CN101790640B - 垂直轴线的双涡流顺风内流冲击式风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机具有外壳，外壳具有进口和出口。位于外壳中的是圆柱形定子阵列，该定子阵列具有位于其中的多个间隔开的定子。环状圆柱形转子阵列具有围绕中心轴线旋转并装配在定子阵列的内部的多个杯形转子。定子被定位使得围绕定子阵列的外周流动的空气冲击转子，空气处理系统使得进入外壳的空气大致围绕定子阵列的外围分布。

Description

垂直轴线的双涡流顺风内流冲击式风力涡轮机
相关申请
本申请是2008年6月16日申请的申请序列号No.12/214,273的部分连续申请案，其又是于2007年1月11日申请的申请序列号No.11/625,429的部分连续申请案。
技术领域
本发明的主题涉及风力涡轮机。
背景技术
许多年来，风力已经被用作动力源。历史上，风车被用于磨碎谷物、抽吸水以及提供其它形式的机械能量。近来，它们被用于产生电力。然而，风车通常利用叶片(blade)或翼片，风经过它们而不显著地改变方向。
另一方面，水力涡轮机通常是冲击式涡轮机，其中，水的方向在它与涡轮机叶片相互作用时被显著地改变。一个典型的例子是帕尔顿水轮机。然而，冲击式涡轮机还未被用于将风能转换成电力。
发明内容
在本发明的主题中，一种风力涡轮机具有外壳，其外壳具有进口和出口。安装在外壳中的是多个间隔开的定子，其被布置成固定的环状圆柱形定子阵列。多个杯状的转子布置成环状圆柱形转子阵列，所述转子阵列是可围绕中心轴线旋转的，且装配在定子阵列的内部。定子被定位使得围绕定子阵列的外周流动的空气冲击转子。空气处理系统使得进入外壳的空气围绕定子阵列的外周流动。
本发明的前述的和其它的目的、特征以及优点在结合附图、考虑本发明的随后的详细描述时将变得更容易理解。
附图说明
图1是实现本发明主题的风力涡轮机的透视图。
图2是外壳在不同方向上的图1的风力涡轮机的透视图。
图3是沿图2中的线3-3截得的放大尺度的横截面视图。
图4是沿图3中的线4-4截得的放大尺度的横截面视图。
图5是显示转子是如何连接至转子环的分解的局部视图。
图6是沿图3中的线6-6截得的放大尺度的横截面视图。
图7是显示定子是如何连接至定子环的分解的局部视图。
图8是显示涡轮机的一部分的分解视图。
图9是沿图8中的线9-9截得的横截面视图。
图10是沿图8中的线10-10截得的横截面视图。
图11是沿图2中的线11-11截得的横截面视图。
图12是类似于图2的本发明的可替代的实施例的透视图。
图13是沿图12中的线13-13截得的放大尺度的横截面视图。
具体实施方式
现在参考图1和2，风力涡轮机10包括外壳12，外壳12具有包括进口14的进口端24和包括出口16的出口端22。在图1-3中示出的实施例中，整个进口端12a是开放的以提供进口14，整个出口端12b是开放的以提供出口16。外壳12安装在转台18上，转台18又安装在塔20的顶部上。另外，现在参考图11，转台18具有连接至塔20的外部环19。外部环20具有形成在其内周上的槽21。圆柱形板25的外周23延伸到槽21中。滚柱轴承27设置在板25的顶部、底部和边缘与环19之间。因此，板25自由地旋转且支撑外壳来承受垂直和径向负载。通过支柱29将外壳12连接至所述板。支柱将外壳10支撑在转台18上方足够高的位置上，使得转台不影响风进入外壳。在示出的实施例中，支柱以等于进口14的高度的50％的量将外壳与转台分离开。转台允许外壳12完全旋转使得进口可面向风。外壳12的横截面形状在出口端22处比在进口端24处大。这使得穿过外壳的被风驱动的空气随着它从进口端24移动至出口端22而加速，从而使得在外壳出口16处的压力小于在外壳进口14处的压力。之后将更加充分地描述这种布置的优点。在显示的实施例中，外壳的横截面是正方形，但它可具有许多其它的横截面形状。优选地，整个外壳是对称的，使得从进口端到出口端的距离约等于其整个范围。
