專利名稱：風(fēng)力渦輪機引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明者研究了現(xiàn)有技術(shù)中螺旋槳型的風(fēng)力渦輪機。顯然，可以做出某些改進以利用來自風(fēng)力的給定截面的穿過螺旋槳葉片的更高比例的能量?；诒景l(fā)明者已知的物理學(xué)和空氣動力學(xué)的原理，一些重要的可能性和可選項是明顯的?，F(xiàn)在對于環(huán)境上清潔能源產(chǎn)品的需求逐步增長。包括修復(fù)天氣對郊區(qū)和鄉(xiāng)下電力分配系統(tǒng)的損害的維護成本已經(jīng)達到了使得這樣的系統(tǒng)不再有利的程度。這種情形現(xiàn)在提供了針對本發(fā)明的以及開發(fā)更有效和本地化的從50千瓦到1百萬瓦的風(fēng)力發(fā)電的足夠的誘因。
背景技術(shù)：
本發(fā)明者得出結(jié)論，成功地實現(xiàn)下列目的將導(dǎo)致開發(fā)一種效率非常高的新型風(fēng)力發(fā)電單元。
首先，處理以下問題獲取和利用現(xiàn)有技術(shù)中螺旋槳葉片系統(tǒng)的半徑長度的內(nèi)50％通常所不能捕獲的風(fēng)能。
第二，制造風(fēng)力發(fā)電單元，以從更寬范圍的風(fēng)速中更有效地利用可用級別的能量。
第三，制造能夠從風(fēng)力中最大比例地獲取能量的風(fēng)力發(fā)電單元。換言之，我們能否建立一種與蒸汽或燃?xì)鉁u輪機一樣有效的風(fēng)力發(fā)電單元？第四，設(shè)計并建造一種風(fēng)力發(fā)電單元，其對周圍環(huán)境影響更小或幾乎沒有影響，或者是兩者的結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中已有的螺旋槳渦輪機風(fēng)力發(fā)電單元不會從這些單元限定的風(fēng)力截面中利用非常高比例的能量。三葉片螺旋槳不會利用太多能量?，F(xiàn)有技術(shù)中的具有大量葉片的裝置可能在較小尺寸的系統(tǒng)范圍內(nèi)有一些改進。螺旋槳驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的半徑的內(nèi)50％不會利用所處理的風(fēng)力截面中太多的能量。
利用螺旋槳葉片從軸心開始的內(nèi)50％的最可行的解決方案是有效地阻塞該區(qū)域，并由在該阻塞區(qū)域外徑向延伸的渦輪機葉片使用被重新引導(dǎo)的能量。
本發(fā)明在優(yōu)選的實施方式中的采用了球頭裝置，此后稱為在前方的“加速球(speedball)”，該裝置覆蓋從渦輪機葉片的軸心到其外端的半徑的多于50％的部分。加速球增大了重新引導(dǎo)的風(fēng)力的速度，以更完全地利用更大數(shù)目的短渦輪機葉片。
理論上，風(fēng)速隨著來風(fēng)圍繞半球形的加速球彎曲而增加的值等于球頭周長的1/4除以其到中心點的半徑，并且該數(shù)字等于1.57～1。其重要性在于在給定的風(fēng)速下在移動的空氣團中可用的動能是三次函數(shù)。這意味著，扣除阻力因素后，凈風(fēng)速增加46％，正如最近由本發(fā)明的工程師證實的那樣。由此得到可用動能的瓦特數(shù)增加為1.46的三次方，或約為311％。
本發(fā)明者將可用能量的增加稱為“動能增益”?，F(xiàn)在的用于計算每平方米運動的空氣的瓦特數(shù)的數(shù)學(xué)方程使用在指定的高度和溫度下每立方米空氣的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量或重量。確定每平方米運動的空氣團中可用的瓦特數(shù)的整個數(shù)學(xué)方程不涉及壓縮，正如美國風(fēng)能協(xié)會所更具體地解釋的那樣。然而，本發(fā)明者清楚地意識到，迎面而來的空氣團的任何壓縮將會增加其每立方米的重量，以向每平方米可用瓦特數(shù)提供進一步的增益，并且該進一步的增益也將是一個三次函數(shù)。增加壓縮的優(yōu)點的例子是，壓縮系數(shù)增加25％，每平方米可用瓦特數(shù)成為1.25的三次方，即總共為1.953。因此，在每平方米上可用瓦特數(shù)我們另外具有95％的增加。本發(fā)明者還將這種每平方米可用動能增加的方法稱為“動能增益”。
