涡轮叶片装置的制作方法

本发明涉及用于与涡轮一同使用的叶片装置以及包括该叶片装置的涡轮。

背景技术：

随着传统的煤、石油、天然气和核能的危险性和环境影响被更好地理解和认同，人们越发渴望产生能量的替代方式。最近几年，风能是最成功的产生能量的替代方式之一。存在用于产生风能的很多不同的已知装置，但是大多要依靠下述原理，即提供具有设置成依靠风力转动因而产生能量的叶片的涡轮。

上述风能电力产生的效率取决于能够转换成电能的风的动能的效率，而该效率又取决于叶片围绕其转轴转动的效率。

由于风力涡轮操作的方式，受风力作用转动的叶片通常会定位成垂直于地面进行转动。因此，对于每一上行运动，有必要使其克服重力来抬升叶片。

此外，风能产生过程中出现的一个已知的问题是：当风速改变时，叶片装置(或者由于风力进行转动的一部分)受到明显不同的力的作用。因此，已知可以通过改变围绕转轴的重量布置来改变叶片装置的转动惯量。例如，WO2004/011801公开了这样的装置。

但是，此已知布置以对称的方式改变围绕转轴的转动惯量。此外，提出的用于改变转动惯量的方式要依靠相当昂贵并且会产生摩擦力的装置。

目前的涡轮要求进行操作的最低风速，并且当风力增大时，输出能量呈近线性增大，该涡轮具有最大额定输出功率，一旦达到最大额定输出功率，功率则不会随着风力增大而增大。当风速进一步增大至某一值时，涡轮可以产生最大输出功率，当达到预定风速时，涡轮会停止工作，从而防止受到损害。现有的涡轮的问题是涡轮能够产生能量的风速范围是有限的。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供一种风力涡轮装置，包括可转动的第一叶片装置和用于为所述第一叶片装置的转动供能的可转动的第二叶片装置。

优选地，可转动的所述第二叶片装置能够在比可转动的所述第一叶片装置低的风速下进行操作。

优选地，可转动的所述第一叶片装置包括比可转动的所述第二叶片装置所包括的多个叶片的直径大的多个叶片。

优选地，可转动的所述第一叶片装置通过电气部件与可转动的所述第二叶片装置相连并且由可转动的所述第二叶片装置供能来进行操作。

优选地，可转动的所述第一叶片装置通过液压部件与可转动的所述第二叶片装置相连并且由可转动的所述第二叶片装置供能来进行操作。

优选地，所述液压部件包括由可转动的所述第二叶片装置供能运转的泵和用于向可转动的所述第一叶片装置供能的叶轮，其中所述泵将流体泵送至所述叶轮。

优选地，可转动的所述第一叶片装置与可转动的所述第二叶片装置相连，并且能够由可转动的所述第二叶片装置通过机械部件来供能。

优选地，可转动的所述第二叶片装置至少部分容纳在可转动的所述第一叶片装置的短舱内。

优选地，可转动的所述第一叶片装置和可转动的所述第二叶片装置通过单个结构支撑。

优选地，可转动的所述第一叶片装置和可转动的所述第二叶片装置同轴。

优选地，可转动的所述第一叶片装置围绕第一轴转动，可转动的所述第二叶片装置围绕第二轴转动，所述第一轴位于所述第二轴上方。

优选地，可转动的所述第一叶片装置由第一结构支撑，可转动的所述第二叶片装置由第二结构支撑。

优选地，可转动的所述第一叶片装置包括设置成围绕第一轴转动的多个叶片，以及用于偏离所述第一轴改变可转动的所述第一叶片装置的转动惯量的装置。

优选地，用于检测可转动的第一叶片装置的转动角的转动检测器，以及能够调整用来根据所检测到的位置来改变转动惯量的控制器，其中可转动的所述第一叶片装置的转动惯量取决于可转动的所述第一叶片装置围绕所述第一轴的转动角。

