用於水力發電的鉸接葉片十字軸渦輪機的製作方法

2023-06-11 05:00:41

專利名稱：用於水力發電的鉸接葉片十字軸渦輪機的製作方法
用於水力發電的鉸接葉片十字軸渦輪機相關申請的交叉引用本申請要求2009年3月23日提交的臨時申請No. 61/162560的權益，其整個內容在此全文引入以供參考。
背景技術：
六千多年以來，已經使用設備來利用例如水和空氣的運動流體能量作為動力。例如，數千年來水輪已經被用來利用來自運動水源的能量作為動力。根據一些來源，最早已知的水力渦輪機可追溯到大約第四世紀初，其中發現一對螺旋渦輪機碾磨地點可追溯到大約第四世紀初。具有傾斜葉片的臥式水輪安裝在充滿水的圓軸底部，因此來自水溝的水作用到浸入(浸沒)在水中的水輪上而產生動力。水力渦輪機的主要目的是利用存在於持續運動的流體流中的能量。提取能量的設備可以變化。總體上，水力渦輪機可分類為反動式輪機或衝動式輪機，其中在反動式輪機中，水壓作用在輪機的葉片上，從而進行工作，而衝動式輪機改變流體噴射的速度進行工作。早期水輪動力系統涉及將具有間隔槳葉的可轉動輪部分地浸入例如江河或河流的水流中。水在流動時向浸入的槳葉施加力。該力使槳葉所附接的輪圍繞中心軸線轉動。 這種設計存在一些缺陷。例如，通常只有一小部分槳葉暴露於流動水中。因此，由於水必須施加力以使該設備的所有元件轉動，效率很低，意味著中心軸線轉動只能捕獲很少能量。提出的本發明使其整個結構暴露於水流中並且對於一定量的結構材料可以捕獲多得多的能量。用於從運動水中捕獲能量的另一種方法使用螺旋槳式渦輪機，這種類型的渦輪機具有附接於單一桿上或容納於殼體內的多個彎曲葉片。這種渦輪機被定位為其軸線平行於水流。這種方法也帶來明顯的缺陷，包括 製造困難，因為葉片使用了複雜的彎曲形狀。這增加了成本並且降低了製造的可行性。·安裝這種設備困難，因為通常通過附接於通道底部或從水面懸掛下來的大型剛性結構使其保持就位。這需要相當多的附加結構。提出的本發明不需要類似的結構，因為本發明可以使用簡單的繫繩或繩索保持就位。螺旋槳式轉子以提升為基礎而不是以拖曳為基礎，因此具有「失速」或開始轉動所需的最小流量。提出的本發明利用水的推動力，因此本發明沒有失速，甚至根據發電機或轉子上的其他載荷以非常慢的水流進行轉動。螺旋槳式轉子是圓形的但是水通道通常是矩形的，因此轉子不能緊密配合到該通道內。提出的本發明具有可變的矩形剖面輪廓並且可以緊密配合到任何矩形通道內。

發明內容
本發明使用具有鉸接葉片的十字軸(交叉軸線)渦輪機從例如水和空氣的流動流體中捕獲(收集)能量。捕獲的能量可被用於進行機械作業或發電。轉子如漿輪一樣動作，其中槳葉或葉片被鉸接，以使得其可以轉動遠離轉子的上遊行程的水流，並因此顯著減少拖曳並增加能量捕獲效率。公開了一種配置為置於流動(水)流中的水力渦輪機。該渦輪機包括具有第一端和第二端的框架結構。軸可轉動地安裝到該框架結構上，以圍繞軸線轉動，該軸在該框架結構的第一端和第二端之間延伸。第一支撐板在該框架結構的第一端附近可驅動地附接於該軸上，第二支撐板以一定距離遠離所述第一支撐板地可驅動地附接於所述軸上。多個葉片在第一和第二支撐板之間延伸，每個葉片具有可樞轉地附接於第一和第二支撐板上的近側邊緣和當葉片樞轉到停止位置時鄰近該軸地設置的遠側邊緣。在水力渦輪機運行期間，葉片橫向於流動流定位，因此當第一葉片圍繞所述軸線旋轉時，對於旋轉運動的大約二分之一，每個葉片由流動流保持保持在停止位置，並且對於旋轉運動的其餘部分，每個葉片樞轉遠離所述停止位置。