CN100445553C - 立轴式风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种原动机，该原动机包括轴，其可转动地安装在基础结构上，该轴包括从轴径向伸出的臂，该臂包括至少一个叶片，将该叶片定位成使作用在该叶片上的流体流动实现轴的转动，该叶片可移动地安装在臂上，每个叶片从具有第一阻力的第一位置移动到具有第二阻力的第二位置，在使用中叶片在第一位置处垂直于流体流动且在第二位置处平行于流体流动，第一阻力大于第二阻力，且每个臂和/或叶片都包括用于阻止每个叶片在第一和第二位置之间移动直到轴已经转动规定距离为止的装置，该叶片都设有与叶片成一体的平衡调整片，该平衡调整片部分或完全地跨越叶片的叶片尖端或尾部边缘，该叶片或每个叶片为翼型形状。

Description

立轴式风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种原动机，且尤其涉及一种利用流体流动的产生能量的原动机。本发明还扩展到一种用于产生能量的方法和能量生成装置。
背景技术
目前对可再生的且无污染的能源的需求很高。常规的产生能量的能源，诸如包括煤、天然气和原油的矿物燃料的燃烧，由于对环境不利而越来越不符合要求。煤、原油或者气的燃烧产生大量的二氧化碳、硫和氮的氧化物和其他有害气体，这些物质会导致全球变暖、酸雨、空气污染和许多其他破坏环境和损害人们健康的问题。煤、原油和天然气的世界储备也相对较低，且在不久的将来可能会耗尽。
其他能源包括核裂变，通过利用中子源撞击放射性元素的原子，在此过程中产生巨大的能量，所述的中子源将所述的放射性元素分为原子质量更小的元素或元素组。但是，使用放射性材料意味着废料处理方法满足环境保护的要求非常困难。所产生的放射性废料通常储存在密封的容器中，然后埋在严格限制进入的垃圾场所或倾倒在海中。已经发生了许多放射性废料从容器中泄漏并破坏当地环境的事件。这种由放射性废料引起的损害是不可恢复的，并且由这些废料产生的辐射将会持续几十年。
因此，强烈要求开发一种无污染且可再生的能源。公知的无污染且可再生的能源包括潮汐能发电机(electricity generator)和风力发电机。这些发电机应用从中心轮毂(hub)延伸的涡轮叶片，且这些叶片将风或潮水的线性运动转换为所述的中心轮毂的转动运动，所述的中心轮毂与相应的能量发生器连接。公知的这种能量发生器一般采用刚性地固定在所述的中心轮毂上的涡轮叶片，并将所述的叶片定位成使导向叶片成流线型并处于将流体的线性运动转换为转动运动的最佳位置。但是，这种叶片固定的结构意味着尾部(trailling)叶片不能被最佳地形成以减小阻力，从而不能将线性运动最大地转换为适用于发电机的转动运动。因此利用公知的系统不能实现线性运动与转动运动的最佳转换，因此不可能最佳地实现能量生成。
本发明的一个优选实施例的目的是克服或缓解上述现有系统的至少一些缺点，或者其他可能在上文没有提到的缺点。
发明内容
根据本发明提供一种利用由流体流动产生的能量的原动机，所述的原动机包括可转动地安装在下部结构上的具有转动轴线的轴，所述的轴包括至少一个从所述的轴径向延伸的臂，该臂或每个臂都包括至少一个叶片，其中定位该叶片或每个叶片从而使作用在叶片上的流体流动实现轴的转动，其特征在于该叶片或每个叶片都是可移动地安装在一臂上且其中每个叶片可以从具有第一阻力(drag)的第一位置移动到具有第二阻力的第二位置，在使用中所述叶片在第一位置处基本上垂直于流体流动且在第二位置处基本上平行于流体流动，其中所述的第一阻力大于第二阻力，且其中每个臂和/或叶片都包括用于阻止每个叶片在所述第一和第二位置之间移动直到所述轴已经转动规定距离为止的装置，该叶片或每个叶片都设有与叶片成一体的平衡调整片，该平衡调整片部分或完全地跨越叶片的叶片尖端或尾部边缘，该叶片或每个叶片为翼型形状。
当所述的轴转动时，适当地，流体流动使得每个叶片从第一位置移动到第二位置。
优选地，该叶片或每个叶片在第一位置处被流体撞击的表面面积大于在第二位置处的面积。
优选地，当所述的轴完成一个完全的转动时，流体的流动实现该叶片或每个叶片从第二位置返回到第一位置的移动过程。
