CN102123910A - 装有箍圈的涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种装有箍圈的涡轮机构造具有整体式外箍圈支架，外箍圈支架能提供用于多个叶片的两点简易支撑。大规模的垂直阵列具有一组12个23米直径的装有箍圈的涡轮机，涡轮机具有多达9个的叶片并且位于欧本桁架平台。装有箍圈的涡轮机构造由主轴轮毂组件远端地支撑，主轴轮毂组件由一前一后的座架组件支撑。装有箍圈的涡轮机组件具有用于阻止鸟类杀伤和撞击的保护屏。每个装有箍圈的涡轮机使用直流发电机以提供能转换的输出，所述输出随后被输送至专门的一组高效电网固态逆变器，或选择性地输出至能量存储器。

Description

装有箍圈的涡轮机

相关申请的交叉引用

本申请要求由与本申请相同的发明人于2008年6月16日申请的第61/061,926号美国临时申请的利益，该临时申请的整个内容通过引用被引入本文中。

发明背景

发明领域

本发明主要涉及一种风能提取机构，相比具有相同叶片扫掠面积的现有技术的实施方式，其具有如下特征：多大2.5倍的总效率；多达3倍的功率密度(kg/kW)；超过30分贝(A)的空传噪音值的降低以及消除了次声噪声水平的产生；由于消除了现有技术的失效原因的机制，超过16倍的可靠性；极大地加强了维护和修理的轻松度；极大地简化了制造、运输、安装和竖起的性能；多达3倍的制造成本降低；关于动态阵风、周期载荷的设计鲁棒性以及保持涉及塔架倾覆力矩和结构底部剪切力性能的疾风引致(induced)的应力；多达2.4倍的改变风向的反应速度(摆动速率)；减少了94％的颤抖；以及消除了撞击和鸟类杀伤的潜在因素。

相关技术的描述

水平轴风力涡轮机(HAWT)易受贝兹(Betz)极限标准(例如16/27ths)的限制，因此它们会损失至少41％的来自风速的理论提取能。其后，能量提取过程只取决于涡轮机总效率。涡轮机的总效率由叶片空气动力效率(η_b)乘以相关的机械效率(η_m)乘以用以产生有效电能的电转换效率(η_e)组成。这些效率项被加入表达式中以确定与风速或流速相对的以瓦特/平方米(Watts/m²)为单位的最大提取能。该关系能由下述表达式表示：

Watts/m²＝0.50×(ρ，kg/m³×(风速，m/秒)³×贝兹极限×η₀

其中ρ＝1.225kg/m³(在海平面以及68°F下)

或者Watts/m²＝0.363×(风速，m/秒)³×(η_b×η_m×η_e)。

目前风力涡轮机产业惯例是从其发电机测量输出功率，而没有考虑建立电网所必须的功率条件和转换过程。报告的所产生的总瓦特数然后简单除以风轮扫掠面积以确定在所述风速下的比能。这些曲线然后被使用在销售册子上以显示备案的性能。不幸地，这种惯例假设能量在整个扫掠面积上被均匀地提取。实际上不是那么回事，因为风轮传递扭矩乘以风轮每分钟转数(RPM)与提供给齿轮箱的输入功率成正比。扭矩由升力和阻力乘以沿叶片从风轮轮轴到端部的不同距离的总和构成。这些力与距轮轴的任何特定距离上的转速平方成正比。作为沿叶片的递增距离的函数，有效扭矩的积分显示～90％的提取能量由转盘的外面的30％(或者面积的～49％)提供。这就导致了令人惊讶的结果，即过去的使用转盘的整个扫掠面积估计所提取的能量的惯例应当被减半，揭示了报道的叶片执行的空气动力效率比实际情况高2倍。

显然，当风通过传统风力涡轮机的转盘的内部的70％时，风速基本上保持不变，引起大的下游流场中断。高度扰乱的外部流场与基本上未扰乱的内部流场的混合在风轮的下游产生旋转气流。

叶片的升阻比(C_L/C_D)决定了其空气动力效率(η_b)。该比率通常较小，因为不能生产十分强力的叶片来抵抗没有较大端面系数的引致挠度。大的端面系数需要厚的叶片截面，通常25％至35％的弦尺寸，这样能产生过多的阻力。有效的C_L/C_D通常低于44，产生42％至48％的空气动力学效率。高效率薄截面叶片(例如，具有大于110的C_L/C_D的美国国家航空咨询委员会(NACA)6412)由于其强度条件不能用在通用的大的二叶片和三叶片风力涡轮机中。

