēng)力或水流負載時，最優(yōu)化總 的旋轉(zhuǎn)力偶并最小化總的傾斜力矩。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機，其特征在于，所述翼梁具有翼形 或水翼形截面，以使阻力最小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 所述翼梁的數(shù)目為2個或3個。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 所述翼梁由把每個翼梁連接到與之相對或鄰近的翼梁的多個張索或類似物保 持在一起。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 所述翼梁的傾斜角度是可變的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機，其特征在于，每個所述翼梁鉸接到一 基座構(gòu)件上，以使該翼梁可以繞水平鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)，從而改變所述傾斜角度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于，所述 垂直傾斜的翼梁由多個子翼梁構(gòu)成，所述多個子翼梁構(gòu)成用于安裝單獨的短翼 形截面的葉片的框架。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 所述短的翼形或水翼形零件的數(shù)目在2到5個之間。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，所述渦輪機被 建造成風(fēng)力渦輪時，其特征在于，所述葉片的氣動外形的最大厚度一翼弦比介 于10%至50%之間。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 所述每個短的翼形截面或水翼形截面葉片的展弦比介于2到5之間。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于，從包括翼梁中心線的徑向垂直向平面內(nèi)的徑向向外的水平方向上開始測量，所述短翼形截面或水翼形截面葉片在翼梁或每個翼梁上的安裝角度在90°到 160。之間。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 從短的葉片的法向橫截面平面內(nèi)的一條垂直于包括翼梁中心線的徑向垂直向 平面水平線測量，每個所述短翼形截面或水翼形截面葉片在翼梁上的安裝角度 在+5°到_5°之間。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機，其特征在于，包括下述裝置，該裝 置以漸進的方式改變一個或多個所述短的翼形截面或水翼形截面的葉片的安 裝角度，角度的改變量可以達到90。，以提供氣動制動或液力制動效果。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1至14中的任一權(quán)利要求所述的渦輪機，其特征在于， 包括設(shè)置在一個或者多個短的翼形截面或水翼形截面的葉片上的裝置，用于循 環(huán)地繞一平行于葉片的長度方向的軸在-90°至+90°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動所述葉片 的最后面的部分，以使所述渦輪機的輸出功率達到最大。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種垂直軸渦輪機裝置，在該垂直軸渦輪機裝置中，安裝在固定基座上的旋轉(zhuǎn)葉片渦輪構(gòu)件由1至50個、優(yōu)選地為2或3個向外部上方傾斜的翼梁(F)組成。每個翼梁上設(shè)置至少一個翼形截面或水翼形截面的葉片(S)。如果翼梁超過一個，該翼梁優(yōu)選地為通過多個張索(T)保持在一起。
文檔編號F03D3/06GK101099040SQ200580046186
公開日2008年1月2日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者戴維·約翰·夏普 申請人:風(fēng)力有限公司