水涡轮机组件的制作方法

本发明涉及用于从流体流产生旋转动力的改进的竖直轴水涡轮机组件(vawt)，该涡轮机组件具有主动桨叶桨距控制。

竖直轴水涡轮机组件和竖直轴空气涡轮机组件之间的区别将被描绘。设计在空气流中使用的组件不适合水流。在水中工作的竖直涡轮机组件旋转速度要慢得多，并且必须处理比在空气中工作的扭矩负载高得多的扭矩负载。空气涡轮机中的主动叶片桨距控制系统不设计成应付这些高扭矩负载。通常，这种控制系统位于靠近涡轮机轴心的中心处，并且使用具有联动系统的臂来改变叶片间距。这些联动系统的最重要的限制因素是它们可以提供的叶片枢转角度的量。另一个重要的限制因素是控制系统可以应用于枢转动作的扭矩量。

根据本发明的竖直轴水涡轮机组件旨在用于安装在潮汐流中，并且具有特别适合于与提供具有比不间断环境潮汐流的速度更大的速度的涡轮驱动器流的加速器一起使用。在本说明书中使用术语“潮汐流”，因为在许多情况下，这种水涡轮机组件被放置在潮汐变化的位置中。然而，本说明书中的术语“潮汐流”和“流”应被理解为不仅仅是指潮汐变化的水流，而是指任何移动的水体如河流、洋流和一般来自结构的排水。此外，本说明书中使用的术语“潮汐流”和“流”可互换使用。水力发电是可用的最重要的可重用能源之一。

众所周知，为了产生升力，存在最佳的叶片迎角。当应用于vawt的叶片时，这种最佳迎角将产生最大的旋转功率。最佳迎角为不同参数的流速和涡轮转速而改变。此外，叶片的角度必须相对于涡轮机的旋转位置取决于其位置而被调节。因此，为了产生最大的旋转动力，必须不断地调节涡轮叶片相对于涡轮机中心枢轴的角度。

在水流中操作的vawt必须与将在空气中运行的竖直轴涡轮机具有显着不同的设计。主要是因为水的粘度较高。在空气流中工作的竖直轴涡轮机通常具有500rpm或更高的转速。工作在水流中的固定叶片vawt通常具有100rpm的最大转速。根据本发明的具有主动叶片桨距控制的vawt在10至40rpm的转速下将是最有效的。

根据本发明的第一方面，用于潮汐流的竖直轴水涡轮机组件，所述竖直轴水涡轮机组件适于围绕竖直轴线旋转并且包括：多个竖直叶片，围绕所述组件轴线布置，所述竖直叶片中的每个具有竖直叶片轴线并且适于围绕所述竖直叶片轴线运动；以及引导装置，主动地控制所述多个竖直叶片中的每个在所述水涡轮机组件旋转时的运动；其中，所述引导装置适于在第一区域中控制每个竖直叶片在其穿过使竖直叶片形成最大升力的潮汐流的区域时的运动；以及其中，所述引导装置还适于在第二区域中，以控制每个竖直叶片在其穿过使所述竖直叶片不产生升力的潮汐流的区域时的运动；以及

其中，所述引导装置包括将所述涡轮机组件的旋转运动转换成所述竖直叶片的枢转运动的凸轮；以及其中，所述凸轮包括：第一凸轮从动件，与所述竖直叶片的旋转轴线间隔开，其中所述第一凸轮从动件适于在设置在所述上支撑件中的一部分中或作为所述上支撑件的一部分的第一连续轨道中行进；以及

第二凸轮从动件，与所述竖直叶片的旋转轴线间隔开，并且适于在设置在所述潮汐流的第一区域中的所述上支撑件的一部分中或作为所述上支撑件的一部分的第一不连续轨道中行进、以及在设置在所述潮汐流的第二个区域中的所述上支撑件的一部分中或作为所述上支撑件的一部分的第二不连续轨道中行进。

优选地，每个竖直叶片被控制以通过所述潮汐流绕其竖直叶片轴线翻转。

优选地，每个竖直叶片被控制以提供通过潮汐流的最小阻力。

优选地，所述水涡轮机组件还包括下支撑件，所述多个竖直叶片中的每个安装在所述下支撑件上以相对于所述下支撑件枢转运动。

优选地，所述水涡轮机组件还包括上支撑件，所述引导装置用于控制所述多个竖直叶片中的每个与所述上支撑件协作的运动，所述多个竖直叶片中的每个被安装成相对于所述上支撑件枢转运动。

