用于竖直轴涡轮机的转子以及竖直轴涡轮机的制作方法

本发明涉及一种用于竖直轴涡轮机(诸如风力涡轮机或水下涡轮机)的转子、以及包括这种转子的竖直轴涡轮机。

背景技术：

1、在本技术的上下文中的涡轮机用于通过以下方式从风或水流中获取能量：将来自风或水的动能转化为转子的动能，然后可以转化为其他形式的能量，例如电能，但本身不一定如此，并且涡轮机也可以用于娱乐或促销目的。涡轮机(例如风力涡轮机)有两种类型，即公知的具有水平延伸的主转子轴的水平轴涡轮机和具有竖直延伸的主转子轴的竖直轴涡轮机。

2、进而，竖直轴涡轮机通常也可以分成两种类型，即包括萨沃纽斯(savonius)型转子的竖直轴涡轮机和包括达里厄(darrieus)型转子的竖直轴涡轮机。savonius型主要基于阻力的差异工作，从而限制了最大效率。然而，这种类型的涡轮机的益处是其设计简单以及该涡轮机在捕获足够的风或水之后将自动开始运行。另一方面，darrieus型基于叶片上产生的升力运行，这使得相对速度较高，并且效率较高。

3、公认的是，darrieus型的竖直轴涡轮机的转子由于较高的相对速度而承受较高的力和扭矩。叶片承受由叶片穿过介质(即空气或水)的相对运动而引起的升力和阻力。湍流(例如强阵风经过风力涡轮机)可能在叶片和转子上引入极端的和潜在破坏性的力。此外，叶片承受随着相对速度增加而增加的离心力。

4、竖直轴涡轮机的其他缺点可能包括难以自启动/无法自启动、由于更靠近地面运行而导致的较低输出、以及由叶片的固有扭矩波动和动态失速而引起的较高水平的振动(至少在“小风”域中)。

技术实现思路

1、鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种改进的竖直轴涡轮机。

2、根据本发明的实施方式，提供了一种用于竖直轴涡轮机的转子，包括：

3、-叶片支撑结构，从转子的中心延伸，

4、-叶片，在距转子的中心一定距离处枢转地联接到叶片支撑结构，以及

5、-螺距调节机构，布置在叶片支撑结构与叶片之间，以根据作用在叶片上的流体动力来调节叶片的螺距，

6、其中，螺距调节机构包括阻尼系统，其中，阻尼系统在叶片相对于叶片支撑结构的第一旋转方向上具有第一阻尼系数并且在叶片相对于叶片支撑结构的第二旋转方向上具有第二阻尼系数。

7、在实施方式中，叶片配置成基本上平行于转子的竖直旋转轴线定向，或者叶片至少包括基本上平行于转子的竖直旋转轴线的部分。叶片可以设计成基本上螺旋的形状，或者叶片可以是围绕转子竖直旋转轴线的球体或椭球体的轮廓的一部分。在一些实施方式中，叶片支撑构件是从转子的中心延伸到基本上竖直定向的叶片的叶片延伸部，优选为整体形成的叶片延伸部。这种延伸部可以设置在叶片的两端处。

8、转子可以限定前进旋转方向，转子在运行期间在该前进旋转方向上旋转。叶片相对于叶片支撑构件的第一旋转方向与前进旋转方向是相同的方向，在这种情况下，叶片相对于叶片支撑构件的第二旋转方向与前进旋转方向是相反的方向。

9、阻尼系数限定为由于阻尼系统的两个部件之间的相对速度而引起的由阻尼系统产生的力之间的比率。相对速度越高，产生的力越大。

10、在实施方式中，第一阻尼系数大于第二阻尼系数。

11、在实施方式中，第二阻尼系数基本上为零。

12、在实施方式中，叶片和螺距调节机构形成叶片组合，其中，转子包括围绕转子的中心分布(优选为均匀分布)的两个或更多个这样的叶片组合。在实施方式中，两个或更多个叶片组合的螺距调节机构彼此整体形成和/或作为公共螺距调节系统的一部分。

13、在实施方式中，阻尼系统在叶片的第一旋转方向上的第一段距离上具有第三阻尼系数，其中，第一阻尼系数应用到在叶片的第一旋转方向上的第二段距离，所述第二段距离与第一段距离相邻。第三阻尼系数可以基本上等于第二阻尼系数，并且/或者第三阻尼系数可以基本上为零。优选地，当从第二旋转方向反转到第一旋转方向时，叶片首先在第一旋转方向上旋转第一段距离，随后旋转第二段距离。因此，优选地，当在第一旋转方向上旋转时，首先应用第三阻尼系数，之后应用第一阻尼系数。

14、在实施方式中，转子还包括下部支撑件和下部轴承，下部支撑件安装到轴、杆或梁，下部轴承布置在下部支撑件与叶片支撑构件之间，从而允许叶片支撑构件相对于下部支撑件旋转。

15、在实施方式中，转子还包括上部支撑件和上部轴承，上部支撑件安装到轴、杆或梁，上部轴承布置在上部支撑件与叶片支撑构件之间，从而允许叶片支撑构件相对于上部支撑件旋转。

