CN101688514A - 具有可变叶片位移的多级风力涡轮机 - Google Patents

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CN101688514A CN200880018266A CN200880018266A CN101688514A CN 101688514 A CN101688514 A CN 101688514A CN 200880018266 A CN200880018266 A CN 200880018266A CN 200880018266 A CN200880018266 A CN 200880018266A CN 101688514 A CN101688514 A CN 101688514A
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Abstract

一种多转子风力涡轮机，两个或多个转子之间的角位移和/或轴向位移可变。转子(以及安装至所述转子的对应的涡轮机叶片)之间的角位移和轴向位移的变化控制涡轮机在不同风速下的转矩特性。

Description

具有可变叶片位移的多级风力涡轮机
技术领域
本发明涉及多级风力涡轮机领域。
背景技术
风力涡轮机已经变成可接受的绿色能源，然而，现有设计具有一些缺陷，这些缺陷妨碍了风力涡轮机得到更广泛的使用。这些缺陷包括有些人认为难看的大尺寸、变化的涡轮转速、和噪音。这些问题的根源在于风的动能向涡轮机叶片的转动的转换小于理想转换。如果使该转换更高效，则叶片可以制得更小，从而塔(tower)更小、叶片梢(blade tip)转速更低，并且噪音减小。反过来，具有相同直径的叶片可以产生更多电力。此外，具有可变的风速响应性的涡轮机可以被控制成在变化的风速条件下以更恒定的速度转动。
本领域公知的是，可以通过增加叶片的数量来增大由风力涡轮机产生的转矩。
在现有技术中，很多注意力都集中在不同类型的风力涡轮机上，或者集中在特定部件的优化上。US 7,347,660说明了一种改进型的竖轴涡轮机。US 7,344,360侧重用于单转子横轴风力涡轮机的叶片设计，并且要求保护具有可变平面扫描(planesweep)的叶片。US 7,335,128说明了用于横轴风力涡轮机的改进的传递设计。US 7,331,761说明了用于横轴风力涡轮机叶片的改进的变桨轴承(pitch bearing)。US 7,293,959说明了用于横轴风力涡轮机转子上的独立叶片的升降调整部件。
其它发明人已经教示了多个转子，但是没有任何人或任何技术考虑将该多个转子以可变角位移和/或轴线位移安装至同一轴线上，以控制组合的虚拟叶片(virtual blade)的转矩特性。US 7,299,627致力于在风电场情况下、上游转子的风影(windshadow)对下游转子的破坏性冲击，但是并没有预期将上游转子和下游转子安装在同一轴上的积极意义。US 6,713,893公开了在不同轴线上的不同轴上的第一转子和第二转子，以及当场内转子彼此相对转动时产生电能的组合发电机。US 6,504,260教示两个反向转动的转子，每一个转子均被连接至单独的轴和轴套，两个转子分别位于不同的轴线，并且两个转子都被连接至共用发电机系统，以允许提高负荷控制。US 6,278,197教示两个反向转动(counter-rotating)的转子在内轴和外轴上同轴线地安装至发电机的相反端部，使得两个轴的由风引起的反向转动归因于安装在两个转子之间的发电机部件而产生电能。
发明内容
根据本发明的一方面，一种风力涡轮机叶片组，其用于风力涡轮机，风力涡轮机叶片组包括具有至少一个前叶片的前转子和具有至少一个后叶片的后转子，其中，前叶片和后叶片之间的角位移能够调节，前转子和后转子被构造成：在风力涡轮机运转时，前转子和后转子沿相同的方向转动。
在一个实施方式中，前叶片和后叶片之间的角位移能够在-15度到+15度的角度范围调节。
在另一个实施方式中，能够在风力涡轮机运转的状态下调节前叶片和后叶片之间的角位移。
在还一个实施方式中，前叶片和后叶片之间的轴向位移能够调节。
根据本发明的另一方面，一种风力涡轮机叶片组，其用于风力涡轮机，风力涡轮机叶片组包括具有至少一个前叶片的前转子和具有至少一个后叶片的后转子，其中，前叶片和后叶片之间的轴向位移能够调节，前转子和后转子被构造成：在风力涡轮机运转时，前转子和后转子沿相同的方向转动。
在一个实施方式中，轴向位移能够调节转子直径的10％的量。
在另一个实施方式中，能够在风力涡轮机运转的状态下调节轴向位移。
在还一个实施方式中，前转子具有以120度的间隔安装的三个前叶片，并且后转子具有以120度的间隔安装的三个后叶片。
在还一个实施方式中，风力涡轮机叶片组还包括具有至少一个中间叶片的中间转子，前转子和中间转子被构造成：在风力涡轮机运转时，前转子和中间转子沿相同的方向转动。
