專利名稱：豎軸渦輪機的制作方法
豎軸渦輪機本發(fā)明涉及一種動力產(chǎn)生設(shè)備和方法，具體地說，本發(fā)明涉及但不限于利用來自自然和/或可再生流體能源的能量轉(zhuǎn)換成電力、扭矩或其他有用的動力形式的綠色能量技術(shù),諸如風(fēng)力渦輪機或發(fā)電機。自從古代就已經(jīng)利用風(fēng)能來給機器提供動力。從那時起，利用更綠色和可再生源(諸如風(fēng)力)產(chǎn)生動力的需要已經(jīng)變得越來越急迫，并且為了產(chǎn)生電力而研發(fā)了風(fēng)力渦輪機。盡管如此，就商業(yè)角度來說，風(fēng)電很少獲得成功，這是因為風(fēng)力的供應(yīng)隨著時間和地理而具有可變性。通常，在恒定高風(fēng)速區(qū)域中運行的風(fēng)力渦輪機往往在商業(yè)上更可行，但是這樣的場所很少。為了在不同的場所和應(yīng)用中使用已經(jīng)研發(fā)了不同的風(fēng)力渦輪機設(shè)計。例如，根據(jù) 風(fēng)向輪葉的葉片是否圍繞水平或豎直布置的軸的軸線旋轉(zhuǎn)而可以將風(fēng)力渦輪機分類。水平軸風(fēng)力渦輪機(HAWT)由于它們往往更高效而獲得了更為普遍的應(yīng)用這是由于葉片旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)力流動方向垂直，使得它們在旋轉(zhuǎn)期間通過整個周期來接收能量。它們也遭受一些缺點，特別是在塔和葉片的舷弧高度、尺寸和重量，這使得安裝、操作和維護都極其昂貴。它們還需要仔細(xì)地定位在風(fēng)力中，在風(fēng)力速度和方向發(fā)生變化的情況下它們可能無法很好地工作。這種風(fēng)力渦輪機在視覺上以及對任何野生動植物、對無線電信號的傳輸還具有潛在破壞。豎軸風(fēng)力渦輪機(VAWT)固有地效率較低，這是由于葉片在其被向前“吹動”的旋轉(zhuǎn)周期期間的僅一部分從風(fēng)力接收能量。對于該循環(huán)的大量剩余部分，葉片在基本迎著風(fēng)力流動方向的方向上旋轉(zhuǎn)。這可以與其中風(fēng)能通過葉片在其整個周期中都被捕獲的HAWT形成對照。下面將對此進行更詳細(xì)的描述；這里，只要說當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)歷其周期時由于轉(zhuǎn)子葉片行進到風(fēng)中時的阻力而使得從風(fēng)力捕獲的大部分能量通常都損失了就已足夠。盡管如此，VAWT具有能夠從低速和變化更大的速度的風(fēng)中收獲動力的優(yōu)點。它們往往更小更輕，并且能夠以更低的高度布置，從而使得顯著性、安裝和維護成本降低。這允許在更多種地方使用VAWT。由于VAWT在其他方面的有利特性，已經(jīng)努力改進VAWT的效率。舉例來說，US2007/0241567描述了使用導(dǎo)向件將風(fēng)偏壓或引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片上，無論風(fēng)向如何，這都增強了潤輪機在各種地方的使用。由法國的Gual Industrie以“StatoEolien”的名義出售的可商業(yè)獲得的 VAWT (http://www. gual-statoeolien. com/English/defaultang. html)包括類似的導(dǎo)向裝置。盡管這有助于增加可用風(fēng)力對轉(zhuǎn)子葉片的作用，但總體輸出效率仍然較差，這是因為在葉片周期的稍后階段期間當(dāng)葉片克服風(fēng)力沿著原路返回時由葉片捕獲的風(fēng)能稍后被“放棄”。如可能預(yù)見的，這是嚴(yán)重影響渦輪機發(fā)電效率的因素，特別是在采用VAWT的低風(fēng)速地區(qū)，在這些地區(qū)任何這種損失都會被特別敏銳地感覺到。提高風(fēng)力渦輪機特別是VAWT的效率將是令人期望的。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于導(dǎo)向與轉(zhuǎn)子一起使用的流體流的導(dǎo)向設(shè)備，該轉(zhuǎn)子包括環(huán)形徑向輪葉組件，該環(huán)形徑向輪葉組件包圍借助于該輪葉組件而被封閉保護的中央空間并且被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該導(dǎo)向設(shè)備包括遮蔽件，該遮蔽件在使用過程中用于引導(dǎo)流體沿著與轉(zhuǎn)子相同的方向在所述中央空間內(nèi)基本圍繞所述豎直軸循環(huán)。通過不僅管理氣流到渦輪機內(nèi)的進入，而且還管理氣流在所述渦輪機內(nèi)的運動以及氣流從所述渦輪機的退出，能夠在VAWT內(nèi)減少所產(chǎn)生的湍流和阻力的水平，特別是在背離來風(fēng)的正面高壓沖擊的區(qū)域內(nèi)。