所述的原动机可以包括两个从所述的轴径向伸出的臂，但是优选地包括至少三个臂，更优选地包括至少四个臂，进一步优选地包括至少五个臂和最好包括至少六个臂。
适当地，至少有两个臂，且当至少另一个叶片处于第一位置时，至少一叶片处于第二位置。
因此，在优选实施例中，当叶片处于第一位置时，流体对叶片的撞击实现所述轴的转动。当轴转动时，定位所述的叶片从而通过流体的流动将叶片从第一位置移动到具有位置较低阻力的第二位置。当该叶片朝第二位置移动时，另一臂上的另一叶片移动到第一位置，因此通过撞击在所述叶片上的水引起所述轴的进一步转动。具有比处于第一位置的叶片更低阻力的处于第二位置的叶片，相对于固定的叶片可能产生的而言，减少了作用在原动机上的阻力，并且因此实现原动机的输出转矩的增加。
每个叶片和/或臂包括把臂上的每个叶片的移动限制到一规定量的装置。优选地，所述的移动限制装置用于将臂上的每个叶片的移动限制在第一和第二位置之间。
优选地，每个叶片都可转动地安装在臂上，这样叶片可以从第一位置转动移动到第二位置。适当地，每个叶片绕基本与所述轴的转动轴线平行的轴线转动。优选地，移动限制装置用于将每个叶片的转动限制为规定的角位移，更优选地将每个叶片的转动限制在第一位置与第二位置之间。
优选地，每个臂和/或叶片包括阻止每个叶片在第一和第二位置之间移动，直到所述的轴已经转动规定的距离为止的装置。
所述的用于阻止每个叶片在第一和第二位置之间移动直到所述的轴已经转动规定的角距离为止的装置，和移动限制装置可以包括相同的装置。适当地，该规定的角距离为至少90°，优选地为至少120°和更优选地为至少150°。优选地所述的规定角距离不超过180°。
每个相邻的臂之间的角位移大致相等。因此，当只有两个臂时，所述的臂关于所述轴的转动轴线在直径方向上适当地相对设置。
每个臂可以包括多于一个的叶片，每个叶片优选地可移动地设置在臂上。所述的叶片沿所述的臂以规定的间隔适当安装。所述的叶片可以相互重合。或者，叶片可以在臂的某个区域处重叠放置。当叶片在臂的某个区域处重叠放置时，可以设置用于每个叶片的单独的移动限制装置或者单一的移动限制装置以将所有在臂上的叶片的移动限制到一规定量。
该叶片或每个叶片可以包括任何适当的结构，使得第一位置的阻力大于第二位置的阻力。该叶片或每个叶片可以包括细长的部分(elongatemember)，其具有大致为平面矩形的前和后表面并具有大致为楔形横截面、风筝状(kite-shaped)横截面、矩形横截面、棱形横截面或者翼型横截面。该叶片或每个叶片都具有连接在叶片尖端或者叶片尾部边缘的平衡调整片，其部分或者完全地跨越所述的叶片尖端或叶片尾部边缘
适当地，设置所述的原动机使其可转动地安装在任何适当的基础结构(substructure)上，诸如带有或不带有变速箱的包括发电机(dynamoelectricity generator)的能量产生设备。
适当地，设置所述的原动机使其可转动地安装在基础结构上以使所述轴的转动轴线大致垂直于地平面。
所述的流体可以是空气或水。因此所述的原动机可以用作气动生成系统的一部分，诸如风力发电机、潮汐能能量生成系统或者由河水的流动提供动力的能量生成系统。
根据本发明的第二部分，提供一种能量生成装置，其包括如文中所述的与能量生成设备相连接的原动机。
适当地，所述的能量生成设备可以是任何类型的发电机，其能转换原动机的轴的转动运动来发电。
优选地，所述的能量生成设备是一种带有或者不带有变速箱的发电机。根据本发明的第三方面提供一种利用流体的流动来生成能量的方法，所述的方法包括将上文所述的原动机安装在适当的能量生成装置上并将所合成的设备定位在流体的流动中。
将所述的原动机设置在流体的流动中，使轴的转动轴线大致垂直于地平面且臂相对于地平面大致水平径向伸出。
适当地，安装在能量生成设备中的原动机位于空气或水的流动中。
附图说明
为更好地理解本发明，并表示本发明的实施例是如何实现的，下面将参照附图进行说明，其中：
图1是表示本发明的原动机的优选实施例的立体图；
图2是表示图1所示的原动机的优选实施例的俯视图；
图3是表示本发明的原动机的第二优选实施例的立体图；
图4是表示图3所示的第二优选实施例的俯视图；
图5是表示本发明的原动机的第三优选实施例的立体图；
