CN101523016A - 风力驱动发电机 - Google Patents

Abstract

一种风力驱动发电机，包括设置在圆柱形管道内且由框架支撑的转子，用于响应于流过所述管道的风而旋转。所述转子包括多个圆周地间隔开的平行的转子叶片，被支撑用于围绕大致水平的轴线旋转。每个叶片被支撑用于在所述转子旋转时枢转运动以改变叶片节距、迎角或弯度。节距或弯度控制电动机或自控制风向标机构可操作以移动圆形凸轮来改变叶片节距或弯度以控制转子速度。所述管道被安装在柱上，所述柱具有被支撑在底座上的基部，用于枢转运动以面对所述风，用于最大化通过所述管道的气流。电力发生器以各种功率输出被连接至转子的相对端上或驱动轴。

Description

风力驱动发电机

背景技术

随着能量需求和与之相关的成本继续逐步升高，风力驱动发电机正处于广泛地开发中。随着风力驱动发电机的发展，特定需求已经变得非常明显，其包括提供克服传统螺旋桨或推进器型发电机的缺点的发电机的需求，所述缺点是必须安装在高于表面相当高的高度上、不美观、对空中飞禽是个危险以及在所述推进器叶片上易于积累冰。

一直存在着对于风力驱动发电机的改进的需要和期望，包括克服例如上文中描述的传统发电机的缺点，同时提供有效的、实体上紧凑且容易适应改变的风速条件且保持发电能力的发电机。正是为了对本领域技术人员显而易见的这些目的以及其它的迫切要求和需求，产生了本发明。

发明内容

本发明提供了改进的风力驱动发电机。

本发明也提供了一种风力驱动发电机，所述发电机包括独特的转子或推进器构造，紧凑且与传统的螺旋桨或推进器型发电机相比不引人注目，并且包括转子，所述转子可被设置在罩或管道内用于效率改善，同时，最小化对鸟类生命的危害，同时不易遭受与例如冰或雪积累相关的性能降低或结构问题。

根据本发明的一个重要的方面，风力驱动发电机被设置有转子，所述转子具有圆周地间隔开的翼型形状的叶片，所述叶片被布置成圆形的图案，不像所谓的桨轮，并且具有与之相联的机构，用于响应于流过其上的风改变转子叶片的“升力”以提供驱动合力。因而，所述叶片实现转子的旋转以提供有用的结果，例如驱动电力发生器。

根据本发明的另一个重要的方面，提供了风力驱动发电机，所述发电机包括转子，所述转子的特点在于独特的多叶片节距改变机构，用于在叶片围绕大致平行于所述叶片长度的轴线旋转时改变叶片节距或迎角。所述多叶片转子可适合于被连接至一个或两个电力发生器或其它的电力产生装置，以及所述转子的速度可被控制以提供变化的功率输出和/或被控制为选择的电能特性。

根据本发明的又一重要的方面，提供了风力驱动发电机，所述发电机包括转子，所述转子包括具有翼型形状的转子叶片，其中，所述翼型的弯度或曲率可被改变。在这种方式中，由所述转子叶片或风向标施加的所述“升力”力被可选择地转换成用于驱动所述转子的有用的合力。铰接的转子叶片构造和叶片弯度改变机构一起提供在转子旋转时由所述叶片施加的转子的有用的合力。

根据本发明的另一方面，提供了一种风力驱动发电机，所述发电机包括转子速度控制装置，所述转子速度控制装置包括与流过所述转子的风速相关的自控制的实施例。

根据本发明的另一方面，提供了一种风力驱动发电机，其中，转子响应于流过其上的风在管道或罩内旋转，以改善转子效率，和最小化雨或雪或冰在所述转子上的积累或通过所述管道的流动的不利影响。所述管道非常有利的是，提供供冷却空气在被连接至所述转子的一个或多个电力发生器上流动的路径。另外，所述转子管道或罩优选地被构造以加速通过所述管道的空气流动，所述管道也被构造以修改或改善发电机的风向标倾向，使得所述管道开口被垂直地取向以利用风向。