使氣流在與轉(zhuǎn)子運動相同的方向上循環(huán)，通過引導(dǎo)氣流流過徑向轉(zhuǎn)子布置內(nèi)的中央空間的不同區(qū)域，有助于減小產(chǎn)生逆著期望轉(zhuǎn)子方向的背向力的阻力水平。在另外的實施方式中，以氣流推動在轉(zhuǎn)子的輪葉上的方式將氣流從所述轉(zhuǎn)子和渦輪機導(dǎo)出，從而兩次從風(fēng)獲得能量一次在迎風(fēng)側(cè)(當(dāng)空氣流入渦輪機時)以及當(dāng)空氣退出渦輪機時。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括圍繞中央空間的環(huán)形徑向輪葉組件，并被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子操作地連接至本發(fā)明的導(dǎo)向設(shè)備。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種導(dǎo)向與轉(zhuǎn)子一起使用的流體流的方法，該轉(zhuǎn)子包括環(huán)形徑向輪葉組件，該環(huán)形徑向輪葉組件包圍借助于該輪葉組件而被封閉保護的中央空間并且被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該方法包括引導(dǎo)流體在與轉(zhuǎn)子相同的方向上在所述中央空間內(nèi)基本圍繞所述豎直軸循環(huán)?，F(xiàn)在將參照附圖
僅以示例方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中圖I是本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機的一個實施方式的示意性平面圖；圖2是風(fēng)力渦輪機的側(cè)視圖；圖3A、3B和3C是在風(fēng)力渦輪機中使用的轉(zhuǎn)子輪葉和導(dǎo)向板條的示意圖；圖4示出了風(fēng)力渦輪機的操作；圖5詳細(xì)地示出了風(fēng)力渦輪機在進入?yún)^(qū)域中的操作；圖6A和6B詳細(xì)地示出了風(fēng)力渦輪機在邊界區(qū)域中的操作；圖7詳細(xì)地示出了風(fēng)力渦輪機在排出區(qū)域中的操作；圖8A和8B是風(fēng)力渦輪機的單個實施和陣列實施的示意圖。圖I是豎軸風(fēng)力渦輪機2的俯視圖，該渦輪機2被布置成圍繞豎直軸4旋轉(zhuǎn)，以用來利用風(fēng)(W)能產(chǎn)生可用的扭矩，包括電力。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，術(shù)語“豎軸風(fēng)力渦輪機”(VAWT)主要用來將這種類型的渦輪機與水平軸渦輪機區(qū)分開來。本發(fā)明的渦輪機旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸不需要是精確豎直的，只要使得渦輪機葉片或輪葉在使用過程中在基本水平方向上旋轉(zhuǎn)即可。如上所述，VAWT能夠在更低風(fēng)速下操作，并且可以預(yù)見到本發(fā)明的渦輪機能夠利用與5km/h —樣低的風(fēng)速產(chǎn)生有用的結(jié)果。如能夠在附圖中看到的，該渦輪機包括圍繞中央?yún)^(qū)段或空間18的三個環(huán)狀葉片或輪葉陣列。這三個環(huán)狀陣列基本上彼此同心并與中央軸4同心。外環(huán)10和內(nèi)環(huán)14是呈現(xiàn)定子形式的空氣導(dǎo)向組件，它們引導(dǎo)并控制氣流朝向、進入、通過、退出轉(zhuǎn)子組件6。環(huán)狀轉(zhuǎn)子組件是三個環(huán)中的中間環(huán)。如所公知的，由流體流在轉(zhuǎn)子輪葉上的推力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生扭矩，該扭矩能夠被用來驅(qū)動例如發(fā)電機(未示出)使泵、砂輪等工作。在所示的實施方式中，轉(zhuǎn)子由均從軸4基本徑向向外延伸的多個輪葉8構(gòu)成。轉(zhuǎn)子輪葉豎直地位于渦輪機內(nèi)，并且在平面圖中，每個輪葉都成一角度從而從軸的真實半徑略微偏移。輪葉可以另選地包括布置成真實半徑構(gòu)造的筆直葉片，但是優(yōu)選它們例如是圖3A中所示類型的不對稱翼面。輪葉包括位于迎風(fēng)側(cè)的凹入表面26，該凹入表面允許將風(fēng)初始“捕捉住”，然后允許風(fēng)從該彎曲表面流走，以便增加從可用風(fēng)力中提取能量時的效率。如所公知的，在使用期間，更高壓迎風(fēng)側(cè)上的推動作用與由低壓背風(fēng)側(cè)的吸力作用的組合致使輪葉運動并產(chǎn)生升力。