專利名稱：：具有氣流偏導器的風力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及風力渦輪機。
背景技術(shù)：
：風力發(fā)電被認為是可產(chǎn)生電力而不消耗非可再生資源的能源。其優(yōu)點是以這樣的方式生產(chǎn)能量既不產(chǎn)生化學污染又將能量生產(chǎn)成本保持在低水平。然而，傾向于通過具有多個風車或風力渦輪機的風力場利用風力，以產(chǎn)生充分的能量和發(fā)電量。這種風車通常為水平軸風車，具有繞著大體水平軸轉(zhuǎn)動的多個葉片。這些葉片通過阻力、作用在傳送能量的葉片的表面上的空氣壓力來操作。這種風力場被批判為引起其他形式的污染，特別是視覺和噪聲污染。因此，這種風力場傾向于坐落在相對較遠的區(qū)域或在海上，在這些區(qū)域，上述污染因素可被降至最低，同時生產(chǎn)充分的電力以向電網(wǎng)供電。風力渦輪機已經(jīng)被用來產(chǎn)生電力。然而，常規(guī)的風力渦輪機機械構(gòu)造復雜，對風速非常敏感，易于產(chǎn)生故障和噪聲。第2275085號英國專利申請公開了一種風力渦輪機，其具有與鼓狀框架的軸成切角的多個翼或葉片。這些翼被設置為從外殼的周緣向內(nèi)。翼上的迎角可由管理者通過包括兩相對可轉(zhuǎn)動的同軸環(huán)的機構(gòu)進行手動調(diào)節(jié)。這種配置機械構(gòu)造復雜。第WO2006/095369號國際申請公開了一種風力渦輪機，該風力渦輪機具有多個葉片和沿著轉(zhuǎn)子的直徑設置的多個氣流偏導裝置。這些氣流偏導裝置軸向地位于葉片的外部。第4362470號美國專利公開了一種風力渦輪機，該風力渦輪機具有在非機翼型葉片意義下的非空氣動力學方式的兩甲板(上甲板和下甲板)，該非機翼型葉片從轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心向轉(zhuǎn)子的圓周延伸。葉片固定地連接渦輪機的軸，用于與其共同轉(zhuǎn)動。沒有提供氣流偏導器。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過利用風作為能源來產(chǎn)生風力，通過風力渦輪機產(chǎn)生用于家用、商業(yè)和工業(yè)區(qū)域的發(fā)電量，而避免或最大程度減少機械復雜性、對風速的敏感、以及易于損壞和產(chǎn)生噪聲中的一個或多個問題。根據(jù)這個目的，本發(fā)明提供了一種風力渦輪機，包括轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動軸線垂直延伸通過所述轉(zhuǎn)子；多個葉片，安裝于所述轉(zhuǎn)子以響應于氣流而驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子，所述葉片相對于所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心具有固定的節(jié)距；以及氣流偏導器，被定位為引導氣流通過所述轉(zhuǎn)子，以增加所述風力渦輪機的效率，其中，所述氣流偏導器位于圍繞所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心的所述葉片的內(nèi)部，所述葉片以空氣動力學方式配置為提供由通過所述轉(zhuǎn)子和所述氣流偏導器的氣流行為引起的提升。通過“空氣動力學配置”有利地形成機翼形狀，允許可轉(zhuǎn)動的殼體或轉(zhuǎn)子利用來自葉片上兩個方向的氣流。為此，每個葉片有利地設置有蒙皮表面和開放表面。蒙皮表面在逆風時具有較少的誘導阻力，敞開表面在逆風時具有稍微較大的阻力。蒙皮表面在順風時不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，開放表面在順風時產(chǎn)生顯著較大的轉(zhuǎn)矩。蒙皮表面的前緣在順風時產(chǎn)生極大的阻力。開放表面的前緣在順風時產(chǎn)生微小的阻力。葉片被配置為使得每個葉片前緣上的正向氣流產(chǎn)生提升，附加地可被配置使得提升中心被定位為朝向殼體的轉(zhuǎn)動中心的前方。這作用為增加通過葉片上的提升產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，由此導致轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子效率增加。每個葉片可形成圍繞優(yōu)選地為圓形或圓筒形的轉(zhuǎn)子圓周的離散包圍體。