CN101772640A - 风力驱动式发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明的风力驱动式发电设备包括圆环形的进风壳体以及圆环形外部壳体，圆环形外部壳体的内表面具有圆形的截面。在该圆环形壳体内设有同轴布置的涡轮。用于转换机械能的机构与涡轮以运动方式相联。外部壳体的至少一部分具有椭圆形截面。在进风壳体的入口处限定了进风壳体的外表面的截面形状的椭圆的长轴不小于在外部壳体的内表面的最小截面处限定该外部壳体的内表面形状的圆的直径的0.55且不大于该直径的0.95。

Description

风力驱动式发电设备

技术领域

本发明涉及电力工程，尤其涉及用于将风能转换成电能或任何其它能并且能够用于工业、农业及其它经济分支的风力驱动式发电设备。

背景技术

已知的一种风力驱动式发电设备包括：环形进风壳体、以同轴关系布置在该进风壳体内的涡轮，以及与该涡轮以运动方式相联以用于转换机械能的机构(参见于1980年8月19日公布的国际分类号为F03D1/04的美国专利No.4218 175)。

该已知设备的缺点在于：气流对涡轮叶片产生的影响不均匀，这一事实引起可变g负载，从而导致用于转换机械能的机构所产生的电流参数不稳定；以及该设备由于未充分利用气流能量而效率相对较低。就技术实质和可获得的技术成果来说，最接近的是如下风力驱动式发电设备，该风力驱动式发电设备包括环形进风壳体、同轴地设置在该进风壳体内的涡轮、与该涡轮以运动方式相联来用于转换机械能的机构，以及其内表面截面为圆形的外部壳体(参见于2005年2月10日公开的国际分类号为F03D 1/04的专利RF No.2261362)。

由于安装了起喷射器作用的圆形外部壳体，这会增加涡轮上的气流速度并因此提高风力驱动式发电设备的效率，所以该已知设备的构造部分地消除了上述风力驱动式发电设备的不足。被选为最相关的现有技术解决方案的该已知设备的缺点可以是：其运行可靠性相对较低。众所周知，风力驱动式发电设备在特定的气流速度范围内运行良好。在气流(阵风)的速度增加到超过计算范围的情况下，进入进风壳体的气流能量以及由外部壳体产生的排放均会相应增加，这一事实将导致涡轮的转速增加到高于计算值。所述涡轮转速的增加将导致与其以运动方式相联以用于转换机械能的机构的速度增加。因此，构成该设备的所述元件将在增大的负载下工作，这将总体上降低该设备的运行可靠性。应当注意的是，在气流速度增加到超过设计范围时出现的可变g负载(g-load)将导致由机械能转换机构提供的能量参数(例如，电流)不稳定。

发明内容

本发明旨在处理以下任务：形成风力驱动式发电设备，通过自动调节供给到涡轮的能量的量以保护设备免受气流速度的急剧增加来确保其可靠运行并使所产生的能量参数保持稳定。实现本发明可获得的技术成果在于：在气流速度增加到高于计算值时，借助于减小通过该涡轮的排放程度来稳定涡轮的转速。

解决了所设定的任务是由于：在包括圆形进风壳体、同轴地布置在该进风壳体内的涡轮、以运动方式与该涡轮相联以用于转换机械能的机构以及其内表面截面为圆形的圆形外部壳体的风力驱动式发电设备中，该进风壳体的外表面的至少一部分被成形为椭圆的截面，并且，限定了进风壳体的其入口处的外表面的截面的所述椭圆的长轴不小于在外部壳体的内表面的最小截面处限定该内表面的圆的直径的0.55且不大于该直径的0.95。

此外，解决了所设定的任务是由于：外部壳体外表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面限定。

此外，解决了所设定的任务是由于：进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆锥体的侧表面限定。

而且，解决了所设定的任务是由于：进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面限定。

附图说明

现在将参照示出本发明特定实施例的附图来详细描述本发明，在附图中：图1示出了风力驱动式发电设备；图2为沿着图1中的箭头A的视图；图3为风力驱动式发电设备的备选结构实施例。

