CN102483033B - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有安装在可旋转的中心轮毂上的一组弯曲叶片的风力涡轮机。外壳包围叶片的顶部并附接到叶片的顶部。外壳布置成随轮毂和叶片旋转。叶片具有固定螺距使得叶片中的每个在顶部处关于轮毂的旋转(中心)轴线的螺距角为50度至75度。叶片中的每个在轮毂端处的螺距角通过轮毂半径除以涡轮机半径的比值乘以顶部处的螺距角的乘积来限定。叶片设有在风进入叶片的位置引起叶片以冲击叶片的视风的角度(通过移动叶片观察到的风的角度)偏离的复合曲线。涡轮机进一步设有控制涡轮机的旋转速度使得视风关于叶片的角度能够相对于叶片的螺距角进行调节以获得能够利用涡轮机提取的最大能量的至少50％的装置。

Description

风力涡轮机

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.$119(e)要求2009年6月22日提交的美国临时申请第61/269,183号的权益，该申请通过引用并入。

技术领域

本发明宽泛地涉及风力涡轮机，更具体地，涉及设计成利用牛顿第一直线运动定律从风提取更多能量的风力涡轮机，且甚至更具体地，涉及具有可旋转轮毂的风力涡轮机，其中外壳包围叶片的顶部并连接到叶片的顶部，所述叶片引起作为风的运动气团被驱出其运动路径，从而产生平稳地且有效地驱动涡轮机的力而湍流很少。

背景技术

很多世纪以来，人类已经利用各种类型的旋转设备来从风提取能量。所采用的类型的机构包括围绕中心轴线旋转的多叶片布置。该设备可配置有垂直轴线或水平轴线。水平轴线类型包括风力站和风力涡轮机两者。垂直轴线设备通常提供在轴线的一侧对风具有更大阻力而在另一半具有较少阻力使得风阻力的差异允许单元转动的方法，且结果导致其呈现明显低的效率。水平轴线风力站通常是敞开的叶片机构，比如例如老式的四叶片Dutch风力站，或者现代的具有三叶片的风力站，其在全世界大量生产。Dutch风力站有效地是一种依赖于风冲击成角度的叶片以引起力来转动转子的反作用类型的设备。其效率是非常低的，但是如果制造成足够大的话，则其能够提供一些有用功。

另一类型的风力设备是用来给农场主提供泵送水的装置的多叶片单元。该设备可能具有20、30或更多个叶片且形成足够的转矩来转动泵。该构型也是主要地通过风冲击成角度的叶片来驱动的反作用型风力站。该类型在宽阔的风力谱上是非常低效的且其噪音大且易损坏并需要在持续高的风的时间段期间被关闭。

三叶片风力站的使用在全世界已经变得非常突出。多个三叶片风力站通常布置成建立“风力农场”。大的风力农场可以由几十个至几百个单独的三叶片风力站组成，且可覆盖几百平方英里的广阔区域。风力农场所采用的风力站的尺寸很大，具有在约300英尺范围变化的叶片摆动直径。该风力站常常升高到300英尺至400英尺的高度且需要大量陆地。该风力站利用基于柏努利定理的力，因为其用于在机翼上产生升力。然而，三叶片涡轮机的叶片占叶片摆动面积的仅5％。因此，气团动能的95％穿过叶片之间且被损失。增加更多叶片也是不成功的，因为仅再多一个叶片引起效率变得更糟糕。这是因为围绕每个叶片的巨大湍流，因而引起与其他叶片的干扰。

三叶片风力站将风中的动能的少于1.4％转变成有用的电能；然而，三叶片风力站仍然被认为是从风中产生相当大的电力的目前可利用的最经济有效的方法。因为三叶片风力站是极其昂贵的同时是非常低效的，所以对于它们来说在没有政府辅助、拨款和减税的情况下从数学上不可能具有合理的投资回报或对于电力的千瓦小时的有竞争性的价格。而且，其巨大的尺寸高出于地平线使得它们是侵入的且由于闪动的阴影、TV干扰且有时是巨大的噪音而是令人讨厌的。其非常复杂的设计涉及成千上万的部件以及通常由昂贵的伺服机构驱动的可调节螺距的叶片。

