專利名稱：中心軸線式水力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過水流產(chǎn)生可用能量的中心軸線式渦輪機(jī)(central axis water turbine)。
背景技術(shù)：
中心軸線式水力渦輪機(jī)通過使用水流來向渦輪機(jī)供能而從水流中獲取動(dòng)力，并產(chǎn) 生其它可用形式的動(dòng)力。中心軸線式水力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)受到使用氣流來向渦輪機(jī)供能的風(fēng) 力渦輪機(jī)的影響。渦輪葉片傳統(tǒng)上為直葉片，這些葉片垂直于渦輪機(jī)的中心軸線，沿徑向向 外延伸。盡管風(fēng)力渦輪機(jī)和水力渦輪機(jī)都是通過流體在渦輪葉片上的流動(dòng)來產(chǎn)生動(dòng)力，但 是穿過渦輪機(jī)并流過葉片的水流與氣流的特性之間存在顯著差異。由于上述的以及其它的原因，公知的中心軸線式水力渦輪機(jī)在典型的水流條件下 并不能提供最佳的可用功率輸出。本發(fā)明力求改進(jìn)上述的一個(gè)或多個(gè)缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提出了一種中心軸線式水力渦輪機(jī)，其包括渦輪機(jī)本體，其具有一中心軸線；轉(zhuǎn)子，其安裝在渦輪機(jī)本體上，繞該中心軸線旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子包括支撐多個(gè)葉片的中 心轂(central hub)，各葉片均從安裝于該轂上的葉根延伸至葉梢；由該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器(發(fā)電機(jī))；以及殼體，其包圍該轉(zhuǎn)子并適于將水流導(dǎo)向上述葉片；其中，上述葉片從葉根至葉梢以與垂直于該中心軸線的平面成約1°到20°的傾 斜角向后斜張。優(yōu)選的是，殼體從轉(zhuǎn)子前方的前開口至鄰近渦輪機(jī)本體的較窄的喉部收斂。優(yōu)選的是，上述葉片從葉根至葉梢以與垂直于該中心軸線的平面成2°至10°、 更優(yōu)選地為4°至6°的傾斜角向后斜張。更優(yōu)選的是，上述葉片以從垂直于該中心軸線的 平面傾斜約5°的傾斜角向后斜張。轉(zhuǎn)子優(yōu)選地包括頭錐體，該頭錐體安裝在轉(zhuǎn)子的前部以減小作用于該轉(zhuǎn)子上的阻 力(drag)并減弱通過殼體的湍水流。優(yōu)選的是，頭錐體是中空的，以便為諸如控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)或者用于輔助系統(tǒng) 乃至主系統(tǒng)的儲(chǔ)存器提供空間。在優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)生器與轉(zhuǎn)子容放在一起，該發(fā)生器適于通過該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 而產(chǎn)生電力。優(yōu)選的是，該發(fā)生器直接連接至一軸。優(yōu)選的是，該發(fā)生器通過花鍵連接裝置 連接至該軸。優(yōu)選的是，發(fā)生器由轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)，該布置方式可能適合于諸如多極發(fā)電機(jī)或高極發(fā)電機(jī)(high-pole electric generator)等選定的發(fā)生器所要求的輸入速度。然而，在 一些布置方式中，可能適于將一齒輪箱(變速箱)連接至軸或發(fā)生器，從而將該軸輸入到該 發(fā)生器的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于其它類型的發(fā)生器的轉(zhuǎn)速。葉片可以具有諸如機(jī)翼形、漸縮形或梯形、矩形、平行、彎曲形或扭曲形狀等任何 截面形狀。在優(yōu)選的布置方式中，上述機(jī)翼形是NACA 4412系列的截面形狀。此外，應(yīng)當(dāng)明白的是，葉片可具有任何適合的形狀，而且與葉片斜度角(rake angle)為0° (即，無斜度或無傾斜)的同類渦輪機(jī)相比，向下游或向后的1°至20°的傾 角或斜度角能夠增大具有合適殼體的中心軸線式渦輪機(jī)的功率輸出。優(yōu)選的是，設(shè)置支撐柱來支撐轉(zhuǎn)子和發(fā)生器。優(yōu)選的是，支撐柱是中空的，以提供 管道或存儲(chǔ)器。在一種布置方式中，支撐柱在轉(zhuǎn)子與發(fā)生器之間大致沿徑向延伸。在優(yōu)選 實(shí)施例中，支撐柱的位于發(fā)生器的一端被安裝成使得支撐柱大體上沿發(fā)生器的切線方向延 伸。