在还一个实施方式中，前叶片和中间叶片之间的中间角位移能够调节。
在还一个实施方式中，前叶片和中间叶片之间的中间轴向位移能够调节。
在还一个实施方式中，前叶片和中间叶片之间的中间角位移能够在-15度到+15度的角度范围调节。
在还一个实施方式中，能够在风力涡轮机运转的状态下调节前叶片和中间叶片之间的中间角位移。
在还一个实施方式中，中间轴向位移能够调节转子直径的10％的量。
在还一个实施方式中，能够在风力涡轮机运转的状态下调节中间轴向位移。
在还一个实施方式中，风力涡轮机叶片组还包括前平衡体，该前平衡体与前叶片成180度地位于前转子上。
在还一个实施方式中，风力涡轮机叶片组还包括后平衡体，该后平衡体与后叶片成180度地位于后转子上。
在还一个实施方式中，风力涡轮机叶片组还包括中间平衡体，该中间平衡体与中间叶片成180度地位于中间转子上。
在还一个实施方式中，能够调节前叶片和后叶片之间的角位移和轴向位移使得该角位移和该轴向位移都逼近于0，并且前叶片和后叶片具有单叶片的组合的空气动力效果。
在还一个实施方式中，能够调节前叶片、后叶片和中间叶片之间的角位移和轴向位移，使得该角位移和该轴向位移都逼近于0，并且前叶片、后叶片和中间叶片具有单叶片的组合的空气动力效果。
在还一个实施方式中，能够调节前叶片、后叶片和中间叶片之间的角位移，使得该角位移逼近于120度，并且前叶片、后叶片和中间叶片具有三叶片单转子叶片组的组合的空气动力效果。
本发明的还一方面是一种风力涡轮机，其具有上述风力涡轮机叶片组。
在一个实施方式中，风力涡轮机具有前转子和后转子，前转子被安装于内轴，后转子被安装于外轴，内轴和外轴同轴线，并且内轴和外轴能够彼此相对转动。
在另一个实施方式中，风力涡轮机还包括：能够调节的轴套，该能够调节的轴套允许前转子相对于后转子转动，或者允许后转子相对于前转子转动；以及制动系统，该制动系统允许能够调节的轴套被安装至使得前转子和后转子不彼此相对转动的位置。
在还一个实施方式中，风力涡轮机还包括被安装至内轴的末端的线性致动器，线性致动器被构造成：线性致动器能够推动内轴和前转子以增大前转子和后转子之间的轴向位移，并且线性致动器能够拉动内轴和前转子以减小前转子和后转子之间的轴向位移。
在还一个实施方式中，风力涡轮机还包括被联接至内轴的轴制动器，当轴制动器被启动时，轴制动器允许锁定内轴相对于外轴的转动，并且，当轴制动器被释放时，轴制动器允许内轴相对于外轴自由转动。
在还一个实施方式中，风力涡轮机还包括位置传感器，该位置传感器能够监测内轴相对于外轴的相对转动位置，以便于控制角位移。
在还一个实施方式中，风力涡轮机还包括空气动力罩。
在还一个实施方式中，空气动力罩被构造成大尺寸喷嘴。
在还一个实施方式中，空气动力罩包括鼻锥、至少一个支撑件和至少一个定子件，支撑件被构造成与鼻锥一体化。
在还一个实施方式中，空气动力罩被构造成在叶片发生脱离时容纳叶片。
在还一个实施方式中，叶片构造有永磁体，空气动力罩构造有多个发电机磁极，发电机磁极选择性地对叶片的转动产生响应，以产生电流。
在还一个实施方式中，对于平均风力条件预设角位移和轴向位移。
在还一个实施方式中，风力涡轮机还包括成套花键或成套凸轮，成套花键或成套凸轮被构造成产生角位移和轴向位移的固定参数组。
本发明人已经发现，可以通过改变附加叶片相对于原始叶片的位置来调节由附加叶片产生的增加的转矩的量。可以以这种方式控制叶片的相对位置，以在低风速时产生高涡轮转数(rpm)，以及在高风速时产生低涡轮转数。由此可以得出如下结论，可以控制叶片的相对位置，以在变化风速条件下产生更恒定的涡轮转数。这将使在变化风速条件下产生恒定频率的交流(AC)电力的任务变容易。此外，能够由小叶片产生更大转矩将允许构建具有较低叶片梢转速的小涡轮机，从而减小质量、成本以及噪声。
上面说明了可以实时地调节叶片的相对位置以补偿变化风速条件的构造。作为可选方案，可以重设叶片的相对位置以适于给定地点的平均风力条件。这与为适应局部地区的风力条件而设计一套新的涡轮机相比，更加简单和便宜，因而在低平均风速地点更经济可行。
本发明人教示可以用两个基本参数描述两个邻近叶片的相对位置，即轴向位移和角位移。轴向位移可以被定义为沿着涡轮机轴测量的上游叶片和下游叶片之间的距离。角位移可以被定义为下游叶片沿转动方向指向上游叶片的角度。这些叶片可以是相同或不同的组成、和/或相同或不同的几何形状，以产生最理想的组合空气动力特性和声音品质。
多个叶片可以位于两个或多个转子上，以易于控制处理。此外，转子可以在独立的轴上同轴线地安装，从而可以相对于一个转子改变另一个转子的相对位置，从而改变安装至转子的叶片的相对位置。在这种情况下，轴向位移可以被定义为沿着涡轮机轴测量的上游转子和邻近的下游转子之间的距离，角位移可以被定义为下游转子沿转动方向指向邻近的上游转子的角度。
