[发明专利]水力涡轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及用于水力驱动涡轮机的涡轮机叶片(turbine blade)，以及涡轮机本身及其组件，而且涉及利用上述叶片和涡轮机发电的方法。

背景技术

涡轮机用于通过使用水流带动涡轮机转子来利用水流中的动力并产生动力(发电)。涡轮机叶片传统上为垂直于涡轮机的中心轴线而延伸的直叶片。涡轮机能够用于从诸如气流和潮汐流等风力运动或水力运动中发电。

虽然如今有多种不同的叶片形状和轮廓得到应用，但并不是所有种类的叶片在不同的涡轮机应用中都以相同的方式运作。对于船用涡轮机(marine tubine)而言，通常采用的是为风力发电开发的技术。由于海水的密度比风的密度大得多，因此可以通过船用涡轮机产生更多的动力。

在直叶片的情况下，由于叶梢的速度远大于叶根的速度，当流体在叶片上流过时，施加到叶片的作用力分布从叶根到叶梢有显著不同。这样就制约了叶片的效率，导致通过给定流体获得的发电量小于最佳值。

由于这些原因以及其它的原因，公知的中心轴线式水力涡轮机在典型的水流条件下无法提供最佳的可用功率输出。

本发明试图改进上述的一个或多个缺陷。

发明内容

根据本发明的第一方案，提供了一种涡轮机叶片，其包括：

叶根；

叶梢；

从叶根延伸到叶梢的前缘；

从叶根延伸到叶梢的尾缘；

叶根弦(blade root chord)，其被定义为在叶根处的位于前缘与尾缘之间的直线；

叶梢弦(blade root chord)，其被定义为在叶梢处的位于前缘与尾缘之间的直线；

其中，所述叶梢弦以50°与90°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。

优选的是，所述叶梢弦以60°与80°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。更优选的是，所述叶梢弦以65°与75°之间的扭转角从叶根弦有角度地偏移。更优选的是，所述叶梢弦以约70°的扭转角从叶根弦有角度地偏移。

根据本发明的叶片尤其适用于船用涡轮机。

所述叶片可由任何合适的材料利用模制工艺制造，所述材料使用纤维增强塑料或其它复合物，但可替代地采用钢、非铁合金或纤维增强塑料制成的结构肋和板状壳体制造。优选的是，所述叶片由合成材料制成。

在第二方案中，本发明提供了一种流体驱动的涡轮机，所述涡轮机包括根据本发明第一方案所述的涡轮机叶片。

优选的是，所述涡轮机是适于利用河流、洋流或潮汐流中的水运动来发电的船用涡轮机。

根据本发明的第三方案，提出了一种中心轴线式水力涡轮机(central axis water turbine)，其包括：

涡轮机本体，所述涡轮机本体具有中心轴线；

转子，所述转子安装在所述涡轮机本体上，绕着所述中心轴线旋转，所述转子包括支撑多个叶片的中心毂(central hub)，各个叶片均包括本发明第一方案的特征，并且均从安装于所述毂上的叶根延伸到叶梢；

产生装置(发电机)，所述发电机由所述转子驱动；和

壳体，所述壳体包围所述转子并适于将水流引向所述转子。

优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成大约1°至20°的倾斜角向后或向下游偏斜、倾斜、或者斜张。

优选的是，所述壳体从所述转子的前方的前开口至邻近所述涡轮机本体的较窄喉部收敛。

优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成2°至10°的倾斜角向后斜张，更优选为4°至6°。进一步优选的是，所述叶片从所述叶根至所述叶梢以与垂直于所述中心轴线的平面成大约5°的倾斜角向后斜张。

转子优选包括头锥体，所述头锥体安装在所述转子的前部以减小作用于所述转子上的阻力(drag)并减弱通过所述壳体的湍水流。

优选的是，所述头锥体为中空的，从而为诸如控制系统等辅助系统、或者用于辅助系统乃至主系统的储器提供空间。

在优选实施例中，所述发电机与所述转子容置在一起，所述发电机适于通过所述转子的旋转而产生电力。优选的是，所述发电机直接连接至轴。优选的是，所述发电机通过花键连接方式与所述轴连接。

优选的是，所述发电机由所述转子直接驱动，这种布置方式适合于诸如多极发电机或高极发电机(high-pole electric generator)等选定发电机所要求的输入速度。然而，在一些布置方式中，适于将齿轮箱连接至所述轴或发电机，从而将所述轴输入所述发电机的转速转变为适合于其它类型发电机的转速。