在一個示例性實施方式中，18m長(或者當(dāng)放置在渦輪機內(nèi)時18m高)的不對稱轉(zhuǎn)子具有大約I. 2m的弦(從上方看)以及位于中間區(qū)段中的O. 2m的最大厚度，該厚度朝向各端逐漸減小。輪葉的確切最佳輪廓取決于渦輪機的總體尺寸和構(gòu)造以及其余部件，其余部件又基于每個地點的具體情況以及期望的性能和產(chǎn)出針對每個渦輪機來確定。圖2示出了渦輪機(只有其外導(dǎo)向組件10可見)的側(cè)視圖，該渦輪機被保持在諸如空間框架之類的架構(gòu)內(nèi)，該架構(gòu)包括上支撐件20、基部支撐件22以及可選的柱24，以便在必要時將該單元上升到風(fēng)的路徑中。在圖8A和SB中能夠看到保持在該空間框架內(nèi)的渦輪機的另外視圖，其中能夠看到容納渦輪機部件的架構(gòu)的截面具有鼓狀結(jié)構(gòu)。該空間框架可以由鋼筋混凝土和鋼材支撐，在該示例性實施方式中，為了適合于容納以上參照尺寸的轉(zhuǎn)子，該空間框架可以具有大約35m寬的總體直徑以及大約20米的高度。轉(zhuǎn)子輪葉在一對環(huán)形托架或?qū)蜍壷g在每個端部處保持就位，所述一對環(huán)形托架或?qū)蜍壏謩e附裝至空間框架的上支撐件和基部支撐件。導(dǎo)向軌防止輪葉在運動過程中滑動脫位。輪葉本身可以在每個端部都附裝至環(huán)形軌道，在使用過程中，輪葉在相應(yīng)的托架中行進，這確保所有輪葉作為單個單元旋轉(zhuǎn)。然而，在以上討論的尺寸的一個實施中，將難以在單個組件中制造、運輸和安裝轉(zhuǎn)子。在這種情況下，一個或更多個轉(zhuǎn)子輪葉可以設(shè)置有一段軌道，在安裝過程中，可以將該段軌道螺栓連接在一起。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可采用各種另選方案將轉(zhuǎn)子輪葉定位在渦輪機內(nèi)。例如，可以將轉(zhuǎn)子輪葉在每個端部都固定至圍繞軸旋轉(zhuǎn)的盤，這消除對于導(dǎo)向軌或軌道的需要。為了減小轉(zhuǎn)子組件的重量和慣性，輪葉可以利用泡沫芯部和環(huán)氧復(fù)合基質(zhì)外涂層構(gòu)成，該環(huán)氧復(fù)合基質(zhì)外涂層可以進行碳增強。轉(zhuǎn)子輪葉在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)具有大體固定的位置，不過它們可以可選和優(yōu)選地設(shè)置有搖擺轂組件，搖擺轂組件使得轉(zhuǎn)子輪葉能夠在破壞性大風(fēng)的情況下采取減小的間距，以防止對輪葉造成損壞或減少對輪葉的損壞。每個轉(zhuǎn)子輪葉的位置相對于彼此是固定的，不過輪葉之間的距離和每個輪葉的尺寸可以根據(jù)渦輪機的期望性能和產(chǎn)出而改變。該渦輪機進一步且優(yōu)選包括用于改善性能的同步器。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子輪葉在每個端部處能夠以不同速度旋轉(zhuǎn)。這至少部分因為轉(zhuǎn)子的下部操作地聯(lián)接至傳動裝置以驅(qū)動發(fā)電機，而上部沒有承載負(fù)載。如可以預(yù)見到的，轉(zhuǎn)子在使用過程中將受到應(yīng)變，并且在極端情況下可能扭曲或斷裂。所述同步器可以采取各種形式，但是一種方案將是在輪葉的頂端處設(shè)置類似的負(fù)載，例如，該同步器采取相同傳動裝置的形式，這種相同傳動裝置將使得轉(zhuǎn)子輪葉的兩端的旋轉(zhuǎn)速度一致?，F(xiàn)在回到導(dǎo)向組件陣列，外導(dǎo)向組件10和內(nèi)導(dǎo)向組件14的葉片或輪葉在該說明書中被稱為板條或網(wǎng)板(分別為12和16)，以便于對它們進行描述，并將它們與轉(zhuǎn)子組件的輪葉8區(qū)分開來。在這里討論的實施方式中，板條像百葉窗一樣布置，從而當(dāng)它們采取“關(guān)閉”位置時，板條的邊緣或者幾乎或者實際接觸或重疊，從而防止或至少阻礙空氣通過。該導(dǎo)向組件的主要作用是使得轉(zhuǎn)子能夠?qū)慕o定的氣流量提取的可用能量最大化，同時尋求顯著地降低當(dāng)氣流從關(guān)閉的中央空間并通過轉(zhuǎn)子輪葉排出時引起的摩擦量和阻力。盡管單獨通過每個導(dǎo)向組件就部分地獲得了期望的效果，但是兩組組件的操作加強了彼此，從而最佳的設(shè)置將涉及到使用彼此協(xié)同工作的兩個組件。如在附圖中可以看到，導(dǎo)向組件10和14的板條被布置成使得轉(zhuǎn)子組件的一些部件向其周圍敞開，而其他部分被板條封閉，從而基本上將轉(zhuǎn)子輪葉(以及其中的中央空間)從它們周圍環(huán)境(位于渦輪機外部)遮蔽。在操作過程中，對于給定風(fēng)向來說，內(nèi)導(dǎo)向定子和外導(dǎo)向定子的板條的布置都保持不變。為了適應(yīng)不同的風(fēng)向，可以重新調(diào)整每個導(dǎo)向陣列的板條的角度，以使得板條采取指向新風(fēng)向的相同配置。另選地，導(dǎo)向環(huán)陣列(保持圖中所示且如下討論的板條配置)可以相對于轉(zhuǎn)子組件手動地旋轉(zhuǎn)至其新位置，要不然如果可行的話(例如在較小的渦輪機中)可以將整個渦輪機翻轉(zhuǎn)。然而，假定所提出的渦輪機尺寸，可以將導(dǎo)向組件重新配置過程機動化以獲得相對于新風(fēng)向的板條配置，但更小的轉(zhuǎn)子輪葉的板條可以通過手工來調(diào)節(jié)。組件