轉(zhuǎn)子的縱橫比或高度與直徑的比率被選擇為在期望的風況下實現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)速和發(fā)電量。氣流偏導器被便利地設置為朝向且圍繞轉(zhuǎn)子的中心，且有利地與轉(zhuǎn)子的垂直中心軸同軸。每個葉片相對于空氣偏導器的位置引起文丘里效應，從而增加了并入到每個葉片中的提升表面的效率。由所應用的文丘里效應引起的、所產(chǎn)生的提升的增加提高了轉(zhuǎn)子前緣的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，盡管有利地需要按如下所述控制轉(zhuǎn)速?？諝馄珜骺删哂袌A形或彎曲表面?？諝馄珜魇欠浅Ｓ欣膱A筒形，并且盡管其尺寸足以引起上述的文丘里效應，但是可被設計為具有基本小于轉(zhuǎn)子直徑的直徑。氣流偏導器的尺寸是通過平衡加速的氣流、寄生阻力(由葉片和偏導器上氣流引起的阻力)和流體阻力確定的。氣流偏導器的位置、形狀和比例被選擇以遮蔽或遮蓋最遠順風位置的葉片。該氣流偏導器作用以通過減少由該葉片引起的阻力來增加渦輪機的效率。為了進一步提高性能，氣流偏導器被調(diào)整為增大其自身與逆風葉片之間的氣流，從而使用柏努利原理來進一步增加提升中心朝向轉(zhuǎn)動中心的提升表面的效率。以空氣動力學方式配置的葉片被設置為與轉(zhuǎn)子的掠形成90度。葉片角被設置為使得葉片的攻角不超過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中的失速角。失速將造成風力渦輪機作為發(fā)電機時損失效率。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可通過使用具有所選擇的特征的翼來控制，從而當轉(zhuǎn)子到達預定轉(zhuǎn)速時，提升表面上的氣流分離，引起極大的阻力并且減慢轉(zhuǎn)速。氣流在提升表面上的這種分層造成引發(fā)的氣流與提升表面之間的氣穴。由(分層的)氣流與葉片的后表面之間產(chǎn)生的真空引起的氣穴在翼上引入極大的阻力。此外，分層的氣流以一定的角度沖擊朝上的后緣，進一步增加了阻力。這又引起制動作用，該制動作用在不使用復雜制動機制的情況下限制轉(zhuǎn)速。形成用于發(fā)電的交流發(fā)電機的靜止部分的定子可被方便地設置或結(jié)合到可轉(zhuǎn)動的殼體的底板內(nèi)，而不需要動力轉(zhuǎn)換軸，并且使移動部件的數(shù)量最少，從而減少風力渦輪機的成本和復雜性。風力渦輪機可在家用、商業(yè)和工業(yè)應用中被方便地使用，而不需要構(gòu)造風力場。葉片的氣動構(gòu)造即使在氣穴現(xiàn)象中，增加了效率，減少了噪聲。可預見，在極限風況下，風力渦輪機產(chǎn)生的最大噪聲小于IlOdB,并且大概在30dB的級別，小于背景噪聲。參照附圖，根據(jù)下面對本發(fā)明實施方式的描述，更加全面地理解本發(fā)明的風力渦輪機，其中圖1是根據(jù)本的一個實施方式的風力渦輪機的側(cè)面立體圖；圖2是圖1的風力渦輪機的截面正視圖；圖3是圖1的風力渦輪機的截面俯視圖；以及圖4是在圖1的風力渦輪機中使用的葉片的平面圖；圖5是風力渦輪機的轉(zhuǎn)子的俯視截面圖，示出了操作中通過轉(zhuǎn)子的氣流狀態(tài)。具體實施例方式參見圖1，示出了風力渦輪機10，風力渦輪機10包括大體圓筒形的可轉(zhuǎn)動的殼體或轉(zhuǎn)子12。轉(zhuǎn)子的高度和直徑(或縱橫比)被選擇為在風力渦輪機10位置的期望風況下實現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)速和發(fā)電量。轉(zhuǎn)子12是大體圓筒結(jié)構(gòu)，具有大體圓形的底板14和頂板16，在底板14與頂板16之間延伸的多個葉片18相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心具有固定的節(jié)距。轉(zhuǎn)子12具有部件35，其被制造為提供大的起伏。轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動軸垂直延伸通過轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動中心。這種“垂直軸”是垂直軸渦輪機的特征。轉(zhuǎn)子12被配置為繞著延伸通過氣流偏導器30的垂直軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子12被放置在足夠的高度以迎著風力。葉片18可被焊接或者以其它方式固定至轉(zhuǎn)子12的底板14和頂板16，并位于從空氣偏導器30軸向向外。