專利名稱：具有分段式桶形轉(zhuǎn)子的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)和分段式轉(zhuǎn)子。更具體地，本發(fā)明涉及一種由風(fēng)能 通過分段式轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的并且能應(yīng)用于諸如個(gè)人住宅裝置的小型裝置中的發(fā) 電機(jī)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力或者風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的發(fā)電設(shè)備是可再生電能的重要來源。 一些風(fēng)力發(fā) 電設(shè)備是水平對(duì)齊的、安裝在高的桅桿上并且類似于大型的裝有推進(jìn)器的 航空器發(fā)動(dòng)才幾，另一些風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是垂直對(duì)齊的并設(shè)有兩個(gè)或更多細(xì)長(zhǎng) 的垂直帆狀轉(zhuǎn)子。本發(fā)明涉及后一組。盡管對(duì)于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)型 垂直轉(zhuǎn)子已經(jīng)提出或使用了許多設(shè)計(jì)，但是極少使用桶形拖拽式轉(zhuǎn)子。通 常認(rèn)為，提升型轉(zhuǎn)子對(duì)于大型設(shè)備更有效，而桶形轉(zhuǎn)子主要應(yīng)用于小型設(shè)
備。參見例如Hayashi等的JSME Int'l. J.,序列B: 48 (1)， 9-16 (2005)。
在最基本的構(gòu)型中，桶形轉(zhuǎn)子具有S形的橫截面并由"成對(duì)葉片"組 成，所述成對(duì)葉片包括兩個(gè)在其間具有小部分重疊的垂直葉片。所述成對(duì) 葉片是整體式的并安裝在中心垂直軸上。 一個(gè)制造商已經(jīng)在銷售這種用于 小型住宅發(fā)電的、具有包含整體式成對(duì)葉片的桶形轉(zhuǎn)子的商用設(shè)備。該制 造商也已商品化了更小尺寸的類似設(shè)備，其用作對(duì)諸如緊急燈塔和小船照 明的小型i殳備的電池的充電器。這些設(shè)備通常需要在轉(zhuǎn)子的頂部和底部的 軸支承。在所有這些設(shè)計(jì)中，成對(duì)葉片中的每個(gè)葉片也是整體式結(jié)構(gòu)。
桶形轉(zhuǎn)子也可具有兩個(gè)以上的相互連接的葉片，例如參見Grinspan 等的"PROC. OF 28TH NAT，L， CONF. ON FLUID MECHANICS AND FLUID POWER, pp. 428-431 (Chandigarh, India: 2001)，，。對(duì)于本發(fā)明的目的而言，葉片的數(shù)目不是關(guān)鍵，兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)葉片(兩個(gè) 或三個(gè)葉片是最實(shí)際的)均考慮包含于本發(fā)明內(nèi)。從而，在此所使用的術(shù) 語(yǔ)"成對(duì)葉片"將視為包含所有這樣的多個(gè)葉片，而非僅包含兩個(gè)葉片的 那些。然而，為了簡(jiǎn)潔，本發(fā)明將針對(duì)兩葉片式"成對(duì)葉片"一本發(fā)明的 優(yōu)選實(shí)施方式一來進(jìn)行說明。
在這種設(shè)備中包含任何尺寸的整體式成對(duì)葉片而不是包含最小的葉 片，由于裝配、安裝和維護(hù)以及修理的問題，嚴(yán)重限制了該設(shè)備在許多環(huán) 境中的使用以及多種用途。整體式成對(duì)葉片大而重，并且難以處理和安裝。 由于轉(zhuǎn)子在其整個(gè)長(zhǎng)度上附裝到中心垂直軸，為了裝配、安裝、修理和維
護(hù)該"i殳備，就必須將整個(gè)轉(zhuǎn)子作為單獨(dú)元件進(jìn)行處理。對(duì)于除了最小設(shè)備 之外的所有部件，必須采用諸如起重機(jī)或者其它類型的大型高架提升設(shè)備 這樣的裝置。已經(jīng)嘗試通過對(duì)整體式垂直葉片(Hayashi， s叩ra)提供諸如 系列水平板的中間結(jié)構(gòu)支承件來避免這種問題。盡管這些嘗試可防止或者 減小對(duì)這種葉片的損壞程度，但是已損壞的葉片的維修或者更換也將需要 使用基本的拆卸和維修裝置及設(shè)施。這些考慮與適于住宅使用的垂直風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的廣告相矛盾，因?yàn)楸M管名義上是住宅設(shè)施，但這些設(shè)備的安裝、 維護(hù)和使用的其它方面也必需要求使用工業(yè)設(shè)備的專業(yè)人員的服務(wù)。
因此，實(shí)際上關(guān)心的是，可從市場(chǎng)上獲得真正的"住宅"安裝級(jí)或者 小企業(yè)安裝級(jí)的i殳備的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其中該設(shè)備能由諸如屋主或小企業(yè) 主或運(yùn)營(yíng)者的單個(gè)個(gè)人來容易地處理、運(yùn)輸、裝配和維護(hù)，而不需要利用 重型裝置。這種設(shè)備將能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的電能，以l更被該設(shè)備的擁有者直 接用于例如照明或者其它用電需求，或者反饋到住宅或企業(yè)設(shè)施連接至其 上的電網(wǎng)中，從而允許設(shè)^有者獲得電力服^H言譽(yù)而不再為電網(wǎng)提供的 電力服務(wù)付費(fèi)。本發(fā)明的設(shè)備以新穎且獨(dú)特的結(jié)構(gòu)提供了這些特性。

發(fā)明內(nèi)容
在此，本發(fā)明為垂直式風(fēng)力驅(qū)動(dòng)(也稱為以風(fēng)為動(dòng)力)的發(fā)電設(shè)備， 該發(fā)電設(shè)備利用即使一個(gè)人也能夠容易地處理、運(yùn)輸、裝配和維護(hù)的獨(dú)特
