[发明专利]具有总升力下降的横流式液力涡轮的涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及水轮机，特别涉及用于利用并转换海流或河流的动能、尤其用于提供电能的水轮机。

背景技术

在清洁的天然能源中，当前尚未充分开发的能源相当于全世界天然存在的水流：外海海流、潮汐流、海峡流和河口流、河流。事实上，如果说用蓄水(例如，河上的水坝)中蕴含的势能来提供电能的水电站分布还算广泛的话，那么直接用海流或河流的动能来提供电能的设备通常仍停留在设计阶段。

尽管可用于用海流或河流来提供电能的坝址通常相当于低水流速度，从0.5m/s到6m/s，但是坝址规模和潜在的大量坝址使得这样的能源特别有吸引力。事实上，从河流到大的海流，与水流相交的可开发的面积一般从100m²到100km²不等，对于2m/s的速度来说，这相当于理论上有从400千瓦到400吉瓦不等的可利用的能量。

用于利用和转换海流或河流的动能的设备通常包括涡轮，它具有一组叶片，当其浸没在水流中时，该组叶片适合让轴旋转。在不同类型的涡轮中，可以分为轴流式涡轮和横流式涡轮，前者的流向平行于涡轮的旋转轴，而后者的流向是斜的，且通常垂直于涡轮的旋转轴。

为了工作，某些横流式涡轮利用水流施加在叶片上的升力，因此叶片具有诸如翼形的轮廓，以驱动旋转轴。主要由流动施加在涡叶片片上的升力引起旋转的涡轮称为升力涡轮。对于Darrieus或Gorlov型横流式涡轮或者在本申请人提交的欧洲专利申请EP1718863中公开的那种涡轮来说，尤其如此。

水轮机的一般特征是存在垂直于涡轮旋转轴线和上游流向的总升力。事实上，叶片围绕涡轮(被视为整体)的旋转轴线旋转导致液体围绕涡轮旋转，液体的旋转运动叠加到垂直于旋转轴的入射运动上。就像浸没在垂直于滚筒轴线的入射流中的旋转滚筒一样，这通常导致升力(称为总升力)最终施加在涡轮的旋转轴上，并因此而垂直于流向和旋转轴。总升力总是存在，与涡轮的旋转原因无关，即，对某些横流式涡轮而言，与涡轮轴的旋转是由于每个叶片的局部升力这一事实无关。与用具有非常平滑的表面的旋转滚筒可以观察到现象相反，在常规涡轮上观察到的总升力往往围绕一平均值变化。涡轮每旋转360°，观察到的围绕该平均值的波动就周期性地重复。然后，必须将用于保持涡轮的装置以及可能有的用于将涡轮固定到地上的系统设计成除了能抵抗阻力之外，还能抵抗总升力。此外，涡轮机作为一个整体，即包括转换由涡轮轴提供的机械功率的系统在内，必须能承受由总升力变化导致的振动引起的疲劳。

当若干涡轮彼此相连以增加利用的能量时，问题甚至更严重。

国际专利申请WO200704581公开了一种风轮机，它包括若干连接到桅杆上的风力涡轮。各风力涡轮互不相连，独立运行。已知流动液体中的升力要强得多，因此这种涡轮机不可用于水轮机的构造。

发明内容

本发明的一个方面针对的是横流式涡轮，运行中，作用在该涡轮机的保持装置上的总横向升力基本为零。

一个实施方式提供了一种涡轮机，它具有至少第一、第二、第三和第四升式横流水力涡轮，第一涡轮具有第一旋转轴，第二涡轮具有第二旋转轴，第一和第二涡轮相对于一个平面彼此对称，第三涡轮具有由第一连接装置连接到第一旋转轴上的第三旋转轴，第一连接装置能够补偿第一和第三旋转轴之间的空间错位，第三涡轮与第一涡轮形成第一涡轮垛，第四涡轮具有由第二连接装置连接到第一旋转轴上的第四旋转轴，第二连接装置能够补偿第二和第四旋转轴之间的空间错位，第三和第四涡轮相对于所述平面彼此对称，第四涡轮与第二涡轮形成第二涡轮垛。涡轮机还包括用于保持第一和第二涡轮垛的装置，该装置包括相对于所述平面对称的单个垂直构件，或包括若干垂直构件，其中每个垂直构件相对于所述平面每个都对称和/或垂直构件相对于所述平面整体对称布置，该保持装置还包括相对于所述平面对称、至少部分垂直于所述平面、并且布置在第一和第三涡轮之间以及第二和第四涡轮之间的第一和第二板，第一和第二旋转轴与第一板通过枢轴相连，第三和第四旋转轴与第二板通过枢轴相连。涡轮机还包括控制装置，当第一和第二涡轮垛浸没在流动液体中时，该控制装置能永远保持第一和第二涡轮垛相对于所述平面对称，并能保持第一和第二涡轮垛的转速大小相等但旋转方向相反。