現(xiàn)有技術(shù)中的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)易于受限于風(fēng)速的范圍，在該范圍內(nèi)可使用風(fēng)能中有用的量。球頭裝置增加風(fēng)速，其中風(fēng)從半徑中心的內(nèi)50％被重新引導(dǎo)到至渦輪機轉(zhuǎn)子和葉片組件的葉片末端的范圍內(nèi)，但是更快移動的風(fēng)傾向于僅利用渦輪機轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑部分。為使得流經(jīng)包含多葉片渦輪機轉(zhuǎn)子的操作孔的風(fēng)平均化，使用復(fù)合曲線進風(fēng)口裝置來朝向所述更短的和更多渦輪機葉片向內(nèi)帶入大量的來風(fēng)。該環(huán)形圈通氣口還設(shè)計有面向內(nèi)的翼型裝置，該裝置增加了所捕獲的風(fēng)的速度，以得到與借助所述球頭所實現(xiàn)的同樣的效果?？傮w目標(biāo)是增加進入的風(fēng)速，然后使更快移動的風(fēng)均勻地到達包含更多數(shù)目的短渦輪機葉片的孔。所述進風(fēng)口的另一優(yōu)點是其捕獲放大量的來風(fēng)，從而產(chǎn)生壓縮，增加風(fēng)柱到達渦輪機葉片時的質(zhì)量或重量，增加到達渦輪機葉片的動能的瓦特數(shù)。通過從所述進風(fēng)口的前外側(cè)邊緣向后延伸的長度延長的外周翼型、以及在渦輪機轉(zhuǎn)子和葉片組件后方并在后部之前的向外擴張部的組合形式，實現(xiàn)更低的壓力或排真空狀態(tài)。
提供一種風(fēng)力渦輪機引擎，其在入口處增壓，更高速度和壓縮的氣團進入該渦輪機轉(zhuǎn)子和葉片的圓柱形殼體內(nèi)，其所有的葉片合適地利用以產(chǎn)生最大的扭矩。
隨后是壓力連續(xù)降低的排出區(qū)域，在渦輪機轉(zhuǎn)子和葉片組件后部?，F(xiàn)在，渦輪機引擎所有的基本的品質(zhì)都在該實施方式中表示出。在該風(fēng)力渦輪機引擎的具體例子中，其渦輪機葉片將具有葉片節(jié)距控制。在現(xiàn)有技術(shù)的三葉片風(fēng)力渦輪機中，其葉片制造為利用氣動升力，該風(fēng)力渦輪機引擎的短葉片必須構(gòu)造為利用更多的直接的轉(zhuǎn)矩。葉片節(jié)距控制在本實施方式中是關(guān)鍵的，以最有效地利用全范圍的風(fēng)速，以及用于在風(fēng)速過高時將渦輪機葉片設(shè)定為全開的中性位置，并且在此位置，葉片更直接地由氣動升力驅(qū)動，并繼續(xù)產(chǎn)生電能。
現(xiàn)在很容易明白的是，現(xiàn)在我們涉及到這樣一種情形效率得到很大提高，與現(xiàn)有技術(shù)中的風(fēng)力渦輪機相比，風(fēng)力渦輪機引擎尺寸將非常小，而且其產(chǎn)出潛力更大。
由此發(fā)明，為本領(lǐng)域中的工程師和其他技術(shù)人員提供一種新構(gòu)思。通常的情形是，將會產(chǎn)生大量的改進，此時本發(fā)明的未來形式將利用絕對最大量的風(fēng)能。
盡管該優(yōu)選實施方式主要是指用來在50千瓦到1百萬瓦的范圍內(nèi)運行的風(fēng)能發(fā)電設(shè)備，但是本發(fā)明者現(xiàn)在看到其向上的產(chǎn)出潛力為5百萬瓦。本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)將三葉片螺旋槳系統(tǒng)擴展為其最大風(fēng)力渦輪機具有2.5百萬瓦的產(chǎn)出潛力。
本發(fā)明將來的放大形式應(yīng)當(dāng)能達到該數(shù)值，并最終可能是其2倍。
本發(fā)明者預(yù)見到本發(fā)明的特定實施方式在水力發(fā)電和驅(qū)動應(yīng)用中的一些潛在的使用，并且還可能在高效率空氣循環(huán)風(fēng)扇系統(tǒng)中使用。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的局部剖視圖，其安裝在其支撐塔臺的可轉(zhuǎn)動的頂部上，具有渦輪機轉(zhuǎn)子和12個渦輪機葉片，并且其進風(fēng)口截面剖開，以顯示轉(zhuǎn)子和渦輪機葉片。機械性質(zhì)的其它細(xì)節(jié)，是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，不需要示出以解釋本發(fā)明的關(guān)鍵原理、細(xì)節(jié)和新穎性。
圖2是同一風(fēng)力渦輪機引擎實施方式的前視圖，其安裝在其可轉(zhuǎn)動的塔頂，示出其風(fēng)力捕獲面、進風(fēng)口、渦輪機葉片和用于進風(fēng)口和中心軸及驅(qū)動系統(tǒng)的翼型覆蓋的支撐及加強構(gòu)件。
圖3是直接從后方觀察的同一風(fēng)力渦輪機引擎的后視圖，其安裝在其塔架頂部。