图6是表示本发明的原动机的第四优选实施例的立体图；
图7是表示本发明的原动机的第五优选实施例的立体图；
图8是表示本发明的原动机的第六优选实施例的立体图；
图9是表示图8所示的第六优选实施例的俯视图；和
图10A-10G是表示本发明的原动机的优选叶片形状的立体图。
具体实施方式
首先参照图1和2，原动机2的一优选实施例包括一轴4，其为圆柱形并具有通过其中心的转动轴线。轴4包括8个从轴4径向伸出的臂6，每个臂6和与其相邻的臂之间的角位移为45°。
每个臂6包括位于其远端的叶片8。每个臂6包括上部构件10和下部构件12，且每个叶片8通过枢轴14枢转安装在所述的上部构件10和下部构件12之间。每个臂还包括用于阻止每个叶片在第一和第二位置之间移动直到所述的轴转动一定量为止的装置，所述的装置包括跨越所述的上部构件10与下部构件12之间的空间的保持杆16。
下面描述图1和2的优选实施例的使用。
使用时，轴4可转动地安装在相应的能量生成设备上，诸如发电机(未示出)。一旦安装完，就将整个设备放置在流体的流动中，诸如在空气的气流中或潮汐或河流中的水中。
所述的原动机可以具有制动装置(未示出)以阻止轴4在流体流动中的转动，直到需要的时候。
在图1和2中，所示的流体流动在规定的方向中运动穿过原动机。在本实施例中，叶片在标为“A”的第一位置到标为“B”的第二位置之间可移动，其中在第一位置，叶片8的前表面18大致与流体流动垂直并提供基本上最大的流体撞击的表面面积和最大的阻力；而在第二位置，叶片8的前表面18大致平行于流体流动，且叶片8提供基本上最小的流体撞击的表面面积和最小阻力。
本领域技术人员应明白在第一位置“A”与第二位置“B”之间，叶片将提供不同大小的用于流体撞击的表面面积和不同的阻力，这些中间位置标为“A-B”。
当流体流动时，流体将会撞击在第一位置“A”处的叶片8。流体的流动作用处于第一位置“A”的叶片8的压力使得轴4绕所述的中心轴线转动。在本实施例中，轴4顺时针转动。当叶片8处于第一位置“A”时，通过保持杆16阻止叶片在上部构件10和下部构件12之间逆时针转动。
轴4的转动运动随后通过与轴4连接的能量生成设备(未示出)能被转换为电或其他能源。
当轴4转动时，臂6也转动，该运动将所连接的叶片8开始从第一位置“A”到第二位置“B”的移动。
在到达第二位置“B”之前，叶片8移动通过标为“A-B”的中间位置，从而使叶片8的前表面18从大致垂直于所述的流体流动的位置移动到大致平行与所述的流体流动的位置，且叶片8的尖端22朝向所述的流体流动。随着轴4的继续转动，将处于位置“A-B”的叶片8定位成使叶片8的后表面20开始面对流体流动，且因此开始受到流体流动的撞击。
当叶片8的后表面20受到流体的撞击时，流体的压力迫使叶片8绕枢轴14转动至第二位置“B”。在第二位置“B”处，定位叶片8的尖端22使其远离流体的流动且叶片8的前表面18和后表面20大致平行于所述流体流动延伸。
因此，在第二位置“B”，叶片8受流体流动的冲击的表面积远远小于在第一位置“A”时的面积，且因此叶片8的阻力大大减少了。因此，在第二位置“B”的叶片有助于减少叶片8在轴4的转动过程中的整体阻力且因此减少线性流动运动和轴4的转动运动之间的能量损失。
当轴4转动返回其原始位置时，臂6继续移动。当轴4转动至其初始位置时，处于第二位置“B”的叶片8受流体的流动的作用朝与其连接的臂6转动返回并与保持杆16相邻。然后当臂6继续转动时，叶片8移动返回第一位置“A”。
因此随着臂6转动以及叶片8从第一位置“A”移动至第二位置“B”及再次返回，穿过原动机2的连续的流体流动实现了轴4的连续转动。
参照图3和4，本发明的原动机2的第二实施例包括图1和2的实施例的所有部件，还包括装置24用于限制叶片8只在第一和第二位置(分别为“A”和“B”)之间移动。所述的移动限制装置24包括从原动机2的每个臂6倾斜伸出的上臂26和下臂28。上臂26和下臂28分别包括上狭槽30和下狭槽32。所述的移动限制装置24还包括导杆34，其穿过原动机2的叶片8延伸至每个移动限制装置24的上狭槽30和下狭槽32中。
