渦輪機裝置和方法

專利名稱：渦輪機裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的渦輪機裝置和方法。具體而言，本發明涉及一種用于從流體流收集能量的渦輪機裝置。另外，本發明還涉及一種風力渦輪機裝置。
背景技術：
為了從流體流移送能量，已經開發了各種各樣的渦輪機設備。古代的水車和風車被證明是人類通過從移動的流體獲取動力，來減輕體力勞動負擔的古老探索。人類從風和水獲取有用能量的努力已經覆蓋了廣闊領域的方法和應用。在歷史上，僅作為例子而非限制，許多進步是在人類有關帆船的經驗的基礎上作出的。在陸地上收集風能的早期努力是采用由織物制成且在某些木框架上伸展的帆，以提供與流動空氣作用的較大且較輕的表面。對迄今的從流動的流體例如空氣回收動力的所有成果進行分類，已經發展出兩種基本的風力渦輪機類型。
第一種(較早的)類型的裝置的特征是，簡單地占據迎風氣流中的空間，且通過空氣分子在它們的表面上的撞擊來獲取能量。這些被稱為“拉拽”型裝置。拉拽是一種由于渦輪葉片的阻礙作用而使風減速所產生的力。由于具有質量和速度因此空氣分子具有動能，其中一些動能由于撞擊而被轉移到風力渦輪葉片，在所述撞擊中，空氣分子被減速，且渦輪葉片被加速。
在歷史上，拉拽型風力渦輪機已經利用了渦輪葉片的一些固定構造，所述構造使迎風氣流呈現兩種不同的狀況，且借此使風的定向呈現不同狀況。作用在兩個不同構造上的拉拽力的微分值是渦輪機的轉矩或回轉力的原因。在現有的拉拽型渦輪機中，拉拽力微分較小，原因是在兩個方向上的迎風的截面面積相同，僅構造(凹入或凸出)變化較大。大多數拉拽型現有裝置的另一個典型特征是每個渦輪葉片的短力矩臂。旋轉速度總是一個期望的值，且當增加轉矩時，延長力矩臂增加該值。
普遍的現有拉拽型裝置的一個例子是用于測量風速的風速計。在大多數風速計中，空心半球被安裝在桿上，所述桿與一軸相連，由于迎風氣流對半球的作用，該軸在旋轉軸線的每側上旋轉。由于它們相對于迎風氣流的相反的定向，關于它們自由旋轉所繞的軸，在一側與另一側上的拉拽力之間存在一微分。該拉拽微分導致繞該軸的一轉矩，由于該轉矩使杯狀物繞所述軸旋轉。幾乎所有的拉拽型裝置都應用一組構造，旨在通過使用形狀來優化該拉拽微分，所述形狀在一個方向上自由地通過風，但是當在氣流中旋轉時擋住風。
第二種(較新的)類型的渦輪機裝置包括依靠“抬升”力的裝置，所述“抬升”力是由于風與帆或渦輪葉片的幾何結構中所固有的特定形式或形狀的相互作用而獲得的。當翼面(優選是凈形的，即，結構上連續的翼面)將迎風氣流分成兩部分所述兩部分氣流由于翼面的形狀而以不同的速度行進時，就獲得了所述抬升。在迎風氣流中相對于被減速的部分而被加速的部分中，引起一較低氣壓。在翼面一側上的該較低壓力相對于另一側產生一正交(垂直)于迎風氣流的力，該力與翼面的高壓側上的力相反。
由于抬升型渦輪機裝置不需要空氣分子與帆或渦輪葉片的撞擊，抬升型渦輪機裝置具有獲取較大部分迎風氣流能量的潛力，因此，最近的絕大多數設計產生能量的渦輪機的努力都具有采用這種原理的特征。由于在抬升翼面中抬升力被引起的方式的幾何結構，當前的風力渦輪機典型地在垂直于迎風氣流的圓形平面中旋轉，且繞著平行于迎風氣流的的軸線旋轉。因為地球表面附近的大多數氣流是水平的，這就意味著風力渦輪機的旋轉平面必須呈豎直狀態取向，且所獲得到能量產生在起始于風力渦輪機中心處的水平軸線的末端。由于迎風氣流的流動方向是可變的，因此這種類型的風力渦輪機的操作平面必須也是可變的，以便使其持續地面對風。
另外，由于風力渦輪機的旋轉平面是豎直的，因此其必須被某種塔架支撐在地球表面之上，所述塔架的高度至少大于風力渦輪機的旋轉圓形平面的半徑。此外，這種塔架被限制為在結構上是豎直懸臂式設計，因為牽索會防礙風力渦輪葉片的旋轉。另外，由于風力渦輪機的旋轉圓形平面是豎直的，且支撐它的塔架也是豎直的，因此它們必須彼此偏移，以防止它們之間發生碰撞。這些渦輪機還在塔架上產生偏心負載，這就進一步增加了設計的復雜性。為了平衡所述偏心負載，并充分利用在位于支撐塔架頂端的水平軸末端可獲得的能量，大多數當今的/現有的設計要求電力傳輸，并要求將發電機安裝在所述塔架的頂部，且位于水平驅動軸上與風力渦輪機相反的一端上。這些設計導致塔架必須支撐很大的重量，保持平衡，并能夠隨著風的轉向而旋轉。另外，所述塔架必須也被設計成抵抗由于風力渦輪機，轂組件和塔架自身的風阻而產生的總傾覆力矩。不僅所述塔架必須抵抗這些負載，而且塔基也必須通過將負載轉移到周圍大地中而將所述負載最終化解。這些要求嚴格地限制了這種風力渦輪機能夠進行工作的在地球表面上的高度。
當今的渦輪機技術的另一個主要限制是單個渦輪葉片所要求構造。這種葉片是當風經過它們時借助它們的形狀而獲得抬升的翼面。最佳形狀要求葉片的長度較長，但是葉片的截面較短。這個較高的L/D比率與保持最大加速度所需的較小質量(重量)的要求一起在風力渦輪機本身的設計上設置了相互矛盾的限制。當前這些矛盾的變量的最佳選擇導致葉片構造的每個類型變量都處于臨界值或在臨界值附近，并且嚴格地限制了當前的渦輪機可以安全經歷的操作環境的范圍。也就是說，新型的風力渦輪機系統配備有監控環境變量，例如，陣風的爆發，風向，風速和風切變(除了別的以外)的裝置，并被設定為當上述變量中的任何一個超過設計工作范圍時抑限制或停止全部工作。