优选地，用于每个竖直叶片的所述引导装置安装到所述竖直叶片的上部区域。

优选地，在所述第一区域中，所述引导装置使所述竖直叶片枢转以产生最大提升。

优选地，所述多个竖直叶片中的一个或多个设置有naca轮廓。

优选地，所述凸轮相对于所述竖直叶片轴线固定。

优选地，所述第一凸轮从动件与所述竖直叶片轴线间隔开第一距离。

优选地，所述第二凸轮从动件与所述竖直叶片轴线间隔开第二距离。

优选地，所述第二凸轮从动件与所述竖直叶片轴线间隔开第二距离。此外，优选地，所述第一距离大于所述第二距离。甚至更优选地，所述第一距离是所述第二距离的两倍。

优选地，所述第一凸轮从动件与所述第二凸轮从动件配置成90°。

优选地，所述第一凸轮从动件设置有向上延伸的突出部。

附加地，所述第二凸轮从动件设置有向上延伸的突出部。优选地，所述第一凸轮从动件的向上延伸的突出部比所述第二凸轮从动件的向上延伸的突出部进一步向上延伸。

优选地，所述第二凸轮从动件的向上延伸的突出部与相关联的竖直叶片平行地向上延伸。

现在将仅通过示例的方式相对于附图来描述本发明，其中：

图1示出了竖直轴水涡轮机组件和加速器的一部分的示意图；

图2示出了用于本发明的凸轮从动件的立体图；

图3示出了根据本发明的水涡轮机组件的示意性俯视图；

图4示出了用于本发明的上支撑件的示意性仰视图；

图4a示出了用于本发明的上支撑件的替代性实施例的俯视图；

图5示出了从上方观察到的根据本发明的水涡轮机组件的细节，其中叶片处于第一位置中；

图6示出了从下方观察的图5的水涡轮机组件的细节；

图7示出了类似于图6的视图，其中叶片处于第二位置中；

图8示出了类似于图6和图7的视图，其中叶片处于第三位置中；

图9示出了类似于图6、图7和图8的视图，其中叶片处于第四位置中；

图10示出了从上方观察到的根据本发明的水涡轮机组件的另一细节，叶片处于第五位置中；

图11示出了类似于图10的视图，其中叶片处于六个位置中；

图12示出了类似于图10和图11的视图，其中叶片处于第七位置中；

图13示出了在三个潮汐流中示出了根据本发明的在涡轮机组件以第一速度下旋转期间引导装置的第一部件的相对位置的图表；

图14示出了在相同的三个潮汐流中在涡轮机组件的第二速度旋转期间类似于图13的图表；

图15示出了类似于图13和图14的图表，仅示出了引导装置部件的极限位置；

图16示出了组合图13和图14中所示的所有结果的图表；以及

图17示出了图13和图14中所示的两个最相似结果的图表。

图1示出了位于加速器4的一侧的水涡轮机组件2的示意图。加速器4提供具有比不间断环境潮汐流的速度更大的速度的涡轮机驱动器流。加速器4具有面向前面或弓面6的水流的非流线体以及从其下垂的侧面，水围绕着侧面与侧面中的每个相邻地流动以作为涡轮机驱动器流。潮汐流的一般方向由箭头a表示。箭头b表示水涡轮机组件的旋转方向。

本说明书涉及端口竖直轴水涡轮机组件2(当您面对弓面6时，非流线体的左手侧)。应当理解，右舷(右手侧)布置包括镜像布置，并不进行进一步描述。坐标系的中心10与涡轮机的轴线重合。坐标系的正y方向平行于非流线体的中心线，并且与水流方向完全相反。坐标系的正x方向指向非流线体的中心。逆时针方向时角度为正。0°平行于正x轴。该端口涡轮机组件在该坐标系中以正方向(逆时针方向)旋转。

除非上下文清楚地需要替代阅读，否则对于“上”或“下”的参考或类似方向性参考将参考涡轮机组件围绕其竖直轴线竖立来理解。

水涡轮机组件优选地安装在支撑件内。支撑件可以包括侧支柱，从该支柱延伸上部和下部涡轮支撑件。适于旋转的竖直轴12安装在上涡轮支撑件和下涡轮支撑件之间，或更优选地通过上涡轮支撑件和下涡轮支撑件。

水涡轮机组件具有竖直组件轴线，竖直轴水涡轮机组件围绕竖直组件轴线旋转。竖直轴12优选地设置成与竖直轴线共同进入。竖直轴12的外部竖直表面被方便地成形以帮助水围绕竖直轴12流动。