在两个转子的构造中，两个转子中的每个转子可以具有以120度的间隔安装的3个叶片，并且每个转子如目前的大多数风力涡轮机那样与传统的三叶片转子相似。通过在恒定风速条件下测试这类构造已经确认，涡轮转速可以在具有负角位移时增加至最大，并且涡轮转速可以在具有正角位移时减小至最小。此外，已经确认，涡轮转速可以随着更大轴向位移而增大至最大，并且随着更小轴向位移而减小至最小。所需的角位移和轴向位移的变化很轻微，试验结果表明，对公称转子直径6′来说，+/-7.5度的角位移变化与2″的轴向位移变化的组合将使涡轮转速改变差不多20％。
意外的是，当角位移为0度时，两个转子中的每一个转子均具有以120度的间隔安装的3个叶片的两个转子构造的涡轮机转速也比相当的单转子涡轮机转速高。这可能是因为，两个叶片起到“双平面”翼型(type“bi-plane”wing)的作用，对相同的视风(apparent wind)产生更大提升(lift)。从这个观点来看，改变角位移的概念可以被想象为上部翼面可以相对于下部翼面来回移动的双平面翼型，从而调节组合涡轮机叶片的升阻特性(lift and drag characteristics)。此外，改变轴向位移的概念可以被想象为上翼面可以上下移动从而接近或远离下翼面的双平面翼型，以调节组合涡轮机叶片的升阻特性。此外，应当注意，通过使涡轮机的轴线的指向远离风，可以使视风的方向更有利，特别是在低转数的情况下。该技术可以用于增加启动时的转矩。
上述组合涡轮机叶片可以被认为是具有可调节的空气动力特性的虚拟涡轮机叶片类型。从而两个转子中的每一个转子均具有间隔120度的3个叶片的两个转子构造，可以被看作具有三个可调节的虚拟叶片的传统单转子涡轮机。该方法可以允许如CFD模型等已有设计工具被应用于多级风力涡轮机的设计。
在另一实施方式中，多级风力涡轮机可以被构造成具有三个转子，每个转子均具有一个涡轮机叶片。此外，每个涡轮机叶片可以被构造成具有与叶片成180度地定位的平衡体，以提供平衡。在这种情况下，三个叶片可以以彼此成零(0)度的角位移的方式定位或者以彼此成非常小的角位移的方式定位，同时具有可变轴向位移，以产生一种具有单个可调节虚拟叶片的多级风力涡轮机。此外，相同的三个叶片还可以以120度的相对角位移定位，以将同一多级风力涡轮机改变成具有三个可调节的虚拟叶片的风力涡轮机。单虚拟叶片模式降低了相同的扫掠区域的叶片充填系数(solidity)，从而增大潜在的涡轮转速。三个虚拟叶片模式会增加叶片充填系数，但是还增加了由风力涡轮机提供的潜在转矩。也可以被设计成对整体的空气动力特性作出贡献的平衡体可以为单虚拟叶片模式的构造、三虚拟叶片模式的构造以及在该两种模式之间变换时增加平衡。
在一些被设计成承受非常大的风速或狂风的实施方式中，转子和叶片可以被设计成使得叶片可以以无轴向位移的方式嵌套在一起。此外，上游叶片可以比下游叶片大，使得下游叶片完全处于上游叶片的风影中，从而消除任何双平面影响，并且使组合的虚拟叶片起传统的单叶片的作用。
本发明还教示，空气动力罩可以被构造成围绕多级风力涡轮机叶片的周部，从而由该空气动力罩在气流通过多级风力涡轮机时控制和加速气流。空气动力罩还可以被构造成减小噪声，以及减小由可能变成与轴套脱离的叶片引起的损害。用于空气动力罩的支撑结构可以被构造成定子叶片，以控制和优化风和由上游转子产生的伴流(wake)，从而提高下游转子的性能。此外，用于空气动力罩的支撑结构还可以被构造成起散热器的作用，为发电机或者可能位于轴套区域的其它部件提供冷却。
在一可选实施方式中，空气动力罩还可以被构造成响应涡轮机叶片梢的转动的发电机。在这种情况下，发电机/空气动力罩可以包括多个极，可选择地在多个涡轮转速下运转，以在变化风力条件下产生相对恒定频率的交流电力，或者在不利的风力条件下产生制动效果。
附图说明
图1示出具有三个虚拟叶片的多级风力涡轮机的正视图；
图2示出具有三个虚拟叶片的多级风力涡轮机的侧视图；
图3示出具有三个虚拟叶片的多级风力涡轮机的试验结果；
图4示出处于一个虚拟叶片模式的多模式风力涡轮机的正视图；
图5示出处于三个叶片模式的多模式风力涡轮机；以及
图6示出具有空气动力罩的多级风力涡轮机的侧视图。
具体实施方式
图1示出构造有两个三叶片转子、即上游转子2和下游转子4的多级风力涡轮机1的正视图。可以将上游转子2和下游转子4通过空气动力学设计为与风相互作用使得多级风力涡轮机1如转动箭头6所示地沿顺时针方向转动。上游转子2的叶片和下游转子4的叶片分开角位移8，当多级风力涡轮机1沿所示方向转动，下游转子4落在上游转子2的后面时，该角位移可以被定义成负。
可以通过改变角位移8修改由多级风力涡轮机1产生的转矩。已经发现，角位移8在角位移8是零(0)度的位置前后的小的正/负改变引起由多级风力涡轮机1产生的转矩的较大改变。由于有限范围的运动将产生期望的效果，这简化了改变角位移8所需的机构。角位移8的改变超过一定范围将产生相反的结果，也就是，由多级风力涡轮机1产生的转矩在一个角位移8处达到最大，在另一个角位移8处达到最小，超过这些位点的调节将分别导致多级风力涡轮机产生较小转矩或较大转矩。
