CN117136277A - 具有双叶片和倾斜转动轴线的横流式风轮机 - Google Patents

Abstract

一种风轮机(1)，其包括连接到发电机(30)的横流式双子涡轮(10、20)，所述发电机包括构造为在所述涡轮转动时转动的轴，所述风轮机包括：‑能够围绕第一转动轴线(Δ₁)转动并包括围绕所述第一转动轴线分布的多个叶片(11、12、13)的第一涡轮(10)；能够围绕第二转动轴线(Δ₂)转动并包括围绕所述第二转动轴线分布的多个叶片(21、22、23)的第二涡轮(20)；‑所述第一转动轴线和所述第二转动轴线相对于竖直轴线(Z)相互对称；所述风轮机的特征在于：‑所述第一转动轴线和所述第二转动轴线相对于所述竖直轴线以25°至50°的倾斜角倾斜。

Description

具有双叶片和倾斜转动轴线的横流式风轮机

技术领域

本发明的技术领域是横流式风轮机。

背景技术

可再生能源经历重大发展。因此，陆地上或海上的大型风轮机设施在过去的几十年里经历了快速的增长。所安装的大部分风轮机是水平轴线风轮机(HAWT)，其转动轴线与入射风向平行。

其它类型的风轮机包括横流式涡轮机，其转动轴线与入射风向垂直。转动轴线一般是竖直的。该类型的风轮机通常称作竖直轴线风轮机(VAWT)。

已经在JP 59190482、FR2973843以及US7189051中描述了转动轴线竖直的风轮机。这涉及萨沃纽斯(Savonius)型风轮机。

在横流式风轮机中，达里厄(Darrieus)型风轮机可包括直叶片或弯曲叶片。具有弯曲叶片的竖直风轮机包括围绕竖直的中央转动轴延伸的叶片，该转动轴也形成塔架。由于脆弱的名声，尤其是对于非常高的风轮机，该类型的风轮机经历了中等的发展。与水平风轮机不同，非常高的竖直风轮机不仅在高处，也在更接近地面处，在易于出现涡流的称作“边界层”的区域，经受稳定的风。由此导致对于疲劳的一定敏感度。

为了改善刚性化，可通过在风轮机顶点与地面之间延伸的线缆，加强非常高的具有弯曲叶片的竖直风轮机。但由此导致显著增加占地，这对于海上设施尤其不利。而且，线缆在允许轴转动的轴承上施加向着地面的压应力。这要求使用特别牢固的轴承，这增大风轮机的复杂度和成本。此外，在每个叶片中心处存在大的转动轴产生涡流(卡门涡流)，这影响风轮机的性能。最后，在叶片转动时，在周期性空气动力的作用下，中央转动轴和保持线缆可能会经受振动，这可能会造成共振不稳定性，尤其是在中央轴的高度或线缆的长度大时。

目前，大部分高功率风轮机是水平风轮机。然而，它们有多个缺陷：在叶片转动的作用下发电的发电机悬挂在机舱上并提升至高处。这同样适用于变速箱、制动器和控制系统等主要变速和控制部件。因此，布置在高度处的机舱支撑大的重量，由于对于俯仰或滚动的高敏感度，这不利于稳定性。为了补偿这些缺陷，支撑机舱和叶片的桅杆很大，在陆地上或海上支撑件整个组件的基础也是这样的。将机舱布置在高度处还使得维护操作复杂。水平风轮机的另一缺陷在于叶片的非常大的尺寸，这与桅杆的尺寸组合，同时使得运输和安装复杂。并且，在叶片一体制成的情况下，更是这样。这些叶片一般是重的，这造成风轮机的高重力载荷。叶片也可能具有复杂形状，这增大其成本。

还提出了具有达里厄类型的直叶片涡轮的竖直风轮机。竖直风轮机的一个显著优点在于，与水平轴线风轮机不同，能够将发电机和机电传动链布置在低的高度处。另一优点在于对于风的所有方向的敏感度，这不要求使用风轮机偏航角调节。而且，直叶片风轮机具有减小的占地，并且对于风速根据高度的差别更不敏感。

文献US2020/0217297描述了一种风轮机，其包括达里厄类型的具有弯曲叶片的不同竖直轴线涡轮。涡轮相互间隔开，并借助于长度大的水平轴，连接到发电机。由此导致占地大的大体积风轮机。

文献WO2017153676描述了一种风轮机，其包括具有直叶片的达里厄类型的竖直轴线双子(jumelles)涡轮，其中涡轮相对于中位(médian)竖直平面相互对称。反向转动的涡轮由中央桅杆支持，与中位平面垂直的两个水平支撑件自该桅杆的上端部起延伸。每个涡轮的竖直叶片在其端部通过围绕竖直转动轴线转动的水平型材臂延长。一般性地，双涡轮情况相对于单涡轮情况的高效率与当叶片在涡轮间的区域中移动时体现的局部横向限制效应相关。实际上，在该区域，反向转动的涡轮之间的竖直中位平面阻止入射流远离涡轮。然而，必须满足两个条件：涡轮必须以相同速度和相同的角度位置关系转动。使得两个涡轮同步需要满足这两个条件。相反地，叶片可能会在所述区域逆风(推力方向)或顺风(吸力方向)转向。

然而，该类型设计具有与在转动期间施加在涡轮的竖直叶片上的离心力相关的缺陷。在离心力的作用下，竖直叶片经受趋向于使得涡轮横向扩展、即趋向于增大直径的弯曲应力。由此导致不期望的影响效率的振动。此外，大尺寸涡轮的水平臂经受与竖直叶片的重量相关的向下的变形，这在涡轮停止时发生，在此离心力不再补偿重力。由此导致臂/叶片接合部处的疲劳效应。

实际上，作用于竖直部分上的周期性空气动力，无论向顺风还是逆风方向，都周期性地中断每个叶片的对称性。当竖直叶片逆风转向时，空气动力朝向涡轮内侧，而当叶片向相反方向转向时，则朝向涡轮外侧。由此导致周期性不对称性，这在每个转动期间产生振荡。

双子涡轮允许提高风轮机的效率。然而，由此导致与使用两个发电机相关的一定复杂度，每个发电机连接到涡轮。发电机由电子功率系统控制，以使得涡轮同步，这造成成本增加和进行定期调整的必要性。

此外，用于保持涡轮的结构易于出现弯曲应力，这可能会造成出现振动。这也可能造成结构过早磨损。

本发明提出了旨在避免或减少上述缺陷的风轮机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风轮机，其包括连接到发电机的横流式双子涡轮，该发电机包括设计为在涡轮转动的作用下被驱动转动的轴，该风轮机包括：