美国专利第4,021,135号(Pedersen)和美国专利第4,140,433号(Eckel)公开了尝试通过利用围绕叶片外部的固定遮板以在叶片周围汇集更多空气来提高由三叶片风力站所利用的伯努利效果的设备。该方法促使一些气团围绕风力站会聚，因为其将通风筒感知为障碍物，从而引起可利用的动能的净损失。这些设备具有非常靠近非旋转的遮板的可旋转的叶片且作为结果将经历严重的拖曳和湍流并因此经历效率的损失。

尝试提供较高效率的可选择的配置在美国专利第4,611,125号(StoneJr)中公开，其教导改进气流的概念，但是仍允许风中的大百分比的动能绕过不用的结构。在美国专利第7,396,207号(DeLong)中，除了与翼板的连续调节的复杂性、风暴的处理以及对付冰和雪相关联的实际问题之外，使用翼板提高捕获的风能的量是可推荐的。在美国专利第4,150,301号(Bergey)中，目的是以相当的费用针对效率来提供旋转速度调节。很少有证据证明这些方法中的任何改进效率、简单性或成本。

美国专利第7,214,029号(Richter)公开了一种开始气团的加速的设备并暗示通过使气团围绕前面的结构转向以使其集中并随其进入通风筒形状并然后到达很多个多叶片加速来增加动能。根据能量守恒定律，这当然不增加气团的动能。而且，该系统依赖于冲击成角度叶片的风气团的反作用力。这是从风中提取能量的低效方法。此外，风将放置在户外环境中的任何结构看作障碍物并使大百分比的该气团转向成围绕障碍物。这与放置在使空气被迫驱动通过的长管中的这种设计实质上是不同的。

美国专利申请第2008/0232957号(Presz)公开了围绕一组定子叶片的固定遮板，该组定子叶片围绕三叶片叶轮转子导向气流，混合空气扩散到叶轮的后区域中。这意味着这将使叶轮系统的能量输出增加二到三倍。然而，尽管是得不到支持的主张，但是对于任何这样的结果，提供不出任何铁证。还意味着该配置允许利用设置在叶轮转子后面的扩散器系统来增加气流速度。然而，速度的该假定增加变成利用伯努利定理操作的三叶片叶轮的问题，因为其不能在没有自破坏的情况下容许较高的空气速度。其也受叶片顶部速度是风速的七倍以便实现合理的效率的需要的限制。而且，叶片和定子的螺距控制基本上最大化可变风的性能。所有这都导致显示没有实际改进的极复杂的且成本高的设备。描述的巨大遮板将增加该风力涡轮机的相当大的重量和结构需要且该设备将需要具有极大的强度以承受甚至普通的风。叶轮叶片在固定遮板内的旋转因气团被向外扔而将在叶片顶部和遮板之间产生相当大的拖曳和湍流，这是由于由叶轮转子的旋转和能量提取引起的离心力和其他力。真正存在的问题是，由该设备所得到的任何改进是否抵消增加的成本和这样的结构的环境破坏。

美国专利第4,140,433号(Eckel)公开了一种提供复杂的多级涡轮机以使每一级提高风力的系统。然而，风将该整个涡轮机看作障碍物通过。因此，接近转子的一些气流和能量将围绕涡轮机转向。该理论对于动力涡轮机起作用，其中热气体被迫通过该动力涡轮机，如在飞机喷气式发动机情形中的。该方法是高度复杂且非常昂贵的而并不能获得可靠的效率，因为许多叶片也引起拖曳和湍流。还应注意，增加的成本和复杂性几乎不能证明多级是合理的，因为每个随后的级必须从已经被提取了能量的空气中提取能量。

