CN103348129B - 涡轮机转子组件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机转子组件，用于从振荡工作流体提取能量。所述涡轮机转子组件包括能够围绕中心轴旋转的毂。多个叶片围绕所述中心轴安装到毂。每个叶片具有前边缘和后边缘，前边缘和后边缘被构造成在轮廓上彼此互补，使得叶片能够以彼此相邻的边缘与边缘紧密配合的方式安装。

Description

涡轮机转子组件
技术领域
本发明总体上涉及一种能量转换装置。更具体地说，本发明涉及一种涡轮机，主要涉及一种单向反动式涡轮机。
主要是为了在利用振荡水柱的海洋波浪能量提取系统中使用而开发本发明，且在下文中将针对该应用场合来描述本发明。然而，将认识到的是，本发明不限于该具体的使用领域。
背景技术
由于日益关注传统能源系统已经对环境造成的影响或者正在对环境造成的影响，所以目前在开发新方法和系统，以减少这样的系统对环境造成的影响。
许多这样的系统依靠涡轮机使发电机旋转而产生电能。到目前为止提出的许多这样的系统存在的问题是：需要投入大量资金来建立新系统。这种资金投入的程度通常成为投资者的障碍，这是因为投资的回报在某种程度上受到投入资金和系统效率之间的关系限制。
目前在这样的系统中使用的涡轮机以相对低的效率操作，且总的来说，能量提取系统受到这些涡轮机的效率限制。
本发明的目的在于克服或改善现有技术的一个或多个缺点，或者至少在于提供有用的替代。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于从振荡工作流体提取能量的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件包括：
毂，能够围绕中心轴旋转；
多个叶片，能够围绕所述中心轴安装到毂，每个叶片具有前边缘和后边缘，其中，前边缘和后边缘被构造成在形状上彼此互补，使得叶片能够以彼此相邻的边缘与边缘紧密配合的方式安装。
优选地，所述多个叶片连续布置，以围绕所述中心轴形成圆形阵列。优选地，所述多个叶片以不重叠的形式连续布置。
将认识到的是，可通过轮廓互补的前边缘和后边缘实现在连续安装的叶片之间相邻的边缘与边缘紧密配合，这有利地使得每个叶片的正面面积增加，结果减小了叶片之间的间隙（当从前方或后方观察转子时-即，沿着中心轴的线观察转子）。此外，互补的轮廓提供了沿着相邻边缘的长度基本恒定的间隙宽度。优选地，间隙尽可能小，且仅提供机械加工间隙。即，优选地，间隙的宽度取决于与制造叶片相关的预定机械公差。在特定的优选实施例中，沿着相邻叶片边缘的长度的间隙宽度约为1mm或更小。
因此，增加的表面面积能够使工作流体经过更大的叶片表面，进而提高了从由流过叶片且通过喷嘴加速的工作流体产生的升力获得的推力的效率，所述推力起到使毂和叶片围绕所述中心轴旋转的作用。
优选地，每个叶片通过安装装置安装到毂。优选地，所述安装装置包括与毂相关联的第一安装元件以及与叶片相关联的第二安装元件，其中，每个第一安装元件与第二安装元件中的对应的一个配合，以将叶片牢固地安装到毂。优选地，所述安装装置包括紧固装置，以彼此固定的关系接合和保持对应的第一安装元件和第二安装元件。例如，所述紧固装置可以是例如螺钉或螺钉和螺母的组合等的紧固件。
在一些优选的实施例中，优选地，每个第一安装元件的优选形式为多个容纳结构，所述多个容纳结构位于毂中，用于容纳相关联的叶片的主轴或插接端。在特定的优选实施例中，每个第二安装元件是从叶片的根部延伸的轴、主轴或插接端。
优选地，叶片能够相对于毂运动，使得叶片能够相对于工作流体的流动方向改变其桨距（或攻角），以使毂和叶片沿着相同的方向旋转，而不管流体流动方向如何。