-第一涡轮，其能够围绕第一转动轴线转动，并且包括围绕第一转动轴线分布的多个叶片；

-第二涡轮，其能够围绕第二转动轴线转动，并且包括围绕第二转动轴线分布的多个叶片；

-第一转动轴线和第二转动轴线优选地相对于竖直轴线相互对称；

-第一转动轴线和第二转动轴线相对于竖直轴线以倾斜角倾斜，优选地倾斜25°至50°的相同倾斜角倾斜。

有利地，该风轮机限定中位平面，该中位平面：

·与下游平面垂直，该下游平面包括第一转动轴线和第二转动轴线；

·经过第一转动轴线与第二转动轴线的交点；

中位平面可形成风轮机的对称平面。中位平面尤其可以是竖直的。下游平面也是这样的。

有利地，每个转动轴线会聚在单个发电机上，以使得发电机的优选地水平的轴被第一涡轮和第二涡轮驱动转动；

优选地：

-每个涡轮围绕转动轴线在下端部与上端部之间延伸，下端部比上端部更接近发电机；

-每个涡轮的下端部和上端部与所述涡轮的转动轴线对齐；

-涡轮的每个叶片包括：

·自下端部起延伸的下部分；

·自上端部起延伸的上部分；

-每个叶片从下端部向上端部延伸，使得：

·沿着下部分，当相对于下端部的距离增大时，与叶片与转动轴线之间的距离对应的叶片的半径逐渐增大；

·沿着上部分，当相对于上端部的距离增大时，叶片的半径逐渐地减小。

有利地：

-在下端部处，下部分与转动轴线形成下打开角度，该下打开角度是锐角；

-在上端部处，上部分与转动轴线形成上打开角度，该上打开角度是锐角。

优选地，上打开角度和下打开角度相等，并形成相同的打开角度。打开角度可以是40°至60°。

优选地，每个叶片具有直的下部分和/或直的上部分。

根据一个实施方式：

-每个叶片包括连接下部分和上部分的赤道部分；

-在赤道部分中，叶片的半径达到最大半径。

根据一个实施方式：

-每个叶片的高度对应于下端部与上端部之间的与转动轴线平行的距离；

-每个叶片具有与叶片的高度与叶片最大半径的两倍的比值对应的形状因子；

-每个叶片的形状因子为1.3至1.5。

优选地：

-赤道部分是弯曲的；

-沿着赤道部分，自下部分起，所述半径逐渐地增大，直至达到叶片的最大半径，然后逐渐地减小，直至上部分。

根据一种可行方案，对于每个涡轮：

-赤道平面与转动轴线垂直地延伸，赤道平面经过涡轮的每个叶片的最大半径；

-赤道平面形成涡轮的对称平面。

每个叶片可包括：

-下接合部，其对应于下部分与赤道部分之间的接合部；

-上接合部，其对应于上部分与赤道部分之间的接合部；

每个叶片使得：

-下接合部与上接合部之间的与转动轴线平行的距离形成赤道部分的高度；

-赤道部分的相对高度对应于赤道部分的高度与叶片的高度之间的比值；

-每个叶片的相对高度大于0.5且小于0.8。

根据一个实施方式：

-属于两个不同涡轮的两个叶片在其围绕其相应转动轴线转动的过程中，间隔最小间隔；

-风轮机的形状因子对应于最小间隔与最大半径的两倍之间的比值；

-风轮机的形状因子为0.1至0.3。

根据一个实施方式，每个涡轮包括两个叶片，每个叶片相对于涡轮的转动轴线与另一个叶片对称。根据另一实施方式，每个涡轮包括围绕涡轮的转动轴线均匀分布的三个叶片。

优选地：

-第一涡轮：

·在其下端部处，连接到第一下转动轴；

·在其上端部处，连接到第一上转动轴；

·第一下转动轴、第一上转动轴和第一转动轴线共轴；

-第二涡轮：

·在其下端部处，连接到第二下转动轴；

·在其上端部处，连接到第二上转动轴；

·第二下转动轴、第二上转动轴，和第二转动轴线共轴；

-风轮机包括保持结构，该保持结构包括：

·机舱，其支撑发电机；

·桅杆，其自机舱起竖直地延伸并且相对于中位平面居中，桅杆相对于下游平面，沿着与下游平面垂直的纵向方向以后撤距离后撤；

·自桅杆起延伸到第一上支撑件的第一上臂，第一上支撑件保持第一上转动轴；

·自桅杆起延伸到第二上支撑件的第二上臂，第二上支撑件保持第二上转动轴；

·第一上臂和第二上臂相对于竖直轴线倾斜。

根据一种可行方案：

-第一上支撑件包括轴承，在该轴承中插入第一上转动轴；

-第二上支撑件包括轴承，在该轴承中插入第二上转动轴。

保持结构可以还包括：

-中柱，其自桅杆起远离下游平面地延伸；

-在中柱与第一上臂之间延伸的第一支索；

-在中柱与第二上臂之间延伸的第二支索。

根据一种可行方案：

-第一支索在中柱与第一上支撑件之间延伸；

-第二支索在中柱与第二上支撑件之间延伸。

根据一个实施方式，第一上臂和第二上臂包括相继的基础臂，其分别向着第一上支撑件和第二上支撑件延伸，每个基础臂越接近第一上支撑件或第二上支撑件，就越相对于竖直方向倾斜。

根据一个实施方式，至少一根撑杆在桅杆与机舱之间延伸，撑杆相对于竖直方向倾斜，并自桅杆起朝向下游平面延伸。

根据一个实施方式，机舱能够围绕竖直转动轴线转动，以使得沿着一方向吹的风，在风施加在每个涡轮的推力的作用下，自发地将涡轮沿着所述方向布置在桅杆下游，其中，桅杆围绕该竖直转动轴线延伸。根据另一实施方式，机舱在转动方面是固定的，风轮机使得：涡轮沿着对应于主导风向的方向，布置在桅杆的下游。

根据一个实施方式，每个下转动轴通过角传动装置连接到发电机的轴。

根据一个实施方式，在每个角传动装置与每个涡轮的每个相应下端部之间布置有制动器。每个制动器可包括刚性连接到涡轮的盘和刚性连接到角传动装置的蹄。

根据一个实施方式，至少一根横杆在同一涡轮的两个不同叶片之间延伸。横杆与两个叶片之间的接合部可形成连接角。根据一种可行方案，同一涡轮的两个不同叶片通过分别布置为与到赤道面相比更接近涡轮的上端部和下端部的上横杆和下横杆连接。

根据一个实施方式，桅杆具有在凸上游端部与靠近下游平面P_a的下游端部之间，与中位平面P_m平行地延伸的水平截面。桅杆的水平截面可有利地在上游端部与下游端部之间变细。

根据一个实施方式，每个臂具有在前缘与后缘之间延伸的竖直成型截面，后缘朝向下游平面。

结合下列附图，阅读以下说明中的对所示实施例的说明，将更好地理解本发明。

附图说明

图1A是包括两个叶片的风轮机的一个示例性实施例的整体视图。

图1B是图1A中所示的风轮机的侧视图。

图1C是图1A中所示的风轮机的下游视图。

图2A是前述图中所示的风轮机的涡轮的视图。

图2B是在风轮机的下游平面中延伸的涡轮的视图。

图2C是图2B的细节。

图3A是结合前述图所述的风轮机的俯视图。

图3B至图3C示出风轮机的上支撑件结构。

图3D类似于图3A。图3D示出在上支撑件件处，在水平面中施加的力。

图4是在前述图中所述的风轮机的上游视图。

图5A示出风轮机的一个构造，其中，每个涡轮包括三个叶片。

图5B和图5C示出形成风轮机的保持结构的臂的可行轮廓。

图5D是图5A所示的风轮机的另一图示。

图5E和图5F示出变型，根据这些变型，桅杆具有适于根据逆风(图5E)或顺风(图5F)模式运作的水平截面。

图6A示出适于每个涡轮包括三个叶片的涡轮的横杆。

图6B是图6A的细节。

图6C示出适于每个涡轮包括两个叶片的涡轮的横杆。

图6D和图6E示出使用用于组装横杆与叶片的接口部件。

图7A和图7B示出每个叶片与发电机之间的机械传动。

图8A和图8B是风轮机的其它实施例。

具体实施方式

图1A至图1C示出根据本发明的风轮机的一个示例的视图。该风轮机包括横流式的具有弯曲叶片的达里厄类型的第一涡轮10和第二涡轮20。第一涡轮10能够围绕第一转动轴线Δ₁转动。第二涡轮20能够围绕第二转动轴线Δ₂转动。第一转动轴线和第二转动轴线是共面的。它们位于称作下游平面的相同竖直平面P_a。术语“下游平面”是指该平面相对于风轮机的在下文说明的保持结构位于下游。“下游”这个术语应解读为参考穿过风轮机的风的流动。在下游平面中，第一转动轴线Δ₁和第二转动轴线Δ₂相对于竖直轴线Z以相同倾斜角α倾斜。下游平面P_a是竖直的。

“横流式涡轮”指涡轮在横向于每个转动轴线吹的风的作用下转动。在本示例中，下游平面P_a优选地布置为与风向W垂直。图1B是与下游平面P_a垂直的侧视图。图1C是风轮机的与下游平面P_a平行的上游视图。

第一转动轴线Δ₁和第二转动轴线Δ₂会聚在与每个涡轮等距离处的交点Ω上。与下游平面P_a垂直并经过交点Ω的平面形成风轮机的中位平面P_m。第一涡轮10和第二涡轮20对称地设置在中位平面P_m两侧，该中位平面形成对称平面。由此，第一涡轮和第二涡轮是双子的，即它们相对于中位平面相互对称。中位平面P_m是竖直平面。将在下文中可见中位平面P_m还形成保持每个涡轮的保持结构50的对称平面。