垂直轴线风力站依赖于在轴线的一侧比在另一侧上提供较大的力。垂直轴线风力站的示例在美国专利第5,525,037号(Cummings)和美国专利第4,619,585号(Storm)中公开。这些风力站是效率极低的，因为在抵抗风返回的一侧上总是存在拖曳，这从动力发生侧减去。美国专利第7,362,004号(Becker)显示了另一方法，该方法以减少效率的所有的拖曳、湍流、较差的气流和许多障碍物作为代价，利用复杂结构来控制旋转速度。美国专利第7,116,006号(McCoin)提供了将水平气流转变到垂直安装的逆向旋转的叶片的独特设计的布置，其平衡塔上的转矩并最大化转子速度。这以大的成本效益实现，部分地归因于所用的反作用叶片系统。这些类型的机构通常利用气流产生相当大的湍流、拖曳和干扰。通过调节轴线每一侧上的不同力进行改进的许多努力可能仅是稍微有效的，因为存在可能损害效率的许多其他因素。涉及风力站和风力涡轮机的许多专利代表了利用伯努利定理的更好的改进方式，或者因为气团冲击表面而利用反作用或冲击方法的更好的方式的尝试。仅实现了微小的收益，因为关于可实现的理论最大效率，基本定理非常有限。而且，在许多专利中提到的获得较大效率并解决令人讨厌的问题的许多努力涉及在风力站的苛刻环境中可能是麻烦的极其复杂的机构。这引起严重的长期成本和维护问题。风力站或风力涡轮机的效率计算可以通过以“100”的理论最大输出开始然后应用如下已知的损失来证明：

利用伯努利定理的三叶片风力站：

100×5％×95％×45％×65.5％＝1.4％

5％是叶片的与风接触的面积。

95％是被利用的并且不绕过叶片的风。

45％是动能至转子马力输出的转化。

在齿轮箱之后65.5％剩余(10％损失以及发电机/逆变器的损失)。

因而，长期以来需要一种能够将多达35％的风动能转化成有用电力的正确设计的风力涡轮机，这是仅1.4％的典型三叶片风力站效率的25倍。

长期以来进一步需要一种能够以较低的风速开始发电并甚至在高速风暴期间继续产生电力的风力涡轮机。目前，在低风速和在暴风期间，由三叶片风力站损失的风力被预计高达50％。

长期以来进一步需要这样一种风力涡轮机，其使作为风的移动气团被驱出其运动路径以产生平稳地并有效地驱动涡轮机的力而湍流很少。

长期以来进一步需要一种设计成比用于相同的年兆瓦小时输出的三叶片风力站小很多的风力涡轮机。

发明内容

本发明是具有安装在可旋转的中心轮毂上的一组弯曲的叶片的风力涡轮机。外壳包围叶片的顶部并附接到叶片的顶部。外壳布置成随轮毂和叶片旋转。叶片具有固定螺距使得叶片中的每个在顶部端处关于轮毂的旋转(中心)轴线的螺距角为50度至75度。叶片中的每个在轮毂端处的螺距角通过轮毂半径除以涡轮机半径的比值乘以顶部处的螺距角的乘积来定义。叶片设有在风进入叶片的位置引起叶片以在冲击叶片的视风的角度(通过移动叶片观察到的风的角度)偏离的复合曲线。涡轮机进一步设有控制涡轮机的旋转速度使得视风关于叶片的角度能够相对于叶片的螺距角进行调节以获得能够利用涡轮机提取的最大能量的至少50％的装置，其中视风的角度匹配叶片的螺距角。

在某些实施方式中，外壳包括围绕中心轴线的周向侧壁，周向侧壁包括后开口和适合于面向真风的前开口。侧壁从前开口向后开口倾斜使得后开口具有比前开口大的直径。侧壁以与于前开口的平面所成的100度至135度之间的角度、优选地从107度至112度的角度从前开口向后开口倾斜。

在某些实施方式中，叶片中的每个包括具有用于接收风的表面的前边缘和后边缘，其中叶片的数量足以完全地改变直接冲击叶片的风的方向。比如，叶片中的每个的前边缘可以以其表面积的14％和20％之间的量重叠相邻叶片的后边缘，但是在某些情形中重叠可以多达60％。

在某些实施方式中，叶片中的每个被扭转使得叶片的顶部端以与中心轴线所成的58度至64度之间的大小的角度扭转。在某些实施方式中，叶片中的每个被扭转使得叶片的轮毂端以与中心轴线所成的28度至49度之间的大小的角度扭转。

