薩伏紐斯轉子的製作方法
2023-05-19 06:20:36 3
本發明涉及一種在風力發電機或水下發電機中使用的轉子，特別地，所述轉子包括葉片，該葉片在圍繞轉子的旋轉軸線轉動一圈期間在流體流的作用下交替地將使轉子旋轉的驅動力矩和將阻礙轉子旋轉的阻抗力矩傳遞到所述旋轉軸線上。因此本發明更具體地但非排除性地涉及具有不平行於流體流方向的軸線的轉子，例如薩伏紐斯轉子。
背景技術：
薩伏紐斯轉子一般包括半圓柱形狀的兩個或更多個剛性葉片，所述葉片圍繞轉子的旋轉軸線對稱地布置。每個葉片的直徑在轉子的半徑和直徑之間。當葉片的直徑大於轉子的半徑時，葉片的凹面成對地彼此部分相對。
薩伏紐斯轉子具有在啟動時提供高力矩的優點，因此能以較低的流體流速啟動。這種類型的轉子還能夠提供與在垂直於轉子軸線的平面中的流體流動方向無關的性能，並且相對較小。它們的最優轉速相對較低，在葉片外端部處的速度大約為流體流速。相比較地，同樣具有豎直軸線的達裡厄型風力發電機在葉片末端處具有大約為流體流速五倍的速度。對於具有水平軸線的風力發電機，所述速度大約為流體流速的十倍。因此，薩伏紐斯轉子對於物體對葉片的可能影響較不敏感並且對於在流體中運動的物體具有更小的風險。這種類型的轉子的主要缺點在於它們相對較低的性能。它們也可以具有在葉片旋轉期間的可變的力矩和相對較高的重量。
已經表明，當兩個葉片的內縱向邊緣之間的距離約為轉子直徑的六分之一時，兩葉片薩伏紐斯轉子具有最大性能，轉子的直徑由兩個葉片的外縱向邊緣之間的距離限定。即使當該條件滿足時，這種轉子的性能仍然較低。
因而希望改進薩伏紐斯轉子的性能。也希望限定堅固的並且對於在流體中的碎片出現較不敏感、而同時具有較低生產花費的薩伏紐斯轉子。
技術實現要素：
一些實施例涉及一種轉子，該轉子包括圍繞旋轉軸線旋轉的兩個葉片，每個葉片配置為在轉子圍繞旋轉軸線轉動一圈期間在流體流的作用下，交替地將驅動力矩(轉矩)和阻抗力矩傳遞向該旋轉軸線，該驅動力矩使該轉子圍繞該旋轉軸線轉動，該阻抗力矩趨向於抵抗該轉子圍繞該旋轉軸線的轉動。根據一個實施例，這兩個葉片中的每個葉片均包括處在葉片的外縱向邊緣區域的柔性部分，該柔性部分配置為當葉片向轉子的旋轉軸線傳遞阻抗力矩時朝向轉子的內側收縮(縮回)，並且在轉子的在最大收縮位置之後的半圈轉動期間，當葉片向轉子的旋轉軸線傳遞驅動力矩時，轉換至朝向轉子的外側伸展(伸出)的位置，所述柔性部分僅在流體流的作用下被驅動。
根據一個實施例，所述柔性部分具有處在轉子的半徑的0.5倍到1.5倍之間的寬度。
根據一個實施例，所述柔性部分具有處在轉子的半徑的1倍到1.5倍之間的寬度。
根據一個實施例，所述葉片中的至少一個葉片位於穿過該葉片的內縱向邊緣的點和該旋轉軸線的平面的一側，而該葉片的柔性部分至少部分地位於該平面的另一側。
根據一個實施例，所述葉片中的至少一個葉片包括剛性部分和沿該葉片的外縱向邊緣固定的柔性或剛性的可轉動翼片。
根據一個實施例，這些葉片圍繞該旋轉軸線設置成使得這些葉片的凹面部分地彼此面對。
根據一個實施例，這些葉片沿著該轉子的旋轉軸線對接(接合)。
根據一個實施例，所述葉片中的至少一個葉片包括處在該葉片的內縱向邊緣和外縱向邊緣之間的剛性的內部部分以及沿著所述內部部分的外縱向邊緣固定的外部部分，所述外部部分是柔性的或剛性的並且通過柔性連接部固定到該內部部分。