具体实施方式

风力驱动式发电设备包括截面为流线型(例如翼的形式)的圆形进风壳体1。至少一个涡轮2以同轴关系设置在该进风壳体1内，即，涡轮2的纵向延伸的对称轴线布置在进风壳体1的纵向对称轴线3上。整流罩4可定位在涡轮2的上游并借助于悬臂(未示出)牢固地紧固在进风壳体1上。涡轮2与用于转换机械能的机构5以运动方式相联并且可安装在支承件(未示出)上，例如，该支承件为牢固地紧固在地面上的柱体或固定到车辆上的底座的形式。涡轮2能与该支承件以枢转方式相连，以使设备沿任一方向顺风转动。机械能转换机构5可构造和设计为发电机、液压泵或压缩机。例如，涡轮2与所述机构5的运动联接可执行为皮带驱动、螺旋桨轴或齿轮传动。机构5可设置在中心体6中。例如，进风壳体1借助于悬臂7与成形为圆环形的外部壳体8相连，且其内表面9的截面为圆。外部壳体8的截面可以是流线型的，例如成形为翼的形状，并且与进风壳体1同轴地布置，即，进风壳体1的纵向对称轴线3为该外部壳体的纵向对称轴线。该设备可实现为具有位于外部壳体8或中心体6上的风向标表面(未示出)，以便于将该设备定向为顺风的。进风壳体1的外表面10的至少一部分被成形为椭圆的截面(图2)。应当注意的是，将会观察到以下情况：限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴B不小于在外部壳体8的内表面9的最小截面处限定该内表面9的截面的圆周的直径D的0.55且不大于该直径D的0.95，即，0.55D≤B≤0.95D。已在空气动力试验台上通过实验获得了该设备的几何参数之间的所述比率。该设备的几何参数之间的所述比率范围的上限指定了上述椭圆的长轴的长度B与上述圆周的直径D之间的关系，而附带条件为，气流速度超过其计算值的最大程度为大约25％，其中上述椭圆限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面，并且上述圆周限定了外部壳体8的其入口处的内表面9的截面。在几何参数的前述比率(B/D)脱离所述范围的上限值的情况下，进风壳体1由于其入口区段中的外表面10的椭圆形状而在外部壳体8入口处产生对气流的局部阻力，这会对该设备的运行产生不利影响，并且相对于气流的额定速度降低风力驱动式发电设备的效率。该设备的几何参数之间的所述关系范围的下限指定了上述椭圆的长轴的长度B与上述圆周的直径D的比率，而附带条件为，气流速度超过其计算值的最大程度为大约200％，其中上述椭圆限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面，并且上述圆周限定了外部壳体8的其入口处的内表面9的截面。在该设备的几何参数的所述比率B/D脱离所述范围的下限值的情况下，由于外表面10的椭圆形状，进风壳体1基本上不在外部壳体8的入口处产生对气流的局部阻力，因此，涡轮的转速不会由于该涡轮下游的排放减少而降低。考虑到与给定区域中的气流速度、该设备的几何特性及其它参数有关的统计数据来从该设备的几何参数的所述比率(B/D)值范围内选择该比率(B/D)的具体值。

风力驱动式发电设备的结构实施例的一个变型提供了：外部壳体8的外表面11(图2)的至少一部分由回转圆柱体的侧表面形成。

设备的结构实施例的另一变型提供了：进风壳体1的内表面12的至少一部分和/或外部壳体8的内表面9的至少一部分由回转圆锥体的侧表面形成。

进风壳体1的内表面15的至少一部分和/或外部壳体8的内表面9的至少一部分(未示出)和/或进风壳体1内表面12的至少一部分可由回转圆柱体的侧表面形成。

风力驱动式发电设备以如下方式运行。

沿借助于风向标表面定向成顺风的设备的纵向对称轴线3移动的气流经由进风壳体1冲击涡轮2，从而使涡轮2旋转。由于涡轮2与机械能转换机构5以运动方式相联，故机械能转换机构5也开始工作，以便将所述气流的能量转换成所需类型的能量。同时，气流沿外部壳体8的表面移动，从而通过在该设备的位于涡轮2下游的后部喷出来产生排放。气流在受到来自进风壳体1入口区段一侧和来自外部壳体8出口区段一侧的两种能通量的作用时达到最大速度，这一事实便于从气流中获取能量。