可以通过将上游转子2和下游转子4以一个轴可以相对于另一个轴转动的方式安装至两个同轴线的轴上，通过将上游转子2和下游转子4安装至同一轴、并且具有允许受控转子相对于轴转动的至少一个能够调节的轴套(hub)，或者通过其它方式，将多级风力涡轮机1构造成允许改变角位移8。作为可选方案，多级风力涡轮机1可以被构造成具有固定的角位移8，该角位移8被预先确定并且预先设置以使多级风力涡轮机1对当地的风力条件发挥最佳性能。
应当注意，至少在上游转子2和下游转子4均具有以120度的间隔布置的三个相似的叶片的多级风力涡轮机1的构造中，相对于上游转子2的下一邻近的叶片，正60(+60)度的角位移8和负60(-60)度的角位移8是一样的。可以得出如下结论，在允许一个转子相对于另一个转子转动时，角位移8是循环的，总是从负60(-60)度的最小值向正60(+60)度的最大值变化。因此，通过使下游转子4相对于上游转子2沿顺时针方向或逆时针方向转动，或者通过使上游转子2相对于下游转子4沿顺时针方向或逆时针方向转动，可以完成从负角位移8到正角位移8的这种改变。
角位移8的这种循环特性的知识可以简化控制角位移8所需的机构和过程，这是因为，在多级风力涡轮机1沿顺时针方向转动的情况下，使一个转子相对于另一个转子沿顺时针方向转动所需的转矩比使该一个转子沿相反的方向转动所需的转矩小很多。可以通过将一个受控转子构造成具有轴套和制动器，使得该受控转子可以选择性地以与轴的转速不同的转速转动，同时另一个转子仍然安装于轴，来实现该调节。可以放松制动，以暂时地降低受控转子上的负荷，从而允许受控转子短时间段内比轴转动得稍快，接着，再次施加制动以将受控转子固定在新的角位移8。此外，制动器可以通常用于调节受控转子上的负荷，从而允许在不利条件下对多级风力涡轮机1的总负荷进行一些调节。
当下游转子4位于上游转子2的正后方时，即当角位移8为零(0)度时，由多级风力涡轮机1产生的转矩仍可能比构造有与上游转子2相似的单转子风力涡轮机产生的转矩大。这是因为，下游转子4可能位于上游转子2的后方的一定距离处，上游转子2和下游转子4各自的叶片继续以组合的方式与风相互作用，以产生增大的转矩。该效果与由双翼飞机的机翼提供的增强的提升效果类似，特别是当考虑到视风时，当视风作用于转动叶片上，该视风以比实际风更与叶片扫掠的平面平行的角度进入组合的叶片构造。在不期望这种效果的构造中，下游转子的叶片可以被设计成嵌套到上游转子的叶片中，使得当角位移是零(0)度时，组合的空气动力特性与仅有上游转子时的空气动力特性实质相同。
在一对叶片中的一个叶片来自上游转子2并且一对叶片中的另一个叶片来自下游转子4的情况下，处于任何给定角位移8的该对叶片的组合的空气动力特性都可以被认为等同于单(single)虚拟叶片10的空气动力特性。明显地，当对角位移8和轴向位移22(参照图2)作出调整时，虚拟叶片10的空气动力特性将改变。然而，将其看作具有可修改的空气动力特性的单虚拟叶片10，可以允许使用已有的单转子风力涡轮机软件模型和设计工具来加快多级风力涡轮机1的进一步设计和优化。
多级风力涡轮机1可以还构造有其它特征，如具有不同组成和设计的叶片的转子、具有不同尺寸的叶片的转子、具有多于三个或少于三个叶片的转子、具有可变节距(pitch)的转子、多于三个转子等等，以实现特定应用所期望的空气动力特性和声音品质的范围。
图2示出多级风力涡轮机1和风20的侧视图。上游转子2可以与下游转子4同轴线地安装，并且上游转子2相对于下游转子4具有轴向位移22。上游转子2可以被安装至内轴24，下游转子4可以被安装至外轴26。内轴24可以被构造成通常与外轴26一起转动，但是可在外轴26中同轴线地滑动，以在允许上游转子2和下游转子4二者保持与发电机28的机械连接的情况下允许改变轴向位移22。
可以通过改变轴向位移22来修改多级风力涡轮机1产生的转矩。已经发现，轴向位移22的相对于标称轴向位移22的小的正向改变和负向改变引起多级风力涡轮机1产生的转矩的较大改变。由于有限范围的运动将产生期望的效果，这简化了改变轴向位移22所需的机构。轴向位移22的改变超过一定范围可能产生相反的结果，也就是，由多级风力涡轮机1产生的转矩在一个轴向位移22处达到最大，在另一个轴向位移22处达到最小，超过这些位点的调节可能分别导致多级风力涡轮机1产生较小转矩或较大转矩。
已经发现，可以通过组合轴向位移22的改变和角位移8(参见图1)的改变，来进一步扩展多级风力涡轮机1在恒定风速下产生的转矩的范围。可以得出如下结论：组合轴向位移22的改变和角位移8的改变将允许多级风力涡轮机1在扩展的风速范围产出恒定的转矩。可以以如下方式同时改变轴向位移22和角位移8。
可以以如下方式改变轴向位移22。内轴24可以被构造成穿过外轴26延伸至超过外轴26的端部而突出到线性致动器30内。线性致动器30可以被构造成，当需要适应于改变的风力条件时，将内轴24和上游转子2推到风中，以在轴向位移22的预定范围内增大轴向位移22；以及从风中拉回内轴24和上游转子2，以在轴向位移22的预定范围内减小轴向位移22。