現有技術中的拉拽型和抬升型裝置的專利參考文獻非常多。這里引用三篇有代表性的專利文獻。美國專利4264279公開了一種抬升型渦輪機。雖然這是一種抬升型的設計，但是它采用了水平地安裝在豎軸上的翼面。顯然，其工作原理類似于直升飛機，因為它具有自起動特征。美國專利4377372是現有技術中拉拽型專利的一個例子。該裝置使用在中部鉸鏈連接的平板，以便改變呈現在風中的輪廓。所述鉸接板借助重力被打開，而在風力的單獨作用下被閉合。美國專利5823749也公開了一種拉拽型裝置。由于考慮到重量，該裝置采用織物葉片，因此使得它不適合于高風速的環境。然而，本發明給出了一種改進，即將相對的葉片用繩索連接起來。這樣，當一個葉片借助重力被打開時，相連的繩索拉動相對的葉片，使其閉合。
總之，現有技術中公知的渦輪機，特別是公知的風力渦輪機的缺點包括重量輕的需求，以及因此導致的易碎性，和由于這種結構而不能利用生產能力非常高的高風速環境。另外，除了基本的細繩/繩索裝置之外，在風葉片之間不存在任何能夠在所有風力條件下控制葉片的打開和閉合配合，且在多個風葉片之間也根本不提供配合。此外，當風超過設計極限時或當存在陣風狀況時，現有的裝置必須被停止。
因此，本技術領域需要提供這樣一種渦輪機，該渦輪機能夠應用在惡劣條件下，在崎嶇地建造，設計效率高且廉價，其中，單個渦輪葉片與其它渦輪葉片相連，它們的運動相互配合。因此，本發明的一個目的是提供一種用于從流體流收集能量的改進的渦輪機系統。特別是，本發明的一個目的是提供一種用于在高空大氣和陣風條件下工作的改進的風力渦輪機裝置和方法。

發明內容
因此，根據本發明的一個實施例的用于從流體流收集能量的渦輪機裝置，包括一轉矩臂，至少一對，優選是對稱蛤殼式渦輪葉片，具有相反地與轉矩臂相連的第一和第二半部分。一配合系統與對稱蛤殼式渦輪葉片相連。該配合系統包括一第一系統和一第二系統。所述第一系統被連接，以便控制每個單獨的蛤殼式渦輪葉片的第一半部分和第二半部分的打開和閉合。第二系統被連接在每對對稱蛤殼式渦輪葉片之間，從而當一個渦輪葉片閉合時，相反的渦輪葉片被打開。
在一個優選實施例中，對稱蛤殼式渦輪葉片為流線型構造，以便使穿過流體流的運動的阻力最小。在另一個優選實施例中，所述流線型構造呈淚滴形狀，具有一較大的前緣和一錐形后緣。在另一個實施例中，一可調節蛤殼式渦輪葉片調節系統被設置，用于調節所述配合系統的操作。在又一個實施例中，一旋轉速度調速器被設置，其中，所施加的載荷與渦輪機裝置的需求相匹配，從而其被用作一種調速器，以便將渦輪機裝置的旋轉速度限制在最佳范圍內。
一種使用渦輪機裝置從流體流收集能量的方法也被公開，并被要求保護，這在下文中將全面地進行闡述。


根據優選實施例，附加的權利要求和以下附圖的詳細說明，本發明的其它目的，特征和優點將變得非常清楚，其中圖1為根據本發明的渦輪機裝置的優選實施例的透視圖；圖2為根據本發明的一實施例的蛤殼式渦輪葉片的側向透視近視圖，示出了與兩個轉矩臂相連的兩對相對定位的渦輪葉片；圖3為單個渦輪葉片的透視圖；圖4a為處于打開狀態的根據本發明的一實施例的蛤殼式渦輪葉片的側視圖，圖4b為圖4a所示的蛤殼式渦輪葉片的側視圖，示出了處于閉合狀態的蛤殼式渦輪葉片；圖5為順風觀察的渦輪葉片機構的正視圖；圖6為除去半個渦輪葉片的轉矩臂的頂視圖，示出了根據本發明的一實施例的直線軸承和液壓缸；圖7為根據本發明的一實施例的閉環液壓系統的局部示意圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例借助圖1-7所示的示例舉例說明。參照圖1，根據本發明的一實施例的渦輪機裝置10包括，轉矩臂12和一對渦輪葉片14(優選是對稱蛤殼式)。渦輪葉片14包括上半部分16和下半部分18，當處在閉合狀態時，所述渦流葉片對流體呈流線型空氣動力學形狀。也就是，所述半部分16和18在其內側與轉矩臂12相連，從而當被閉合并使外部自由且不受防礙時，這樣的連接被所述空氣動力學形狀所覆蓋，這將在下文中更加詳細地討論。另外，在優選實施例中，蛤殼式渦輪葉片14的上半部分16和下半部分18是對稱的，且彼此鏡面相反。
如圖1所示，根據本發明的優選實施例，一對轉矩臂12支撐兩對相對定位的渦輪葉片14。轉矩臂12在其中心處與旋翼轂20相連，并借助旋翼轂20與豎直轉矩傳遞驅動軸22相連。驅動軸22被支撐在空腹桁架塔24中。塔24由牽索26支撐，牽索26借助地錨30被固定在地面上。
驅動軸22從塔24的塔頂32延伸到塔24的塔底座34。在塔底座34處，動力輸出裝置36將驅動軸22與從動裝置38相連。根據本發明的一實施例，從動裝置38為正排量泵。根據另一個實施例，從動裝置/正排量泵38與歧管40相連，以便從正排量泵提供恒定輸出。
圖1示出了處于打開狀態42和閉合狀態44的渦輪葉片14。對于每一對渦流葉片14而言，一個渦輪葉片被打開和/或開放，而相對的渦流葉片被關閉和/或閉合。
