具有双叶片和倾斜转动轴线的横流式风轮机的制作方法

本发明的是横流式风轮机。

背景技术：

1、可再生能源经历重大发展。因此，陆地上或海上的大型风轮机设施在过去的几十年里经历了快速的增长。所安装的大部分风轮机是水平轴线风轮机(hawt)，其转动轴线与入射风向平行。

2、其它类型的风轮机包括横流式涡轮机，其转动轴线与入射风向垂直。转动轴线一般是竖直的。该类型的风轮机通常称作竖直轴线风轮机(vawt)。

3、已经在jp 59190482、fr2973843以及us7189051中描述了转动轴线竖直的风轮机。这涉及萨沃纽斯(savonius)型风轮机。

4、在横流式风轮机中，达里厄(darrieus)型风轮机可包括直叶片或弯曲叶片。具有弯曲叶片的竖直风轮机包括围绕竖直的中央转动轴延伸的叶片，该转动轴也形成塔架。由于脆弱的名声，尤其是对于非常高的风轮机，该类型的风轮机经历了中等的发展。与水平风轮机不同，非常高的竖直风轮机不仅在高处，也在更接近地面处，在易于出现涡流的称作“边界层”的区域，经受稳定的风。由此导致对于疲劳的一定敏感度。

5、为了改善刚性化，可通过在风轮机顶点与地面之间延伸的线缆，加强非常高的具有弯曲叶片的竖直风轮机。但由此导致显著增加占地，这对于海上设施尤其不利。而且，线缆在允许轴转动的轴承上施加向着地面的压应力。这要求使用特别牢固的轴承，这增大风轮机的复杂度和成本。此外，在每个叶片中心处存在大的转动轴产生涡流(卡门涡流)，这影响风轮机的性能。最后，在叶片转动时，在周期性空气动力的作用下，中央转动轴和保持线缆可能会经受振动，这可能会造成共振不稳定性，尤其是在中央轴的高度或线缆的长度大时。

6、目前，大部分高功率风轮机是水平风轮机。然而，它们有多个缺陷：在叶片转动的作用下发电的发电机悬挂在机舱上并提升至高处。这同样适用于变速箱、制动器和控制系统等主要变速和控制部件。因此，布置在高度处的机舱支撑大的重量，由于对于俯仰或滚动的高敏感度，这不利于稳定性。为了补偿这些缺陷，支撑机舱和叶片的桅杆很大，在陆地上或海上支撑件整个组件的基础也是这样的。将机舱布置在高度处还使得维护操作复杂。水平风轮机的另一缺陷在于叶片的非常大的尺寸，这与桅杆的尺寸组合，同时使得运输和安装复杂。并且，在叶片一体制成的情况下，更是这样。这些叶片一般是重的，这造成风轮机的高重力载荷。叶片也可能具有复杂形状，这增大其成本。

7、还提出了具有达里厄类型的直叶片涡轮的竖直风轮机。竖直风轮机的一个显著优点在于，与水平轴线风轮机不同，能够将发电机和机电传动链布置在低的高度处。另一优点在于对于风的所有方向的敏感度，这不要求使用风轮机偏航角调节。而且，直叶片风轮机具有减小的占地，并且对于风速根据高度的差别更不敏感。

8、文献us2020/0217297描述了一种风轮机，其包括达里厄类型的具有弯曲叶片的不同竖直轴线涡轮。涡轮相互间隔开，并借助于长度大的水平轴，连接到发电机。由此导致占地大的大体积风轮机。

9、文献wo2017153676描述了一种风轮机，其包括具有直叶片的达里厄类型的竖直轴线双子(jumelles)涡轮，其中涡轮相对于中位(médian)竖直平面相互对称。反向转动的涡轮由中央桅杆支持，与中位平面垂直的两个水平支撑件自该桅杆的上端部起延伸。每个涡轮的竖直叶片在其端部通过围绕竖直转动轴线转动的水平型材臂延长。一般性地，双涡轮情况相对于单涡轮情况的高效率与当叶片在涡轮间的区域中移动时体现的局部横向限制效应相关。实际上，在该区域，反向转动的涡轮之间的竖直中位平面阻止入射流远离涡轮。然而，必须满足两个条件：涡轮必须以相同速度和相同的角度位置关系转动。使得两个涡轮同步需要满足这两个条件。相反地，叶片可能会在所述区域逆风(推力方向)或顺风(吸力方向)转向。