圖4是直接從側(cè)部觀察的風(fēng)力渦輪機的側(cè)視圖，其安裝在其塔架頂部，(外觀類似于噴氣式渦輪機引擎)大部分都被遮蓋住，或者由其進風(fēng)口的延伸的翼型形狀和通流殼體組件密封住。
圖5是三行葉片系統(tǒng)的示意圖，其可用于渦輪機轉(zhuǎn)子，并且分別在通流和渦輪驅(qū)動腔室內(nèi)，具有一圈12個穩(wěn)定器葉片，這些穩(wěn)定器葉片牢固地安裝到通流和渦輪驅(qū)動腔室的內(nèi)表面上，該腔室位于靠近的兩行風(fēng)力驅(qū)動的渦輪機葉片之間，渦輪機葉片安裝并固定到單個渦輪機轉(zhuǎn)子上。當(dāng)該穩(wěn)定器葉片被正確地成型和制造時，其用于減緩?fù)牧鞑⑹乖撏牧髌交⒖商岣咝省?br> 具體實施例方式
通過前面的描述，從本公開文獻和說明書的描述并參考附圖，這些其它以及進一步的目的、優(yōu)點或新特征可能變得非常明顯，本發(fā)明由創(chuàng)新的構(gòu)思組成，該構(gòu)思包括、體現(xiàn)在包含或含有的這樣的構(gòu)思的各個具體的實施方式中，其中圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的局部剖視側(cè)視圖，其安裝在其支撐塔臺的可轉(zhuǎn)動的頂部上，提供進風(fēng)口和通流殼體組件1、體現(xiàn)為S曲線的速度增加表面1a、通流和渦輪驅(qū)動腔室區(qū)域表面1b、向后擴展的排出通道表面1c、和外部翼型彎曲表面1d，以將匯聚的空氣流提供給增大的排出引導(dǎo)部分(exhaust induction)。然后提供半球風(fēng)力位移和速度頭2、徑向地安裝的翼型前端結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件3，用于進風(fēng)口和通流殼體組件1，并且還支撐封裝的軸/驅(qū)動軸(未示出)的前端，然后提供渦輪機葉片4，其安裝在渦輪機轉(zhuǎn)子5上，然后提供殼體6，該殼體用于軸/驅(qū)動軸、機械和電子發(fā)電機部件，隨后是后部結(jié)構(gòu)支撐及加強部件7、用于整個風(fēng)力渦輪機引擎的可轉(zhuǎn)動的支撐臺8，該支撐臺沿著其殼體及結(jié)構(gòu)支撐件，安裝并且套入支撐塔9的頂端。
至于功能性的解釋，為了實現(xiàn)最佳的風(fēng)力渦輪機引擎性能，作為推薦，我們現(xiàn)在討論進風(fēng)口和通流殼體組件1，其速度增加S曲線向前突出的內(nèi)部表面1a設(shè)計成對進入的風(fēng)基本上提供相同量的速度增加，正如由風(fēng)力位移和速度頭2所提供的那樣。進風(fēng)口和通流殼體組件1的內(nèi)表面和風(fēng)力位移和速度頭2的外徑可以分隔開或分離開一個理想的水平，其中實現(xiàn)進入的氣團可接受的壓縮量，而不會顯著地減慢所述進入的氣團。這是重要的，因為在實現(xiàn)最大的壓縮、限制通過的風(fēng)速降低或最終使一些進入的氣團流出之間存在一個該分隔距離的徑向長度的平衡點。渦輪機葉片4可能無法足夠快地處理過度壓縮空氣團，以借助所述的渦輪機葉片4來保持最大能量獲取級別所必需的流動的平滑。如果未能仔細(xì)地應(yīng)用上述平衡過程，由速度增加和壓縮所提供的最佳的可用能量增益比率將不會實現(xiàn)，該最佳比率確保了在寬的風(fēng)速范圍內(nèi)的最高能量獲得級別。
接著再進行進一步的評述，風(fēng)力渦輪機引擎的渦輪機葉片將被放置、包含或定位在從軸心到這些葉片末端的半徑的外50％內(nèi)。這將與前面的平衡過程相比在某種程度上有些變化。吸入體積、速度增加及壓縮的合適地平衡的系統(tǒng)是最重要的考慮因素，并將在每平方米上利用最多的能量。
圖2是同一風(fēng)力渦輪機引擎實施方式的前視圖，其中提供一種進風(fēng)口和通流殼體組件特征的無遮擋的直接的前視圖，即S曲線的進風(fēng)口表面1a和外部翼型表面1d，然后是加速球風(fēng)力位移和速度頭2、前端結(jié)構(gòu)支撐和加強構(gòu)件3、渦輪機葉片4、殼體6、可轉(zhuǎn)動的支撐臺8、和支撐塔的靜止頂端9。我們看到，這里非常類似于噴氣式渦輪機引擎的前視圖，正如在大型客用噴氣式飛機上可能觀察到的那樣。
圖3是同一風(fēng)力渦輪機引擎實施方式的后視圖，這里我們得到進風(fēng)口和通流殼體組件特征的無遮擋的直接的后視圖，內(nèi)嵌的向后擴展的排出通道表面1c、和外部翼型彎曲表面1d，然后是前端結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件3、渦輪機葉片4、殼體6、后部結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件7、可轉(zhuǎn)動的支撐臺8，該支撐臺8安裝在支撐塔9的頂端。