8的桶形(薩伏紐斯，Savonius)轉(zhuǎn)子。本i殳備的成對(duì)葉片具有與一些現(xiàn)有 技術(shù)的垂直式設(shè)備相等的總長(zhǎng)度，并能夠產(chǎn)生相同水平的電能，但不需使 用工業(yè)級(jí)的處理設(shè)施和裝備，而且所述成對(duì)葉片也不會(huì)遭受整體式葉片容 易遇到的毀滅性破壞或失效的高風(fēng)險(xiǎn)。
在本設(shè)備中，成對(duì)葉片分成多個(gè)適當(dāng)尺寸的、容易處理的成對(duì)葉片段， 每個(gè)成對(duì)葉片段包括兩個(gè)(或者可選地三個(gè)、四個(gè))小高度的、螺旋形彎 曲的葉片部分。所述成對(duì)葉片段都具有相同的高度和直徑。當(dāng)全部成對(duì)葉 片段安裝于設(shè)備的中心軸上時(shí)，整個(gè)成對(duì)葉片構(gòu)型按照具有雙螺旋形扭曲 的整體式成對(duì)葉片的桶形轉(zhuǎn)子的方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。每個(gè)成對(duì)葉片段的中心包 括中空的套筒，該套筒設(shè)有凹槽或溝槽(溝道)以便與中心軸的多邊形橫 截面或者帶有鍵槽的外部相互配合。相鄰的成對(duì)葉片段的鄰接的上/下表面 具有相應(yīng)的尺寸和形狀，使得當(dāng)裝配成總體轉(zhuǎn)子構(gòu)型時(shí)，在相鄰成對(duì)葉片 組之間不會(huì)存在大的間隙。每個(gè)成對(duì)葉片段的螺旋形扭曲確保隨著每個(gè)成 對(duì)葉片段沿所述軸與其緊靠的相鄰葉片段偏移，獲得上、下的相鄰葉片段 的相互對(duì)應(yīng)，還獲得整個(gè)轉(zhuǎn)子的希望的螺旋形構(gòu)型。
該i殳備的裝配特別簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單的基座結(jié)構(gòu)通常由共同的支桿裝配，并 在基座結(jié)構(gòu)上發(fā)電設(shè)備和軸的軸承。然后，將垂直軸插入該軸承并可操作 地接觸發(fā)電機(jī)。最后，將每個(gè)成對(duì)葉片對(duì)滑至所述軸上直至獲得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 希望的整體高度，在該單元的頂部固定鎖帽以保持該轉(zhuǎn)子構(gòu)型。這些裝配 步驟能夠容易地由一個(gè)人或兩個(gè)人一起工作來完成，而且除了諸如用于將 基座支桿螺栓連接在一起的簡(jiǎn)單的手動(dòng)工具之外不再需要任何工具。
由于組成的部件非常少并且這些部件都是通常可獲得的(例如支桿和 發(fā)電機(jī))或者容易模制成希望的形狀(成對(duì)葉片部分)，因而所述設(shè)備能 夠非常經(jīng)濟(jì)地制造。由于單個(gè)設(shè)備中的成對(duì)葉片段優(yōu)選具有相同的尺寸， 因而僅需要單個(gè)模具就能制造用于該設(shè)備的全部成對(duì)葉片組。簡(jiǎn)單地通過 設(shè)定要安M形成適當(dāng)尺寸的軸上的成對(duì)葉片段的數(shù)目就能夠獲得寬范圍 的設(shè)備高度。同樣，簡(jiǎn)單地通過用于形成不同尺度的成對(duì)葉片段的模具就 能夠獲得大的變化范圍的設(shè)備直徑。從而，可獲得本發(fā)明設(shè)備的許多實(shí)施
9方式，優(yōu)選地在諸如成套工具這樣的套裝件中，每個(gè)都包括一套能夠裝配 形成可易于處理、運(yùn)輸和裝配的轉(zhuǎn)子的單獨(dú)的成對(duì)葉片段。
因而，本發(fā)明為一種用于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備，包括基座；發(fā)電機(jī)，其 中，所述發(fā)電機(jī)還包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；可旋轉(zhuǎn)的細(xì)長(zhǎng)軸，其從所述基座延伸， 其中，所述軸的一端操作性地附力連接至所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；以及附裝到所述 軸上的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括從所述軸向外延伸的成對(duì)葉片，所述成對(duì)葉片包 括至少兩個(gè)平行的、分段式的、垂直的螺旋形葉片，其中,所述成對(duì)葉片 還包括多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段；其中，所述轉(zhuǎn)子響應(yīng)流向和流過所述成對(duì) 葉片的氣體流而使所述軸旋轉(zhuǎn)，從而使所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)以使所述發(fā)電機(jī) 產(chǎn)生電流。
本發(fā)明還涉及一種用于附裝至垂直軸的垂直軸線式轉(zhuǎn)子，包括從垂直 中心軸向外延伸的成對(duì)葉片，所述成對(duì)葉片包括至少兩個(gè)在水平上平行的、 分段式的、垂直的螺旋形葉片，其中，所述成對(duì)葉片還包括多個(gè)水平互鎖 的成對(duì)葉片段，每個(gè)所述成對(duì)葉片段具有垂直的螺旋形扭曲。
此外，本發(fā)明還包括用于構(gòu)造垂直軸線式轉(zhuǎn)子的成套工具，所述轉(zhuǎn)子 包括垂直軸和多個(gè)成對(duì)葉片段，每個(gè)所述成對(duì)葉片段水平地互鎖并具有垂 直的螺旋形扭曲，其中，所述成對(duì)葉片段的互鎖形成從所述垂直軸向外延 伸的成對(duì)葉片，所述葉片對(duì)包括附裝至所述垂直軸的至少兩個(gè)在水平上平 行的、分段式的、垂直螺旋形的葉片。
本發(fā)明的其它方面在貫穿本說明書進(jìn)行說明。


