組合全方向流動的渦輪機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明介紹了一種有效地使得轉(zhuǎn)子在流體中輸出的功率最大的裝置。這種渦輪機(jī)使用與HAWT類似的轉(zhuǎn)子（2），但是布置成豎直位置，包圍在靜止擴(kuò)壓器中，該靜止擴(kuò)壓器有翻轉(zhuǎn)翼板的形狀。固定結(jié)構(gòu)（1）受到兩個組合流動的影響，從而提高了由轉(zhuǎn)子（2）產(chǎn)生的能量。轉(zhuǎn)子（2）與轉(zhuǎn)變機(jī)械能的元件連接，該元件集成在具有翻轉(zhuǎn)翼板氣動形狀的結(jié)構(gòu)（1）中。該系統(tǒng)沒有對風(fēng)的方向的定向機(jī)構(gòu)，因為它是完全全方向的，并只有一個可運動部件：具有葉片（3）的轉(zhuǎn)子（2）。渦輪機(jī)還可以包括在結(jié)構(gòu)（1）的上部部分中的邊緣（6）中的氣動偏轉(zhuǎn)器，并分成具有至少兩個氣動元件的多個元件（9）。本發(fā)明可用于小型發(fā)電的能量生產(chǎn)以及大型電系統(tǒng)。
【專利說明】組合全方向流動的渦輪機(jī)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量生產(chǎn)，特別是涉及一種設(shè)想為提高與風(fēng)能生產(chǎn)以及與其它流體(例如洋流和波浪)相關(guān)聯(lián)的效率水平的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]全方向翼型擴(kuò)壓器將流體引向中心豎直軸線渦輪機(jī)。流體將通過稱為Coanda效應(yīng)的效應(yīng)而附接在擴(kuò)壓器的表面上。該原理首先由Romanian Henri Coanda來介紹,是他首先認(rèn)識到該現(xiàn)象在飛機(jī)發(fā)展中的實際應(yīng)用。顛倒翼板(inverted wing)擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)具有與在低速下飛行的飛機(jī)或Fl后翼類似的性能。在所有這些情況下，翼板有較大攻角，因此在氣動型面的表面中可以采用例如渦流發(fā)生器、加板條和開槽邊緣等方案，以便防止稱為失速的脫離。在這種情況下，翼板并不為線性，而是型面徑向展開，并因此有相同性能(而不管風(fēng)的方向如何)。
[0003]風(fēng)速對于風(fēng)力渦輪機(jī)能夠轉(zhuǎn)變成電的能量大小極其重要。風(fēng)的能量能隨著平均風(fēng)速的立方而變化。當(dāng)風(fēng)速高至兩倍時，它包含8倍的能量。
[0004]擴(kuò)壓器的設(shè)計將由于它的翻轉(zhuǎn)翼板幾何形狀而促進(jìn)風(fēng)加速。這除了更快地開始產(chǎn)生能量，還能夠使得中心渦輪機(jī)達(dá)到更高旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生更多能量。
[0005]考慮到在EP226309中已經(jīng)公開的普通渦輪機(jī)的當(dāng)前缺點，下面公開的本發(fā)明有一種能量產(chǎn)生裝置，它:
[0006]1.有較低環(huán)境和視覺影響；
[0007]2.具有較高能量生產(chǎn)能力；
[0008]3.具有在低風(fēng)速、湍流風(fēng)和可變方向風(fēng)的情況(城市環(huán)境的典型特點)下工作的能力；
[0009]4.它沒有這樣的缺點，即具有可見的運動部件以及固有的遮陽和閃光效果；
[0010]5.產(chǎn)生較低噪音，從而能夠定位在人們和住宅附近。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明介紹了一種組合全方向流動的渦輪機(jī)系統(tǒng)，它包括以下元件:
[0012]轉(zhuǎn)子(2)，該轉(zhuǎn)子(2)與發(fā)電機(jī)或者轉(zhuǎn)變機(jī)械能的其它裝置(4)連接，該轉(zhuǎn)子集成在結(jié)構(gòu)(I)中，該結(jié)構(gòu)(I)具有翻轉(zhuǎn)翼板(I ；9)的氣動形狀；
[0013]轉(zhuǎn)子葉片(3);
[0014]機(jī)械支承結(jié)構(gòu)(12);
[0015]基礎(chǔ)附接元件或安裝柱(7 )。
[0016]關(guān)于可以用于翻轉(zhuǎn)徑向翼板(I ；9)的氣動形狀的氣動型面，該型面可以在以下區(qū)間內(nèi)變化:
[0017]厚度:1-20%，優(yōu)選是2-15%，更優(yōu)選是5-8% ；
[0018]拱形(弧高，camber):5%_25%，優(yōu)選是 8_15%，更優(yōu)選是 10-12% ；[0019]最大拱形(弧聞)點:1-8 ;優(yōu)選是2-7,更優(yōu)選是3-4。