圖4是該風(fēng)力渦輪機引擎的無遮擋側(cè)視圖，其中有進風(fēng)口和通流殼體組件外部翼型表面1d、殼體6、后部結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件7，然后是可轉(zhuǎn)動的支撐臺8，該支撐臺8安裝在支撐塔9的頂端。
圖5是本發(fā)明第二優(yōu)選實施方式的局部剖視側(cè)視圖，其具有兩行12個渦輪機轉(zhuǎn)子葉片4和11，其安裝在向后延伸的驅(qū)動轉(zhuǎn)子5上，其中所述兩行渦輪機葉片在所述向后延伸的驅(qū)動轉(zhuǎn)子5上隔開一定距離，以正確地定位12個流動穩(wěn)定器葉片10的固定的靜止的非轉(zhuǎn)動圈組件，在所述穩(wěn)定器葉片組件10和兩行渦輪機葉片4和11之間具有足夠的間隙，并且所述12個流動穩(wěn)定器葉片的非轉(zhuǎn)動圈附連或穩(wěn)固地安裝到延伸的通流和渦輪驅(qū)動區(qū)域表面1b的內(nèi)周。對于兩行渦輪機葉片4和11的放置不是太關(guān)鍵的所有其它元件以及流動穩(wěn)定器葉片10放置在所述兩行渦輪機葉片之間，并放置在向后延伸的轉(zhuǎn)子5上，所有這些元件全部編號并分別在圖1、2和3中進行描述和解釋。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機引擎。
2.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有驅(qū)動轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子位于內(nèi)嵌的通流殼體及控制腔室內(nèi)，確保最大量的風(fēng)通過量必須驅(qū)動其渦輪機轉(zhuǎn)子葉片。
3.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有轉(zhuǎn)子葉片，該轉(zhuǎn)子葉片位于從軸心到轉(zhuǎn)子葉片的末端的半徑的外半部，并且其朝向其轉(zhuǎn)子葉片重新引導(dǎo)所有由轉(zhuǎn)子的其余部分阻塞的進入的風(fēng)通過量。
4.一種風(fēng)力渦輪機引擎，在其前部入口區(qū)域中、從驅(qū)動軸心到渦輪機葉片的外部末端的半徑的內(nèi)50％或更多，由向前延伸或突出的半球頭阻塞，這使得進入的風(fēng)加速并繞著所述半球頭被重新引導(dǎo)，將進入的風(fēng)引導(dǎo)到其必須達到的地方并穿過該渦輪機葉片以產(chǎn)生有用的電力。
5.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有通到外部的前部孔，其將進入的風(fēng)誘導(dǎo)、加速、壓縮并重新引導(dǎo)到該渦輪機轉(zhuǎn)子及葉片組件的前部入口孔。
6.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有內(nèi)嵌的風(fēng)通流殼體及控制腔室，其內(nèi)周靠近該轉(zhuǎn)子葉片的外部末端，與蒸汽或燃?xì)鉁u輪機引擎極其相同。
7.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有下列特征放大或增壓的入口，風(fēng)速增加、壓縮的功能，裝在受控的緊密環(huán)繞的腔室內(nèi)的渦輪機葉片，隨后是低壓的排出區(qū)域，與蒸汽或燃?xì)鉁u輪機引擎極其相同。
8.一種風(fēng)力渦輪機引擎，其具有蒸汽或燃?xì)鉁u輪機除了加熱以外的所有基本功能。
全文摘要
一種風(fēng)力渦輪機引擎，其包括放置在外部殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉片和位于該轉(zhuǎn)子葉片前方的半球頭，該半球頭阻塞該轉(zhuǎn)子葉片的半徑的內(nèi)50％，該殼體和頭形成加速腔室，其中進入的風(fēng)加速并繞著該頭被重新引導(dǎo)，然后加速的風(fēng)轉(zhuǎn)動風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片以發(fā)電。
文檔編號F03D11/00GK1934353SQ200480042131
公開日2007年3月21日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者布德·T·J·約翰遜 申請人:恩偉紳公司