專利名稱：風力渦輪機的整流罩的制作方法
風力渦輪機的整流罩
背景技術：
本專利申請涉及一種用于風力渦輪機的整流罩(spinner)，其適于安裝在風力渦 輪機的轂上。另外，其涉及一種具有整流罩的風力渦輪機。最后，其涉及一種用于提高現(xiàn)有 風力渦輪機的效率的方法。通常，風力渦輪機的轉子葉片在內轉子區(qū)段處沒有良好的空氣動力學輪廓。內轉 子區(qū)段中的氣流可能會經過風力渦輪機的轉子而沒有被用來產生能量。因此，并不是所有 的經過由轉子葉片掃過的區(qū)域的風的動能都被用來產生能量。發(fā)明簡述鑒于以上內容，提供了一種用于風力渦輪機的整流罩，該整流罩適于安裝在所述 風力渦輪機的轂上，其中至少一個轉子葉片連接至所述轂上，其中轉子葉片具有內部部分 以及成形外部部分，其中整流罩適于在風向上覆蓋轉子葉片的內部部分的相當大的部分， 整流罩具有前部部分，其中前部部分適于設置在運行中的風力渦輪機的至少一個轉子葉片 的圓柱形內部部分的前面。根據本專利申請的另一個方面，提供了一種風力渦輪機，其包括轂和連接至轂上 的至少一個轉子葉片，轉子葉片具有內部部分和成形外部部分，該風力渦輪機進一步包括 安裝在轂上的整流罩，其中整流罩適于在風向上覆蓋內部部分的相當大的部分，整流罩具 有前部部分，其中前部部分適于設置在運行中的風力渦輪機的至少一個轉子葉片的圓柱形 內部部分的前面。根據另一個方面，提供了一種用于提高帶有連接至轂上的至少一個轉子葉片的現(xiàn) 有風力渦輪機的效率的方法，該至少一個轉子葉片具有內部部分和成形外部部分，該方法 包括將整流罩安裝在轂上，其中整流罩適于在風向上覆蓋內部部分的相當大的部分，整流 罩具有前部部分，其中前部部分設置在運行中的風力渦輪機的至少一個轉子葉片的內部部 分的前面，其中前部部分的后端具有大體平滑的周邊。根據從屬權利要求、說明書和附圖，本發(fā)明的其它方面、優(yōu)點和特征顯而易見。附圖簡述在說明書的剩余部分中，包括對附圖的參照，更具體地闡述了本發(fā)明的對本領域 普通技術人員的完全且可實現(xiàn)的公開，包括其最佳模式，其中

圖1顯示了風力渦輪機的示意圖；圖2顯示了根據本專利申請的風力渦輪機的一個實施例的另一個示意圖；圖3顯示了根據本專利申請的風力渦輪機的一個實施例的另一個示意圖；圖4顯示了整流罩的一個實施例的示意性正視圖；圖5顯示了整流罩的另一個實施例的示意性正視圖；以及圖6顯示了一種用于提高現(xiàn)有風力渦輪機效率的方法的流程圖。部件列表100風力渦輪機110 塔架
120機艙
130轂
140葉片
142外部部分
144內部部分
150整流罩
150a整流罩
150b整流罩
150c整流罩
152a前部部分
154a后部部分
D直徑
W風向
X旋轉軸線
Π內半徑
r2外半徑
具體實施例方式現(xiàn)將詳細參看本發(fā)明的多個實施例，圖中示意了這些實施例的一個或多個實例。 各個實例均作為對本發(fā)明的闡述來提供，且不意圖作為對本發(fā)明的限制。例如，作為一個實 施例的一部分而顯示或描述的特征可用于其它實施例上或結合其它實施例使用，以產生另 一個實施例。意圖的是本發(fā)明包括這種修改和變型。另夕卜，名稱為“多段風力渦輪機轉子葉片和結合這種轉子葉片的風力渦輪 機，，(Multi-section wind turbine rotor blades and wind turbines incorporating the same)的、2007年12月6日申請的代理人卷號為225623的共同受讓且共同未決的美國專 利申請通過引用而整體地結合在本文中。該專利申請?zhí)峁┝俗鳛檗D子葉片的一部分的、具 有整流裝置的多段葉片。本專利申請?zhí)峁┝宿D子葉片的內部部分的護罩或整流裝置，其中 護罩是整流罩的一部分。圖1顯示了風力渦輪機100。風力渦輪機100包括其上設置有機艙120的塔架 110。機艙內放置了用于產生電流的發(fā)電機(未示出)。發(fā)電機連接至具有大體水平的軸的 轂130上。三個轉子葉片140連接至轂上。轉子葉片140和轂130形成風力渦輪機100的 轉子。在運行中，由于轉子葉片140上的空氣動力學輪廓，風在轉子上賦予轉動。因此，轉 子繞大體平行于風向的大體水平的轉子軸線X轉動。轉子驅動發(fā)電機，從而產生電能。因 此，風的動能被轉換成電能。