專利名稱:具有可變?nèi)~片位移的多級風(fēng)力渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及多級風(fēng)力渦輪機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)變成可接受的綠色能源,然而,現(xiàn)有設(shè)計(jì)具有 一 些缺陷,這些缺陷妨礙了風(fēng)力渦輪機(jī)得到更廣泛的使用。這些缺陷包括有些人認(rèn)為難看的大尺寸、變化的渦輪轉(zhuǎn)速、和噪音。這些問題的根源在于風(fēng)的動能向渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)換小于理想轉(zhuǎn)換。如果使該轉(zhuǎn)換更高效,則葉片可以制得更小,
從而塔(tower)更小、葉片梢(blade tip)轉(zhuǎn)速更低,并且噪音減小。反過來,具有相同直徑的葉片可以產(chǎn)生更多電力。此外,具有可變的風(fēng)速響應(yīng)性的渦輪機(jī)可以被控制成在變化的風(fēng)速條件下以更恒定的速度轉(zhuǎn)動。
本領(lǐng)域公知的是,可以通過增加葉片的數(shù)量來增大由風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
在現(xiàn)有技術(shù)中,很多注意力都集中在不同類型的風(fēng)力渦輪機(jī)上,或者集中在特定部件的優(yōu)化上。US 7,347,660說明了 一種改進(jìn)型的豎軸渦輪機(jī)。US 7,344,360側(cè)重用于單轉(zhuǎn)子橫軸風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片設(shè)計(jì),并且要求保護(hù)具有可變平面掃描(planesweep)的葉片。US 7,335,128說明了用于4黃軸風(fēng)力渦輪機(jī)的改進(jìn)的傳遞設(shè)計(jì)。US 7,331,761說明了用于橫軸風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的改進(jìn)的變槳軸承(pitch bearing )。 US 7,293,959說明了用于橫軸風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的獨(dú)立葉片的升降調(diào)整部件。
其它發(fā)明人已經(jīng)教示了多個轉(zhuǎn)子,但是沒有任何人或任何技術(shù)考慮將該多個轉(zhuǎn)子以可變角位移和/或軸線位移安裝至同一軸線上,以控制組合的虛擬葉片(virtual blade)的轉(zhuǎn)矩特性。US 7,299,627致力于在風(fēng)電場情況下、上游轉(zhuǎn)子的風(fēng)影(windshadow)對下游轉(zhuǎn)子的破壞性沖擊,但是并沒有預(yù)期將上游轉(zhuǎn)子和下游轉(zhuǎn)子安裝在同 一軸上的積才及意義。US 6,713,893 >開了在不同軸線上的不同軸上的第 一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子,以及當(dāng)場內(nèi)轉(zhuǎn)子彼此相對轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生電能的組合發(fā)電機(jī)。US 6,504,260教示兩個反向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子,每一個轉(zhuǎn)子均被連接至單獨(dú)的軸和軸套,兩個轉(zhuǎn)子分別位于不同的軸線,并且兩個轉(zhuǎn)子都被連接至共用發(fā)電機(jī)系統(tǒng),以允許提高負(fù)荷控制。US 6,278,197教示兩個反向?qū)巹?counter-rotating)的壽爭子在內(nèi)軸和夕卜軸上同軸線地安裝至發(fā)電機(jī)的相反端部,使得兩個軸的由風(fēng)引起的反向轉(zhuǎn)動歸因于安裝在兩個轉(zhuǎn)子之間的發(fā)電機(jī)部件而產(chǎn)生電能。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面, 一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其用于風(fēng)力渦輪機(jī),風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組包括具有至少一個前葉片的前轉(zhuǎn)子和具有至少一個后葉片的后轉(zhuǎn)子,其中,前葉片和后葉片之間的角位移能夠調(diào)節(jié),前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子沿相同的方向轉(zhuǎn)動。
在一個實(shí)施方式中,前葉片和后葉片之間的角位移能夠在-15度到+ 15度的角度范圍調(diào)節(jié)。
在另一個實(shí)施方式中,能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)前葉片和后葉片之間的角位移。
在還一個實(shí)施方式中,前葉片和后葉片之間的軸向位移能夠調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面, 一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其用于風(fēng)力渦輪機(jī),風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組包括具有至少一個前葉片的前轉(zhuǎn)子和具有至少一個后葉片的后轉(zhuǎn)子,其中,前葉片和后葉片
之間的軸向位移能夠調(diào)節(jié),前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在風(fēng)力 渦輪^凡運(yùn)轉(zhuǎn)時,前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子沿相同的方向轉(zhuǎn)動。
在一個實(shí)施方式中,軸向位移能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直徑的10%的
曰f 。
在另一個實(shí)施方式中,能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào) 節(jié)軸向4立移。
在還 一 個實(shí)施方式中,前轉(zhuǎn)子具有以12 0度的間隔安裝的三 個前葉片,并且后轉(zhuǎn)子具有以120度的間隔安裝的三個后葉片。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組還包括具有至少 一個中間葉片的中間轉(zhuǎn)子,前轉(zhuǎn)子和中間轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在風(fēng) 力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,前轉(zhuǎn)子和中間轉(zhuǎn)子沿相同的方向轉(zhuǎn)動。
在還一個實(shí)施方式中,前葉片和中間葉片之間的中間角位 移能夠調(diào)節(jié)。
在還一個實(shí)施方式中,前葉片和中間葉片之間的中間軸向 位移能夠調(diào)節(jié)。
在還一個實(shí)施方式中,前葉片和中間葉片之間的中間角位 移能夠在-15度到+15度的角度范圍調(diào)節(jié)。
在還一個實(shí)施方式中,能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào) 節(jié)前葉片和中間葉片之間的中間角位移。