葉片之間的節(jié)距不變，允許更簡單且更有效的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，可對葉片18采用這樣一種安裝排列，即在損壞的情況下允許對葉片18進行替換。在附圖的實施方式中，轉(zhuǎn)子12內(nèi)裝有三個葉片18，每個葉片被設置為圍繞轉(zhuǎn)子12的中心。可理解，葉片18的數(shù)目可由操作者根據(jù)期望的發(fā)電量、期望的風況和成本進行選擇。注意葉片18不能被連接至動力軸和空氣偏導器30。氣流偏導器30與轉(zhuǎn)子的12的底板14和頂板16被構(gòu)造成一體。其形狀、尺寸和位置被設計為遮蔽最遠順風處的葉片18。示出了圓筒形的曲面或圓形偏導器形狀，因為這是增強渦輪機的轉(zhuǎn)速和相關(guān)發(fā)電量的最佳形狀。例如三角形、六角形和淚狀的其它形狀提供了較小的發(fā)電量，該發(fā)電量通過如下面表1所示的在給定風速下可達到的最大轉(zhuǎn)子速度反映。表1偏導器形狀和在給定風速下的最大轉(zhuǎn)子速度<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>可注意到氣流偏導器30的直徑基本上小于轉(zhuǎn)子12的直徑，因為氣流偏導器30位于葉片18的內(nèi)部。在該方式下，優(yōu)化了作用在更接近風的葉片上的升力，增加了轉(zhuǎn)速(在下面所描述的控制下)，以及通過交流發(fā)電機的操作提高了發(fā)電量。圓筒形氣流偏導器30使氣流通過轉(zhuǎn)子12的中心朝最接近風的葉片ISaa傳送，產(chǎn)生文丘里效應，從而增大作用在該葉片上的升力，由此增加葉片18aa的轉(zhuǎn)速。圖5簡單地示出了氣流狀態(tài)。同時，作用在葉片18bb開放側(cè)的阻力也增加了葉片18bb的轉(zhuǎn)速?？捎^察到，提升的中心在轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動中心(cr)的前方，這增加了轉(zhuǎn)子12上由葉片18aa上的升力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，還增加了葉片18bb和轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)速。通常地，較大的轉(zhuǎn)速與較高的發(fā)電量相關(guān)聯(lián)并且是所期望的。然而，由于風力渦輪機10具有機械極限，因此在操作中需要對轉(zhuǎn)速進行某些控制，如下所述。在操作中，響應于在風況下作用在葉片18上的氣流，轉(zhuǎn)子12自由地繞著延伸通過轉(zhuǎn)子12的垂直軸12a轉(zhuǎn)動。通常地，轉(zhuǎn)子12被安裝為使其縱向軸垂直放置，因此風力渦輪機10是垂直軸類型。底板14與定子32、或交流發(fā)電機的固定部分結(jié)合，從而當轉(zhuǎn)子12隨著通過風引入的氣流而轉(zhuǎn)動時允許發(fā)電，如交流電。因此，風力渦輪機10適用于發(fā)電，發(fā)電量與轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)速相關(guān)。該電力可提供給住宅、商業(yè)或工業(yè)裝置或市政電力網(wǎng)。葉片18可通過空氣動力學方式被配置，具有機翼設計。也就是說，葉片18通常為翼形和空氣動力的。葉片18的細節(jié)如圖4所示，一個表面18a是蒙皮的(skinned)，另一表面18b是敞開的。弦線18c是表示轉(zhuǎn)子底板14和頂板16的圓周弧的彎曲弧。這種弧的優(yōu)點是減少噪聲并增加有效轉(zhuǎn)矩。彎曲的弦線18c在葉片的平均中高線(即表面18a和18b中途線)的末端處連接機翼的前緣和后緣。采用這種葉片形狀允許從葉片18的兩個方向，即在兩個表面18a和18b上，的氣流產(chǎn)生動力。每個葉片18被定位為相對于轉(zhuǎn)動中心與弦線18c之間的連線具有固定的節(jié)距。特別地，空氣動力學葉片18被設置為具有10°到18°之間的預定入射角(根據(jù)頂板14和底板16的直徑和連續(xù)弧選擇角度)，該角度是從轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)動中心到弦線18c計算得到的?？衫斫?，葉片18的任何部分都不會延伸超出轉(zhuǎn)子12的圓周19。每個葉片18還繞著轉(zhuǎn)子12的圓周等距設置以形成圍繞轉(zhuǎn)子12圓周的一部分的離散包圍。葉片18的這種等距排列提供了轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性和自啟動能力，并且允許氣流流過葉片18的基本所有部分，可應用和使用柏努利原理增強渦輪機10的效率。