在某些实施方式中，在涡轮机的覆盖轮毂的面的前部设置有鼻锥，且鼻锥被流线化以传送接近涡轮机的气团，以使得所述气团围绕所述轮毂被引导并进入叶片使得气团的动能被捕获。

在某些实施方式中，涡轮机连接到多磁极发电机，所述多磁极发电机具有串联连接的磁极且具有足够的尺寸以提供相对于偶极发电机的输出来说较高的输出电压。在某些实施方式中，逆变器利用装置连接到发电机输出以在所有通常风条件下提供发电机的最大电输出，用于输送到用户。

在某些实施方式中，对涡轮机速度的控制通过控制器来调节，控制器测量发电机电力输出并改变发电机的对其转子加载的场电流以调节涡轮机的旋转速度，从而在所有风条件下获得最大发电机电力输出的至少50％，优选地至少80％。

在某些实施方式中，该组固定螺距叶片成形为具有在第一侧上的曲率和在相反侧上不同的曲率以影响通过涡轮机的移动叶片所看到的视风。

本发明的目的是提供为具有相同年兆瓦小时输出的三叶片风力站的直径的1/2至1/7的风力涡轮机。

本发明又一目的是提供高达95％的风被采用且不绕过涡轮机且至少35％且多达50％或更多的动能被转化为转子马力输出的风力涡轮机。在电机械损失之后，转子马力输出的至少70％可以被转化为有用功，例如，以有用的电力的形式。本发明的利用牛顿第一直线运动定律的风力涡轮可因此将多达35％或更多的风动能转化为有用电力：

100×95％×51％×72.5％＝35.1％

95％是所利用的且不绕过涡轮机的风。

51％是动能至转子马力输出的转化。

在发电机/逆变器的电机械损失之后72.5％剩余。没有齿轮箱。

本发明的这些及其他目的和优点将从本发明的以下优选实施方式的描述以及从附图和权利要求而易于理解。

附图说明

现在，在结合附图的本发明的优选实施方式的以下详细描述中更充分地描述本发明的操作模式和本质，在附图中：

图1是本发明的涡轮机的优选实施方式的前视图；

图2是图1所示的涡轮机的优选实施方式的顶视图；

图3是沿图5的线3-3截取的在本发明的优选实施方式的涡轮机中采用的涡轮机叶片的顶横截面图；

图4是沿图5的线4-4截取的在本发明的优选实施方式的涡轮机中采用的涡轮机叶片的侧横截面图；

图5是本发明的优选实施方式的涡轮机的前视图；

图6是气流相对于涡轮机叶片的视图；

图7是示出本发明的优选实施方式的轮毂的前视图；

图8是示出本发明的优选实施方式的轮毂的侧视图；

图9是示出本发明的优选实施方式的结构成喇叭形的外壳的前视图；

图10是示出本发明的优选实施方式的结构成喇叭形的外壳的顶视图；

图11a至11d是示出在风没有使叶片位移的情况下风流的顶视图；

图12a至12d是示出在风使叶片位移的情况下风流的顶视图；

图13是本发明的主壳体组件的侧横截面图；

图14是本发明的优选实施方式的主柱和盖组件的侧横截面图；

图15是本发明的前隔板和锁住系统的优选实施方式的侧视图；

图16是本发明的前隔板和主轴承的优选实施方式的前视图；

图17是本发明的后隔板和主轴承的优选实施方式的侧视图；

图18是本发明的后隔板和主轴承的优选实施方式的前视图；

图19示出真风、叶片速度和视风的矢量；

图20是本发明的优选实施方式的风标翼和后锥门组件的侧视图；以及

图21示出本发明的优选实施方式的可选的叶片形状，显示了控制制动的设备。

具体实施方式

除非另外限定，此处使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域技术人员通常理解的意思相同的意思。应理解，术语“真风”定义为在风接近涡轮机时风的方向的实际速度。真风的方向通常沿与水平风力站或涡轮机的旋转轴线相同的轴线。此处使用的术语“视风”指风看起来关于移动叶片吹的速度和相对方向。“视风的角度”是视风关于真风的方向之间的角度。应理解，术语“风力涡轮机”定义为具有内转子的设备，内转子具有由周向壁包围的成角度叶片，其由流体流中的能量产生旋转机械动力。“前叶片表面”是叶片的接收真风的表面。“反向叶片表面”是叶片的避开真风的表面。中心轴线也等效于旋转轴线且能互换地使用。