在本發明的實施例中，渦輪機包括三個至六個平面狀葉片。在本發明的實施例中， 當葉片處於停止位置時，每個葉片的遠側邊緣與所述軸鄰近。在另一個實施例中，渦輪機進一步包括在所述框架結構的第二端附近可驅動地附接於所述軸上的第三支撐板，並且多個第二葉片可樞轉地附接於第一和第二支撐板上，當葉片樞轉到停止位置時，其遠側邊緣鄰近所述軸地設置。所述多個第二葉片可與其他葉片轉動偏離。該發明內容部分被提供，以引入將在下面的詳細說明中進一步描述的簡化形式的設計概念的選擇。該發明內容部分不意欲標識請求保護的主題的主要特徵，也不意欲用於輔助確定請求保護的主題的範圍。


由於通過結合附圖參考以下詳細說明本發明變得更佳地理解，本發明的上述特徵和許多伴隨的優點將變得更易於理解，其中圖1示出了根據本發明第一實施例具有四葉片水力渦輪機的水力發電機的正視圖；圖2示出了沿圖1中的剖面2-2的橫截面視圖，示出了運行中的水力渦輪機；圖3是運動學視圖，示意性圖示了運行期間具有三十度增量的圖1所示水力渦輪機的單個葉片的理想運動；圖4是圖1所示渦輪機的透視圖；圖5是圖1所示渦輪機的部分分解透視圖；圖6是根據本發明的渦輪機的另一個實施例的透視圖，包括具有轉動偏移定向的多個轉子部分；圖7是運動學視圖，示意性圖示了用於包括限制葉片轉動的止動件的根據本發明的渦輪機的另一個實施例在運行期間具有三十度增量的單個葉片的理想運動；圖8是根據圖7的渦輪機的橫截面端視圖；以及圖9圖示了根據本發明的水力發電機的另一個實施例。
具體實施例方式根據本發明的水力發電機系統100圖示於圖1中。在該實施例中，系統100包括設置於可選框架結構110中的水力渦輪機120。雖然圖示了簡單的開口(敞開式)矩形框架結構110，可以理解，也可以替換地使用任何適宜的框架結構，例如包括位於渦輪機120 的任一側的直立支撐件的分叉式框架。在該實施例中，一對發電機105附接於該框架結構110的任一端上。雖然示出了兩個發電機105，可以理解，也可以替換地使用不同數量的發電機。據信在許多應用中，單個發電機105是優選的。新型翻轉翼(flip-wing) 渦輪機120通過渦輪機傳動軸122可轉動地安裝在框架Iio中，該渦輪機傳動軸配置為可驅動地接合發電機105。渦輪機120包括附接以可轉動地驅動軸122的相對設置的支撐板124。多個大體平面狀的葉片1 在第一和第二支撐板 IM之間延伸。在該實施例中，渦輪機120具有四個葉片126，儘管也可以替換地使用更多或更少的葉片。葉片126優選在板124的外周邊附近可樞轉地安裝到支撐板IM上，並配置為圍繞平行於傳動軸122的軸線的樞轉軸線125(見圖2)樞轉。圖2示出了經過剖面2-2的渦輪機120的端視圖。在該實施例中，支撐板124大體為圓形的。葉片126圍繞相關的樞轉軸線125樞轉，所述樞轉軸線125圍繞軸122的軸線例如以90°的間隔均勻隔開。四個葉片被標識為126A, 126B, 126C和126D,並在此總稱為葉片U6。葉片1 如此定位和設計尺寸，以使得當葉片126向內樞轉時每個葉片126的遠側邊緣127接合軸122。最內側樞轉位置在此被稱為停止位置。在該實施例中，葉片1 在停止位置處鄰接軸122，儘管很明顯，例如栓銷等的分離止動構件也可以替換地靠近軸122 設置在支撐板1 上。流體流動流方向由箭頭90表示。在圖2所示位置，水壓將上部葉片126C保持在停止位置(例如鄰接軸122)，同時下部葉片126A由於水壓作用樞轉遠離停止位置。