[0020]氣動形狀可以根據(jù)美國國家航空咨詢委員會(NACA)的標(biāo)準(zhǔn)來介紹。
[0021]在本發(fā)明的實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片(3)有可變的角度和
/或節(jié)距。
[0022]在本發(fā)明的另一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的安裝柱(7)包括翻轉(zhuǎn)翼板的附加形狀。
[0023]在本發(fā)明的還一實施例中，將組合全方向流動的渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)(I)分成多個元件(9)，該多個元件(9)有至少兩個氣動元件。
[0024]在本發(fā)明的一個實施例中，組合全方向流動的渦輪包括邊緣形狀的氣動偏轉(zhuǎn)器(6),該氣動偏轉(zhuǎn)器(6)在結(jié)構(gòu)(I)的上部部分中。
[0025]在本發(fā)明的另一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)包括在結(jié)構(gòu)(I ；9)的表面上的渦流發(fā)生器和/或有紋理區(qū)域。
[0026]在本發(fā)明的還一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(2)有電子或機(jī)械顯示器，用于自動控制葉片(3)的角度。
[0027]在本發(fā)明的一個實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片(3)由復(fù)合材料、鎂合金或注射聚合物來制造。
[0028]在本發(fā)明的另一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)使用從HAVAC系統(tǒng)開始的二次流。
[0029]在本發(fā)明的還一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)或轉(zhuǎn)變機(jī)械能的其它裝置(4)布置在渦輪機(jī)的中心處或在地面高度，并通過軸來保證傳動。
[0030]在本發(fā)明的一個實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)(I ；9)的外表面覆蓋有光電池。
[0031]在本發(fā)明的另一實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的安裝柱(7)具有附加擴(kuò)壓器。
[0032]在本發(fā)明的還一個實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)(I)的外表面進(jìn)行
繪圖覆蓋。
[0033]在本發(fā)明的一個實施例中，組合全方向流動的渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)(I)由金屬材料、聚合物材料、復(fù)合材料、混凝土或織物材料來制造。
[0034]本發(fā)明的目的還在于在地面、在海洋中通過漂浮裝置和在水下使用該組合全方向流動的渦輪機(jī)。
[0035]本發(fā)明介紹了一種有效渦輪，它能夠通過轉(zhuǎn)子而在流體中取得最大能量。這種渦輪機(jī)使用轉(zhuǎn)子(2)，該轉(zhuǎn)子(2)與普通渦輪類似，具有水平軸線，但是布置成豎直位置，插入具有翻轉(zhuǎn)翼板形狀的靜止擴(kuò)壓器中。固定的結(jié)構(gòu)(I)受到2個組合流動的影響，從而提高由轉(zhuǎn)子(2)產(chǎn)生的能量。
[0036]轉(zhuǎn)子(2)附接在用于轉(zhuǎn)變機(jī)械能的元件上，該元件集成在具有翻轉(zhuǎn)翼板氣動形狀的結(jié)構(gòu)(I)中。系統(tǒng)沒有對風(fēng)的方向的定向機(jī)構(gòu)，因為它是完全全方向的，并只有一個運動部分:具有葉片(3)的轉(zhuǎn)子(2)。渦輪機(jī)還可以包括在結(jié)構(gòu)(I)的上部部分中的、具有邊緣
(6)的氣動偏轉(zhuǎn)器。
[0037]本發(fā)明可用于能量生產(chǎn)行業(yè)(即小型發(fā)電)以及大型電力系統(tǒng)。[0038]這里所述的本發(fā)明包括固定結(jié)構(gòu)，該固定結(jié)構(gòu)有擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器具有翻轉(zhuǎn)翼板形狀，它引導(dǎo)來自任意方向(全方向)的流體(即風(fēng))，并將流體引導(dǎo)/加速至位于擴(kuò)壓器中心的豎直軸線轉(zhuǎn)子。而且，轉(zhuǎn)子自身不必像水平軸線渦輪機(jī)的情況那樣與流體的方向?qū)R。