配合系統46也在圖1中示出，且將在下文中更全面地進行說明。根據本發明的一實施例，配合系統46包括用于控制每個渦輪葉片14的上半部分16和下半部分18的打開和閉合動作的第一系統48。根據一個實施例，該第一系統48包括一對與渦輪葉片14的上半部分16和下半部分以及轉矩臂12相連的直線軸承50，這將在下文中參照圖2-5更全面地進行說明。
配合系統46包括一第二系統52。第二系統52連接相對定位的蛤殼式渦輪葉片對14，從而，當一個蛤殼式渦輪葉片14閉合時，相對的蛤殼式渦輪葉片14被打開。根據本發明的一個實施例，第二系統52包括一閉環液壓系統，這將在下文中參照圖7更全面地進行說明。
根據一優選實施例，本發明的渦輪機裝置10被設計成，在影響大多數現有裝置的地面效應紊流之上工作。在一優選實施例中，本發明的渦輪機裝置10支撐在高出地面28大于100米的高空大氣中的蛤殼式渦輪葉片14。
現參照圖2，風沿箭頭54的方向從左向右吹。渦輪機裝置10沿著箭頭56所示方向旋轉。圖中示出了兩對渦輪葉片14，其中每一對與轉矩臂12相連。每個單獨的渦輪葉片14與所述轉矩臂12相連，且與另一個渦輪葉片14相反。即，渦輪葉片14對A1-A2與轉矩臂12A3相連，而渦輪葉片對B1-B2與轉矩臂12B3相連。移動進入風或逆風的渦輪葉片14處于閉合狀態44。它們是渦輪葉片14A1和B1。在這種“逆風”形態中，蛤殼式渦輪葉片14由于它們的對稱形狀，因此完全閉合在一起。也就是說，上半部分16和下半部分18鏡面相反。因此，沒有在逆風情況下產生不需要的拉拽的懸垂物或突出物。實際上，在優選實施例中，蛤殼式渦輪葉片14呈流線型構造，且在閉合狀態44下沒有暴露的連接，以便為移動通過流體流、空氣或水等提供最小的阻力。在另一個優選實施例中，所述流線型構造為如圖2所示的近似淚珠狀的翼面形狀，其中蛤殼式渦輪葉片14處于閉合狀態44。該翼面，淚珠形狀包括一較大的前緣58和一錐形后緣60。
根據本發明的一實施例，當一對渦輪葉片14中的一個處于閉合狀態44時，相反的渦輪葉片14則處于打開狀態42。如圖2所示，這意味著，當渦輪葉片14A1和B1處于閉合狀態44時，渦輪葉片14A2和B2處于打開狀態42。
圖2中也示出了配合系統46的更多細節。第一系統48包括與直線運動軸承座62相連的一對直線軸承50。直線運動軸承座62與轉矩臂12相連。如圖所示，一對控制桿64在它們的一端與每個直線軸承50相連，而在它們的另一端與上半部分16和下半部分18相連。有關液壓缸66的第二系統52的部分在圖中示出。參照圖7對第二系統52和液壓缸66進行了更加全面地說明。圖3以更加靠近的方式示出了這些元件的細節。
現參照圖4a和4b，圖4a示出了處于打開狀態42的根據本發明的一實施例的渦輪葉片14。渦輪葉片14包括借助連接機構70與轉矩臂12相連的前緣58。在該打開狀態42，該前緣58順著沿箭頭54方向從左向右移動的流體、風的方向。如圖所示，上半部分16和下半部分18借助連接機構72與轉矩臂12的相反側相連。根據一個實施例，連接機構72是可移動，可轉動，鉸鏈連接。
控制桿64將上半部分16和下半部分18與滑環74相連。鉸接連接機構76將控制桿64與渦輪葉片14相連，鉸接連接機構78將控制桿64與滑環74相連。如圖2和3清楚地示出，根據本發明的一實施例，一對控制桿64按照上述方式與兩個直線軸承50中的每一個相連。
直線軸承50與轉矩臂12相連。直線軸承50是現有的和今后研發的任何直線軸承。滑環74與直線運動軸承桿80相連。直線運動軸承桿80與直線運動軸承座62相連。根據一個實施例，如圖5所示，在直線運動軸承50之間，液壓缸66與轉矩臂12相連。如圖7更清楚地示出，液壓缸66包括外殼84和可伸長的液壓桿86。滑環74也與可伸長的液壓桿86相連。
如圖4a所示，構架82在它們的空氣動力學、翼面形狀中支撐渦輪葉片14。對稱的半部分16和18處于打開狀態42，并擋住沿著箭頭54的方向從左向右移動的流體，風，水等。如圖1和2所示，當一對渦輪葉片中的一個渦輪葉片14處于打開狀態42時，如圖4b所示，與轉矩臂12的相反端相連的渦輪葉片14處于閉合狀態44。
根據一優選實施例，當渦輪葉片14處于閉合狀態44時，沒有支撐結構暴露在流體流中。隨著流體流沿著圖4b中箭頭54所示的方向從右向左的移動，呈現一個平滑的，不間斷的空氣動力學表面。該結構大大地減小了拉拽，并提高了申請人的渦輪機裝置10的效率。
圖4b和圖7示出了第一系統48的操作，其中液壓缸66的可伸長液壓桿86已經被伸長，這樣滑環74沿著直線運動軸承桿80移動，同時拉動控制桿64。控制桿64折入折疊的渦輪葉片14內側。當處于閉合狀態44時，圖4a所討論的所有元件均被渦輪葉片14的上半部分16和下半部分18所覆蓋。第一系統48控制上半部分16和下半部分18的運動，從而使它們隨著控制桿64與直線運動軸承桿80的重疊和分離(與滑環74一致地)而平滑地且精確地被打開和閉合。然而，渦輪葉片14的操作速度可以以其它方式控制，這將在下文的有關第二系統52和旋轉速度調速器的說明中更全面地討論，第一系統48也可以通過改變滑環74沿著直線運動軸承桿80來回運動的難以程度來控制，僅舉例說明。另外，根據本發明的一優選實施例，兩對控制桿64有效地固定上半部分16和下半部分18，在流體流中從一側到另一側運動和/或扭轉運動。