机械效率(η_m)主要反映在涡轮齿轮箱上，涡轮齿轮箱用于将多叶片风轮16-25的每分钟转数转换成1200的每分钟转数以及更高，从而驱动一至四个发电机组件。需要这些高比率、多级齿轮箱来实现期望的50∶1至75∶1的速度增加。由于每级仅有98.5％±0.5％的效率，因此四级齿轮箱的最大效率为92％至96％。

电效率(η_e)由发电机效率和相关的转换过程的效率组成，相关的转换过程用于实现高压、3相、60Hz的电网功率。无论在交流还直流实施方式中，通常的高性能发电机效率为88％至92％。对于使用具有变压器的交流发电机，效率通常为96.5％至98.5％，产生88％的净总平均值。对于使用效率为88％至92％的直流发电机和效率为97％至98％的固态逆变器(inverter)，净总平均值保持在88％。

概要：45％的叶片效率，96％的齿轮箱效率以及88％的功率生成和转换效率产生38％的系统净总效率，或者(η_b)(η_m)(η_e)＝η_o。现有设计的性能表格能够证实该净总效率值，并且显示，一旦包括贝兹极限，所提取的总比能约为理论风能的22.5％。

相关技术的分析

现有技术的HAWT的设计(例如Vestas V80-2.0MW风力涡轮机)的总重量～1080吨，包括90吨的风轮，与风轮一起重～150吨的机舱，重170吨的80米高的塔架，以及重760吨的基础。摆动驱动组件必须能处理150吨的具有～60×10⁶kg·m²转动惯量的机舱载荷，并且目前局限于～0.5度/秒的旋转速度。

将这么大的组件移动到偏远风电场所需要的后勤以及基础设施要求用于运输车辆的高载荷性能的道路，并且构成了新安装站成本的主要余额。道路必须被修建的以支撑330吨重的履带式起重机和转向半径非常大的限制使用通道车辆(RAV)的通过。同样地，关于在风电场站点内交通堵塞的后勤影响很严重，用于每百万瓦特(MW)安装能力的材料和设备需要多达120次的单行道行程。每个塔架需要1.5英亩的空旷的放弃区域以允许现场预装风力涡轮机以及将叶片、机舱以及三个或更多的管状钢塔架部件放置到两个分离的基础上：较小的基础用在风轮预装中而较大的760吨基础用于风力涡轮机的塔架本身。

HAWT风力涡轮机为具有许多特征值的复杂结构组件。这种复杂性以及小的或没有结构减震(＜3％滞后)，使得它们非常容易受到叶片/风轮与塔架结构的相互作用的影响，潜在地引起多模式的强迫振动响应。近共振激振力能将风轮叶片驱动至大的位移幅度，这种大的位移幅度能引起来自过大的弯曲应力的灾难性的故障。这些振动幅度然后被硬耦合到齿轮箱，并且随后硬耦合至发电机组件。这些组件都没有被设计的能承受这种放大的力，由于缺少可感知的阻尼，这种力能被增大20倍或更大。

HAWT风轮叶片(重达30吨或更重)非常的复杂，并且其复合材料的昂贵加工导致非常高的制作成本。它们易受疾风状况下的灾难性的超速影响，导致在多余的叶片浆距被控制地卷起、叶尖气闸、以及/或主轴制动系统上的一系列故障。当压力断裂导致叶片被抛掷时，会出现另外的灾难性、生命受威胁的故障，产生大量的不平衡，导致机舱内的组成部分的破坏，并且最终导致叶片冲击钢塔架以及因此而产生的破坏。

为了进行维护和维修操作，风轮主轴的动力输出点很难接近的。主要的机械和电子部件，包括齿轮箱(～36吨)、风轮组件(～90吨)以及发电机组件(3至6吨)，通常被包含位于地面上65至125米的狭小的机舱内。主要的维修需要330吨的履带式起重机以从塔架上移动风轮和机舱。