水壓傾向於將前部葉片126D推向停止位置，且重力傾向於將後部葉片126B保持在停止位置。因此，水將傾向於相對自由地流過渦輪機120的下部(軸122下方)，但是將基本上被上部葉片126C阻止，在軸122上方產生液壓力，使渦輪機120如箭頭92所示圍繞軸122的軸線轉動。現在參考圖3的運動學示意圖，圖示出通過圍繞軸的軸線122的一個完整旋轉運動(迴轉)的單個葉片126的運動，示出了每隔30°的理想的葉片1 位置(為清楚起見， 另一個葉片126未示出)。度數指示指支撐板IM進行一次旋轉運動時的相對角位置。當葉片1 樞軸在軸122上方時，水壓傾向於將葉片1 保持在停止位置(鄰近軸12幻。葉片1 經過180°位置之後，水壓將使葉片1 「翻轉」(如圖3中箭頭94所示的逆時針方向)。在葉片126的樞轉軸線125低於軸122時，葉片1 於是將傾向於保持與流動方向平行。應當理解，大體上垂直於轉動軸線(軸12 的連續水流將在軸122上方產生明顯的流體壓力，因此將產生可從中提取有用功的期望軸轉動。雖然在圖3的理想示意圖中葉片1 在大約180°位置「翻轉」，實踐中葉片傾向於在稍後一些的旋轉時翻轉，例如在大約200°旋轉時翻轉。根據本發明的渦輪機220的第二實施例的透視示於圖4中，而渦輪機220的分解示於圖5中。渦輪機220與上述渦輪機120類似，只是該實施例採用了六個以等間距間隔可樞轉地附接於支撐板2M上的葉片2 (只有四個可見)。渦輪機220類似地安裝到包括端板214的開口框架結構210上，發電機(未示出)可安裝到該端板上，以接合傳動軸222。如以上所討論，渦輪機220橫向置於流動流(流動水流)中，從而進行發電。渦輪機220便利地採用矩形形狀，該形狀理想地適合於從例如運河、溢洪道等流體被容納於規則形狀的通道內的許多人工流動流中提取功。然而，渦輪機運行並不必然要求成形通道，並且可以預期，渦輪機220可用於在更開闊的水域內發電，例如由潮汐流發電。渦輪機220非常適用於例如小溪和河流的高度定向流，以及例如潮汐港塘等的大規模定向流。在上述實施例中，例如在圖2所示的渦輪機120中，主要從接合位於傳動軸122的旋轉軸線上方的葉片126的水流中獲取能量。可替換地，渦輪機120沿相反方向定位(或顛倒方向的水流中，例如潮汐流中)，因此水流90從圖2左側衝擊或接合渦輪機。通過研究附圖應當理解，渦輪機120將在逆向水流中工作，主要是當葉片126位於傳動軸122上方時，葉片1 將處於停止位置(並承受高壓)。同時對本領域普通技術人員來說顯而易見的是，該渦輪機120可經濟廉價地構造。尤其是，葉片優選(但並非必須)呈基本上平面狀，並且可以簡單地由例如金屬板或塑料材料的板狀材料製成。此外，渦輪機220不依賴於流經狹窄通道的水流，這種水流可能易於被河流中的異物堵塞。由圖2可以理解，提供原動力的水流部分(圖2中的上部)不流經任何狹窄通道，同時為不驅動渦輪機220的那部分水流提供相對相對寬闊的流動路徑。現在參見圖6，其為渦輪機320的另一個實施例的透視圖，具有可樞轉地附接於近側支撐板324A和中間支撐板324B之間並與其相連的第一組葉片3 ^(在該實施例中，具有三個葉片326A，其中兩個葉片可見)。類似的第二組葉片326B可樞轉地附接於中間支撐板324B和遠側支撐板324C上。三個支撐板324A、3MB、324C固定附接於可以可驅動地接合一個或多個發電機(未示出)的傳動軸322。葉片326A、3^5B以如上所述相同的方式運行，其中當渦輪機320橫向置於流動流中時，上部葉片將在軸322上產生旋轉力。