[发明专利]从流体流动中产生能量的涡轮机和系统及其方法

说明书

技术领域

总体来说，本发明涉及与涡轮发电机连用的涡轮机系统和涡轮机，并且在不同的实施例中，涉及风力涡轮机及其使用方法。

背景技术

传统的涡轮机通常从流体流动例如空气或水中通过降低流速来汲取能量。根据应用的不同，出现不同的涡轮机的尺寸和配置。一些涡轮机设计用于小型特定用途。例如，简单的风力涡轮机设备被用在遥远地点，用于给小型地区提供电力。独立的发电厂和公用事业经常在部分陆地上或近海岸地点采用若干大型的风力涡轮机，以产生供给输电网的电力。涡轮机也已经被用在依水应用场合例如江河水流中。

涡轮机和发电计划通常受到独特的环境压力和经济压力的影响。风力涡轮机计划的大小和规模尤其带来若干问题。成本因素是许多涡轮机计划的最前部分，因为存在高额前期资金投入和长期收入的难以处理的平衡问题。成本考虑牵涉到当前的维护运行成本以及附加成本。风力涡轮机的复杂性和规模也导致与运输、基建和劳工相关的相当高的成本。大型风力涡轮机计划也经常引起额外的担忧，例如在建设地点的噪音干扰和视觉影响。

针对这些顾虑，人们已经更加努力地在改善性能、降低整体成本并减轻涡轮机和涡轮机系统对环境的影响。目前，这样的努力尤其集中在输送能量的成本、性能、材料用量、系统长久耐用、涡轮机叶片性能和噪音方面。

但是在基本层面，传统涡轮机通常根据相似的原理工作。典型的涡轮机包括用于接触流体流动的若干部件例如叶片。叶片定位在流体流动中并与轮毂相连接。轮毂连接一个轴和传动系总成，该传动系总成又驱动发电机。

近来，人们更加努力地在改善涡轮机性能并应对各种环境和经济问题。一个焦点是要通过减少材料用量、提高性能、延长涡轮机工作使用寿命来降低与涡轮机相关的成本。人们始终要求降低成本和提高性能，以使由涡轮机供应的能量的成本与其它形式的能量产生不相上下。

涡轮机技术已飞速进步至能提供更可靠的涡轮机和成本更低的风能。这部分归功于更好地理解了风力涡轮机在此工作的且允许更好地设计涡轮机的载荷环境。涡轮机的叶片、传动系和整体工作已经是这些降低成本努力的主要焦点。

这种为降低成本而做出的设计变化的例子是双叶片涡轮机。双叶片涡轮机通常因材料、零部件和重量的减少而带来较低的成本，这又意味着供应能量的较低成本。此外，双叶片设计带来其它优点，例如，因为双叶片构造的固有平衡的缘故，所以涡轮机系统可以在地面组装并被一起提升。

但是，三叶片型设计目前比两叶片型设计更多地得到人们认可。涡轮机上的叶片可能遇到相当失衡的力，即便是在正常工作中，这在涡轮机部件中造成疲劳。传统的系统通过增大所有主要部件的尺寸来加以补偿，这又否定了双叶片型设计的成本优点。相反，三个对称布置的叶片能够自然消除由在风场或水域中的湍流造成的一些失衡力。

已有人提出几个其它解决方案来胜出上述设计并应对环境和经济问题，尤其是减小对许多涡轮机是典型的失衡力。一个解决方案是上下晃动的轮毂。上下晃动的轮毂设计包括两个叶片，该叶片刚性固定在上下晃动的轮毂上，该轮毂铰接在涡轮机轴上。

授予Baskin等人的美国专利号US4565929就是一个例子，其示出定桨距式涡轮机，其轮毂能够被动地上下晃动。上下晃动的轮毂能够响应变化的载荷力地通过一系列动作来转动，直到接触到上下晃动止挡。在正常状况中，疲劳性能是令人满意的，但在湍流和风切变高的极端风力状况中，轮毂猛烈撞击上下晃动止挡。这可能导致比刚性轮毂风力涡轮机更高的瞬间力。

已有人研究出另一个解决方案来解决极端条件下的上下晃动问题。授予Coleman等人的美国专利US5354175披露一个例子，该专利公开一种被动上下晃动的轮毂，其具有弹性的鞍形支承、上下晃动止挡和与每个涡轮机叶片相连的液压阻尼器。在正常环境中，预受力的橡胶根据恒定的橡胶弹性常数在上下晃动动作的整个范围内提供了阻尼力。

Coleman装置有一些限制条件。Coleman装置的弹簧阻尼器对转动叶片施加阻尼压力，这造成明显越趋复杂化。而且，安装阻尼器至叶片可能将扰动力带入叶片，这会不利地影响性能和可靠性。Coleman的涡轮机还需要与每个叶片相关的独特的阻尼器系统。每个阻尼器必须被调谐以与其它阻尼器协调工作。此外，这些阻尼器必须协调动作，以便精确有效地控制上下晃动角度和上下晃动阻尼。该系统的复杂性增加了材料成本和维护成本。

此外，Coleman装置只在某些类型状况下改善性能。Coleman阻尼器在低转速下或在上下晃动角度超过±2.5°时被启动。