流体涡轮机结构制造技术

一种流体结构，被配置为安装到流体涡轮机的轮毂上，所述流体涡轮机包括：轮毂，所述轮毂围绕中心轴线旋转并与主轴对齐，所述流体结构经由升力和/或阻力原理为所述涡轮机的所述主轴贡献转矩。所述流体结构可以是刚性的或具有一定柔性。所述结构具有两个或更多个弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件从与所述旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离所述中心轴线的某一其他径向位置处的下游端，并且围绕所述中心轴线旋转，其中所述两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置通常较宽，而在下游位置通常较窄。而在下游位置通常较窄。而在下游位置通常较窄。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流体涡轮机结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2018年9月4日提交的题为“FLUIDIC TURBINE STRUCTURE”的美国申请第16/121,326号的全部权益(包括优先权)，该申请是2015年8月5日(进入美国国家阶段日期为2017年2月3日)提交的题为“FLUID
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REDIRECTING STRUCTURE”的美国申请第15/501,475号的部分继续申请，而其又是在35U.S.C.119(e)下要求享有2014年8月5日提交的美国临时专利申请序列第62/033,331号的所有权益(包括优先权)的、2015年8月5日提交的PCT申请第PCT/CA2015/050739号的进入美国国家阶段。上述申请的内容通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术的实施例总体上涉及流体涡轮机，并且更具体地涉及要附接到涡轮机的轮毂的流体结构。