這是為了改善發(fā)生器與殼體之間的轉(zhuǎn)矩傳遞，有助于減輕支撐柱的重量。此外，該優(yōu)選 布置方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于在使用時(shí)，沿切線方向安裝的支撐柱不會(huì)完全處于徑向安 裝的葉片之后，或者說不會(huì)被徑向安裝的葉片完全“遮擋”，所以減小了作用于支撐柱上的 疲勞荷載。優(yōu)選的是，設(shè)置制動(dòng)器，用以阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的是，該制動(dòng)器是失效保護(hù)機(jī)構(gòu)。 優(yōu)選的是，在使用時(shí)，當(dāng)向制動(dòng)元件施加動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)促動(dòng)器(braking actuator)使該制動(dòng) 元件保持為克服一促動(dòng)力而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子。在使用時(shí)，當(dāng)從制動(dòng)促動(dòng)器去除動(dòng)力時(shí)，該促動(dòng)力 (其可以為來自彈簧或者利用其它類型的適當(dāng)推動(dòng)力)克服該制動(dòng)促動(dòng)器的力，使該制動(dòng) 元件作用于轉(zhuǎn)子，從而使該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)減慢或停止。優(yōu)選的是，在葉根處設(shè)置套靴(boot)或插塞以覆蓋任何間隙、凸起或螺栓頭等 物，以使該區(qū)域內(nèi)的干擾最小化。優(yōu)選的是，殼體限定了一具有流動(dòng)限制部的流道。有利的是，該布置方式提高了通 過該流道的液體在該流道的限制部分處相對(duì)于該流道的未受限部分的流速。該流動(dòng)限制部 優(yōu)選地包括文氏管，該文氏管可形成該流道的一部分或全部。特別地，該文氏管可包括發(fā) 散-收斂-發(fā)散型文氏管，其從該流道的任一端處的開口朝向該流道的內(nèi)部漸縮。優(yōu)選的是，殼體是關(guān)于該轉(zhuǎn)子大致對(duì)稱的。文氏管可包括至少一個(gè)第一截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體；圓柱體(可選 的)；以及至少一個(gè)第二截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體。在一種布置方式中，在第一 /第二截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體的其中一 個(gè)的發(fā)散端與第一 /第二截頭圓錐形、截頭角錐形或喇叭形體中的另一個(gè)的相鄰的收斂端 之間可設(shè)置一間隙，上述第一 /第二截頭圓錐形、截頭角錐形或喇叭形體的其之一個(gè)的發(fā) 散端的直徑小于第一 /第二截頭圓錐形、截頭角錐形或喇叭形體中的另一個(gè)的收斂端的直徑。優(yōu)選的是，上述第一 /第二截頭圓錐形、截頭角錐形或喇叭形體的其中一個(gè)的發(fā) 散端與第一 /第二截頭圓錐形、截頭角錐形或喇叭形體中的另一個(gè)的收斂端沿縱向大致吻
I=I O在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，殼體朝向轉(zhuǎn)子的后方延伸并起到擴(kuò)散器的作用，殼體從喉 部向該轉(zhuǎn)子后方的后部開口擴(kuò)展。
優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)子支撐至少兩個(gè)葉片。更優(yōu)選的是，渦輪機(jī)具有3個(gè)或6個(gè)葉片。然 而，應(yīng)當(dāng)明白，渦輪機(jī)可采用2、3、4、5、6或更多的任何數(shù)量的葉片。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括斜伸或向后斜張的葉片，這些葉片從基部至葉梢以與垂 直于中心軸線的平面成約1°至20°的傾斜角斜伸或向后斜張，以利于提高由渦輪機(jī)產(chǎn)生 的可用功率。根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提出了一種利用水流產(chǎn)生動(dòng)力(發(fā)電)的方法，該方法包 括將根據(jù)本發(fā)明第一方案的中心軸線式水力渦輪機(jī)設(shè)置到海洋或河流環(huán)境中；允許水流過渦輪機(jī)，以使葉片旋轉(zhuǎn)；和從渦輪機(jī)獲取可用動(dòng)力。