现在参考图3，圆柱形涡轮机组件26安装在外壳中进口端和出口端之间的位置上。最好参见图4、6和8，涡轮机组件26包括多个定子28，其布置成环状圆柱形定子阵列30。定子阵列被分割成彼此分离的第一节30a和第二节30b。第一定子节位于环状的上部定子环32和环状的中间定子环34之间，第二定子节位于中间定子环34和环状的下部定子环36之间。中间定子环的外周包括圆形的外圆角(bull nose)37，其从定子向外突出，以帮助在第一和第二节30a、30b之间分隔进入涡轮机组件26的空气。每个定子28具有位于中心地延伸贯穿其的孔38和穿过孔38的杆40，杆40连接至上部定子环、中间定子环以及下部定子环。因此，杆将定子和定子环连接成一体的单元。定子是泪珠状且面对面地对称。如之后将要描述的，它们形成一定角度以需要的方式引导进入涡轮机的空气。图7中，销42从定子的顶部和底部之间延伸到定子环中，以防止定子在杆40上旋转。定子的数目并且因此形成的它们之间的间距被设定，使得进入涡轮机组件26的空气围绕定子阵列30的整个外周被相对均衡地分布。
再次参考图3，上部定子环32连接至管状上部通风管44，上部通风管弯曲90度且朝外壳12的出口端22延伸。未显示将上部定子环连接至上部通风管的支架。上部通风管44的端部向外张开以覆盖约出口16的一半。这使得流过通风管的空气在到达出口16时减速。下部定子环36连接至管状下部通风管46，下部通风管46也弯曲90度且朝外壳12的出口端22延伸。下部通风管也向外张开以覆盖出口16的剩下的一半。如之后将要说明的，在标号48处示意性地显示的阀位于两个通风管中，以允许它们被选择性地打开和关闭。通过一对隔离壁47将通风管连接至外壳，且将定子阵列30保持在适当位置处。隔离壁还迫使所有进入进口14的空气穿过涡轮机组件且从通风管44、46流出。
涡轮机组件26还包括多个杯形的转子50，其被设置成环形转子阵列52，所述转子阵列52直接装配在定子阵列30的内部。转子阵列也被分割成彼此间隔开的第一节52a和第二节52b。转子在帕尔顿水轮机中工作时，转子的杯形形状使得冲击它们的空气方向改变很多。在示出的实施例中，空气以相对于它进入转子的位置约164度的角度从转子中流出，但增加或减小这个角度可能增加涡轮机的效率。在示出的实施例中，在图4中，转子被定向使得连接它们的尖端的线A延伸通过转子阵列的中心。
第一转子节52a位于环形上部转子环54和圆柱形横截面转子板56之间，第二转子节52b位于转子板56和环形下部转子环58之间。在示出的实施例中，转子板在靠近其中心处比其周边部宽，以帮助在第一和第二节52a、52b之间分割空气。每个转子50具有位于中心地延伸通过它的孔60和穿过孔60的杆62，杆62被连接至上部和下部转子环与转子板。因此，杆将转子、转子环以及转子板连接成一体的单元。在图5中，销63在转子的顶部和底部之间延伸到转子环和转子板中，以防止转子在杆62上旋转。在示出的实施例中，具有与定子相同数量的转子。轮轴66被连接至中心板56，轮轴66向下从外壳伸出延伸到驱动装置(例如，发电机、压缩机、飞轮等等(未显示))。轮轴66通过轴颈被安装在稳定器轴承68中，该轴承68安装在外壳12中。位于地面上的推力轴承70在轮轴的底部支撑轮轴。位于轮轴66上的滑轮74通过带78连接至小的交流发电机76，其被安装在外壳上。交流发电机使在隔离壁47之间的隔离空间81中的电池80保持充电。电池为小的计算机82供电，计算机82监控环境状况并且在显示例如大风或冰雪的状况时关闭涡轮机。
位于外壳的进口端22中的矩形喷嘴72将进入外壳的被风驱动的空气引导到涡轮机组件26上。
起初，涡轮机在处于通风管44、46中的阀48关闭时被开启，使得没有空气通过进口14进入外壳12。如上所述，由于外壳的形状，流过它的空气使得在出口16处的压力小于进口14处的压力，且也低于周围气体压力。在阀48被打开时，这种负压拉动空气通过通风管。这使得空气螺旋上升并从转子阵列的第一节52a流出且进入定子阵列的第一节30a中，以及螺旋下降并从转子阵列的第二节52b流出且进入定子阵列的第二节30b中。它还使得空气以大于周围风速的速度被拉入到进口中。提供适合数目的定子来限制可在每对邻近的定子之间穿过的空气的量。定子的这种限制和排列使得空气围绕大致其整个圆周范围进入到定子阵列30中。通风管的一个功能是将高速气流离开转子时所蕴藏的能量转换成可使用的功率。这可通过逐渐将在通风管的进口端处的高空气速度降低至在通风管的排出端处的较低的速度来实现。通过逐渐关闭在通风管中的阀来关闭涡轮机。
在进入外壳12的风的速度达到一定水平时，由被风驱动的涡轮机和/或装置将会以在它们的设计限度之上的速度旋转。在这出现时，可关闭阀48中的一个，空气将只通过通风道44、46中的一个进入涡轮机。因此，空气将只冲击涡轮机节中的一个。这将使得涡轮机将会以比如果空气被允许进入两个涡轮机节时它将会具有的速度小的速度运转，并且涡轮机将提供大约所述能量的一半。虽然相同的结果可通过部分地关闭两个阀48来获得，但是在通风管中设置部分限制将会导致产生无法接受的水平的噪声。