优选地，可转动的所述第一叶片装置的每一叶片均包括独立于其他叶片的转动惯量改变叶片的转动惯量的装置。

优选地，当所述叶片的运动逆着重力时，所述叶片的转动惯量会降低，并且当所述叶片的运动顺着重力时，所述叶片的转动惯量会增大。

优选地，可转动的所述第一叶片装置的叶片的纵轴与地面大致垂直，其中当所述叶片在相对于12点钟位置与竖直方向呈约7至180度之间转动时，转动惯量会增大。

优选地，用于改变转动惯量的所述装置能够用来同时改变可转动的所述第一叶片装置的所有所述叶片的转动惯量。

优选地，针对风速的改变，用于改变转动惯量的所述装置能够用来同时改变可转动的所述第一叶片装置的所有所述叶片的转动惯量。

优选地，用于改变转动惯量的所述装置包括设置在所述叶片中的空间以及设置成将第一流体泵送至所述空间中或者从所述空间中抽出以改变相应的叶片的转动惯量的泵。

优选地，所述第一流体的密度大于空气。或者所述第一流体的密度小于空气。

优选地，还包括用于容纳所述第一流体的第一容器，其中所述泵在所述第一容器和所述空间之间泵送所述第一流体，其中相对于所述空间的位置，所述第一容器的位置更靠近所述第一轴。

优选地，用于改变所述第一可转动的叶片的转动惯量的所述装置包括用于改变所述叶片和所述第一轴之间的距离的装置。

优选地，用于改变所述叶片和所述第一轴之间的距离的装置是液压缸。

优选地，用于改变所述可转动的所述第一叶片装置的转动惯量的所述装置包括位于所述第一轴的轮毂，所述轮毂与可转动的所述第一叶片装置的所述叶片相连并且能够用于与所述叶片一同旋转，以及所述轮毂包括用于相对于所述第一轴偏置所述轮毂的转动惯量的装置。

优选地，所述轮毂的转动惯量相对于所述第一轴在与所述第一轴正交的方向进行偏置。

优选地，所述轮毂的偏置转动惯量提供围绕所述第一轴转动可转动的所述第一叶片装置的旋转力。

优选地，所述轮毂包括相对于所述第一轴至少部分偏置的多个腔室，每一腔室的惯性能够通过将第二流体泵送至每一腔室以及从每一所述腔室抽出来改变。

附图说明

参照非等比例的附图，下文对本发明的示例性实施例进行描述，其中，

图1是叶片装置的示意图；

图2是用于控制叶片的转动惯量的装置的示意图；

图3是根据第一实施例的叶片装置的示意图；

图4是叶片和轮毂装置的侧视图；

图5a是叶片和轮毂装置的截面示意图；

图5b是另一轮毂装置的截面示意图；

图6是叶轮的截面示意图；

图7是第二实施例的示意图；和

图8是风力涡轮机的输出功率的曲线示意图。

具体实施方式

图1示出叶片装置80。该叶片装置80包括设置成在箭头90的方向上围绕轴88旋转的叶片82、84和86。叶片82包括位于叶片82的轴端的固定部82a。该固定部82a与依次连接固定部82c的液压缸82b相连。固定部82c连接轴88，而叶片82围绕轴88旋转。同样地，叶片84包括与液压缸84b附接且与固定部84c附接的固定部84a，叶片86包括与液压缸86b附接且依次与固定部86c附接的固定部86a。固定部84c和86c均附接至轴88。

液压缸82b、84b和86b相配合以改变相应的固定部(82a、84a、86a和82c、84c、86c)之间的距离。同样地，液压缸82b、84b和86b相配合以改变叶片82、84和86的端部与轴88之间的距离。因而当叶片围绕由箭头90部分描绘的圆周转动时，每一叶片82、84和86的转动惯量会根据叶片的位置而发生变化。

图1未示出液压缸82b、84b和86b与相应的固定部82a、82c、84a、84c、86a、86c作用的精确方式。但是，本领域的技术人员能够理解，如同很多其他已知装置，合适的液压泵将是上述设置的合适方式。

重要的是，当叶片82、84和86围绕轴88转动时，液压缸82b、84b和86b会改变相应的叶片82、84和86的径向位移。因此，如图1所示，叶片82位于最远离轴88的位置，而叶片84位于最靠近轴88的位置。叶片86占据叶片82和叶片84之间的中间位置。