如前面的、向后的、后面的和后部的等關系形容詞是相對于與 運行中(即當風力渦輪機產生電能時)的風力渦輪機有關的風向而定義的。這就意味著風 從風力渦輪機的前端流向后端。當風力渦輪機產生電能時，用語軸向或徑向與轂的轉子軸 線X有關。因此，轉子軸線X大體平行于風向。在圖2中，顯示了根據本專利申請的一個實施例的風力渦輪機的簡化示意圖。相 同的參考標號對應于例如圖1中的相同實體。為了簡單起見，僅顯示了轉子葉片140的一部分。轉子葉片140具有外部區(qū)段142和內部區(qū)段144。外部和內部是相對于轂130而使 用的。因此，在圖2中，轉子葉片140的外部區(qū)段142在內部區(qū)段144的徑向外側。轉子葉 片140的內部區(qū)段或內部部分在一個典型的實施例中具有大體圓柱形的形狀，且連接至轂 130上。在典型的實施例中，轉子葉片140可繞其縱向軸線轉動，以調節(jié)傾斜角。為了這個 目的，傾斜機構定位于轂130和/或風力渦輪機的機艙120中。轉子葉片的外部區(qū)段或部 分142具有翼形輪廓，從而使得外部區(qū)段還可被稱為轉子葉片140的成形區(qū)段或成形外部 部分142。從與轂的連接至外部區(qū)段142 (在本專利申請的另一個典型實施例中是至轉子葉 片140的葉片末端)，轉子葉片140的前端通常是直的。因此，前緣146(即轉子葉片的向 風的或前面的邊緣)在風力渦輪機的運行期間(即當轂130和轉子葉片140繞軸線X轉動 時)限定了大體上平的圓盤。因此，大致在成形區(qū)段起始處，即當從轉子葉片140的轂側端 看向葉片末端時在圖2中所示的實施例中轉子葉片開始向下風突起的位置處，內部圓柱形 區(qū)段144的外端繞軸線X限定了圓。在轉子葉片140的前面(即上風面)，根據本專利申請的整流罩150關于旋轉軸線 X對稱地放置。整流罩150可連接至轂130上，或隨后連接至已經安裝在風力渦輪機100的 轂上的現(xiàn)有的小整流罩(未示出)上。在后一種情況下，整流罩150覆蓋小整流罩。因此， 整流罩150可為轂130的頭錐。在一個典型的實施例中，如果安裝在風力渦輪機100上，整 流罩150不僅關于旋轉軸線X對稱地放置，而且還關于旋轉軸線X對稱。整流罩150可具 有拋物面形或半球形的外部形狀。另外，整流罩150可包括用于將整流罩150固定至轂130 上或固定至現(xiàn)有的小整流罩上的連接器。因此，根據本發(fā)明的整流罩150可安裝在已有的 風力渦輪機上。根據本專利申請的整流罩150將導向轂130或機艙120的風引導至轉子葉 片140的成形或外部區(qū)段142上。因此，還使用了導向轂130的風的動能，以將其轉換成電 能。出于該目的，整流罩在轉子葉片140的前面具有最大外徑D，其基本上對應于在風 力渦輪機100運行時由內部圓柱形區(qū)段144的外端限定的圓的直徑。最大外徑D也可略微 大于該圓。因此，導向轂130和機艙120的風沿著整流罩150被引導至轉子葉片140的外 部區(qū)段142上。根據本專利申請的整流罩的前部部分是位于轉子葉片140的前面(尤其是位于轉 子葉片140的內部部分144的前面)的整流罩的一部分。在圖2的情況下，整流罩150僅 包括前部部分。在圖3所示的另一個實施例中，相同的特征用相同的參考標號指明。風力渦輪機 100具有與圖2中不同的整流罩。根據圖3的整流罩150a具有前部區(qū)段152a以及后部區(qū) 段154a。前部區(qū)段152a根據與關于圖2描述的整流罩150相同的原理形成。因此，其可具 有球截形或拋物面形的形狀，其具有約為在風力渦輪機100運行時由內部圓柱形區(qū)段144 的外端限定的圓的直徑的最大外徑D。整流罩150a的后部區(qū)段154a自前部區(qū)段152a (尤其是自前部區(qū)段152a的后端) 沿機艙120的后端方向延伸。后部區(qū)段154a可具有大體圓柱形形狀或可具有沿其向后端 的方向略微變小的直徑。在后一種情況下，后部區(qū)段154a可具有圓錐形的形狀。向后區(qū)段 154a封閉風力渦輪機的轂130。其為轉子葉片140的(圓柱形的)內部區(qū)段144僅提供大 體圓形的缺口。在任何情況下，整流罩150a的后部區(qū)段154a形成為使得轉子葉片140的