在還一個實(shí)施方式中,中間軸向位移能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直徑的 10%的量。
在還一個實(shí)施方式中,能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào) 節(jié)中間軸向位移。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪才幾葉片組還包括前平衡體, 該前平衡體與前葉片成180度地位于前轉(zhuǎn)子上。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪4幾葉片組還包括后平衡體,該后平衡體與后葉片成180度地位于后轉(zhuǎn)子上。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦4侖才幾葉片組還包括中間平銜二
體,該中間平tf體與中間葉片成180度地位于中間轉(zhuǎn)子上。
在還一個實(shí)施方式中,能夠調(diào)節(jié)前葉片和后葉片之間的角 位移和軸向位移佳J尋該角位移和該軸向位移都逼近于O,并且前 葉片和后葉片具有單葉片的組合的空氣動力效果。
在還一個實(shí)施方式中,能夠調(diào)節(jié)前葉片、后葉片和中間葉 片之間的角位移和軸向位移,4吏得該角位移和該軸向位移都逼 近于O,并且前葉片、后葉片和中間葉片具有單葉片的組合的空 氣動力效果。
在還一個實(shí)施方式中,能夠調(diào)節(jié)前葉片、后葉片和中間葉 片之間的角位移,使得該角位移逼近于120度,并且前葉片、后 葉片和中間葉片具有三葉片單轉(zhuǎn)子葉片組的組合的空氣動力效果。
本發(fā)明的還一方面是一種風(fēng)力渦輪機(jī),其具有上述風(fēng)力渦 專侖才幾葉片纟且。
在一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦4侖才幾具有前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子,前 轉(zhuǎn)子被安裝于內(nèi)軸,后轉(zhuǎn)子被安裝于外軸,內(nèi)軸和外軸同軸線, 并且內(nèi)軸和外軸能夠;f皮此相對轉(zhuǎn)動。
在另一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括能夠調(diào)節(jié)的軸 套,該能夠調(diào)節(jié)的軸套允許前轉(zhuǎn)子相對于后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,或者允 許后轉(zhuǎn)子相對于前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動;以及制動系統(tǒng),該制動系統(tǒng)允許 能夠調(diào)節(jié)的軸套被安裝至使得前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子不彼此相對轉(zhuǎn)動 的位置。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括被安裝至內(nèi)軸的 末端的線性致動器,線性致動器被構(gòu)造成線性致動器能夠推 動內(nèi)軸和前轉(zhuǎn)子以增大前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子之間的軸向位移,并且線性致動器能夠拉動內(nèi)軸和前轉(zhuǎn)子以減小前轉(zhuǎn)子和后轉(zhuǎn)子之間 的軸向 <立移。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括^皮聯(lián)接至內(nèi)軸的 軸制動器,當(dāng)軸制動器被啟動時,軸制動器允許鎖定內(nèi)軸相對 于外軸的轉(zhuǎn)動,并且,當(dāng)軸制動器被釋放時,軸制動器允許內(nèi) 軸相對于外軸自由轉(zhuǎn)動。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括位置傳感器,該 位置傳感器能夠監(jiān)測內(nèi)軸相對于外軸的相對轉(zhuǎn)動位置,以便于 控制角位移。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括空氣動力罩。 在還一個實(shí)施方式中,空氣動力罩被構(gòu)造成大尺寸噴嘴。 在還一個實(shí)施方式中,空氣動力罩包括鼻錐、至少一個支
撐件和至少一個定子件,支撐件被構(gòu)造成與鼻錐一體化。
在還一個實(shí)施方式中,空氣動力罩被構(gòu)造成在葉片發(fā)生脫
離時容納葉片。
在還一個實(shí)施方式中,葉片構(gòu)造有永磁體,空氣動力罩構(gòu) 造有多個發(fā)電積J茲極,發(fā)電機(jī)》茲極選擇性地對葉片的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生 響應(yīng),以產(chǎn)生電 流。
在還一個實(shí)施方式中,對于平均風(fēng)力條件預(yù)設(shè)角位移和軸 向位移。
在還一個實(shí)施方式中,風(fēng)力渦輪機(jī)還包括成套花鍵或成套
凸輪,成套花4建或成套凸輪被構(gòu)造成產(chǎn)生角位移和軸向位移的 固定參數(shù)組。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn),可以通過改變附加葉片相對于原始葉 片的位置來調(diào)節(jié)由附加葉片產(chǎn)生的增加的轉(zhuǎn)矩的量??梢砸赃@ 種方式控制葉片的相對位置,以在低風(fēng)速時產(chǎn)生高渦輪轉(zhuǎn)數(shù) (rpm),以及在高風(fēng)速時產(chǎn)生低渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。由此可以得出如下結(jié)論,可以控制葉片的相對位置,以在變化風(fēng)速條件下產(chǎn)生更
流(AC)電力的任務(wù)變?nèi)菀?。此外,能夠由小葉片產(chǎn)生更大轉(zhuǎn) 矩將允許構(gòu)建具有較低葉片梢轉(zhuǎn)速的小渦輪機(jī),從而減小質(zhì)量、 成本以及噪聲。
上面說明了可以實(shí)時地調(diào)節(jié)葉片的相對位置以補(bǔ)償變化風(fēng) 速條件的構(gòu)造。作為可選方案,可以重設(shè)葉片的相對位置以適 于給定地點(diǎn)的平均風(fēng)力條件。這與為適應(yīng)局部地區(qū)的風(fēng)力條件 而設(shè)計(jì)一套新的渦4侖機(jī)相比,更加簡單和Y更宜,因而在低平均 風(fēng)速地點(diǎn)更經(jīng)濟(jì)可4亍。
本發(fā)明人教示可以用兩個基本參數(shù)描述兩個鄰近葉片的相 對位置,即軸向<立移和角4立移。軸向^f立移可以^皮定義為沿著渦 輪機(jī)軸測量的上游葉片和下游葉片之間的距離。角位移可以被 定義為下游葉片沿轉(zhuǎn)動方向指向上游葉片的角度。這些葉片可 以是相同或不同的組成、和/或相同或不同的幾^f可形狀,以產(chǎn)生 最理想的組合空氣動力特性和聲音品質(zhì)。
多個葉片可以位于兩個或多個轉(zhuǎn)子上,以易于控制處理。 此外,轉(zhuǎn)子可以在獨(dú)立的軸上同軸線地安裝,A人而可以相對于 一個轉(zhuǎn)子改變另 一個轉(zhuǎn)子的相對位置,從而改變安裝至轉(zhuǎn)子的 葉片的相對位置。在這種情況下,軸向位移可以被定義為沿著 渦輪機(jī)軸測量的上游轉(zhuǎn)子和鄰近的下游轉(zhuǎn)子之間的距離,角位 移可以被定義為下游轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)動方向指向鄰近的上游轉(zhuǎn)子的角 度。
在兩個轉(zhuǎn)子的構(gòu)造中,兩個轉(zhuǎn)子中的每個轉(zhuǎn)子可以具有以