參照圖5，示出了處于打開狀態42的單個渦輪葉片14，并示出了沿著順風方向觀察的渦輪葉片14的內側。這里示出了根據本發明的一實施例的設計圖，其中兩對控制桿64借助滑環74被鉸接連接機構76連接到兩個直線運動軸承50上。兩個直線運動軸承50分別與液壓缸66的兩側相連。圖中還示出了位于上半部分16和下半部分18內側上的加固肋88，這樣當渦輪葉片14處于閉合狀態44時，肋88不被暴露在流體流中。
圖6為圖5的頂視圖，其中渦輪葉片14和控制桿64被卸下。圖中再次示出了根據本發明的一實施例的設計圖，其中包括直線運動支架62。如圖所示，支架62與轉矩臂12相連，且直線軸承50和液壓缸66位于支架62的兩個臂90和92之間。如前所述，支架62的蓋94固定直線運動軸承桿80的端部。
現參照圖7，根據本發明的一實施例，第二系統52包括與轉矩臂12的相反端相連的液壓缸66。僅為了舉例說明，在沿著箭頭54所示方向的風的作用下，轉矩臂12沿著箭頭98的方向繞著旋轉中心96旋轉。每個液壓缸66按照如上所述方式在渦輪葉片14的上半部分16和下半部分18之間與轉矩臂12相連。另外，液壓管路100連接液壓缸66A1與液壓缸66A2。液壓管路100在液壓缸66A1和液壓缸66A2之間以閉環形式運送液壓機液體。
圖7示出了具有處于伸長位置102的可伸長液壓桿86的液壓缸66A1和具有處于縮回位置104的可伸長液壓桿86的液壓缸66A2。由于液壓管路100在液壓缸66A1和A2之間形成一閉環，因此，一個可伸長液壓桿86的運動就導致另一個液壓桿86的運動。就是說，在液壓缸66A1處，將可伸長液壓桿86從伸長位置102移動到縮回位置104，就使液壓缸66A2處的可伸長液壓桿86從縮回位置104移動到伸長位置102，且所有位置都處于這兩個位置之間。由于滑環74與一對渦輪葉片14中的每個可伸長液壓桿86相連，因此，借助包括第一系統48和第二系統52的配合系統46，渦輪葉片14的打開和閉合動作被相互配合和控制。
圖7還示出了一調節系統106。調節系統106與第二系統52相連，以便調節渦輪葉片14的打開和閉合。根據一個實施例，調節系統包括一手動閥108。如圖所示，手動閥108與液壓管路100相連，且包括操縱桿110。按照公知方式，通過移動操縱桿110，液壓管路100中的液壓機液體的流動可以被減少或全部停止。這樣，根據本實施例的調節系統106使用戶能夠完全停止液壓機液體的流動，從而僅用于舉例說明，當渦輪機裝置10正在被安裝在塔24的頂部上時，使渦輪葉片14停止旋轉。
根據另一個實施例，調節系統106包括一遙控閥112。遙控閥112可以現有或今后開發是任何類型的閥，包括電磁閥(僅為了舉例說明)。遙控閥112的功能可與手動閥108的功能相同。另外，遙控閥112也可用作旋轉速度調速器。在這種功能中，用戶遙控操作閥112以減少液壓機液體流過液壓管路100的流量，直到渦輪葉片14的打開和閉合適合于流體流動的速度。例如，在高空或陣風條件下，遙控閥112使用戶能夠延長打開和閉合渦輪葉片14所需的時間，從而有效地降低它們的旋轉速度。為遙控閥112供電以及操作遙控閥112的機構在本領域中也屬于普通技術水平。
再次參照圖1，根據本發明的一實施例的另一個旋轉速度調速器包括將動力輸出裝置(PTO)36與豎直轉矩傳遞驅動軸22相連。然后，用戶選擇一適當尺寸的從動裝置38，并將其與PTO36相連。這里所使用的“適當尺寸”的意思是，由從動裝置38施加在驅動軸22上的載荷與由驅動軸22施加在從動裝置38上的載荷相匹配。這樣，渦輪裝置10的旋轉速度可以被控制。本領域普通技術人員通過少量的計算就可獲得適合的載荷，以便適應各種流體環境。
根據另一個實施例，從動裝置38是一個用于泵水的正排量泵。根據另一個實施例，一歧管40與所述正排量泵相連，用于調節泵的輸出，以便為發電裝置(未示出)提供恒定輸入源。
借助進一步的解釋，當蛤殼式渦輪葉片14轉入風中時，上半部分16和下半部分18被壓在一起。液壓機液體經液壓管路100流動，從而相反定位的蛤殼式渦輪葉片14中的一個被打開，而另一個被推動閉合。重要的是，所述閉環液壓系統對蛤殼式渦輪葉片14的打開和閉合動作產生緩沖。也就是，當打開和閉合時，所述過程可以以上文所述方式調節，從而使葉片按照操作者的要求更快地或更慢地移動。當然，操作速度在操作者根據現有或今后研發的裝置進行控制的范圍內。例如，通過簡單地對液壓機液體的粘度進行選擇，就能夠調節移動速度。
根據一優選實施例，例如如圖1所示，設有四個渦輪葉片14。在該實施例中，液壓缸66與每個蛤殼式渦輪葉片14相連，從而提供兩個單獨的液壓管路100，用于配合且平穩地控制相反側的蛤殼式渦輪葉片14的打開和閉合。第二系統52確保，當一個蛤殼式渦輪葉片14被完全打開時，另一個與其直接相反定位的蛤殼式渦輪葉片14被完全閉合。重要的是，從完全閉合到完全打開的所有位置也由第二系統52控制，使其相互配合。也就是，無論一個蛤殼式渦輪葉片14處于完全打開的任何百分比位置，相反定位的蛤殼式渦輪葉片14也處于相同百分比的閉合位置。