5翼形外部區(qū)段142在轉子葉片140的任何傾斜角下都不接觸整流罩150a的后部區(qū)段154a。 因此，整流罩150a適于提供低空氣阻力，且適于將風引導至轉子葉片140的翼形外部區(qū)段 142 上。關于圖2和3所述的實施例可具有機艙120，其具有適于相應的整流罩的外部形 狀。機艙120，尤其是其向風的或前面的部分，可至少部分地具有拋物面形的形狀。因此， 機艙120在其前端處的外徑大于在機艙的后端處的外徑。在一個典型的實施例中，機艙在 其前端處具有圓形區(qū)段，該圓形區(qū)段具有大致與在風力渦輪機100運行時內部圓柱形區(qū)段 144的外端的直徑相同的或比該直徑略微小的直徑。另外，其可尺寸設置成使得轉子葉片 140的翼型外部區(qū)段142不能接觸機艙120。因此，在本專利申請的一個特定的實施例中， 機艙的前端具有比整流罩150、150a的最大外徑D小的直徑。在一個典型實施例中，外部形 狀適于使風的層流繞過整流罩和機艙。因此，例如在圖3所示的實施例中，風力渦輪機100 提供了到機艙120的外部形狀的平滑過渡前后部區(qū)段143a。在機艙具有長方體形的形式的情況下，可在長方體形狀的機艙120上安裝經特殊 改型的零件，如圖3示意性地顯示。因此，所有的外部零件，即根據本專利申請的整流罩和 用于機艙的長方體形殼體可安裝在現(xiàn)有風力渦輪機100上。圖4顯示了在正視圖中具有圓形形狀的整流罩150c的一個實施例的正視圖。整流 罩150b在這種情況下可具有拋物面形的形式或球截形的形式。如該實施例所示，葉片140 的大體圓柱形的內部部分144在風向上被完全地覆蓋。在某些實施例中，僅內部部分144 的相當大的部分可由整流罩150b在風向上覆蓋。內部部分的相當大的部分可為內部圓柱 形部分144的總長度的50%至100%、75%至100%，或90%至100%。內部部分144的總 長度通常為從用于將轉子葉片140連接至轂130上的連接凸緣至轉子葉片的翼型或成形部 分142的起點的距離。在整流罩的另一個實施例中，如圖5所示，整流罩150c在正視圖中可不具有圓形 的形狀。在正視圖中，周邊在外圓半徑r2和內圓半徑rl這兩個半徑之間變化。關于上述 附圖而闡述的直徑D可對應于D = 2x r2。半徑r2選擇為使得整流罩150c覆蓋轉子葉片 140的圓柱形內部部分144的相當大的部分。在一個實施例中，內圓半徑rl可選擇為使得 整流罩150c在風向上基本上覆蓋機艙120。外圓半徑用于轉子葉片140的圓周位置。另 外，在一個具體實施例中，在整流罩150c的正視圖中，在外圓半徑r2和內圓半徑rl之間存 在平滑的過渡，如圖5所示。因此，整流罩150c具有波浪形外周邊。因而，不存在強烈的流 分離，且不會由于外圓半徑r2和內圓半徑rl之間的突然的過渡而產生強烈的紊流。在本發(fā)明的一個典型實施例中，整流罩的前部部分的后端具有大體平滑的周邊。 在另一個實施例中，前部部分的后端可具有平滑的外輪廓。這就導致了整流罩的更(符合) 空氣動力學的形狀，且導致了更少的紊流。這可用于圖1至5所示的整流罩。在圖6中顯示了一種用于提高現(xiàn)有風力渦輪機的效率的方法。在第一個步驟中， 將整流罩安裝在轂上。整流罩可為以上所述的整流罩其中之一。在下一個步驟中，將外殼安 裝在機艙上。如以上已經說明的，外殼可適于整流罩的形式且可具有拋物面形的形狀。在 本方法的另一個實施例中，首先將外殼安裝在機艙上，然后將整流罩安裝在轂上。因此，增大整流罩的尺寸，或者換句話說，在整流罩的前面安裝成形板，使得在內 轉子直徑處沖擊風力渦輪機的空氣將被引導至成形轉子葉片區(qū)段上，且因此將增加風力渦輪機的能量捕獲。在本專利申請的一個典型的實施例中，機艙的外部尺寸可適于整流罩，以 提高能量捕獲，且適于避免在向下流的風流中產生漩渦。因此，由于在內部轉子直徑處的氣 流被引導至成形轉子葉片部分上，所以能量捕獲提高了，并且能量損失更少。整流罩可由任何適當?shù)牟牧现瞥?，包括但不限于碳纖維和/或其它結構材料。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，而且還使得本領域任何技 術人員能夠制造和使用本發(fā)明。雖然已關于多個具體實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技 術人員將認識到，可用權利要求的精神和范圍內的修改來實施本發(fā)明。特別地，以上所述的 實施例的互相非排它性的特征可相互結合。本發(fā)明的可授予專利的范圍由權利要求書限 定，且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這樣的其它實例具有與權利要求的字 面語言沒有區(qū)別的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言沒有實質性差異的 等效結構性元件，那么這些其他實例意圖處于權利要求書的范圍之內。
