垂直軸渦輪機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用作風力渦輪機的渦輪機。本發(fā)明涉及具有帶旋轉軸的渦輪機轉子并且包括與渦輪機的旋轉軸間隔開的葉片的渦輪機，其中，葉片的縱軸與轉子的旋轉軸基本平行。雖然本發(fā)明也適用于諸如潮汐渦輪機等水驅動渦輪機，但是本發(fā)明的實施例在用作垂直軸風力渦輪機的一部分時尤其有利。
【背景技術】
[0002]達里厄(Darrieus)式垂直軸風力和水力渦輪機是眾所周知的(例如見US2011/0006526)。這類渦輪機具有若干已知的缺點，包括:效率低、啟動轉矩缺失以及振動過大。為了克服這些缺點中的一些，已經提出了一些渦輪機布置，這些渦輪機布置具有用于調整渦輪機葉片的螺距的機構。達里厄渦輪機并未達到所期望的效率或效果。這被認為是由于物理應力以及實際設計和實際風況(不可能始終一致)所帶來的限制。此外，難以使達里厄渦輪機自啟動。
[0003]已經提出了若干布置來改善達里厄或垂直軸風力渦輪機的性能。
[0004]沖角(angle of attack)是指在入射流體的方向與在機翼(諸如，禍輪機葉片)上的基準線之間的角度。機翼(諸如，風力渦輪機葉片)的螺距角或螺距是機翼相對于固定參照物(諸如，風力渦輪機的基座)或地平線的角度。對于處在方向不改變的風中的風力渦輪機，螺距用于衡量沖角。螺距也可以定義為施加至葉片根部的角旋轉。已知的是機翼的螺距會影響入射流體(例如，在風力渦輪機上的風)施加在機翼上的轉矩，因此會影響來自渦輪機(包括機翼葉片)的輸出。各種用于控制垂直軸風力渦輪機的葉片的螺距的布置是已知的。布置，諸如在 US 2011/0006526 AU WO 2011/130797 AU WO 2011/144830 Al、FR 2 924 182 AU US 3, 382, 931 Al 和 WO 201/0305569 Al 中公開的布置，旨在通過使用凸輪布置來控制垂直軸風力渦輪機的葉片的螺距，借此提供居中定位的凸輪且聯(lián)接至葉片的凸輪隨動器跟隨凸輪，從而使葉片在繞渦輪機的旋轉軸移動時樞轉。
[0005]WO 2011/130797公開了一種風力渦輪機，該風力渦輪機具有呈環(huán)或導向件形式的螺距控制裝置，該螺距控制裝置定位在軸周圍并且經由連桿或線聯(lián)接至各個葉片的尾端以在渦輪機轉子旋轉期間控制各個葉片的螺距。該環(huán)或導向件安裝為使得其自身可以隨著渦輪機的旋轉而移動。使該環(huán)或導向件能夠移動的機構創(chuàng)建了被動控制系統(tǒng)，從而使得葉片的位置部分地由風的強度和方向確定，從而至少部分地自我調整。該布置制造復雜并且容易發(fā)生故障。被動控制系統(tǒng)(諸如WO 2011/130797中的被動控制系統(tǒng))也無法提供對葉片曲度的控制。
[0006]FR 2 924 182公開了一種風力渦輪機，該風力渦輪機具有用于控制螺距的凸輪布置。繞渦輪機轉子的旋轉軸設置有不規(guī)則中心凸輪軌道并且凸輪隨動器通過臂或連桿連接至葉片。設置單個不規(guī)則中心凸輪軌道和在凸輪隨動器上的一系列連桿產生會振動和顫動的復雜布置，并且極難針對不同的風況進行調整。用于將中心凸輪隨動器連接至各自的葉片的控制桿或連桿示出為與各自的支撐臂平行。然而，這些控制桿或連桿在使用時需要將葉片拉至與該臂不平行的角度。這可能會導致高摩擦力以及高振動和顫動。
[0007]US 3, 382, 93UUS 2011/0006526,WO 2011/144830 和 US 2011/0305569 全部公開了與達里厄所提出的初始布置相似的布置，其中，借助于提供連接至中心螺距控制單元的連桿或桿體從而使它們繞相對于渦輪機轉子的旋轉軸偏心定位的點旋轉來實現(xiàn)螺距控制。這類布置也具有振動過大因此損耗過大的缺點。
[0008]本申請的發(fā)明人已經了解到，具有連接至共用中心輪轂或樞軸的剛性桿或連桿會導致應變和振動，這是由于渦輪機的相對側受到非常不同的風況這一事實導致的，因此，相對的連桿或桿體施加不同的力并導致失衡。用于垂直軸風力渦輪機的螺距控制裝置在商業(yè)上未取得成功。已經存在有許多設計，但可用的測試數(shù)據(jù)中無一具有前景?，F(xiàn)有和已知的裝置尚未充分解決振動、摩擦以及性能低的問題。
[0009]雖然可變螺距似乎是垂直軸風力渦輪機的沖角在渦輪機每次旋轉期間產生大變化(由此產生的顯著動力加載波動，這會導致疲勞并且降低渦輪機的性能)的原因，但是尚未發(fā)現(xiàn)成功的設計。因此，已知的垂直軸式渦輪機并非如想象中強效，且在不具有螺距控制的當前垂直式設計中存在疲勞后果。