根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提出了一種中心軸線式水力渦輪機(jī)，包括渦輪機(jī)本體，其具有一中心軸線；轉(zhuǎn)子，其安裝在該渦輪機(jī)本體上，繞該中心軸線旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子包括支撐多個(gè)葉片的 中心轂，各個(gè)葉片均從安裝于該轂上的葉根延伸至葉梢；由該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器；以及殼體，其包圍該轉(zhuǎn)子并包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)壁，這些內(nèi)壁與該轉(zhuǎn)子隔開，使得當(dāng)使用 時(shí)，至少在選定的時(shí)間內(nèi)，這些內(nèi)壁被鄰近多個(gè)葉梢設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的第四方案，提出由用于中心軸線式水力渦輪機(jī)的多個(gè)部件構(gòu)成的 (成套)裝備(kit)，該裝備包括動(dòng)力發(fā)生器模塊，其包括一中心軸線和一渦輪機(jī)本體，以 及安裝在該渦輪機(jī)本體上以便繞該中心軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括用于支撐多個(gè)葉片的 中心轂，該動(dòng)力發(fā)生器模塊還包括用于安裝一個(gè)或多個(gè)支撐柱的安裝座和在使用時(shí)由該轉(zhuǎn) 子驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器；多個(gè)葉片；殼體；多個(gè)支撐柱，其用于將該動(dòng)力發(fā)生器模塊支撐在相對(duì)于 該殼體的中心位置；其中，該殼體在使用時(shí)包圍該轉(zhuǎn)子并包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)壁，這些內(nèi)壁與 該轉(zhuǎn)子隔開，使得當(dāng)使用時(shí)，至少在選定的時(shí)間內(nèi)，這些內(nèi)壁被鄰近多個(gè)葉梢設(shè)置，該殼體 還包括支撐柱安裝座，用于將支撐柱安裝就位，這些支撐柱可以被容易地組裝成在該動(dòng)力 發(fā)生器模塊與該殼體之間延伸。優(yōu)選的是，殼體采取包括圓柱形腔孔的主體的形式，轉(zhuǎn)子和葉片布置在該腔孔內(nèi)。優(yōu)選的是，葉片從葉根至葉梢以與垂直于中心軸線的平面傾斜約1°至20°的傾 斜角向后斜張。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的渦輪機(jī)適于應(yīng)用在流動(dòng)水體中，諸如海洋和河流中所 存在的流動(dòng)水體。本發(fā)明能夠利用洋流和潮汐流來發(fā)電?？v觀本說明書，除非上下文所要求的之外，用詞“包括”或者其各種形態(tài)，都應(yīng)被理 解為意指包括一個(gè)元件、整體或步驟，或者包括由多個(gè)元件、整體或步驟組成的群組，但并 不排除任何其它的元件、整體或步驟，或者由多個(gè)元件、整體或步驟組成的群組。任何對(duì)本發(fā)明中所包含的文獻(xiàn)、行為、材料、裝置、物品等的論述僅是為了提供本 發(fā)明的背景內(nèi)容。上述這些內(nèi)容的任一項(xiàng)或全部均不應(yīng)被認(rèn)為是構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部 分或在本申請(qǐng)文件的各項(xiàng)權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前在澳大利亞已存在的、與本發(fā)明相關(guān)的 領(lǐng)域內(nèi)的公知常識(shí)。為了使本發(fā)明能夠得到更清楚地理解，下面將結(jié)合以下附圖和示例來描述優(yōu)選實(shí)施例。


圖1繪示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的側(cè)向剖視 圖；圖2是針對(duì)不同流動(dòng)條件下的各種斜度角(rake angle)或傾斜角的設(shè)置而繪出 的渦輪機(jī)功率輸出的圖形顯示；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的側(cè)向剖視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的水力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的等距分解視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的正視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的側(cè)向剖視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的等距視圖，圖中為清 