水涡轮机组件2还包括围绕所述竖直组件轴线设置的多个竖直叶片20。方便地，多个竖直叶片中的每个与其它竖直叶片相同。每个竖直叶片20具有竖直叶片轴线并且适于围绕所述竖直叶片轴线移动。引导装置被设置成当竖直轴线水涡轮机组件2旋转时控制多个竖直叶片20中的每个的移动。方便地，多个竖直叶片包括3至10个叶片。最优选地，多个叶片包括6个叶片。

每个竖直叶片20包括与竖直叶片轴线对准的轴。竖直轴水涡轮机组件2还包括上叶片支撑件28和下叶片支撑件。方便地，上叶片支撑件28和下叶片支撑件安装在中心轴12上以围绕涡轮机组件的竖直轴线旋转。方便地，上叶片支撑件和下叶片支撑件形成为安装成围绕中心轴12旋转的支撑板。

下叶片支撑件设置有用于每个竖直叶片轴的下端的下部安装装置，例如轴承。下安装装置允许相应的竖直叶片20围绕其竖直轴线移动。应当理解，在使用中，水涡轮机组件2的该部分将被浸入潮汐流中，并且将考虑到这一点来选择安装装置，例如轴承。

上叶片支撑件28设置有用于每个竖直叶片轴的上端22的上安装装置。上安装装置允许相应的竖直叶片20围绕其竖直轴线移动。在优选实施例中，上安装装置对应于引导装置以控制多个竖直叶片中的每个的运动。

通过参考图2至图12更详细地描述引导装置。

凸轮系统被提供为在竖直叶片20旋转时控制竖直叶片20的桨距。

图2中示出了用于本发明的凸轮从动臂30。每个竖直叶片轴的上端22设置有这种凸轮从动臂30。凸轮从动臂30方便地大致为l形，其具有连接到第二短肢34的第一较长的支杆32。每个凸轮从动臂30以与每个竖直叶片轴的相应的上端22固定的关系安装。在优选实施例中，这是通过在上竖直叶片轴和凸轮从动臂中的每个上使用互补的定位特征来实现的，例如凸轮从动臂30中的凹口42，其用于接合竖直叶片轴中的互补凹槽。

较长的凸轮从动臂32的自由端设置有第一向上延伸的突出部36。该第一向上延伸的突出部36适于被容纳在上支撑件28内。

较短的凸轮从动臂34的自由端设置有第二向上延伸的突出部38。下面描述该第二向上延伸突出部38的功能。

上支撑件28(图4)包括限定周界的第一连续轨道50。第一向上延伸的突出部38适于被容纳在上支撑件的第一连续轨道50内。在图4所示的实施例中，第一连续轨道50从毂52由多个轮辐54支撑。方便地，毂52和轮辐54与连续轨道50一体形成。上支撑件28的毂52支撑在水涡轮机组件2的上端，以绕水涡轮机组件2的竖直轴线旋转。

第一不连续轨道60和第二不连续轨道62也设置在上支撑件上或作为上支撑件的一部分。每个不连续轨道60、62优选地设置在前端处，具有前导的(优选地被冠的)边缘56，以便于使第二突出部38进入不连续轨道中。

第一或初级不连续轨道60位于连续轨道50的周边的外侧，并通过另外的辐条或支撑件64连接到上支撑件。

第二或次级不连续轨道62位于连续轨道50的周边内，并且安装在支撑第一连续轨道50的轮辐54上。次级不连续轨道62位于与初级不连续轨迹60相对的位置。

在图4a中，相同的附图标记表示相同的部件，第一连续轨道50以及第一不连续轨道60和第二不连续轨道62由固定的支撑板(未示出)支撑。在优选实施例(未示出)中，第一连续轨道50形成在固定支撑板内，并且第一不连续轨道60和第二不连续轨道62从固定支撑板支撑。中心轴12的上端在图4a中示出。

应当理解，中心轴方便地连接到任何合适的装置以利用由涡轮机组件产生的旋转动力。

下面描述给定所示的凸轮从动臂30布置的第一连续轨道50和第一和不连续轨道60第二不连续轨道62的形状和相对位置的确定。

在图3和图5至图12中可以看出，叶片如何在涡轮机旋转时移动。涡轮机组件的部件的尺寸仅作为示例提供。

凸轮从动臂30在其枢转点与第一向上延伸的突出部36的中心之间测量为100mm长。

凸轮从动臂30在枢转点与第二向上延伸突出部38的中心之间测量为50mm。应当理解，该尺寸平行于相关联的竖直叶片20。

每个向上延伸的突出部36、38的直径为10mm并且高度为11mm。这允许轨道50、60、62和凸轮从动臂30的内表面之间的空间。第一向上延伸的突出部36方便地设置在凸轮从动臂30的基部的10mm高的凸台40上。

