技術領域

本發明涉及通過水流產生可用能量的中心軸線式渦輪機(central?axis?water?turbine)。

背景技術

中心軸線式水力渦輪機通過使用水流來向渦輪機供能而從水流中獲取動力，并產生其它可用形式的動力。中心軸線式水力渦輪機的設計受到使用氣流來向渦輪機供能的風力渦輪機的影響。渦輪葉片傳統上為直葉片，這些葉片垂直于渦輪機的中心軸線，沿徑向向外延伸。

盡管風力渦輪機和水力渦輪機都是通過流體在渦輪葉片上的流動來產生動力，但是穿過渦輪機并流過葉片的水流與氣流的特性之間存在顯著差異。

由于上述的以及其它的原因，公知的中心軸線式水力渦輪機在典型的水流條件下并不能提供最佳的可用功率輸出。

本發明力求改進上述的一個或多個缺陷。

發明內容

根據本發明的第一方案，提出了一種中心軸線式水力渦輪機，其包括：

渦輪機本體，其具有一中心軸線；

轉子，其安裝在渦輪機本體上，繞該中心軸線旋轉，該轉子包括支撐多個葉片的中心轂(central?hub)，各葉片均從安裝于該轂上的葉根延伸至葉梢；

由該轉子驅動的發生器(發電機)；以及

殼體，其包圍該轉子并適于將水流導向上述葉片；

其中，上述葉片從葉根至葉梢以與垂直于該中心軸線的平面成約1°到20°的傾斜角向后斜張。

優選的是，殼體從轉子前方的前開口至鄰近渦輪機本體的較窄的喉部收斂。

優選的是，上述葉片從葉根至葉梢以與垂直于該中心軸線的平面成2°至10°、更優選地為4°至6°的傾斜角向后斜張。更優選的是，上述葉片以從垂直于該中心軸線的平面傾斜約5°的傾斜角向后斜張。

轉子優選地包括頭錐體，該頭錐體安裝在轉子的前部以減小作用于該轉子上的阻力(drag)并減弱通過殼體的湍水流。

優選的是，頭錐體是中空的，以便為諸如控制系統等輔助系統或者用于輔助系統乃至主系統的儲存器提供空間。

在優選的實施例中，發生器與轉子容放在一起，該發生器適于通過該轉子的旋轉而產生電力。優選的是，該發生器直接連接至一軸。優選的是，該發生器通過花鍵連接裝置連接至該軸。

優選的是，發生器由轉子直接驅動，該布置方式可能適合于諸如多極發電機或高極發電機(high-pole?electric?generator)等選定的發生器所要求的輸入速度。然而，在一些布置方式中，可能適于將一齒輪箱(變速箱)連接至軸或發生器，從而將該軸輸入到該發生器的轉速轉變為適合于其它類型的發生器的轉速。

葉片可以具有諸如機翼形、漸縮形或梯形、矩形、平行、彎曲形或扭曲形狀等任何截面形狀。在優選的布置方式中，上述機翼形是NACA?4412系列的截面形狀。

此外，應當明白的是，葉片可具有任何適合的形狀，而且與葉片斜度角(rake?angle)為0°(即，無斜度或無傾斜)的同類渦輪機相比，向下游或向后的1°至20°的傾角或斜度角能夠增大具有合適殼體的中心軸線式渦輪機的功率輸出。

優選的是，設置支撐柱來支撐轉子和發生器。優選的是，支撐柱是中空的，以提供管道或存儲器。在一種布置方式中，支撐柱在轉子與發生器之間大致沿徑向延伸。在優選實施例中，支撐柱的位于發生器的一端被安裝成使得支撐柱大體上沿發生器的切線方向延伸。這是為了改善發生器與殼體之間的轉矩傳遞，有助于減輕支撐柱的重量。此外，該優選布置方式的一個優點在于，由于在使用時，沿切線方向安裝的支撐柱不會完全處于徑向安裝的葉片之后，或者說不會被徑向安裝的葉片完全“遮擋”，所以減小了作用于支撐柱上的疲勞荷載。

優選的是，設置制動器，用以阻止轉子旋轉。優選的是，該制動器是失效保護機構。優選的是，在使用時，當向制動元件施加動力時，制動促動器(braking?actuator)使該制動元件保持為克服一促動力而遠離轉子。在使用時，當從制動促動器去除動力時，該促動力(其可以為來自彈簧或者利用其它類型的適當推動力)克服該制動促動器的力，使該制動元件作用于轉子，從而使該轉子的旋轉減慢或停止。

優選的是，在葉根處設置套靴(boot)或插塞以覆蓋任何間隙、凸起或螺栓頭等物，以使該區域內的干擾最小化。

優選的是，殼體限定了一具有流動限制部的流道。有利的是，該布置方式提高了通過該流道的液體在該流道的限制部分處相對于該流道的未受限部分的流速。該流動限制部優選地包括文氏管，該文氏管可形成該流道的一部分或全部。特別地，該文氏管可包括發散-收斂-發散型文氏管，其從該流道的任一端處的開口朝向該流道的內部漸縮。