[0010]US 3，382，931、US 2011/0006526、FR 2 924 182、WO 2011/130797 和 US2011/0305569公開了風力渦輪機，其中，一些葉片的葉片螺距角由桿體控制，所述桿體將各個葉片連接至中心凸輪軌道或單個中心軸承，所述單個中心軸承繞偏離渦輪機葉片的旋轉軸的軸線旋轉。如上面論述的，本申請的發(fā)明人第一個了解到，從單個中心軌道或軸承延伸出至一些葉片的桿體的該布置會導致低性能。導致低性能的原因并不完全清楚，但是相信是因為在實際應用中葉片和桿體并非完全剛性，葉片之間的距離在葉片旋轉時會不可避免地發(fā)生輕微變化，這是因為在其旋轉期間不同點處的力存在差異。這些差異導致振動。旋轉和/風或流體速度越快，這種效應越大，這是因為在旋轉時不同點之間的差異變大。
[0011]機翼(諸如，渦輪機葉片)的曲度實際上是機翼的形狀或曲率。機翼的曲度可以由曲度線限定，該曲度線是在機翼的上下表面之間的中間的曲線。US 2010/0096854 Al公開了一種可被主動控制的垂直軸風力渦輪機。各個葉片均為兩部分式，并且各個葉片的螺距和曲度由設置在葉片中或靠近葉片的馬達控制，這些馬達可控地移動各個葉片的兩個部分從而改變葉片螺距和曲度。該布置要求復雜的數(shù)據(jù)處理以控制各個馬達。而且，這些馬達需要具有大功率，并且由于使葉片部在旋轉時移動所需之力非常大，所以難以進行精確控制。
[0012]US 2010/0054936和DE 20 2010 002 046 U也公開了通過使用位于渦輪機葉片中或靠近渦輪機葉片的受計算機控制的致動器來控制各個風力渦輪機葉片的曲度(和/或螺距)的布置。如上面針對US 2010/0096854所論述的，在使用時，葉片迅速移動且受到非常大的力。因此，適合控制葉片的致動器或馬達因此必須能夠提供非常高的力，以改變移動的葉片的沖角或螺距角以及形狀或曲度。因此，所需致動器或馬達昂貴且容易發(fā)生故障。而且，將致動器定位在葉片處或靠近葉片會使致動器的維護和更換困難、耗時且成本高。
[0013]WO 2004/079187公開了一種具有被動曲度導向件的風力渦輪機。該風力渦輪機無法達成對曲度的精確控制，因此無法在各自的葉片的旋轉中達成不同點處曲度性質的最佳化。

【發(fā)明內容】

[0014]本發(fā)明提供了一種如權利要求1所述的渦輪機，現(xiàn)在應參考權利要求1。本發(fā)明的各個實施例的優(yōu)選特征在從屬權利要求項中進行了陳述，也參考各個從屬權利要求項。
[0015]本申請發(fā)明人是第一個了解到，可通過利用簡單且魯棒(robust)的物理或機械控制而非借助于精確但易發(fā)生故障的電子控制來控制曲度和螺距的反直觀步驟，達成對與系統(tǒng)(如US 2010/0096854的系統(tǒng))相關聯(lián)的復雜且困難的控制問題的解決方案。本發(fā)明人是第一個了解到，可使用物理或機械凸輪型控件布置來有效地控制渦輪機葉片的螺距和曲度，并且這種控制可顯著提高垂直軸風力渦輪機的效率。
[0016]本發(fā)明的實施例提供了一種通過確保螺距和曲度樞軸跟隨由各自的第一和第二物理部件限定且設置的路徑而達成對螺距和曲度的主動控制。分別限定出螺距和曲度路徑的第一和第二物理部件可以是單獨的部件。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選實施例中使用的解決方案是:將對各個葉片的控制分開，但是通過提供物理部件限定螺距樞軸路徑而保持精確定位。優(yōu)選地，為各個葉片提供獨立的偏置偏心軸承或者用偏置導軌替代偏置軸承。在使用偏置導軌的情況下，無需為各個葉片設置單獨的導軌，這是因為各個葉片的導向機構可以在葉片繞導向件旋轉期間分開。
[0018]為了減小振動并且改善層流，葉片必須能夠改變其曲度。第二物理部件提供了限定的曲度樞軸路徑，以達成此目的并且圍繞旋轉保持層流。優(yōu)選地，一組偏置偏心軸承或導軌提供了第二物理路徑。
[0019]優(yōu)選地，螺距和曲度路徑各自基本上為圓形。本發(fā)明人已經了解到，這會顯著簡化渦輪機的構造并且在不顯著失去效率和有效性的條件下可更輕易地進行控制。經過精確調整以實現(xiàn)最大效率的不規(guī)則布置(諸如，F(xiàn)R 2 924 182中的不規(guī)則布置)無法輕易地針對不同不規(guī)則布置加以調整。這也需要旋轉的偏航機構以使不規(guī)則布置與風方向對齊。
[0020]優(yōu)選地，螺距和曲度軸承或者螺距和曲度導軌的位置可受控調整。
[0021]優(yōu)選地，螺距和曲度軸承或者螺距和曲度導軌的位置由線性致動器控制。當偏置偏心軸承或導向件置于線性致動器上時，可以輕易地改變葉片的曲度和螺距以匹配旋轉速度和風速。如果偏置情況相反，