每个涡轮包括至少两个叶片，优选地两个或三个叶片。在图1A至图1C中所示的示例中，每个涡轮包括两个叶片：第一涡轮10包括第一叶片11和第二叶片21，而第二涡轮20包括第一叶片21和第二叶片22。优选地，叶片设置为使得第一涡轮10和第二涡轮20是反向转动的。在下文中结合图5D说明具有三个叶片的涡轮的示例。

第一涡轮10在位于第一转动轴线Δ₁上的第一下端部10_i与第二上端部10_s之间延伸。第二涡轮20在位于第二转动轴线Δ₂上的第二下端部20_i与第二上端部20_s之间延伸。

风轮机包括构造为在涡轮转动的作用下发电的发电机30。第一和第二转动轴线会聚在相同发电机30上。发电机30包括同时被第一涡轮10和第二涡轮20驱动的转子。在所示示例中，发电机包括在发电机30两侧延伸的第一从动转动轴A_r,1和第二从动转动轴A_r,2。第一和第二从动转动轴A_r,1、A_r,2分别将第一涡轮10和第二涡轮20的转动传递给发电机30的转子。涡轮也可是逆风的(即当叶片接近桅杆时转向为逆风)或顺风的(即当叶片接近桅杆时转向为顺风)。

第一涡轮10通过角传动装置，首先连接到从第一下端部10_i延伸到发电机30的第一从动转动轴A_r,1的下转动轴A_i,1。对称地，第二涡轮20通过角传动装置系统，连接到从第二下端部20_i延伸到发电机的第二从动转动轴A_r,2的第二下转动轴A_i,2。每个下转动轴A_i,1、A_i,2在每个下端部处分别通过枢转连接来保持。每个下转动轴具有通过角传动装置传递给发电机的从动轴A_r,1、A_r,2的驱动动作。发电机的从动轴机械地联接到发电机的单个发动机轴，该发动机轴在发电机两侧延伸。发电机的驱动轴由此被两个涡轮10、20同时驱动转动，这构成本发明的显著方面。结合图7A至图7B说明每个下端部与发电机之间的机械传动链的细节。

旨在由围绕会聚的两个转动轴线转动的两个涡轮10、20同时驱动单个发电机的所述风轮机的设计允许获得涡轮的机械同步化。由多个涡轮驱动同一发电机允许通过减少需要的发电机的数量来降低风轮机的成本。而且，这避免使用电子同步化系统来同步化多个发电机，如在背景技术中所述，这要求定期重新调整。

发电机可以是异步鼠笼发电机、带变速箱的变速发电机、带变速箱的磁阻同步发电机(无稀土永磁体)或直接驱动的同步发电机。它也可以涉及其它类型的发电机。

除了机械同步化以外，转动轴线会聚在发电机上允许使用相对于中位平面居中的紧凑的发电机。

对涡轮的说明

如上所述，每个转动轴线相对于竖直方向的倾斜角α优选地为25°至50°，优选地为30°至40°，例如35°。这样的角度范围允许获得涡轮沿着竖直方向(Z轴线)延伸的高度H与涡轮在水平方向上延伸的宽度L之间的良好折中。涡轮的宽度L是平行于与中位平面P_m垂直的横轴线Y定义的。根据本发明，必须优化涡轮沿着竖直方向延伸的高度H，从而足以增大迎风面积，但足够小以利用其中的风速能够视为均匀的风层。此外，对高度的限制允许将风轮机的重心保持在足够低的水平。高度H通常为数米至一百多米，例如5m至150m。高度H和宽度L通过倾斜角α相关。

转动轴线的倾斜增大了风轮机的宽度L。为了最大化风轮机的迎风面积，优选的是优化每个涡轮在高度为H和宽度为L的矩形范围R内所占据的表面积。在图1C中，用虚线矩形轮廓示出范围R。范围R不实际存在(虚拟矩形)。为了优化填充，即每个涡轮在范围内覆盖的面积，可如下所述地优化叶片的形状。

图2A示出第一涡轮10的第一叶片11和第二叶片12。在图2A中，可见第二叶片12的前缘12_a和第一叶片11的后缘11_f。第一叶片包括上横杆14_s和下横杆14_i。横杆垂直于第一转动轴线Δ₁并且在每个叶片之间延伸。横杆的作用在于加固涡轮。对横杆的使用是可选的。可仅仅在大型涡轮的情况下使用。类似地，第二涡轮20包括下横杆24_i和上横杆24_s。结合图6A至图6E说明横杆的优选形式。

每个叶片以近似扭转绳(troposkine)曲线(即由围绕转动轴线的恒定角速度转动的线形成的曲线)的方式，在涡轮10的下端部10_i与上端部10_s之间延伸。扭转绳形状增加了施加在每个叶片处的拉应力，这最小化弯曲应力。如在背景技术中所述，施加到涡轮叶片的弯曲应力造成不期望的振动，这不利于风轮机的运作和性能。通过优先施加拉应力，减小甚至消除在叶片围绕其转动轴线转动时出现不期望振动的风险。在涡轮转动时，每个叶片受到离心力，这趋向于增加涡轮的宽度。由此导致在两个下端部10_i、20_i和上端部10_s、20_s之间沿着每个叶片施加的拉应力。

当每个叶片的形状趋向于扭转绳曲线时，由均匀间隔开的多个相同叶片的组合形成的每个涡轮具有渐缩的形状。

与在现有技术中构建的扭转绳形状的涡轮不同，可注意到每个涡轮不包括与转动轴线共轴的位于上端部10_s与下端部10_i之间的中央轴。

图2B是第一涡轮10的细节。在该示例中，第一叶片11关于第一转动轴线Δ₁与第二叶片12对称。在本说明书的下文中，用“半径”来指代叶片的点与转动轴线之间的距离。每个叶片包括自下端部10_i起沿着平行于转动轴线测量的下部高度h_i延伸的下部分11_i、12_i。沿着下部分11_i(或12_i)，当相对于下端部10_i的距离增大时，半径(即叶片与转动轴线之间的距离)逐渐地增大。优选地，每个叶片的半径在(平行于转动轴线的)中间点处最大，即与下端部和上端部等距的位置处。每个叶片包括自上端部10_s起沿着平行于转动轴线测量的上部高度h_s延伸的上部分11_s、12_s。类似地，沿着上部分11_s(或12_s)，随着靠近上端部10_s，半径减小。

在所示示例中，每个叶片的下部和上部分是直的。下部和上部分相对于第一转动轴线，以相同的下打开角度和上打开角度倾斜。在所示示例中，下打开角度等于上打开角度，这对应于一个优选实施方式。在下文中，将下部和上打开角度不分区别地称作打开角度Ф。打开角度Ф是锐角。当每个叶片的下部和上部分是直的时候，半径根据相对于下(或上)端部的距离和sin(Ф)，线性地增大。在图2B和图2C中示出了打开角度Ф。

根据一个替代方案，上打开角度大于下打开角度。根据该选项，下打开角度更小以节省空间。上打开角度更大，以增大叶片上部分中的力矩。

在所示示例中，每个叶片11、12包括在所述叶片的下部分和上部分之间延伸的赤道部分11_e、12_e。在所示示例中，赤道部分是弯曲的。自与下部分11_i的下接合部11_ei起，沿着赤道部分11_e，叶片的半径r逐渐地增大，直至达到最大半径r_max，然后减小，直至与上部分11_s的接合部11_es。直的下部分、弯曲的赤道部分，和直的上部分的相继对应于所谓的SCS(这是(指直-弯曲-直，Straight Curved Straight的缩写))结构。

可定义与转动轴线垂直并经过每个叶片上的最大半径点的赤道平面。涡轮优选地相对于赤道平面对称。在图2B中示出了对第一涡轮10的赤道平面P_e,1的描绘。每个叶片的最大半径则位于赤道部分的中间高度h_e/2处，该中间高度是平行于转动轴线地确定的。在所示示例中，由于每个叶片相对于赤道平面的对称性，每个叶片的最大半径位于叶片的中间高度h/2处，该中间高度是平行于转动轴线地确定的。