圖1還示出了本發明的一優選實施例，其中，蛤殼式渦輪葉片14被相反地定位在轉矩臂12上，且繞旋翼轂20對稱地定位。另外，從圖示實施例中可以清楚地看出，蛤殼式渦輪葉片14被定向在水平面中，且繞著一豎直軸對稱地定位。這就允許使用具有有效牽索26的重量輕的塔24，以抵抗由風所引起的傾覆力矩。由于風速在地面附近的水平層中易于發生變化，因此，位于可變地面效應空氣之上的渦輪機裝置10完全在最佳設計高度的空氣中工作。
根據進一步的解釋，渦輪機裝置10的動力以圍繞豎直驅動軸28的轉矩的形式被傳遞。這就使力在塔24的底座34處被傳遞，而不是在頂部32處被傳遞。實際上，任何和所有的適合的傳動齒輪裝置，發電機，泵和壓縮機可以位于申請人的發明的塔底座34處，而非位于高空中，從而進一步減小了必須由塔24所支撐的重量。
如前所述，設置“旋轉速度調速器”，以便使施加在渦輪機裝置10上的載荷與渦輪機裝置10所需的載荷相等。在疾風條件下，更多的載荷被施加，在弱風條件下，則需要更少的載荷。現有的或今后研發的任何用于施加可變載荷的裝置都適合于本發明的目的，并且在本領域普通技術人員的能力范圍之內。問題在于，由于渦輪機裝置10響應于撞擊在渦輪葉片14的表面上的風而工作，因此，渦輪葉片14的旋轉速度可以是零和風或其它移動流體的當前速度之間的任何值。已經確定，當渦輪機裝置10/渦輪葉片14的速度被保持在約等于風速的1/3時，最佳功率被輸出。由于在渦輪葉片14靜止時獲得最大起動轉矩，因此除非發生移動，否則就不作功或不輸出能量。因此，通過仔細地設計渦輪葉片14的面積和延伸長度，并使其與適當的裝配載荷、從動裝置38(例如其功率曲線與渦輪機裝置10設計的功率曲線相匹配)相匹配，在所有的工作條件下，渦輪機裝置10的效率都可以被保持在最佳水平，從而轉矩臂在最佳范圍內旋轉。
總之，根據本發明的一實施例的渦輪機裝置10是一種使用樞接渦輪葉片14的豎直軸渦輪機裝置，所述渦輪葉片在一水平面上工作，以便使由渦輪葉片14在它們從逆風、折疊和流線型構造循環到順風、打開和杯形構造時所產生的拉拽力的微分最優化。
在順風動力行程上，渦輪葉片14被打開，從而呈現擋風的最大表面面積，從而產生一繞豎直軸的扭力。在逆風行程上，渦輪葉片14折疊呈流線型構造，提供抬升和最小拉拽，及其相應的能量損失。實際上，申請人的渦輪機裝置結合了上述的“拉拽”和翼面“抬升”的優點。
另外，所述渦輪機裝置10繞一豎直軸對稱，優選的是包括偶數個渦輪葉片14，每個葉片的重力載荷正好與相反的配對葉片相平衡。然而，對于本領域普通技術人員顯而易見的是，本發明也可采用奇數個渦輪葉片。
相反的葉片，蛤殼式葉片14被連接起來，并由閉環液壓系統所調節，以保證當一個被打開時，另一個必須被折疊。就是說，所述閉環液壓系統傳遞成對渦輪葉片14之間的雙向力，從而當一個葉片打開時，另一個必須被折疊，反之亦然。作用在連接的成對渦輪葉片14上的差動力是起動所述構造變化的原因。在渦輪葉片14的旋轉期間，這種變化被起動，而另一個完全打開的渦輪葉片14產生用于循環旋轉的動力行程，并利用迎風氣流的不同部分。
此外，申請人的渦輪機裝置10對風向的改變固有地敏感。作用在成對蛤殼式渦輪葉片14的兩種構造上的風的差動力，是構造變化的起動以及傳遞到豎直轉矩傳遞驅動軸28上的力的產生原因。風向的改變僅僅使受影響的渦輪葉片對14的構造變化的周期改變。應當再次注意，引起渦輪葉片14的打開和閉合的迎風氣流的部分與實際上將動力賦予打開的渦輪葉片14的迎風氣流的部分不同。
另外，調節系統106是多功能的，其中，除了使構造能夠變化，以及產生響應延遲之外，它還為相應的風速設定渦輪葉片14的旋轉速度的上限。
在一優選實施例中，每個蛤殼式渦輪葉片14由兩個基本上相同的半部分16和18構成，它們被可移動地連接/在它們的前緣被鉸接，且在蛤殼式模式中工作，并被轉矩臂12結構上支撐。上半部分16和下半部分18彼此相連，并由第一系統48以這樣一種方式控制，即，使所述半部分的操作與和其配對的半部分的重力的拉動相“平衡”。就是說，在下半部分18由于重力的拉動而落下時，相應的力被傳遞到頂部，上半部分16，將其抬起。操縱成對的半部分所僅需的力是克服系統慣性和系統的摩擦損失所需的力。第一系統48控制所述半部分的從一側到另一側的運動和扭轉運動，第二系統52和調節系統106合作，以控制并調節渦輪機裝置10，防止突發的破壞性的未經調節的快速運動。
雖然優選實施例所提及的是風力渦輪機，但是對于本領域普通技術人員顯而易見的是，這種渦輪機可以被用在任何流體，例如水中。例如，申請人設計的渦輪機裝置可以被錨定在海洋中，并從灣流中有效地收集能量。
雖然本發明已經以優選實施例的形式被公開，但是應當理解，還可以有落在由以下實施例所限定的本發明的精神和范圍中的其它實施例。
權利要求