在一些优选的实施例中，每个叶片响应于由工作流体施加到叶片的力或压力而运动。即，优选地，每个叶片被构造成自纠正，使得每个叶片响应于工作流体的主导特性而自动改变其桨距。例如，叶片可响应于工作流体的流动方向和/或压力的改变而改变其桨距。在一些实施例中，所述安装装置被构造成使得所有叶片同时以相同角度改变其桨距。在其他优选的实施例中，每个叶片的桨距独立于其他叶片的桨距的改变而改变。
优选地，每个叶片通过轴可旋转地安装到毂，其中，轴或主轴限定该叶片的旋转轴。优选地，每个叶片的轴安装在毂中的相关联的容纳结构中的轴承装置中，使得叶片可相对于毂旋转。优选地，轴承装置包括一个或多个轴承，且可以是两个或更多个轴承的堆叠结构。优选地，堆叠结构包括四个堆叠的角接触推力球轴承。
优选地，每个叶片围绕与之相关联的轴/主轴旋转，以相对于工作流体的流动方向改变其桨距角，使得毂和叶片仅围绕所述中心轴沿着一个方向旋转。优选地，每个叶片被构造成能够以预定角度围绕主轴旋转。在特定的优选实施例中，每个叶片可旋转一直到大约±45°、±40°、±35°、±30°、±25°、±20°、±15°、±10°或±5°的角度。在一个优选的实施例中，每个叶片可旋转一直到大约±16°的角度。将认识到的是，叶片可旋转的实际角度不限于上面提供的示例，而是可被构造成适合于具体应用场合。
优选地，可旋转的叶片能够保持在中性位置或关闭位置，其中，每个叶片围绕毂周向排列，以基本上或有效地关闭经过叶片的流体通道。优选地，可旋转的叶片还可保持在其最大程度向前或向后打开的位置，以保持经过叶片的通道打开，叶片在向前或向后打开方向上的运动取决于流体流动的方向。
在一些优选的实施例中，叶片自由旋转，以响应于主导工作流体和/或气室中的压力的改变而自动改变其桨距。在其他优选的实施例中，叶片桨距的改变由致动器控制。优选地，致动器响应于由布置在流动通道内的传感器检测的主导工作流体的性质/特性的改变（例如，流动方向和/或气室中的压力）。在多个实施例中，致动器可机械地、机电地、液压地或气动地操作。优选地，致动器被构造成基于第一组条件沿着第一方向（例如，由于波浪上升而排出空气时的向前方向）打开叶片，以及基于第二组条件沿着第二方向（例如，由于波浪回落/下落而吸入空气时的向后方向）打开叶片。优选地，第一组条件和第二组条件包括不同的参数。
在特定的优选实施例中，所述控制装置与叶片相关，以控制桨距的改变。优选地，所述控制装置与每个叶片的致动器相关。在一些优选的实施例中，所述控制装置包括阻尼器或弹簧元件，以提供平滑的和/或连续不断的桨距改变。在其他实施例中，所述控制装置可改变叶片旋转的速度。在特定的实施例中，所述控制装置还可用于限制叶片的桨距可改变的角度或程度。在特定的优选实施例中，所述控制装置的形式可以为反动式机械弹簧（例如，诸如叶片弹簧）。在其他形式上，所述控制装置包括扭矩臂。在一些实施例中，致动器和/或所述控制装置与中央控制器（例如，诸如可编程逻辑控制器（PLC））相连接。
优选地，每个叶片的前边缘和后边缘为曲线状或呈弧形。优选地，每个前边缘呈凸曲线状。优选地，每个后边缘呈凹曲线状。在一些实施例中，前边缘的曲率和后边缘的曲率具有恒定的曲率半径。在其他优选的实施例中，前边缘的曲率半径和后边缘的曲率半径沿着相应边缘的长度改变。优选地，前边缘的曲率半径大于后边缘的曲率半径。
在其他优选的形式上，每个叶片的前边缘和后边缘基本上为直线形。在一些实施例中，每个叶片的直的边缘从叶片的根部到顶端彼此远离而形成锥形。
优选地，叶片的形状和安装方式使得压力中心可操作地位于每个叶片的主轴的旋转轴线的后方，以能够使叶片响应于施加到叶片的压力的改变而围绕其轴旋转。