叶片82、84和86可以在箭头90的方向上转动。因此，任一叶片的上行运动(克服重力的运动)基本发生在图1所示的叶片84的位置和叶片82的位置之间。在上述运动过程中，叶片和轴88之间的距离减小，从而会降低叶片的转动惯量。

例如，图2示出控制图1所示的叶片的转动惯量的装置200。该装置200包括检测转动装置的转动角(特定叶片于其转动圆周上的位置)的传感器202。该传感器可以例如包括转动可变的电阻器，但是很多其他上述传感器是本领域已知的，因此，在此不作赘述。

装置200还包括附接到叶片装置206的叶片上的控制器204。当叶片围绕其转轴转动时，位置传感器202可以检测叶片的位置。该位置信息会传递至控制器，然后控制器会利用此信息来改变叶片装置206的每一叶片的转动惯量，从而降低叶片上行运动的惯量，并降低下行运动的惯量。如此，与已知装置相比，根据这些设置，较小的能量会用于转动叶片装置。

优选地，用于改变叶片装置中单个叶片的转动惯量的上述装置能够配合操作。通过这种方式，叶片装置中的所有叶片的转动惯量可以同时改变。这特别有利于根据当前风速通过调整转动惯量进行调整的风力涡轮。可以理解，两方面需要共同操作，即所有叶片的转动惯量需要改变，而且每一叶片的转动惯量会在由所有叶片的转动惯量的改变量决定的范围内改变。图3是本发明的一个实施例的细节的侧面示意图。

图3示出叶片装置120，其中示出截断的单个叶片124。该叶片124连接至围绕轴122转动的壳体123。叶片124和壳体123均与轴132附接，由于与风的接触，叶片124的旋转使得壳体和轴进行旋转。轴132与发电机(未示出)附接，以使得装置120能够以已知的风力发电机的方式发电。短舱140与壳体123附接。在本实施例中，短舱140包括第一短舱叶片142和第二短舱叶片144。短舱叶片142和144围绕短舱140转动并且附接至发电机150，从而短舱叶片142和144的运动能够通过发电机150以已知的方式发电。包括短舱叶片142、144和发电机150的较小的辅助风力涡轮具有很低的切入风速，因而它可以在比主叶片124要求的风速低很多的风速下进场操作。

在一个实施例中，较小的辅助风力涡轮是由Honeywell(RTM)制造的切入风速为0.5m/s或更低的WindTronics(RTM)风力涡轮。较小的辅助涡轮可以安装在主涡轮上的任何位置，并且不一定要形成短舱的一部分。优选地，辅助涡轮安装在尽可能高的位置，从而使其暴露在尽可能高的风速中。

通过叶片142和144的作用发电的发电机150与通过叶片装置120发电的电力产生方式不同。相反地，发电机150与依次连接至泵128的控制器126相连。

泵128连接至与容器134相连的导管130。泵128通过导管136与位于叶片124内的容器137进一步相连。泵128和液压容器134位于壳体123的外部并且不会与叶片124一同旋转。泵128通过旋转接头(未示出)与导管136相连。

控制器126包括用于检测叶片124围绕旋转轴122转动的旋转位置的传感器(未示出)。此外，控制器26控制泵128在容器134和容器137之间通过导管130和136泵送液体(本实施例的水)。

图3的装置120使用风力来发电以控制装置，从而用于改变叶片124的惯性。在本实施例中，短舱叶片142和144使用当前的风力来产生电能，该电能会用来操作改变叶片的转动惯量的装置。优选地，只有当需要电能时，前述装置才会用来产生必需的电能(即当前的风力足够风力涡轮进行操作时)。

在上述实施例中，一个或更多叶片的转动惯量会根据叶片的转动位置而改变。优选地，当叶片在相对于竖直方向呈约7至180度之间转动时，转动惯量会增大。或者，当叶片在相对于竖直方向呈约25至135度之间转动时，转动惯量会改变。在另一些实施例中，当叶片转动时，转动惯量会以正弦的方式持续变化。