120度的間隔安裝的3個葉片,并且每個轉(zhuǎn)子如目前的大多數(shù)風(fēng) 力渦輪機(jī)那樣與傳統(tǒng)的三葉片轉(zhuǎn)子相似。通過在恒定風(fēng)速條件 下測試這類構(gòu)造已經(jīng)確認(rèn),渦輪轉(zhuǎn)速可以在具有負(fù)角位移時增加至最大,并且渦輪轉(zhuǎn)速可以在具有正角位移時減小至最小。 此外,已經(jīng)確認(rèn),渦輪轉(zhuǎn)速可以隨著更大軸向位移而增大至最 大,并且隨著更小軸向位移而減小至最小。所需的角位移和軸
向位移的變化很輕微,試驗(yàn)結(jié)果表明,對公稱轉(zhuǎn)子直徑6'來說, +/ - 7.5度的角位移變化與2"的軸向位移變化的組合將使渦輪轉(zhuǎn) 速改變差不多20%。
意外的是,當(dāng)角位移為0度時,兩個轉(zhuǎn)子中的每一個轉(zhuǎn)子均 具有以12 0度的間隔安裝的3個葉片的兩個轉(zhuǎn)子構(gòu)造的渦輪機(jī)轉(zhuǎn) 速也比相當(dāng)?shù)膯无D(zhuǎn)子渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速高。這可能是因?yàn)?,兩個葉片 起到"雙平面"翼型(type "bi-plane" wing )的作用,對相同的視 風(fēng)(apparent wind)產(chǎn)生更大提升(lift)。 乂人這個觀點(diǎn)來看, 改變角位移的一既念可以;故想象為上部翼面可以相對于下部翼面 來回移動的雙平面翼型,從而調(diào)節(jié)組合渦輪機(jī)葉片的升阻特性 (lift and drag characteristics )。 jt匕夕卜,改變壽由向4立移的才既念可 以被想象為上翼面可以上下移動從而接近或遠(yuǎn)離下翼面的雙平 面翼型,以調(diào)節(jié)組合渦輪機(jī)葉片的升阻特性。此外,應(yīng)當(dāng)注意, 通過使渦輪機(jī)的軸線的指向遠(yuǎn)離風(fēng),可以使視風(fēng)的方向更有利, 特別是在低轉(zhuǎn)數(shù)的情況下。該技術(shù)可以用于增加啟動時的轉(zhuǎn)矩。
上述組合渦輪機(jī)葉片可以被認(rèn)為是具有可調(diào)節(jié)的空氣動力 特性的虛擬渦輪機(jī)葉片類型。從而兩個轉(zhuǎn)子中的每一個轉(zhuǎn)子均 具有間隔120度的3個葉片的兩個轉(zhuǎn)子構(gòu)造,可以被看作具有三 個可調(diào)節(jié)的虛擬葉片的傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)子渦輪機(jī)。該方法可以允許如 CFD模型等已有設(shè)計(jì)工具被應(yīng)用于多級風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)。
在另一實(shí)施方式中,多級風(fēng)力渦輪才幾可以-波構(gòu)造成具有三 個轉(zhuǎn)子,每個轉(zhuǎn)子均具有一個渦輪機(jī)葉片。此外,每個渦輪機(jī) 葉片可以被構(gòu)造成具有與葉片成180度地定位的平衡體,以提供 平衡。在這種情況下,三個葉片可以以彼此成零(0)度的角位
13移的方式定位或者以彼此成非常小的角位移的方式定位,同時 具有可變軸向位移,以產(chǎn)生一種具有單個可調(diào)節(jié)虛擬葉片的多
級風(fēng)力渦4侖才幾。此外,相同的三個葉片還可以以120度的相對角
位移定位,以將同 一 多級風(fēng)力渦4侖改變成具有三個可調(diào)節(jié)的 虛擬葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)。單虛擬葉片模式降低了相同的掃掠區(qū)
域的葉片充填系數(shù)(solidity ),從而增大潛在的渦輪轉(zhuǎn)速。三 個虛擬葉片模式會增加葉片充填系數(shù),但是還增加了由風(fēng)力渦 輪機(jī)提供的潛在轉(zhuǎn)矩。也可以被設(shè)計(jì)成對整體的空氣動力特'性 作出貢獻(xiàn)的平衡體可以為單虛擬葉片模式的構(gòu)造、三虛擬葉片 模式的構(gòu)造以及在該兩種模式之間變換時增加平衡。
在一些被設(shè)計(jì)成承受非常大的風(fēng)速或狂風(fēng)的實(shí)施方式中, 轉(zhuǎn)子和葉片可以被設(shè)計(jì)成使得葉片可以以無軸向位移的方式嵌 套在一起。此外,上游葉片可以比下游葉片大,使得下游葉片 完全處于上游葉片的風(fēng)影中,從而消除任何雙平面影響,并且 使組合的虛擬葉片起傳統(tǒng)的單葉片的作用。
本發(fā)明還教示,空氣動力罩可以被構(gòu)造成圍繞多級風(fēng)力渦 輪機(jī)葉片的周部,從而由該空氣動力罩在氣流通過多級風(fēng)力渦 輪機(jī)時控制和加速氣流。空氣動力罩還可以被構(gòu)造成減小噪聲, 以及減小由可能變成與軸套脫離的葉片引起的損害。用于空氣 動力罩的支撐結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造成定子葉片,以控制和優(yōu)化風(fēng)和 由上游轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的伴流(wake),從而提高下游轉(zhuǎn)子的性能。 此外,用于空氣動力罩的支撐結(jié)構(gòu)還可以被構(gòu)造成起散熱器的 作用,為發(fā)電機(jī)或者可能位于軸套區(qū)域的其它部件提供冷卻。
在一可選實(shí)施方式中,空氣動力罩還可以:帔構(gòu)造成響應(yīng)渦 輪機(jī)葉片梢的轉(zhuǎn)動的發(fā)電機(jī)。在這種情況下,發(fā)電機(jī)/空氣動力 罩可以包括多個極,可選擇地在多個渦輪轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),以在變 化風(fēng)力條件下產(chǎn)生相對恒定頻率的交流電力,或者在不利的風(fēng)力條件下產(chǎn)生制動效果。
圖1示出具有三個虛擬葉片的多級風(fēng)力渦輪機(jī)的正視圖;圖2示出具有三個虛擬葉片的多級風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖;圖3示出具有三個虛擬葉片的多級風(fēng)力渦輪機(jī)的試驗(yàn)結(jié)
果;
圖4示出處于一個虛擬葉片模式的多模式風(fēng)力渦輪機(jī)的正視圖5示出處于三個葉片模式的多模式風(fēng)力渦輪機(jī);以及圖6示出具有空氣動力罩的多級風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖l示出構(gòu)造有兩個三葉片轉(zhuǎn)子、即上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4的多級風(fēng)力渦4侖才幾1的正#見圖。可以將上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4通過空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)為與風(fēng)相互作用使得多級風(fēng)力渦輪機(jī)l如轉(zhuǎn)動箭頭6所示地沿順時針方向轉(zhuǎn)動。上游轉(zhuǎn)子2的葉片和下游轉(zhuǎn)子4的葉片分開角位移8,當(dāng)多級風(fēng)力渦輪機(jī)l沿所示方向轉(zhuǎn)動,下游轉(zhuǎn)子4落在上游轉(zhuǎn)子2的后面時,該角位移可以凈皮定義成負(fù)。