根據一個實施例，每個葉片均包括剛性的內部部分，該內部部分在垂直於旋轉軸線的平面中具有彎曲的、平坦的(平面的)或半圓形的輪廓(剖面)。
根據一個實施例，每個葉片均包括剛性的中心部分，至少一個葉片具有沿著該葉片的內縱向邊緣的柔性側向部分，至少一個葉片具有沿著該葉片的外縱向邊緣的柔性側向部分。
一些實施例還涉及風輪機(風力發電機)，它包括如上所述的轉子。
一些實施例還涉及水下發電機(水力發動機)，它包括如上所述的轉子，該轉子浸入液體中，該轉子的旋轉軸線是基本上豎直的。
根據一個實施例，該水下發電機包括與該轉子聯接並且布置在該轉子和該液體的表面上方的電力發電機。
附圖說明
下面將參照附圖描述本發明的實施例的一些示例，但本發明不限定於附圖，在圖中：
圖1是根據一個實施例的轉子的透視圖，
圖2是轉子的軸向剖視圖，
圖3是根據一個實施例的轉子的側視圖，
圖4A至4C示出了根據相對於轉子所浸入流體流方向的轉子的不同方向的剖視圖，
圖5是轉子的軸向剖視圖並且示出了取決於轉子所浸入的流體的流動方向的、在轉子旋轉中的葉片的不同動作階段，
圖6是常規薩伏紐斯轉子的軸向剖視圖並且示出了取決於轉子所浸入的流體的流動方向的、在轉子旋轉中的葉片的不同動作階段，
圖7A至圖7E是根據各種其它實施例的轉子的軸向剖視圖，
圖8和9是根據其它實施例的轉子的軸向剖視圖，
圖10和11示出了在葉片的外縱向邊緣附近的葉片的部分剖視圖。
具體實施方式
圖1，2和3示出了具有旋轉軸線X且包括圍繞該軸線X均勻地間隔開的葉片2、3。葉片2、3中的每個葉片在垂直於軸線X的平面中具有彎曲輪廓，該葉片具有凹面、凸面、靠近轉子軸線X的內縱向邊緣22、32以及比內縱向邊緣22、32離軸線X更遠的外縱向邊緣23、33。葉片2、3可以通過在板11-例如為盤形的-上的橫向邊緣24、34或者在垂直於軸線X的兩個凸緣11、12-例如為盤形的-之間的相對橫向邊緣24、25、34、35固定(圖3)。葉片2、3可以固定到板11上或凸緣11、12之間，使得軸線X處在每個葉片2、3的內縱向邊緣22、32和外縱向邊緣23、33之間。板11可以直接通過與軸線X共軸的軸13或者通過機械倍增器(增速器)連接到電力發電機14的轉子(圖1)。
不論轉子1所浸入的流體在垂直於旋轉軸線X的平面中的運動方向如何，轉子1以在圖2中用箭頭9所表示的相同方向旋轉。
轉子1可以用於任何流體，例如空氣和/或水，或者甚至複雜流體，例如頂部有氣體的液體、或者混合有固體顆粒的液體，除了流體的流動方向，轉子的旋轉軸線X布置為在任何方向中，例如豎直地或水平地。在水(或其它液體)中，通過將發電機14保持在水上方，僅僅轉子1可被浸入，轉子的旋轉軸線基本豎直。因此，通過阻止彼此相關的兩個可移動部件的接觸面被浸入，可以設置與發電機連接的轉子1。需要注意的是，如果轉子在海中浮起，特別地出現膨脹時，轉子的軸線X可以圍繞豎直方向顯著變化，例如相對於豎直方向為[-30°,+30°]之間，而轉子的性能沒有影響。因此不需要流體的流動方向固定並且垂直於轉子的旋轉軸線。