圖1為本發(fā)明的設(shè)備的透視圖2為示出三個(gè)代表性的成對(duì)葉片段的透視圖3為單個(gè)成對(duì)葉片段從所述葉片段的上面至側(cè)面的透視圖4為圖3的成對(duì)葉片中的葉片部分的橫截面視圖5為圖3的成對(duì)葉片段的俯視圖6為示出圖3的成對(duì)葉片段的中心軸套筒的細(xì)部透視圖；圖7為示出具有圖3的成對(duì)葉片段的套筒的設(shè)備的中心軸的相互配合 的細(xì)部透視圖8為圖1的設(shè)備的下部的局部剖開的中心線正視圖，其包括三個(gè)最 下的成對(duì)葉片段部分；
圖9為圖3的成對(duì)葉片段的側(cè)視圖10為用于將成對(duì)葉片段附裝到所述軸上的固定裝置的可選實(shí)施方 式的透視圖11為示出操作中的圖IO所示固定裝置之間的關(guān)系的另一視圖； 圖12為葉片部分的設(shè)計(jì)的可選實(shí)施方式的視圖；以及 圖13為空氣壩的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
通過參考附圖尤其是圖1、圖2和圖8，將最佳地了解本發(fā)明。在所示 實(shí)施方式中，設(shè)備20具有基座22，為了外觀所述基座可用錐形裙座24覆 蓋。在基座22的結(jié)構(gòu)中包括軸承26和28。圍繞基座22徑向布置的支桿 30在頂端附裝到該基座上，并向下對(duì)角地^1伸。盡管為了清晰起見在圖8 中僅示出支桿30中的兩個(gè)，但明顯地，完全支撐所述設(shè)備將需要至少三個(gè) 這樣的支桿，優(yōu)選地四至八個(gè)支桿。通常，支桿將圍繞設(shè)備的基座22等間 隔地布置，但如果設(shè)備要安裝于特別不平的地面上則可采用不相等的間隔。 支桿30將在其下端附裝至地面接觸結(jié)構(gòu)32，該地面接觸結(jié)構(gòu)可采用圓形 或多邊形平板的形式，或者可以由支桿30的下端連接至其上的、沿徑向伸 出的桿或條構(gòu)成?；?2通常將關(guān)于結(jié)構(gòu)32居中，并座放在該結(jié)構(gòu)上或 者布置在伸出條的內(nèi)端并附裝至該內(nèi)端。盡管支桿30和地面結(jié)構(gòu)32通常 是對(duì)稱的以簡(jiǎn)化制造和裝配，但地面結(jié)構(gòu)的形狀和支桿的長(zhǎng)度及定位可以 變化以適應(yīng)設(shè)備待安裝位置處的實(shí)際地面狀況和構(gòu)造。此外，基座22內(nèi)設(shè) 有發(fā)電機(jī)34，該發(fā)電機(jī)的一個(gè)適當(dāng)示例為將可變的直流(DC)電輸出至
逆變器/電網(wǎng)聯(lián)接系統(tǒng)的7JC磁發(fā)電機(jī)。
如上所述的基座、地面結(jié)構(gòu)和支桿允許將設(shè)備布置于任何大體上水平的固體支撐面上，所述支撐面不僅包括地面，而且包括諸如支撐板、甲板、屋頂?shù)鹊慕Y(jié)構(gòu)。如果需要，所述基座、地面結(jié)構(gòu)和支桿也可進(jìn)行修改以允許設(shè)備安裝于諸如桿架、塔、山坡或者斜屋頂這樣的非水平表面上。這種修改的本質(zhì)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，且其取決于特定的應(yīng)用位置以及設(shè)備所結(jié)合的裝置。
在軸承26和28中安裝有細(xì)長(zhǎng)的垂直軸36。軸36將形成為具有統(tǒng)一的、優(yōu)選的為圓形的橫截面的細(xì)長(zhǎng)桿，其具有沿其表面縱向延伸的一個(gè)或多個(gè)花鍵(鍵槽，齒槽)。軸36的橫截面可選地為多邊形，例如正方形或六邊形。該軸可由諸如鋼、鋁或者加強(qiáng)復(fù)合材料的材料制成，所述材料具有足夠的強(qiáng)度和^^來在維持該軸在其整個(gè)長(zhǎng)度上的垂直定向，但該軸通常僅在其下端由軸承26和28支承。雖然軸36的上端能夠由安裝在一些類型的外部支承結(jié)構(gòu)中的分開的軸承來支承，但這既不是必需的也不是希望的。該設(shè)備的優(yōu)選特征為，它是自立式的、僅由其基部和地面支承結(jié)構(gòu)支承，從而極大 地簡(jiǎn)化了設(shè)備的裝配和操作。
軸36在其下端在38處操作性地附裝到發(fā)電機(jī)34的轉(zhuǎn)子構(gòu)件，使得軸
對(duì)于本發(fā)明的目的而言，發(fā)電機(jī)的本性不是關(guān)鍵的，但發(fā)電機(jī)必須具有與本發(fā)明的設(shè)備的尺寸相適應(yīng)的尺寸和發(fā)電能力，以及必須與它可連接到其上的任何電網(wǎng)系統(tǒng)相配。同樣地，可在38處在軸36與發(fā)電機(jī)34之間使用任何適當(dāng)?shù)穆?lián)接設(shè)備或結(jié)構(gòu)(例如萬(wàn)向節(jié)、齒輪箱或它們的組合)。
在上部軸承26之上沿軸36的長(zhǎng)度垂直地安裝并連接(按照下述的方式)有至少兩個(gè)平行的分段葉片40和42?？纱嬖谂c葉片40和42平行的第三或第四葉片，但這不是優(yōu)選的，因?yàn)槠浯嬖趯?huì)在未顯著提供性能的情況下4吏"&備過于復(fù)雜。如圖l最佳示出的，這兩個(gè)葉片40和42形成垂直的螺旋形結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)捕獲風(fēng)流并在風(fēng)流中旋轉(zhuǎn)，從而使軸36旋轉(zhuǎn)，該軸36則偵發(fā)電才幾34的轉(zhuǎn)子構(gòu)件旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電流。與其中需要各種構(gòu)型的整體式葉片的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備不同，在本設(shè)備中，關(guān)鍵元素在于垂直葉片40和42不是整體式結(jié)構(gòu)，而是由多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段44形成，每個(gè)所述葉片段具有從中心套筒延伸的兩個(gè)或者更多葉片部分。成對(duì)葉片段44沿軸36向上具有統(tǒng)一的高度和直徑，使得整個(gè)葉片40和42具有兩個(gè)平行螺旋面的構(gòu)型(在此為了方便簡(jiǎn)潔起見，各個(gè)不同的成對(duì)葉片段將共同地由"44"表示，因?yàn)闊o論沿軸36的直徑或預(yù)期位置如何它們都優(yōu)選是相同的。當(dāng)需要區(qū)分成對(duì)葉片段時(shí)，將使用標(biāo)號(hào)"44a" 、 "44b")。