HAWT通常需要重的增速比约从65∶1至＞85∶1的用于驱动发电机的多级齿轮箱。齿轮箱和发电机都非常易受昂贵的并且耗时的故障影响，这种故障通常会出现在第一个2至3年内。工业上不能实现齿轮可靠性的理论寿命目标为20年或更多迫使许多的风力涡轮机制造商考虑选择性的方法，例如直接耦合低速永磁发电机结构。故障(批准的保用期限于1至2年)之间的平均时间的目标无法实现以及齿轮箱操作和维修的高成本直接地起源于由意料不到的过载状况引起的齿轮的齿或轴承故障，和/或润滑系统的故障。

现有的HAWT齿轮箱结构被制造至最高精度水平(美国齿轮制造协会12级和13级)，需要昂贵的加工和耗时的制造过程以满足设计公差。在出货之前，要执行强制的24小时“试车”以观察回流润滑油内随着时间所产生的增多的微粒数，以评估过滤系统的效率和齿轮箱本身的“磨损”程度。虽然该过程显著地提高了齿轮箱在24小时的相对短的时间内的操作效率，但是一旦有微粒产生，它们立即开始微点蚀以及加速磨损。

齿轮箱在温度超过180°F时非常容易失去润滑性，这会引起粘性物质和清漆的聚集、加速齿的磨损和齿轮间隙的形成、以及增加突然过载状况下的故障。这种结果是灾难性的齿故障。回流系统必须遍及整个齿轮传动链，从而减轻热点的产生，同时在最大载荷下从齿轮箱移除多达360,000英制热量单位(BTUH)的热量。另外，大的1.5MW的齿轮箱通常可持有200加仑的润滑油，这些润滑油必须每半年被更换。在齿轮箱的壳体或相关管道回流和过滤系统泄露或破裂的情况下，必须实施清除/补救措施。

这些齿轮箱必须被构造的用于在低输入速度下传递高值的扭矩。对于1.5MW级的风力涡轮机转速为～21RPM，它们通常被构造成输入扭矩为500,000英尺·磅，输入扭矩具有最小1.25倍的设计安全系数。不幸地，处理高可变以及非常大的施加载荷，该安全系数远非足够，施加载荷通过风轮组件被传输至齿轮箱，风轮组件是诱导齿轮箱故障的主要的原因机制。

齿轮箱故障主要是由40米长的叶片多达1.5米弯曲或偏斜(deflection)引起的，因为叶片每次旋转都从上止点(TDC)移动到下止点(BDC)。当叶片试图调整速度轮廓时，叶片载荷快速地转移，速度轮廓分布在80米或更大的高度差上。假设风力4级状况以及1/7次幂的风切边指数，在10米轮轴高度的基准高度上，5.8米/秒风速下，在90米高的塔架上的80米直径的风轮的BDC位置是50米，其速度是1.259乘以5.8米/秒，或7.3米/秒。但是在TDC位置，速度为1.369乘以5.8米/秒，或7.94米/秒。由于风的理论能量与速度的立方成正比，能被吸收的watts/m²在TDC为1.287倍。这种更大的力分量将叶片朝塔架向后弯曲。当叶片旋转至BDC时，叶片卸载并且远离塔架地弯曲。这种持续的弯曲波动在非常短的时间内导致大量的累积的疲劳循环。假设尖速比为6.4的80米直径风轮的通称转速为21RPM，并且年平均风速为7.3米/秒，通常累积的疲劳循环在一年时间会超过一千万。疲劳循环的数量相当于1.5MW级的风力涡轮机组件在约一赫兹的频率下每个叶片执行±28.7％的“扭矩波动”脉冲。这种扭矩波动单独能够引致早期的齿轮箱故障。但是，外加同样大小的阵风(或±28.7％的平均风速)，第二期的累积效应将导致风速加倍。这会产生8倍波动风能的增加(由于速度立方效应)或者2.30乘以每周期的通称设计载荷。倘若用于过载状况的合理的机械设计是艰难的挑战，并且似乎是大量的风力涡轮机处于空转，等待维修的最可能的原因之一。

在目前涡轮机的6.0倍至6.4倍尖速比下，有效风速是噪音产生以及猛烈叶尖湍流涡旋和漩涡效应产生的主要原因机制。叶片机翼后缘的分开产生中频可听见的噪音，即叶片经过塔架前时“嗖，嗖”声音。由于产生的噪声以RPM的五次幂增加，RPM的加倍会产生32分贝的增加。叶片端速与叶片的数量成正比；具有6.4尖速比(TSR)和80米风轮直径的三叶片风力涡轮机产生等于21的每分钟转数和200公里每小时(mph)的尖速。显然，现有技术设计的鸟类杀害可能性还是很高。

