CN1015732B - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，它包括一个具有多个彼此隔开的叶片的转子，该转子能绕垂直细长轴转动，该轴能将动力传给原动机或动力输出装置。转子上的每个叶片具有一个明显呈凹形的细长尾面或后面。设有析流装置，以将风导入并通过一个文丘里喷嘴吹在顺风转过所述喷嘴的一个或多个叶片的凹形尾面上，并沿该尾面流动。这种析流装置有助于在一个或多个叶片逆风转向喷嘴时，至少部分挡住风。

Description

本发明涉及一种风力驱动的涡轮机，特别是涉及一种具有绕一垂直轴转动布置的多个叶片的风力驱动涡轮机。

风力涡轮机和风车是众所周知的，且已使用多年，例如在农场和乡村用于从井中提水。

已知的风力涡轮机和风车是绕一基本水平的轴转动的，有垂直布置的叶片。其优点是，转动的叶片在所有角度方位均产生扭矩。但是，人们发现，为使叶片离地面一段距离，通常必需有一塔架，从而经常出现难以接近叶片不利于维修保养的问题。而且，这样的涡轮机通常达不到操作者和用户所希望那样的有效和实用。

绕一基本垂直的轴转动的风力涡轮机和风车也是众所周知的，它的一个缺点是这种转子的叶片顺风向转动时经常有互相挡风的倾向，以致采用多叶片转子常常无效果。而且，这种转子的叶片转到转子一侧的风中时通常要产生一个不希望有的阻力矩。尽管一侧为凹形另一侧为凸形的叶片可使这种情况减小（叶片的凹形面产生驱动力矩），但由于凸形叶片表面逆风运动，所产生的施加于转子上的阻力仍然经常是相当可观的。这样的阻力显然要降低涡轮机的效率。

在美国专利第4，295，783号中就公开了这样一种可绕垂直轴转动的流体驱动的涡轮机，它包括一个装有叶片的转子和一个折流装置。转子可绕一垂直轴转动，其上的每个叶片具有一细长的尾面。折流装置形成一个文丘里喷嘴，以使流体聚集、导入并穿过该喷嘴，并且吹在转子的至少一个叶片的凹形尾面上。然而，这种涡轮机同样具 有上述的缺陷。

本发明的目的就是为克服上述先有技术的缺陷而提出一种绕垂直轴转动的高效风力涡轮机。

根据本发明的风力涡轮机，包括：一个转子板;多个安装在转子板上并从转子板向外伸出的叶片，转子板和多个叶片能围绕一根垂直轴转动，且每个叶片具有一细长的尾面;用于构成初级文丘里喷嘴的折流装置，它聚集并引导风穿过该初级文丘里喷嘴，并且随着转子板和至少一个叶片转离该初级文丘里喷嘴，使穿出该初级文丘里喷嘴的风吹到所述至少一个叶片的凹形尾面上;其特征是：所述多个叶片以至少两对对置叶片的形式安装到所述转子板上，每个所述叶片都带有根部端，所述根部端彼此是并列和交错的，当沿着横截面观察时，每个所述叶片包括一个限定所述叶片尾面的大体上呈U形的部分，该U形部分位于一个外面的大体上呈V形的零件内，该V形零件构成所述叶片的前缘，所述U形部分的深度从叶片倒圆的内齐端向叶片的外端递减，且所述U形部分在靠近叶片外端的地方是凹陷的，在所述多个叶片的并列交错的倒圆齐端之间形成多个次级文丘里喷嘴，从而风通过所述初级文丘里喷嘴并随着至少一个所述叶片转离所述初级文丘里喷嘴而吹向并沿着所述至少一个叶片的细长凹形尾面流动，风被进一步沿所述至少一个叶片径向向内引导并穿过所述多个次级文丘里喷嘴，而沿着正转向所述初级文丘里喷嘴的一或多个相对叶片的细长凹形尾面流动。