优选地，每个叶片的横切面形状基本对称。然而，在特定的优选实施例中，可采用不对称轮廓。优选地，所述横切面为机翼形。优选地，所述翼形具有双面凸起（或凸起-凸面）的轮廓。在其他实施例中，所述翼形的一个表面具有凹入轮廓，且与之相对的表面凸起。优选地，机翼形前边缘为增大的圆形，且朝着较窄的后边缘向内呈锥形。在其他优选的形式上，每个叶片具有总体上平坦的轮廓（例如，平板），该轮廓的侧面基本平行。
在特定实施例中，叶片能够用不同轮廓的叶片更换，以实现涡轮机的不同操作特性。
优选地，第一叶片的后边缘和紧跟第一叶片的第二叶片的前边缘一起形成喷嘴。本领域的技术人员将认识到的是，前边缘和后边缘的互补形状有助于在叶片位于中性位置或者具有0度（0°）的桨距角时提供宽度基本恒定的喷嘴。
优选地，所述控制装置包括压力传感器，以感测振荡水柱（OWC）管道的气室中的压力，所述压力传感器与致动器和/或控制装置操作地相关联，从而当感测到预定压力时叶片旋转以打开喷嘴。
优选地，当振荡水柱（OWC）开始上升（即，在OWC的波谷）时，每个叶片位于其关闭位置，使得空气通道有效地关闭。优选地，一旦已经在气室中达到预定压力，则叶片沿着第一方向打开。优选地，当波浪达到其波峰时，叶片返回到关闭位置。优选地，当波浪开始下落，叶片位于关闭位置时，在气室中产生真空。优选地，一旦已经在气室中达到预定压力，则叶片沿着第二方向打开。优选地，当波浪下落时，一旦已经在气室中达到预定的负压力，则叶片沿着第二方向打开。
优选地，每个叶片的顶端弯曲。优选地，每个叶片的顶端呈凸起状。优选地，每个叶片的顶端的曲率是使得当多个叶片以圆形阵列安装到毂时，所述阵列的外周总体上呈圆形。
优选地，所述涡轮机转子组件用于单级涡轮机。优选地，涡轮机是单向反动式涡轮机。然而，所述涡轮机转子组件可容易地适合用于具有两个或多个转子的多级涡轮机。
所述涡轮机转子组件有利地适合用于从振荡工作流体提取能量。更具体地说，所述涡轮机转子组件适合在具有振荡水柱（OWC）管道的OWC能量提取系统中使用。优选地，所述涡轮机转子组件安装在能量提取系统的OWC管道中，使得在所述管道内在管道中的水面与毂和叶片之间形成气室。
优选地，所述涡轮机转子组件适合于沿着一个方向旋转，而不管流体流动方向如何。优选地，转子被布置为基本垂直于流体流动方向，旋转轴基本平行于流动方向。
优选地，所述涡轮机转子组件的多个叶片被构造成使得转子沿着预定方向旋转。优选地，所述涡轮机转子组件被布置为基本垂直于工作流体的流动方向，使得所述涡轮机转子组件围绕外壳的纵向轴旋转。在其他优选的形式上，所述涡轮机转子组件被布置为沿着基本平行于流体流动方向的方向旋转。
优选地，所述涡轮机转子组件可旋转地布置在外壳的流动通道内。优选地，所述外壳被构造成引导流动的工作流体到所述涡轮机转子组件的叶片组件和毂。在一些实施例中，所述外壳被构造成具有与流动通道相关联的锥形表面或曲线形表面,用于引导工作流体到叶片。
优选地，所述外壳在纵向上且沿着纵向轴延伸。在一些优选的实施例中，所述外壳具有总体上是圆柱形的主体。优选地，所述涡轮机转子组件被布置为与所述外壳的纵向轴基本同轴。
在特定实施例中，所述外壳被布置为使得所述外壳的纵向轴被布置为基本平行于振荡工作流体的流动方向。在其他实施例中，所述外壳被布置为使得所述外壳的纵向轴被布置为基本垂直于振荡工作流体的流动方向。
例如，在特定实施例中，所述外壳可被布置为使得所述纵向轴基本是竖直的。在其他优选的形式上，所述外壳可被布置为使得所述纵向轴基本是水平的。本领域的技术人员将认识到的是，所述外壳不限于上面描述的那些方位，而是可相对于工作流体的流动方向以任何其他合适的方位布置，以适合于具体应用场合。
在特定实施例中，在转子的上游设置引导装置，以将工作流体引导到转子的叶片。优选地，所述引导装置包括第一引导件和第二引导件，第一引导件和第二引导件布置在转子的相对侧上，以期望的角度将工作流体引导到叶片上。在一些实施例中，所述引导装置包括一个或多个引导叶片（vane），所述一个或多个引导叶片布置在转子的上游，以朝着转子的叶片（blade）引导工作流体。优选地，引导叶片在靠近叶片的位置布置在环形或圆形阵列中。引导叶片可与定子相关联，或者另外布置在外壳内。在特定实施例中，所述引导装置包括从毂延伸的鼻形锥体。