在外壳出口16处的大的横截面面积使转台18旋转，使得进口14总是面向风。如果涡轮机组件26引起的旋转力使得外壳相对于风向没有对准，那么有多种方式来对此进行补偿。由于在外壳12的出口端22处的大的横截面积，外壳将不会转动(pinwheel)。
在本发明的另一实施例中，如图12和13所显示的，外壳12的出口端22向后延伸过短的距离，在此处上部和下部通风管44、46集合在一起。在本实施例中，外壳12的出口端22被用端板84关闭，出口是位于外壳12的下部壁88中的一系列的槽86。槽86的总的横截面积需要至少等于出口14的总的横截面积，并且优选地相当大。这种配置提供了在进口和出口之间的压力差大于图1-3中示出的实施例的压力差。结果，空气进入定子阵列30，在它的外围更加均匀，其产生更高的涡轮机效率。
在前述的说明书中所采用的术语和表达在本文中用作描述目的而不是用于限制，在这样的术语和表达的使用中，没有排除显示的和被描述的特征的等价物或它们的一部分，应当认识到本发明的范围仅由随所附的权利要求来限定和限制。

Claims (25)

1.一种用于风力涡轮机的外壳，包括：
(a)进口端和出口端以及外部形状，所述外部形状使得在所述外壳周围穿过的被风驱动的空气的行进速度在所述出口端比在所述进口端高；
(b)连接到所述外壳的进口，所述进口位于所述进口端处；和
(c)连接到所述外壳的出口，所述出口位于所述出口端处，
所述风力涡轮机还包括：
多个间隔开的定子，布置成固定的环状圆柱形定子阵列；
多个杯形的转子，布置成环状圆柱形转子阵列，所述转子阵列是能够围绕中心轴线旋转的，且装配在所述定子阵列中，所述定子被设置以使得围绕所述定子阵列的外周流动的空气冲击所述杯形的转子；和
空气处理系统，其使得进入所述外壳中的空气大致围绕所述定子阵列的整个外周流动。
2.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述外壳具有沿细长的轴线对称的横截面形状，所述轴线在所述进口端和所述出口端之间延伸，并且所述出口的方向大致垂直于所述细长的轴线。
3.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述外壳具有沿细长的轴线对称的横截面形状，所述轴线在所述进口端和所述出口端之间延伸，并且所述出口的方向大致平行于所述细长的轴线。
4.根据权利要求3所述的外壳，其中，所述出口位于所述外壳的侧壁中。
5.根据权利要求4所述的外壳，其中，所述出口位于所述外壳的面向下的侧壁中。
6.一种风力涡轮机，包括：
(a)外壳，所述外壳具有进口端和出口端，所述进口端具有限定在其中的进口，所述出口端具有限定在其中的出口；
(b)多个间隔开的定子，布置成固定的环状圆柱形定子阵列；
(c)多个杯形的转子，布置成环状圆柱形转子阵列，所述转子阵列是能够围绕中心轴线旋转的，且装配在所述定子阵列中；
(d)所述定子，被设置以使得围绕所述定子阵列的外周流动的空气冲击所述杯形的转子；
(e)空气处理系统，使得进入所述外壳中的空气大致围绕所述定子阵列的整个外周流动；其中
(f)所述外壳具有外部形状，所述外部形状使得在所述外壳周围穿过的被风驱动的空气的行进速度在所述出口端比在所述进口端高。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其中，所述外壳具有沿细长的轴线对称的横截面形状，所述轴线在所述进口端和所述出口端之间延伸，并且所述出口的方向大致垂直于所述细长的轴线。
8.根据权利要求6所述的涡轮机，其中，所述外壳具有沿细长的轴线对称的横截面形状，所述轴线在所述进口端和所述出口端之间延伸，并且所述出口的方向大致平行于所述细长的轴线。
9.根据权利要求6所述的涡轮机，其中，所述出口位于所述外壳的侧壁中。
10.根据权利要求6所述的涡轮机，其中，所述出口位于所述外壳的面向下的侧壁中。
11.一种风力涡轮机，包括：
(a)外壳，所述外壳具有进口和出口；
(b)多个间隔开的定子，布置成固定的环状圆柱形定子阵列；
(c)多个杯形的转子，布置成环状圆柱形转子阵列，所述转子阵列是能够围绕中心轴线旋转的，且装配在所述定子阵列中；
(d)所述定子，被设置以使得围绕所述定子阵列的外周流动的空气冲击所述杯形的转子；和
(e)空气处理系统，其使得进入所述外壳中的空气大致围绕所述定子阵列的整个外周流动。