10、然而，该类型设计具有与在转动期间施加在涡轮的竖直叶片上的离心力相关的缺陷。在离心力的作用下，竖直叶片经受趋向于使得涡轮横向扩展、即趋向于增大直径的弯曲应力。由此导致不期望的影响效率的振动。此外，大尺寸涡轮的水平臂经受与竖直叶片的重量相关的向下的变形，这在涡轮停止时发生，在此离心力不再补偿重力。由此导致臂/叶片接合部处的疲劳效应。

11、实际上，作用于竖直部分上的周期性空气动力，无论向顺风还是逆风方向，都周期性地中断每个叶片的对称性。当竖直叶片逆风转向时，空气动力朝向涡轮内侧，而当叶片向相反方向转向时，则朝向涡轮外侧。由此导致周期性不对称性，这在每个转动期间产生振荡。

12、双子涡轮允许提高风轮机的效率。然而，由此导致与使用两个发电机相关的一定复杂度，每个发电机连接到涡轮。发电机由电子功率系统控制，以使得涡轮同步，这造成成本增加和进行定期调整的必要性。

13、此外，用于保持涡轮的结构易于出现弯曲应力，这可能会造成出现振动。这也可能造成结构过早磨损。

14、本发明提出了旨在避免或减少上述缺陷的风轮机。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种风轮机，其包括连接到发电机的横流式双子涡轮，该发电机包括设计为在涡轮转动的作用下被驱动转动的轴，该风轮机包括：