晰起見而拆除了殼體或機(jī)罩(cowling)；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)的等距視圖，圖中示出 渦輪機(jī)處于帶壓載底座(ballasted foot)上的安裝位置；圖9是圖8中所示的安裝后的渦輪機(jī)的正視圖；圖10是圖8中所示的安裝后的渦輪機(jī)的俯視圖；圖11是圖8中所示的安裝后的渦輪機(jī)的側(cè)視圖；圖12示出了一對(duì)安裝后的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的中心軸線式渦輪機(jī)的立體 圖；圖13是殼體的正視圖，示出了沿切向安裝的支撐柱；圖14是殼體的等距視圖，示出了支撐柱的安裝座；以及圖15是用于減小葉片/頭錐體界面處的干擾的半套靴或半插塞的等距視圖。
具體實(shí)施例方式海水密度約為空氣密度的832倍；所以，從五節(jié)(knot)的洋流中可獲得的動(dòng)能大 約相當(dāng)于風(fēng)速為270km/h的風(fēng)的動(dòng)能。以五節(jié)的速度運(yùn)動(dòng)通過直徑150m的圓所界定的區(qū) 域的水具有大致100，000KW的動(dòng)力。并且，與風(fēng)不同的是，潮汐流或河流是可預(yù)測(cè)的，從而 增強(qiáng)了負(fù)載調(diào)度/規(guī)劃的機(jī)能。潮汐技術(shù)比陸上風(fēng)力設(shè)備或近海攔潮壩的干擾少；所以，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的 有利之處在于，對(duì)航行或航運(yùn)的潛在危脅會(huì)小于相近的公知的近海設(shè)備。參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的中心軸線式水力渦輪機(jī)組件總體上由 附圖標(biāo)記10表示，其包括主體12，轉(zhuǎn)子14和可選的殼體或機(jī)罩16。主體12包括發(fā)電機(jī)組 件18，轉(zhuǎn)子14安裝在軸20上以繞一中心軸線旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子14包括支撐多個(gè)葉片M的轂22， 所示的優(yōu)選實(shí)施例為具有六個(gè)葉片，各個(gè)葉片均從安裝于該轂上的葉根27延伸至葉梢觀。 當(dāng)安裝后，殼體16所處的位置使得內(nèi)壁包圍轉(zhuǎn)子14，在一些實(shí)施例中，該殼體從該轉(zhuǎn)子前 方的前開口四到鄰近轉(zhuǎn)子14的較窄的喉部30收斂，以將水流導(dǎo)向葉片24。轉(zhuǎn)子14的葉 片M從葉根27至葉梢觀以約5°的傾斜角向后斜伸，也就是說前緣31從葉根27至葉梢 28，以與垂直于在葉根27處穿過前緣的中心軸線的平面35成約5°的角度向后延伸。
可采取任何適當(dāng)?shù)奶卣鱽韺⑷~片設(shè)置成向下游或向后斜伸5°。然而，在附圖中可 以看到，轉(zhuǎn)子14包括支撐著多達(dá)六個(gè)葉片的轂。每個(gè)轂包括有腔孔，可通過拆除前半筒體 來訪問該腔孔。該腔孔向后傾斜5°。葉片包括與該葉片的前緣平行地延伸的葉干(stem)。 這樣，葉片的前緣向后或向下游斜伸5°。優(yōu)選的傾斜角是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模來確定的。圖2中所示的圖表示 出了在不同流動(dòng)條件下對(duì)應(yīng)于各種傾斜角的渦輪機(jī)的模型化相關(guān)功率輸出。最優(yōu)的點(diǎn)是每 一速度下效率為最高的時(shí)候。這說明在已知的條件和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，為使渦輪機(jī)以最佳效率 運(yùn)行，葉片應(yīng)當(dāng)具有1°至20°之間的、優(yōu)選為約5°的向后傾斜角。盡管該圖表顯示在傾 斜角大于5°的情況下可以獲得最佳效率，但是在某些機(jī)械配置下，不大于約5°的傾斜角 對(duì)于葉根處的彎矩最小化是有利的。然而，可以想到的是，通過適當(dāng)?shù)陌惭b，也可以成功采 用5°以上的傾斜角，比如達(dá)到20°或更大的傾斜角。在使用時(shí)，在一些實(shí)施例中，當(dāng)設(shè)置在水流中且與水流大致平行時(shí)，水由收斂的機(jī) 罩或殼體16引導(dǎo)，流向轉(zhuǎn)子14。