如图4所示，在使用中，利用导杆34与上狭槽30和下狭槽32的配合，将每个叶片的移动限制在第一位置“A”与第二位置“B”中。在第一位置“A”，导杆位于移动限制装置24的上狭槽30和下狭槽32的近端。随着原动机2的轴4转动，以及叶片8从第一位置“A”移动到第二位置“B”，导杆34在上狭槽30和下狭槽32之间朝移动限制装置24的远端移动。
上狭槽30和下狭槽32的远端是封闭的以防止导杆34脱离所述的移动限制装置24。因此，当叶片8到达第二位置“B”时，导杆34阻止叶片8继续转动。随着臂6继续转动和叶片8移动返回第一位置“A”，导杆34朝移动限制装置24的近端移动返回。
当要求作用在叶片8上的阻力最小时，移动限制装置24防止叶片8远离第二位置“B”，且因此避免最小阻力结构，而是增加对原动机2的转矩。
在诸如图1和2所述的实施例中，移动限制装置24的缺省允许每个叶片8在转动至位置B时实现大致最小的阻力。最小的阻力在原动机上产生负转矩，其从原动机2生成的功率中被减去。
在这些实施例中，诸如图3的实施例，其中提供移动限制装置24，该移动限制装置24允许每个叶片通过更小的角位移保持相对于流体流动的冲击角，使得每个叶片8在较长时间内相对流体流动形成倾角并增加原动机的转矩。
参照图5，在本发明的原动机2的第三实施例中，只示出了两个臂6，每个臂6包括一个单一的细长构件36。
每个细长构件36包括在细长构件36的上方和下方延伸的一保持杆16。叶片8通过枢轴14与臂6枢接。第三实施例的原动机2的工作原理与图1和2所示的第一实施例大致相同。本实施例的叶片8通过在细长构件36上方和下方延伸的保持杆16被定位保持在第一位置“A”处。
参照图6，在本发明的原动机2的第四实施例中，每个臂6包括两个沿着臂6相互分开的叶片8。每个臂包括两个保持杆16，一个保持杆用于一个叶片8。每个叶片包括其自己的枢轴14且当每个臂6随着轴4转动时能独自从第一位置“A”移动到第二位置“B”。在第四实施例中，叶片8之间相互独立，但是在另一实施例(未示出)中有连接同一臂6上所有叶片8的叶片联杆(未示出)，从而使叶片的移动一致。
第四实施例的操作模式大致与图1和2所示的实施例的一样。
参照图7，在本发明的原动机2的第五实施例中，每个臂6都包括两个重叠的叶片8。每个臂6包括上保持杆38和下保持杆40以保持每个叶片。每个叶片8包括其自己的枢轴14，但是在另一实施例(未示出)中有一个贯穿两个叶片的单一的枢轴。第五实施例的操作模式大致与图1和2所示的实施例的一样。
参照图8和9，本发明的原动机2的第六实施例包括图3和4所述的实施例的所有部件，还包括平衡调整片42，其与叶片8的尾部边缘或每个叶片8的尖端22连接以提供微调调整来提高叶片效率。所述的平衡调整片42，无论是焊接的、铆接的或者是与叶片8成一体部分的板状的，部分跨越或完全延伸以覆盖沿着叶片8的尾部边缘或尖端22的整个长度。
使用时，平衡调整片42每次相对于流体流动改变叶片8的姿势，不用在移动限制装置24的远端或近端设置叶片8的导杆34，因此提高叶片的效率。
因此，在上述的每个实施例中，叶片8从第一位置“A”至第二位置“B”的移动动作使叶片在流体中从阻力更高的位置移动到阻力更低的位置，以减少原动机在将线性流体流动转换为转动运动中所出现的能量损失。
参照图10A-10G，为了使第一位置的阻力高于第二位置，因此叶片8的形状是重要的。叶片优选的形状包括，如图10A所示的不管是否带圆角的楔形、图10D所示的带角度的楔形、图10B(端部为圆形)和10D(端部为角形)所示的矩形平行六面体形状，叶片具有图10E所示的风筝形状的截面、图10F所示的翼型截面、和图10G所示的带有平衡调整片的翼型截面。叶片8的优选叶片形状可以带有或不带有部分或完全跨越叶片8的尾部边缘或叶片尖端22的平衡调整片。
读者的注意力指向与本申请的说明书同时提交或在之前提交的所有纸件和文件，这些文件与本说明书对公众公开以便于查阅，且本文结合这些纸件和文件的内容作为参考。说明书(包括后附的权利要求、摘要和附图)中公开的全部特点，和/或公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合形式结合在一起，除了至少一些相互排斥的特征和/或步骤组合之外。