根據一個實施例，柔性翼片21、31固定到每個葉片2、3的外縱向邊緣23、33，以使得能在邊緣23、33附近在流體流動的作用下自由地自我定向。每一翼片21、31可沿葉片2、3的整個外縱向邊緣23、33延伸或者僅僅沿該邊緣的一部分延伸、或者被分成固定到葉片2、3的邊緣23、33上的若干個區段。事實上，如果轉子可以局部地經受流體流的密度和/或方向的變化，則將翼片分成若干個區段是有利的。在這種情況中，取決於翼片區段所經受的流體流的方向和密度，每一翼片區段可在其整個伸展和收縮位置之間定向。也可以將轉子浸入到不同的流體疊覆層中，例如水和空氣中。在這種情況中，每一翼片區段的寬度和柔性或位移幅度也可與翼片區段將浸入其中的流體的密度和粘度相適應。
各翼片21、31可以從各凸緣11、12延伸給定距離，使得它們的移動不被凸緣11、12阻礙。該布置也降低了物體被困在翼片和凸緣之間的危險。每一翼片21、31的寬度可取決於該翼片的柔性。每一翼片21、31的自由邊緣26、36相對於該翼片所固定在的葉片的外縱向邊緣23、33的切線的角度位移因而可達[120°，+120°]。另外，每一翼片21、31必須不能由於在流體所施加的力的作用下保持壓靠另一葉片而完全阻塞轉子的入口。該條件能通過足夠窄的或剛性的翼片實現，使得對於大於半圈的轉子轉動，不保持壓靠另一葉片。因此，如果翼片不在該位置保持大於半圈的旋轉，或者如果所述翼片傾斜並且在伸展位置保持至少半圈的旋轉，則每一翼片21、31的寬度可以使得該翼片可以與在收縮位置的另一葉片進入接觸。
取決於翼片的剛度，每一翼片21、31的寬度因而可以是轉子1的半徑的0.5倍到2倍之間。根據一個實施例，取決於翼片的剛度，每一翼片21、31的寬度在轉子1的半徑的1到1.5倍之間。在該範圍，可以使轉子性能加倍。
應當指出，每一翼片的寬度不必在葉片2、3的整個高度上是恆定的。類似地，翼片2、3的半徑不必在葉片的整個高度上是恆定的。另外，每一葉片2、3的內縱向邊緣22、32和外縱向邊緣23、33不必為直線和平行於旋轉軸線X，而是可以有任意其它形狀，例如圍繞軸線X的螺旋形。
每一翼片21、31可以由柔性材料製成，例如樹脂、編織或非編織織物，該織物可能地塗覆有樹脂。每一翼片21、31可通過任何合適的方式被固定到葉片2、3之一的外縱向邊緣23、33，所述方式適合葉片2、3和翼片21、31製成的材料。因此，每一翼片21、31可例如使用膠、膠帶、螺栓、釘子或鉚釘被固定到葉片2、3之一上。
翼片21、31也可以為剛性的並且通過柔性連接件固定到葉片2、3的邊緣23、33，所述柔性連接件形成具有有限位移的鉸鏈，以防止翼片向後翻轉和彼此壓靠。因此，圖10示出了葉片的外縱向邊緣23、33附近的葉片2、3的剖視圖。翼片21、31作為葉片的外縱向邊緣23、33的延伸部通過條帶或板片27、28固定到葉片上，所述條帶或板片例如通過粘合分別固定到葉片和翼片的兩個面上。板片27、28可以覆蓋整個翼片和/或葉片。
各個葉片2、3也可以與相應翼片21、31一起例如通過模製形成為一體件，與翼片對應的部分的柔性可以通過使用不同的材料或者通過處理葉片的厚度而獲得。與翼片21、31對應的部分的柔性還可以部分或全部地由葉片2、3到凸緣11、12的附接點的位置產生，葉片的剛性部分地由於其被固定到凸緣11、12上並且與翼片對應的部分不被固定到凸緣上而形成。