当第一突出部36和第二突出部38穿过的路径在几个点处交叉时，不连续轨道60、62位于主连续轨道50的下方，并且这是为什么第一突出部36比第二突出部38升高的原因。

竖直叶片20的轴的中心(即它们的枢轴)围绕直径为600mm的圆形路径26布置。

图3通过图示的方式示出了单个叶片22，其中凸轮从动臂的第一突出部36位于连续轨道50内。该图示出了由每个叶片22相对于包括连续路径50和不连续路径60、62的上支撑件28描述的圆形路径26。

连续轨道50的正常宽度(c-图4)为10.2mm。包括连续和不连续轨道50、60、62的上部组件在其最宽点处为757.4mm(d-与不连续轨道60、62一致，并且在最窄处为741.56mm(e-与先前测量成正比)。平行于该窄尺寸，第一不连续轨道60为359.14mm长(f)。

图5是从上方观察涡轮机组件2的一部分的视图，并且图6至图12是涡轮下方的立体图，从而可以看出凸轮从动臂30如何装配到轨道中并随着涡轮组件2旋转而旋转。尽管仅示出了单个竖直叶片20及其凸轮从动臂30，但是应当理解，水涡轮机组件2包括具有相关联的凸轮从动臂的多个这样的竖直叶片。

在图5中，凸轮从动臂30的第一突出部36位于连续轨道50内(并且对应于图3中所示的叶片的位置)。凸轮从动件30连接到叶片20的上轴22。竖直叶片20的轴，特别是枢轴点围绕水涡轮机组件2的竖直轴线旋转以描述圆形路径26。

图6示出了从下方观察的与图5中相同位置的竖直叶片20。可以看到凸轮从动臂30的第二突出部38刚刚进入初级主不连续轨道60。

当水涡轮机组件2旋转时，第二突出部38被向内并朝向竖直叶片20(图7)的路径并且横跨竖直叶片(图8)的路径且位于竖直叶片(图8)的路径内，从而导致竖直叶片20与潮汐流一同翻转。在第二突出部38离开主不连续轨道60(图9)时，竖直叶片20完成了翻转运动。

在图5至图9中可以看出，连续轨道50在转弯点被加宽，从而产生第一突出部36的游隙，以使得第一突出部36可以被认为与连续轨道50分离(但仍然被引导)。图8示出了在第二突出部38设置为离开第一不连续轨道60时，第一突出部36与连续轨道50重新接合。

凸轮从动臂30、初级连续轨道50和第一不连续轨道60的相互作用主动地控制竖直叶片20的枢转。

在竖直叶片20穿过竖直叶片20产生最大升力的潮汐流中的区域时，高负荷施加在叶片枢轴线或轴及其相关的安装轴承上。凸轮从动臂30的杠杆动力在处理这些负载方面是有利的。

应当理解，第一突出部36可以设置有旋转凸轮从动件，以帮助第一突出部36沿着连续轨道50行进。类似地，第二突出部38还可以设置有旋转凸轮从动件，以帮助第二突出部38沿着不连续轨道60、62行进。

图9示出了在竖直叶片20通过涡轮机组件2不产生升力的静止水流的区域时的竖直叶片20和凸轮从动臂30。此时，第二突出部38进入第二不连续轨道62。在竖直叶片穿过路径26时，竖直叶片20相对于水流被保持到适当位置。图10示出了在第二不连续轨道62的中点处的具有凸轮从动臂30竖直叶片20，并且图11示出了即将离开第二不连续轨道62的具有凸轮从动臂30竖直叶片20。

同样，在图9至图11中可以看出，连续轨道50在转弯点被加宽，从而产生第一突出部36的游隙，以使得第一突出部36可以被认为与连续轨道50分离(尽管仍然被引导)。

在这方面，相对较小的载荷施加在叶片轴枢轴点和相关轴承上。该辅助轨迹62的优点是能够改变枢轴动作杠杆点。这样做是有利的，因为连续轨道50和凸轮从动臂30的相对角度可能引起阻碍效应。

凸轮从动臂30和第二不连续轨道62的相互作用主动地控制竖直叶片20在第二不连续轨道62的区域中的枢转。

在竖直叶片20穿过竖直叶片20形成最小提升的潮汐流中的区域时，较低的载荷施加在叶片枢转轴或轴及其相关的安装轴承上。凸轮从动臂30的较短的杠杆力足以应付这些负载。

使用该系统还有另一个好处。由于叶片20可以向前翻转，这使得能够使用用于叶片20的naca轮廓，其中轮廓在需要时始终定位成最大提升。在竖直叶片20的鼻部通过潮汐流时，它也能够平稳地起作用。