[0039]裝置通過兩個組合流動來操作:下部流動和上部流動。在下部流動中，流體沿升高方向朝著中心渦輪機(jī)引導(dǎo)，而不管它的方向如何。由于氣動型面，流動在1.4x和1.Sx之間的區(qū)間中加速，從而構(gòu)成下部流動速度。這時，該流動經(jīng)過轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子消耗它的一部分動能。上部流動經(jīng)過裝置的上部區(qū)域，并使得它自身與下部流動組合，從而在渦輪機(jī)中引起吸入效應(yīng)(由于該低壓區(qū)域)。
[0040]由于上部和下部流動的這種組合，影響渦輪機(jī)的區(qū)域大于轉(zhuǎn)子的區(qū)域。對于在本領(lǐng)域中已知的任意其它渦輪機(jī)模式，這種情況不會發(fā)生。
[0041]由于兩種流動的組合的這種影響，機(jī)械能比率可以達(dá)到高于0.593的值，這使得該轉(zhuǎn)子不會有確定在由BETZ表示的流動中可抽取功率的上限的相同情況。
[0042]為了提高下部流動和防止它與表面分離，可以將結(jié)構(gòu)分成氣動型面的多個元件
(9)，即分成2、3或4個元件(見圖2、3、6)。而且，在內(nèi)表面中發(fā)展湍流可以有防止流動分離的正面效果，因此可以使用在表面上的渦流發(fā)生器和/或有紋理的區(qū)域，例如類似于在高爾夫球中的凸紋。
[0043]由于它的幾何形狀，這里提出的裝置促進(jìn)了流動的加速，優(yōu)選是在中心渦輪的葉片的尖端區(qū)域，該葉片尖端區(qū)域作為該因素的結(jié)果有更高力矩。這使得更小的渦輪機(jī)能夠有比普通渦輪機(jī)更高的性能，從而提高了效率。
[0044]因為渦輪機(jī)有更小直徑，因此葉片的尺寸將更小，這降低了制造成本，并且不僅能夠使用高性能材料，例如復(fù)合材料和鎂合金，還能夠使用高生產(chǎn)率和低成本的材料，例如注射聚合物。
[0045]因為渦輪機(jī)處于水平中心位置，且它不需要與風(fēng)的方向?qū)R，因此該裝置能夠利用來自HVAC (加熱、通風(fēng)和空調(diào))系統(tǒng)的二次流，例如強(qiáng)制空氣吸入、通風(fēng)、空調(diào)等。因此能夠進(jìn)行同時發(fā)熱發(fā)電工作，從而回收用于驅(qū)動這些裝置的一些能量。
[0046]因為沒有對風(fēng)的方向定向的機(jī)構(gòu)，因此機(jī)械部件最簡單，且最容易維護(hù)。發(fā)電機(jī)可以布置在渦輪機(jī)的中心或者在地面高度，用于更容易維護(hù)。在后一種情況下，轉(zhuǎn)子應(yīng)當(dāng)通過軸而與地上的發(fā)電機(jī)連接。
[0047]考慮到葉片尖端沒有任何障礙物，例如塔，且全部轉(zhuǎn)子都由擴(kuò)壓器保護(hù)，因此由裝置發(fā)出的噪音低得多，這有降低發(fā)出噪音的優(yōu)點，從而也能夠以更高轉(zhuǎn)速地操作該轉(zhuǎn)子。更高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)需要更少的永磁體，這使得發(fā)電機(jī)更便宜。
[0048]整個結(jié)構(gòu)可根據(jù)可用區(qū)域和需求來縮放，且結(jié)構(gòu)能夠分為多個部分，以便簡化運輸和裝配。
[0049]該結(jié)構(gòu)的外表面能夠由光電池來覆蓋，從而有效使用固定表面，且能量生產(chǎn)最大化。
[0050]本發(fā)明還能夠通過漂浮裝置而安裝在海上，以便開發(fā)海上風(fēng)，還能夠布置在水下，并開發(fā)洋流和波浪。
[0051]支承柱可以容納附加的擴(kuò)壓器，以便在某些情況之前平衡系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)可以在某些條件下進(jìn)行氣動類型的校正。[0052]擴(kuò)壓器的外表面可以進(jìn)行繪圖裝飾。因此，該裝置可以用于傳達(dá)信息和用于廣告目的。
[0053]典型小型設(shè)備的實例:
[0054]渦輪機(jī):1.70m直徑
[0055]額定功率(風(fēng)):在11.0m/s下1.08kff (60%效率)
[0056]最大功率(風(fēng)):在15.0m/s 下 2.0Okff
[0057]年風(fēng)能生產(chǎn)(估計):2190kW/年+
[0058]光太陽能電池年生產(chǎn):2890kW/年(風(fēng)+太陽能)
[0059]減少普通住宅70%的能量賬單或者高效現(xiàn)代住宅的100%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0060]為了更容易理解本發(fā)明，我們加上了附圖，該附圖表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但并不是為了用于限制本發(fā)明的目的。