入射角被選擇以向每個葉片18提供最大的提升和最小的阻力。固定節(jié)距的使用去除了變化角度或節(jié)距葉片的復雜性和不可靠性，節(jié)距葉片需要管理者或者其它機械設備進行調(diào)節(jié)。下面描述風力渦輪機10的操作。使轉(zhuǎn)子12通過如由風在轉(zhuǎn)子12的葉片18之間引入的氣流行為而轉(zhuǎn)動。具有蒙皮和敞開表面18a和18b的葉片18的配置分別允許轉(zhuǎn)子12利用來自每個葉片18上的兩個方向的氣流。在該方式中，由于交流發(fā)電機的操作，因此可實現(xiàn)風能到轉(zhuǎn)子12機械轉(zhuǎn)動的有效轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生電力。通過氣流偏導器30的使用進一步提高了操作效率，氣流偏導器30將圍繞轉(zhuǎn)子12中心的氣流偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生文丘里效應，增加了引導葉片18(即最接近風的葉片)的提升表面的效率。葉片18的前緣上的正向氣流產(chǎn)生提升，即彎曲形狀上流體流動變形所導致的氣流壓力變化，這減少了作用在葉片上的外部壓力或阻力，而通過相關(guān)聯(lián)的發(fā)電機的操作，相對地增加了內(nèi)側(cè)上的壓力、產(chǎn)生提升、轉(zhuǎn)動和發(fā)電。更具體地，當引導葉片18(最接近風的葉片)迎著風氣流時，產(chǎn)生了提升，使轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)動，并使葉片18移動進入從動位置。從動葉片的內(nèi)表面的曲率將當前的負氣流引入前緣的內(nèi)側(cè)，允許進一步轉(zhuǎn)動力作用在葉片18上，而不會因為轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)動時不能連續(xù)產(chǎn)生氣流壓力而引起能量浪費。對轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)速進行控制是必要的，以防止超速情況下的電損壞和機械損壞?？赏ㄟ^實現(xiàn)具有所選擇特征的機翼來控制轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)速。使用太薄的葉片將導致渦輪機10不能自啟動，并需要在產(chǎn)生有用轉(zhuǎn)矩之前到達更高的速度。使用太厚的葉片不能達到有效的轉(zhuǎn)速。使用彎曲部件(表示圓周底板14和頂板16的弧的彎曲弦)允許葉片18掠過氣流時使噪聲最小。還允許空氣在達到預定流速后與葉片18的表面分層，從而當轉(zhuǎn)子12到達預定轉(zhuǎn)速時，提升表面上的氣流分離，從而產(chǎn)生阻力并減慢渦輪機10的轉(zhuǎn)速。提升表面上的氣流分層在所引起的氣流與提升表面之間產(chǎn)生氣穴。這種氣穴導致將限制轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)速的制動作用，從而避免超速，并且不需要采用復雜的機械制動機制。如圖2所示，風力渦輪機10可被采用以向住宅區(qū)內(nèi)的建筑物(未示出)提供電功率。安裝柱40被選擇為使得轉(zhuǎn)子12置于建筑物的屋頂100上方，以產(chǎn)生由風引起的氣流。通常地，這種氣流是非分層的，突出了常規(guī)風力渦輪機的弱點即噪聲和低效率。然而，如上所述的風力渦輪機10的設計特征通過在葉片18表面上建立分層流，使噪聲最小(大概發(fā)出30dB或更小的噪聲)并增加效率，使風力渦輪機10能在先前不可用的位置處被有效地使用。這種風力渦輪機10還對鳥類的傷害較小，因為與風車相比，旋轉(zhuǎn)渦輪機對鳥視覺呈現(xiàn)實體對象，從而防止事故。對本發(fā)明的風力渦輪機的修改和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。