如上所述，由此获得的形状接近扭转绳曲线。当叶片围绕其转动轴线转动时，施加于其上的主要应力是在图2B中由沿着叶片11的双箭头示出的拉应力。在转动的作用下，每个叶片保持拉伸于上下端部之间，由此称作扭转绳曲线。叶片的角速度越大，叶片的拉伸就越增大。由此，利用拉应力来减小在背景技术中所述的那样影响风轮机的弯曲应力。

为了优化每个涡轮在结合图1C所述的矩形范围R内限定的面积，优选的是打开角度Ф足够大。优选地，打开角度Ф为40°至50°，例如45°。这允许获得每个涡轮的优化“填充”。填充对应于相对于范围R的表面积，每个涡轮限定的表面积。

涡轮10和20相对于中位平面P_m相互对称。在每次转动期间，每个涡轮的两个叶片相互靠近，直至在图1C和图2B中示出的最小间隔U。为了优化上文所定义的填充，期望最小化间隔U，以减小两个涡轮之间的自由空间。然而，安全或性能考虑要求间隔U不应该小于最小值：这尤其涉及结构性风险或一个涡轮过大地影响另一个，导致不期望的振荡。打开角度Ф越大，最小间隔U越小。如果d_i对应于两个下端部10_i、20_i之间平行于横轴线Y的距离，当α＝Ф时，则U＝d_i。当Ф>α时，则U<d_i：从而减小最小间隔U。可理解，最小间隔U取决于d_i和角度α和Ф。一般性地，优选的是：0.6Ф≤α≤Ф。在所示示例中，α＝35°且Ф＝45°，由此α＝0.78Ф。

间隔U量化涡轮之间的自由空间，用称作靠近点的分别位于每个涡轮的叶片上的两个点P_u之间的距离来表征该自由空间。当每个涡轮的分别的两个叶片相对时，一个涡轮的叶片的靠近点对应于另一涡轮的叶片的最接近的点。两个涡轮的分别的两个叶片的分别的两个靠近点之间的距离对应于间隔U。优选地，一个涡轮的靠近点P_u布置在该涡轮的赤道部分11_e处。实际上，正是在叶片的赤道部分中视为最有效果的。在图2B中分别示出了叶片12和21的靠近点P_u,12和P_u,21。

r_u为叶片在靠近点P_u处的半径。半径r_u对应于转动轴线与靠近点之间的与叶片的转动轴线垂直的距离。在图2B中示出了叶片12的半径r_u。对于两个涡轮的所有叶片，半径r_u是相同的。

为了优化填充和提高风轮机的性能，期望最小化间隔U，同时减小距离d_i。然而，安全考虑要求间隔U不应该小于最小值。这旨在避免结构性问题，尤其是在风的突变导致的整个保持结构共振现象之后，或由风的局部阵涡流导致的叶片的纵向振动之后出现的结构性问题。本发明人考虑：

在图2B的示例中，

如在图2C中所示，半间隔U/2对应于涡轮的叶片与中位平面P_m之间的最接近的距离。

由此，对于打开角度Ф和倾斜角α，必须满足以下等式：

α＜Φ

为了远离在上文所定义的填充方面没有被优化的涡轮轴线竖直的构造，优选的是0.6Ф≤α。

除了更好地填充矩形区域R以外，减小涡轮之间的自由空间还伴随有阻碍(blockage)中位平面P_m两侧的入射流。“入射流”指每个涡轮上游的空气流。由此，在叶片的位于如图2B中所示的，分隔两个叶片的两个赤道部分的最小间隔U处的特别有效的部分中利用对入射流的该阻碍效果。估计两个不同涡轮的逆风的叶片靠近导致可相对于每个涡轮彼此隔离的情况达到10％的效率提高。

为了提高每个涡轮的效率，本发明考虑每个叶片的每个赤道部分11_e、12_e的相对于每个叶片的高度的高度h_e。由此，每个赤道部分可如下地由相对高度Γ来表征：

其中：

-h_e是每个叶片的赤道部分的平行于叶片转动轴线的高度；

-h是每个叶片的高度，即下端部与上端部之间平行于叶片转动轴线的距离。

如在出版物W.Tjiu,T.Marnoto,S.Mat,M.H.Ruslan,K.Sopian《Darrieusvertical axis wind turbine for power generation I:Assessment of Darrieus VAWTconfigurations》,Renewable Energy 75(2015)50-67中所述，优选的是，Γ≥0.5。

优选地，0.5≤Γ≤0.8。例如，Γ＝0.6。

相对高度Γ定义每个叶片的弯曲的赤道部分的相对比例。

也可如下地定义每个叶片的形状因子δ：

其中：

-h是每个叶片的平行于转动轴线的高度；

-r_max是叶片的最大半径。

当叶片围绕转动轴线转动时，量2r_max对应于涡轮在赤道平面中转过的直径。

优选地，1.3≤δ≤1.5。

当Γ＝0.6且Ф＝45°时，可通过使用下式证明δ＝1.4：

形状因子δ随着Γ增大。当Γ恒定时，形状因子在Ф增大时减小，这是因为在Ф增大时，r_max也增大。

可如下地定义风轮机的形状因子Λ：

该形状因子是两个不同涡轮的两个叶片之间的最小间隔U与每个叶片限定的最大半径的两倍之间的比值。优选地，0.05≤∧≤0.3，或0.1≤Λ≤0.3。在所示示例中，Λ＝0.12。

由上文可理解，每个叶片的几何形状源自优化赤道部分的相对高度Γ(比值)、每个叶片的形状因子δ(比值)和风轮机的形状因子Λ(比值)，以优化风轮机的效率。

对保持结构的说明

风轮机包括用于支承上述叶片的保持结构50。如图1A至图1C中所示，保持结构自支撑发电机30的机舱40起延伸。在图1A至图1C中所示的实施方式中，机舱40能够围绕固定支撑件60转动。支撑件60布置在支柱61顶点处。

支柱61自底座起竖直地延伸，风轮机支在该底座上。底座可设置于陆地上。底座也可通过安装在浮驳船上，设置在海上。在不深的水处，底座可连接到海底。支柱61允许将涡轮10、20布置在超过在背景技术中所述的边界层的高度处。“边界层”指这样的自底座起延伸的层：在该层中，风不是均匀的，可能会经受由于底座周围的地形造成的不规则性。边界层促进形成涡流，这可能会导致疲劳现象。支柱61允许抬升涡轮10、20到边界层上方。涡轮由此暴露于更加均匀的风。在海事环境中的应用(根据本发明的风轮机特别适于这样的应用)中，支柱61的高度可以为5m至50m。使用上述的渐缩涡轮形状利于提升最有效的赤道部分，以使得该赤道部分位于边界层上方，同时限制支柱61的高度。涡轮的具体形状允许减小支柱61和位于机舱40周围的元件的高度。由此，要求通达底座或位于底座上的机舱的维护操作不在大的高度处实施。还降低风轮机倾倒的风险。所提出的结构由此允许处理位于边界层上方的风，无需非常高的支柱。

保持结构50包括自机舱40起竖直地延伸的桅杆50_i。中位平面P_m形成桅杆的，并且更具一般性地，整个保持结构的对称平面。沿着平行于中位平面的水平纵轴线X，桅杆50_i相对于下游平面P_a以后撤距离d后撤。由此，在考虑到风向时，桅杆位于下游平面P_a的上游。如下文所述，后撤距离d调节为允许每个叶片在桅杆50_i附近通过，以形成偏向效应。后撤距离可以为0.75r_max至1.25倍的r_max。