可以以如下方式同时改变角位移8(参见图1)。内轴24可以构造有轴制动盘(disk)32，利用允许内轴24与轴制动盘32锁定转动、但是允许内轴24在轴制动盘32中滑动的花键轴或某些其它机构将轴制动盘32滑动地安装至内轴24。轴制动盘32可以被构造成通常被保持在安装至外轴26的轴制动壳体34中，使得内轴24可以通常与外轴26锁定转动，并且使得来自两个轴的组合转矩可以同时传递至发电机28。这里示出的轴制动块(pad)36a和36b仅为了图示而处于打开位置，轴制动块36a和36b可以被构造成通常压靠轴制动盘32以实现所需的制动和轴锁定功能。然而，当需要改变角位移8时，可以将轴制动块36a和36b拉离轴制动盘32，允许下游转子2转动得比下游转子4快，直到达到新的角位移8，如前所述。
轴制动块36a和36b使用这种常开(normally on)构造具有几个优点，这些优点包括但不限于：(i)由于仅在轴制动盘32需要部分或全部被释放时才需施加动力，所以需要较少的动力；(ii)在发生故障时，制动块仍能够继续保持轴制动盘32，从而确保多级风力涡轮机1继续运转，尽管以可能比最优水平差的方式运转。
还可以使用各种其它方式来控制轴向位移22和角位移8(参见图1)。例如，如果发现通过使特定的角位移8与各轴向位移22相联系可以最佳地控制由多级风力涡轮机1产生的转矩，则内轴24可以被构造成具有花键或凸轮，滑动地安装至外轴26的内部的相配的花键或凸轮，使得对于每一轴向位移22花键或凸轮会将内轴24导引至特定的角位移8。以该方式，花键或凸轮将自动地响应由线性致动器30产生的轴向位移22的改变。
多级风力涡轮机1可以还构造有主制动组件38，以防止上游转子2和下游转子4在严酷的风力条件下转动。在该情况下主制动组件38被构造成常关(normally off)制动，当主制动组件38被启动时，其将在主制动盘40上起作用以使外轴26和下游转子4停止转动，将上述轴致动组件设置在常开位置，也能使内轴24和上游转子2停止转动。作为可选方案，为了防止过大的负荷作用至主制动组件38，可以在主制动组件38作用之前部分或全部启动轴制动组件34。这将允许内轴24和上游转子2连续转动，直至外轴26和下游转子4进入完全停止状态，此时，可以将轴制动组件34再次释放至常开位置，以使内轴24和上游转子2停止转动。在一些更大的应用中，可以构造多个制动盘和制动组件，以这种方式提供所需的制动力。
轴制动组件34和轴制动盘32可以构造有位置传感器，以监测内轴24与外轴26的相对转动位置，该相对转动位置与上游转子2与下游转子4的相对转动位置相对应，以利于控制角位移8(参见图1)。另外，主制动组件38和主制动盘40可以构造有传感器，以监测外轴和下游转子4的转动速度，该转动速度与电动机28的转动速度对应，用于涡轮转速控制和其它目的。还可以使用各种其它手段来监测发电机28的转动速度、角位移8、轴向位移22和与多级风力涡轮机1有关的其它参数。
图3示出来自如下多级风力涡轮机1(参见图2)的试验的结果：该风力涡轮机1具有两个相似的三叶片转子，每个转子均具有2米的公称转子直径。在2m/s的恒定风速下完成试验，以确认通过改变轴向位移和角位移可以改变涡轮转速，以及确定在这些条件下产生涡轮转速的最大可能变化所需的控制范围。应当注意，随着风速增大以及随着诸如叶片设计和转子直径等其它参数的改变，可获得的涡轮转速的改变以及所需的对轴向位移和角位移的控制范围可能改变。
参照具有实心矩形标记的点划数据线和右手侧的“Y”轴，如风速线42所示，在整个试验中，风速都保持在恒定的2m/s。通过具有出口导流板(outlet baffle)的一排九个工业风扇在受控环镜下产生所述“风”，该出口导流板被校准以产生所需的平均风速。
在第一试验中，多级风力涡轮机构造有轴向位移为3.75″(英寸)的上游转子和下游转子，并且构造有允许角位移以7.5度的增量被调节的能够调节的轴套。该结果由两个转子在3.75″处的转数线(rpm line)44记录，参照具有实心矩形标记的短划数据线和中间的“Y”轴。涡轮转速在-60度的角位移处为大约90转/分(rpm)，在+7.5度的角位移处下降至大约80转/分的最小值，接着在+60度的角位移处升高回至90转/分的水平，如前面已经提到的，该转速对应于相对于另一转子的下一叶片的-60度的角位移。这些结果确定，可以通过在恒定轴向位移和风速时调节角位移来改变由多级风力涡轮机产生的转矩，以及因此改变给定负荷下的涡轮转速。
第一试验和第二试验之间的根本不同在于，轴向位移从3.75″增加至5.75″，即仅增加了2.00″。该结果记录在两个转子在5.75″处的转数线46上，参照具有空心矩形标记的短划数据线和中间的“Y”轴。应当注意，两个转子在5.75″处的转数线46上的每一个点均在两个转子在3.75″处的线44的上方，因此，可以得到如下结论，通过在恒定角位移和风速下调节轴向位移，可以改变由多级风力涡轮机产生的转矩，从而改变给定负荷下的涡轮转速。
