CN101971481B - 具有提升体转子叶片的水平轴风轮机转子组件 - Google Patents

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Abstract

一种水平轴风轮机转子组件(2)使用具有低展弦比提升体的空气动力特性的转子叶片(10)。在典型工作风速上低展弦比提升体的空气动力特性允许在整个宽范围风速上的高能量转换效率。

Description

具有提升体转子叶片的水平轴风轮机转子组件
技术领域
本发明涉及一种具有附属转子叶片的水平轴风轮机转子组件，所述转子叶片具有低展弦比提升体而非高展弦比翼片的空气动力特性。参见由Thomas StewartBernatz于2007年11月5日提交的临时专利申请61/002,087。
背景技术
现有技术中的风轮机主要设计为包括具有翼片空气动力特性的转子叶片。在现有技术中根据展弦比表征翼片。在2001年7月24日授权给Weston的美国专利6,264,136中讨论了展弦比。在现有技术中，将翼片展弦比可能稍微模糊地定义为翼片的翼展方向长度与翼片平均弦长的比值。翼片展弦比通常大于3∶1。
现有技术中风轮机的转子组件通常包括展弦比远超过3∶1和接近30∶1甚至更大的翼片。这种风轮机转子组件的缺点包括与翼片相关的自我限制空气动力阻力特性、与叶片的超长杠杆臂相关的机械压力、高噪声级别和严重的视觉影响。
在现有技术中，还存在称作低展弦比提升体的空气动力结构。低展弦比提升体与高展弦比翼片的区别在于提升体具有小于2∶1的展弦比，而翼片具有大于3∶1的展弦比。此外，提升体通过在某些应用中某些明显有利的空气动力特性区别于翼片，其包括在高攻角上更高的提升系数，通常具有更有利的阻力特性，在1945年9月18日授权给Crook的美国专利2,384,893中部分地进行了讨论。
在现有技术中还存在称作水平轴型风轮机的风轮机。于2000年5月16日授权给Gislason的美国专利6,064,123描述了水平轴风轮机的普通特性和操作。
发明内容
根据本发明，提供一种水平轴风轮机转子组件，其转子叶片通常为平面几何形状，具有低展弦比提升体而非翼片的空气动力特性。风轮机转子组件的中心轮毂定位在通常水平和平行于迎面气流的旋转轴上，以便中心轮毂的中心点与该轴一致，进而该中心轮毂可以围绕该轴在垂直于该轴的旋转平面内旋转。中心轮毂具有指定的逆风侧，定义风轮机转子组件的逆风侧，通常将其定位在进入风内，以便进入风首先接触在逆风侧上的风轮机转子组件。
提升体转子叶片围绕中心轮毂周围间隔地连接。对于每个提升体转子叶片，存在该提升体转子叶片连接至中心轮毂的根连接点。提升体转子叶片的根连接点对应于并连接在中心轮毂上其相应的连接点上。将提升体转子叶片连接至中心轮毂的效果在于该连接方式最小化了提升体转子叶片和中心轮毂之间的接触面积，从而最小化连接中断的长度或者对提升体转子叶片形状的影响。
为了解释的目的，为了准确地定义提升体转子叶片的平面形状展弦比，在此定义术语“中间位置”。将中间位置定义为提升体转子叶片的位置，以便由提升体转子叶片描绘的平面与由提升体转子叶片所连接的中心轮毂描绘的旋转平面共面。提升体转子叶片的工作位置根据应用而改变，不同于中间位置。
当延伸至提升体转子叶片的相对最外边沿时，由中心轮毂的中心点和在中间位置内连接至中心轮毂的提升体转子叶片的根连接点之间的线所描绘的轴是提升体转子叶片的根轴。自提升体转子叶片的根连接点延伸至提升体转子叶片的外侧边沿的符合提升体转子叶片根轴的线段是提升体转子叶片的跨线。该跨线的长度是提升体转子叶片的跨距。
提升体转子叶片的弦线是与跨线交叉的线，其垂直于跨线，交叉和终结于提升体转子叶片的两个相对最外边沿。弦线长度是在相对最外边沿之间弦线的长度。提升体转子叶片的弦宽度是如此定义的提升体转子叶片的最长弦的长度。