在结合之后的附图阅读本发明的详细说明后，本领域技术人员将会进一步地明白上述的优点和本发明的优越的特征以及本发明的其它的重要方面。

附图说明

图1是根据本发明的风力驱动发电机的一个优选实施例的透视图；

图2是显示所述发电机转子和其支撑结构的特定细节的类似于图1的透视图；

图3是大致沿图2中的线3-3的详细截面视图；

图4是显示转子支撑结构和转子节距变化控制机构的一部分的切割透视图；

图4A是沿图4的线4A-4A的详细视图；

图5是大致沿图4的线6-6的详细截面视图；

图6是大致沿图4的线6-6的详细截面视图；

图7是大致沿图6的线7-7的详细截面视图；

图8是类似于图6的一部分但更大的比例尺的详细截面视图，以说明一个凸轮随动件的构造和其与转子节距变化控制连杆机构的连接；

图9是显示在转子的所谓全失速条件中的叶片位置的转子叶片的某种程度的示意图；

图10是类似于图9但显示在所谓零角度或最大性能条件下的迎角或转子叶片的节距的视图；

图11是用于根据本发明的风力驱动发电机的转子另一优选实施例的俯视平面图；

图12是在图11中显示的转子实施例的侧视图；

图13是根据本发明的另一优选实施例的包括叶片弯度变化机构的改进后的转子和叶片构造的透视图；和

图14是大致沿图13的线14-14的详细截面视图。

具体实施方式

在随后的描述中，在整个说明书和附图中用相同的附图标记分别标识类似的部件。附图可能是不成比例的，为了清楚和简明的目的，特定的特征可以放大的尺度或某种程度的示意图的形式进行显示。

参考图1，显示了根据本发明的风力驱动发电机，且总的用标记20表示。发电机20的特点在于垂直延伸的柱22，优选地具有对称的翼型形状的横截面，且支撑大致圆柱形的管道或罩24。管道24具有限定开口的空气进口26，所述开口被取向以允许自然空气流或风流过所述开口，用于推动或驱动转子(总的用标记28表示)。转子28的类型可以是类似于在2006年4月26日申请的共同未决申请美国专利申请序列号No.11/411,540所揭示的和要求的，通过引用将该专利申请的主题并入本文中。然而，所述转子28适于响应于流过所述管道的自然空气流或风在所述管道24内围绕大致水平的轴线旋转。柱22被安装在大致圆柱形基部部件30上，基部部件30被支撑以在底座部件32上旋转。柱22相对于底座部件32的旋转轴线被表示为标记33，与后缘22b相比，所述轴线被设置为更靠近柱22的前缘22a。以这种方式，所述柱22将趋向于风向标(weathervane)或旋转，使得所述管道进口开口26与吹过发电机20的风向对准。通过在所述基部和所述底座之间插入适合的轴承装置，基部30支撑所述柱22在底座32上相对自由地旋转。

参考图2，进一步地，如所显示的，所述发电机20的特点在于框架36，所述框架36包括设置在柱22内且被连接至柱22的大致直立的柱部件38，但通过所述基部30和所述底座32向下延伸至设置在参考水平面(grade)下面和在地质构造38内的适合的轴承或座37内。座37和框架36是导电的，且用于传导可影响发电机20操作的任何云至地面或地面至云的闪电。

框架36包括大致水平的延伸臂40，用于支撑间隔开的直立的框架部件42和44，所述框架部件42和44适合于以在本文中更详细地描述的方式支撑转子28。图2的各个避雷针41和43优选地被设置安装在框架部件42和44上。如图2所显示，转子28被驱动地连接至间隔开的相对的电力发生器46和48，由此，通过连接盒50和另外的导电装置51和52把由电力发生器46和48产生的电传导至设置在所述基部30和底座32上和其间的动力输出装置或滑环组件。如图2所示，例如，在底座32上的同心滑环54和56适于接收来自被安装在基部30上且被连接至导电装置51和52的电刷54a和56a的电力。