保持结构50包括由以下形成的上部分50_s：

-第一上臂51，其自桅杆50_i起延伸至与第一涡轮10的上端部10_s相邻的第一上支撑件50_s；

-第二上臂52，其自桅杆50_i起延伸至与第二涡轮20的上端部20_s相邻的第二上支撑件52_s。

图3A示出风轮机的俯视图。可见保持结构50与下游平面P_a之间的距离根据保持结构的不同构件变化：竖直桅杆50_i与下游平面P_a之间的距离恒定并等于前述的后撤距离d。每个上臂51、52与下游平面P_a之间的距离随着靠近上支撑件51_s和52_s而减小。在图3A中示出了风向W并且以虚线示出了每个涡轮的位移。风轮机设置为使得桅杆50_i处于每个涡轮的上游，“上游”这个术语是相对于风向考虑的。由于纵轴线X取向为从桅杆50_i向着下游平面，因此上臂同时沿着竖直轴线Z和X轴线延伸。越沿着Z延伸，上臂就越靠近下游平面P_a，该下游平面包括每个涡轮的上端部10_s和20_s。

桅杆50_i连接到相对于竖直轴线倾斜并自桅杆50_i起远离下游平面P_a地延伸的中柱53。中柱53相对于竖直轴线的倾斜由此与上臂51和52分别相对于竖直方向的倾斜是相对的。保持结构包括：

-在中柱53与第一上支撑件51_s之间延伸的第一支索54；

-在中柱53与第二上支撑件52_s之间延伸的第二支索55。

第一上臂51延伸到第一上支撑件51_s。第一上支撑件51_s设置为容纳与第一转动轴线Δ₁共轴且连接到第一涡轮10的第一上端部11_s的第一上轴A_s,1。类似地，第二上臂52延伸到第二上支撑件52_s。第二上支撑件52_s设置为容纳与第二转动轴线Δ₂共轴且连接到第二涡轮20的第二上端部21_s的第二上轴A_s,2。“上轴”指具有上端部并连接上端部和上支撑件的转动机械元件。每个上臂51、52在中位平面P_m两侧，自桅杆50_i起延伸。由桅杆、支索和下文所述的撑杆形成的保持结构相对于中位平面P_m对称。

第一上支撑件51_s和第二上支撑件52_s形成保持结构50分别与第一涡轮10和第二涡轮20之间的枢转连接。每个涡轮的下端部通过枢转连接，连接到机舱40。如下文所述，该枢转连接确保将每个涡轮的转动传输给发电机30。上支撑件51_s、52_s形成让上轴A_s,1、A_s,2自由转动的枢转连接。叶片在每个(上下)端部处由枢转连接来保持，允许保持一定的刚性，并阻止叶片在其在转动的作用下受拉伸时的变形。每个上支撑件包括滚珠或滚子轴承56，其允许上轴(A_s,1或A_s,2)围绕转动轴线(Δ₁或Δ₂)在每个上支撑件内转动。

图3B示出第二上支撑件52_s的剖视图。在该图中示出了第二转动轴线Δ₂，以及提供第二涡轮20与第二上支撑件52_s之间的机械连接的第二上转动轴A_s,2。第二上支撑件52_s包括围绕转动轴线Δ₂延伸且允许插入上支撑件20_s的轴A_s,2转动的环形轴承56。

每个上臂51、52起到连接到中柱53的支索54、55与涡轮10、20之间的支架的作用，所述涡轮被保持在上支撑件51_s、52_s与机舱40之间拉伸。在竖直平面中，如图3C中所示，每个上支撑件51s、52s处施加的力是重力和离心力类型的。在图3C中示出了在竖直平面YZ中，在第二上支撑件52_s的点S处施加的力。力F₁对应于竖直取向的重力，力F₂对应于沿着转动轴线Δ₂指向的离心力。离心力源自涡轮在转动作用下施加的拉伸。当涡轮20转动时，由于离心力，叶片21、22趋向于相互分离地移动，这在上支撑件52_s处产生合力F₂。力F₃对应于对于上臂52的压缩阻力。力F₄是源自支索55施加的拉伸的拉力。在图3B中示出了力F₁至F₄，以及合力：

-F₁₊₂＝F1+F2：其为涡轮施加的拉力；

-F₃₊₄＝F3+F4：其为保持结构(上臂52和支索55)施加的力。

由此，上臂52起到支架的作用，两个支索从其两侧延伸：严格意义的支索55，和通过在转动过程中在上臂上施加拉应力，类似于支索地表现的涡轮20。由此导致力的三角化，这使得上臂52在支索和涡轮的拉伸作用下经受压力。可类比于悬索桥的结构的该类型结构特别牢固。至于连接到支索54和在转动期间像支索一样表现的第一涡轮10的第一上支撑件51_s，情况自然是对称的。该类型的三角形网格利于力的三角化，利于拉伸/压缩应力，以及最小化弯曲应力。

在水平平面XY中，施加在保持结构上的力源自推力。通过分别由自中柱53起延伸的支索54、54和两个上臂51和52形成的向下游(即X轴线)开口的“V”形形状确保平衡。在水平平面中，上臂51、52和中柱53具有类似于支架的抗压缩作用。每个连接到施加可视为在由此构成的每个支架两侧对称的拉伸作用的两个支索。不同三角形网格用于力的三角化。

这尤其涉及：

-连接到支索54、55的中柱53；

-第二上臂52，其连接到支索55和如结合图3B所述，施加拉伸作用的第二涡轮20；

-第一上臂51，其连接到支索54和类似于涡轮20地施加拉伸作用的第一涡轮10。

在图3D中示出了在上支撑件52_s处，在水平平面中施加的力的三角化：力F₅、F₆和F₇分别对应于上臂52施加的压缩阻力、支索55施加的拉伸，和涡轮20在转动的作用下施加的拉伸(更具体地说，施加在每个叶片上的离心力的水平分量)。力F₆₊₇对应于和F₆+F₇。

在建立于与下游平面P_a平行的竖直平面YZ的图1C中，可见由支索54、中柱53和上臂51形成的另一三角形网格。中柱53和上臂51通过经受拉应力的支索54而保持受压。再次最小化弯曲应力的形成。对称地，支索55、中柱53和上臂52限定另一三角形网格。

风轮机的保持结构还包括确保防倾倒加固作用的撑杆41。两个撑杆41自桅杆50_i起，向支承发电机30的机舱40延伸。撑杆布置成V形，随着靠近机舱40而开口。在此，这涉及减小施加在为桅杆50_i上的弯曲力，撑杆在平行于风向地施加在每个涡轮上的推力的作用下经受压应力。保持结构的唯一经受弯曲应力的部分是桅杆的在撑杆41与上臂51、52之间延伸的部分。

根据该V形，撑杆随着其靠近机舱40，在纵轴线X两侧彼此分离，该V形确保防横摇效果。由此，撑杆41具有风轮机的防倾倒(在中位平面P_m中围绕Y轴线转动)和防横摇(在与中位平面P_m垂直的平面中围绕X轴线转动)的作用。由于桅杆50_i处于涡轮上游，使得能够使用撑杆41。由此，桅杆50_i在涡轮上游处的位置允许通过允许布置撑杆，减小施加到其上的弯曲应力。

撑杆41的布置和尤其是每个撑杆相对于纵轴线X的倾斜设置为允许叶片转动。

如图1A至图1C中所示，机舱40可以能够相对于支撑件60，围绕竖直转动轴线O自由转动，桅杆50_i围绕该竖直转动轴线延伸。机舱40允许由保持结构50、涡轮和发电机30形成的组件围绕竖直转动轴线O转动。在图1B中示出了竖直轴线O。在图3A中，转动轴线O对应于滚道62的中心。

由于风轮机相对于中位平面P_m的对称性，机舱的转动允许获得相对于风向自调节的风轮机。在风的作用下，力施加在每个涡轮上，旨在使得处于桅杆前方的这些涡轮取向为使得下游平面P_a趋向于被动地取向为与风向W垂直。“被动地”指无需电伺服控制。这涉及被动偏向取向。根据这样的取向，由于整体相对于中位平面P_m的对称性，分别由每个涡轮沿着纵轴线X施加的推力对称且平衡。在风向变化的情况下，发生推力失衡，这导致风轮机自调节，以使得推力平衡：风轮机的取向是自调节的，使得下游平面P_a总是取向为与风垂直。自调节源自风轮机相对于中位平面的对称性。在图1A至图1C中所示的示例中，机舱能够在滚轮41上沿着设置于固定支撑件60上的圆形滚道62转动。在图3A中示意性地示出了滚道62和桅杆相对于下游平面的取向。滚道沿着水平滚动平面P_r延伸。在图1B和图2C中示出了滚动平面。