因为在现有技术中展弦比的含义和定义存在一些不确定性，因为在其在翼片和提升体的应用中略微不同地定义了该术语，在此定义术语“平面展弦比”，用于本申请的包括作为提升体和翼片混合体的转子叶片的提升体转子叶片。提升体转子叶片的平面展弦比是提升体转子叶片的跨距与提升体转子叶片的最大弦宽度之间的比值。如此区分提升体转子叶片的平面展弦比和翼片的展弦比，通常将其理解为翼片的翼展方向长度和翼片的平均弦长度之间的比值。为了本发明的目的，将平面展弦比在3∶1和2∶1之间的提升体和翼片混合属性的转子叶片视为提升体转子叶片的子集类型。
根据本发明，连接至风轮机转子组件的中心轮毂的提升体转子叶片应当具有低于2∶1的平面展弦比。
根据本发明，可以使用具有低于3∶1和高于2∶1的平面展弦比的混合提升体转子叶片。
定向连接于中心轮毂的每个提升体转子叶片，以便在操作过程中，其倾斜于中心轮毂迎风侧的平面，从而倾斜于中间位置。通过围绕其根轴旋转提升体转子叶片建立的角度是转子叶片相对于由中心轮毂描绘的旋转平面的迎角。提升体转子叶片相对于由中心轮毂描绘的旋转平面的迎角定义了提升体转子叶片相对于迎面气流的攻角。
每个提升体转子叶片在几何形状上基本上是平面的，两个相对表面中的一个表面是迎风表面，另一个是顺风表面。每个表面可以分别是平面的，或者是以恒定或变化的曲率弯曲，整个表面和该表面的多个部分具有在翼面外形上类似于现代飞机机翼外形的翼面普通特性。提升体转子叶片和混合提升体转子叶片的一个或多个最佳设计将被确定。相信最佳设计特征可以包括环形，或者更普通地，提升体转子叶片和混合提升体转子叶片可以包括孔径。可以在同一水平轴风轮机转子组件内使用不同大小和形状的提升体转子叶片。甚至在同一水平轴风轮机转子组件内，提升体转子叶片可以具有不同大小和形状的孔径。
已经构建了提升体转子组件的优选实施例，该原型使用十二个环形重叠提升体转子叶片。转子组件的替代实施例可以具有不同数量和组合的提升体转子叶片和混合提升体转子叶片。转子组件的替代实施例可以具有并不重叠的叶片。
部分地由于取决于其具体形状和进入风速的有利提阻特性，相信使用本发明的风轮机与使用翼片型转子叶片的现有风轮机设计相比将实现更高的能量转换效率。相信预期更高的能量转换效率将归咎于部分降低的顶部涡流。
预计中心轮毂和提升体转子叶片设计的具体特征组合将显示具体的优点，所述设计包括提升体转子叶片的尺寸、提升体转子叶片相对于中心轮毂的相对尺寸、孔径相对于提升体转子叶片几何形状的相对大小和形状、提升体转子叶片的数量、提升体转子叶片的方向和中心轮毂提升体转子叶片的特定表面几何形状。
与使用翼片型转子叶片的可比扫掠面积的转子组件相比，本发明的优选实施例呈现相对于迎面气流的较大反冲表面积。预计该因素将对使用提升体转子组件的风轮机贡献进一步的优点。由于使用较小的转子叶片和较大的轮毂，还预计本发明将呈现更强的结构可靠性。
与高展弦比翼片相比，低展弦比提升体可以在高相对风速和高攻角上呈现有利的提阻特性。预计使用提升体转子叶片而非翼片型转子叶片的风轮机转子组件将允许在可比较风速上更快旋转的可能性，从而在更宽的风速上潜在地生成更大的功率。
虽然风速通常在更高的高度上增加，但是提升体转子叶片的改进性能可以降低必需提高使用本发明的风轮机以有效操作的所需高度。由于提升体转子组件的降低直径和对塔高的可能降低的要求，本发明可以允许在最小化风轮机产生的视觉影响的区域内使用风轮机。因为类似的原因，本发明允许在给定的陆地上安装更多的风轮机。
相信可以同时在迎风和顺风应用中使用本发明。
已经观察到和预计使用本发明的风轮机将比使用翼片型转子组件的风轮机更安静地操作。
附图说明