第一組葉片326A優選為均勻間隔(例如每隔120° )並與第二組葉片326B轉動偏離，例如偏離60°。因此，在相對連續的流動流中，第一組葉片326A和第二組葉片326B 將平均地處於互補的發電階段，因此使渦輪機320產生的電力平緩或平穩。雖然示出了兩組葉片326A、3^B，可以理解，可以提供更多葉片組，每一組處於特定的轉動方向。例如，可提供第二中間支撐板，並且可提供三組葉片，每一組葉片可樞轉地附接在兩個支撐板之間。現在參見圖7，示出了與圖3類似的運動學簡圖，圖示出在支撐板424的一次轉動過程以60°間隔(0°、60°、120°、180° ,240°和300° )的單個渦輪機葉片126。在該實施例中，支撐板4M進一步包括以短距離與葉片126的樞轉軸線125隔開的葉片止擋件 421。也參考圖8，圖示了包括葉片止擋件421的渦輪機420的橫截面端視圖(類似於圖2)。 當葉片位於傳動軸122的旋轉軸線上方時(例如葉片126C、U6D)，其如上所述地與水流90 相互作用。然而，在大約180°位置和大約270°位置之間(例如在旋轉運動的後下四分之一或後下象限期間)，葉片位置由葉片止擋件421限制，因此葉片向上傾斜。在該向上傾斜位置(例如，圖8中葉片126B)，葉片將使水流向上轉向，在葉片126B上產生高壓，提供附加動力。當支撐板似4經過大約270°位置時，葉片將不再接合止擋件421(例如葉片126A)。
7因此，止擋件421將改進渦輪機420的效率。圖9圖示了根據本發明的發電系統500的另一個實施例。除了接下來論述的其他方面，渦輪機520基本上與上述的任何一種渦輪機類似。在該實施例中，渦輪機520包括可驅動地接合相對設置的發電機轉子524的傳動軸522。多個渦輪機葉片5 靠近轉子5M 的外周邊可樞轉地附接於發電機轉子5M上，並圍繞平行於傳動軸522的軸線的軸線樞轉。 渦輪機葉片5 的尺寸和位置被設定為接合傳動軸522 (或靠近傳動軸的止擋件)，因此如上所述當渦輪機520在適當地放置在流動流中時將被可驅動地接合。相對設置的發電機定子505附接於框架510上並周向地環繞相關轉子524，因此當轉子5 轉動時，通過發電機轉子/定子5M/505對產生電流。例如，轉子5 可包括支撐板，該支撐板具有沿支撐板的外周邊設置的多個磁體，定子可包括多個線圈，其配置為具有由轉動磁體感應的電流。用於產生電流的其他轉子/定子結構對本領域普通技術人員來說是顯而易見的。可以理解，在該實施例中，定子直徑相對大，這將有利於在相對低的旋轉速率下進行發電。雖然所公開的系統500具有兩個相對設置的發電機(5M/505)，可以預期， 在其他實施例中，可以提供單個發電機，或者提供附加發電機，例如與所示發電機同軸和位於外側的發電機。雖然上述實施例公開了發明人的當前優選方法和裝置，在不脫離本發明的情況下可以進行一些改變。例如，可以預期，舉例來說，渦輪機葉片可圍繞平行於葉片樞轉軸線的軸線彎曲。這種彎曲可帶來流動優點(例如，減少拖曳，增加提升)。雖然大體平面狀的葉片是當前優選的，還可以預期葉片可成形為具有特徵厚度剖面，例如翼型，從而改進性能。 在另一種變型中，可以預期，提供可調節和/或可動態控制的葉片止擋件，從而在葉片處於傳動軸的後側(例如下遊)時更精確地控制葉片位置。渦輪機可由適用於系統預定運行的環境的任何材料製成，包括適宜的金屬、聚合物材料和複合材料。例如，可以預期，根據本發明的系統可放置在具有明顯潮汐產生流的水體中，具有連接到岸上從而接收該系統產生電力的電纜。