当然，将认识到的是，引导叶片不限于具体的形式，因此，引导叶片可以是任何合适的形状，包括弯曲形状和平坦形状，以朝着转子的叶片分开工作流体。
优选地，振荡工作流体是振荡气流。在本发明的特定的优选实施例中，涡轮机转子组件被构造成通过从海洋波浪能量提取系统的振荡水柱产生的气流而旋转，振荡水柱（并因此气流）响应于经过的海浪的上升或下落而振荡。
然而，本领域的技术人员将认识到的是，振荡工作流体不限于振荡气流，具体地说，不限于从振荡水柱产生的振荡气流。在特定实施例中，所述涡轮机转子组件可适合于用于单向工作流体。在适合于单向工作流体的实施例中，叶片可以以重叠的形式布置，其中，连续的叶片的前边缘和后边缘彼此重叠。
在优选的实施例中，转子具有驱动轴，所述驱动轴在其近端结合到毂，使得毂的旋转使驱动轴对应地旋转，从而使得所述驱动轴的远端可用于结合和驱动发电机。
优选地，毂具有一定的质量，所述一定的质量足以使毂用作惯性轮，以在使用时提供基本恒定的角速度。
根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮机，所述涡轮机用于从振荡工作流体提取能量，所述涡轮机包括：
外壳；
根据本发明的第一方面的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件可旋转地安装在外壳中，以响应于振荡工作流体流过所述外壳而单向旋转。
根据本发明的第三方面，提供了一种海洋波浪能量提取系统，所述海洋波浪能量提取系统包括：
管道，用于容纳振荡水柱，所述振荡水柱产生振荡气流；
外壳，连接到所述管道，以限定振荡气流的流动路径；
根据本发明的第一方面的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件与振荡气流流体连通，使得转子被振荡气流驱动；
发电机，被构造成通过所述涡轮机转子组件而旋转，以产生电能。
附图说明
现在，将参照附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是根据本发明的涡轮机转子组件的透视图；
图2是图1的涡轮机转子组件的主视图；
图3是涡轮机转子组件的侧视图；
图4是涡轮机转子组件的叶片的放大视图；
图5是涡轮机转子组件的叶片和主轴的透视图；
图6是图5的叶片和主轴的主视图；
图7是安装到毂的叶片的示意图；
图8示出了以三个不同的桨距角相邻的一对叶片；
图9示出了翼形形状叶片和平面形状叶片上的压力曲线；
图10示出了用于多个实施例的三对叶片，每对叶片具有不同的剖面轮廓线；
图11示出了叶片的桨距角、OWC管道内振荡水柱的高度、水位和转子（毂和叶片组件）之间的气室的压力的曲线图；
图12示出了其中布置涡轮机转子组件的OWC能量提取系统的示意图。
具体实施方式
参照附图，本发明提供了一种用于从振荡气流形式的振荡工作流体提取能量的涡轮机转子组件1。为了用于振荡水柱式海洋波浪能量提取系统（图12）而已经针对性地开发了涡轮机转子组件1。
在这样的系统中，振荡水柱（OWC）被构造成响应于经过的海浪的起落而产生振荡气流。当响应于经过的波浪的波峰，OWC上升时，OWC上升以产生排气气流。当波浪继续行进且随后经过波谷时，OWC下落以产生进气气流。
参照图1，涡轮机转子组件1包括毂2，毂2可围绕其中心轴3旋转。多个叶片4围绕中心轴安装到毂2。如在图2中最清楚地示出的，叶片以不重叠的形式连续布置，以围绕毂2的中心轴3形成圆形阵列。