[0061]圖1是本發(fā)明的裝置的示意等距視圖-結(jié)構(gòu)的選擇為具有翻轉(zhuǎn)翼板的形狀的單個氣動元件。在該圖中包括以下元件:
[0062]1-結(jié)構(gòu)；
[0063]2-中心轉(zhuǎn)子；
[0064]3-轉(zhuǎn)子葉片；
[0065]6-邊緣
[0066]圖2是本發(fā)明的裝置的示意等距視圖-結(jié)構(gòu)的選擇為具有成翻轉(zhuǎn)翼板形狀的兩個氣動元件。在該圖中包括以下元件:
[0067]1-結(jié)構(gòu)；
[0068]2-中心轉(zhuǎn)子；
[0069]3-轉(zhuǎn)子葉片；
[0070]6-邊緣
[0071]9-多個氣動元件。
[0072]圖3是具有兩個多元件的裝置的示意側(cè)視圖。在該圖中包括以下元件:
[0073]1-結(jié)構(gòu)；
[0074]2-中心轉(zhuǎn)子；
[0075]4-用于轉(zhuǎn)變機(jī)械能的元件，即發(fā)電機(jī)；
[0076]5-下部流動；
[0077]6-邊緣；
[0078]7-安裝柱；
[0079]9-多個氣動元件；
[0080]12-支承結(jié)構(gòu)。
[0081]圖4是通過該裝置的流動的示意側(cè)視圖。在該圖中包括以下元件:
[0082]1-結(jié)構(gòu)；
[0083]5-下部流動；
[0084]6-邊緣；[0085]10-渦旋；
[0086]11-上部流動。
[0087]圖5是3米裝置的優(yōu)選實施例的示意側(cè)視圖，其中:
[0088]第一翼板的角度可以在54° ±15°之間變化，尺寸在0.7m±0.5m之間；
[0089]第二翼板的角度可以在21° ±5°之間變化，尺寸在0.7m±0.5m之間；
[0090]轉(zhuǎn)子的尺寸在0.55m± 0.2m之間變化；
[0091]偏轉(zhuǎn)器的尺寸在0.15m+(0.3m ；-0.15m)之間。
[0092]圖6是具有1、2、3個元件的翻轉(zhuǎn)翼板的多個氣動元件的可能布置的示意側(cè)視圖，這些元件可以在另一方面看見它們的角度變化。
【具體實施方式】
[0093]下面將參考附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0094]本發(fā)明的裝置包括固定的翻轉(zhuǎn)翼板結(jié)構(gòu)(1)，具有暴露于流動中的較大面積。該固定結(jié)構(gòu)還能夠分成至少兩個或更多個氣動元件，即多個元件(9)，以便提高它的性能。氣動元件還能夠有狹槽和板條，以便保證提高流動附著和防止在翼板中失速。
[0095]本發(fā)明裝置通過兩個組合流動來操作，如圖4中所示，即下部流動(5)和上部流動(11)。
[0096]在上部流動(11)中，不管風(fēng)在該結(jié)構(gòu)中的入射角度如何，流體都附著在氣動型面(I ；9)的表面上，并向上引向中心轉(zhuǎn)子(2)的葉片(3)的尖端?？諝庠谒咏行霓D(zhuǎn)子(2)時通過翻轉(zhuǎn)翼板的形狀而加速。
[0097]轉(zhuǎn)子(2)布置在擴(kuò)壓器的中心，該擴(kuò)壓器由支承結(jié)構(gòu)(12)支承，并通過安裝柱(7)而固定在地面上。
[0098]組合流動由上部和下部流動的組合而引起。在結(jié)構(gòu)的頂部有氣動邊緣偏轉(zhuǎn)器(6)，該偏轉(zhuǎn)器(6)產(chǎn)生渦流(10)，在另一方面，該渦流(10)產(chǎn)生在中心轉(zhuǎn)子(2)上面的低壓區(qū)域，這提高了排出流動(11)的速度。
[0099]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的裝置能夠使用氣動元件來提高性能和最小化由于將流動導(dǎo)向中心渦輪(2 ;3)而引起的損失，從而能夠使用在結(jié)構(gòu)(I ;9)的表面中的渦流發(fā)生器和/或有紋理表面，以便最大化流體附著，還能夠使用在中心安裝柱中的附加氣動型面。
[0100]中心轉(zhuǎn)子(2 )能夠使用可變節(jié)距的葉片(3 )。通過這樣使用，系統(tǒng)自動優(yōu)化用于確定風(fēng)速和中心轉(zhuǎn)子(2)旋轉(zhuǎn)的生產(chǎn)功率。
[0101]顯然，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中使用的中心轉(zhuǎn)子(2)可以采取不同的氣動型面，且葉片(3)的數(shù)目可以變化，以便獲得用于特殊用途的更好結(jié)果，即2、3、4、5、6、7、8、9個葉片以
及雙重轉(zhuǎn)子。