1.一種用于從流體流收集能量的渦輪機裝置，包括(a)一轉矩臂；(b)至少一對渦輪葉片，具有相反地與所述轉矩臂相連的第一半部分和第二半部分；(c)一與所述渦輪葉片相連的配合系統，其中，所述配合系統進一步包括一第一系統和一第二系統，所述第一系統被連接，以便控制每個單獨的渦輪葉片的所述第一半部分和第二半部分的打開與閉合，所述第二系統被連接在每對所述渦輪葉片之間，以便在閉合一個渦輪葉片的同時，打開相反的渦輪葉片，其中，所述配合系統被封閉在所述渦輪葉片閉合之后所形成的空間內。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二半部分與所述轉矩臂的相反側可移動地連接。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述第一和第二半部分是流線型構造的對稱蛤殼式葉片。
4.如權利要求3所述的裝置，其中，所述流線型構造是一種空氣翼。
5.如權利要求4所述的裝置，其中，所述空氣翼呈淚滴形狀，具有一較大的前緣和一錐形后緣。
6.如權利要求1所述的裝置，進一步包括一調節系統，其與所述配合系統相連，用于調節所述配合系統的操作。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述調節系統進一步包括一機械控制閥。
8.如權利要求6所述的裝置，其中，所述調節系統進一步包括一遙控閥。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述遙控閥包括一遙控操作的電磁閥。
10.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一系統包括至少一個直線運動軸承，所述第二系統包括一閉環液壓系統。
11.如權利要求1所述的裝置，進一步包括一RPM調速器裝置，該裝置與所述配合系統和所述轉矩臂相連，用于作為流體速度的函數改變施加在所述轉矩臂上的載荷，因此所述轉矩臂在最佳范圍內旋轉。
12.如權利要求11所述的裝置，進一步包括，與所述轉矩臂相連的一驅動軸和與所述驅動軸相連的一正排量泵。
13.如權利要求12所述的裝置，進一步包括，與所述正排量泵相連的一歧管，用于調節所述正排量泵的輸出。
14.如權利要求1所述的裝置，其中，所述流體流從一個組中選擇，該組包括風和水。
15.一種風力渦輪機裝置，包括(a)與一轉矩傳遞驅動軸相連的至少一個轉矩臂；(b)具有與所述轉矩臂相連的上半部分和下半部分的至少一對相反定位的對稱蛤殼式葉片；(c)與所述對稱蛤殼式葉片相連的一配合系統；(d)其中，所述配合系統進一步包括一第一系統和一第二系統，所述第一系統被連接，以便控制每個蛤殼式葉片的所述上半部分和下半部分的打開與閉合，所述第二系統包括被連接在每對對稱蛤殼式葉片之間的一閉環液壓系統，以便同步地打開一個蛤殼式葉片，并閉合相反定位的蛤殼式葉片，其中，所述配合系統被封閉在所述對稱蛤殼式葉片閉合之后所形成的空間內。
16.如權利要求15所述的裝置，其中，第一系統包括至少一個直線運動軸承。
17.如權利要求15所述的裝置，其中，所述對稱蛤殼式葉片成流線型構造，以便為穿過空氣的運動提供最小的阻力。
18.如權利要求17所述的裝置，其中，所述流線型構造成具有一較大前緣和一錐形后緣的空氣翼的形式。
19.如權利要求15所述的裝置，進一步包括與閉環液壓系統相連的一可調節蛤殼式葉片調節系統，用于調節所述閉環液壓系統。
20.如權利要求19所述的裝置，其中，所述調節系統進一步包括一控制閥，其中所述控制閥從以下組中選擇，該組包括機械和遙控操作控制閥。
21.如權利要求15所述的裝置，進一步包括一RPM調速器，該調速器與所述轉矩臂和所述閉環液壓系統相連，用于作為風速的函數改變施加在所述轉矩臂上的載荷，因此所述轉矩臂在最佳范圍內旋轉。
22.如權利要求15所述的裝置，進一步包括與轉矩傳遞驅動軸相連的一正排量泵。
23.如權利要求22所述的裝置，進一步包括與所述正排量泵相連的一歧管。
24.如權利要求15所述的裝置，包括兩個轉矩臂和兩對相反定位的對稱蛤殼式葉片，其中一對葉片與每個轉矩臂相連。
25.如權利要求15所述的裝置，其中，對稱蛤殼式葉片被定向在一水平面上，且繞一豎直軸對稱地布置。
26.如權利要求15所述的裝置，其中，至少一個轉矩傳遞臂將轉矩施加在繞一豎直軸的轉矩傳遞驅動軸上。
27.如權利要求15所述的裝置，其中，對稱蛤殼式葉片位于地面之上，并位于地面效應紊流之外。
28.如權利要求15所述的裝置，其中，對稱蛤殼式葉片位于地面100米之上的高空空氣中。
29.一種使用渦輪機從流體流收集能量的方法，包括以下步驟(a)將至少一個轉矩臂與一轉矩傳遞驅動軸相連；(b)將具有上半部分和下半部分的至少一對相反定位的對稱蛤殼式葉片與所述轉矩臂相連，從而所述對稱蛤殼式葉片在圍繞所述轉矩傳遞驅動軸的一平面內旋轉；(c)將一控制系統與所述對稱蛤殼式葉片相連，其中，連接所述控制系統的步驟進一步包括連接一第一系統與一第二系統的步驟，第一系統被連接到每個單獨的蛤殼式葉片的上半部分和下半部分，以便控制所述上半部分和下半部分的打開與閉合，所述第二系統包括一閉環液壓系統，該系統被連接在每對所述對稱蛤殼式葉片之間，以便在閉合一個蛤殼式葉片的同時，打開與其相反的蛤殼式葉片，其中所述控制系統被封閉在所述對稱蛤殼式葉片閉合之后所形成的空間內。