还应当注意，在两个转子在5.75″处的线46中，在-7.5度的角位移处存在明显的约95转/分的峰值。当该峰与两个转子在3.75″处的线44在+7.5度的角位移处的大约80转/分的明显的谷结合时，可以示出，通过在减少角位移15度的同时增大轴向位移2.00″，涡轮转速可以增加15转/分，或者增加较低转速的大约19％。此外，应当注意，角位移的改变是从+7.5度到-7.5度，即关于零(0)度的角位移或“对准的叶片(aligned blade)”构造对称并且与该零(0)度的角位移或“对准的叶片”构造接近。因此，可以得出如下结论：角位移和轴向位移的小的变化产生较大的涡轮转速的变化。
第三试验的主要不同在于，去除了上游转子和能够调节的轴套，从而仅留下具有三个叶片的一个单下游转子。因此，第三试验反映传统的单转子/三叶片风力涡轮机在2m/s的相同受控风速的条件下的性能。令人惊讶的是，该重新构造的涡轮机甚至不转动，如单转子线48所示，参照位于图表的底部的具有实心矩形标记的实黑线以及中间的“Y”轴。因此，可以得出如下结论：由于多级风力涡轮机在相同的风力条件下以80至95转/分的速度转动，所以多级风力涡轮机构造在性能上超过单转子的传统涡轮机。
零(0)度角位移的结果特别有意思，因为即使在下游转子的叶片“停(parked)”在上游转子的叶片的紧后方时，该多级风力涡轮机也继续转动，并且有些人最初可能认为该构造会像单转子涡轮机一样工作。然而，两个叶片更像“双翼飞机”机翼类型那样工作，产生使涡轮机旋转所需的额外转矩。此外，从结果中可以看出，因为多级风力涡轮机在5.75″的轴向位移时比在3.75″的轴向位移时转动得快，所以上述效果在5.75″的轴向位移时比在3.75″的轴向位移时更显著。
这里教示的与多级风力涡轮机1有关的原理可以应用于如图4和图5所示的多模式风力涡轮机101。图4示出处于单虚拟叶片模式的多模式风力涡轮机101的正视图。已经公知的是，单叶片风力涡轮机非常高效，具有高速度低转矩特性。多模式风力涡轮机101可以通过对于给定风力条件组最优化单虚拟叶片102的空气动力特性，来实现和最优化这种效率水平。这可以通过根据需要如上所述地调节第一角位移104和第二角位移106来完成。通过如前所述地调节上游叶片108、中间叶片110和下游叶片112两两之间的轴向位移(未示出)，可以进一步改变和最优化单虚拟叶片102的组合的空气动力特性。
单叶片风力涡轮机的一个缺点是固有的缺乏平衡性。在多模式风力涡轮机101中，可以通过构造平衡体(counter-balance)114a、114b和114c、使平衡体114a、114b和114c分别以一百八十(180)度的角位移与上游叶片108、中间叶片110和下游叶片112一起转动，来至少部分地克服上述缺点。平衡体114a、114b和114c可以进一步被构造成对单虚拟叶片102的组合的空气动力特性作出积极贡献。
图5示出处于三叶片模式的多模式风力涡轮机101。在该情况下，上游叶片108已经相对于中间叶片110转动，使得第一角位移104现在为一百二十(120)度，并且下游叶片112已经相对于中间叶片110转动，使得第二角位移106也是一百二十(120)度。除了上游叶片108、中间叶片110和下游叶片112可以以一些轴向位移(未示出)分开之外，这与传统的三叶片涡轮机的几何形状一致。然而，如果需要最优化三叶片模式性能，当已经实现正确的对准时，通过允许下游叶片的轴套嵌套在邻接的上游叶片的轴套内并且非常靠近邻接的上游叶片的轴套，或者通过一些其它方式，可以使该轴向位移最小化。
多模式风力涡轮机101可以被构造成，使用如前所述的为多级风力涡轮机1(参照图2)构造的三轴/三制动器型式的制动系统，或者通过一些其它手段，在单虚拟叶片模式和三叶片模式之间改变。此外，三个轴可以构造有可调节的对准止动器，以有助于上游叶片108、中间叶片110和下游叶片112以一百二十(120)度的间隔正确对准。
图6示出具有空气动力罩(shroud)50的多级风力涡轮机1的侧视图。空气动力罩50可以被构造成大尺寸喷嘴，用于在风通过多级风力涡轮机1的转动叶片时对风进行加速，从而允许多级风力涡轮机1产生更大转矩。应当注意，为说明的目的而示出多级风力涡轮机1，这里教示的与空气动力罩50有关的原理也可以应用于多模式风力涡轮机101(参见图4)以及几种传统的风力涡轮机。
空气动力罩50可以构造有支撑件(support strut)52和定子件(stator strut)54。支撑件52可以被构造成支承空气动力罩50的主负荷，以用作容纳在发电机壳体29中的部件的散热器，支撑件52可以进一步与鼻锥(nose cone)56一体化，以改善发电机壳体29周围的空气动力特性。定子件54可以被构造成，改善上游转子2和下游转子4的入口条件，从而允许上游转子2和下游转子4从风中提取更多净能量。定子件54还可以被构造成包括用于内轴24的额外的外置轴承，以在仍然允许内轴24向上游或下游移动的同时提供支撑，从而方便轴向位移22的改变。在某些应用中，定子件54还可被构造在上游转子2和下游转子4之间，用于在风进入下游转子4之前减少由上游转子2产生的旋涡。