技术介绍

[0004]用于通过旋转运动发电的水平轴风力涡轮机通常由一个或多个转子叶片构成，每个转子叶片均具有从主轴向外延伸的空气动力学主体，所述主轴由风力涡轮机机舱支撑并在风力涡轮机机舱内旋转。转子叶片是适于遍历流体环境的结构的示例，其中所述环境主要是环境空气。
[0005]机舱支撑在从地面或其他表面延伸的塔架上。入射在转子叶片上的风施加升力，以通过围绕轴的水平旋转轴线旋转所述轴使转子叶片运动，所述叶片从所述轴延伸。
[0006]轴继而与发电机相关联，众所周知，发电机将轴的旋转运动转换成电流，以进行传输、存储和/或立即使用。水平轴风力涡轮机通常是为人所熟知的，尽管改进它们的操作以提高功率转换效率和其整体操作特性是理想的。
[0007]即使是低速的入射风也会导致转子叶片非常快速地旋转。众所周知，对于给定旋转速度，转子叶片的线速度在其根部区(转子叶片靠近轴的部分)最低。
[0008]类似地，转子叶片的线速度在其尖端区(转子叶片远离轴的部分)最高。特别地，在较高的线速度下，随着转子叶片沿其旋转路径快速“割”穿空气，转子叶片的方面可能产生明显的空气声噪声。附近的人和动物见证，这种噪音可能非常不舒服。但是，噪声也可能指示操作效率不高，并且最大尖端速度实际上可能会受到此类低效率(包括对控制器的效率)的限制。
[0009]水平轴风力涡轮机由至少两个并且通常是三个转子叶片构成。转子叶片的总扫掠路径(swept path)被认为是该平面上可用于风力涡轮机的总动能的量度。当前风能技术只能提取入射风的小部分动能。
[0010]Albert Betz在1919年根据被称为贝茨定律(Betz's Law)的原理证明了从风中提取动能的最大理论值——贝茨极限(Betz Limit)。根据贝茨定律，风动能提取的最大性能系数(Cp)，贝茨极限，为59.3％。
[0011]该极限假设风的进入速度在扫掠区域内的每个径向位置处都是恒定的。但是，由于叶片的根部区域效率低下，形成了低压区域，从而将空气引入扫掠区域的中心——称为转子
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根部泄漏(Rotor
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Root leakage)现象，使得效率降低到可能的水平以下。这种现象的逆转原则上可以通过提高感应系数和通过转子的质量流来超过贝茨极限。
[0012]实际上，当前风能技术的Cp比贝茨极限低得多。
[0013]近年来，风力涡轮机效率的不断提高主要在于转子叶片设计的进步。然而，一些初期研究已经开始探索利用入射在转子叶片行进平面前方的中心轮毂部分中的风，以提高效率和产量并减少噪声排放。
[0014]Orbrecht等人的欧洲专利申请第EP2592265号公开了一种用于风力涡轮机的动力产生毂盖。该申请描述了转子叶片的根部区域之上的翼型延伸的区域，所述区域在轮毂区与上风向设置在风力涡轮机的每个叶片的内侧部分上的上风向翼型部分连接；该风力涡轮机具有通过轮毂围绕旋转轴线互连的多个叶片。该专利申请进一步描述了动力产生毂盖的以下能力：通过增加对流过动力产生毂盖的空气的轴向感应并将空气流向外导向到叶片的空气动力学可用区来提高风力涡轮机的效率。
[0015]Herr等人的美国专利第8,287,243号公开了一种风力涡轮机的毂盖。内转子剖面中的气流可以通过风力涡轮机的转子，而不用于产生能量。圆柱形毂盖使风围绕转子叶片根部偏转，从而提高了现有风力涡轮机的效率。
[0016]Kristian Godsk的美国专利第US9200614B2号公开了一种用于风力涡轮机的叶片，由此，该叶片是附接到轮毂的辅助叶片并且能够沿着较大风力涡轮机叶片的平面在根部附近的区域中增加叶片的平面形状。该专利继续描述了将该辅助叶片放置在较大风力涡轮机叶片的后缘和/或前缘附近的效果。
[0017]Bharat Bagepalli等人的美国专利第US8308437B2号类似地公开了空气动力学翅片，其沿风力涡轮机叶片的根部剖面从转子轮毂径向向外延伸，并且具有空气动力学形状，以便捕获风并从与转子轮毂和叶片根部剖面同轴的中心撞击风带向轮毂施加旋转转矩。
[0018]Dmitry Floryovych Opaits等人的美国专利第US20160040650A1号公开了一种被配置为安装到风力涡轮机的可展开的空气动力学部件，其在结构上被配置为覆盖风力涡轮机转子的内部的大部分。。
[0019]Fulton Jose Lopez等人的美国专利第US20160311519A1号公开了一种空气动力学圆顶部件，该空气动力学圆顶部件布设在风力涡轮机轮毂前方，以将风偏转离开该区，并使气流加速进入风力涡轮机转子叶片的空气动力学效率更高的区，从而提高现有风力涡轮机的效率。
[0020]因为包含从转子叶片的旋转大约90度入射的风，对风力涡轮机的偏航和桨距的控制对于保持最大效率很重要。
[0021]当前，这经由在与塔架的连接点处位于机舱底部的主动系统来实现，如在Rosenvard等人的美国专利第7,944,070号和Anderson的8,899,920中所述。这些主动系统由第一次风入射后位于机舱外部后部的传感器控制。因此，在风经过转子叶片后，这些传感器获悉风况，最重要地，速度和方向。这样，到机舱底部的主动偏航和桨距系统的风速和风向信息存在延迟。
[0022]LeClair等人的欧洲专利申请公开第EP 2048507号公开了位于整流罩前部的传感
器。然而，传感器将其信息发送到无法主动移动涡轮机的马达和齿轮的主动系统，使得在没有反馈回路和后续延迟的情况下产生最大效率。此外，这些系统类似地需要电力来操作。
[0023]传统的整流罩通过毂盖附接到毂。然后，可以通过包括支柱在内的若干方法并使其形式包裹在转子叶片的根部上以固定到位，将毂盖附接到轮毂。这些方法中的大多数要求不存在用于毂盖附接的叶片，这对于组装新的风力涡轮机可能是好的，但是对于改装操作的涡轮机可能既费时又昂贵。
[0024]还已知表面纹理可以改善物体之上的层流。这些纹理通常是自相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种流体涡轮机，包括：轮毂，围绕中心轴线旋转，并与主轴对齐；和流体结构，被配置为安装到主涡轮机的所述轮毂上，所述流体结构通过增加升力和阻力中的至少一个为所述主涡轮机的所述主轴贡献转矩，其中所述流体结构包括两个或更多个弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件从与所述旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离所述中心轴线的径向位置处的下游端，并且围绕所述中心轴线旋转，从而向所述主涡轮机贡献转矩；并且其中所述两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置相较于下游位置较宽。2.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体结构的所述上游尖端包含用于确定环境和涡轮机状态的传感器和相关数据系统，其中来自所述传感器和相关数据系统的数据并入所述主涡轮机的数据采集与监控系统中。3.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述弯曲的流体元件包含相关测力传感器，并且其中所述上游尖端包含适于确定环境和涡轮机特定数据的传感器系统，所述传感器系统耦合到状态监测系统和数据采集与监控系统中的至少一个。4.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体结构被配置为使用可调节托架系统和硬点附接到轮毂结构，所述可调节托架系统和硬点允许沿着所述旋转轴线的平面和在方位角位置方面进行改变。5.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一空气动力学结构。6.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，所述水平轴风力涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且具有翼型剖面，所述翼型剖面适于通过升力从风中提取能量并向主轴提供转矩；并且其中所述流体结构是具有两个或更多个弯曲的流体元件的空气动力学整流罩，所述两个或更多个弯曲的流体元件在所述转子平面上游的尖端和在所述转子平面下游的另一径向位置处相遇。7.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是以下中的至少一种：水平轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)设备或风筝风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力结构。8.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是以下中的至少一种：垂直轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)设备或风筝风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力结构。9.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴潮流能涡轮机，所述水平轴潮流能涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且大体具有翼型剖面，所述翼型剖面设计用于从水中提取能量并向主轴提供转矩，其中所述流体结构是流体动力
学整流罩，所述流体动力学整流罩具有在所述转子平面上游的尖端和在所述转子平面下游的另一径向位置。10.根据权利要求6所述的流体涡轮机，其中所述空气动力学整流罩包括所述弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件适于逐渐地利用来自进入气流的动力，并通过将这种气流从所述旋转中心轴线集中到另一径向位置，在所述流体涡轮机的附近提高所述主涡轮机的效率；并且所述弯曲的流体元件适于将所述气流引导到所述叶片的所述吸力面，从而减少流分离、湍流和相关振动。11.根据权利要求6所述的流体涡轮机，其中所述空气动力学整流罩包括所述弯曲的流体元件，并且适于在所述转子的所述轮毂和根部周围产生有用的高压区域，从而促进进入气流径向地加速远离所述转子上游的所述轮毂，并通过提高轴向感应系数和通过所述转子的质量流来提高所述主涡轮机的效率。12.根据权利要求9所述的流体涡轮机，其中所述弯曲的流体元件用于逐渐地利用来自进入水流的动力，并通过将这种水流从旋转中心轴线集中到另一径向位置，在所述下游附近提高所述涡轮机的效率；并且将所述水流导引到所述叶片的所述吸力面，从而减少流分离、气穴现象、湍流和相关振动。13.根据权利要求9所述的流体涡轮机，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：里扬，
申请(专利权)人：拜欧姆可再生能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：