现在参考图3，所述管道24的另外的细节被显示，包括优选的构造，其中所述管道包括外部的大致圆柱形的罩部件60，大致与内部的大致圆柱形的罩部件62间隔开但与其设置成支撑关系。罩或管道部件62的特点在于限定了喉或最小直径截面62a的文氏管道形的壁，大致把转子28设置在所述喉或最小直径截面62a处。如所显示的，罩部件62的至少部分与罩部件60间隔开，以提供相对的纵向通道61和63，所述通道具有在管道进口26处的用61a和63a表示的空气进口开口，和在相对于通过所述管道24的风流动方向在转子28下游处的用61a和63b表示的排气开口，所述风流动方向由图3中的箭头65显示。因此，电力发生器46和48设置在各个冷却空气流动通道63和61中，由此，由通过所述通道61和63的自然流动的环境空气可消散在所述电力发生器的操作过程中产生的热量。如图1和3所显示，外部管道部件60还设置有间隔开的向后突出的风标翼60a，所述风标翼60a帮助所述柱22定向所述管道24与风向对准。如图3所显示的，第二冷却空气进口61c和63c可设置在内部管道或罩部件62中。

现在参考图4、4A、5和6，所述转子28被安装用于通过图5和6的各个轴部件70和72在支撑部件42和44上旋转，所述轴部件还被直接地连接至各个电力发生器46和48。在图4中，为了清楚，省略了电力发生器46，另外为了清楚和简便从图5和6的示图省略了电力发生器46和48。转子28的特点在于圆周地间隔开、径向地延伸的臂或辐条的间隔开的组件，所述组件分别用标记74和76表示。参考图5和6，臂组件74和76的特点在于圆周地间隔的、径向延伸的翼型形状的管状臂或辐条部件78，所述管状臂或辐条部件78被等距地间隔开且每一个被连接至轮毂79。轮毂79被安装在轴70和72上，用于分别与其一起旋转。如图5和6所示，轴70和72被支撑在被安装在各个框架支撑臂42和44的适合的孔中的适合的滚动元件支承组件71中。各个臂组件74和76的支撑臂78彼此对齐，且可操作以在其间支撑细长的翼型形状的、大致平行的转子叶片80之间，对转子28，所述转子叶片的总数为8个。转子叶片80分别包括图7的前缘80a和后缘80b。对于具有8个叶片80的转子，所述叶片优选地具有在6：1至10：1范围内的纵横比和对称的翼型形状，尽管例如由可变弯度叶片提供的其它翼型形状是适合的。对于16个叶片的转子，所述纵横比可在4：1至8：1范围内。如图7所显示，转子叶片80被安装用于在大致位于所述臂的远端上的各个臂78上枢转运动，并且由此，每个转子叶片80的每个端被安装在枢轴81处。如由图7的例子所显示的，转子叶片80的相对端被安装在各个臂组件74和76的每个管状臂78的枢轴81上。

转子28包括在下文中描述的转子叶片“上升”力控制装置。进一步参考图7，在一个优选的实施例中，臂组件74的每个臂78还在其大致径向向内端处设置有细长的槽83，所述槽83用于接收适合的凸轮随动件88，将被进一步描述。每个凸轮随动件88被分别地连接至细长的叶片节距变化连杆84。所述连杆84设置在各个臂78的中空的内部中且在它们的外部远端处被分别连接至在枢轴连接部85处的叶片80，并且由此，响应于所述连杆84的大致线性纵向的移动，根据上述参考的专利申请序列号No.11/411,540的教导，所述各个叶片80的节距角或迎角以及因此所述叶片升力可变化。