可以通過改變角位移8修改由多級風(fēng)力渦輪機(jī)1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),角位移8在角位移8是零(0)度的位置前后的小的正/負(fù)改變引起由多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的較大改變。由于有限范圍的運(yùn)動將產(chǎn)生期望的效果,這筒化了改變角位移8所需的機(jī)構(gòu)。角位移8的改變超過一定范圍將產(chǎn)生相反的結(jié)果,也就是,由多級風(fēng)力渦輪機(jī)1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在一個角位移8處達(dá)到最大,在另一個角位移8處達(dá)到最小,超過這些位點(diǎn)的調(diào)節(jié)將分別導(dǎo)致多級風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生較小轉(zhuǎn)矩或較大轉(zhuǎn)矩。
可以通過將上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4以 一 個軸可以相對于另一個軸轉(zhuǎn)動的方式安裝至兩個同軸線的軸上,通過將上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4安裝至同 一軸、并且具有允許受控轉(zhuǎn)子相對于軸轉(zhuǎn)動的至少一個能夠調(diào)節(jié)的軸套(hub),或者通過其它方式,將多級風(fēng)力渦輪機(jī)1構(gòu)造成允許改變角位移8。作為可選方案,多級風(fēng)力渦輪才幾l可以:帔構(gòu)造成具有固定的角位移8,該角位移8^皮預(yù)先確定并且預(yù)先設(shè)置以使多級風(fēng)力渦輪機(jī)1對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力條件發(fā)揮最佳性能。
應(yīng)當(dāng)注意,至少在上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4均具有以12 0度的間隔布置的三個相似的葉片的多級風(fēng)力渦輪機(jī)l的構(gòu)造中,相對于上游轉(zhuǎn)子2的下一鄰近的葉片,正60 (+60 )度的角位移8和負(fù)60 (-60 )度的角位移8是一樣的。可以得出如下結(jié)論,在允許一個轉(zhuǎn)子相對于另 一個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,角位移8是循環(huán)的,總是從負(fù)60 ( -60 )度的最小值向正60 ( +60 )度的最大值變化。因此,通過使下游轉(zhuǎn)子4相對于上游轉(zhuǎn)子2沿順時針方向或逆時針方向轉(zhuǎn)動,或者通過使上游轉(zhuǎn)子2相對于下游轉(zhuǎn)子4沿順時針方向或逆時針方向轉(zhuǎn)動,可以完成/人負(fù)角位移8到正角位移8的這種改變。
角位移8的這種循環(huán)特性的知識可以簡化控制角位移8所需的機(jī)構(gòu)和過程,這是因?yàn)?,在多級風(fēng)力渦輪機(jī)l沿順時針方向轉(zhuǎn)動的情況下,使一個轉(zhuǎn)子相對于另 一個轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩比使該 一個轉(zhuǎn)子沿相反的方向轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩小很多??梢酝ㄟ^將一個受控轉(zhuǎn)子構(gòu)造成具有軸套和制動器,使得該受控轉(zhuǎn)子可以選擇性地以與軸的轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,同時另一個轉(zhuǎn)子仍然安裝于軸,來實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)??梢苑潘芍苿樱詴簳r地降低受控轉(zhuǎn)子上的負(fù)荷,從而允許受控 子短時間段內(nèi)比軸轉(zhuǎn)動得稍快,接著,再次施加制動以將受控轉(zhuǎn)子固定在新的角位移8。此外,制動器可以通常用于調(diào)節(jié)受控轉(zhuǎn)子上的負(fù)荷,從而允許在不利條件下對多級風(fēng)力渦輪機(jī)l的總負(fù)荷進(jìn)行一些調(diào)節(jié)。
當(dāng)下游轉(zhuǎn)子4位于上游轉(zhuǎn)子2的正后方時,即當(dāng)角位移8為零(0)度時,由多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍可能比構(gòu)造有與上游轉(zhuǎn)子2相似的單轉(zhuǎn)子風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大。這是因?yàn)?,下游轉(zhuǎn)子4可能位于上游轉(zhuǎn)子2的后方的一定距離處,上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4各自的葉片繼續(xù)以組合的方式與風(fēng)相互作用,以產(chǎn)生增大的轉(zhuǎn)矩。該效果與由雙翼飛機(jī)的機(jī)翼提供的增強(qiáng)的提升效果類似,特別是當(dāng)考慮到視風(fēng)時,當(dāng)視風(fēng)作用于轉(zhuǎn)動葉片上,該視風(fēng)以比實(shí)際風(fēng)更與葉片掃掠的平面平行的角度進(jìn)入組合的葉片構(gòu)造。在不期望這種效果的構(gòu)造中,下游轉(zhuǎn)子的葉片可以被設(shè)計(jì)成嵌套到上游轉(zhuǎn)子的葉片中,使得當(dāng)角位移是零(0)度時,組合的空氣動力特性與僅有上游轉(zhuǎn)子時的空氣動力特性實(shí)質(zhì)相同。
在一對葉片中的一個葉片來自上游轉(zhuǎn)子2并且一對葉片中的另一個葉片來自下游轉(zhuǎn)子4的情況下,處于任何給定角位移8的該對葉片的組合的空氣動力特性都可以被認(rèn)為等同于單(single)虛擬葉片IO的空氣動力特性。明顯地,當(dāng)對角位移8和軸向位移22 (參照圖2)作出調(diào)整時,虛擬葉片10的空氣動力特性將改變。然而,將其看作具有可修改的空氣動力特性的單虛擬葉片10,可以允許使用已有的單轉(zhuǎn)子風(fēng)力渦輪機(jī)軟件模型和設(shè)計(jì)工具來加快多級風(fēng)力渦輪機(jī)l的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
多級風(fēng)力渦輪機(jī)l可以還構(gòu)造有其它特征,如具有不同組成和設(shè)計(jì)的葉片的轉(zhuǎn)子、具有不同尺寸的葉片的轉(zhuǎn)子、具有多于三個或少于三個葉片的轉(zhuǎn)子、具有可變節(jié)距(pitch)的轉(zhuǎn)子、多于三個轉(zhuǎn)子等等,以實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用所期望的空氣動力特性和聲音品質(zhì)的范圍。
圖2示出多級風(fēng)力渦輪機(jī)1和風(fēng)20的側(cè)視圖。上游轉(zhuǎn)子2可以與下游轉(zhuǎn)子4同軸線地安裝,并且上游轉(zhuǎn)子2相對于下游轉(zhuǎn)子4具有軸向位移22。上游轉(zhuǎn)子2可以-故安裝至內(nèi)軸24,下游轉(zhuǎn)子4可以^皮安裝至外軸26。內(nèi)軸24可以凈皮構(gòu)造成通常與外軸26 —起轉(zhuǎn)動,但是可在外軸26中同軸線地滑動,以在允許上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4二者保持與發(fā)電機(jī)28的機(jī)械連接的情況下允許改變軸向位移22。