替代地，机舱40可以是相对于支撑件60固定的。在该情况下，根据最经常的风向，桅杆和涡轮的取向是预定的。该类型构造适于海事应用，在海事应用中，风的主导风向可以是已知的。机舱与支撑件之间的接触的形式则可以是嵌入。

无论所采用的构造如何(固定的还是能够转动的)，桅杆都位于叶片上游，“上游”这个术语是相对于风向考虑的。

可优化桅杆50_i相对于下游平面P_a的后撤距离d。d越小，每个叶片的半径r_max就必须相应减小，以准许叶片在转动轴线与桅杆50_i后方之间转动。r_max的减小会减小风轮机的迎风面积。后撤距离d越增大，半径r_max就可相应增大，这不利于对增大的横摇和增大的体积的敏感性。根据本发明，优选的是，比值d/r_max为0.4至0.6，例如在0.5附近。

除了减小弯曲应力和被动偏向取向的可行性以外，将桅杆50_i布置在每个涡轮上游的另一优点在于，桅杆可对叶片起到的遮挡效果。例如在叶片设置为沿着最接近桅杆的路径顺风(顺风模式)时产生该有益效果。如图4中所示，该遮挡效果可不仅由桅杆50_i确保，而且还由上臂的一部分确保。图4示出风轮机的上游视图。桅杆50_i可定尺寸为遮挡影响每个叶片的赤道部分的部分的风。上臂51和52也可有助于遮挡效果。当在叶片没有被驱动(即叶片不视为有效)的区域中，叶片在臂附近顺风移动时，产生该遮挡效果。遮挡效果由此有助于增大风轮机的效率。

可在如图5A中所示的构造中，增强遮挡效果，在该构造中，每个上臂包括相继的基础臂。由此，第一上臂51包括自桅杆50_i起延伸的第一基础臂51₁和在第一基础臂51₁与上支撑件51_s之间延伸的第二基础臂51₂。第二上臂52包括类似地布置的基础臂52₁和52₂。基础臂越远离桅杆50_i，每个基础臂相对于竖直方向的倾斜就越大。

对基础臂的使用还允许增强对保持结构的加固。这还允许避免每个上臂的屈曲效应。保持结构可包括自中柱53起向相继的两个基础臂之间的每个接合部延伸的加固支脚58₁、58₂。加固支脚设置为形成三角形网格，这利于出现拉和/或压应力。根据一个变型，相继的基础臂的数量可以大于2。

在结合图5E和图5F所述的变型中详细说明桅杆的根据逆风模式和根据顺风模式的有益效果。

臂的轮廓

优选地，上臂51和52每个都具有这样的竖直截面：其轮廓对应于如图4中以及图5A和图5B中所示的所谓的小二面角翼部的轮廓。在图5A中示出了由翼部段构成的基础上臂的具体翼型形状。轮廓截面具有在图5B中可见的前缘A，和与前缘相对的后缘F。前缘和后缘通过侧翼表面V相互连接。

在平行于中位平面P_m也平行于风向W的平面中，这些臂的轮廓传统地由其竖直截面限定。这些轮廓是凸的上表面和也是凸的但具有朝向后缘的局部凹性的下表面的所谓的厚翼部的轮廓。在图5C中，下表面的局部凹性由符号C体现。其主要作用在于参与针对风的对涡轮的结构性支撑。轮廓可由定义为轮廓的最大厚度与轮廓的弦长之间的比值的相对厚度来表征。相对厚度可尤其接近0.5的数值，以确保高结构强度。但是，该相对厚度应接近0.35，以获得高的和因此有利的升力/阻力比：升力的效果在于减小施加在桅杆50_i上、然后通过撑杆41施加在机舱40上的压力。阻力则产生不利的倾倒力矩。折中数值在于将厚翼部轮廓设置为使得其攻角的数值处于其失速角的较低范围，即10°至20°的数值，例如15°。

“攻角”指由将前缘连接到后缘的直线AF形成的相对于水平方向的角度，该直线通常称作术语“弦线”。

由此限定为提供升力的臂51和52具有第三优点。可将所述臂类比于由此向地面方向发射空气流以产生该升力的一对翼部。该空气流的一部分在上支撑件51_s和52_s附近发射。在该区域，涡轮沿着不太有效的直的上部分受到撞击，这不具有显著影响。通过沿着臂的前缘向赤道部分行进，空气流达到叶片最有效的部分。

这样的结构可有助于对垂直于下游平面P_a的风进行整流，并增大撞击涡轮的风的强度。该整流要求以根据涡轮在顺风方向还是逆风方向的具体形式布置连接前缘A和后缘F的直线AF。关于具有孤立的直叶片的达里厄涡轮的针对增大其效率的偏向器的文献证实，在逆风方向的情况下，翼型形状的攻角必须使得，在叶片经过了其逆风路径的大致2/3之后，直线AF优选地横穿该叶片的路径。在顺风方向的情况下，翼型形状的攻角必须使得在叶片经过了其顺风路径的一半之后，直线AF横穿该叶片的路径。

此外，在某些条件下，翼型形状赋予上臂一定的升力，这倾向于在风的作用下减轻保持结构。这允许减小桅杆50_i通过撑杆41施加在机舱40上的压力。

一般性地，根据结合图5A至图5D所讨论的变型，每个臂具有在前缘与后缘之间延伸的成型竖直截面，后缘朝向下游平面P_a。连接前缘和后缘的线可有利地相对于水平方向以10°至20°的攻角倾斜。

在图5A中，每个涡轮包括在角度上彼此间隔120°的三个叶片。这样的构造也在图5D中示出：第一涡轮10包括三个叶片11、12、13。第二涡轮20包括三个叶片21、22、23。根据本发明，优选的是，涡轮包括要么在角度上间隔180°的两个叶片，要么在角度上间隔120°的叶片。将叶片数量增大到三个以上不认为是有益的。

桅杆的轮廓

图5E和图5F示出变型，根据这些变型，桅杆50_i具有水平截面，该水平截面具有经过优化的轮廓。根据这些变型，桅杆围绕中央轴线O延伸。当桅杆能够转动时，中央轴线O对应于转动轴线。中央轴线O布置在相对于下游平面P_a的距离l处。由此，在考虑风向时，桅杆处于下游平面P_a上游。桅杆垂直于中位平面P_m地沿着宽度w延伸。中央轴线O与下游平面之间的距离记为l。可根据涡轮构造为逆风还是顺风方向，调节距离l和宽度w以及桅杆在与轴线O垂直的平面(水平平面)中的截面的形状，以赋予桅杆如下所述的，对于涡轮性能正面的效果。

在考虑逆风方向时，除了其在保持结构50中的支撑作用以外，桅杆50_i还可起到如在出版物Jin X,Wang Y,Ju W,He J,Xie S.Investigation into parameter influenceof upstream deflector on vertical axis wind turbines output power via three-dimensional CFD simulation.Renew.Energ.2018；115:41-53中所述的空气动力学偏向器的作用。该研究中的偏向器组合对于提高效率的两种正面效果：

-在涡轮间区域的制动效果，其源自经受大的压力阻力的偏向器下游的压降；

-对叶片上的入射流的整流效果，这体现于增强其驱动力。整流效果在叶片扫掠过的上游半椭圆中，在包括在该半盘形的最上游的点与涡轮间区域(即位于两个涡轮之间的区域)之间的区段感受到。

涡轮间区域的(垂直于中位平面P_m)的最小宽度是上述距离U。所述出版物的移植于具有弯曲叶片的达里厄涡轮的结果一方面证实，比值w/2r_u＝0.33构成可接受宽度的上限，下限根据本发明为0.25：