为了将叶片4安装在毂2上，毂具有径向孔5形式的一系列第一安装元件，第一安装元件周向地围绕毂2的外周布置。每个叶片4具有主轴6形式的第二安装元件，第二安装元件容纳在毂2的相关联的孔5中。
每个主轴6包括轴承元件7，轴承元件7能够使相关联的叶片4围绕由主轴6限定的旋转轴相对于毂2可旋转。每个叶片4被构造成能够围绕其主轴6旋转预定角度。在示出的实施例中，每个叶片4可旋转（例如）大约±24°的角度。在图1至图4中，叶片4已经旋转到适合于排气气流（在图3中从左向右流动）的位置。
每个叶片4响应于通过主导气流流体施加到叶片的力而运动，所述力从叶片上的压差产生。叶片改变它们的桨距角的能力给转子1提供自纠正特性。具体地说，叶片4能够旋转以适应进气气流或排气气流，并保持毂2围绕其中心轴沿着一个方向旋转。
反动式机械弹簧（例如，叶片弹簧8）形式的控制装置与每个叶片4相关联，以控制桨距角的改变。叶片弹簧8用于提供平滑的和/或连续不断的桨距改变。另外，叶片弹簧限制了叶片的桨距可改变的程度。
现在，参照图5和图6，每个叶片4具有前边缘11和后边缘12。有利的是，前边缘和后边缘（11和12）被构造成具有彼此互补的轮廓，使得叶片4可以以彼此相邻的边缘与边缘紧密配合的方式安装到毂2。
本领域的技术人员将认识到的是，在连续的叶片之间相邻的边缘与边缘紧密配合（这可通过轮廓互补的前边缘和后边缘来实现），有利地使得每个叶片的正面面积增加，结果减小叶片之间的间隙（当从前面或后面观察转子时，即，沿着中心轴的线观察转子）。此外，当叶片处于中性位置（桨距角=0°）时，互补轮廓提供沿着相邻边缘（11,12）的长度基本恒定的间隙宽度。
在中性位置，叶片之间的间隙仅仅是微小的间隙，且被最小化至可实现的制造公差。这样，总的间隙面积可忽略，并足以有效地关闭通道且几乎完全阻止空气流过叶片。换句话说，转子组件的实积比（即，叶片的总组合面积与叶片的扫掠面积之比）大约是1.0。因此，当叶片处于中性位置而关闭通道时，由于随着波浪上升体积减小而导致气室中的压力升高。类似地，当波浪从其波峰下落时，关闭的叶片阻止将空气吸入到气室中，因此容许气室中的压力降低。
保持叶片关闭直到达到预定压力的能力有利地增加了OWC管道中的波浪高度的上升程度，从而提高了涡轮机的效率。通过数值建模得到：可通过保持叶片关闭而实现提取的总能量增加。
另外，当叶片打开时，增加的表面面积能够使气流经过更大的叶片表面，进而为毂的旋转提供增加的升力和推力，从而提高转子1的效率，如下面进一步详细描述的。提高的效率从每个叶片上增加的压力分布（如图9所示）获得。
间隙的基本恒定的宽度限定了喷嘴，该喷嘴至少以优选的形式工作来增加主导气流的速度，进一步增加了施加到叶片的升力和推力。
如在图7中最清楚地示出的，叶片的形状和安装方式使得压力中心（COP）操作地位于每个叶片的主轴的旋转轴的后方。即，前边缘和后边缘弯曲，远离主轴，以使压力中心位于旋转轴的后方，从而能够使叶片围绕旋转轴旋转。
叶片的多个剖面轮廓在图8、图9和图10中示出。参照这些附图，可以看出：每个叶片优选地具有对称的剖面轮廓。
涡轮机转子组件1可旋转地布置在圆柱形外壳9的流动通道内。如在图1和图3中最清楚地示出的，外壳9优选地被构造成具有弯曲的入口开口，以朝着转子的叶片引导气流。为了进一步便于朝着叶片引导气流，设置从毂2延伸的鼻形锥体10。
在使用时，优选地，转子1的毂2结合到驱动轴，该驱动轴结合到发电机（未示出）。毂2的旋转导致驱动轴相应地旋转，以驱动发电机。
叶片在转子组件上的布置使得在中性位置或不致动位置，穿过外壳的流体流动通道几乎完全被叶片阻挡（尽管在连续的叶片之间以及在叶片的顶端和外壳之间存在小的间隙）。这样的阻挡在叶片上在流动方向的上游和下游之间产生全反差（full differential pressure）。计算流体动力学（CFD）分析已经表明：剖面极薄的叶片产生极好的结果，且翼形剖面形状不是关键因素。