凸轮从动臂30不需要是l形。也可以采用其它的结构，例如凸轮从动件可以形成为具有第一突出部和第二突出部的板。然而，需要保持第一突出部和第二突出部相对于竖直叶片的枢转点的相对位置。

如下所述确定由凸轮从动臂30控制多个涡轮叶片20中的每个的运动的路径。

每个竖直叶片20设置有x和y坐标，每个竖直叶片20绕其枢转。分析首先以整个涡轮机的偏航增量从零位置开始以1度来执行-这被称为偏航角(θ)。请注意，该角度与计算流体动力学(cfd)分析不同-关系为θ＝360°-cfd角位置列。相对于坐标方案的中心，涡轮机的中心从该θ角度计算枢轴点的x和y坐标。

xpivot＝rcos(θ)

ypivot＝rsin(θ)

接下来，计算竖直叶片20相对于固定坐标系的角度。cfd分析提供该数据作为与局部切线相比的“迎角”。因此，局部切线的角度首先被计算(θ+90°)。cfd迎角(α)定义为“当叶片鼻部朝向正顺时针方向时，竖直叶片20的迎角被定义为零”。该端口涡轮机组件以与用于cfd分析的方向相反的方向旋转。cfd迎角的负数用于此分析。对于任何偏航角θ，正确的迎角从angpos＝360°-θ读出。因此叶片角度(β)由下式给出：

β＝θ+90°-α。

第三步是计算第一突出部的中心相对于竖直叶片枢轴的位置。在这种分析中，凸轮从动臂可以以任何角度(γ)固定，但将使用-90°的起点，这意味着当涡轮机组件处于0°偏航角中并且迎角为零时，凸轮从动臂位于正x轴上(在测试中，这个位置的迎角通常相当小)。因此，相对位置为：

xarm＝larmcos(β+γ)

yarm＝larmsin(β+γ)。

作为凸轮从动件的第一突出部36的中心的坐标通过添加x臂和x枢轴坐标而给出，并且类似地用于y坐标。

从大约155°开始，cfd迎角建议要求叶片20顺时针旋转大约90°的角度，而偏航角只能移动大约60°的角度。

在这方面有利的是平稳地加速凸轮臂向前，以使其以最小的力完成该运动。这是使用初级不连续轨迹60完成的。第二向上延伸的突出部38适于进入主不连续轨道60的前缘，从而根据需要旋转叶片20。连续轨道50在转弯点加宽，以阻止第一突出部36在两个轨道之间的绑定。

次级不连续轨道62在涡轮组件的另一侧在0°偏航角上方和下方30°处使用，以确保叶片20在通过0°点时保持正确的角度。

使用上述计算，已计算出三个流速(均为15rpm的相同设置)的轨迹，如图13所示。图13示出了用于流速为1.2m/s(a)、1.8m/s(b)和2.5m/s(c)的第一向上延伸突出部的跟踪轨迹。已经确定，轨道之间的最大径向距离为50mm并且以大约225°的偏航角发生。

图14显示了20rpm情况和在2.5m/s情况下的凸轮从动件的开始和结束位置(图13中的相似参考用于显示每个流速)。竖直叶片20的位置示出在2.5m/s流速(路径c')的路径上的两个点。

图15仅示出了最高流量和转速(c')和最低流量和转速(a)的轨迹。这表明，在225°偏航角(凸轮位移约为44mm)的情况下，凸轮轨迹位置的差异最为明显。

图16示出所有流速的所有轨迹-15rpm时为1.2m/s(a)、15rpm时为1.8m/s(b)、15rpm时为2.5m/s(c)、20rpm时为1.2m/s(a')、在20rpm时为1.8m/s(b')、在20rpm(c')为2.5m/s。可以看出，一些轨道非常相似。

图17示出了具有最大相似性的轨道，即在15rpm时为1.8m/s(b)、在20rpm时为为2.5m/s(c')。这些被认为是最佳的。

可以使用这些轨道之一创建连续轨道。由于遵循竖直叶片的枢转轴线的圆形路径是已知的，因为在该连续轨道中将跟随第一突出部的路径，所以可以计算第一不连续轨道和第二不连续轨道的形状和位置，以确保第二突出部将进入这些轨道，由此使得竖直叶片将将被控制为在第一不连续轨道的情况下枢转或固定穿过流动并且在第二不连续轨迹的情况下提供最小的阻力。