30.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將所述對稱蛤殼式葉片形成為淚滴的形狀，具有一較大前緣和一錐形后緣。
31.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將一調節系統與所述閉環液壓系統相連的步驟。
32.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將一RPM調速器與所述轉矩臂和所述閉環液壓系統相連的步驟，用于作為風速的函數改變施加在所述轉矩臂上的載荷，因此所述轉矩臂在最佳范圍內旋轉。
33.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將所述對稱蛤殼式葉片布置在地面之上的風中，使其處于地面效應紊流之外的步驟。
34.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將所述對稱蛤殼式葉片布置在高于地面100米之上的高空空氣中的步驟。
35.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將一正排量泵與轉矩傳遞驅動軸相連的步驟。
36.如權利要求35所述的方法，進一步包括，將一歧管與正排量泵相連的步驟，用于調節所述正排量泵的輸出。
37.如權利要求29所述的方法，進一步包括，將所述對稱蛤殼式葉片布置在水中的步驟。
38.如權利要求29所述的方法，其中，步驟(a)包括提供一豎直轉矩傳遞驅動軸的步驟，步驟(b)包括將所述對稱蛤殼式葉片與所述轉矩臂相連，將所述轉矩臂與所述豎直轉矩傳遞驅動軸相連的步驟，從而，所述蛤殼式葉片在圍繞所述豎直轉矩傳遞驅動軸的一水平面內旋轉。
39.如權利要求29所述的方法，其中，步驟(b)包括將所述上半部分和下半部分可移動地與所述轉矩臂的相反側相連的步驟。
40.如權利要求31所述的方法，進一步包括，為所述調節系統添加一機械控制閥的步驟。
41.如權利要求31所述的方法，進一步包括，為所述調節系統添加一遙控閥的步驟。
42.如權利要求41所述的方法，進一步包括，添加一遙控操作電磁閥的步驟。
43.一種調節渦輪機組件的操作的方法，該渦輪機組件包括(a)具有一第一端和一第二端的一轉矩臂；(b)分別被布置在轉矩臂的第一端和第二端的第一和第二渦輪葉片；(c)分別與第一和第二渦輪葉片以及轉矩臂的第一端和第二端相連的第一和第二軸承組件；(d)與第一軸承組件和第二軸承組件相連接的渦輪葉片控制裝置，用于控制所述軸承組件的相對運動，從而，當第一渦輪葉片被打開時，使第二渦輪葉片被閉合，該方法包括，調節第一和第二渦輪葉片分別被打開與閉合的比率。
44.一種調節如權利要求43所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，通過控制液壓缸內液壓流體的流動，第一和第二渦輪葉片打開與閉合的比率被調節。
45.一種調節如權利要求44所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，液壓流體的流動被手動地控制。
46.一種調節如權利要求44所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，液壓流體的流動被遙控。
47.一種渦輪機裝置，包括(a)具有一第一端和一第二端的一基本上呈直線的轉矩臂；(b)一第一渦輪葉片，包括一第一半葉片和一第二半葉片，第一渦輪葉片的第一半葉片部分和第二半葉片部分在所述轉矩臂的第一端處被基本上共線地接合；(c)一第二渦輪葉片，包括一第一半葉片和一第二半葉片，第二渦輪葉片的第一半葉片部分和第二半葉片部分在所述轉矩臂的第二端處被基本上共線地接合；(d)與第一渦輪葉片和第二渦輪葉片相連的配合裝置，用于在打開第一渦輪葉片的同時，閉合第二渦輪葉片。
48.如權利要求47所限定的渦輪機裝置，其中配合裝置包括(a)一第一組件，其與轉矩臂的第一端相連，并分別與第一渦輪葉片的第一半葉片和第一渦輪葉片的第二半葉片的內表面相連；(b)一第二組件，其與轉矩臂的第二端相連，并分別與第二渦輪葉片的第一半葉片和第二渦輪葉片的第二半葉片的內表面相連，從而在閉合所述渦輪葉片之后，所述各組件被封閉在由渦輪葉片的第一半葉片和第二半葉片所形成的空間內，以便減小渦輪葉片在流體中運動的阻力。
49.如權利要求48所限定的渦輪機裝置，進一步包括(a)與所述第一組件和第二組件相連接的渦輪葉片控制裝置，用于控制所述組件的操作，從而使第一渦輪葉片被打開，使第二渦輪葉片被閉合。
50.如權利要求49所限定的渦輪機裝置，其中渦輪葉片控制裝置包括(a)與第一組件相連的一第一液壓缸；(b)與第二組件相連的一第二液壓缸；(c)連接所述第一液壓缸與所述第二液壓缸的一液壓管路。
51.如權利要求50所限定的渦輪機裝置，其中渦輪葉片控制裝置進一步包括，被放入第一液壓缸和第二液壓缸之間的液壓管路中的一閥。
52.如權利要求51所限定的渦輪機裝置，其中，所述閥由手動操作。
53.如權利要求52所限定的渦輪機裝置，其中，所述閥可被遙控。