现有技术的HAWT装置的湍流涡旋和漩涡会恶化相邻风力涡轮机组件的顺风和侧风效应，并且引起邻近顺风和侧风涡轮机的局部阴凉处更高值的突风中断。目前的实践是：对于顺风涡轮机，将这些相邻的风力涡轮机分开10倍风轮直径的距离，对于侧风涡轮机，将这些相邻的风力涡轮机分开5倍风轮直径的距离。在大的风电场，前排引领的涡轮机比顺风和侧风涡轮机更加可靠。

齿轮、叶片、轴承以及发电机的低可靠性使得提供超过一年的担保很困难，产生大量的由故障部件引起的担保费，以及造成大量的停工期以及不能满足平均修复时间(MTTR)期望值。由欧洲风能协会(EWEA)汇编的故障率数据显示在样本数为6000+的风涡轮机中平均平均故障间隔时间(MTBF)低于7400小时，平均MTTR为17天或更多。这显示出，在一年中，任何单个的风力涡轮机预期被关闭以进行平均多达17天的维修。

许多系统不能以成本有效的方式在低于美国能源部(US DOE)/国家再生能源实验室4级风力条件下(以10米的基准高度风速为～5.8米/秒)运行。另外，在不能利用来自联邦规定的商品课税扣除(～1.9

)时，新的风力涡轮机的购买将快速地降低。最后，在没有投资赋税优惠以及双倍余额递减折旧补助和多达30年的分期付款下，即使是4级风力，有利可图的经营通常是不可能的。

现有技术风力涡轮机除了其异常低的效率、低经济效率以及严重的可靠性问题外还有许多的缺点。这些额外的缺点涉及对风电场附近的当地居民的感官冲击。这些冲击包括产生听得见的噪音以及听不见的能传播几英里的次声噪音；来自塔架的对风景的不可见以及障碍，转向叶片闪光；以及鸟类杀伤率和击打。在人口居住区内的缺陷条件通常是最小5至10的风轮直径，使用大面积的土地。对于这些原因，现行的“不要在我的后花园”设置障碍使得获得认可风电场站点的许可过程成为普遍地时间长和艰辛的事情。

发明目的

本发明的目的是提供一种新颖的装有箍圈的风力涡轮机结构，其能成功地解决上文描述的现有技术结构的当前缺陷。在了解了下文中的附图说明以及优选实施方式的详细说明及其相关结构后，本发明的这些和其他特点和有益效果对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

附图详细说明

图1a和1b描绘了多达九个叶片(2)的公称通径为23米的装有外箍圈的涡轮机构造(1)的侧视图和主视图，并且装有外箍圈的涡轮机构造(1)位于欧本桁架(OWSJ)平台(3)上被描绘。图1a描绘了由主轴轮毂组件(4)远端地支撑的装有外箍圈的涡轮机构造(1)，主轴毂组件(4)自身由前后座架组件(5a)和(5b)支撑。装有外箍圈的涡轮机(1)具有用于防止鸟类杀伤和撞击的保护屏(6)。两个选择性的动力输出装置被标记为(10)和(11)。

用于动力输出的第一选择使用多个磁棒，这些磁棒绕外箍圈(7)的内后侧被均匀地安装以作为“齿”(8)。互补的一组高强钕铁硼N50永磁被包含在一组直径更小的行星输出滑轮(9)内，行星输出滑轮(9)绕外箍圈(7)的内部圆周被排列。这些磁极被定向以在外箍圈(7)和行星输出滑轮(9)之间建立排斥状态。外箍圈(7)上的所有磁棒具有朝内的N极，并且行星输出滑轮(9)上的所有磁棒具有朝外的N极。行星输出滑轮的浆距(pitch)间隔使得在各自的磁“齿”之间存在磁零点(＜50高斯，相比～5000高斯的表面磁场强度)。驱动扭矩和每分钟转数以与外箍圈(7)的直径和行星输出滑轮(9)的直径成反比地被耦合到各自的行星输出装置，以实现单级高比率速度递增，同时与齿零接触并且不需要润滑剂。扭矩越过～0.50英寸的空气间隙通过磁场剪切力被耦合，而不是通过传统的具有能产生线接触压力的大公差齿啮合来耦合。每个行星输出滑轮(9)驱动高效直流发电机(10)。