可以通過改變軸向位移2 2來修改多級風(fēng)力渦輪木U產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),軸向位移22的相對于標(biāo)稱軸向位移22的小的正向改變和負(fù)向改變引起多級風(fēng)力渦輪機(jī)1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的較大改變。由于有限范圍的運(yùn)動將產(chǎn)生期望的效果,這簡化了改變軸向位移22所需的機(jī)構(gòu)。軸向位移22的改變超過一 定范圍可能產(chǎn)生相反的結(jié)果,也就是,由多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在一個軸向位移22處達(dá)到最大,在另 一個軸向位移22處達(dá)到最小,超過這些位點(diǎn)的調(diào)節(jié)可能分別導(dǎo)致多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生較小轉(zhuǎn)矩或較大轉(zhuǎn)矩。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn),可以通過組合軸向位移22的改變和角位移8(參見圖l)的改變,來進(jìn)一步擴(kuò)展多級風(fēng)力渦輪機(jī)l在恒定風(fēng)速下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的范圍??梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論組合軸向位移22的改變和角位移8的改變將允許多級風(fēng)力渦輪機(jī)l在擴(kuò)展的風(fēng)速范圍產(chǎn)出恒定的轉(zhuǎn)矩??梢砸匀缦路绞酵瑫r改變軸向位移22和角位移8。
可以以如下方式改變軸向《立移22。內(nèi)軸24可以一皮構(gòu)造成穿線性致動器30可以被構(gòu)造成,當(dāng)需要適應(yīng)于改變的風(fēng)力條件時,將內(nèi)軸24和上游轉(zhuǎn)子2推到風(fēng)中,以在軸向位移22的預(yù)定范圍內(nèi)增大軸向位移22;以及從風(fēng)中拉回內(nèi)軸24和上游轉(zhuǎn)子2,以在軸向位移22的預(yù)定范圍內(nèi)減小軸向位移22。
可以以如下方式同時改變角位移8(參見圖1 )。內(nèi)軸24可以構(gòu)造有軸制動盤(disk) 32,利用允許內(nèi)軸24與軸制動盤32鎖定轉(zhuǎn)動、但是允許內(nèi)軸24在軸制動盤32中滑動的花鍵軸或某些其它^L構(gòu)將軸制動盤32滑動地安裝至內(nèi)軸24。軸制動盤32可以被構(gòu)造成通常被保持在安裝至外軸26的軸制動殼體34中,使得內(nèi)軸24可以通常與外軸26鎖定轉(zhuǎn)動,并且4吏得來自兩個軸的組合轉(zhuǎn)矩可以同時傳遞至發(fā)電才幾28。這里示出的軸制動塊(pad)36a和36b僅為了圖示而處于打開位置,軸制動塊36a和36b可以被構(gòu)造成通常壓靠軸制動盤3 2以實(shí)現(xiàn)所需的制動和軸鎖定功能。然而,當(dāng)需要改變角位移8時,可以將軸制動塊36a和36b拉離軸制動盤32,允許下游轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動得比下游轉(zhuǎn)子4快,直到達(dá)到新的角位移8,如前所述。
軸制動塊36a和36b使用這種常開(normally on)構(gòu)造具有幾個優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)包括但不限于(i)由于僅在軸制動盤32需要部分或全部纟皮釋力文時才需施加動力,所以需要較少的動力;(ii)在發(fā)生故障時,制動塊仍能夠繼續(xù)保持軸制動盤32,從而確保多級風(fēng)力渦輪機(jī)1繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),盡管以可能比最優(yōu)水平差的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。
還可以4吏用各種其它方式來控制軸向^f立移22和角位移8(參見圖l)。例如,如果發(fā)現(xiàn)通過使特定的角位移8與各軸向位移22相聯(lián)系可以最佳地控制由多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,則內(nèi)軸24可以4t構(gòu)造成具有花鍵或凸庫侖,滑動地安裝至外軸26的內(nèi)部的相配的花鍵或凸輪,使得對于每一軸向位移22花鍵或凸輪會將內(nèi)軸24導(dǎo)引至特定的角位移8。以該方式,花鍵或凸輪將自動地響應(yīng)由線性致動器3 0產(chǎn)生的軸向位移2 2的改變。
多級風(fēng)力渦輪4幾1可以還構(gòu)造有主制動組件38,以防止上游 轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4在嚴(yán)酷的風(fēng)力條件下轉(zhuǎn)動。在該情況下主制 動組件38一皮構(gòu)造成常關(guān)( normally off)制動,當(dāng)主制動纟且"f牛38 被啟動時,其將在主制動盤40上起作用以使外軸26和下游轉(zhuǎn)子4 停止轉(zhuǎn)動,將上述軸致動組件設(shè)置在常開位置,也能使內(nèi)軸24 和上游轉(zhuǎn)子2停止轉(zhuǎn)動。作為可選方案,為了防止過大的負(fù)荷作 用至主制動組件38,可以在主制動組件38作用之前部分或全部 啟動軸制動組件34。這將允許內(nèi)軸24和上游轉(zhuǎn)子2連續(xù)轉(zhuǎn)動,直 至外軸26和下游轉(zhuǎn)子4進(jìn)入完全停止?fàn)顟B(tài),此時,可以將軸制動 組件34再次釋放至常開位置,以使內(nèi)軸24和上游轉(zhuǎn)子2停止轉(zhuǎn) 動。在一些更大的應(yīng)用中,可以構(gòu)造多個制動盤和制動組件, 以這種方式提供所需的制動力。
軸制動組件3 4和軸制動盤3 2可以構(gòu)造有位置傳感器,以監(jiān) 測內(nèi)軸24與外軸26的相對轉(zhuǎn)動位置,該相對轉(zhuǎn)動位置與上游轉(zhuǎn) 子2與下游轉(zhuǎn)子4的相對轉(zhuǎn)動位置相對應(yīng),以利于控制角位移8 (參見圖l)。另外,主制動組件38和主制動盤40可以構(gòu)造有傳 感器,以監(jiān)測外軸和下游轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)動速度,該轉(zhuǎn)動速度與電動 機(jī)28的轉(zhuǎn)動速度對應(yīng),用于渦輪轉(zhuǎn)速控制和其它目的。還可以 使用各種其它手段來監(jiān)測發(fā)電機(jī)28的轉(zhuǎn)動速度、角位移8、軸向 位移22和與多級風(fēng)力渦輪機(jī)l有關(guān)的其它參數(shù)。
圖3示出來自如下多級風(fēng)力渦輪機(jī)l (參見圖2 )的試驗(yàn)的結(jié) 果該風(fēng)力渦輪機(jī)l具有兩個相似的三葉片轉(zhuǎn)子,每個轉(zhuǎn)子均具 有2米的公稱轉(zhuǎn)子直徑。在2 m/s的恒定風(fēng)速下完成試驗(yàn),以確 認(rèn)通過改變軸向位移和角位移可以改變渦壽侖轉(zhuǎn)速,以及確定在 這些條件下產(chǎn)生渦輪轉(zhuǎn)速的最大可能變化所需的控制范圍。應(yīng) 當(dāng)注意,隨著風(fēng)速增大以及隨著諸如葉片設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子直徑等其
20它參數(shù)的改變,可獲得的渦輪轉(zhuǎn)速的改變以及所需的對軸向位 移和角位移的控制范圍可能改變。
參照具有實(shí)心矩形標(biāo)記的點(diǎn)劃數(shù)據(jù)線和右手側(cè)的"Y"軸, 如風(fēng)速線42所示,在整個試驗(yàn)中,風(fēng)速都保持在恒定的2 m/s。 通過具有出口導(dǎo)流一反(outlet baffle )的一排九個工業(yè)風(fēng)扇在受 控環(huán)鏡下產(chǎn)生所述"風(fēng)",該出口導(dǎo)流板被校準(zhǔn)以產(chǎn)生所需的平 均風(fēng)速。