12.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述定子和转子阵列被分成彼此分离的第一节和第二节，进入所述外壳的空气的第一部分流过所述第一节，进入所述外壳的空气的第二部分流过所述第二节。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述转子阵列的第一和第二节连接在一起并且一起旋转。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，所述空气处理系统包括管状通风管，该管状通风管将风朝所述涡轮机的外壳的出口径向地引导出所述转子阵列的中心。
15.根据权利要求14所述的涡轮机，所述涡轮机包括位于所述外壳中的隔离壁，以使得进入所述进口的所有空气流过所述定子和转子阵列和流过所述通风管。
16.根据权利要求14所述的涡轮机，其中，所述通风管被制定尺寸，使得空气的速度随着它在所述通风管中穿过而变低。
17.根据权利要求14所述的涡轮机，其中，阀位于所述通风管中，用于选择性地停止通过所述涡轮机的所述空气流。
18.根据权利要求12所述的涡轮机，所述空气处理系统包括第一通风管和第二通风管，所述第一通风管将空气径向地引导出所述转子阵列的所述第一节的中心，所述第二通风管将空气径向地引导出所述转子阵列的所述第二节的中心。
19.根据权利要求12所述的涡轮机，其中所述定子阵列包括：
(a)上部环状定子环、中部环状定子环以及下部环状定子环，所述第一节中的所述定子在所述上部定子环和中部定子环之间延伸，在所述第二节中的所述定子在所述中部定子环和下部定子环之间延伸；
(b)所述定子，具有纵向地从其中延伸通过的孔；和
(c)多个杆，每个杆与每个定子相关联，每个杆穿过在所述定子中的孔并且连接至所述上部环、中部环以及下部环。
20.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述转子阵列包括：
(a)上部环状转子环和下部环状转子环以及圆形横截面的转子板，该转子板位于所述上部转子环和下部转子环之间，在所述第一节中的所述转子在所述上部转子环和所述转子板之间延伸，在所述第二节中的转子在所述下部转子环和所述转子板之间延伸；
(b)所述转子具有纵向地从其中延伸通过的孔；和
(c)多个杆，每个杆与每个转子相关联，每个杆穿过在所述转子中的孔并且连接至所述上部转子环和下部转子环以及所述转子板。
21.根据权利要求20所述的涡轮机，所述涡轮机包括轴线，所述轴线中心延伸通过所述转子阵列和连接至所述转子板。
22.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述定子被制定方向，使得流过每一个定子和在相邻的一对定子之间的空气冲击所通过的转子，使得最大化转移至所述转子的能量。
23.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，定子和转子的数量相等。
24.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述定子被配置以使得进入所述涡轮机的空气大致围绕所述定子阵列的整个周边范围分布。
25.一种操作风力涡轮机的方法，所述涡轮机具有：外壳，所述外壳具有进口和出口；布置成固定的环状圆柱形定子阵列的多个间隔开的定子；布置成环状圆柱形转子阵列的多个杯形的转子，所述转子阵列是能够围绕中心轴线旋转的，且装配在所述定子阵列中；所述定子被设置以使得围绕所述定子阵列的外周流动的空气冲击所述杯形的转子；和空气处理系统，其使得进入所述外壳中的空气大致围绕所述定子阵列的整个外周流动，所述定子和转子阵列被分成彼此分离的第一节和第二节，其中，进入所述外壳的空气的第一部分流过所述第一节，进入所述外壳的空气的第二部分流过所述第二节，所述空气处理系统包括第一通风管和第二通风管，所述第一通风管将空气径向地引导出所述转子阵列的所述第一节的中心，所述第二通风管将空气径向地引导出所述转子阵列的所述第二节的中心，所述方法包括：
(a)将空气控制阀放置于所述两个通风管中；和
(b)在所述通风管中的一个中关闭所述空气控制阀，同时保持所述空气控制阀中的另一个打开，以在风速超过一定水平时防止空气从所述通风管中的所述一个中流过。
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