本发明可以在某些部分上和在部件配置上采取在说明书中详细描述和在附图中图示并构成其一部分的本发明优选实施例和替代实施例的实际形式，在附图中：
图1A和1B是使用包括十二个重叠提升体转子叶片的转子组件的实用型风轮机的透视图和正视图；
图2是图示用于将转子组件连接至能量转换设备的方法的具有两个叶片的转子组件的分解透视图；
图3是具有两个所连接的提升体转子叶片的轮毂部分的透视图，图示两个提升体转子叶片的根连接；
图4A-4F和5A-5F是各种形状的提升体转子叶片的平面视图，一些有孔径和一些没有孔径，一些具有同心孔径和另一些具有非同心孔径，一些具有与提升体转子叶片的外周边不同几何形状的孔径。
图6A是实心提升体转子叶片的截面图；
图6B是具有孔径的提升体转子叶片的截面图；
图6C-6F图示可能的替代翼面外形，呈现可应用于实心提升体转子叶片、具有孔径的提升体转子叶片和具有孔径的提升体转子叶片的部分的迎风和顺风表面的各种曲率；
图7A是环形提升体转子叶片的透视剖视图；
图7B是环形提升体转子叶片的侧视图；
图7C是环形提升体转子叶片的剖面侧视图；
图8A-8F是转子组件的替代实施例的平面视图，呈现中心轮毂大小和提升体转子叶片大小的不同比值、不同数量的提升体转子叶片，其中叶片与相邻叶片重叠至不同程度；
图9A-9B是在具有提升体转子叶片的风轮机转子组件的优选实施例的迎风侧和顺风侧上观看的透视图，图示组件之间的几何和尺寸关系；
图10A是呈现1∶1平面展弦比的提升体的概略平面视图；
图10B是呈现2∶1平面展弦比的混合提升体的概略平面视图；
图10C是呈现最小翼片展弦比的3∶1平面展弦比特性的叶片的概略平面视图；和
图11是具有六个非重叠提升体转子叶片的风轮机转子组件的优选实施例的平面视图。
具体实施方式
现在更具体地参见附图，其中这些附图仅用于图示本发明优选实施例的目的，而不用于限制本发明，图1A和1B图示水平轴风轮机1的优选实施例。该水平轴风轮机转子组件2包括中心轮毂3，可围绕中心点4旋转，连接至可以是发电机的能量转换设备5。能量转换设备5以这样一种方式由塔6抬起，从而允许能量转换设备5在枢轴上转动至进入气流，进而将转子组件2的迎风侧指向和接触进入气流，从而允许转子组件2响应于进入风围绕其旋转轴旋转。根据包括主要风力状况和视觉影响等本地因素，塔6的高度可变。图示实用小屋7以说明本发明优选实施例的可能相对大小。
图2图示将风轮机转子组件2的优选实施例连接至能量转换设备5的优选方法的分解图，其中可旋转中心轮毂3在可旋转中心轮毂3的顺风侧的中心点4上连接至能量转换设备5的驱动轴9的安装盘8。
图3图示用于将提升体转子叶片10连接至可旋转中心轮毂3一部分的装置的优选实施例，其中将安装带固定于可旋转中心轮毂3上，从而定义和构成在轮毂3周围12上的连接点，将提升体转子叶片10连接至该连接点，以便叶片10的根连接点11对应于连接点。
在风轮机转子组件2的单个实施例中使用的提升体转子叶片10可以具有相应的形状和尺寸。风轮机转子组件2的替代实施例可以具有可变形状和尺寸的提升体转子叶片10，依然具有提升体转子叶片的特性。图4A-4F和5A-5F图示提升体转子叶片10的可能的替代形状。提升体转子叶片10的替代实施例可以包括与提升体转子叶片的外部周缘不同几何形状的孔径。相对于包括孔径的叶片，孔径在尺寸和位置上可变。
使用具有最高2∶1的平面展弦比的提升体转子叶片10的替代实施例也可以使用平面展弦比在3∶1和2∶1之间的混合提升体转子叶片10。