本發明的各個實施例具有以下優點中的一個或多個i.相對簡單的機械結構。ii.由標準材料廉價地構造。iii.沿同一方向轉動而與水流方向無關，因此適合於逆轉方向的潮汐流或波浪推動的上下運動。iv.可水平或豎直地安裝在水流中。v.適應不同應用的可量測性或靈活性。vi.可以緊密配合到大多數水道內，從而極大地增加發電效率，因為大部分水衝過轉子而不是繞過轉子。vii.對魚類和水生生物來說是安全的，因為其轉動緩慢並且提供經過渦輪機的大水道。viii.可靠性，因為該渦輪機很難被漂浮物堵塞。漂浮廢物傾向於在渦輪機頂部上方經過。為了圖示和說明，已經給出了本發明的優選實施例的上述描述。不意味著排外或者將本發明限制到所公開的精確形式。根據上述教導可以進行明顯變型或改變。為了更好地圖示本發明的原理及其實際應用選擇並描述了實施例，因而本領域普通技術人員能夠最佳地將本發明應用到各實施例及適合於預期專門用途的各種變型中。意味著本發明的範圍由後附權利要求書限定。
權利要求
1.一種配置為置於流動流中的水力渦輪機，該渦輪機包括具有第一端和第二端的框架結構；軸，其可轉動地安裝到所述框架結構上，以圍繞軸的軸線轉動；在所述框架結構的第一端附近固定附接於所述軸上的第一支撐板和以一定距離遠離第一支撐板固定附接於所述軸上的第二支撐板；以及可樞轉地連接到第一和第二支撐板的周邊部分上的多個第一葉片，每個葉片具有當葉片樞轉到停止位置時鄰近所述軸地設置的遠側邊緣，其中，在該水力渦輪機運行期間，第一葉片圍繞所述軸的軸線旋轉，且對於旋轉運動的一部分，每個葉片通過流動流保持在停止位置，並且對於旋轉運動的其餘部分，每個葉片通過流動流樞轉遠離停止位置。
2.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述多個第一葉片包括至少四個葉片。
3.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述多個第一葉片圍繞第一和第二支撐板均勻地間隔。
4.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，每個第一葉片圍繞平行於所述軸的軸線的軸線樞轉。
5.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述第一葉片呈平面狀。
6.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，當葉片處於停止位置時，所述多個第一葉片中的每個葉片的遠側邊緣鄰近所述軸。
7.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述框架結構包括基本上矩形的開口結構。
8.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，進一步包括附接於第一支撐板上的多個葉片止擋件，每個葉片止擋件與所述多個第一葉片中的一個相關聯並與相關的第一葉片的樞轉軸線相距一定距離地定位，以使得所述葉片止擋件在所述水力渦輪機運行期間限制相關葉片的向外樞轉。
9.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，進一步包括在所述框架結構的第二端附近固定附接於所述軸上的第三支撐板，以及多個第二葉片，每個第二葉片具有可樞轉地附接於第二和第三支撐板的周邊部分上的近側邊緣，並且每個第二葉片進一步包括當第二葉片樞轉到停止位置時鄰近所述軸地設置的遠側邊緣。