参考图6，显示了两个连杆84的内端，且被分别连接至两个凸轮随动件88。也可参见图4A，凸轮随动件88也被部分地设置在圆形的槽或凹陷90中，所述槽或凹陷90形成在大致圆形或圆柱形的盘凸轮部件92中，盘凸轮部件92被安装在轮毂79上但设置在适合的轴承装置93上，以允许所述轮毂79相对于所述凸轮92旋转。如图4A进一步地显示的，凸轮92的圆形槽90具有中心轴线73a，所述中心轴线73a平行于所述轴70和72的旋转轴线73但相对于所述轴70和72的旋转轴线73是偏心的。在图5和6中也分别显示了轴线73。凸轮92连接至图6的齿轮96，所述齿轮96与被连接至电动机102的输出轴100的小齿轮98啮合，所述输出轴100适合于把所述凸轮92旋转到选择的位置，以在转子28围绕轴线73旋转时实现叶片80相对于流过所述管道24的风向的迎角或节距的改变。通过选择性地改变转子叶片80的迎角或节距，所述发电机20可有效地利用通过管道24的风流，以旋转转子28且通过各个电力发生器46和48产生电力。

简略地参考图5，臂组件76的轮毂79被安装在轴72上，所述轴72还支撑与其一起旋转的制动盘106，所述制动盘106可操作地接合适合的卡钳机构108，以制动转子28的旋转，用于控制其的旋转速度，以便有效地产生电力，例如使电力发生器46和48在选择的频率上以及具有预定的功率输出。因此，所述电动机102可被操作以旋转凸轮92至已选择的位置，用于改变转子叶片80的节距或迎角，同时，所述转子28也可关于它围绕所述轴线73的旋转速度根据需要被控制，而不依赖于叶片节距控制的效果。

简略地参考图8，显示了一个凸轮随动件88的细节。每个凸轮随动件88包括用于设置在凸轮92的槽90内的在其中移动的大致圆柱形的随动部件88a。杆88b从所述随动部件88a轴向地延伸。每个节距控制连杆84包括形成在其上且包括适合接收凸轮随动件杆88b的孔84b的移动枢轴套筒部件84a。大致圆柱形的环状引导部件88d被套在杆88b上、被支承在移动连杆部件84a上且如所显示地通过螺帽88c保持与连杆84组装。部件88d的直径略微小于在用于引导的槽或缝83的宽度。

现在参考图9，显示了转子28的一种情形，其中，叶片80设置在对应于所谓全失效条件的位置上，其中，叶片“上升”力和通过风沿箭头65的方向流过管道进口26作用于所述转子上的净作用力将不会影响转子的旋转。这是凸轮92的一个极限的位置，凸轮由驱动电动机102旋转。另一方面，图10显示了转子28的一种情形，其中，所述叶片80分别具有假定的位置，其中，所述叶片80响应于在箭头65的方向上的空气流动将产生最大的合力，趋向于沿从图10所看到的顺时针方向转动转子。相对于由箭头65所指示的风向，对于在图9和10中的转子位置，示例叶片角度被分别显示在附图中。另外，围绕轴线73的转子28的转动的顺时针方向由在图10中的箭头99所显示。在图9和10中，当然，被显示的转子叶片的角度对应于所显示的各个叶片80的特定位置，随着转子28旋转，例如，所述节距角相对于臂78连续改变。

现在参考图11和12，根据本发明的发电机的可替换的实施例被示出，其显示了对改变转子叶片80的迎角或节距的控制机构的修改。在图11和12中，显示了被驱动地连接至电力发生器46和48且被支撑在支撑框架36的臂42和44上的转子组件28。然而，在图11和12所显示的实施例中，圆形的凸轮92被凸轮的改变后的变形(总的用标记92a表示)所替换。凸轮92a被支撑用于围绕轴线73旋转，且其圆形凸轮槽相对于所述轴线也是偏心的。凸轮92a也以与图6所示出的相同的方式支撑在轴70上。