當(dāng)水流過葉片M時(shí)，轉(zhuǎn)子14受到驅(qū)動(dòng)而使軸20繞中心軸 線旋轉(zhuǎn)，該軸進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)18而產(chǎn)生電力輸出。發(fā)電機(jī)組件18可以連接至一齒輪箱，該 齒輪箱則會(huì)連接至該軸，但在這種優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)18經(jīng)由花鍵連接裝置直接聯(lián)接至 軸而無需齒輪箱。軸20的材料可以是任何能夠在侵蝕性環(huán)境中抵抗腐蝕且能夠支撐所需載荷的適 當(dāng)?shù)牟牧?。碳鋼為?yōu)選，然而也可以使用其它材料，包括例如不銹鋼。而且，出于同樣的保 護(hù)性目的，該軸的一些暴露部分將由套筒、護(hù)套或諸如涂層等其它防護(hù)性材料覆蓋。為利于 進(jìn)一步保護(hù)該軸，將油脂或諸如重鉻酸鋇等類似物的其它保護(hù)性材料填充或注入到套筒與 軸之間的間隙中。為了使干擾最小，圍繞和/或鄰近葉根27設(shè)置有插塞40，以使鄰近葉根27和轂的 區(qū)域中的水流暢順。插塞40可由聚亞安酯形成并可采取柔性套靴或在安裝時(shí)被泵入合適 位置的密封劑/粘合液的形式。圖15中示出了優(yōu)選的插塞40或者說該插塞的一半。轂22以干涉配合的方式附接于軸，以便簡化其與該軸的連接，并且也保持了這種 連接的可靠性。支撐柱50連接至機(jī)罩或殼體16，以便在機(jī)罩或殼體16內(nèi)的大致中部的位置支撐 主體12和轉(zhuǎn)子?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)數(shù)量的支撐柱50，在附圖中所示的支撐柱50為三個(gè)。 支撐柱50可以是中空的，以便容納諸如油脂、空氣或液壓流體等材料的儲(chǔ)存器，或者形成 供電纜或液壓油管線等穿過的管道。例如，圖1和圖5中所示的支撐柱50沿徑向從發(fā)電機(jī) 和轉(zhuǎn)子伸出。此外，支撐柱50可旋轉(zhuǎn)地支撐軸20。使用兩個(gè)隔開的軸承，一個(gè)是上游軸承51， 一個(gè)是下游軸承53，兩者通過軸承套相互連接。支撐柱50以其外徑連接至該軸承套。設(shè)置制動(dòng)器60，在該優(yōu)選實(shí)施例中，該制動(dòng)器設(shè)置在支撐柱附近。制動(dòng)器60優(yōu)選 為失效保護(hù)機(jī)構(gòu)，其中當(dāng)渦輪機(jī)10在使用時(shí)，利用壓力，優(yōu)選為利用液壓來將制動(dòng)片或阻 動(dòng)元件(如磁鐵、氣動(dòng)元件)保持為抵抗一接合力，不與軸20接合。如果出現(xiàn)諸如葉片損 失、斷裂，或者斷電等故障情況，或其它一些問題，則供給制動(dòng)器的動(dòng)力被緩慢或快速地切 斷，從而使該接合力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)片或制動(dòng)元件與軸20接合或與軸20發(fā)生作用，以使軸20和 轉(zhuǎn)子22減速或停止。
圖3是優(yōu)選的渦輪機(jī)主體12和轉(zhuǎn)子14的分解圖。主體12容置發(fā)電機(jī)18，發(fā)電機(jī) 18經(jīng)由花鍵連接裝置直接連接至軸20。在該實(shí)施例中所示的發(fā)電機(jī)18是一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 或永磁電動(dòng)機(jī)，其在發(fā)電模式下將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所輸出的機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)將 機(jī)械扭矩供給到軸20，其在定子輸出端感生電壓。傳統(tǒng)上，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有外源供給的可變 的轉(zhuǎn)子磁通。當(dāng)分別作為發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該磁通與定子磁通相互作用，兩者的旋轉(zhuǎn) 頻率之間的差異決定了機(jī)械扭矩或感應(yīng)的端電壓。轉(zhuǎn)子14的轂22上安裝有六個(gè)葉片24，這些葉片M可以如這里所述的具有約70° 的扭轉(zhuǎn)角。然而，渦輪機(jī)10可以采用多種不同形狀和構(gòu)造的葉片24，這并不背離本發(fā)明的 精神或范圍。葉片M可以采用纖維強(qiáng)化塑料或諸如碳纖維強(qiáng)化塑料等其它合成材料通過 模制工藝來制造，也可以替代性地采用鋼、非鐵合金或纖維強(qiáng)化塑料制成的結(jié)構(gòu)肋和薄板 制造。如圖中所示，葉根27處的纖維方向是縱向的，以便提高該臨界點(diǎn)處的強(qiáng)度。