權利要求
一種用于風力渦輪機(100)的適于安裝在所述風力渦輪機的轂上的整流罩(150，150a，150b，150c)，其中至少一個轉子葉片(140)連接至所述轂(130)上，其中所述轉子葉片具有內部部分(144)和成形外部部分(142)，其中所述整流罩適于在風向上覆蓋所述轉子葉片的內部部分的相當大的部分，所述整流罩具有前部部分(150，152a)，其中所述前部部分適于設置在運行中的所述風力渦輪機的至少一個轉子葉片的內部部分的前面。
2.根據權利要求1所述的整流罩，其特征在于，所述整流罩(150，150a，150b)具有大體 為球截形的形狀或大體拋物面形的形狀。
3.根據權利要求1或2所述的整流罩，其特征在于，所述整流罩還具有后部部分 (154a)，所述后部部分適于圍繞所述轂且具有對應于所述風力渦輪機的轉子葉片的各個圓 柱形內部部分的缺口。
4.根據權利要求1至3中任一項權利要求所述的整流罩，其特征在于，所述整流罩的前 部部分的后端在正視圖中具有大體圓形的周邊。
5.一種包括轂(130)和連接至所述轂上的至少一個轉子葉片(140)的風力渦輪機 (100)，所述轉子葉片具有內部部分(144)和成形外部部分(142)，所述風力渦輪機還包括 安裝在所述轂上的整流罩(150，150a, 150b, 150c)，其中所述整流罩適于在風向上覆蓋所述 內部部分的相當大的部分，所述整流罩具有前部部分(150，152a)，其中所述前部部分適于 設置在運行中的所述風力渦輪機的至少一個轉子葉片的內部部分的前面，其中所述前部部 分的后端具有大體平滑的周邊。
6.根據權利要求5所述的風力渦輪機，其特征在于，所述整流罩(150a)還包括后部部 分(154a)，所述后部部分適于圍繞所述轂(150)且具有對應于所述轉子葉片(140)的圓柱 形內部部分(144)的缺口。
7.根據權利要求6所述的風力渦輪機，其特征在于，所述后部部分(154a)具有對應于 所述前部部分(152a)的后端的最小直徑的直徑。
8.根據權利要求5至7中任一項權利要求所述的風力渦輪機，其特征在于，所述風力渦 輪機還包括機艙(120)，所述轂(130)連接至所述機艙，其中所述機艙(120)的外殼具有大 體拋物面形的形狀，所述機艙的前端的徑向直徑大于所述機艙的向后端的徑向直徑。
9.根據權利要求8所述的風力渦輪機，其特征在于，所述機艙的前端的徑向外徑小于 所述整流罩的前部部分的后端的最小直徑。
10.根據權利要求5至9中任一項權利要求所述的風力渦輪機，其特征在于，在正視圖 中，所述整流罩(150c)的前部部分的后端具有大體成波浪形的周邊，其中至少一個峰部適 于設置在所述至少一個轉子葉片的內部部分的前面。
全文摘要
本發(fā)明申請涉及一種風力渦輪機的整流罩，其適于安裝在所述風力渦輪機的轂上，其中至少一個轉子葉片連接至所述轂上，其中轉子葉片具有內部部分和成形外部部分，其中整流罩適于在風向上覆蓋轉子葉片內部部分的相當大的部分，整流罩具有前部部分，其中前部部分適于設置在運行中的風力渦輪機的至少一個轉子葉片的內部部分的前面。另外，本申請涉及一種包括轂和連接至轂上的至少一個轉子葉片的風力渦輪機，轉子葉片具有內部部分和成形外部部分，風力渦輪機進一步包括安裝在轂上的整流罩，其中整流罩適于在風向上覆蓋內部部分的相當大的部分，整流罩具有前部部分，其中前部部分適于設置在運行中的風力渦輪機的至少一個轉子葉片的內部部分的前面。
文檔編號F03D1/06GK101929422SQ20091015842
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權日2009年6月26日
發(fā)明者P·戈舍爾, S·赫爾 申請人:通用電氣公司