图6A-6F图示提升体转子叶片10的逆风表面13和顺风表面14的可能替代曲率。图6A图示没有孔径的提升体转子叶片10的中央横截面的翼面外形。图6B图示包括孔径的提升体转子叶片10的中央横截面的翼面外形。图6B图示的截面图示由表面13和14定义的整个提升体转子叶片10的翼面外形，并显示由在孔径上收敛的表面13和14的最外部分和表面13和14的最内部分定义的转子叶片相对部分的独立翼面形状。图6C-6F图示整个提升体转子叶片的可能替代翼面外形。图6C-6F的翼面外形可以替代地定义具有孔径的提升体转子叶片各部分的形状。
图7A图示提升体转子叶片10的优选实施例，它是具有平坦的逆风表面13和弯曲的顺风表面14的环状。图7B是图7A的提升体转子叶片10的正视图。图7C是图7A的提升体转子叶片10的截面图，图示提升体转子叶片10的相对部分的翼面外形。
围绕可旋转中心轮毂3的周围连接的提升体转子叶片10的数量可以改变，如图8A-8F所示。预计实验将证明转子叶片10的最佳形状、转子叶片10相对于可旋转中心轮毂3的最佳尺寸、围绕可旋转中心轮毂3的周围连接的提升体转子叶片10的最佳数量和围绕中心轮毂3周围的连接点之间的最佳间隔。
图9A和9B图示具有提升体转子叶片10的转子组件2的优选实施例的顺风侧和逆风侧的透视图，其中将转子叶片图示为在具有相等攻角的操作位置上，其中提升体转子叶片10在形状和尺寸上是统一的，并包括孔径。图9A图示转子组件2的顺风侧，其中图示可旋转中心轮毂3的中心点4、提升体转子叶片10的弯曲顺风表面14、一个单独的提升体转子叶片10的平面17和转子组件2的旋转平面18。图9B图示转子组件2的逆风侧，其中图示可旋转中心轮毂3的中心点4、提升体转子叶片10的平坦逆风表面13、一个单独的提升体转子叶片10的平面17和转子组件2的旋转平面18。图9B图示在其根连接点11上连接至可旋转中心轮毂3的单独提升体转子叶片10。单独提升体转子叶片10的根轴15的线段自在中心轮毂3周围上的叶片连接点延伸通过转子叶片10的最外边缘。单独提升体转子叶片10的平面17沿着根轴15与中心轮毂3的旋转平面18交叉。在所图示的实施例中，通过围绕其根轴15旋转转子叶片10，建立单独提升体转子叶片的平面17相对于转子组件2的旋转平面18的攻角16。该攻角16是可变的，也可以是可调整的。预计实验将表明一个或多个最佳攻角6和最佳调整范围。
参见图10A，提升体转子叶片10的平面视图为圆形，平面展弦比大约1∶1。如图10B所示，提升体转子叶片10为拉长的形状，平面展弦比大约2∶1。如图10C所示，转子叶片10具有进一步拉长的形状，平面展弦比大约3∶1，因此取决于根据该形状构建的实际实施例的实际尺寸，可以对应于最小展弦比的翼片或者最大展弦比的混合提升体。
参见图11，图示水平轴风轮机转子叶片组件2的实施例，其具有在其根连接点11上连接至可旋转中心轮毂3的非重叠提升体转子叶片10。图11图示自可旋转中心轮毂3的中心点4通过提升体转子叶片10的根连接点11延伸到提升体转子叶片10的最外边缘的一个单独的提升体转子叶片10的根轴15。自提升体转子叶片的根连接点11至提升体转子叶片的最外边缘的根轴15的线段定义了提升体转子叶片的跨线。

Claims (9)

1.一种水平轴风轮机提升体转子组件，包括：
轮毅，安装从而允许当定位在迎面气流内时围绕其中心旋转，安装以便允许将如此生成的旋转机械能传送给用于能量转换的设备；
多个提升体转子叶片，围绕所述轮毅周围间隔连接至所述轮毅，其中每个所述转子叶片具有在逆风表面完全通过叶片的闭合环形的内孔径，所述孔径的表面积为所述逆风表面的整个面积的大部分，连接到中心轮毂的转子叶片根连接点，由从所述轮毂从转子叶片的根连接点到转子叶片的外边缘径向向外延伸的线段限定的每个转子叶片的径向跨距，由与所述跨距相交且垂直并且与具有在边缘点之间最大宽度的转子叶片的相对的最外边缘点处相交且终止的弦线限定的每个转子叶片的弦宽，并且作为所述跨距与所述弦宽的比的每个转子叶片的展弦比小于3：1；而且每个所述提升体转子叶片包括翼片形状并且由所述逆风表面和从所述迎面气流离开向外弯曲的相对的弯曲的顺风表面限定。