对流体流的阻挡在叶片的上游侧和下游侧形成了贯穿叶片的压差。该压差产生垂直于叶片表面的力，使得所得到的力包括沿着转子的旋转轴方向的分量和沿着转子的旋转方向的分量，该分量是通过涡轮机产生能量的扭矩。将认识到的是，根据振荡气流的流动方向，在相对意义上使用术语“上游”和“下游”。
在产生能量模式下，允许工作流体穿过在连续布置的叶片的前边缘和后边缘之间形成的喷嘴。喷嘴由叶片围绕旋转轴的几何旋转而形成，该旋转轴与毂的中心轴的旋转轴正交，但是不是必须与毂的中心轴的旋转轴垂直。喷嘴允许工作流体以较佳的方式和速度流过叶片阵列，使得与叶片位于它们的中性位置时产生的压力相比，叶片阵列的上游侧和下游侧上的压差基本不减小。即，当通过从叶片的中性位置致动叶片而形成喷嘴时，叶片上从叶片的上游侧到下游侧的所述压差被基本上有利地保持。
当叶片围绕它们各自的轴旋转时基本保持所述压差的结果是力矢量的合成旋转作用在每个叶片上，使得力矢量现在包含位于与叶片阵列的旋转中心轴平行的方向上的轴向推力分量和与中心轴正交的推力分量。该正交推力分量在毂上产生扭矩，进而沿着围绕转子组件的中心轴旋转的方向产生有用的旋转动力。
形成每个喷嘴的优选方法是借助于整个叶片围绕与毂的中心轴正交的轴旋转。然而，在其他实施例中，喷嘴可通过叶片的结构变形而形成。这样的形状变形可借助于将流体压力施加在叶片表面上而促成所述变形，或者可借助于其他机电感应控制方法。
喷嘴的构造和轮廓可产生第二个好处，即，引发的动力产生叶片的推力。具体地说，前边缘和后边缘优选地成形为通过面积平滑减小的剖面限定喷嘴轮廓，以使流动的流体通过喷嘴而加速，从而交换压力能量和动能。这样做的结果是进一步减小在下游侧的叶片的前边缘和前剖面上的压力。这样的压力减小的结果是产生在轴向和旋转方向上具有分量的法向力。旋转方向上的力被转换成围绕中心轴的扭矩，由此这样的额外贡献可进一步提高旋转力矢量的大小。
在图11中可看到对于完整波浪周期的叶片桨距角和气室中对应的压力。从图11可清楚地看出，当波浪从它的波谷上升时，叶片保持关闭，直到在气室中达到预定压力为止。叶片还从波浪的波峰到达的时间起保持关闭，直到波浪下落且在气室中产生第二（负的）预定压力为止。
为了保持叶片关闭直到在气室中实现特定压力为止，使用具有弹簧预张力的机械弹簧系统。在其他形式上，可使用液压活塞，该液压活塞具有由机械弹簧活塞蓄能器或蓄能器的压力限定的预加载流体压力。还可使用具有预设保持力的磁性致动器系统。
叶片的关闭包括取决于时间的阻尼系统，使得叶片的关闭速度降低，且叶片关闭速度变得独立于OWC中的压力（即，阻尼系统反作用于弹簧预张力）。该系统允许OWC室中的所有空气在波浪行程结束时被排出。这允许在下一次行程开始时内部波浪高度的幅度更大，以及允许在上升行程之前更多空气进入气室中以及允许在下落行程开始之前更少空气进入气室中。
调节预设的打开压力，使得预设的打开压力是涡轮机的转速（rpm）的函数。这种改进允许涡轮机在最优效率范围内操作，以及允许涡轮机的转速与可用波浪能量状态（具体地说，进入的波浪的高度）更加紧密地匹配。
有利的是，由于如上所述的每个机构，使得涡轮机叶片的桨距控制的吸气周期和排气周期可彼此独立。
再者，（对于两种气流方向）控制叶片使得叶片保持关闭直到在气室中达到预定压力为止的能力有利地加大了OWC的幅度，从而增加了提取的气动能量的量并提高了涡轮机的效率。
因此，本发明至少在其优选实施例中提供了效率提高的涡轮机转子组件。涡轮机转子组件能够有利地增加从振荡的或双向工作的流体提取的能量的量。具体地说，涡轮机转子组件具有这样的叶片，所述叶片有利地增加了涡轮机叶片的正面面积，该增加的正面面积限制了流体流动通道，以在叶片上产生更大的压差，使得施加到叶片的升力和推力增加。叶片的相邻的边缘与边缘紧密配合还有利地提供了可增加气流速度的喷嘴，这又增加了叶片上的压差，结果使得推力增加。