[0102]該結(jié)構(gòu)(I)可以制成為具有不同形狀的氣動型面。因此，與接近流動相關(guān)的形狀和攻角可以變化。同樣，也可選擇，相同發(fā)明能夠設(shè)想為空氣進(jìn)口能夠分別沿下降方向引導(dǎo)流動。
[0103]該結(jié)構(gòu)能夠制造成金屬(例如鋼、鋁)或者玻璃纖維復(fù)合材料的固體形式。該結(jié)構(gòu)也能夠由增強(qiáng)建筑材料來制造，例如混凝土，該混凝土能夠用于更大規(guī)模，或者用于環(huán)境例如水中。該結(jié)構(gòu)還能夠制造成有柔性材料，例如帆，或者翼板，該翼板的形狀由多個部分制成和由耐久性薄膜來覆蓋。這種方法的優(yōu)點是有非常小的重量，并能夠?qū)τ谝欢ㄒ?guī)模的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上更可行。
[0104]上述優(yōu)選實施例顯然可在它們自身之間組合。下面的權(quán)利要求另外確定了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
【權(quán)利要求】
1.組合全方向流動的渦輪機(jī)，包括以下元件: 至少一個轉(zhuǎn)子(2)，該轉(zhuǎn)子(2)有葉片(3)，該轉(zhuǎn)子(2)附接在將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的元件(4)上； 所述轉(zhuǎn)子集成在固定結(jié)構(gòu)(1、9)中，該固定結(jié)構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)徑向翼板的氣動形狀； 轉(zhuǎn)子(2)的機(jī)械支承結(jié)構(gòu)(12)； 將渦輪附接在基部上的附接元件(7)。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:所述固定結(jié)構(gòu)(I)分成具有翻轉(zhuǎn)翼板氣動形狀的至少兩個多元件(9)，優(yōu)選是有3或4個該元件。
3.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，還包括:在結(jié)構(gòu)的上部部分中的邊緣(6)中的氣動偏轉(zhuǎn)器。
4.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的轉(zhuǎn)變元件是發(fā)電機(jī)。
5.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，轉(zhuǎn)子葉片(3)有可變的角度和/或節(jié)距。
6.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，還包括:在結(jié)構(gòu)(I；9)的內(nèi)表面中的渦流發(fā)生器和/或具有紋理的區(qū)域。
7.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:轉(zhuǎn)子(2)包括用于自動控制葉片(3)的角度的電或機(jī)械裝置。
8.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:轉(zhuǎn)子葉片(3)包括復(fù)合材料、鎂合金或者注射聚合物。
9.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，它利用來自HVAC系統(tǒng)的二次流動。
10.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:能量轉(zhuǎn)變元件(4)布置在渦輪機(jī)的中心或在地面高度。
11.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:結(jié)構(gòu)(I;9)的外表面覆蓋有光電池。
12.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:安裝柱(7)有附加的擴(kuò)壓器。
13.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:將結(jié)構(gòu)(I)的外表面進(jìn)行繪圖覆至JHL ο
14.根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中:結(jié)構(gòu)(I)包括金屬材料、復(fù)合材料、混凝土或織物材料。
【文檔編號】F03D1/04GK103890381SQ201280046761
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月26日
【發(fā)明者】安東尼·奧佩德羅·德坎波斯魯奧達(dá)庫尼亞 申請人:安東尼·奧佩德羅·德坎波斯魯奧達(dá)庫尼亞