用于动力输出的第二选择使用主轴延伸部分以安装大排量低速高扭矩(LSHT)液压马达(11)，液压马达用于向小型的可变排量液压泵(34)提供液压流体。液压泵被伺服控制从而以期望的发电机(35)输入速度旋转。速度递增类似于第一选择。可使用多种小位移并行驱动元件(34)和(35)以驱动其各自的高效发电机，或者作为另一种选择，可使用一小组的以同步速度运行的较大交流单元。浆距控制连杆机构(12)提供了穿过液压马达(11)的中心的驱动杆，驱动杆使用通孔转换套件被修正。

图2提供了图1中的箍圈的横截面视图的局部A的放大。其图示了一种优选装置，该装置用于调节经过大的温差后叶片上的热膨胀/收缩效应以及叶片与外箍圈(罩)的附接，同时还允许叶片浆距调整以及外箍圈本身的结构连通性。另外的局部显示了箱形梁复合结构加强元件(13)和非润滑套筒轴承元件(15)，该局部具有相关的轻量空气动力整流装置(14)。弹性预载元件(16)用于通过将叶片(2)在叶端附接点(17)处进行纵向压缩以将外箍圈(7)定中，与绕主轴(4)旋转的中心同中心。

图3a和3b分别描绘了装有外箍圈的涡轮机(1)的优选的薄横截面叶片(2)在15度和0度攻角的性能曲线，类似于NACA 6412轮廓或更好。曲线显示了当叶片攻角(AOA)从0至15度变化时升阻系数平均来说比66更好。特别值得注意的是随着攻角从15度至0度变化性能系数(COP)从33.1％至46.4％变化。

图4描绘了性能系数(C_P)与尖速比(TSR)之间的关系，并且强调了变化叶片轮廓的厚度以实现空气动力阻力减小的效果。如图所示，通过减小叶片厚度能实现更高的功率系数。

图5描绘了变化攻角(AOA)的升阻比图表，并且描绘了能实现相比现有技术叶片结构最少1.5倍提高的潜能。

图6描绘了用于装配装有外箍圈的涡轮机(1)的优选连续步骤：步骤1，准备装有外箍圈的涡轮机(1)以使用优选的国际标准化组织(ISO)货物集装箱运输；步骤2，移除ISO集装箱并且将叶片枢装至其全开位置；步骤3，附接外箍圈(7)节段；以及步骤4，最后附接用于防止撞击和鸟类杀伤的保护屏(6)。

图7a和7b分别描绘了大型的5MW级垂直排列的侧视图和主视图，其由一组12个23米直径的装有外箍圈的涡轮机组成，两个共重～5.4吨的涡轮机被安装在最低OWSJ平台层(18)上，三个共重～8.1吨的涡轮机被安装在第二OWSJ平台层(19)上，四个共重～10.8吨的涡轮机被安装在第三OWSJ平台层(20)上，以及三个共重～8.1吨的涡轮机被安装在第四OWSJ平台层(21)上。该垂直排列结构类似于William E.Heronemous(参考专利#6,749,399和#7,075,189)所公布的构造。装有外箍圈的涡轮机(1)结构减轻了叶尖湍流涡旋和漩涡效应的产生以及靠近地间隔开的邻近风力涡轮机叶尖之间可能的相互作用，并且因此允许多个装有外箍圈的涡轮机(1)靠近并高效地放置在重～55吨的轻质空间构架支撑结构(22)上。

空间构架支撑结构(22)优选地由四个平台层(18，19，20，以及21)组成，并且包括16个柱形承重支架(23)，每个柱形承重支架(23)重～1.4吨。每个牵条或支架(23)长～92英尺长并且能支持25吨或更多的柱载荷，并且压力值低于16,400帕斯卡(psi)，支架沿等边空间构架结构排列以支撑四组平台层。一组四个的载荷转移连接点(26)被设置在支撑桅杆(24)上。支撑桅杆(24)由一组多达11个40英尺高的每个重～6.4吨的模块(25)组成。所述的重～50吨的塔基(27)具有大直径轴承元件，轴承元件用于引致倾覆力矩和结构底部剪切力的载荷分配，以及轴承元件位于外侧周围基础(30)内的载荷的反应。还设有允许进入桅杆结构的所有高度以便于容易维护的三人、1500#容量的桅杆攀爬式高空作业平台(MCWP)(28)。多组风力计(29)被设置在每个平台层以提供关于每个各自高度上的风速(用于涡轮机叶片浆距控制反馈信息)和风向的准确信息。控制算法确定何时整个塔架必须摆动以将自身定位至新的风向。