10.根據權利要求9所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述多個第二葉片在與所述多個第一葉片偏離的角位置處附接於第二和第三支撐板上。
11.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述第一支撐板配置為發電機的轉子。
12.根據權利要求11所述的水力渦輪機，其特徵在於，所述第一支撐板進一步包括圍繞所述第一支撐板的外周邊設置的多個磁體。
13.根據權利要求1所述的水力渦輪機，其特徵在於，進一步包括附接於所述框架結構上並由所述軸可驅動地接合的發電機。
14.一種配置為浸入於流動流中的水力發電機，該水力發電機包括可驅動地附接於水力渦輪機上的發電機，其中所述水力渦輪機包括具有第一端和第二端的框架結構；軸，其可轉動地安裝到所述框架結構上，以圍繞軸的軸線轉動；在所述框架結構第一端附近固定附接於所述軸上的第一支撐板和以一定距離遠離第一支撐板固定附接於所述軸上的第二支撐板；以及可樞轉地連接到第一和第二支撐板的周邊部分上的多個第一葉片，每個葉片具有當葉片樞轉到停止位置時鄰近所述軸地設置的遠側邊緣，其中，在該水力渦輪機運行期間，第一葉片圍繞所述軸的軸線旋轉，且對於旋轉運動的一部分，每個葉片通過流動流保持在停止位置，並且對於旋轉運動的其餘部分，每個葉片通過流動流樞轉遠離停止位置。
15.根據權利要求14所述的水力發電機，其特徵在於，每個第一葉片圍繞平行於所述軸的軸線的軸線樞轉。
16.根據權利要求14所述的水力發電機，其特徵在於，所述第一葉片呈平面狀。
17.根據權利要求14所述的水力發電機，其特徵在於，當葉片處於停止位置時，每個葉片的遠側邊緣鄰近所述軸。
18.根據權利要求14所述的水力發電機，其特徵在於，進一步包括附接於第一支撐板上的多個葉片止擋件，每個葉片止擋件與所述多個第一葉片中的一個相關聯並與相關的第一葉片的樞轉軸線相距一定距離地定位，以使得所述葉片止擋件在所述水力渦輪機運行期間限制相關葉片的向外樞轉。
19.根據權利要求14所述的水力發電機，其特徵在於，進一步包括在所述框架結構的第二端附近固定附接於所述軸上的第三支撐板，以及多個第二葉片，每個第二葉片具有可樞轉地附接於第二和第三支撐板的周邊部分上的近側邊緣，並且每個第二葉片進一步包括當第二葉片樞轉到停止位置時鄰近所述軸地設置的遠側邊緣。
20.根據權利要求19所述的水力發電機，其特徵在於，所述多個第二葉片在與所述多個第一葉片偏離的角位置處附接於第二和第三支撐板上。
全文摘要
一種發電機，其包括可驅動地附接於渦輪機的發電機。該渦輪機包括可轉動地安裝到框架上的軸。支撐板可驅動地接合該軸並且多個葉片可樞轉地連接到支撐板上。每個葉片具有當葉片樞轉到停止位置時鄰近該軸地設置的遠側邊緣。在運行期間。葉片圍繞軸的軸線旋轉。對於旋轉運動的一部分，每個葉片通過流動流保持在停止位置，並且對於旋轉運動的其餘部分，每個葉片通過流動流樞轉遠離停止位置。在一個實施例中，葉片止擋件限制葉片的向外樞轉，從而提高效率。在另一個實施例中，設置第二組葉片並使第二組葉片與第一葉片旋轉偏離。在另一個實施例中，支撐板配置為發電機的轉子。
文檔編號F03B17/06GK102362067SQ201080013316
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者W·B·哈姆納 申請人:水力發電有限公司