涡轮机转子组件尤其适合在海洋波浪能量提取系统中使用，在所述海洋波浪能量提取系统中，工作流体是由海洋波浪能量提取系统的振荡水柱产生的振荡气流，所述振荡水柱（并因此所述气流）响应于经过的海浪的起落而振荡。
在这些和其他方面，本发明在其优选实施例中表现出比现有技术实用且在商业上的改进更大。
虽然已经参照特定示例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到的是，本发明可以以多种其他形式实施。

Claims (38)

1.一种涡轮机转子组件，用于从振荡工作流体提取能量，所述涡轮机转子组件包括：
毂，能够围绕中心轴旋转；
多个叶片，能够围绕所述中心轴安装到毂，每个叶片具有前边缘和后边缘，其中，前边缘和后边缘被构造成在形状上彼此互补，使得叶片能够以彼此相邻的边缘与边缘紧密配合的方式安装。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其中，所述多个叶片连续布置，以围绕所述中心轴形成圆形阵列。
3.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其中，所述多个叶片以不重叠的形式连续布置。
4.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片通过安装装置安装到毂。
5.根据权利要求4所述的涡轮机转子组件，其中，所述安装装置包括毂中的多个容纳结构以及从每个叶片的根部延伸的轴，所述轴能够容纳在所述容纳结构中。
6.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其中，叶片能够相对于毂运动，使得叶片能够相对于工作流体的流动方向改变其桨距。
7.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片响应于由工作流体施加到叶片的力而运动。
8.根据权利要求4所述的涡轮机转子组件，其中，所述安装装置被构造成使得所有叶片同时以相同角度改变其桨距。
9.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片围绕与之相关联的轴旋转，以相对于工作流体的流动方向改变其桨距角，使得毂和叶片围绕所述中心轴仅沿着一个方向旋转，而不管流体的流动方向如何。
10.根据权利要求9所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片被构造成能够以预定角度围绕轴旋转。
11.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，可旋转的叶片能够保持在中性位置或关闭位置，使得每个叶片围绕毂周向排列，以基本上关闭经过叶片的流体通道。
12.根据权利要求11所述的涡轮机转子组件，其中，叶片的旋转由致动器控制。
13.根据权利要求12所述的涡轮机转子组件，其中，致动器响应于流动通道内的主导工作流体的特性的改变。
14.根据权利要求13所述的涡轮机转子组件，其中，致动器机械地、机电地、液压地或气动地操作。
15.根据权利要求14所述的涡轮机转子组件，其中，致动器被构造成基于第一组条件沿着第一方向打开叶片，以及基于第二组条件沿着第二方向打开叶片。
16.根据权利要求15所述的涡轮机转子组件，其中，第一组条件由与上升的波浪相关的特性确定，第二组条件由与下落的波浪相关的特性确定。
17.根据权利要求12所述的涡轮机转子组件，其中，控制装置与致动器相连接，以控制叶片的运动。