內(nèi)的板條位置的改變可以手動進行，要不然可以使用感測系統(tǒng)以自動地響應(yīng)風(fēng)向、風(fēng)速等的改變(風(fēng)向、風(fēng)速等的改變將需要導(dǎo)向板條角度重新配置)。外導(dǎo)向組件10主要用來通過控制空氣進入渦輪機來調(diào)整流向并流入渦輪機的空氣，并且通過控制空氣從渦輪機排出而使得空氣另一方面能夠以減小的湍流從渦輪機排出。在該實施方式中，外導(dǎo)向組件的板條可以包括分別如圖3B和3C中所示的筆直或彎曲的定子。其相對較薄以使得對風(fēng)力的阻礙最小，并因此優(yōu)選制造成為盡可能薄、光滑且短的表面。由于這提高了轉(zhuǎn)子效率，因此它們布置成非常接近(例如，如果可行的話，以毫米的量級布置)轉(zhuǎn)子輪葉的后邊緣。板條可以由鋼或鋁制成。盡管對于給定風(fēng)向來說在渦輪機的操作過程中板條往往不運動，但是優(yōu)選使它們是可運動的，以便允許對它們進行重新配置，以便例如對不同的風(fēng)向都起作用。這還允許對容許進入蝸輪的空氣量進行控制，以便應(yīng)對較高風(fēng)速或較低風(fēng)速，并且在極端情況下(例如，在將損壞設(shè)備的臺風(fēng)或沙塵暴的情況下，在這種情況下，必須將渦輪機關(guān)閉)，可以在周圍將所有板條完全關(guān)閉，從而防止任何空氣吹入渦輪機。雖然如此，使用上述的搖擺轂轉(zhuǎn)子輪葉仍將有益于在大風(fēng)情況下保護昂貴的轉(zhuǎn)子輪葉，因為相比于外導(dǎo)向組件的板條關(guān)閉，它們可能對這種否則將是災(zāi)難性的情形作出響應(yīng)。因此，在氣流進入方面，將渦輪機的迎風(fēng)側(cè)上的外導(dǎo)向組件的板條布置成使得如果必要的話，通過改變風(fēng)向以最優(yōu)化氣流“撞擊”在轉(zhuǎn)子輪葉上的角度，來將盡可能多的氣流“捕捉住”并引導(dǎo)到渦輪機中到達轉(zhuǎn)子葉片。例如，從圖I中可以看出，位于七點鐘位置的輪葉處于完全打開位置，并且定位成將否則可能圍繞渦輪機行進的氣流“鏟”到渦輪機中以將該氣流“饋送”到轉(zhuǎn)子葉片并向前推動它們以沿著由箭頭“X”所示的順時針方向旋轉(zhuǎn)。這樣，渦輪機的收獲風(fēng)的表面的有效作用面積在渦輪機的迎風(fēng)側(cè)上被顯著地擴大到了 7點鐘位置和12點鐘位置之間的區(qū)域。在渦輪機的背風(fēng)側(cè)上，板條也定位在敞開位置。它們的角度被布置成使得退出渦輪機的空氣再次被引導(dǎo)成在轉(zhuǎn)子運動方向“X”上行進。這確保了從渦輪機出來的氣流不會中斷轉(zhuǎn)子組件在順時針方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)而使其前進變慢。在渦輪機的正交于風(fēng)向的兩側(cè)上，外導(dǎo)向板條被基本關(guān)閉或遮蔽。在這里討論的示例中，通過將板條關(guān)閉而實現(xiàn)遮蔽；設(shè)置其他遮蔽裝置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如采取延伸需要封閉的區(qū)段的長度的單個屏障的形式，這例如可以配置在較小的渦輪機中，其中導(dǎo)向環(huán)陣列可以相對于轉(zhuǎn)子組件運動。下面將結(jié)合圖4來討論在使用過程中外導(dǎo)向排列中的板條總體布置的效果和工作。在該示例性實施方式中，外導(dǎo)向輪葉在每個端部處均附裝至空間框架的上支撐件和基部支撐件?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到內(nèi)導(dǎo)向組件14，這些板條16也被布置成產(chǎn)生向渦輪機周圍環(huán)境敞開或關(guān)閉的區(qū)段或區(qū)域。內(nèi)導(dǎo)向組件的主要功能是在空氣進入渦輪機之后對中央空間內(nèi)的氣流進行引導(dǎo)和控制，從而有助于減少不利地影響轉(zhuǎn)子組件的轉(zhuǎn)動及其總體效率的湍流量以及阻力和摩擦損失。與外導(dǎo)向組件的板條一樣，內(nèi)定子板條也采取薄片材的形式，這些薄片材優(yōu)選沿著其長度被倒角。