在第一試驗(yàn)中,多級風(fēng)力渦4侖機(jī)構(gòu)造有軸向位移為3.75" (英寸)的上游轉(zhuǎn)子和下游轉(zhuǎn)子,并且構(gòu)造有允許角位移以7.5 度的增量被調(diào)節(jié)的能夠調(diào)節(jié)的軸套。該結(jié)果由兩個轉(zhuǎn)子在3.75" 處的轉(zhuǎn)數(shù)線(rpmline) 44記錄,參照具有實(shí)心矩形標(biāo)記的短劃 數(shù)據(jù)線和中間的"Y"軸。渦輪轉(zhuǎn)速在-60度的角位移處為大約90 轉(zhuǎn)/分(rpm),在+7.5度的角位移處下降至大約80轉(zhuǎn)/分的最小 值,接著在+60度的角位移處升高回至90轉(zhuǎn)/分的水平,如前面 已經(jīng)提到的,該轉(zhuǎn)速對應(yīng)于相對于另一轉(zhuǎn)子的下一葉片的-60 度的角位移。這些結(jié)果確定,可以通過在恒定軸向位移和風(fēng)速 時調(diào)節(jié)角位移來改變由多級風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,以及因此 改變給定負(fù)荷下的渦輪轉(zhuǎn)速。
第 一試驗(yàn)和第二試驗(yàn)之間的根本不同在于,軸向位移從 3.75"增力口至5.75",即-f又增加了 2.00"。該結(jié)果記錄在兩個轉(zhuǎn)子 在5.75"處的轉(zhuǎn)數(shù)線46上,參照具有空心矩形標(biāo)記的短劃數(shù)據(jù)線 和中間的"Y"軸。應(yīng)當(dāng)注意,兩個轉(zhuǎn)子在5.75"處的轉(zhuǎn)^:線46上 的每一個點(diǎn)均在兩個轉(zhuǎn)子在3.75"處的線44的上方,因此,可以 得到如下結(jié)論,通過在恒定角位移和風(fēng)速下調(diào)節(jié)軸向位移,可 以改變由多級風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,從而改變給定負(fù)荷下的 渦輪轉(zhuǎn)速。
還應(yīng)當(dāng)注意,在兩個轉(zhuǎn)子在5.75"處的線46中,在- .5度的角位移處存在明顯的約95轉(zhuǎn)/分的峰值。當(dāng)該峰與兩個轉(zhuǎn)子在 3.75"處的線44在+7.5度的角位移處的大約80轉(zhuǎn)/分的明顯的谷 結(jié)合時,可以示出,通過在減少角位移15度的同時增大軸向位 移2.00",渦4侖轉(zhuǎn)速可以增加15轉(zhuǎn)/分,或者增加4交低轉(zhuǎn)速的大約 19%。此外,應(yīng)當(dāng)注意,角位移的改變是從+7.5度到-7.5度,即 關(guān)于零(0)度的角位移或"對準(zhǔn)的葉片(aligned blade )"構(gòu)造 對稱并且與該零(0)度的角位移或"對準(zhǔn)的葉片"構(gòu)造接近。因 此,可以得出如下結(jié)論角位移和軸向位移的小的變化產(chǎn)生較 大的渦輪轉(zhuǎn)速的變化。
第三試驗(yàn)的主要不同在于,去除了上游轉(zhuǎn)子和能夠調(diào)節(jié)的 軸套,從而僅留下具有三個葉片的一個單下游轉(zhuǎn)子。因此,第 三試驗(yàn)反映傳統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子/三葉片風(fēng)力渦輪機(jī)在2m/s的相同受 控風(fēng)速的條件下的性能。令人驚訝的是,該重新構(gòu)造的渦輪機(jī) 甚至不轉(zhuǎn)動,如單轉(zhuǎn)子線48所示,參照位于圖表的底部的具有 實(shí)心矩形標(biāo)記的實(shí)黑線以及中間的"Y"軸。因此,可以得出如 下結(jié)論由于多級風(fēng)力渦輪機(jī)在相同的風(fēng)力條件下以80至95轉(zhuǎn)/ 分的速度轉(zhuǎn)動,所以多級風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)造在性能上超過單轉(zhuǎn)子 的傳統(tǒng)渦4侖才幾。
零(0)度角位移的結(jié)果特別有意思,因?yàn)榧词乖谙掠无D(zhuǎn)子 的葉片"停(parked),,在上游轉(zhuǎn)子的葉片的緊后方時,該多級 風(fēng)力渦輪機(jī)也繼續(xù)轉(zhuǎn)動,并且有些人最初可能認(rèn)為該構(gòu)造會像 單轉(zhuǎn)子渦輪機(jī)一樣工作。然而,兩個葉片更像"雙翼飛機(jī)"機(jī)翼 類型那樣工作,產(chǎn)生使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的額外轉(zhuǎn)矩。此外,從 結(jié)果中可以看出,因?yàn)槎嗉夛L(fēng)力渦輪才幾在5.75"的軸向位移時比 在3.75"的軸向位移時轉(zhuǎn)動得快,所以上述效果在5.75"的軸向位 移時比在3.75"的軸向位移時更顯著。
這里教示的與多級風(fēng)力渦輪木U有關(guān)的原理可以應(yīng)用于如
22圖4和圖5所示的多模式風(fēng)力渦輪機(jī)101 。圖4示出處于單虛擬葉 片模式的多模式風(fēng)力渦輪機(jī)101的正視圖。已經(jīng)公知的是,單葉 片風(fēng)力渦輪機(jī)非常高效,具有高速度低轉(zhuǎn)矩特性。多模式風(fēng)力 渦輪機(jī)101可以通過對于給定風(fēng)力條件組最優(yōu)化單虛擬葉片102 的空氣動力特性,來實(shí)現(xiàn)和最優(yōu)化這種效率水平。這可以通過 根據(jù)需要如上所述地調(diào)節(jié)第 一 角位移10 4和第二角位移10 6來完 成。通過如前所述地調(diào)節(jié)上游葉片108、中間葉片110和下游葉 片112兩兩之間的軸向位移(未示出),可以進(jìn)一步改變和最優(yōu) 化單虛擬葉片10 2的組合的空氣動力特性。
單葉片風(fēng)力渦輪機(jī)的一個缺點(diǎn)是固有的缺乏平衡性。在多 模式風(fēng)力渦輪j幾101中,可以通過構(gòu)造平4軒體(counter-balance ) 114a、 114b和114c、使平衡體114a、 114b和114c分別以 一百八 十(180)度的角位移與上游葉片108、中間葉片110和下游葉片 112—起轉(zhuǎn)動,來至少部分地克服上述缺點(diǎn)。平tf體114a、 114b 和114 c可以進(jìn) 一 步4皮構(gòu)造成對單虛擬葉片10 2的組合的空氣動 力特性作出積極貢獻(xiàn)。
圖5示出處于三葉片模式的多模式風(fēng)力渦輪機(jī)101。在該情 況下,上游葉片108已經(jīng)相對于中間葉片110轉(zhuǎn)動,使得第一角 位移104現(xiàn)在為一百二十(120)度,并且下游葉片112已經(jīng)相對 于中間葉片110轉(zhuǎn)動,使得第二角位移106也是一百二十(120) 度。除了上游葉片108、中間葉片110和下游葉片112可以以一些 軸向位移(未示出)分開之外,這與傳統(tǒng)的三葉片渦輪機(jī)的幾 何形狀一致。然而,如果需要最優(yōu)化三葉片模式性能,當(dāng)已經(jīng) 實(shí)現(xiàn)正確的對準(zhǔn)時,通過允許下游葉片的軸套嵌套在鄰接的上 游葉片的軸套內(nèi)并且非??拷徑拥纳嫌稳~片的軸套,或者通 過一些其它方式,可以〗吏該軸向^f立移最小4匕。
多才莫式風(fēng)力渦4侖才幾101可以^皮構(gòu)造成J吏用如前所述的為多級風(fēng)力渦輪機(jī)l (參照圖2)構(gòu)造的三軸/三制動器型式的制動系 統(tǒng),或者通過一些其它手段,在單虛擬葉片模式和三葉片模式 之間改變。此外,三個軸可以構(gòu)造有可調(diào)節(jié)的對準(zhǔn)止動器,以
有助于上游葉片108、中間葉片110和下游葉片112以一百二十 (120 )度的間隔正確對準(zhǔn)。
