[發明專利]一種垂直軸渦輪機裝置

有效

• 申請號: 200580046186.3
• 申請日: 2005-11-17
• 公開（公告）號: CN101099040A
• 公開（公告）日: 2008-01-02
• 發明（設計）人: 戴維·約翰·夏普
• 申請（專利權）人: 風力有限公司
• 主分類號: F03D3/00
• 分類號: F03D3/00;F03D3/06;F03B17/06
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司
• 代理人: 徐金國;陳紅

技術領域

本發明涉及一種垂直軸渦輪機，特別涉及一種用于但不僅限于用于發電的 垂直軸渦輪機。

背景技術

眾所周知，幾個世紀以來，能源可以由風力獲得。在許多國家中世紀的風 景畫中，風車是為人所熟知的特征，即使在今天，風車也應用于世界各地的各 種場合。發電是風力渦輪機的一個特別的應用。

隨著對化石燃料的枯竭以及對使用化石燃料可能對環境造成的不良影響 的關注的增長，利用風力渦輪機發電尤其是大規模發電的可能性，再次引起人 們的興趣。

許多國家已經建成所謂的“風力農場”，以期通過這種方式收獲風能。“風 力農場”一般由一排塔組成，每個塔的頂端帶有可旋轉的、用于對準風向的頂 部，該頂部上安裝有多個渦輪葉片，這些渦輪葉片像螺旋槳葉片一樣，全部和 一個旋轉軸連接。但是不同的是，螺旋槳葉片由發動機驅動，而這些渦輪葉片 由風力驅動，從而產生的向前的推力。已經有大量關于這種水平軸風力渦輪機 裝置的文獻發表。

雖然已經開始利用這種裝置進行商業發電，但是一些觀察家擔心當這種裝 置坐落于田園風光之中時會有礙觀瞻。架設離岸風力渦輪機能降低對景觀的影 響，并且將反對理由轉移到裝置的絕對尺寸和數量上。通過增大離岸風力渦輪 機的尺寸，可以減少提供給定功率所需的風力渦輪機的數量，從而能降低電氣 連接到岸上的成本。

葉片旋轉時其重量產生的葉片的重復性彎曲翻轉所引起的疲勞損傷(如 “金屬疲勞”)限制了水平軸風力渦輪機裝置的尺寸。假設在設計上沒有進行 其它的改進，由葉片重量引起的疲勞損傷隨葉片尺寸的增大而成比例地增大。 當葉片的尺寸變得更大時，設計者不得不采用耐疲勞性更好的不同材料，但這 些材料通常更加昂貴，因而降低了該裝置的成本效率。

葉片繞垂直軸旋轉的風力渦輪機裝置不會受到重量引起的反向彎曲，但會 受到風壓負載引起的疲勞損傷。然而，風壓疲勞不會隨所謂的垂直軸風力渦輪 機裝置的尺寸的增大而增大，因此不會對其尺寸產生限制。

在過去已經提出許多利用垂直軸風力渦輪機發電的建議。有大量涉及到所 謂Savonius設計和Darrieus設計的文獻，并且實用的發電單元也已建成。但是， 由于缺少很好地開發，利用垂直軸風力渦輪機發電并沒有獲得商業風力農場經 營者的好感。缺乏對垂直軸風力渦輪機的開發的原因在于，通常認為垂直軸風 力渦輪機的運行效率低于水平軸渦輪機的運行效率。

GB-A-2102079描述了一種垂直軸風力渦輪機，該垂直軸風力渦輪機具有 以可選擇的角度相對水平面向上傾斜的雙葉片，該雙葉片底端連接到一軸，從 而允許其繞一垂直軸旋轉。這種設計還沒有進行任何商業性的開發。該設計具 有產生風壓力的缺點，所產生的風壓力會導致整個裝置的過度翻轉或傾覆力 矩。抗傾覆力矩的成本是不經濟的。

GB-A-2303409公開了一種類似的垂直軸風力渦輪機，該風力渦輪機由繞 垂直軸旋轉的平衡傾斜的單獨的葉片組成，在風壓作用下，該垂直軸能在與平 衡質量的阻力相反的方向上搖擺。這種設計減少傾覆力矩，但需要較重的葉片 和平衡質量，經濟性較差。

從中世紀的水車到安裝在水下用于從水流中提取電能的、稱為水力發電的 更多渦輪機的現代設計，用于從流水中提取電能的渦輪機裝置也是人所共知 的。

發明內容

我們提供一種垂直軸渦輪機的新型設計，該新型設計可以把垂直軸渦輪機 的尺寸可提高到超過經濟上可行的水平軸渦輪機的尺寸。該垂直軸渦輪機可作 為在岸或離岸風力渦輪機使用或者用于水下，用于從流體中提取電能。

根據本發明最寬泛的一個方面，本發明提供一種垂直軸渦輪機，該垂直軸 渦輪機包括固定基座和安裝于該固定基座上并可以繞垂直軸旋轉的具有葉片 的渦輪構件，該具有葉片的構件由至少一個從旋轉軸向外部上方傾斜的傾斜伸 長的翼梁組成，該翼梁上或者該每個翼梁上設置至少一個短的翼形截面或水翼 形截面的葉片。優選地，調整所述短的翼形截面或水翼形截面葉片與翼梁的夾 角，以在渦輪機承受風力或水流負載時，最優化繞垂直軸的總旋轉力偶并最小 化總傾斜力矩。當不只有一個葉片時，所有葉片與翼梁的夾角可以不同。作為 翼形或水翼形零件的結構性支撐，伸長翼梁必須依靠自身承受載荷，因此，所 述翼梁優選為具有翼形或水翼形剖面，以使阻力最小。