在轉(zhuǎn)子14的轂22的前部安裝有頭錐體65，用以減小轉(zhuǎn)子14上的阻力并促進(jìn)流動(dòng) 附著。頭錐體65可由各種材料制造，其包括但不局限于纖維強(qiáng)化塑料，其它合成材料或鋼。 頭錐體可以是實(shí)心的，但在該優(yōu)選實(shí)施例中所示的頭錐體是中空的，并可以為儲(chǔ)存器(如 油脂槽)提供空間。如附圖中所示，在該優(yōu)選實(shí)施例中還可以設(shè)置一尾錐體，該尾錐體具有 與頭錐體相同的功能。優(yōu)選的是，設(shè)置油脂槽和配給單元(dosing unit)，這些部件布置在 殼體的上部、喉部和葉片的外側(cè)，以使其不會(huì)干擾用以從中獲取可用能量的水流。圖12示出了布置在塔架(pylon) 67上的兩個(gè)渦輪機(jī)10。渦輪機(jī)10也可以采用其 它方式來布置，例如但不局限于基于重力的結(jié)構(gòu)或浮式結(jié)構(gòu)(floating structures)。這些 結(jié)構(gòu)可以提供繞豎向軸線的軸向旋轉(zhuǎn)，或者可以不提供繞豎向軸線的軸向旋轉(zhuǎn)。附圖中所 示的渦輪機(jī)殼體由組合式部件構(gòu)成，這些組合式部件通常由模制的纖維強(qiáng)化塑料分成幾部 分制造，然后利用結(jié)構(gòu)性的緊固件聯(lián)結(jié)在一起。渦輪機(jī)殼體可以替代性地用鋼、非鐵合金或 纖維強(qiáng)化塑料制成的結(jié)構(gòu)肋和薄板制造。該殼體使得與葉片的旋轉(zhuǎn)平面不垂直的水流中的 水能夠匯聚到渦輪機(jī)中。出于商業(yè)目的，渦輪機(jī)10可以具有任何尺寸。作為示例，可以預(yù)期的是，在葉片處 為五米直徑且在殼體口部處為約七米的渦輪機(jī)根據(jù)水流速度能夠產(chǎn)生高達(dá)約IMW的電力。 發(fā)電機(jī)單元可以產(chǎn)生作為交流電(AC)或直流電(DC)的電力，而且可以用電氣方式進(jìn)行控 制，由此可以控制電力輸出特征。發(fā)生器裝置(發(fā)電機(jī))產(chǎn)生的電力可以儲(chǔ)存在發(fā)生器裝置中或與發(fā)生器裝置分開 地單獨(dú)儲(chǔ)存，例如通過一個(gè)或多個(gè)蓄電池，或者可以直接供給到電力系統(tǒng)，比如本地的電力 系統(tǒng)。在后一種情況下，在將所產(chǎn)生的電力供給到本地的配電主系統(tǒng)(如電力網(wǎng))之前， 可以使用例如變速驅(qū)動(dòng)裝置(VSD)以電氣方式對(duì)該電力的同步性、功率因數(shù)和電壓進(jìn)行調(diào) 節(jié)。發(fā)生器裝置可以通過電纜、例如海底電纜聯(lián)接至本地的配電系統(tǒng)。如上所述，優(yōu)選實(shí)施例中的機(jī)罩、殼體或管道16具有穿過其中的液體或流體流 道，轉(zhuǎn)子14安裝在該流道中用以響應(yīng)于流過該流道的液體/流體(水)的流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。該 流道限定了一個(gè)流動(dòng)限制裝置，該流動(dòng)限制裝置能夠形成包括從流道任一端的開口朝向流 道的內(nèi)部逐漸收斂的收斂-發(fā)散型文氏管。殼體相對(duì)于流道內(nèi)的一中點(diǎn)位置大致對(duì)稱，而 轉(zhuǎn)子大致定位在該中點(diǎn)位置。殼體、管道或機(jī)罩16包括單個(gè)套筒。在這種實(shí)施方案中，殼體或管道在其兩端之間的外表面上具有縮窄或縮小的腰部，在這種情況下，該腰部處于這兩端之間的大致中部。 然而，在一變型的實(shí)施方案中，渦輪機(jī)殼體包括外部殼體套筒和內(nèi)部殼體套筒，該內(nèi)殼套筒 限定了該流道。當(dāng)使用時(shí)，殼體能夠通過支撐件或安裝結(jié)構(gòu)被固定至水下表面，并排布成與 預(yù)測(cè)的潮汐或水流的方向大致一致。殼體的實(shí)際方向與潮汐或水流的方向之間的夾角在約 0°至約45°之間或更大。如附圖所示，殼體包括多個(gè)段，每一段在其周部都包括凸緣，從而 可以用螺栓或諸如粘結(jié)帶或膠等其它緊固件使各段保持貼附于相鄰的部件。如圖所示，測(cè)試顯示，當(dāng)入口半徑大于喉部半徑時(shí)，從渦輪機(jī)單元輸出的電力會(huì)增 大。測(cè)試和建模計(jì)算表明，當(dāng)平穩(wěn)地克服阻力時(shí)，當(dāng)入口半徑增大約10%時(shí)，在阻力被平衡 的情況下，電力會(huì)增大到最佳水平，然而，也可采用諸如20%或30%等其它比例，這些比例 被認(rèn)為可增大電力輸出。根據(jù)所需要的發(fā)電量，流道的入口和/或出口直徑范圍可以為1米至25米以上。 通常，渦輪機(jī)的直徑為2至10米。流道或管道的長度范圍可以在1米至15米以上。