圖6示出具有空氣動力罩(shroud) 50的多級風(fēng)力渦輪機(jī)1 的側(cè)視圖。空氣動力罩50可以被構(gòu)造成大尺寸噴嘴,用于在風(fēng) 通過多級風(fēng)力渦4侖機(jī)1的轉(zhuǎn)動葉片時對風(fēng)進(jìn)行加速,從而允許多 級風(fēng)力渦4侖右U產(chǎn)生更大轉(zhuǎn)矩。應(yīng)當(dāng)注意,為"^兌明的目的而示出 多級風(fēng)力渦輪機(jī)l,這里教示的與空氣動力罩50有關(guān)的原理也可 以應(yīng)用于多模式風(fēng)力渦輪機(jī)101 (參見圖4)以及幾種傳統(tǒng)的風(fēng) 力渦4侖才幾。
空氣動力罩50可以構(gòu)造有支撐件(support strut) 52和定子 件(stator strut) 54。支撐件52可以;故構(gòu)造成支壽義空氣動力罩50 的主負(fù)荷,以用作容納在發(fā)電機(jī)殼體29中的部件的散熱器,支 撐件52可以進(jìn)一步與鼻錐(nose cone) 56—體化,以改善發(fā)電 機(jī)殼體29周圍的空氣動力特性。定子件54可以被構(gòu)造成,改善 上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4的入口條件,從而允許上游轉(zhuǎn)子2和下游 轉(zhuǎn)子4從風(fēng)中提取更多凈能量。定子件54還可以被構(gòu)造成包括用 于內(nèi)軸24的額外的外置軸壽義,以在仍然允"i午內(nèi)軸24向上游或下 游移動的同時提供支撐,從而方便軸向位移22的改變。在某些 應(yīng)用中,定子件54還可^皮構(gòu)造在上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4之間, 用于在風(fēng)進(jìn)入下游轉(zhuǎn)子4之前減少由上游轉(zhuǎn)子2產(chǎn)生的旋渦。
空氣動力罩50還可以被構(gòu)造成在發(fā)生葉片脫離 (detachment)時容納上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4的葉片,從而對 多級風(fēng)力渦輪機(jī)l的安全性作出貢獻(xiàn)。此外,空氣動力罩50可以 被構(gòu)造成,例如通過減小轉(zhuǎn)動葉片梢和空氣動力罩50之間的間隔,或者通過一些其它方式,減小由多級風(fēng)力渦輪機(jī)l產(chǎn)生的噪
聲。此外,空氣動力罩50、上游轉(zhuǎn)子2上的葉片和下游轉(zhuǎn)子4上 的葉片可以一起構(gòu)造成起發(fā)電機(jī)的功能,其中,位于轉(zhuǎn)動的葉 片梢上的磁體在繞空氣動力罩50的內(nèi)周布置的選擇性地工作的 磁極中感生電流。當(dāng)這種發(fā)電機(jī)被連接至過大的負(fù)荷時,該發(fā) 電機(jī)還可以被用作上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4的 一種制動器。
在一可選構(gòu)造中,空氣動力罩50、上游轉(zhuǎn)子2和下游轉(zhuǎn)子4 可以以相反的方向布置,從而多級風(fēng)力渦輪機(jī)1適于在風(fēng)2 0沿相 反的方向吹時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在該情況下,發(fā)電機(jī)殼體29將是轉(zhuǎn)子 的上游,從而可以被構(gòu)造成具有將加速由風(fēng)產(chǎn)生的氣流和/或改 善轉(zhuǎn)子的入口條件的錐體、葉片或其它動力學(xué)特征。
本發(fā)明的上面說明的實(shí)施例和示例僅是包括在所附的權(quán)牙'J 要求書中的發(fā)明的實(shí)施例,并且不是要限制本發(fā)明。這里說明 的所有專利和申請都通過引用包含于此。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其用于風(fēng)力渦輪機(jī),所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組包括a.具有至少一個前葉片的前轉(zhuǎn)子;b.具有至少一個后葉片的后轉(zhuǎn)子,其中,所述前葉片和所述后葉片之間的角位移能夠調(diào)節(jié),所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子沿相同的方向轉(zhuǎn)動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于, 所述前葉片和所述后葉片之間的角位移能夠在-15度到+15度的 角度范圍調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)所述前葉片和所 述后葉片之間的角位移。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任 一 項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組, 其特征在于,所述前葉片和所述后葉片之間的軸向位移能夠調(diào) 節(jié)。
5. —種風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其用于風(fēng)力渦輪機(jī),所述風(fēng)力 渦輪機(jī)葉片組包括a. 具有至少一個前葉片的前轉(zhuǎn)子;b. 具有至少一個后葉片的后轉(zhuǎn)子,其中,所述前葉片和所述后葉片之間的軸向位移能夠調(diào)節(jié), 所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時, 所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子沿相同的方向轉(zhuǎn)動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,所述軸向位移能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直徑的10%的量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)所述軸向位移。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任 一 項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組, 其特征在于,所述前轉(zhuǎn)子具有以120度的間隔安裝的三個前葉 片,并且所述后轉(zhuǎn)子具有以120度的間隔安裝的三個后葉片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任 一 項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組, 其特征在于,所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組還包括具有至少一個中間 葉片的中間轉(zhuǎn)子,所述前轉(zhuǎn)子和所述中間轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成在所 述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,所述前轉(zhuǎn)子和所述中間轉(zhuǎn)子沿相同的方 向轉(zhuǎn)動。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于, 所述前葉片和所述中間葉片之間的中間角位移能夠調(diào)節(jié)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征 在于,所述前葉片和所述中間葉片之間的中間軸向位移能夠調(diào)節(jié)