這種修改和變化在本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求一種風力渦輪機，包括(a)轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動軸線垂直延伸通過所述轉(zhuǎn)子；(b)多個葉片，安裝于所述轉(zhuǎn)子以響應于氣流而驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子，所述葉片相對于所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心具有固定的節(jié)距；以及(c)氣流偏導器，被定位為引導氣流通過所述轉(zhuǎn)子，以增加所述風力渦輪機的效率，其中，所述氣流偏導器位于圍繞所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心的所述葉片的內(nèi)部，所述葉片以空氣動力學方式配置為提供由通過所述轉(zhuǎn)子和所述氣流偏導器的氣流行為引起的提升。2.如權(quán)利要求1所述的風力渦輪機，其中，所述葉片具有蒙皮的表面和敞開的表面，以優(yōu)化在迎風和順風時的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生性質(zhì)。3.如權(quán)利要求1或2所述的風力渦輪機，其中，所述葉片被配置為使得每個葉片的前緣上的正向流產(chǎn)生提升。4.如權(quán)利要求3所述的風力渦輪機，其中，所述葉片被配置為使得提升中心被定位在所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心的前方，以增加由所述葉片的提升在可轉(zhuǎn)動殼體上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述轉(zhuǎn)子的高度與直徑的比率被選擇為在期望的風況下實現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)速和發(fā)電量。6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述葉片中每一個相對于所述氣流偏導器的位置引起文丘里效應，從而增加并入每個葉片內(nèi)的提升表面的效率。7.如權(quán)利要求6所述的風力渦輪機，其中，所述氣流偏導器的尺寸是通過平衡選自加速氣流、寄生阻力和流體阻力的至少一個參數(shù)確定的。8.如權(quán)利要求7所述的風力渦輪機，其中，所述氣流偏導器的位置、形狀和比例被選擇為遮蔽或遮蓋最遠順風位置處的葉片。9.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述氣流偏導器具有圓形或彎曲表面。10.如權(quán)利要求9所述的風力渦輪機，其中，所述氣流偏導器是圓筒形。11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述葉片實現(xiàn)為在所述轉(zhuǎn)子的預定轉(zhuǎn)速下分離所述提升表面上的氣流，氣流分離引起制動作用以限制所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述葉片形成圍繞所述轉(zhuǎn)子的圓周的一部分的包圍。13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的風力渦輪機，其中，定子被設置或結(jié)合到所述轉(zhuǎn)子的所述底板內(nèi)。14.一種用于建筑物的發(fā)電裝置，包括如權(quán)利要求1至13中任一項所述的風力渦輪機，其中，所述風力渦輪機被設置在所述建筑物附近的安裝柱上。15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)電裝置，其中，所述風力渦輪機產(chǎn)生的最大噪聲小于110dB。16.如權(quán)利要求15所述的發(fā)電裝置，其中，所述風力渦輪機產(chǎn)生的最大噪聲小于30dB。全文摘要一種風力渦輪機，包括轉(zhuǎn)子(12)，其轉(zhuǎn)動軸線垂直延伸通過轉(zhuǎn)子(12)；多個葉片(18)，安裝于轉(zhuǎn)子以響應于氣流而驅(qū)動轉(zhuǎn)子(12)；以及氣流偏導器(30)，被定位為引導氣流通過轉(zhuǎn)子(12)，以增強所述風力渦輪機(10)的效率。氣流偏導器(30)位于相對于轉(zhuǎn)子(12)的轉(zhuǎn)動中心具有固定節(jié)距的葉片(18)的內(nèi)部。氣流偏導器(30)被定位為圍繞轉(zhuǎn)子(12)的轉(zhuǎn)動中心。葉片(18)以空氣動力學方式被配置為提供由轉(zhuǎn)子(12)和氣流偏導器(30)的氣流行為引起的提升。文檔編號F03D11/00GK101802392SQ200880022505公開日2010年8月11日申請日期2008年6月27日優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日發(fā)明者安東尼·格蘭·因特爾蘭迪,羅納德·艾倫·埃利斯申請人:Altaus有限公司