图8a描绘了塔基的横截面视图，显示了塔基(27)的内部结构详图，在图8b采用主视图进行描绘。显示了三组24个载重铁路转向脚轮元件(31)，其均匀地以15度间隔绕塔基(27)的16米公称通径的周长均匀排列，并且位于外周围铁路轨道(130#/码的标准铁轨)“轮缘”(33)上面和下面。支撑桅杆(24)以及塔基(27)、空间构架支撑结构(22)以及装有外箍圈的涡轮机组件允许以单个结构摆动，使用多种铁路转向脚轮元件的分布式的承重能力。使用双25轴马力(SHP)液压马达(32)以1.2度每秒的转速、通过在5秒的加速/减速时间内克服～30×10⁶的塔架惯量以实现～0.2每分钟转数或1.2度/秒的转速来旋转整个塔架从而快速地将塔架定位至新的风向。装有外箍圈的涡轮机(1)被配置成沿顺时针方向旋转一半并且沿逆时针方向旋转一半从而消除旋转时产生的任何进动力。

实施方式的详细说明

用于HAWT的装有外箍圈的涡轮机(1)的支撑结构(7)便于实现更高效率的操作以及产生＞50％的平均年性能系数(Cp)，相对于现有技术实施方式～30％或更少的平均年性能系数。该装有外箍圈的支撑结构(7)具有用于单独叶片(2)的两点支撑，因此极大地将相关的偏斜幅度降至现有结构的～1/16，同时减少叶片经过转盘扫掠面积的上止中心和下止中心时施加在单个叶片(2)上的相关周期应力。所施加的偏斜幅度和应力的减少便于使用更加优选的叶片NACA轮廓，其具有更长的和弦和变截面厚度。其结果是比现有技术实施方式更高(1.5倍或更大)的升阻比。另外，优选使用装有外箍圈的支撑结构(7)使得增多数量的叶片(2)成为整体，导致协同的结构整体，该结构整体能最小化装有外箍圈的支撑结构和叶片元件自身上所施加的动态应力。这种极大地减小的应力允许选择低成本的制造方法以及选择便宜和轻质的结构材料。相比现有技术中的3叶片风力涡轮机，5个、7个或9个的这种数量增多的叶片分别将尖速比(TSR)从6.4减少至3.2、2.29或1.78，以及最少30分贝(A)的噪声减少。

不仅能使用最佳的叶片NACA轮廓，也能使用投影的面积形状因数具有弦尺寸直接正比于叶片半径臂的正面叶片，使得相对于现有技术结构仅能使用外部的30％的转盘扫掠面积，增加的面积从外部的50％的转盘扫掠面积提取多达90％的风能。联同更高效的叶片结构，使用与现有技术风力涡轮机总扫掠面积相同的装有外箍圈的涡轮机可实现在风能提取上净2.5倍的改进。相比于目前的在四级风力站点经济地运转的限制，更高的效率直接导致能在三级风力站电经济地运转。在美国约有比四级站点多4倍的三级风力站点，并且新的性能极大地扩大的风能发展的潜力。

装有外箍圈的涡轮机(1)直径优选为23米，并且在12米/秒的风速下具有～240kW的输出以及在最大额定16米/秒的风速下具有560kW的输出。每一风速下的每分钟转数可由下式确立：

RPM＝TSR×风速×60/(π×23米直径)

在最大额定输出时扭矩值相当大，并且反比于风力涡轮机的RPM。假设输出为560kW，或者750英制匹(HP)，

750HP＝扭矩(in-lbs)×RPM/63025

其中，对于五叶片结构，RPM＝42.5@TSR＝3.2；对于七叶片结构，PRM＝30.4@TSR＝2.29；或九叶片结构，PRM＝23.6@TSR＝3.2。在最差的情况下，对于九叶片结构，最低的RPM(23.6RPM)需要最大的扭矩，有效的轴扭矩输出为～2×10⁶英寸·磅(in-lbs)。叶尖载荷因此为2×10⁶英寸·磅/(452英寸扭矩臂×9叶片)或～500#。这种传输扭矩被施加在风力涡轮机的外箍圈(7)上或直接地由主轴(4)输出。装有外箍圈的涡轮机(1)提供了两个不同的功率输出装置。