根據一個實施例，每個葉片2、3具有從翼片部分21、31的內縱向邊緣22、32向外縱向邊緣26、36減少的剛度。該減少可以是逐漸地或者以一個跳變或多個跳變完成，使得在外邊緣26、36附近的部分是柔性的。因此，圖11示出了在葉片的外縱向邊緣23、33附近的葉片2、3的剖視圖。翼片21、31由兩個條帶37、38形成，所述兩個條帶37、38例如通過粘合沿著葉片的外縱向邊緣23、33分別固定到葉片的兩個面上，以延伸該邊緣並因而形成由所述兩個條帶37、38構成的翼片21、23，所述兩個條帶至少在翼片21、31的外縱向邊緣26、36附近彼此靠接固定。
在圖1至3示出的例子中，轉子1包括圍繞軸線X對稱地布置的兩個葉片，每個葉片具有半圓筒形形狀(圖1和3)或在垂直於軸線X的平面中的半圓形形狀(圖1至3)。兩個葉片2、3中的一個葉片的每個內縱向邊緣22、32在另一個葉片的內和外縱向邊緣22、23、32、33之間。內縱向邊緣22、32間隔開距離e，所述距離e可選擇為等於每個葉片2、3的半徑R的四分之一到轉子1的直徑D的六分之一，所述直徑D對應於兩個葉片2、3的外縱向邊緣23、33之間的距離。另外，在圖1和3中的示例中，邊緣22、32與23、33平行於X軸。
在轉子1的旋轉期間，柔性翼片21、31趨於沿流體的表觀速度的方向並且取決於其幅值定向。該表觀速度由與速度矢量V1、V1』和速度矢量V2、V2』的矢量差對應的速度矢量Vr、Vr』限定，速度矢量V1，V1』的幅值和方向與在翼片21、31附近的流體的流速關聯，速度矢量V2、V2』具有與縱向邊緣23、33的線速度關聯的幅值和與在縱向邊緣23、33區域朝向葉片的內側的與葉片2、3相切的方向。需要注意的是，速度矢量V1，V1』也與相對於流體流的方向的轉子1的角度位置關聯，該流體流的方向與矢量V1、V1』的方向對應。事實上，在轉子1的相對於流體流的方向的下遊區域，翼片21、31不經受或者經受很小的流體屈服力。在馬達1啟動時並且直到翼片21、31在圍繞軸線X的轉動中的線速度到達流體流速時，每一翼片21、31附近的表觀速度矢量Vr、Vr』可以具有任何方向。當它們的線速度高於流體流速時，表觀速度矢量Vr、Vr』在角度區段中定向，所述角度區段以與葉片2、3相切的、在縱向邊緣23、33區域朝向外側的方向為中心(圖2中速度矢量V2的方向)並且該角度區段限定到[-90°,+90°]。但是，需要注意的是，薩伏紐斯轉子的每一葉片的外邊緣23、33的最優線速度在流體流速度的0.5到0.7倍之間。
圖4A到4C以不同的構型示出了葉片2、3和流體的表觀速度矢量Vr、Vr』的方向，這些構型可以在翼片21、31(或外邊緣23、33)的線速度小於流體流速的情況下在轉子1的旋轉期間出現。在轉子1的大致半圈的轉動過程中，翼片21附近的表觀速度矢量Vr的方向為朝向轉子的外側，然而在翼片31附近，該表觀速度矢量Vr』的方向為朝向轉子的內側(圖4B、4C)。在轉子1的另外半圈的轉動過程中，兩個翼片21、31附近的表觀速度矢量Vr、Vr』的方向反轉(圖4A)。另外，當翼片21、31的線速度V2、V2』小於流體的線速度V1時，表觀速度矢量可能指向容易引起翼片21折轉的方向，即，具有在矢量V2、V2』的方向中的分量，所述分量具有與矢量V2、V2』相反的方向。因此，在圖4A中，速度矢量Vr容易使翼片21朝向轉子1的內側折轉。在圖4B中，速度矢量Vr容易使翼片21朝向轉子的外側折轉。從圖4A的構型到圖4B的構型的轉換引起翼片21從內側向外側傾斜。