2.权利要求1的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有统一的形状和几何结构。
3.权利要求1的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有非统一的形状和几何结构。
4.一种水平轴风轮机提升体转子组件，包括：
轮毅，安装从而允许当定位在迎面气流内时围绕其中心旋转，安装以便允许将如此生成的旋转机械能传送给用于能量转换的设备；
多个提升体转子叶片，围绕所述轮毅周围间隔连接至所述轮毅，其中每个所述转子叶片具有在逆风表面完全通过叶片的闭合环形的圆形居中定位的内孔径，所述孔径的表面积为所述逆风表面的整个面积的大部分，具有连接到中心轮毂的转子叶片根连接点，由从所述轮毂从转子叶片的根连接点到转子叶片的外边缘径向向外延伸的线段限定的每个转子叶片的径向跨距，由与所述跨距相交且垂直并且与具有在边缘点之间最大宽度的转子叶片的相对的最外边缘点处相交且终止的弦线限定的每个转子叶片的弦宽，并且作为所述跨距与所述弦宽的比的每个转子叶片的展弦比小于3：1；而且每个所述提升体转子叶片包括翼片形状并且由所述逆风表面和从所述迎面气流离开向外弯曲的相对的弯曲的顺风表面限定，至少部分面对所述迎面气流并且与所述逆风表面和弯曲的顺风表面汇合处的围绕所述叶片的整个外围边缘相交的每个转子叶片的平面；以及限定与所述迎面气流相迎的角并且由每个转子叶片的所述平面和所述风轮机的旋转平面之间的角度限定的每个叶片的攻角。
5.权利要求4的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有统一的形状和几何结构。
6.权利要求4的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有非统一的形状和几何结构。
7.一种水平轴风轮机提升体转子组件，包括：
轮毅，安装从而允许当定位在迎面气流内时围绕其中心旋转，安装以便允许将如此生成的旋转机械能传送给用于能量转换的设备；
多个提升体转子叶片，围绕所述轮毅周围间隔连接至所述轮毅，其中每个所述转子叶片具有在逆风表面完全通过叶片的闭合环形的圆形居中定位的内孔径，所述孔径的表面积为所述逆风表面的整个面积的大部分，由中心轮毂的中心点和转子叶片与中心轮毂连接的根连接点之间的线限定的根轴，由与所述根轴一致且从所述轮毂从转子叶片的根连接点到转子叶片的外边缘径向向外延伸的线段限定的每个转子叶片的径向跨距，由与所述跨距相交且垂直并且与具有在边缘点之间最大宽度的转子叶片的相对的最外边缘点处相交且终止的弦线限定的每个转子叶片的弦宽，并且作为所述跨距与所述弦宽的比的每个转子叶片的展弦比小于2：1；每个所述提升体转子叶片包括翼片形状并且由所述逆风表面和从所述迎面气流离开向外弯曲的相对的弯曲的顺风表面限定，至少部分面对所述迎面气流并且与所述逆风表面和弯曲的顺风表面汇合处的围绕所述叶片的整个外围边缘相交的每个转子叶片的平面；以及限定与所述迎面气流相迎的角并且由每个转子叶片的所述平面和所述风轮机的旋转平面之间的角度限定的每个叶片的攻角。
8.权利要求7的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有统一的形状和几何结构。
9.权利要求7的风轮机提升体转子组件，其中提升体转子叶片相对于其它提升体转子叶片具有非统一的形状和几何结构。
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