第一种装置是通过使用装有外箍圈的支撑结构(7)实现的。作为风轮直径外磁的“齿”(8)和功率输出滑轮(9)的“齿”之间几何比的结果，装有外箍圈的支撑结构(7)能作为现场的(insitu)高比率加速器组件。直径之间的比率优选地为～75∶1，并且假设总共90个功率输出滑轮一前一后地以1800RPM的速度驱动～6.00kW的发电机组件(10)需要～300英寸·磅每功率输出装置的输出扭矩。这需要50#的磁力地耦合的剪切力作用在行星功率输出滑轮的节径上，越过～0.50英寸的空气间隙起作用。外箍圈支撑结构(7)作为磁力地耦合的“中心齿轮”起作用，-具有多个功率输出装置的单级的分布式行星齿轮排列。传输扭矩值因此被最小化并且反比于所使用的功率输出装置的数量。使用高强钕铁硼N50磁体能越过大的空气间隙提供非常大的传输扭矩，并且消除了齿接触和润滑。外箍圈“从动齿轮”或行星输出滑轮(9)上的磁棒都沿所有的N或S极方向朝外，从而确保具有浆距空间间隔的排斥，从而使得在行星输出滑轮(9)的各自的齿之间释放有效的磁零点。有效的增速齿轮箱实质上没有质量，除了嵌入外箍圈支撑结构的表面结构内的磁齿结构以及用于驱动一组直流发电机的相关的行星输出滑轮。在与RPM成正比的输出电流下，直流发电机具有基本固定的输出电压，使得它们最佳地适于来自单独联合涡轮机的每个发电机的总电压输出，并且随后将总的输出提供给高效固态逆变器以建立电网所需的期望的60Hz、3相交流电压值。

功率输出的第二种装置使用低速高扭矩(LSHT)液压马达(11)以实现用于使联合涡轮机(1)适应传统的主轴(4)功率输出装置的相同性能。这种联合涡轮机优选地由5个叶片(3.2TSR或～42.5RPM)，7个叶片(2.29TSR或者30.4RPM)或9个叶片(1.78TSR或者23.6RPM)组成。这些结构中的任何一个都能在12米/秒的风速下提供240kW的输出以及在16米/秒的风速下提供560kW的输出(提前卷起以阻止过载驱动列车/功率产生系统)。但是，使用LSHT技术允许选择非常实惠、低成本，异常高的可靠性(＞320,000小时Bi₀寿命)轻质(＜1.75吨)高比率(76.7∶1至42.4∶1，取决于主轴的每分钟转数)的变速器。相比驱动可变泵排量(以英寸³/转为单位)，LSHT液压驱动马达排量(以英寸³/转为单位)之间的比率被调整成期望的发电机转轴速度能被维持在恒定的1800RPM并且与电网频率和操作电压规格保持同步。

例如，在切入风速为期望的4米/秒下以～6RPM的初始速度旋转联合涡轮机(1)，假设使用九叶片结构，以及产生初始的～8.75kW的输出功率。将输出划分成一组八个75kW的马达/发电机会导致能够产生75kW的在线功率增加并且被直接输入电网的步进性能，一组八个75kW马达/发电机类似于以～1820RPM₁运转的Baldor型P40G332，

460 VAC 405T结构的优质效率马达。但是，实现将有效功率从风力涡轮机传输至电网的步进太粗糙。尽管如此，可通过使用专门的一组多达10个的更小的分流马达/发电机(Baldor型P25G3107，

460 VAC 256U结构)来实现期望的结果，从而允许当联合涡轮机加速到更高风速时在线产生7.5kW的增量，正如在7.5kW增量的持续增加步骤所需要的。一旦所有的十个马达发电机运行，当每个单独的75kW马达发电机被在线地产生，它们就被关闭。这种转换构成了“分流发电机”，提供了更好的能将发电机输出匹配至具体量的由涡轮机提取的风能的颗粒度(～1％输出性能)。这种结构对于560kW额定涡轮机提供了10％的标称过载性能。进一步的改进提供了对任何期望保真度的“微调”(fine-tuning)。

另外优选使用联合支撑结构(7)允许使用多个更小的风力涡轮机单元，这些更小的风力涡轮机单元以垂直排列相互之间接近地被设置，类似于William E.Heronemus(参考专利#s 6,749,399 and #7,075,189)所公开的。这种联合涡轮机结构减轻了叶尖湍流涡旋和漩涡效应的产生以及靠近地间隔开的邻接的风力涡轮机叶尖之间的可能的相互作用，允许在轻质空间构架支撑结构上靠近地和有效地设置多个涡轮机。