本发明将参照下列附图结合实施例予以说明。

图1是根据本发明的一种结构形式，简要说明涡轮机及其工作状况的截面图。

图2是根据本发明的一种涡轮机叶片结构形式的横截面图。

图3是附图1所示转子的一种改型图。

图4是本发明的另一种结构形式的总体图。

图5是附图4中所示涡轮机的平面图。

本发明的涡轮机包括一个转子部件或平板3，该转子部件有任意多个彼此隔开并水平伸出的叶片4。在所示的本发明的结构中，配置有4个叶片，不过根据需要也可配置一对叶片，或是配置两对以上的叶片。

叶片4的根部5与转子平板3连接（并由此向外延伸），用适当的方法安装在该平板上。转子平板3能绕一垂直轴线转动，例如绕一个适当轴或其轴线转动。在本发明的一种结构形式中，可以配置二个彼此垂直隔开的转子平板3，叶片4的根部5通过适当的固定装置安装固定在二个转子平板之间。

该细长轴最好在其随转子叶片转动而转动时能将动力传递给动力输出装置、原动机、泵、发电机或类似设备。

在本发明的一种最佳结构形式中，有二对叶片，一对是叶片4a和4C，另一对为叶片4b和4d，每对叶片都固定安装在转子3相对的两侧。可以理解，如果需要可以使用一对叶片（例如叶片4a和4C），也可采用两对以上的叶片。

叶片4的根部5与转子平板3的连接方式最好是使根部5彼此并列且稍为错开，这从附图1可欣然明白。

每个叶片4都是细长形的，且一般为弓形和曲线形，每个叶片4的尾面是凹形细长的，这种凹形尾面13的深度最好是朝叶片外尾端递减的，该外尾端在其外端或靠近外端处（如图1中的14）是弯曲的。

本发明还设置有折流装置6a，它适当地设置在转子3的至少一侧上，起使来流风偏转并引导它穿过文丘里喷嘴8的作用，以使叶片转过并离开喷嘴时风穿过喷嘴射到叶片4上。

该折流装置6a在一种结构形式中包括一个带有集流器的框架，该集流器至少是由集流器壁6和弯曲壳体7形成的二个彼此隔开的凹形壁，由于集流器6和壳体7彼此是这样布置和隔开的，它们在一端形成一个入口12，而在另一端形成一个收缩的出口或文丘里喷嘴8。

在本发明的一个最佳结构形式中，一个基本呈环形结构的导轨或支承轨道围绕转子3延伸，折流装置6a安装在滚子、滑轮或类似物上，使之能相对于转子3并围绕它作回转运动。如图所示，集流器6和壳体7的外端形成了一个聚风的口12。在附图1所示的实施例中，风向用箭头“W”表示，转子3的转动方向用箭头“R”表示。

集流器6的高度最好是至少部分挡住一些基本上逆风转向喷嘴8的转子叶片，该集流器6在该折流装置6a后部产生或形成一个低压区。

该折流装置通过绕导轨转动，使其开口12保持向风方向。这种转动和变动是通过风向测定机构9，例如一种立式风叶或一种鸠尾形扇叶转子，驱动一个与框架连接并形成轨道的环形齿条相啮合的小齿轮来控制的。该框架也可以安装在适当的滚子、轮子或导轨上。

参照附图2，它示出了一个叶片4的截面图，它具有基本上呈 “U”字形的尾缘13，其深度最好是朝其外端递减，以形成凹曲的外廓。这样，在工作时，从喷嘴出来的风吹在叶片4的尾面上的空气就沿“U”字形尾面13偏转，并沿叶廓径向向内朝其敞开的内部或根部端5流动。

叶片4的尾面13是用一粘着于具有一般为人字形截面的填料11上的薄板构成的。填料可用例如软木等类似物，也可用其他填料，一般是轻质材料，且能使叶片4具有结构强度。叶片也可以是中空的，采用二层或二个外壳的结构形式，一个内弯曲壳体和一个外壳体。