每個(gè)成對(duì)葉片段44包括兩個(gè)葉片部分46和48，可看出所述葉片部分為整個(gè)葉片40和42的分段部分。葉片部分46和48在其內(nèi)端通過垂直的中空套筒50的頂部和底部的短支桿54連接至該套筒50。兩個(gè)葉片部分的間距(即支桿54的長(zhǎng)度)以及兩個(gè)葉片部分端部的重疊不是決定性的，可根據(jù)需要進(jìn)行改變，只要了解過長(zhǎng)的支桿更容易彎曲而過長(zhǎng)的重疊將降低葉片效率。每個(gè)成對(duì)葉片段44中的葉片部分與套筒50 (從而中心軸)之間的開放間距允許最大量的氣流通過該設(shè)備。這就導(dǎo)致與未具有這種間距的按照現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比顯著提高(通常約提高10%) 了效率。
葉片部分46和48的形狀是獨(dú)特且決定性的。每個(gè)葉片部分一因此成對(duì)葉片段一具有圍繞軸36的軸線的變化的螺旋形扭曲，從而形成所裝配的轉(zhuǎn)子的波浪形外X!l。該變化在葉片中形成整體硬度來阻止在空氣動(dòng)力載荷下發(fā)生彎曲和變形。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述扭曲才艮據(jù)連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)變化，使得上表面的梯度和下表面的梯度相等，從而在相鄰葉片之間形成光滑過渡。所述螺旋形扭曲導(dǎo)致底部邊緣58和頂部邊緣56形成偏移。螺旋升角將在約5° -30。的范圍，優(yōu)選地為10° -20。，更優(yōu)選地為15。，如標(biāo)號(hào)60所示。由60表示的三維曲面也用于提供葉片材料中的自然機(jī)M度?？刂婆で淖儎?dòng)的函數(shù)不必是光滑的來提供整體硬度?？蛇x地，或者結(jié)合所述曲面，可將加強(qiáng)肋或者其它結(jié)構(gòu)部件增添至每個(gè)葉片部分來達(dá)到相同的效果。
對(duì)葉片46的另一修改是采用水平板形式的水平凸部，所述凸部可并入成對(duì)葉片段的葉片部分的上部或下部邊緣，在此稱為空氣壩67。圖12示出了葉片上空氣壩的一個(gè)可能位置?？蓪⒖諝鈮伟卜旁诿總€(gè)葉片上，或者以其他方式布置，例如交替布置在葉片組上。通常，空氣壩朝向葉片組44
13的外部邊緣布置，以使捕獲的空氣量最大并從而提高風(fēng)機(jī)的效率。在優(yōu)選實(shí)施方式中空氣壩與葉片的上部邊緣平齊，但也可置于其它位置?？諝鈮蔚钠桨逡部砂共炕蛘咂渌卣鞑恳蕴岣哂捕群托阅堋？諝鈮蔚男螤钆c附裝側(cè)的葉片一致，以使流過該壩的氣流最小。自由邊緣可以如其優(yōu)選實(shí)施方式所示那樣是彎曲的，或者為其它形狀，該形狀實(shí)現(xiàn)相同的要求但總體上有更多區(qū)域朝向葉片組的外部邊緣，以捕獲來自風(fēng)的最可利用的能量。
相鄰的成對(duì)葉片段44a、 44b、 44c等(圖8)將通過套筒和軸連接件(將在下文說明)對(duì)齊，使得成對(duì)葉片段44a的頂部邊緣56在長(zhǎng)度和形狀上與成對(duì)葉片段44b的底部邊緣58相同，成對(duì)葉片44b的頂部邊緣56在長(zhǎng)度和形狀上與成對(duì)葉片段44c的底部邊緣58相同，如此沿設(shè)備向上布置，使得每個(gè)完整的葉片40和42基本上將單獨(dú)的完整的螺旋形表面伸至風(fēng)流中。成對(duì)葉片段之間的部分或全部間隔將降低設(shè)備的效力，因?yàn)檫@種間隔使得空氣流過葉片40和42而未將旋轉(zhuǎn)力施加于葉片上。盡管由于制造的局限性或者使用中葉片部分的磨損會(huì)出現(xiàn)一些間隔，但這種間隔在尺寸和數(shù)目上都將保持最小值以及盡可能地被避免。為促i^目鄰成對(duì)葉片段的對(duì)齊并有助于使成對(duì)葉片段之間的間隔最小，可根據(jù)需呀將相鄰的成對(duì)葉片
成對(duì)葉片段44以牢固但容易拆卸的方式附裝到軸36上，其中，軸36的外表面和套筒50的內(nèi)表面52相互配合。如圖6和7最佳示出的，套筒50的內(nèi)表面52形成有縱向的凹槽、溝槽或者類似形狀的狹槽(在此共同稱為"凹槽")，所述凹槽在套筒的長(zhǎng)度上延伸并允許套筒符合軸36的橫截面形狀，不論所述軸為具有諸如62的外花鍵的圓形橫截面，還是為多邊形(例如正方形或六邊形)橫截面。套筒50的內(nèi)部將存在多個(gè)凹槽，因?yàn)樵谠O(shè)置軸以形成整體螺旋形葉片構(gòu)型的過程中成對(duì)葉片段44必須旋轉(zhuǎn)固定的角度。凹槽的數(shù)目將由軸的橫截面形狀(即，存在多少伸出的頂點(diǎn)或
在此，轉(zhuǎn)彎部分定義為圍繞軸的完整轉(zhuǎn)動(dòng)的一部分，該轉(zhuǎn)動(dòng)必須在套筒內(nèi)部構(gòu)型和軸外部構(gòu)型開始重復(fù)前述的對(duì)稱性之前完成。例如，正方形軸會(huì)導(dǎo)致四個(gè)轉(zhuǎn)彎部分，而六邊形軸會(huì)導(dǎo)致六個(gè)轉(zhuǎn)彎部分。凹槽/頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)類似于用于旋轉(zhuǎn)正方形或者六邊形螺栓頭或螺母的套筒扳手構(gòu)型的對(duì)應(yīng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易確定用于任何希望的葉片螺旋的適當(dāng)?shù)拈_槽、倒角、鍵