在开头时，应理解，不同附图视图上的类似的附图标记标示本发明的相同或功能上相似的结构元件。尽管关于目前被认为优选的实施方式描述了本发明，但是应理解，要求保护的本发明不限于所公开的实施方式。

而且，应理解，本发明不限于所描述的特定的方法、材料和修改，且就其本身而论当然可以改变。还应理解，此处使用的术语仅为了描述特定实施方式，且不是要限制仅由所附权利要求限定的本发明的范围。

现参考附图，图1-2图示了涡轮机组件1的优选实施方式，该涡轮机组件1具有安装在具有轮轴1C的轮毂1B上且附接在外壳1D内的多个固定螺距叶片1A，作为单级涡轮机和作为单旋转部件。应理解，轮毂1B可以为轮轴或可以形成轮轴的一部分。轮轴1C向前突出并封闭在也随涡轮机旋转的鼻锥1E内。具体地，涡轮机具有八个固定螺距的叶片。每个叶片1A包括顶部端20和轮毂端21。每个顶部端20以约45度的角度(θ)关于中心轴线a-a′相等地间隔开。叶片1A还包括限定用于接收风的前表面28的前边缘22和后边缘23，其中叶片的数量足以完全地改变直接冲击在涡轮机上的风的方向。每个叶片1A的前边缘22重叠相邻叶片的后边缘23，限定重叠表面29。优选地，每个叶片1A的前边缘22与相邻叶片的后边缘23重叠其表面积的约5％和60％之间且更优选地约14％至20％的量。每个叶片1A具有固定螺距使得在顶部端处叶片关于旋转(中心)轴线a-a′的螺距角(Φ)的范围在54度至75度之间。

在本实施方式中，外壳1D包围叶片的顶部端20且附接到叶片的顶部端20。外壳1D布置成围绕中心轴线a-a′随轮毂1B和叶片1A旋转。外壳1D包括限定前开口26和后开口27的周向侧壁25。前开口26适合于面向真风31。周向侧壁25围绕中心轴线a-a′布置。应理解，为了图示的目的，真风31的方向沿中心轴线a-a′。侧壁25从前开口26向后开口27倾斜使得后开口具有比前开口大的直径。优选地，侧壁25以与前开口的平面所成的在100度至135度、优选地107度至112度之间的角度(ψ)从前开口26向后开口27倾斜。图1和2进一步图示涡轮机组件1的顶视图和前视图。应理解，优选地，涡轮机自身可以是一个实体铸造件。然而，涡轮机的各个部分可以分别地制造且在现场组装以成为具有最终组件的一个部分。各部件可以由任何实质上刚性的材料比如诸如金属或增强塑料制成。优选地，所有的部件应为相同的颜色。鼻锥1E成形为在轮毂直径处将气团偏转到叶片1A内使得动能损失很小。鼻锥的形状和曲率针对最大效率来确定。轴支撑鼻锥，该鼻锥具有在容座中配合轴的铸件。鼻锥1E的尾端栓接并密封到轮毂1B。风向伺服机构1F的输出信号用遥测发射器传输通过该轴以通过利用图14所示的齿轮马达使涡轮机适应风。在优选实施方式中，鼻锥利用增强塑料在模具中铸成。