叶片的正前面为“V”字形截面，其“V”形截面的侧面10如附图2所示那样向外弯曲成弓形。

现参照附图1说明该风力涡轮机的工作情况。

借助控制机构9或其它适当的装置，将折流装置6a的口12转移到或保持在面对主风向“W”的位置，当叶片在形成折流器的集流器6和壳体7的屏障后面露出时，风就吹在叶片的凹形尾面13上。因此，风就顺风向驱动叶片4使转子3朝图1所示的箭头“R”的方向转动。折流装置的集流器6的大小和高度最好是当叶片逆风转向或扫近喷嘴8时，至少部分挡住叶片4免受风的作用。

集流器6和壳体7彼此的相对安装和固定，要使其下端或内端形成一个收缩的出口或文丘里喷嘴8，迫使风穿过该喷嘴。也会有一些风吹到壳体7的外表面，但当叶片转过喷嘴8时，这部分风也会偏转到叶片4的尾面13上。

叶片4的结构要使从喷嘴出来的入射风吹向叶片的凹形尾面。向内径向向导入的风沿叶片4的凹形尾面13流动，从叶片4的内端或根部排出，其中一部分直接流向对面正逆风转向喷嘴8并将转入折流 装置6a的至少一部分屏障之内的叶片的凹形尾面。这个横穿叶片4凹形尾面13的风道（始于喷嘴8），在叶片顺风离开喷嘴8（如叶片4a的情况）和在叶片逆风转向喷嘴8（如叶片4c的情况）时，均会对叶片施加相当大的冲量。在集流器6背风面出现的低压区，提高了风对叶片4尾面13的推力作用。这种基本呈“V”字形的叶片4的前面的较尖锐的翼形，使叶片穿过空气时所受的阻力较小，从而减小了叶片回转运动的阻力。

参照附图1，人们会理解到，除了从喷嘴出来流过叶片凹形尾面13的入射风外，还有正常的来流风也会吹到至少一个别的叶片的凹形尾缘上，例如，喷嘴正对着叶片4a的后面时，吹到正在顺风向前转动的叶片4b上。如附图1所示，某些正常风会对另一叶片4b的凹形尾面施加推力，而其中的一部分气流又直接穿过转子，向外吹在对面叶片4d的凹形尾面上，这有助于叶片4d逆风转向喷嘴8。然而，在所有情况下，由于叶片4根部5之间呈并列布置，并考虑到根部5的圆形结构和之间的错列及彼此隔开的关系，在叶片4的根部5之间，具体地说一方面在叶片4d和4a，另一方面在4b和4a的根部之间又将形成收缩出口或第二文丘里喷嘴60a。因此如图1所示的那样，这一收缩将起一种内部的第二喷嘴的作用，结果某些流过叶片4a和4b的凹形尾面13的气流由于该第二喷嘴的作用，不仅被迫吹向平行叶片（图中为叶片4a-4c和叶片4b-4d）的凹形尾面，而且还被迫从（例如叶片4a和4b）的弯曲尾面吹向基本垂直的相邻叶片的弯曲尾面，即对应的叶片4c和4d的内弯曲尾面。

这种内部的第二喷嘴60和作用在叶片4弯曲尾面13上的合成附加压力进一步加速叶片4和转子3的转动，特别是在转子转到叶片 将逆风转向喷嘴的位置时起到助推作用。

参照附图3，所示的布置方案中对置叶片4的内端或根部5之间的气流干扰被消除或减小了，例如喷嘴8的冲击损失减至最小或无损失。图3中的一对对置叶片朝其外尾端部分是向下倾斜的，而另一对对置叶片朝其外尾端部分是向上倾斜的。两对叶片4的外尾端部分掠过基本相同的水平路径，并承受相等的从喷嘴8排出的气流。而每对对置叶片4的内端或根部5则位于相同的水平面内-但位于不同于另一对叶片的内端所处的水平面内。这样，一对叶片的内端或根部之间的气流可以基本上不受横过另一对叶片的内端或根部的气流的干扰。如果需要，每对叶片可以做成连续的“S”形，使向内流到一侧叶片的气流可以无阻碍地变成沿另一侧叶片流动的向外气流。