它們還可以具有向機翼的可動前邊緣一樣的小弦，從而允許每個板條能夠圍繞自身軸線彼此獨立地運動。該柔性在操作過程中允許氣流以最佳角度與轉(zhuǎn)子輪葉的·前邊緣進行接觸。內(nèi)板條可以由金屬或纖維玻璃環(huán)氧復(fù)合材料制成。它們也被布置非常接近轉(zhuǎn)子輪葉的后邊緣，以便使轉(zhuǎn)子效率更高?？偟膩碚f，內(nèi)組件的板條16以如下方式布置，即像外導(dǎo)向組件的板條一樣，使其在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)上均敞開，同時在位于與風(fēng)向正交的側(cè)面上的其他兩個截面中基本封閉。另外，每個內(nèi)導(dǎo)向板條的精確角度被定位成促進氣流在與轉(zhuǎn)子行進方向相同的方向上圍繞渦輪機軸線在中央空間中循環(huán)，如下面將結(jié)合圖4進一步描述的。由內(nèi)導(dǎo)向環(huán)陣列限定的中央空間18沿著橫向于渦輪機的豎直軸的平面基本上但非全部地被覆蓋物(未示出，但是其可以采取圓盤等形式)封閉。所述覆蓋物布置在空間框架的上支撐結(jié)構(gòu)20和基部支撐結(jié)構(gòu)22內(nèi)，從而它們以仍然允許轉(zhuǎn)子輪葉自由運動的方式將中間空間“夾在中間”。它們也可以被看作是渦輪機的頂部和底部。在一非常大的實施中，可以將支柱或柱桿穿過渦輪機的中央軸線放置，以幫助支起該頂部；然而，這對于本發(fā)明的操作來說并不是必須的。這種布置防止或阻礙空氣在與渦輪機的豎直軸平行的方向上進入中央空間或從中央空間逃逸，從而強迫空氣經(jīng)由轉(zhuǎn)子輪葉和導(dǎo)向組件板條10、14之間的空間僅在基本水平的方向上流動到封閉的中央空間和從該封閉的中間空間流出。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識至IJ，僅需要覆蓋物來覆蓋中央空間以實現(xiàn)封閉效果，但是應(yīng)意識到優(yōu)選這些覆蓋物還能夠覆蓋轉(zhuǎn)子組件以及導(dǎo)向陣列以便容易組裝和維護；完全覆蓋還可以幫助防止空氣從中央空間泄漏。這些覆蓋物還可以由輕質(zhì)材料或任何其他材料制成，并且可以采取任何構(gòu)造，只要其能夠阻礙或防止空氣從中央空間泄漏或進入該中央空間即可。圖4是圖I和圖2中所示的渦輪機的實施方式的操作的圖。在該圖中，中央空間18示出為被分成四個區(qū)域· “進入?yún)^(qū)域”(7點鐘位置和12點鐘位置之間的區(qū)域“A”)； 第一“邊界區(qū)域”(12點鐘位置和2點鐘位置之間的區(qū)域“B”)； “排出區(qū)域”(2點鐘位置和5點鐘位置之間的區(qū)域“C”)；以及 第二“邊界區(qū)域”(5點鐘位置和7點鐘位置之間的區(qū)域“D”)。在該附圖中，風(fēng)W被示出為從左吹向右，并且渦輪機的期望旋轉(zhuǎn)方向沿著順時針方向“X”。渦輪機的迎風(fēng)側(cè)是壓力比背風(fēng)側(cè)高的區(qū)域。在進入?yún)^(qū)域“A”中，渦輪機外部的風(fēng)被外導(dǎo)向組件14的板條16 “收集”并被導(dǎo)向轉(zhuǎn)子6的輪葉8。因為在進入?yún)^(qū)域中(特別是在9點鐘位置左右)外板條的敞開徑向構(gòu)造，風(fēng)能夠直接流動到轉(zhuǎn)子的輪葉，如圖4和5中更詳細(xì)地所示。在沒有使用外導(dǎo)向組件的傳統(tǒng)VAffT中，可以預(yù)見到，風(fēng)將僅僅在位于9點鐘位置和12點鐘位置之間的區(qū)域中有用地撞擊在轉(zhuǎn)子輪葉上。然而，通過使用外導(dǎo)向定子，否則可能圍繞渦輪機流動而損失的氣流轉(zhuǎn)而被捕獲并被“鏟”(通過改變氣流方向“X”)到渦輪機內(nèi)，以在期望方向“X”上推動轉(zhuǎn)子輪葉。這有助于增加作用在轉(zhuǎn)子上的推力，并有助于總體上增加渦輪機的效率。如上所述，VAWT中的大多數(shù)可用風(fēng)能都是在迎風(fēng)側(cè)上提取的，在該迎風(fēng)側(cè)上，氣流直接推動在輪葉上。在傳統(tǒng)的VAWT設(shè)置中，在任何其他區(qū)域處都沒有力推動在輪葉上，從而在“返回行程”中，轉(zhuǎn)子組件特別容易受到阻力的影響。在風(fēng)力大于該阻力的情況下，獲得能夠用于驅(qū)動發(fā)電機的凈正力。在驅(qū)動力等于或小于阻力的情況下，沒有能量可被獲取。 因此，使阻力對系統(tǒng)的影響最小化十分重要。在氣流已經(jīng)被引導(dǎo)在轉(zhuǎn)子輪葉上之后，氣流流入中央空間中，如由箭頭“W”所示。在傳統(tǒng)的渦輪機中，沒有對氣流從渦輪機的退出進行管理，從而在中央空間內(nèi)和/或轉(zhuǎn)子輪葉周圍積累呈現(xiàn)空氣渦旋形式的湍流。