空气动力罩50还可以被构造成在发生叶片脱离(detachment)时容纳上游转子2和下游转子4的叶片，从而对多级风力涡轮机1的安全性作出贡献。此外，空气动力罩50可以被构造成，例如通过减小转动叶片梢和空气动力罩50之间的间隔，或者通过一些其它方式，减小由多级风力涡轮机1产生的噪声。此外，空气动力罩50、上游转子2上的叶片和下游转子4上的叶片可以一起构造成起发电机的功能，其中，位于转动的叶片梢上的磁体在绕空气动力罩50的内周布置的选择性地工作的磁极中感生电流。当这种发电机被连接至过大的负荷时，该发电机还可以被用作上游转子2和下游转子4的一种制动器。
在一可选构造中，空气动力罩50、上游转子2和下游转子4可以以相反的方向布置，从而多级风力涡轮机1适于在风20沿相反的方向吹时产生转矩。在该情况下，发电机壳体29将是转子的上游，从而可以被构造成具有将加速由风产生的气流和/或改善转子的入口条件的锥体、叶片或其它动力学特征。
本发明的上面说明的实施例和示例仅是包括在所附的权利要求书中的发明的实施例，并且不是要限制本发明。这里说明的所有专利和申请都通过引用包含于此。

Claims (34)

1.一种风力涡轮机叶片组，其用于风力涡轮机，所述风力涡轮机叶片组包括：
a.具有至少一个前叶片的前转子；
b.具有至少一个后叶片的后转子，
其中，所述前叶片和所述后叶片之间的角位移能够调节，所述前转子和所述后转子被构造成：在所述风力涡轮机运转时，所述前转子和所述后转子沿相同的方向转动。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前叶片和所述后叶片之间的角位移能够在-15度到+15度的角度范围调节。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够在所述风力涡轮机运转的状态下调节所述前叶片和所述后叶片之间的角位移。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前叶片和所述后叶片之间的轴向位移能够调节。
5.一种风力涡轮机叶片组，其用于风力涡轮机，所述风力涡轮机叶片组包括：
a.具有至少一个前叶片的前转子；
b.具有至少一个后叶片的后转子，
其中，所述前叶片和所述后叶片之间的轴向位移能够调节，所述前转子和所述后转子被构造成：在所述风力涡轮机运转时，所述前转子和所述后转子沿相同的方向转动。
6.根据权利要求4或5所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述轴向位移能够调节转子直径的10％的量。
7.根据权利要求4或5所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够在所述风力涡轮机运转的状态下调节所述轴向位移。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前转子具有以120度的间隔安装的三个前叶片，并且所述后转子具有以120度的间隔安装的三个后叶片。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述风力涡轮机叶片组还包括具有至少一个中间叶片的中间转子，所述前转子和所述中间转子被构造成：在所述风力涡轮机运转时，所述前转子和所述中间转子沿相同的方向转动。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前叶片和所述中间叶片之间的中间角位移能够调节。
11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前叶片和所述中间叶片之间的中间轴向位移能够调节。
12.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述前叶片和所述中间叶片之间的中间角位移能够在-15度到+15度的角度范围调节。
13.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够在所述风力涡轮机运转的状态下调节所述前叶片和所述中间叶片之间的中间角位移。
14.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述中间轴向位移能够调节转子直径的10％的量。
15.根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够在所述风力涡轮机运转的状态下调节所述中间轴向位移。
