[发明专利]垂直轴涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用作风力涡轮机的涡轮机。本发明涉及具有带旋转轴的涡轮机转子并且包括与涡轮机的旋转轴间隔开的叶片的涡轮机，其中，叶片的纵轴与转子的旋转轴基本平行。虽然本发明也适用于诸如潮汐涡轮机等水驱动涡轮机，但是本发明的实施例在用作垂直轴风力涡轮机的一部分时尤其有利。

背景技术

达里厄(Darrieus)式垂直轴风力和水力涡轮机是众所周知的(例如见US 2011/0006526)。这类涡轮机具有若干已知的缺点，包括：效率低、启动转矩缺失以及振动过大。为了克服这些缺点中的一些，已经提出了一些涡轮机布置，这些涡轮机布置具有用于调整涡轮机叶片的螺距的机构。达里厄涡轮机并未达到所期望的效率或效果。这被认为是由于物理应力以及实际设计和实际风况(不可能始终一致)所带来的限制。此外，难以使达里厄涡轮机自启动。

已经提出了若干布置来改善达里厄或垂直轴风力涡轮机的性能。

冲角(angle of attack)是指在入射流体的方向与在机翼(诸如，涡轮机叶片)上的基准线之间的角度。机翼(诸如，风力涡轮机叶片)的螺距角或螺距是机翼相对于固定参照物(诸如，风力涡轮机的基座)或地平线的角度。对于处在方向不改变的风中的风力涡轮机，螺距用于衡量冲角。螺距也可以定义为施加至叶片根部的角旋转。已知的是机翼的螺距会影响入射流体(例如，在风力涡轮机上的风)施加在机翼上的转矩，因此会影响来自涡轮机(包括机翼叶片)的输出。各种用于控制垂直轴风力涡轮机的叶片的螺距的布置是已知的。布置，诸如在US 2011/0006526 A1、WO 2011/130797 A1、WO 2011/144830 A1、FR 2 924 182 A1、US 3,382,931 A1和WO 201/0305569 A1中公开的布置，旨在通过使用凸轮布置来控制垂直轴风力涡轮机的叶片的螺距，借此提供居中定位的凸轮且联接至叶片的凸轮随动器跟随凸轮，从而使叶片在绕涡轮机的旋转轴移动时枢转。

WO 2011/130797公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有呈环或导向件形式的螺距控制装置，该螺距控制装置定位在轴周围并且经由连杆或线联接至各个叶片的尾端以在涡轮机转子旋转期间控制各个叶片的螺距。该环或导向件安装为使得其自身可以随着涡轮机的旋转而移动。使该环或导向件能够移动的机构创建了被动控制系统，从而使得叶片的位置部分地由风的强度和方向确定，从而至少部分地自我调整。该布置制造复杂并且容易发生故障。被动控制系统(诸如WO 2011/130797中的被动控制系统)也无法提供对叶片曲度的控制。

FR 2 924 182公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有用于控制螺距的凸轮布置。绕涡轮机转子的旋转轴设置有不规则中心凸轮轨道并且凸轮随动器通过臂或连杆连接至叶片。设置单个不规则中心凸轮轨道和在凸轮随动器上的一系列连杆产生会振动和颤动的复杂布置，并且极难针对不同的风况进行调整。用于将中心凸轮随动器连接至各自的叶片的控制杆或连杆示出为与各自的支撑臂平行。然而，这些控制杆或连杆在使用时需要将叶片拉至与该臂不平行的角度。这可能会导致高摩擦力以及高振动和颤动。

US 3,382,931、US 2011/0006526、WO 2011/144830和US 2011/0305569全部公开了与达里厄所提出的初始布置相似的布置，其中，借助于提供连接至中心螺距控制单元的连杆或杆体从而使它们绕相对于涡轮机转子的旋转轴偏心定位的点旋转来实现螺距控制。这类布置也具有振动过大因此损耗过大的缺点。

本申请的发明人已经了解到，具有连接至共用中心轮毂或枢轴的刚性杆或连杆会导致应变和振动，这是由于涡轮机的相对侧受到非常不同的风况这一事实导致的，因此，相对的连杆或杆体施加不同的力并导致失衡。用于垂直轴风力涡轮机的螺距控制装置在商业上未取得成功。已经存在有许多设计，但可用的测试数据中无一具有前景。现有和已知的装置尚未充分解决振动、摩擦以及性能低的问题。

虽然可变螺距似乎是垂直轴风力涡轮机的冲角在涡轮机每次旋转期间产生大变化(由此产生的显著动力加载波动，这会导致疲劳并且降低涡轮机的性能)的原因，但是尚未发现成功的设计。因此，已知的垂直轴式涡轮机并非如想象中强效，且在不具有螺距控制的当前垂直式设计中存在疲劳后果。