54.如權利要求53所限定的渦輪機裝置，其中，所述閥可被控制，從而響應于撞擊在渦輪葉片上的流體的流量，來調節所述液壓管路中的液壓流體的流動。
55.如權利要求49所限定的渦輪機裝置，其中每個組件分別包括(a)通過一軸承座而附著在轉矩臂的一端上的一直線軸承；(b)沿著由所述直線軸承所確定的方向可以移動的一滑環(traveler)；(c)被連接在所述滑環和渦輪葉片的第一半部分之間的一控制桿；(d)被連接在所述滑環和渦輪葉片的第二半部分之間的一控制桿。
56.如權利要求55所限定的渦輪機裝置，其中渦輪葉片控制裝置包括(a)與第一軸承組件相連的一第一液壓缸；(b)與第二軸承組件相連的一第二液壓缸；(c)連接第一液壓缸與第二液壓缸的一液壓管路。
57.如權利要求56所限定的渦輪機裝置，其中，所述渦輪葉片控制裝置進一步包括被設置在第一液壓缸與第二液壓缸之間的一閥。
58.如權利要求49所限定的渦輪機裝置，進一步包括與渦輪葉片控制裝置相連的一調節系統，用于調節渦輪葉片的打開與閉合。
59.如權利要求58所限定的渦輪機裝置，其中，所述調節系統包括一手動操作閥。
60.如權利要求58所限定的渦輪機裝置，其中，所述調節系統包括一遙控閥。
61.一種調節渦輪機組件的操作的方法，該渦輪機組件包括(a)具有一第一端和一第二端的一轉矩臂；(b)分別被設置在轉矩臂的第一端和第二端處的第一和第二渦輪葉片；(c)分別與第一和第二渦輪葉片以及轉矩臂的第一和第二端相連的第一和第二軸承組件；(d)與第一軸承組件和第二軸承組件相連的渦輪葉片控制裝置，用于控制所述軸承組件的相對運動，從而，當第一渦輪葉片被打開時，使第二渦輪葉片閉合，所述方法包括，調節第一和第二渦輪葉片分別被打開和閉合的比率。
62.一種調節如權利要求61所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，通過控制液壓缸中液壓流體的流動來調節第一和第二渦輪葉片打開與閉合的比率。
63.一種調節如權利要求62所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，液壓流體的流動被手動地控制。
64.一種調節如權利要求62所限定的渦輪機組件的操作的方法，其中，液壓流體的流動被遙控。
65.如權利要求47所限定的渦輪機裝置，其中，第一渦輪葉片被安排成閉合構造，因此，第一渦輪葉片在流體環境中呈現流線型輪廓。
66.如權利要求65所限定的渦輪機裝置，其中，配合裝置包括(a)一第一組件，其與轉矩臂的第一端，第一渦輪葉片的第一半葉片和第一渦輪葉片的第二半葉片的各內表面相連；(b)一第二組件，其與轉矩臂的第二端，第二渦輪葉片的第一半葉片和第二渦輪葉片的第二半葉片的各內表面相連，從而在閉合渦輪葉片之后，所述各組件被封閉在由渦輪葉片的第一半葉片和第二半葉片所形成的空間內，以便減小渦輪葉片在流體中運動的阻力。
67.如權利要求66所限定的渦輪機裝置，進一步包括(a)與第一組件和第二組件連接的渦輪葉片控制裝置，用于控制所述組件的操作，從而當第一渦輪葉片被打開時，使第二渦輪葉片閉合。
68.如權利要求66所限定的渦輪機裝置，其中每個組件分別包括(a)借助一軸承座被附著于轉矩臂的一端部的一直線軸承；(b)可沿著由直線軸承所確定的方向移動的一滑環；(c)被連接在所述滑環和渦輪葉片的第一半部分之間的一控制桿；(d)被連接在所述滑環和渦輪葉片的第二半部分之間的一控制桿。
69.如權利要求68所限定的渦輪機裝置，其中渦輪葉片控制裝置包括(a)與第一軸承組件相連接的一第一液壓缸；(b)與第二軸承組件相連接的一第二液壓缸；(c)連接第一液壓缸與第二液壓缸的一液壓管路。
70.如權利要求69所限定的渦輪機裝置，其中渦輪葉片控制裝置進一步包括被設置在第一液壓缸和第二液壓缸之間的一閥。
71.如權利要求66所限定的渦輪機裝置，進一步包括，與渦輪葉片控制裝置相連接的一調節系統，用于調節渦輪葉片的打開和閉合。
72.如權利要求71所限定的渦輪機裝置，其中，所述調節系統包括一手動操作閥。
73.如權利要求71所限定的渦輪機裝置，其中，所述調節系統包括一遙控操作閥。
全文摘要
一種用于從流體流收集能量的渦輪系統(10)，包括一轉矩臂(12)，至少一對，優選是對稱蛤殼式渦輪葉片(14)，具有相反地與轉矩臂(12)相連的上半部分(16)和下半部分(18)。一配合系統(46)與對稱蛤殼式渦輪葉片(14)相連。配合系統(46)還包括一第一系統(48)和一第二系統(52)。所述第一系統(48)被連接，以便控制并調節每個單獨的蛤殼式渦輪葉片(14)的上半部分(16)和下半部分(18)的打開和閉合。第二系統(52)被連接在每對對稱蛤殼式渦輪葉片(14)之間，從而當一個蛤殼式渦輪葉片(14)閉合時，相反的蛤殼式渦輪葉片(14)被打開。
文檔編號F03D7/06GK1675466SQ03818602
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月13日 優先權日2002年8月13日
發明者詹姆斯·D·諾布爾 申請人:詹姆斯·D·諾布爾