图4示出叶片和轮毂装置。短舱41设置成与多个主叶片42(部分示出)相连。主叶片42可以与短舱41一同围绕中心轴44转动来进行操作。轮毂40位于主叶片42和短舱装置41的后方。轮毂40与主叶片42联接，因而主叶片42的旋转运动可以传递至轮毂40，反之亦然。轮毂40和主叶片装置与用于通过旋转运动发电的传统涡轮连接。轮毂40是流体通路的一部分，并且能够接收流体43a和提供流体43b。流体43a由位于中心轴44上方某一位置处的轮毂40接收，并且由位于中心轴44下方的某一位置处的轮毂40提供流体43b。独立于主叶片42转动的多个辅助叶片未示出并且能够以比主叶片42低的风速进行操作，即辅助叶片具有较低的切入风速。辅助叶片与产生用于将流体43b泵送至轮毂40内的电能的辅助涡轮连接。在使用中，辅助叶片以较低的风速转动。该较低的风速不能使得主叶片42转动。辅助涡轮产生的电能被用来将流体泵送至轮毂40或者将流体从轮毂40中抽出。

图5a示出贯穿图4的线A－A’的叶片和轮毂装置的截面示意图。图5a示出包括设置在中心轴44周围的八个腔室的轮毂40。四个腔室位于中心轴44的左侧，而四个腔室40a、40b、40c和40d位于右侧。轮毂40设置成与叶片一同在箭头45a表示的方向上转动。在本实施例中，存在八个腔室。在其他实施例中，腔室的数量可以改变，但必须是三个或更多。

在使用中，辅助涡轮的电能用来将流体泵送至中心轴44的右侧的最上方的第一腔室40d。轮毂40在箭头45a表示的方向上转动，第二腔室40c代替第一腔室40d的位置。作为中心轴44右侧的最上方腔室的第二腔室40c接着会定位成接收流体。当轮毂40在箭头45a表示的方向上转动时，流体被泵送至第二腔室40c，轮毂的第三腔室40b会代替中心轴44右侧的最上方腔室的位置并且会填充流体。这会持续至第一腔室40d成为中心轴44右侧的最下方腔室并且第四腔室40a成为中心轴44右侧的最上方腔室。所有的四个腔室40a、40b、40c和40d容纳从轮毂40的上方位置处泵送至它们内的流体，其示出在图5a中。位于右侧的四个腔室40a、40b、40c和40d填充阴影以表示它们容纳有流体。当腔室成为中心轴44右侧的最下方腔室时，流体接着会从每一腔室中抽出来(图4中箭头43b所示)。流体泵送至轮毂内和从轮毂内的抽出会以某一方式实现，以使得流体的进入和抽出会有助于轮毂的转动。

在另一布置中，由辅助涡轮产生的电能会用来为第一泵供能，从而将轮毂40内的流体43b抽出和/或为第二泵供能从而将流体43a泵送至轮毂40中。中心轴44一侧的腔室的上述持续填充和抽空会增大轮毂40这一侧腔室的重量，前述腔室的重量大于未填充流体一侧的腔室的重量。由于轮毂40的腔室内的流体重量的不均匀分布，图5a的轮毂40的惯量中心位于中心轴44的右侧。惯量的偏置中心能够提供围绕中心轴44的惯量。当中心轴44的右侧的腔室持续填充流体时，会持续存在偏离中心轴44并作用于轮毂40的惯量。该偏置惯量会提供围绕中心轴44转动轮毂40的恒力。轮毂40的转动会造成主叶片52的相应转动。使用辅助叶片的运动产生的能量会有助于主叶片的最初转动，该转动需要克服主叶片装置内的摩擦力的较多能量。

上文公开的泵用于向轮毂的腔室内添加流体，但是，重力也可以用来为注入流体供力。此外，本发明不应限制为从后方填充轮毂。流体可以通过轮毂的上表面进入轮毂并且通过下表面流出。腔室的数量至少为两个，但是轮毂还可以包括更多的腔室。