這有助于在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生摩擦和阻力，這會不利地影響轉(zhuǎn)子在期望方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，特別是在轉(zhuǎn)子組件的“返回行程”上。如果阻力等于或超過作用在轉(zhuǎn)子輪葉上的推動力，則不會產(chǎn)生有用扭矩來轉(zhuǎn)動發(fā)電機或進行其他工作。根據(jù)該示例性實施的本發(fā)明的內(nèi)導(dǎo)向輪葉通過管理中央空間內(nèi)的氣流而解決該問題。具體地說，空氣被引導(dǎo)在中央空間內(nèi)以在與轉(zhuǎn)子輪葉的期望旋轉(zhuǎn)方向“X”相同的方向上圍繞渦輪機的中央軸線循環(huán)(即以基本圓形的、全部或部分的弓形或彎曲的方式行進)。以這種方式管理氣流減少在中央空間內(nèi)建立的湍流的水平，并且具有使得空氣以在轉(zhuǎn)子行進的期望方向上賦予驅(qū)動力的角度在渦輪機的背風(fēng)側(cè)上撞擊在轉(zhuǎn)子輪葉上的附加好處?？傮w來說，這是通過根據(jù)氣流在渦輪機內(nèi)的各種區(qū)域處行進所沿的期望方向圍繞內(nèi)導(dǎo)向組件的圓周以變化角度定位內(nèi)導(dǎo)向組件的板條來實現(xiàn)的。這樣，中央空間內(nèi)的空氣可以根據(jù)其所在區(qū)域而被選擇性地引導(dǎo)向轉(zhuǎn)子輪葉并穿過該轉(zhuǎn)子輪葉，或者被遮擋開。初始進入中央空間內(nèi)的進入?yún)^(qū)域中的所有空氣都被朝向如由箭頭“W”所示的第一邊界區(qū)域沿著順時針方向引導(dǎo)。如從圖5中的兩個導(dǎo)向組件的板條與轉(zhuǎn)子輪葉之間的相互作用的詳細(xì)圖示可以看出的，在敞開位置，位于進入?yún)^(qū)域“A”中的內(nèi)引導(dǎo)組件的板條基本上在與外導(dǎo)向組件的板條相同的方向上成角度布置。氣流W被從渦輪機的外部引導(dǎo)通過外導(dǎo)向板條12之間的間隙而以期望角度撞擊在轉(zhuǎn)子輪葉8上。穿過轉(zhuǎn)子組件的氣流通過內(nèi)定子組件的板條被引導(dǎo)到第一邊界區(qū)域B，而不是被允許以不受控制的方式進入中央空間以圍繞渦輪機尋找自身路徑并最終從渦輪機出來。如在圖4和6A中可以看到，位于第一邊界區(qū)域“B”處的內(nèi)導(dǎo)向組件和外導(dǎo)向組件的板條都是關(guān)閉或幾乎關(guān)閉的，從而少許或沒有空氣能夠從中央空間流到轉(zhuǎn)子輪葉。將該區(qū)段隔離減小了背向力在輪葉上的沖擊，該沖擊將打斷轉(zhuǎn)子的連續(xù)光滑運動。板條在該區(qū)域中的取向還用于促進氣流改變方向，并且運動到位于渦輪機的背風(fēng)側(cè)的作為排出區(qū)域“C”的下一個區(qū)域。在圖4至圖7中所示的空氣排出區(qū)域“C”中，內(nèi)導(dǎo)向組件和外導(dǎo)向組件的板條均敞開并且朝向第二邊界區(qū)域“D”取向，這促進了空氣沿著與轉(zhuǎn)子輪葉行進方向相同的方向上流動。在進入渦輪機之后將降低的氣流速度通過在渦輪機的背風(fēng)側(cè)(在大約3點鐘的位置處)位于該渦輪機外側(cè)的低壓區(qū)域的抽吸作用而特別地在該區(qū)域中重新獲得。該區(qū)域中的內(nèi)導(dǎo)向組件的板條被特別是以一定角度傾斜，以促進退出的空氣以期望迎角接觸轉(zhuǎn)子輪葉的前邊緣，從而在排出區(qū)域中的輪葉上施加推力。這有利地利用否則將逆著轉(zhuǎn)子行進方向施加背壓的排出空氣作為作用在轉(zhuǎn)子輪葉上的正推力的第二源良好地作用在渦輪機的背風(fēng)側(cè)上。可以預(yù)見到，進入中央空間的大量氣流將從排出區(qū)域“C”離開腔室。留下的空氣通過第二邊界區(qū)域“D” (在該區(qū)域中，兩個導(dǎo)向組件的板條都被構(gòu)造成用來防止或阻礙空氣退出中央空間)繼續(xù)在方向“X”上圍繞渦輪機的中央軸線循環(huán)。導(dǎo)向組件的該板條配置類似于第一邊界區(qū)域中的布置，如圖6B中更詳細(xì)地所示。圖4示出了一種布置，其中位于更接近排出區(qū)域的區(qū)域中的那些內(nèi)導(dǎo)向板條處于基本關(guān)閉位置。更接近進入?yún)^(qū)域的板條處于更為敞開的位置，因為它們成角度以允許從渦輪機外部從左到右行進的新鮮氣流能夠進入進入?yún)^(qū)域，同時克服在中央空間內(nèi)沿著相反方向、從右向左或逆時針方向行進的循環(huán)氣流而成一角度。這促進中央空間內(nèi)的氣流改變方向，從而其再次進入進入?yún)^(qū)域以與新的氣流 混合，新的氣流將以上述方式在中央空間內(nèi)經(jīng)歷循環(huán)?？傊?