在图11和12所显示的发电机实施例包括自控制风向标组件110，所述组件包括被支撑在间隔开的臂114和116上的横向地延伸的翼型或风向标112。臂114连接至凸轮92a，臂116优选地被安装用于在靠近制动盘106的臂组件76的轮毂79上且相对于轮毂79旋转。因此，例如，风向标组件110在由图12中的箭头113所显示的弧的极限内自由地围绕轴线73旋转。随着所述风向标组件110沿顺时针方向旋转，从图12观看时，所述凸轮92a旋转至将趋向于沿下述方向移动转子叶片80的节距的位置上，在从图12观看时所述方向将导致趋向于顺时针旋转所述转子28的合力较小。因此，随着风速在图11和12的箭头65的方向上增加，实施例所显示的、自控制的节距变化控制机构将倾向于减少实现转子旋转的合力，并且因此控制转子的输出力和速度。在所有的其它方面上，图11和12所显示的实施例基本上类似于图1至图10所显示的实施例。

现在参考图13和14，显示了本发明的另一实施例，其中，修改后的转子28c的特点在于可变弯度叶片80c，每个弯度叶片80c的一部分在图13和14中被显示。可变弯度叶片80c包括以铰链结构彼此铰接地连接的互连叶片部分80d、80e和80f，铰链结构包括形成在前面或前缘叶片部分80d上的图14的细长的铰链凸出部130。铰链凸出部130被配合在中间翼型或叶片部分80e上形成的相对的弓形边部分132和134所形成的凹陷中。第二组弓形边部分136和138平行于所述边部分132和134延伸且限定第二凹陷，用于接收后缘叶片部分80f的铰链凸出部140。因此，叶片部分80d、80e和80f适合相对于彼此沿平行于叶片80c的纵向轴线的轴线的进行受限制的枢转运动，由此，如图13和14所示，叶片80c的弯度可在其前缘144和其后缘146之间变化。可变弯度叶片80c被安装在相对的叶片端部部件148之间，在图13中显示了一个端部部件148，所述叶片80c在形成在前缘部分80d上的枢轴81和从后缘部分80f的侧边缘突出的枢轴部件81b处被可枢转地连接至其上。如图13所显示，枢轴81b在形成在叶片端部148中的缝149中是可滑动的。

进一步参考图13，中间叶片部分80e包括纵向地突出的凸起部件151，所述凸起部件151在大致垂直于可变弯度叶片80c的弦线延伸的缝153中是可滑动的。因此，可变弯度叶片80c代替叶片80被安装在转子臂78上，在图13中显示了一个转子臂78，且在由图13的六角头轴肩螺钉84e形成的枢轴连接部被连接至连杆84，参考图14被设置在形成在前缘部分80d的铰链凸出部130中的适合的孔131中。因此，随着转子28c旋转，80c的弯度改变，以通过可选择地改变由叶片80c形成的翼型的构型来改变由各个叶片80c施加的升力，其中，如图14所示具有相当量的正弯度的翼型构造可被改变成如图13所显示的实际具有负弯度的翼型。虽然图14是大致沿图13的线14-14截取的，但在图14中显示的叶片80c的情形是具有相当正弯度的叶片的情形。在图13显示的叶片80c的情形中，所述叶片具有某种程度的负弯度。如图13所示，适合的凹陷或缝154形成在叶片端部148中，以容纳把连杆84与转子叶片80c的前缘部分80d互连的紧固装置84e的运动。因此，随着转子28c旋转，由代替叶片80使用的一系列叶片80c施加的升力被改变，因为连杆84的作用选择地移动叶片80c以改变它们的翼型构造或弯度，由此，转子28c的驱动合力可被提供和改变。

在上文描述的发电机实施例的构造和操作对于本领域技术人员被认为是可以理解的。传统的工程材料和制造惯例可用于构造和组装所述发电机的部件。虽然在此处对优选的实施例进行了详细的描述，但本领域技术人员将会认识到在不背离随附的权利要求的范围和实质的情况下可进行各种替换和修改。

Claims (20)

1.一种风力驱动发电机，包括：

框架；

转子，被支撑用于在所述框架上旋转，所述转子包括多个圆周地间隔开的细长的、大致平行的转子叶片，由间隔开的臂组件支撑所述转子叶片，至少一个所述臂组件包括驱动地连接至驱动轴的轮毂部分。