2、-第一涡轮，其能够围绕第一转动轴线转动，并且包括围绕第一转动轴线分布的多个叶片；

3、-第二涡轮，其能够围绕第二转动轴线转动，并且包括围绕第二转动轴线分布的多个叶片；

4、-第一转动轴线和第二转动轴线优选地相对于竖直轴线相互对称；

5、-第一转动轴线和第二转动轴线相对于竖直轴线以倾斜角倾斜，优选地倾斜25°至50°的相同倾斜角倾斜。

6、有利地，该风轮机限定中位平面，该中位平面：

7、·与下游平面垂直，该下游平面包括第一转动轴线和第二转动轴线；

8、·经过第一转动轴线与第二转动轴线的交点；

9、中位平面可形成风轮机的对称平面。中位平面尤其可以是竖直的。下游平面也是这样的。

10、有利地，每个转动轴线会聚在单个发电机上，以使得发电机的优选地水平的轴被第一涡轮和第二涡轮驱动转动；

11、优选地：

12、-每个涡轮围绕转动轴线在下端部与上端部之间延伸，下端部比上端部更接近发电机；

13、-每个涡轮的下端部和上端部与所述涡轮的转动轴线对齐；

14、-涡轮的每个叶片包括：

15、·自下端部起延伸的下部分；

16、·自上端部起延伸的上部分；

17、-每个叶片从下端部向上端部延伸，使得：

18、·沿着下部分，当相对于下端部的距离增大时，与叶片与转动轴线之间的距离对应的叶片的半径逐渐增大；

19、·沿着上部分，当相对于上端部的距离增大时，叶片的半径逐渐地减小。

20、有利地：

21、-在下端部处，下部分与转动轴线形成下打开角度，该下打开角度是锐角；

22、-在上端部处，上部分与转动轴线形成上打开角度，该上打开角度是锐角。

23、优选地，上打开角度和下打开角度相等，并形成相同的打开角度。打开角度可以是40°至60°。

24、优选地，每个叶片具有直的下部分和/或直的上部分。

25、根据一个实施方式：

26、-每个叶片包括连接下部分和上部分的赤道部分；

27、-在赤道部分中，叶片的半径达到最大半径。

28、根据一个实施方式：

29、-每个叶片的高度对应于下端部与上端部之间的与转动轴线平行的距离；

30、-每个叶片具有与叶片的高度与叶片最大半径的两倍的比值对应的形状因子；

31、-每个叶片的形状因子为1.3至1.5。

32、优选地：

33、-赤道部分是弯曲的；

34、-沿着赤道部分，自下部分起，所述半径逐渐地增大，直至达到叶片的最大半径，然后逐渐地减小，直至上部分。

35、根据一种可行方案，对于每个涡轮：

36、-赤道平面与转动轴线垂直地延伸，赤道平面经过涡轮的每个叶片的最大半径；

37、-赤道平面形成涡轮的对称平面。

38、每个叶片可包括：

39、-下接合部，其对应于下部分与赤道部分之间的接合部；

40、-上接合部，其对应于上部分与赤道部分之间的接合部；

41、每个叶片使得：

42、-下接合部与上接合部之间的与转动轴线平行的距离形成赤道部分的高度；

43、-赤道部分的相对高度对应于赤道部分的高度与叶片的高度之间的比值；

44、-每个叶片的相对高度大于0.5且小于0.8。

45、根据一个实施方式：

46、-属于两个不同涡轮的两个叶片在其围绕其相应转动轴线转动的过程中，间隔最小间隔；

47、-风轮机的形状因子对应于最小间隔与最大半径的两倍之间的比值；

48、-风轮机的形状因子为0.1至0.3。

49、根据一个实施方式，每个涡轮包括两个叶片，每个叶片相对于涡轮的转动轴线与另一个叶片对称。根据另一实施方式，每个涡轮包括围绕涡轮的转动轴线均匀分布的三个叶片。

50、优选地：

51、-第一涡轮：

52、·在其下端部处，连接到第一下转动轴；

53、·在其上端部处，连接到第一上转动轴；

54、·第一下转动轴、第一上转动轴和第一转动轴线共轴；

55、-第二涡轮：

56、·在其下端部处，连接到第二下转动轴；

57、·在其上端部处，连接到第二上转动轴；

58、·第二下转动轴、第二上转动轴，和第二转动轴线共轴；

59、-风轮机包括保持结构，该保持结构包括：

60、·机舱，其支撑发电机；

61、·桅杆，其自机舱起竖直地延伸并且相对于中位平面居中，桅杆相对于下游平面，沿着与下游平面垂直的纵向方向以后撤距离后撤；

62、·自桅杆起延伸到第一上支撑件的第一上臂，第一上支撑件保持第一上转动轴；

63、·自桅杆起延伸到第二上支撑件的第二上臂，第二上支撑件保持第二上转动轴；

64、·第一上臂和第二上臂相对于竖直轴线倾斜。

65、根据一种可行方案：

66、-第一上支撑件包括轴承，在该轴承中插入第一上转动轴；

67、-第二上支撑件包括轴承，在该轴承中插入第二上转动轴。

68、保持结构可以还包括：

69、-中柱，其自桅杆起远离下游平面地延伸；

70、-在中柱与第一上臂之间延伸的第一支索；

71、-在中柱与第二上臂之间延伸的第二支索。

72、根据一种可行方案：

73、-第一支索在中柱与第一上支撑件之间延伸；

74、-第二支索在中柱与第二上支撑件之间延伸。

75、根据一个实施方式，第一上臂和第二上臂包括相继的基础臂，其分别向着第一上支撑件和第二上支撑件延伸，每个基础臂越接近第一上支撑件或第二上支撑件，就越相对于竖直方向倾斜。

76、根据一个实施方式，至少一根撑杆在桅杆与机舱之间延伸，撑杆相对于竖直方向倾斜，并自桅杆起朝向下游平面延伸。

77、根据一个实施方式，机舱能够围绕竖直转动轴线转动，以使得沿着一方向吹的风，在风施加在每个涡轮的推力的作用下，自发地将涡轮沿着所述方向布置在桅杆下游，其中，桅杆围绕该竖直转动轴线延伸。根据另一实施方式，机舱在转动方面是固定的，风轮机使得：涡轮沿着对应于主导风向的方向，布置在桅杆的下游。

78、根据一个实施方式，每个下转动轴通过角传动装置连接到发电机的轴。

79、根据一个实施方式，在每个角传动装置与每个涡轮的每个相应下端部之间布置有制动器。每个制动器可包括刚性连接到涡轮的盘和刚性连接到角传动装置的蹄。

80、根据一个实施方式，至少一根横杆在同一涡轮的两个不同叶片之间延伸。横杆与两个叶片之间的接合部可形成连接角。根据一种可行方案，同一涡轮的两个不同叶片通过分别布置为与到赤道面相比更接近涡轮的上端部和下端部的上横杆和下横杆连接。

81、根据一个实施方式，桅杆具有在凸上游端部与靠近下游平面pa的下游端部之间，与中位平面pm平行地延伸的水平截面。桅杆的水平截面可有利地在上游端部与下游端部之间变细。

82、根据一个实施方式，每个臂具有在前缘与后缘之间延伸的竖直成型截面，后缘朝向下游平面。

83、结合下列附图，阅读以下说明中的对所示实施例的说明，将更好地理解本发明。