當兩個翼片21中的一個翼片經受朝向轉子1的外側定向的流體表觀速度時(圖4B)，該翼片趨於伸展(朝向轉子1的外側)並且因而增大葉片2的抵抗流體流的前表面S1(投影到垂直於流體流方向的平面上的表面)。還應指出，該伸展是當葉片的凹面抵抗流體流時發生的。結果是由葉片2傳遞到轉子的旋轉軸線X的驅動力矩增大，從而趨於使轉子1旋轉。相反地，當兩個翼片31中的一個翼片經受朝向轉子1內側的力時，該翼片趨於收縮(朝向轉子1的內側)並且因而減少葉片3的抵抗流體流的前表面S2(小於S1)。還應注意，該收縮是當葉片的凸面抵抗流體流時發生的。因此，在趨向於抵抗轉子1旋轉的階段，由葉片3施加的阻抗力矩減少(與葉片當其翼片保持在伸展構型時的阻抗力矩相比)。
圖5示出了在與轉子相關的參考系統中，視流體流的方向而定的轉子1的不同操作階段I到IV。不同階段I到IV因此與轉子1上流體流影響的角度區段對應。在階段I期間，葉片2在其凹面上接收流體並且因而在轉子1上施加驅動力矩。在該階段期間，葉片3在其凸面上接收流體並且在轉子上施加阻抗力矩。在階段II期間，葉片2、3相應的作用反轉。因而，葉片3在轉子上施加驅動力矩，而葉片2施加阻抗力矩。對於葉片2、3中的每一葉片，階段I和II因而為交替地驅動和阻抗階段。處於階段I和II之間的階段III和IV限定「死」角度區段，其中流體不接合任何葉片2、3的凹面。事實上，在階段III和IV期間，葉片繼續施加較低的驅動力矩。
對比地，圖6示出了常規薩伏紐斯轉子的不同操作階段I到IV。可以看出，在圖5中與階段III和IV對應的「死」角度區段與在圖6中相比延伸較少，這是由於柔性翼片21、31的存在。
需要注意的是，剛剛已經描述的柔性部分和翼片在流體流的作用下相對於葉片被自動地定向，而不需要主動式裝置來對柔性部分和翼片進行定向。還需注意，柔性部分或翼片距旋轉軸線X的距離比葉片更遠。因此，在伸展位置，它們從流體流接收的力產生成比例地(取決於力的施加點和旋轉軸線X之間的距離)高於由驅動葉片所施加的驅動力矩的驅動力矩。本發明因而使用簡單的裝置並因而以較低的花費改進了轉子的性能。
本領域普通技術人員可以理解，本發明可以具有各種替代實施例和各種應用。特別地，本發明還涵蓋僅其一個葉片裝備有柔性部分的轉子。當葉片在轉子上施加阻抗力矩時，柔性部分不必收縮到轉子中。僅僅重要的是，當葉片施加驅動力矩時，柔性部分可以伸展，並且當葉片施加阻抗力矩時，柔性部分可以沿著葉片的外縱向邊緣的切線收縮。
本發明不局限於包括半圓柱形葉片和沿葉片的外邊緣延伸的翼片的轉子。因此，圖7A到7E具有根據各種其它實施例的轉子輪廓。