本说明书(包括后附的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以用其他实现相同、相当或相似的目的的特征来代替，除非另有说明。因此，除非另有说明，所公开的每个特征只是一系列相同或相似特征的一个示例。
本发明并不限于上述具体实施例。本发明可以扩展至说明书(包括后附的权利要求、摘要和附图)中公开的任何新的特点，或任何新的特点的组合，或扩展至公开的方法或过程的任何新的步骤、或任何新的步骤组合。

Claims (15)

1、一种从流体的流动产生能量的原动机，所述的原动机包括具有转动轴线的轴，其可转动地安装在基础结构上，所述的轴包括至少一个从轴径向伸出的臂，该臂或每个臂包括至少一个叶片，其中将该叶片或所述的每个叶片定位成使作用在该叶片或所述的每个叶片上的流体流动实现轴的转动，其特征在于，该叶片或每个叶片可移动地安装在臂上，且其中每个叶片可从具有第一阻力的第一位置移动到具有第二阻力的第二位置，在使用中所述叶片在第一位置处基本上垂直于流体流动且在第二位置处基本上平行于流体流动，其中所述的第一阻力大于所述的第二阻力，且其中每个臂和/或叶片都包括用于阻止每个叶片在所述第一和第二位置之间移动直到所述轴已经转动规定距离为止的装置，该叶片或每个叶片都设有与叶片成一体的平衡调整片，该平衡调整片部分或完全地跨越叶片的叶片尖端或尾部边缘，该叶片或每个叶片为翼型形状。
2、如权利要求1所述的原动机，其特征在于，所述固定安装是指所述平衡调整片通过焊接或铆接的方式安装到所述叶片上。
3、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，在轴转动时，所述的流体流动实现该叶片或每个叶片从第一位置到第二位置的移动。
4、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，该叶片或每个叶片在第一位置受到所述流体流动的冲击的表面面积大于在第二位置受到冲击的表面面积。
5、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，在轴完成一个完整的转动时，所述的流体流动实现该叶片或每个叶片从第二位置移动返回第一位置的移动运动。
6、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，所述的原动机包括至少两个臂，当至少一个叶片处于第一位置时，至少一个另一个叶片处于第二位置。
7、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，每个叶片和/或臂包括将臂上的每个叶片的移动限制为规定量的装置。
8、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，每个叶片可转动地安装在臂上，以使叶片可以从第一位置转动至第二位置。
9、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，每个臂和/或叶片包括将臂上的每个叶片的移动相对于相应的臂限制到一规定的叶片的角位移的装置。
10、如权利要求1所述的原动机，其特征在于，每个臂包括多于一个叶片，每个叶片可移动地安装在臂上。
11、如权利要求1或2所述的原动机，其特征在于，所述的原动机可转动地安装在任何适合的基础结构上。
12、一种能量生成装置，其包括如权利要求1或2所述的原动机，所述的原动机与一能量生成设备连接。
13、一种从流体的流动中生成能量的方法，所述的方法包括将如权利要求1或2所述的原动机安装在合适的能量生成设备上，并将所得到的设备放置在一流体流中。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的原动机设置在流体流中，以使轴的转动轴线大致垂直于地平面，并且臂相对于地平面大致水平径向延伸。
15、如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，安装在能量生成设备上的原动机位于空气或水的流动中。
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