应当注意的是，外部壳体8的入口区段成形为圆环形，且其宽度在两个对称布置的部分上减小。外部壳体8入口区段在上述部分上的宽度减小是进风壳体1入口区段的椭圆形状和限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴长度B所需的，因此，外部壳体8入口区段的宽度减小程度被选择为使得在气流为额定速度的情况下，外部壳体8入口区段的宽度减小不会对产生排放所涉及的气流的效率产生影响，即，风力驱动式发电设备将在从气流中获取最大能量的运行状态下工作。

当气流速度上升到高于计算值时(强阵风)，经由进风壳体1到达涡轮2的能通量的量增加了。并且，从外部壳体8出口区段一侧进入的第二能通量的量将会减少。产生排放所涉及的气流效率的所述下降归因于如下事实：在进入外部壳体8中的气流速度增大到高于计算值的情况下，外部壳体8入口区段的每一面积减小均起到了局部阻力的作用，该局部阻力减小了气流经由外部壳体8的通过速度，所述气流经由外部壳体8的所述通过速度的减小降低了所述流动对形成排放所产生的影响的效率。因此，在气流速度增大到高于计算值时，从进风壳体一侧进入涡轮2的能通量的增加和从外部壳体8出口区段一侧到达涡轮2的能通量的减少同时发生。并且，在气流为额定速度以及气流速度明显增大的两种情况下，供给到涡轮2的总能通量的量都保持大致不变。还应当注意的是，在气流(风)速度进一步增大时，对到达外部壳体8的气流产生局部阻力的总面积将增大，即，将进一步减小气流经由外部壳体8的通过速度。在气流速度进一步减小到计算值时，就发生了供给到该涡轮的能通量的逆向重新分配，即，经由进风壳体1供给到涡轮2的能量的量将减少，而通过利用外部壳体8喷射气流来供给到涡轮2的部分能量将增加。因此，在气流速度降低到其计算值的情况下，对气流产生局部阻力的总面积将减小，直到进风壳体1的外表面10的椭圆形状不会对气流产生任何影响(在气流为额定速度的情况下)。当气流的速度变化时，进入涡轮2的能通量由于其重新分配而自动调节，这允许提供涡轮2的输出轴的稳定转速，而不管环境状况如何变化(阵风)。涡轮在运行期间的转速稳定性会降低设备零件上的峰值负载值，因此总体上提高了该设备的运行可靠性和耐久性能。

例如，如果特定气候区域中的额定风速为6-7m/s并且将在外部壳体8的内表面9的最小截面处限定该内表面9的圆的直径D选择为3m，则根据本发明，限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴的长度B应当不小于1.65m且不大于2.85m。从与给定气候区域中有效的最大风速值相关的某一范围内来选择限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴的具体值B。例如，如果气流的最大速度为9.0m/s，则限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴的长度B应当为大约1.90m，而如果气流的最大速度为14.0m/s，则限定了进风壳体1的其入口处的外表面10的截面的椭圆的长轴的长度B应当为大约2.60m。

Claims (4)

1.一种风力驱动式发电设备，包括：成形为圆环形的进风壳体、同轴地布置在所述进风壳体内的涡轮、与所述涡轮以运动方式相联以转换机械能的机构、以及圆形外部壳体，该圆形外部壳体的内表面的截面为圆形，其特征在于，所述进风壳体的外表面的至少一部分的截面成形为椭圆，并且，在所述进风壳体的入口处限定了所述进风壳体的外表面的截面的所述椭圆的长轴不小于如下圆的直径的0.55且不大于该圆的直径的0.95，所述圆在所述外部壳体的内表面的最小截面处限定所述外部壳体的内表面。

2.根据权利要求1所述的风力驱动式发电设备，其特征在于，所述外部壳体的外表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面形成。

3.根据权利要求1所述的风力驱动式发电设备，其特征在于，所述进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆锥体的侧表面形成。

4.根据权利要求1所述的风力驱动式发电设备，其特征在于，所述进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面形成。

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