2.根据权利要求1所述的发电机，包括：

被驱动地连接至所述驱动轴的至少一个电力发生器。

3.根据权利要求2所述的发电机，其中：

每个所述臂组件被驱动地连接至驱动轴，所述驱动轴被分别地支撑在所述框架上，以及每个所述驱动轴被驱动地连接至电力发生器。

4.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述转子包括转子叶片升力控制装置，所述转子叶片升力控制装置可操作地连接至所述转子叶片，以相对于风撞击所述转子的方向改变所述转子叶片的弯度和节距中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的发电机，其中：

所述升力控制装置包括凸轮随动件，所述凸轮随动件可与凸轮接合，用于在所述转子旋转时改变所述转子叶片的弯度和迎角中的一个。

6.根据权利要求5所述的发电机，其中：

每个所述转子叶片被连接至连杆，所述连杆被分别地连接至所述凸轮随动件中的一个，且响应于所述转子的旋转相对于风撞击所述转子的方向分别改变所述转子叶片的弯度和节距角中的一个。

7.根据权利要求6所述的发电机，包括：

可操作地连接至所述凸轮的激励装置，用于旋转所述凸轮以相对于所述转子的旋转轴线移动所述凸轮的轴线。

8.根据权利要求7所述的发电机，其中：

所述激励装置包括驱动地连接至所述凸轮的电动机，用于旋转所述凸轮。

9.根据权利要求7所述的发电机，其中：

所述激励装置包括风向标，所述风向标响应于流过其上的风旋转所述凸轮以改变所述转子叶片的节距和弯度中的一个，用以控制由所述转子叶片所产生的驱动合力。

10.根据权利要求7所述的发电机，包括：

可操作地连接至所述转子的制动机构，用于控制所述转子的旋转速度。

11.根据权利要求10所述的发电机，其中：

所述制动机构包括被安装在所述驱动轴上且可与制动卡钳机构接合的制动盘，用于施加制动力至所述转子。

12.根据权利要求6所述的发电机，其中：

所述转子叶片中的至少被选择的转子叶片包括多个叶片部分，所述多个叶片部分被铰接地互连以形成可变弯度叶片，所述连杆被连接至所述叶片部分中的至少一个部分，用于彼此相对地移动所述叶片部分，以在所述转子旋转时分别地改变所述叶片的弯度。

13.根据权利要求12所述的发电机，其中：

所述叶片中的至少被选择的叶片包括三个叶片部分，所述三个叶片部分被铰接地互连，且包括前缘叶片部分、中间叶片部分和后缘叶片部分，所述叶片中的所述至少被选择的叶片中的每个包括端部分，所述端部分可与所述叶片部分配合，用于支撑所述叶片部分，同时允许所述叶片部分受限制的移动，以分别地改变所述叶片的弯度。

14.根据权利要求1所述的发电机，其中：

所述转子被设置在管道中。

15.根据权利要求14所述的发电机，其中，

所述管道被安装在柱上用于旋转至所述管道的空气进口开口面对风的流向的位置。

16.根据权利要求14所述的发电机，其中，

所述管道包括内管道部件和外管道部件，所述外管道部件围绕所述内管道部件间隔开且在其间限定通道装置，所述通道装置用于冷却通过其中的气流。

17.根据权利要求14所述的发电机，其中，

所述管道包括至少一个风向标部件，所述风向标部件响应于风的流动实现把所述管道旋转至面对风的流向的所述位置。

18.根据权利要求1所述的发电机，包括：

支撑所述转子的柱，用于所述柱的基部，所述基部被支撑在底座上且所述基部与所述底座配合用于旋转所述基部和所述柱至所述转子叶片面对风的流向的位置。

19.根据权利要求18所述的发电机，其中，

所述基部被支撑用于在所述底座上旋转，且所述基部包括导电装置，该导电装置可与在所述底座上的导电装置接合，用于把电力从所述发电机传送至从所述发电机离开的导体上。

20.根据权利要求1所述的发电机，其中，

所述框架包括电接地部件和至少一个闪电吸引针，用于使撞击所述发电机的电荷接地。

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