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,所述前葉片和所述中間葉片之間的中間角位移能夠在-15 度到+15度的角度范圍調(diào)節(jié)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)所述前葉片和所 述中間葉片之間的中間角位移。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,所述中間軸向位移能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直徑的10%的量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠在所述風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下調(diào)節(jié)所述中間軸向位 移。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于, 所述風(fēng)力渦4侖才幾葉片組還包括前平tf體,該前平tf體與所述前 葉片成180度地位于所述前轉(zhuǎn)子上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于,所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組還包括后平衡體,該后平衡體與所述后葉片成180度地位于所述后轉(zhuǎn)子上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于, 所述風(fēng)力渦4侖才幾葉片組還包括中間平纟軒體,該中間平衡體與所 述中間葉片成180度地位于所述中間轉(zhuǎn)子上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在于, 能夠調(diào)節(jié)所述前葉片和所述后葉片之間的角位移和軸向位移使得該角位移和該軸向位移都逼近于O,并且所述前葉片和所述后 葉片具有單葉片的組合的空氣動力效果。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠調(diào)節(jié)所述前葉片、所述后葉片和所述中間葉片之間的 角位移和軸向^[立移,偵j尋該角^f立移和該軸向^f立移都逼近于0,并 且所述前葉片、所述后葉片和所述中間葉片具有單葉片的組合 的空氣動力效果。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片組,其特征在 于,能夠調(diào)節(jié)所述前葉片、所述后葉片和所述中間葉片之間的 角位移,使得該角位移逼近于120度,并且所述前葉片、所述后 葉片和所述中間葉片具有三葉片單轉(zhuǎn)子葉片組的組合的空氣動 力效果。
22. —種風(fēng)力渦輪機(jī),其具有權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述 的風(fēng)力渦4侖才幾葉片組。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述前轉(zhuǎn)子被安裝于內(nèi)軸,所述后轉(zhuǎn)子被安裝于外軸,所述內(nèi)軸 和所述外軸同軸線,并且所述內(nèi)軸和所述外軸能夠彼此相對轉(zhuǎn)動。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括a. 能夠調(diào)節(jié)的軸套,該能夠調(diào)節(jié)的軸套允許所述前轉(zhuǎn)子相 對于所述后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,或者允許所述后轉(zhuǎn)子相對于所述前轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動;b. 制動系統(tǒng),該制動系統(tǒng)允許所述能夠調(diào)節(jié)的軸套被安裝 至使得所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子不彼此相對轉(zhuǎn)動的位置。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括被安裝至所述內(nèi)軸的末端的線性致動器, 所述線性致動器被構(gòu)造成所述線性致動器能夠推動所述內(nèi)軸 和所述前轉(zhuǎn)子以增大所述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子之間的軸向位移 并且所述線性致動器能夠拉動所述內(nèi)軸和所述前轉(zhuǎn)子以減小所 述前轉(zhuǎn)子和所述后轉(zhuǎn)子之間的軸向位移。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括被聯(lián)接至所述內(nèi)軸的軸制動器,當(dāng)所述軸 制動器被啟動時,所述軸制動器允許鎖定所述內(nèi)軸相對于所述 外軸的轉(zhuǎn)動,并且,當(dāng)所述軸制動器被釋放時,所述軸制動器 允許所述內(nèi)軸相對于所述外軸自由轉(zhuǎn)動。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括位置傳感器,該位置傳感器能夠監(jiān)測所述 內(nèi)軸相對于所述外軸的相對轉(zhuǎn)動位置,以1更于控制角位移。
28. 根據(jù)權(quán)利要求22至27中任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其 特征在于,所述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括空氣動力罩。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所述空氣動力罩被構(gòu)造成大尺寸噴嘴。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述空氣動力罩包括鼻錐、至少一個支撐件和至少一個定子件, 所述支撐件被構(gòu)造成與所述鼻錐一體化。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述空氣動力罩被構(gòu)造成在葉片發(fā)生脫離時容納所述葉片。
32. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述葉片構(gòu)造有永磁體,所述空氣動力罩構(gòu)造有多個發(fā)電機(jī)磁極, 所述發(fā)電枳J茲才及選4奪性地對所述葉片的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生響應(yīng),以產(chǎn)生 電流。
33. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,對 于平均風(fēng)力條件預(yù)設(shè)所述角位移和所述軸向位移。
34. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的風(fēng)力渦輪機(jī),其特征在于,所 述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括成套花鍵或成套凸輪,所述成套花鍵或所 述成套凸輪被構(gòu)造成產(chǎn)生角位移和軸向位移的固定參數(shù)組。
全文摘要
一種多轉(zhuǎn)子風(fēng)力渦輪機(jī),兩個或多個轉(zhuǎn)子之間的角位移和/或軸向位移可變。轉(zhuǎn)子(以及安裝至所述轉(zhuǎn)子的對應(yīng)的渦輪機(jī)葉片)之間的角位移和軸向位移的變化控制渦輪機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)矩特性。
文檔編號F04D29/36GK101688514SQ200880018266
公開日2010年3月31日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者霍華德·羅伯特·哈里森 申請人:分布式熱系統(tǒng)有限公司