聯(lián)接(開鍵槽)以及軸的成形。圖2和7示出，隨著相鄰的成對(duì)葉片段44a、44b等安裝于軸36上，成對(duì)葉片段44通過連續(xù)凹槽和頂點(diǎn)/花鍵的相互配合圍繞軸36逐步轉(zhuǎn)彎。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圍繞軸的每半個(gè)轉(zhuǎn)彎需要大約8-10個(gè)成對(duì)葉片段的螺旋形結(jié)構(gòu)十分令人滿意。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，盡管套筒50的實(shí)施方式限定為具有與軸36上的伸出的花鍵或頂點(diǎn)相互配合的凹槽，但將凹槽設(shè)置在軸上并將伸出的花鍵或肋設(shè)置于套筒的內(nèi)側(cè)也是可行的。然而，對(duì)于制造和裝配更實(shí)際的是使套筒具有凹槽而使軸具有頂點(diǎn)或者花鍵，從而該實(shí)施方式是優(yōu)選的。
用于附裝至軸36的可選裝置包括簡(jiǎn)單的圓形軸，該軸無花鍵、楔(栓)或者其它凸部。具有凹槽52的套筒50用夾圏代替，如圖IO所示。所述夾圏包括具有用于軸的通孔66的板、夾圏62以及朝向葉片46安裝點(diǎn)的支桿54,在此統(tǒng)稱為d型支架61。 d形支架61滑至軸36上，并上緊螺釘63以使其在軸上固定就位。由#4乾64和定位孔65實(shí)現(xiàn)相鄰d形支架的正確定向。所述榫銷和定位孔的相對(duì)位置控制相鄰葉片的偏移。圖ll示出了在其正確的構(gòu)型中互鎖的兩個(gè)相鄰的d形支架。
盡管在優(yōu)選實(shí)施方式中已經(jīng)說明的成對(duì)葉片段在設(shè)備中具有相等的高度，但可設(shè)想能夠使用不等高的成對(duì)葉片段。然而，這不是優(yōu)選的，因?yàn)檫@會(huì)要求在單個(gè)設(shè)備中所有成對(duì)葉片段的高度進(jìn)行調(diào)整以用于整體高度，并且螺旋形扭曲度也進(jìn)行調(diào)整來確保獲得葉片40和42的整個(gè)螺旋形表面。同樣，由于相鄰成對(duì)葉片段必須在其鄰接邊緣保持一致，因此有效的結(jié)構(gòu)將是，更短、更少扭曲的成對(duì)葉片段將必須由在組件其它處的更高、更扭曲的成對(duì)葉片段來補(bǔ)償。盡管產(chǎn)生了可操作的設(shè)備，但這種復(fù)雜性是非必須的且是應(yīng)當(dāng)避免的。
在圖3和5中，在一個(gè)實(shí)施方式中示出成對(duì)葉片段中的葉片部分46和48，其具有可定義為逆時(shí)針曲面的曲面，每個(gè)葉片部分的曲面從到套筒
1550的附裝點(diǎn)(即支桿54)開始。該實(shí)施方式也在其它圖中示出。葉片的螺 旋扭曲的方向也可從圖1中看出。因此，葉片的下部邊緣而不是圖中所示 的上部邊緣將引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)。所提及的所有其它參數(shù)也可以相同的方式變化。 這不會(huì)影響風(fēng)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。在又一實(shí)施方式中，各葉片部分46和48 的曲面能夠翻轉(zhuǎn)至順時(shí)針方向，這將依次反映在設(shè)備的其余部分中，形成 例如在圖l視圖中將顯示與當(dāng)前圖1中所示的外觀^目反的螺旋形外觀的一 種設(shè)備。具有順時(shí)針曲面的設(shè)備是完全可行的并且屬于本發(fā)明的范圍。然 而，該最后一個(gè)實(shí)施方式不是優(yōu)選的，因?yàn)槌電機(jī)通常構(gòu)造為具有與 本發(fā)明的逆時(shí)針實(shí)施方式一致的旋轉(zhuǎn)，從而逆時(shí)針實(shí)施方式為優(yōu)選實(shí)施方 式。使用本發(fā)明的該可選的順時(shí)針實(shí)施方式將從而需要"翻轉(zhuǎn)的"發(fā)電機(jī) 或者與常規(guī)發(fā)電機(jī)的齒輪傳動(dòng)連接，所述連接將使作為連接至常規(guī)發(fā)電機(jī) 的部件的順時(shí)針桶形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向反向。
與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比，將葉片40和42分成明顯更小的成對(duì)葉片段 44簡(jiǎn)化了本發(fā)明設(shè)備的裝配、操作和維修，并且更重要的是使得該設(shè)備能 被個(gè)人房屋業(yè)主和小企業(yè)業(yè)主使用。該設(shè)備通常具有約3-15英尺(1-5米) 的整體高度，并且具有3-5英尺(1-1.7米)的整體最大直徑。這種尺寸足 以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生相當(dāng)大的電力，并且其安裝和維護(hù)在仍在房屋業(yè)主、小 企業(yè)主等人的能力內(nèi)，而不需要大型的維護(hù)和處理裝置或者維修工具。成 對(duì)葉片段中的葉片部分46和48的高度通常為約6-24英寸(15-60厘米)， 優(yōu)選地為約8英寸(20厘米)。
裝配和建造所述設(shè)備是直截了當(dāng)?shù)摹?一旦確定了具有良好風(fēng)流的適當(dāng) 地面位置，并且將該地面位置平整至所需程度，就裝配地面結(jié)構(gòu)和支桿32 和30，并將基座22安裝至其上。將軸36插入軸承26和28并附裝到發(fā)電 機(jī)34上。然后將成對(duì)葉片段44逐一地安裝至軸36上一如44a 、 44b 、 44c......
所示，其中實(shí)現(xiàn)各相鄰成對(duì)葉片段之間直至希望的最大高度的所需扭轉(zhuǎn)。 然后將夾具、墊圏-螺母或者其它合適的帽64置于最上面的成對(duì)葉片段的 套筒50的頂部，并隨著成對(duì)葉片和軸響應(yīng)風(fēng)流旋轉(zhuǎn)而被固定以將成對(duì)葉片 段44保持就位。優(yōu)選地，所述軸的長(zhǎng)度與成對(duì)葉片段的總高度是相應(yīng)的，使得帽64能^L直接安裝于軸36的上端并以固定的構(gòu)型維持所述成對(duì)葉片 段。或者，如果希望具有更長(zhǎng)的軸(例如當(dāng)將來希望增添額外的成對(duì)葉片 組時(shí))，則可4吏用領(lǐng)口型(軸環(huán)型，collar-type)帽，該領(lǐng)口型帽則可包 括沿軸36在中間位置處鎖定至頂部成對(duì)葉片段套筒的裝置。