渦輪機(jī)殼體16優(yōu)選通過比如安裝結(jié)構(gòu)固定至水下表面，例如，海，洋或河流的底 部或海/河床(bed)，該殼體16大致對(duì)準(zhǔn)潮汐流的方向。可替代地，渦輪機(jī)殼體16可動(dòng)地 固定至水下表面，從而允許移動(dòng)以便面向主流或潮汐流的方向。渦輪機(jī)單元包括海底渦輪 機(jī)，但是應(yīng)當(dāng)明白，該渦輪機(jī)單元可以應(yīng)用于存在液流的任何水下環(huán)境中，例如任何潮汐流 或河流的場所中。在附圖所示的優(yōu)選實(shí)施例中設(shè)置有電氣柜(electrical cabinet) 69，該電氣柜固 定至發(fā)電機(jī)18的下游端。發(fā)電機(jī)室通過正向的氣流壓力或液流壓力與該電氣柜密封地隔
1 O參照?qǐng)D13，支撐柱150沿切向被安裝以改善發(fā)電機(jī)與殼體之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。該優(yōu) 選的布置方式是有利的，因?yàn)槠淠軌蛴欣跍p小支撐柱的尺寸，而且減小了支撐柱的遮擋。 也就是說，可以看到，在葉片每次經(jīng)過支撐柱50時(shí)，徑向延伸的支撐柱50(圖幻能夠被徑 向延伸的葉片完全遮擋在后。然而，利用沿切向延伸的葉片將使這種遮擋更為平緩，這也有 助于改善流出葉片尾緣的出流(exit flow)。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)組件18、電氣柜69、制動(dòng)器和轂以及轉(zhuǎn)子可組裝成 單個(gè)模塊。該模塊(未圖示)包括轉(zhuǎn)子、軸、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)器、轂和適于安裝在居中布置的模 塊中的其它相關(guān)元件。該模塊是流線型的，而且可以例如以多個(gè)部件構(gòu)成的裝備的方式被 單獨(dú)地裝運(yùn)。殼體可以如圖14所示那樣被裝運(yùn)，其中支撐柱的安裝座可被焊接至殼體的內(nèi) 壁。然后，將支撐柱螺接至壁的安裝座上，隨后螺接至切向的模塊安裝座上，這樣通過支撐 柱將模塊在其中心位置保持就位并螺接就位。由此，可以由多個(gè)部件構(gòu)成的裝備供給到現(xiàn) 場，在該現(xiàn)場通過簡單的螺栓連接將該裝備組裝在比如說一駁船上，然后安裝在海上或其 它水流場所(如河流)。海洋環(huán)境對(duì)構(gòu)成渦輪機(jī)組件的材料具有相當(dāng)大的侵蝕性。所以，在所示的優(yōu)選實(shí) 施例中采取多種方法來減輕對(duì)渦輪機(jī)組件的損害。例如，對(duì)殼體16和主體12，以及各種其 它零件涂漆或者涂覆抗污損材料，以盡可能遏制包括附著甲殼動(dòng)物和其它海洋生物在內(nèi)的 海生物的生長。而且，將防蝕消耗陽極(sacrificial anode)(未圖示)附接至金屬部件或 者電連接至金屬部件。優(yōu)選的是，該動(dòng)力發(fā)生器產(chǎn)生電力。
該渦輪機(jī)還可適于帶動(dòng)泵，該泵進(jìn)而使發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，從而通過由渦輪機(jī)泵送的流 體來發(fā)電。渦輪機(jī)包括殼體，該殼體具有穿過其中的流道，至少一個(gè)渦輪機(jī)裝置被安裝在該 流道中以響應(yīng)于通過該流道的液流而旋轉(zhuǎn)。該發(fā)生器裝置可以與該渦輪機(jī)殼體分開地設(shè)置 或者與轉(zhuǎn)子一體地設(shè)置。優(yōu)選的是，液體是由渦輪機(jī)單元所潛入的水體所提供，該水體可以是海水或河流。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白的是，在不背離本發(fā)明的概括性描述的精神或范圍的情 況下，可以對(duì)具體實(shí)施方式
中所示的本發(fā)明進(jìn)行各種修改和/或改型。所以，從任何方面而 言，本發(fā)明的這些實(shí)施例都應(yīng)視作是示例性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種中心軸線式水力渦輪機(jī)，包括 渦輪機(jī)本體，其具有一中心軸線；轉(zhuǎn)子，其安裝在所述渦輪機(jī)本體上，繞所述中心軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括支撐多個(gè)葉片 的中心轂，各葉片均從安裝于所述轂上的葉根延伸至葉梢； 由所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器；以及 殼體，其包圍所述轉(zhuǎn)子并適于將水流導(dǎo)向所述葉片；其中，所述葉片從所述葉根至所述葉梢以與垂直于所述中心軸線的平面成1°到20° 的斜度角或傾斜角向后斜張。