0.25<w/2r_u<0.33。

并且，另一方面证实，比值l/2r_u＝0.7构成可接受宽度的上限，下限根据本发明为0.6：

0.6<l/2r_u<0.7。

如果说可简单地通过平行于下游平面P_a的宽度为w的布置在距离下游平面P_a距离l处的板，获得空气动力学偏向器的效果，桅杆的支撑作用和让涡轮叶片在两侧通过的必要性所强加的限制导致引入二维的T形梁或三角形箱部截面。换句话说，优选的是，桅杆的水平截面同时具有平行于下游平面P_a延伸的形成偏向器的分量，以及位于偏向器下游的垂直于下游平面P_a延伸的分量，以对偏向器下游的空气流进行整流。“整流”指使得倾向于向着偏向器上游的入射流方向。图5E示出对于逆风方向的涡轮优化的这样的截面的一个实施方式。在该图中，桅杆的水平截面在暴露于风的凸的上游端部，然后是下游端部之间延伸。在上游端部与下游端部之间，桅杆的水平截面由相对于中位平面对称的两个凹部分形成。设置于下游端部中的凹性赋予之前通过上游端部被整流的流制动效果。

图5F示出对于顺风方向的涡轮优化的这样的截面的一个实施方式。在考虑顺风方向时，除了其在保持结构50中的支撑作用以外，桅杆50_i可起到对涡轮间区域中的入射流进行整流的正面作用。实际上，在顺风方向上，涡轮间区域经受深的涡流分离。有利地，桅杆具有厚的轮廓，其包括凸的上游端部，沿着中位平面P_m对称，具有小的阻力，其空气动力中心位于转动轴线O上，并且其厚度w是如下的：

0.15<w/2r_u<0.25。

桅杆的空气动力中心如下地位于平面Pa上游的距离l处：

0.6<l/2r_u<0.7。

“空气动力中心”这个术语是机翼领域已知的概念。

更具一般性地，有利的是，桅杆具有平行于中位平面P_m地在凸的上游端部与下游端部之间，靠近下游平面P_a地延伸的水平截面。优选地，桅杆的水平截面在上游端部与下游端部之间变窄。优选地，桅杆的水平截面相对于中位平面P_m对称。当涡轮构造为按照逆风方向转动时，桅杆的水平截面在上游端部与下游端部之间具有设置为相对于中位平面对称的两个凹部分。

横杆

图6A和图6C是分别适于具有3个叶片和2个叶片的涡轮的成型的刚性横杆的视图。如上所述，横杆垂直于转动轴线延伸并且有助于加固每个涡轮。这些横杆被成型以减小阻力。图3A中所示的横杆包括自沿着转动轴线的中心以120°延伸的三个腿部。每个横杆可布置在不同叶片的相应两个直部分之间，或不同叶片的赤道部分和直部分之间的接合部附近。尽管从刚性角度而言，在赤道平面中布置横杆是特别有利的，但是这样的布置看起来会导致形成涡流，涡流是能量耗散源。优选的是使用布置为与到赤道平面相比更接近涡轮的一个端部(分别地，上端部和下端部)的上横杆和下横杆。

每根横杆根据相对于垂直于涡轮的转动轴线的平面对称的空气动力学轮廓来形成。可优化每根横杆与叶片的接合部，以形成如图6C中所示的连接角14’。连接角可限定从叶片的前缘到后缘递减的半径。

图6D示出允许将横杆(在本示例中为上横杆14_s)连接到叶片(在本示例中为叶片12)的接口部件14_a。接口部件形成包括具有三个端部的T形。接口部件旨在插入或围绕横杆14_s，以及插入或围绕叶片12的两个部分12₁、12₂。参见图6E，接口部件构造为使得叶片曲率在两个叶片部分12₁、12₂之间具有连续性。接口部件根据嵌套长度，接合在横杆或叶片的每个部分或围绕横杆或叶片的每个部分。这允许沿着嵌套长度分布力。则限制在接合部处出现疲劳效应。

机电传动链

图7A和图7B详细示出风轮机的驱动发电机的机电传动链。在每个下端部处，每个涡轮连接到在每个下端部与角传动装置31、32之间延伸的下转动轴A_i,1、A_i,2。每个下转动轴A_i,1、A_i,2分别平行于转动轴线Δ₁、Δ₂。每个角传动装置形成相对于水平方向倾斜的下转动轴A_i,1、A_i,2与发电机30的平行于横轴线Y的水平从动轴A_r,1、A_r,2之间的机械连接。每个从动轴驱动单一发电机30的通轴。每个从动轴与发电机的通轴之间的连接可由布置在发电机两侧的，优选地等速的两个柔性连接器来确保。柔性连接器允许将从动轴A_r,1、A_r,2连接到发电机30的通轴。每个连接器的柔性允许补偿可能的例如源自振动或涡轮停动不定的对齐缺陷。

图7B示出自涡轮20起直至角传动装置32的堆叠元件的细节。该堆叠包括叶片根凸缘38、制动盘37、制动蹄36、板35，其形成板式变速箱的端部。优先使用板式变速箱，以最小化平行于转动轴线的尺寸。这减小可能的杠杆效应。通过将凸缘38连接到板35周边的螺杆，然后通过连接到变速箱34的下轴A_i,2，确保转动的传动。下轴A_i,2包括插入角传动装置32的联接花键(cannelures)33。这样的设置形成包括由制动盘37和制动蹄36构成的制动级的枢转连接。制动蹄36由变速箱34支承。所述制动蹄构造为压抵在与凸缘38刚性联结的制动盘37上。这样的设置允许具有最接近每个涡轮，更具体地说，在变速箱与涡轮之间的制动级。这避免通过变速箱传输制动力矩。可在发电机30与变速箱34之间布置额外的制动盘。在紧急制动时，可能需要使用这样的额外的制动盘。根据一个变型，变速箱的整个或一部分可以部分地集成在角传动装置中。角传动装置则包括具有不同数量的齿的小齿轮，确保倍增。

图7B中所示的堆叠是紧凑的，这允许减小机舱的尺寸。堆叠的组装简单，这是因为它由两个主要构件构成：角传动装置32和变速箱34。角传动装置压在机舱上，而变速箱则夹置于角传动装置与涡轮之间，通过凸缘38连接到该涡轮。

堆叠形成自支撑组件，无需用于将其连接到机舱的保持部件。由此导致特别紧凑的机舱。这允许最大化围绕每个涡轮的下端部的自由空间，从而避免形成可能会由体积大的机舱或保持部件造成的涡流。

堆叠还允许最小化涡轮的下端部与机舱之间的距离。这减小杠杆效应。两个转动轴线的倾斜允许使得在发电机两侧连接到每个涡轮的角传动装置32靠近到一起。

所述风轮机包括未示出的确保涡轮的转速持续优化的控制单元。

变型

结合图2A和图2C所述的叶片的形状对应于本发明的优化构造。然而，在不超出本发明的范围的情况下，叶片可具有其它形状。图8A和图8B示出叶片的示例，其尽管不是优化的，但可被利用。这样的叶片具有制造起来更加简单且成本更低的优点。

在图8A和图8B中，每个叶片包括下部分和直的上部分，其相对于转动轴线以打开角度Ф倾斜。如上所述，上端部相邻的打开角度可以不同于下端部处的打开角度。在图8A的叶片上，赤道部分限于下部分和上部分之间的交点。

在图8B中，每个叶片包括平的赤道部分，在该赤道部分处，半径最大。赤道部分在下部分与上部分之间，平行于叶片的转动轴线地延伸。

Claims (24)

1.一种达里厄型的风轮机(1)，其包括连接到发电机(30)的横流式双子涡轮(10、20)，该发电机包括设计为在所述涡轮的转动的作用下被驱动转动的轴，该风轮机包括：