成對(duì)葉片段可由諸如塑料、橡膠或金屬的任何可模制或者可成形的材 料制成?？蓪褰饘偃~片部分46和48壓制成希望的形狀，然后通過諸如 點(diǎn)焊或硬釬焊(銅焊)的常規(guī)金屬連接技術(shù)將其附裝至支桿54和套筒50。 同樣地，可將熱固性聚合材料模制成葉片部分46和48，然后通過諸如熱
屬的或優(yōu)選聚合體的支桿和套筒。然而，更優(yōu)選地，只要可能，可作為單 獨(dú)單元同時(shí)模制單個(gè)聚合材料的整個(gè)成對(duì)葉片段。為此，可將支桿54偏移 以使成品構(gòu)件能被從模具上移除。也可能必須使用多件式模具，以便能將 彎曲的葉片部分從該模具移除。適當(dāng)考慮熱塑性和彈性體材料在暴露于高 風(fēng)速或高環(huán)境溫度時(shí)的性能也可使用所述材料。如果在具體操作環(huán)境中存 在物體撞擊葉片的顯著風(fēng)險(xiǎn)，例如在錐體、螺母或其它碎片可能從附近的 樹上落入使設(shè)備活動(dòng)的風(fēng)流中的場(chǎng)合，則彈性體材料是優(yōu)選的。根據(jù)希望 的用途以及設(shè)備將安裝的位置，材料和材料成形領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易 地確定用于設(shè)備葉片的適當(dāng)?shù)牟牧虾统尚畏椒ā?br> 發(fā)電機(jī)可通過功率變換器或類似設(shè)備以常規(guī)方式連接至當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)或連 接至當(dāng)?shù)仉妱?dòng)設(shè)備(例如照明設(shè)備)，在此不需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的顯示或者 探討?？梢韵胂螅搃殳備的最有效的用途是連接至電網(wǎng)，以使該設(shè)備能將 電能反饋至電網(wǎng)并減小住宅或企業(yè)設(shè)施所使用的電網(wǎng)能量的凈值，從而減 少由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)屋主或者企業(yè)主收取的電能使用費(fèi)?？蛇x的用途可以是 直接為當(dāng)?shù)丶彝セ蚱髽I(yè)的照明i殳備、電器、安全攝^^幾或單元或者其它電 器設(shè)備洪電，或者為待機(jī)狀態(tài)的應(yīng)急設(shè)施的電池充電。其它可能的用途對(duì) 本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。該設(shè)備可用于多種目的，其中，它能夠 根據(jù)需要或者按照預(yù)定的安排應(yīng)用于當(dāng)?shù)卦O(shè)施，并且當(dāng)不應(yīng)用于這種設(shè)施 中時(shí)，所述設(shè)備能夠用于將產(chǎn)生的能量送入所連接的電網(wǎng)或者給電池充電。
17^盡管上面已經(jīng)僅作為示例說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技 術(shù)人員會(huì)了解，可對(duì)所公開的實(shí)施方式進(jìn)行各種改變和修改，而不背離由 所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍或者精神。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)備，包括基座；發(fā)電機(jī)，其中，所述發(fā)電機(jī)還包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；可旋轉(zhuǎn)的細(xì)長(zhǎng)軸，該軸從所述基座延伸，其中，所述軸的一端操作性地連接至所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；以及轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子附裝到所述軸，包括從所述軸向外延伸的成對(duì)葉片，所述成對(duì)葉片包括至少兩個(gè)平行的、分段式的、垂直的螺旋形葉片，其中，所述成對(duì)葉片還包括多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段；其中，所述轉(zhuǎn)子響應(yīng)流向和流過所述成對(duì)葉片的氣體流而使所述軸旋轉(zhuǎn)，從而使所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)以致使所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體為空氣，所述氣體流為風(fēng)。
3. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片包括分成所述多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段的兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)相互連接的葉片。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片包括分成所述多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段的所述相互連接的葉片中的兩個(gè)葉片。
5. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段每個(gè)都包括中空的套筒，其中多個(gè)葉片部分從所述套筒延伸，所述套筒構(gòu)造為與所述軸相互配合以便附裝到所述軸上。
6. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)葉片部分包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)葉片部分。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)葉片部分包括兩個(gè)葉片部分。
8. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述葉片部分從所述套筒延伸的部分包括第一邊緣和第二邊緣，并且在內(nèi)部具有螺旋形曲面，使得在遠(yuǎn)離所述軸的一端上所述葉片部分的所述第一邊緣從所述第二邊緣偏移一個(gè)螺旋角。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述螺旋形曲面按照連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)變化，使得上、下邊緣處的梯度相等，從而形成相鄰成對(duì)葉片段之間的光滑過渡。
10. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述螺旋角包括大約5°-30°的角。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述螺旋角包括大約10°-20°的角。
12. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述螺旋角包括大約15°的角。
13. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，還包括，每個(gè)所述葉片部分在從所述套筒延伸的部分中比其在沿著所述套筒延伸的部分中伸長(zhǎng)得更多。
14. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段中的所l曰l離，由此有利于氣體流通過所述葉片部分。
15. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述多個(gè)成對(duì)葉片段中每個(gè)的所述套筒還包括垂直于該套筒的長(zhǎng)度延伸的多個(gè)縱向的內(nèi)部凹槽，以及，所述軸還包括多個(gè)縱向的垂直外部凸部，當(dāng)所述多個(gè)成對(duì)葉片段安裝至所述軸上時(shí)所述凹槽與所述凸部相互配合。
16. 如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述凹槽布置于所述中空的套筒的內(nèi)表面上，所述凸部布置于所述軸的外表面上。
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述軸具有基本為圓形的橫截面，所述凸部包括布置于所述軸的外表面上^縱向花鍵。
18. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述軸具有多邊形橫截面，所述凸部包括所述多邊形橫截面的頂點(diǎn)。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述多邊形橫截面為分別具有四個(gè)或六個(gè)所述頂點(diǎn)的正方形或六邊形。
20. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述成對(duì)葉片段還 包括金屬材料或聚合物合成材料。
21. 如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段的每個(gè) 葉片部分在內(nèi)部形成三維曲面，由此賦予所述葉片部分剛性。
22. 如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述曲面按照連續(xù)的數(shù) 學(xué)函數(shù)變化，使得所述成對(duì)葉片段的上、下邊緣處的曲率梯度相等，從而 形成相鄰成對(duì)葉片段之間的光滑過渡。
23. 如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段中的每 個(gè)葉片部分包括加強(qiáng)肋，由此賦予所述葉片部分剛性。
24. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段中的每 個(gè)葉片部分還包括三維曲面，所述曲面按照連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)變化，使得所 述成對(duì)葉片段的上、下邊緣處的曲率梯度相等，從而形成相鄰成對(duì)葉片段 之間的光滑過渡。
25. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述成對(duì)葉片段具 有平行于所述軸的、范圍在大約6-24英寸(15-60厘米)的垂直高度。
26. 如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)所述成對(duì)葉片段具 有平行于所述軸的、大約8英寸(20厘米)的垂直高度。
27. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，包括安裝于所述軸上的 足夠數(shù)目的成對(duì)葉片段，以便形成范圍在大約3-15英尺(l-5米)的轉(zhuǎn)子 高度。
28. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述基座構(gòu)造成允許所 述設(shè)備布置于支撐面上或者安裝于支撐裝置上。
29. 如權(quán)利要求28中所述的設(shè)備，其特征在于，所述支撐面包括大體 水平的固體表面。
30. 如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其特征在于，所述支撐面包括非水平 的表面。