16、安装到轴、杆或梁是指下部支撑件和/或上部支撑件能安装到轴、杆或梁，以至少将水平载荷传递到轴、杆或梁。优选地，下部支撑件和/或上部支撑件也能安装到轴、杆或梁，以将竖直载荷传递到轴、杆或梁。

17、在实施方式中，提供(单独的)轴承，优选为滑动轴承，以布置在叶片支撑构件与轴、杆或梁之间，以将水平载荷传递到轴、杆或梁。轴承可以设置在任何位置处，但是优选地与上述下部支撑件(包括下部轴承)结合，其中轴承在距下部支撑件一定距离处设置在下部支撑件的上方，或者该轴承与上述上部支撑件(包括上部轴承)结合，其中轴承在距上部支撑件一定距离处设置在上部支撑件的下方。

18、在实施方式中，转子配置成使得叶片相对于叶片支撑构件的定向主要由流体动力、阻尼系统所应用的阻尼力和/或摩擦力来确定。于是在运行期间存在于转子中的任何弹性力、弹力或弹簧力明显较小，例如不存在，优选地明显小于其他力的组合，例如是其他力的组合的最多50％、优选地是其他力的组合的最多30％、更优选地是其他力的组合的最多20％、最优选地是其他力的组合的最多10％。弹性力、弹力或弹簧力较小可以附加地或可替代地是指这些弹性力、弹力或弹簧力的最大值低于由阻尼系统所应用的阻尼力的最大值的50％、优选低于30％、更优选地低于20％、最优选地低于10％。例如，可以设想使用弹簧来防止叶片损坏。叶片可以具有：中心位置，例如由叶片或叶片的一部分与围绕转子中心的圆相切的位置限定；以及两个极端旋转位置，其中弹簧设置成在叶片到达其中一个极端旋转位置时将叶片朝向其中心位置推动，以防止硬性停止并因此防止损坏叶片或叶片支撑构件。

19、在实施方式中，螺距调节机构不具有弹簧或提供弹簧力的元件。因此，弹簧或提供弹簧力的元件可以不存在。

20、在实施方式中，叶片具有前缘和后缘，并且叶片具有重心，其中，由叶片支撑结构限定的枢转轴线位于重心与叶片的前缘之间。

21、在实施方式中，阻尼系统包括阻尼器，在该阻尼器中，流体被迫通过流体阻力部，该流体阻力部是可变的。可以以各种方式提供可变的流体阻力部。被动方式是提供具有小孔口的单向阀，使得当单向阀关闭时，流体被迫通过小孔口，从而产生高流体阻力，并由此产生高阻尼系数，并且当单向阀打开时(对应于相反的流体流动方向)，流体被迫通过相对较大的开口，从而产生低流体阻力，并由此产生低阻尼系数。流体可以是液体或气体，例如液压流体。

22、可替代地，可以使用主动控制来改变流体阻力，例如通过主动地控制阀(例如气动阀)，或者通过调节电动致动器的阻力，从而调节电动致动器的能量耗散量。

23、在实施方式中，阻尼器在叶片支撑构件与叶片的前缘之间延伸。

24、在实施方式中，叶片包括从叶片的前缘延伸的阻尼器支撑件，并且阻尼器在叶片支撑构件与叶片上的阻尼器支撑件之间延伸。

25、根据本发明的另一实施方式，提供了一种包括根据本发明的转子的竖直轴涡轮机。转子可以安装到杆、轴、梁或其他构造的构件，以围绕由杆、轴、梁或其他构造的构件限定的旋转轴线旋转。

26、在实施方式中，涡轮机是从风中获取能量的风力涡轮机。在另一实施方式中，涡轮机是从水流中获取能量的水轮机。

27、在实施方式中，涡轮机还包括用于限制转子的最大转速的转速限制装置。转速限制装置可以是被动的，例如包括控制元件，该控制元件承受抵抗弹簧的离心力，并且配置成在转子达到预定转速后减小或限制转子的净扭矩。

28、在实施方式中，转速限制装置是主动的，包括用于测量转子转速的传感器和用于主动地降低或限制速度(例如通过耗散多余的能量，例如使用连接到转子的发电机利用机械制动或电制动来耗散多余的能量)的致动器。

29、在实施方式中，转速限制装置连接到螺距调节装置或者与螺距调节装置整体形成，以在转子达到预定转速之后调节螺距调节装置的工作，从而降低或限制转子的转速。

30、这里明确指出的是，发明人和工程领域的所有技术人员都承认，理想的弹簧和阻尼器在实践中并不存在。因此，弹簧在实践中将耗散一些能量，因此具有非零阻尼系数，并且阻尼器或转子的其他部件在实践中不会具有无限刚度，因此将具有非零弹簧常数。因此，零阻尼系数或没有弹簧的表述必须在这种实际情况下解释为分别是指能量耗散是能够合理预期的最小值以及没有采用任何元件来提供叶片螺距的明显弹性行为。