-第一涡轮(10)，其能够围绕第一转动轴线(Δ₁)转动，并且包括围绕所述第一转动轴线分布的多个叶片(11、12、13)；

-第二涡轮(20)，其能够围绕第二转动轴线(Δ₂)转动，并且包括围绕所述第二转动轴线分布的多个叶片(21、22、23)；

-所述第一转动轴线和所述第二转动轴线相对于竖直轴线(Z)相互对称；

所述风轮机使得：

-每个涡轮(10、20)围绕转动轴线在下端部(10_i、20_i)与上端部(10_s、20_s)之间延伸，所述下端部比所述上端部更接近所述发电机；

-每个涡轮的下端部和上端部与所述涡轮的转动轴线对齐；

-每个涡轮叶片包括：

·自所述下端部(10_i)起延伸的下部分(11_i、12_i)；

·自所述上端部(10_s)起延伸的上部分(11_s、12_s)；

-每个叶片从所述下端部向所述上端部延伸，使得：

·沿着所述下部分(11_i、12_i)，当相对于所述下端部(10_i)的距离增大时，与所述叶片与所述转动轴线之间的距离对应的叶片的半径(r)逐渐增大；

·沿着所述上部分(11_s)，当相对于所述上端部(10_s)的距离减小时，所述叶片的半径逐渐地减小；

所述风轮机的特征在于：

-所述第一转动轴线和所述第二转动轴线相对于所述竖直轴线以25°至50°的相同倾斜角(α)倾斜；

-使得每个转动轴线会聚在单个发电机上，以使得所述发电机的水平轴被所述第一涡轮和所述第二涡轮驱动转动；

-所述风轮机限定中位平面(P_m)，该中位平面：

·与下游平面(P_a)垂直，该下游平面包括所述第一转动轴线(Δ₁)和所述第二转动轴线(Δ₂)；

·经过所述第一转动轴线与所述第二转动轴线的交点；

-所述中位平面形成所述风轮机的对称平面。

2.如权利要求1所述的风轮机，其中，对于每个叶片(11、12)：

-在所述下端部处，所述下部分(11_i、12_i)与所述转动轴线(Δ₁)形成下打开角度(Ф)，该下打开角度是锐角；

-在所述上端部处，所述上部分(11_s、12_s)与所述转动轴线形成上打开角度(Ф)，该上打开角度是锐角。

3.如权利要求2所述的风轮机，其中，所述下打开角度和所述上打开角度相等，并形成相同的打开角度(Ф)。

4.如权利要求3所述的风轮机，其中，所述打开角度为40°至60°。

5.如前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，每个叶片使得所述下部分(11_i、12_i)是直的和/或所述上部分(11_s、12_s)是直的。

6.如权利要求5所述的风轮机，其中：

-每个叶片具有连接所述下部分和所述上部分的赤道部分(11_e、12_e)；

-在所述赤道部分(11_e、12_e)中，所述叶片的半径达到最大半径(r_max)。

7.如权利要求6所述的风轮机，其中：

-每个叶片的高度(h)对应于所述下端部与所述上端部之间的与所述转动轴线平行的距离；

-每个叶片具有与所述叶片的高度与所述叶片的最大半径的两倍的比值对应的形状因子；

-每个叶片的形状因子(δ)为1.3至1.5。

8.如权利要求7所述的风轮机，其中，对于每个叶片：

-所述赤道部分(11_e、12_e)是弯曲的；

-沿着所述赤道部分，自所述下部分(11_i、12_i)起，所述半径逐渐地增大，直至达到所述叶片的最大半径(r_max)，然后逐渐地减小，直至所述上部分(11_s、12_s)。

9.如权利要求8所述的风轮机，其中，对于每个涡轮：

-赤道平面(P_e,1)与所述转动轴线垂直地延伸，所述赤道平面经过所述涡轮的每个叶片的最大半径；

-所述赤道平面形成所述涡轮的对称平面。

10.如权利要求8或9中任一项所述的风轮机，其中，每个叶片包括：

-下接合部(11_ei)，其对应于所述下部分与所述赤道部分之间的接合部；

-上接合部(11_es)，其对应于所述上部分与所述赤道部分之间的接合部；

每个叶片使得：

-所述下接合部与所述上接合部之间的与所述转动轴线平行的距离形成所述赤道部分的高度(h_e)；

-所述赤道部分的相对高度(Γ)对应于所述赤道部分的高度与所述叶片的高度(h)之间的比值；

-每个叶片的相对高度(Γ)大于0.5且小于0.8。

11.如权利要求6至10中任一项所述的风轮机，其中：

-属于两个不同涡轮的两个叶片在其围绕其相应转动轴线转动的过程中，间隔最小间隔(U)；

-所述风轮机的形状因子(Λ)对应于所述最小间隔与所述最大半径的两倍之间的比值；

-所述风轮机的形状因子为0.1至0.3。

12.如前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，每个涡轮(10、20)包括两个叶片，每个叶片相对于所述涡轮的转动轴线(Δ₁、Δ₂)与另一个叶片对称。

13.如前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，每个涡轮具有围绕所述涡轮的转动轴线均匀分布的三个叶片。

14.如前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中：

-所述第一涡轮(10)：

·在其下端部(10_i)处，连接到第一下转动轴(A_i,1)；

·在其上端部(10_s)处，连接到第一上转动轴(A_s,1)；

·所述第一下转动轴、所述第一上转动轴和所述第一转动轴线(Δ₁)共轴；

-所述第二涡轮(20)：

·在其下端部(20_i)处，连接到第二下转动轴(A_i,2)；

·在其上端部(20_s)处，连接到第二上转动轴(A_s,2)；

·所述第二下转动轴、所述第二上转动轴和所述第二转动轴线共轴；

-所述风轮机包括保持结构(50)，该保持结构包括：

·机舱(40)，其支撑发电机；

·桅杆(50_i)，其自所述机舱(40)起竖直地延伸并且相对于所述中位平面居中，所述桅杆相对于所述下游平面，沿着与所述下游平面垂直的纵向方向以后撤距离(d)后撤；

·自所述桅杆(50_i)起延伸到第一上支撑件(51_s)的第一上臂(51)，所述第一上支撑件保持所述第一上转动轴；

·自所述桅杆(50_i)起延伸到第二上支撑件(52_s)的第二上臂(52)，所述第二上支撑件保持所述第二上转动轴；

·所述第一上臂和所述第二上臂相对于竖直轴线倾斜。

15.如权利要求14所述的风轮机，其中：

-所述第一上支撑件(51_s)包括轴承，在该轴承中插入所述第一上转动轴(A_s,1)；

-所述第二上支撑件(52_s)包括轴承，在第二上支撑件的该轴承中插入所述第二上转动轴(A_s,2)。

16.如权利要求14或15中任一项所述的风轮机，其中，所述保持结构还包括：

-中柱(53)，其自所述桅杆起远离所述下游平面地延伸；

-在所述中柱与所述第一上臂之间延伸的第一支索(54)；

-在所述中柱与所述第二上臂之间延伸的第二支索(55)。

17.如权利要求16所述的风轮机，其中：

-所述第一支索(54)在所述中柱与所述第一上支撑件之间延伸；

-所述第二支索(55)在所述中柱与所述第二上支撑件之间延伸。

18.如权利要求14至17中任一项所述的风轮机，其中，所述第一上臂和所述第二上臂包括相继的基础臂(51₁、51₂、52₁、52₂)，其分别向着所述第一上支撑件(51_s)和第二上支撑件(52_s)延伸，每个基础臂越接近所述第一上支撑件或所述第二上支撑件，就越相对于竖直方向倾斜。

19.如权利要求14至18中任一项所述的风轮机，其中，至少一根撑杆(41)在所述桅杆(50_i)与所述机舱之间延伸，所述撑杆相对于竖直方向倾斜，并自所述桅杆(50_i)起朝向所述下游平面(Pa)延伸。

20.如权利要求14至19中任一项所述的风轮机，其中，所述机舱能够围绕竖直转动轴线(O)转动，以使得沿着一方向(W)吹的风，在风施加在每个涡轮上的推力的作用下，自发地将所述涡轮沿着所述方向布置在所述桅杆的下游，其中，所述桅杆(50_i)围绕该竖直转动轴线延伸。

21.如权利要求14至19中任一项所述的风轮机，其中，所述机舱在转动方面是固定的，所述风轮机使得所述涡轮(10、20)沿着对应于主导风向的方向布置在所述桅杆的下游。

22.如权利要求14至21中任一项所述的风轮机，其中，每个下转动轴(A_i,1、A_i,2)通过角传动装置(32)连接到所述发电机(30)的轴。

23.如权利要求22所述的风轮机，其中，在每个角传动装置(32)与每个涡轮的每个相应下端部之间布置有制动器(36、37)。

24.如前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，至少一根横杆(14_s、14_i)布置在同一涡轮的两个不同叶片之间。