，導(dǎo)向組件10、14被構(gòu)造成致使或促進氣流 在進入?yún)^(qū)域附近以期望迎角撞擊在轉(zhuǎn)子上； 在第一邊界區(qū)域中改變方向從而通過不在該區(qū)域退出渦輪機而降低阻力； 在排出區(qū)域附近以期望迎角撞擊在轉(zhuǎn)子上；以及 在第二邊界區(qū)域中改變方向從而通過不在該區(qū)域退出渦輪機而降低阻力。如上所述，通過內(nèi)導(dǎo)向組件和外導(dǎo)向組件的彼此結(jié)合的操作能夠獲得最大優(yōu)點。然而，通過使利用其中一個組件的程度大于另一個可以獲得其中一些優(yōu)點(主要采取降低渦輪機內(nèi)的阻力的形式)。例如，僅使用內(nèi)導(dǎo)向組件(以上述方式構(gòu)造)可以具有這種效果。另選地，與內(nèi)定子一起使用的其所有板條經(jīng)相同地成角(即具有非遮蔽區(qū)段)的外導(dǎo)向組件也可以用來實現(xiàn)降低阻力。另一個另選方式是布置具有可動板條的內(nèi)導(dǎo)向組件，這將有助于改善中央空間內(nèi)的湍流。如以上圖2所示，渦輪機可以容納在作為單個獨立單元的諸如空間框架之類的架構(gòu)內(nèi)。圖8A是這種單元的另一個圖示，圖SB示出了可以堆疊或排列在彼此之上的包括類似渦輪機陣列的渦輪機實施。在用來布置多個渦輪機的情況下，對于該架構(gòu)(具體是支柱)來說優(yōu)選的是由鋼制成，從而能夠以模塊化方式按照需要增加附加的單元。將意識到的是，所述渦輪機并不限于僅僅與風(fēng)力或氣流一起使用。這里的描述能夠通過必要修改(這種修改保持在本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi))利用任何流體流(包括液體，例如海水或河水)來操作?？梢詫u輪機單元進行其他修改和增加，以改進其使用性能，諸如用于以防止板條和輪葉遭受侵入者(人類或動物)侵入的網(wǎng)的配件、用于清潔和維護目的的行走平臺等。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可以改變零件的尺寸、取向、位置和構(gòu)造以及用于構(gòu)成所述設(shè)備的部件和零件的材料，這些都將在本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于導(dǎo)向與轉(zhuǎn)子一起使用的流體流的導(dǎo)向設(shè)備，該轉(zhuǎn)子包括環(huán)形徑向輪葉組件，該輪葉組件包圍借助于該輪葉組件而被封閉保護的中央空間并且被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該導(dǎo)向設(shè)備包括遮蔽件，該遮蔽件在使用過程中用于引導(dǎo)流體在與所述轉(zhuǎn)子相同的方向上在所述中央空間內(nèi)基本圍繞所述豎直軸循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件被進一步布置成將所述流體流從所述中央空間導(dǎo)出。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件被布置成使得在使用中阻止所述流體流在所述導(dǎo)向設(shè)備內(nèi)的流體保持區(qū)域處離開所述中央空間而撞擊在所述輪葉組件上。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件被布置成使得在使用中當(dāng)所述流體流離開所述中央空間時，促進所述流體流在所述導(dǎo)向設(shè)備內(nèi)的流體排出區(qū)域處撞擊在所述輪葉組件上。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件包括內(nèi)導(dǎo)向陣列，該內(nèi)導(dǎo)向陣列被所述輪葉組件同心地圍繞。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件被進一步布置成將所述流體流導(dǎo)向并導(dǎo)入所述中央空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件被布置成使得在使用中當(dāng)該流體流進入所述中央空間時，促進所述流體流在所述導(dǎo)向設(shè)備內(nèi)的流體進入?yún)^(qū)域處撞擊在所述輪葉組件上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件進一步包括同心地圍繞所述輪葉組件的外導(dǎo)向陣列。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述遮蔽件包括多個板條的組件，百葉窗式的所述多個板條均被布置成使得它們共同地引導(dǎo)所述中央空間內(nèi)的所述流體流、或?qū)⑺隽黧w流從所述中央空間導(dǎo)出，或者將所述流體流導(dǎo)向并導(dǎo)入所述中央空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述內(nèi)導(dǎo)向陣列的百葉窗式板條選擇性地成角度，以在使用過程中在所述中央空間內(nèi)圍繞所述豎直軸沿著基本圓形方向?qū)蛩隽黧w流。