在圖7A中，葉片2a、2b作為一體件與剛性內部分以及所述內部分的外邊緣(相對於轉子的軸線X)的柔性延伸部21a、31a一起形成，所述剛性內部分在垂直於軸線X的平面中具有半圓形截面。在圖7B中，葉片2b、3b是平坦的並且彼此相對布置，每一葉片包括與柔性延伸部21b、31b成一體的邊緣。在圖7C中，葉片2c、3c不同於7B中的葉片：每一葉片的平坦部分以略彎曲部分替代，所述略彎曲部分在轉子的軸線X側具有凹面。葉片2c、3c的柔性部分21c、31c基本與柔性部分21b、31b相同。在圖7D中，每一葉片2d、3d在垂直於轉子的軸線X的平面中的輪廓或截面具有更複雜的形狀，包括：(相對於轉子的軸線X)基本外接四分之一圓的內部部分22d、32d、接下來是朝向軸線X略凸的部分23d、33d，接下來是部分地繞過另一葉片的內縱向邊緣的柔性部分21d、31d。
根據一個實施例，轉子的每一葉片的全部或部分柔性部分在穿過葉片的內縱向邊緣的一個點和轉子的旋轉軸線的平面中延伸，然而所述葉片在該平面的另一側(圖1，2，7A至7C)。換言之，每一葉片圍繞轉子的軸線延伸大於180°的角度區段。在圖7D中的示例中，每一葉片圍繞轉子的軸線延伸接近180°的角度區段。
另外，不需要使轉子的葉片固定到支承件11上以使轉子的軸線X位於每一葉片的內縱向邊緣和外縱向邊緣之間。事實上，轉子的所有葉片的內縱向邊緣可以在轉子的軸線X的區域對接，如圖7E所示出的。在該附圖中，葉片2e、3e中的每一葉片具有與圖7A中相同的輪廓並具有柔性外部分21e、31e，但內縱向邊緣在轉子的軸線X的區域對接。該布置特別地防止物體被截留在葉片之間。
本發明不局限於兩葉片式轉子，還涵蓋具有三個或更多個葉片的轉子，每個葉片都具有柔性外部部分。因此，圖8示出具有三個葉片4、5、6的轉子10，這些葉片具有半圓形輪廓、圍繞轉子10的旋轉軸線X均勻分布、並且包括從半圓形輪廓向轉子的外側延伸的柔性部分41、51、61。圖9示出了一種轉子20，它具有圍繞轉子20的軸線X對稱地布置的四個葉片2、3、7、8，即，與轉子1相比包括兩個附加的葉片7、8。柔性部分21、31、71、81從每一葉片2、3、7、8的半圓形輪廓朝向轉子的外側延伸。
在葉片為與剛性部分和柔性部分形成一體件的情況中，僅剛性部分的橫向邊緣固定到凸緣11、或僅每一葉片的剛性部分的橫向邊緣固定到凸緣11、12。柔性部分的橫向邊緣不固定到凸緣11、12。
另外，在葉片具有不同剛度區域的情況中，一個葉片的剛性區域不必從其內縱向邊緣延伸到該葉片的處於其外縱向邊緣區域中的柔性部分。事實上，一個葉片的內縱向邊緣的區域可以為柔性的。因此，取決於抵抗流體流的葉片的凹面或凸面，葉片的內縱向邊緣的區域也可收縮或伸展。在這種情況中，葉片的內縱向邊緣的區域的橫向邊緣也不固定到凸緣11、12上。因此，僅葉片的中心區域的橫向邊緣可固定到一個或兩個凸緣上。
本發明不局限於圓柱形葉片，也還可涵蓋具有其它形狀的葉片，例如螺旋形形狀，特別地是為了在轉子轉動期間防止每一葉片施加的驅動力矩的變化。在這種情況中，翼片或柔性部分可被分成多個區段，根據與該區段所關聯的葉片所施加的驅動力矩或阻抗力矩，所述區段能分別地伸展和收縮。還要注意，即使轉子的旋轉軸線布置在流體流的方向中，也可以使具有螺旋葉片的轉子旋轉。
本發明還涵蓋所描述的並且特別是在圖1、2、7A-7E、8和9中示出的實施例的可能的組合。