图5b示出可以在箭头45b的方向上转动的另一轮毂。在图4中，轮毂40是流体通道的一部分并且能够通过轮毂40的后方接收流体43a和提供流体43b。在如图5b示出的实施例中，流体由轮毂的上方位置50a处接收并且从轮毂的下方位置50b处移除。上方位置50a是最上方的位置或者邻近上方腔室的最上方位置的位置。下方位置50b是最下方的位置或者邻近下方腔室的最下方位置的位置。在上方位置50a处，流体在与水平方向呈锐角的方向上并且在转动方向45b上被泵送。因而该流体能够向轮毂提供推力，并且该推力的分力位于转动方向45a上。在下方位置50b处，流体在与水平方向呈锐角的方向上并且在转动方向45b上被抽出。因而轮毂和抽出该轮毂的流体之间的摩擦力的分力会位于转动方向45a上。

图6示出用于将辅助涡轮可旋转地联接至主涡轮上的叶轮60。该叶轮60包括用作接收进入的流体的入口的中央眼60b和从中央眼60b向外边缘径向推动流体的多个叶片60a。叶轮60可以在箭头65的方向上围绕轴64转动。图7示出提供用于在包含图6的叶轮的液压系统70周围传递能量的液压流体的容器的流体储存器71。当流体回到流体储存器71之前，泵72可以操作用来从流体储存器71中泵送流体并会通过叶轮73，这可以完成一次液压回路。泵72由辅助涡轮74供能并且通过泵连接部75与辅助涡轮74连接。在一个实施例中，泵连接部75包括电导体和马达，因而能量可以从辅助涡轮74传递至使用电力的泵72。在另一个实施例中，泵连接部75包括连接至另一叶轮的另一个流体泵，并且辅助涡轮74的转动能够泵送流体，以转动另一个叶轮，因此能够为泵72供电。并且在又一个实施例中，泵连接部75包括泵72和辅助涡轮74之间的物理连接部。

主涡轮76通过主涡轮轴77与叶轮73连接。主涡轮轴77将叶轮73机械地连接至主涡轮76上。通过叶轮73的液压流体可以由泵72驱动从而来推动叶轮73，因而能够推动主涡轮轴77并且能够为主涡轮76供能。

在使用中，辅助涡轮74通过一组辅助叶片(未示出)的赋能旋转产生的能量为泵72供能。泵72沿着液压回路并且通过叶轮73泵送液压流体，从而为主涡轮76供能，并且还为连接至主涡轮76的一组主涡轮叶片(未示出)的旋转供能。根据其他实施例，连接至辅助涡轮74的一组辅助叶片能够以比转动与主涡轮76相连的主涡轮叶片要求的风速更低的风速进行旋转。

图8示出风力涡轮的输出功率绘制在纵轴上而涡轮受到的稳定风速处于横轴上的曲线图。绘制在曲线图上的实线表示传统的风力涡轮，其中最小的风速用来推动涡轮产生能量。该最小的风速或者切入风速对应于曲线图上的点C。当风速增大时，涡轮产生的功率会增大，直到其达到额定输出风速E上产生的最大额定输出功率A。当风速进一步增大时，涡轮的输出功率不会增大并且保持在最大额定输出功率A。当风速达到切出风速时，涡轮会停止运转以防止其受到损害，产生的功率为零。因此，用来产生功率的风速的分布范围是曲线图中的C至F，额定输出功率A在风速范围E至F内达到。

根据上述实施例的风力涡轮提供用于增大上述风速范围的装置。能够在较低的风速下运转的辅助涡轮能够用来偏置一组主涡轮叶片或者与主涡轮叶片相连的轮毂的转动惯量。另一旋转力由作用于偏置惯量的重力提供，因此可以提供力来在比初始要求的转动主涡轮叶片的风速低的风速下转动主涡轮叶片。附加力能够降低主涡轮的切换速度，并且主涡轮开始产生功率要求的切入速度降低至比转动主涡轮叶片的初始要求的风速低的风速(图8的点B)。涡轮的输出功率可以在比没有附加力的涡轮低的风速D下达到额定输出功率A，但是本发明的实施例的惯量偏置方式是可以配置的，因此涡轮可以一直使用，直到达到切出风速F。因此，本发明的实施例配置的风力涡轮可以在扩大的风速范围内(B至F)工作，并且能够在扩大的风速范围内(D至F)达到额定输出功率。

风力涡轮可以包括上述实施例的任何组合。