18.根据权利要求17所述的涡轮机转子组件，其中，所述控制装置包括阻尼器，以提供平滑的和/或连续不断的桨距改变。
19.根据权利要求18所述的涡轮机转子组件，其中，所述阻尼器适合于控制叶片旋转的速度。
20.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片的前边缘和后边缘为曲线状或呈弧形。
21.根据权利要求20所述的涡轮机转子组件，其中，每个前边缘呈凸曲线状。
22.根据权利要求21所述的涡轮机转子组件，其中，每个后边缘呈凹曲线状。
23.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片的前边缘和后边缘基本上为直线形。
24.根据权利要求4所述的涡轮机转子组件，其中，叶片的形状和安装方式使得叶片的压力中心可操作地位于每个叶片的轴的旋转轴线的后方。
25.根据权利要求24所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片的横切面形状基本对称。
26.根据权利要求24所述的涡轮机转子组件，其中，每个叶片的横切面为机翼形。
27.根据权利要求26所述的涡轮机转子组件，其中，机翼形前边缘为增大的圆形，且朝着较窄的后边缘向内呈锥形。
28.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，叶片能够用不同轮廓的叶片更换，以实现涡轮机的不同操作特性。
29.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，第一叶片的后边缘和紧跟第一叶片的第二叶片的前边缘一起形成喷嘴。
30.根据权利要求17所述的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件包括压力传感器，以感测布置有所述毂和叶片的振荡水柱管道的气室中的压力，所述压力传感器与致动器和/或控制装置操作地相关联，从而当感测到预定压力时叶片旋转以打开喷嘴。
31.根据权利要求6所述的涡轮机转子组件，其中，所述涡轮机转子组件可旋转地布置在外壳的流动通道内。
32.根据权利要求31所述的涡轮机转子组件，其中，所述外壳被构造成引导流动的工作流体到叶片组件和毂。
33.根据权利要求31所述的涡轮机转子组件，其中，所述外壳具有与流动通道相关联的锥形表面或曲线形表面,用于引导工作流体到叶片。
34.根据权利要求31所述的涡轮机转子组件，其中，设置引导装置，将工作流体引导到叶片。
35.根据权利要求1-34中的任一项所述的涡轮机转子组件，其中，驱动轴在其近端结合到毂以及在其远端结合到发电机。
36.根据权利要求1-34中的任一项所述的涡轮机转子组件，其中，毂具有一定的质量，所述一定的质量足以使毂用作惯性轮，以给毂提供基本恒定的角速度。
37.一种涡轮机，用于从振荡工作流体提取能量，所述涡轮机包括：
外壳；
根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件可旋转地安装在外壳中，以响应于振荡工作流体流过所述外壳而单向旋转。
38.一种海洋波浪能量提取系统，包括：
管道，用于容纳振荡水柱，所述振荡水柱产生振荡气流；
外壳，连接到所述管道，以限定振荡气流的流动路径；
根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件与振荡气流流体连通，使得转子被振荡气流驱动；
发电机，被构造成通过所述涡轮机转子组件而旋转，以产生电能。
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