31. —種構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的方法，包括 提供基座；提供發(fā)電機(jī)，其中，所述發(fā)電機(jī)還包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；提供可旋轉(zhuǎn)的細(xì)長(zhǎng)軸，該軸從所U座延伸，其中，所述軸的一端操作性地附裝至所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；以及提供轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子附裝到所述軸上，包括從所述軸向外延伸的成對(duì)葉片，所述成對(duì)葉片包括至少兩個(gè)平行的、分段式的、垂直的螺旋形葉片，其中，所述成對(duì)葉片還包括多個(gè)互鎖的成對(duì)葉片段；其中，所述轉(zhuǎn)子響應(yīng)于流向和流過所述成對(duì)葉片的氣體流而使所述軸旋轉(zhuǎn)，從而使所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)以使所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述氣體為空氣，引起所述轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的所述氣體流為風(fēng)。
33. 如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述成對(duì)葉片包括分成所述多個(gè)互鎖成對(duì)葉片段的兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)相互連接的葉片，每個(gè)所述成對(duì)葉片段包括中空的套筒，其中多個(gè)葉片部分從所述套筒延伸，所述套筒構(gòu)造為與所述軸相互配合以附裝至所述軸上。
34. 如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，包括垂直對(duì)齊地在所述軸上安裝足夠數(shù)目的所述成對(duì)葉片段，以形成大約3-15英尺(1-5米)的轉(zhuǎn)子高度。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括將所述成對(duì)葉片段安裝成使得每個(gè)成對(duì)葉片段從與其緊鄰的成對(duì)葉片段偏移一個(gè)螺旋角，由此賦予所述轉(zhuǎn)子一整體螺旋曲面。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大約5°-30°的角。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大約10°-20°的角。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大約15。的角。
39. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述葉片部分包括一個(gè)曲面，所述曲面按照連續(xù)的數(shù)學(xué)函數(shù)變化，使得所述成對(duì)葉片段的上、下邊緣處的曲率梯度相等，從而形成相鄰成對(duì)葉片段之間的光滑過渡。
40. 如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述基座構(gòu)造成允許所 述設(shè)備布置于支撐面上或者安裝于支撐裝置上，以及將所述基座布置于所 述支撐面或支撐裝置上。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在，還包括，所述支撐面具有 大體上水平的固體表面。
42. 如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，還包括，所述支撐面具 有非水平的表面。
43. —種用于附裝至垂直軸的垂直軸線式轉(zhuǎn)子，包括從該垂直軸向外 延伸的成對(duì)葉片，所述成對(duì)葉片包括至少兩個(gè)平行的、分段式的、垂直的 螺旋形葉片，其中，所述成對(duì)葉片還包括多個(gè)水平地互鎖的成對(duì)葉片段， 每個(gè)所述成對(duì)葉片段具有垂直的螺旋形扭曲。
44. 用于構(gòu)造垂直軸線式轉(zhuǎn)子的成套工具，所述轉(zhuǎn)子包括垂直軸和多個(gè)成對(duì)葉片段，每個(gè)所述成對(duì)葉片段水平地互鎖并具有垂直的螺旋形扭曲， 其中，所述成對(duì)葉片段的互鎖形成從該垂直軸向外延伸的成對(duì)葉片，所述葉片段包括附裝至所述垂直軸的至少兩個(gè)平行的、7jC平分段的、垂直螺旋 形的葉片。
45. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述成對(duì)葉片段還包括 從該成對(duì)葉片段上凸出的水平凸部。
全文摘要
公開了一種垂直的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的分段式桶形轉(zhuǎn)子，并且容易由單個(gè)人來處理、運(yùn)輸、裝配和維護(hù)。轉(zhuǎn)子的葉片分成多個(gè)適度尺寸的成對(duì)葉片段，每個(gè)成對(duì)葉片段包括兩個(gè)(或者可選地三個(gè)或四個(gè))小高度的、螺旋形彎曲的葉片部分。所述成對(duì)葉片段優(yōu)選地具有相同的高度和直徑。轉(zhuǎn)子安裝于連接至發(fā)電機(jī)的中心垂直軸上。當(dāng)所述多個(gè)葉片部分安裝于所述設(shè)備的中心軸上時(shí)，整個(gè)葉片構(gòu)型起到單一桶形轉(zhuǎn)子的作用。氣體流(通常為以風(fēng)的形式存在的空氣)導(dǎo)致所述分段式桶形轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，使得發(fā)電機(jī)的軸和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，以使發(fā)電機(jī)發(fā)電。
文檔編號(hào)F03D9/00GK101657636SQ200880011833
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者K·摩根, M·斯萊特里 申請(qǐng)人:螺旋風(fēng)公司