例如，相比现有技术风力涡轮机实施方式，例如Vestas V80-2MW，其具有5026m²的扫掠面积，垂直排列结构由总共12个直径为23米的更小的联合涡轮机(1)组成，其具有4,986m²总扫掠面积。这些涡轮机的有效设置优选地为2-3-4-3垂直排列，第一层涡轮机位于50米的轮毂高度，第二层为75米，第三层为100米，以及第四层为125米。这种组合结构具有类似于Vestas扫掠面积的外壳。但是，不像Vestas风轮仅能适应平均值为～80米的轮毂高度的风速，联合涡轮机(1)结构允许在每个各自的层高度微调最佳效率的叶片浆距。

每个涡轮机轮毂高度的不同使得每个涡轮机都能利用地面上独特高度的风速，产生从近似相同的扫掠面积上提取多达2.5倍或5MW风能的总性能。在额定风速为14米/秒、初始轮毂高度为50米下能够实现这种输出功率值。应当提及的是14米/秒的风速类似于现有技术风力涡轮机设计并且因此比较设计方法之间性能比较的有用准绳。但是，当考虑到在更高层的高度上可利用更大的风速，相比现有技术设计，联合涡轮机垂直排布能从更高的风速提供多达6720kW的峰值输出功率(也即12个560kW)，现有技术设计被迫使以在超过14米/秒的风速下关闭其叶片。联合涡轮机的这种峰值功率性能允许标称额定5MW风力涡轮机排列在4级风力站点增加8％的年能量产能(AEP)，将产能提高至～14.71兆千瓦小时/年。

另外，每个联合涡轮机(1)优选地使用直流发电机以提供能转接的输出，这种能转接的输出随后被输送至专门的高效电网固态逆变器，或者选择性地，输送至能量存储装置。这种直流功率能被有效地用于局部的储能系统，这种储能系统由电池组成或者(优选地)以操作用于生产氢气的低成本高效率的电解剂。这种溶液使用一组专门的用于每个单独的风力涡轮机的逆变器，从而使得任何一个涡轮机的故障仅引起1/12的被输送至电网的总功率输出容量的损失。

Claims (8)

1.一种装有箍圈的风力涡轮机结构，包括：

多个设置在轴上的叶片，所述轴上具有用于所述叶片的第一支撑点；

整体式外箍圈支架，所述外箍圈支架具有用于所述叶片的第二支撑点，其中所述叶片的引致偏斜和弯曲应力由所述第一支撑点和所述第二支撑点支撑。

2.一种风力涡轮机系统，包括：

多个设置在桅杆上的装有箍圈的风力涡轮机组件；

每个所述的风力涡轮机组件具有设置在主轴上的叶片以及整体式外箍圈支架，所述主轴具有用于所述叶片的第一支撑点，所述外箍圈支架具有用于所述叶片的第二支撑点，其中所述叶片的引致偏斜和弯曲应力由所述第一支撑点和所述第二支撑点支撑。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，其中所述桅杆是空间构架支撑结构，所述空间构架支撑结构在至少两个垂直地间隔开的高度的每一个高度上支撑至少两个所述的风力涡轮机组件。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，其中所述桅杆具有塔基，所述塔基具有外周边的铁路轨道，所述铁路轨道接合多个后装式承重铁路转向脚轮元件，所述承重铁路转向脚轮元件使得桅杆塔基和后装式脚轮元件之间能相对地旋转，并且其中支撑桅杆、塔基、框架支撑结构以及联合涡轮机组件允许以单个结构摆动。

5.根据权利要求2所述风力涡轮机系统，其中当大传动比的单级中心齿轮磁力地驱动多个用于分布式发电的行星功率输出装置时，传输的扭矩被施加在风力涡轮机的外箍圈上。

6.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，其中传输的扭矩被施加在涡轮机组件的主轴上，并且被传输至各自的泵排量用于驱动发电机单元。

7.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，进一步包括用于防止撞击和鸟类杀伤的屏蔽物。

8.根据权利要求2所述的风力涡轮机系统，其中所述风力涡轮机被整合到由12个装有箍圈的风力涡轮机构成的大规模垂直阵列中。

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