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述內(nèi)導(dǎo)向陣列的所述百葉窗式板條 在使用過程中被關(guān)閉，以阻止所述流體流在所述流體保持區(qū)域處離開所述中央空間；并且 在使用過程中成角度，以促進所述流體流在所述流體排出區(qū)域處離開所述中央空間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述外導(dǎo)向陣列的百葉窗式板條 在使用過程中被關(guān)閉，以阻止所述流體流在所述流體保持區(qū)域處借助所述輪葉組件而離開所述中央空間；并且 成角度，以促進所述流體流在所述流體進入?yún)^(qū)域處撞擊在所述輪葉組件上。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，其中所述多個板條中的每個板條附裝至所述導(dǎo)向設(shè)備的角度都是可變的。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備，該導(dǎo)向設(shè)備進一步包括同步器，該同步器用于確保所述轉(zhuǎn)子的輪葉的所有部分都以相同的速度運動。
15.一種風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括圍繞中央空間的環(huán)形徑向輪葉組件，并被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子操作地連接至任一前述權(quán)利要求所述的導(dǎo)向設(shè)備。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪機進一步包括發(fā)電機。
17.一種導(dǎo)向與轉(zhuǎn)子一起使用的流體流的方法，該轉(zhuǎn)子包括環(huán)形徑向輪葉組件，該輪葉組件包圍借助于該輪葉組件而被封閉保護的中央空間并且被布置成圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，該方法包括 引導(dǎo)流體在與所述轉(zhuǎn)子相同的方向上在所述中央空間內(nèi)基本圍繞所述豎直軸循環(huán)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述流體流隨后被引導(dǎo)出所述中央空間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中引導(dǎo)所述流體流在所述中央空間內(nèi)沿著基本圓形方向從流體進入?yún)^(qū)域行進到第一流體保持區(qū)域、流體排出區(qū)域、第二流體保持區(qū)域并返回所述流體進入?yún)^(qū)域，其中 阻止所述流體在所述第一流體保持區(qū)域處離開所述中央空間； 所述流體的全部或部分在所述流體排出區(qū)域處離開所述中央空間； 阻止任何剩余流體在所述第二流體保持區(qū)域處離開所述中央空間；并且 使所述任何剩余流體返回到所述流體進入?yún)^(qū)域。
20.一種方法，該方法通過引導(dǎo)流體在中央空間內(nèi)圍繞豎直軸沿著基本圓形方向行進來操作根據(jù)權(quán)利要求I至14中任一項所述的導(dǎo)向設(shè)備或操作根據(jù)權(quán)利要求15所述的風(fēng)力渦輪機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于導(dǎo)向流體通過豎軸風(fēng)力渦輪機的導(dǎo)向設(shè)備，該導(dǎo)向設(shè)備包括圍繞豎直軸(4)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(6)、內(nèi)導(dǎo)向陣列(10)和外導(dǎo)向陣列(14)以及中央空間(18)。內(nèi)導(dǎo)向陣列(10)和外導(dǎo)向陣列(14)的每個單個板條的角度都可以被改變，從而建立流體進入?yún)^(qū)域(A)、保持區(qū)域(B，D)和流體排出區(qū)域(C)。流體通過進入?yún)^(qū)域(A)進入中央空間(18)，并且沿著與轉(zhuǎn)子(6)相同的方向在中央空間(18)中循環(huán)。
文檔編號F03D3/04GK102959237SQ201080067816
公開日2013年3月6日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者該·安德魯·瓦氏 申請人:該·安德魯·瓦氏