现在参照附图4和5，它们表示本发明的有多组（例如二组）轮叶的结构形式。一组叠加在另一组顶部，在同一转子轴上工作，且每组有其自身的文丘里喷嘴。

图4所示的涡轮机包括一个机架15，该机架支承一个大体水平的轨道16，若干径向拉杆从轨道向内延伸到一个轮毂17上。轴18垂直穿过轮毂17且其下端设有动力输出装置。

如图5所示，设置了一个大体呈等腰三角形的结构件20，它基本呈水平布置。该结构件20用滚轮装置21可转动地安装在轨道16上，至少二个滚轮是惰轮，而第三个是由某种别的适当的可转动装置，例如沙沃纽斯（Savonious）转子22，驱动的。

人们已经发现，这种在一个基本为水平面内的大体为等腰三角形的结构件20是安装折流装置或集流器的特别有效的方法。因此，它对安装如附图1所示的折流装置6a或如附图4和5所示的折流装置 都是适用的。

再参照附图4和5，该结构件在如箭头所示的向风侧带有一个较大的集流板23和一个较小的集流板24，它们形成了折流装置，并在其间形成了一个使气流流向垂直隔开的转子叶片组26的文丘里喷嘴25。在该结构件的向风侧，例如对置板23和24那一侧，可以配置一个与较小的集流板24大小形状基本相同整流板27。它可定位在使该结构件保持在让传递给轴18的风能为最大的位置上。

附图4中所示的叶片或轮叶26的工作情况基本上与附图1至3所述的相同，并把风能传递给例如轴18的动力输出装置上。显然，结构件20是随风向的改变而转动的，这可在导向叶片或类似装置，例如沙沃纽斯（Savonious）转子22，的控制下实现。

本发明的涡轮机和转子装置能在很多领域应用，例如用于驱动风车，用于抽水、抽油和类似物，用于驱动压缩机或类似的机器，用于发电或用于驱动动力输出装置。然而，人们会预料到，本发明的转子和叶片的转动产生的转矩也可传递给一个细长吊轴或其他适当机构上，使该力矩得到利用或作动力利用。由此可见，本发明提供了一种利用风能的特别有效的方法，它克服了或至少部分地克服了目前在该领域内遇到的某些技术问题。

Claims (3)

1、一种风力涡轮机，包括：

一个转子板，

多个安装在转子板上并从转子板向外伸出的叶片，所述转子板和所述多个叶片能围绕一根垂直轴转动，且每个叶片具有一细长的尾面，

用于构成初级文丘里喷嘴的折流装置，它聚集并引导风穿过该初级文丘里喷嘴，并且随着所述转子板和至少一个所述叶片转离该初级文丘里喷嘴，使穿出该初级文丘里喷嘴的风吹到所述至少一个叶片的凹形尾面上，

其特征是：

所述多个叶片以至少两对对置叶片的形式安装到所述转子板上，每个所述叶片都带有根部端，所述根部端彼此是并列和交错的，当沿着横截面观察时，每个所述叶片包括一个限定所述叶片尾面的大体上呈U形的部分，该U形部分位于一个外面的大体上呈V形的零件内，该V形零件构成所述叶片的前缘，所述U形部分的深度从叶片倒圆的内齐端向叶片的外端递减，且所述U形部分在靠近叶片外端的地方是凹陷的，在所述的每个叶片的所述并列交错的倒圆齐端之间形成多个次级文丘里喷嘴，

从而风通过所述初级文丘里喷嘴并随着至少一个所述叶片转离所述初级文丘里喷嘴而吹向并沿着所述至少一个叶片的细长凹形尾面流动，风被进一步沿所述至少一个叶片径向向内引导并穿过所述多个次级文丘里喷嘴，而沿着正转向所述初级文丘里喷嘴的一或多个相对叶片的细长凹形尾面流动。

2、根据权利要求1的风力涡轮机，其特征是所述折流装置相对于所述转子板和叶片是可转动地安装的。

3、根据权利要求1的风力涡轮机，其特征是，当沿着平面看时，每个所述叶片是曲线形的。

Images