16.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述风力涡轮机叶片组还包括前平衡体，该前平衡体与所述前叶片成180度地位于所述前转子上。
17.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述风力涡轮机叶片组还包括后平衡体，该后平衡体与所述后叶片成180度地位于所述后转子上。
18.根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，所述风力涡轮机叶片组还包括中间平衡体，该中间平衡体与所述中间叶片成180度地位于所述中间转子上。
19.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够调节所述前叶片和所述后叶片之间的角位移和轴向位移使得该角位移和该轴向位移都逼近于0，并且所述前叶片和所述后叶片具有单叶片的组合的空气动力效果。
20.根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够调节所述前叶片、所述后叶片和所述中间叶片之间的角位移和轴向位移，使得该角位移和该轴向位移都逼近于0，并且所述前叶片、所述后叶片和所述中间叶片具有单叶片的组合的空气动力效果。
21.根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片组，其特征在于，能够调节所述前叶片、所述后叶片和所述中间叶片之间的角位移，使得该角位移逼近于120度，并且所述前叶片、所述后叶片和所述中间叶片具有三叶片单转子叶片组的组合的空气动力效果。
22.一种风力涡轮机，其具有权利要求1至21中任一项所述的风力涡轮机叶片组。
23.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其特征在于，所述前转子被安装于内轴，所述后转子被安装于外轴，所述内轴和所述外轴同轴线，并且所述内轴和所述外轴能够彼此相对转动。
24.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括：
a.能够调节的轴套，该能够调节的轴套允许所述前转子相对于所述后转子转动，或者允许所述后转子相对于所述前转子转动；
b.制动系统，该制动系统允许所述能够调节的轴套被安装至使得所述前转子和所述后转子不彼此相对转动的位置。
25.根据权利要求23所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括被安装至所述内轴的末端的线性致动器，所述线性致动器被构造成：所述线性致动器能够推动所述内轴和所述前转子以增大所述前转子和所述后转子之间的轴向位移，并且所述线性致动器能够拉动所述内轴和所述前转子以减小所述前转子和所述后转子之间的轴向位移。
26.根据权利要求23所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括被联接至所述内轴的轴制动器，当所述轴制动器被启动时，所述轴制动器允许锁定所述内轴相对于所述外轴的转动，并且，当所述轴制动器被释放时，所述轴制动器允许所述内轴相对于所述外轴自由转动。
27.根据权利要求26所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括位置传感器，该位置传感器能够监测所述内轴相对于所述外轴的相对转动位置，以便于控制角位移。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括空气动力罩。
29.根据权利要求28所述的风力涡轮机，其特征在于，所述空气动力罩被构造成大尺寸喷嘴。
30.根据权利要求28所述的风力涡轮机，其特征在于，所述空气动力罩包括鼻锥、至少一个支撑件和至少一个定子件，所述支撑件被构造成与所述鼻锥一体化。
31.根据权利要求28所述的风力涡轮机，其特征在于，所述空气动力罩被构造成在叶片发生脱离时容纳所述叶片。
32.根据权利要求28所述的风力涡轮机，其特征在于，所述叶片构造有永磁体，所述空气动力罩构造有多个发电机磁极，所述发电机磁极选择性地对所述叶片的转动产生响应，以产生电流。
33.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其特征在于，对于平均风力条件预设所述角位移和所述轴向位移。
34.根据权利要求25所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括成套花键或成套凸轮，所述成套花键或所述成套凸轮被构造成产生角位移和轴向位移的固定参数组。
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