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，所述殼體向所述葉片的上游延伸一選定的距 離，以便于將水流導(dǎo)向所述葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機(jī)，其中，所述殼體包括收斂段，所述收斂段從所述 轉(zhuǎn)子的前方的前開口至鄰近所述渦輪機(jī)本體的較窄喉部收斂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述斜度角或傾斜角為4°至6°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)，其中，所述斜度角或傾斜角為約5°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，設(shè)置多個(gè)用于支撐所述轉(zhuǎn)子和所 述發(fā)生器的支撐柱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，設(shè)置用于阻止所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機(jī)，其中，所述制動(dòng)器是失效保護(hù)機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其中，當(dāng)向制動(dòng)元件施加動(dòng)力時(shí)，所述制動(dòng)元件被保 持為克服一促動(dòng)力而遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述發(fā)生器直接連接至一軸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)，其中，所述發(fā)生器通過花鍵連接裝置連接至該軸。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中該渦輪機(jī)包括3個(gè)或6個(gè)葉片。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，在所述葉根處設(shè)置插塞以使得 對(duì)水流的干擾最小化。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，在所述轉(zhuǎn)子上安裝有頭錐體。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，還包括變速驅(qū)動(dòng)裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述殼體包括在被組裝到所述 渦輪機(jī)中時(shí)緊固在一起的多個(gè)部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)，其中，所述殼體包括
18.一種利用水流產(chǎn)生動(dòng)力的方法，包括將根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的中心軸線式水力渦輪機(jī)設(shè)置到海洋或河流環(huán) 境中；允許水流過所述渦輪機(jī)，以使所述葉片旋轉(zhuǎn)；以及 從所述渦輪機(jī)獲取動(dòng)力。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述渦輪機(jī)被設(shè)置到海洋環(huán)境中。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種中心軸線式水力渦輪機(jī)，其包括渦輪機(jī)本體，其具有一中心軸線；轉(zhuǎn)子，其安裝在該渦輪機(jī)本體上，繞該中心軸線旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子包括支撐多個(gè)葉片的中心轂，各葉片均從安裝于該轂上的葉根延伸至葉梢；由該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)生器；以及殼體，其包圍該轉(zhuǎn)子并適于將水流導(dǎo)向該轉(zhuǎn)子，該殼體從該轉(zhuǎn)子前方的前開口至鄰近該渦輪機(jī)本體的較窄的喉部收斂；其中，上述葉片從葉根至葉梢以與垂直于該中心軸線的平面成1°到20°的傾斜角向后斜張。
文檔編號(hào)F03B11/02GK102066667SQ200980122384
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月14日
發(fā)明者加里·坎貝爾, 彼得·皮耶拉什, 提姆·科爾內(nèi)留斯, 約翰·基爾, 迪爾瓦·布拉克斯蘭 申請(qǐng)人:亞特蘭蒂斯能源有限公司