图3-5图示多个涡轮机叶片1A。优选地，叶片中的每个构造成包括精确的复合曲线。原始曲线决定气团穿过涡轮机时气团的位移量并且对于八叶片构型约为十一至十二度，但是可以关于叶片的数量和形状、涡轮机的尺寸以及其确定的旋转速度而略微改变。二次曲线从叶片顶部到叶片根部扭转以适应叶片周边及其相对行进速度的改变。优选地，叶片1A的顶部端20以与旋转(中心轴线)a-a′所成的在54度至75度之间的大小的螺距角(Φ)扭转。甚至更优选地为58度至64度。具体地，顶部端处叶片角度可扭转至60度。叶片被扭转成使得叶片1A的轮毂端21以与旋转(中心)轴线a-a′所成的在约28度至49度之间的大小的角度(α)扭转。具体地，轮毂端处叶片角度可为34度。甚至更优选地，叶片中的每个在轮毂端21处的螺距由轮毂半径R1除以涡轮机半径R2的比值乘以顶部处螺距角的乘积来限定。螺距可以根据相对的轮毂直径、期望的涡轮机旋转速度和针对特定涡轮机所建立的动力曲线而略微改变。应理解，在不偏离所附权利要求的范围的情况下可对叶片构型作出许多变化。例如，增加或减小叶片的数量以及增加或减小叶片的重叠都完全在本发明的概念内。同样，希望可以确定叶片的稍有不同的曲率，这将进一步提高效率。

图6是当视风30的气流随叶片旋转而沿叶片运动时涡轮机叶片1A的顶视图。涡轮机叶片1A包括复合曲线24。

图7是图示本发明的轮毂的前视图，而图8是示出本发明的轮毂的侧视图。涡轮机轮毂1B固定到轮轴1C，其中叶片以提供结构完整性的方式安装在轮毂1B外围。优选地，叶片的根部从轮毂内侧固定。优选地，涡轮机轮毂实际上是在前部和后部具有端盖的铝管以支撑轮轴1C。轮毂的后部支撑用于锁住涡轮机的盘形制动表面1G。轮轴1C为铝管，其从鼻锥1E的向前内侧部分延伸到发电机电枢5B的后端。壁厚、直径和韧度根据针对特定的涡轮机尺寸的强飓风所预期的负载和应力的良好工程实践来确定。

图9和10示出结构成喇叭形的外壳1D，其具有从前开口26向后开口27倾斜使得后开口比前开口的直径大的侧壁25。外壳1D由以结构完整的方式固定到外壳的多个叶片支撑。优选地，通过使螺栓穿过外壳并向下进入叶片而将叶片固定到外壳。外壳1D为涡轮机组件提供高的强度和坚固性，这是因为叶片的两端完全被支撑。外壳1D从前开口朝后开口向外张开。张开的角度在数学上被确定为使涡轮机的体积从前向后扩大与从风提取的能量的百分比成比例的量。比如，如果能量的50％被提取，则涡轮机内的空间的体积将需要增加约30％以防止气团减速。设想结构成喇叭形的外壳利用增强塑料来制造以匹配叶片。

为了图示目的，图11和12显示了当真风31冲击涡轮机叶片1A的表面时真风31的连续“快照”路径。图11a至11d是示出在风没有使叶片位移的情况下风流的顶视图。这些图显示了如果叶片没有弯曲且叶片1A正移动以匹配视风30，气团32如何直着穿过涡轮机而不接触叶片1A。叶片有效地刚好及时地让开路。图12a-12d是示出风使叶片位移的风流的顶视图。真风31由具有与图11相同的条件的弯曲叶片推出其运动路径。

图13是本发明的主壳体组件的侧截面图。轮轴1C的后部支撑在壳体2内，壳体2在前部以及部分地后部处包含两个隔板3A和3B，每个隔板包含主轮轴轴承4A和4B。轮轴1C的尾端附接到在发电机定子5A内旋转的发电机电枢5B。发电机安装在壳体2的后部中后隔板3B上。隔板3A和3B各自具有同轴地固定在用于轮轴1C的隔板的中间的前主轴承4A和后主轴承4B。这些轴承是设计成因低的速度和轻的负载而使涡轮机寿命持续至少40年的永久寿命的润滑且密封的滚柱轴承。这些隔板在结构上固定在主壳体2内。前隔板3A利用液压缸和盘形制动表面1G提供锁住系统7。后隔板3B具有直接安装在与轴线和发电机电枢同轴的隔板上的发电机定子5A。优选地，该隔板可由各种非磁性材料制成。优选地，该隔板由铝制成。发电机包括同轴地安装在定子5A内的电枢5B。定子的直径与后隔板3B上可利用的空间内可行的直径一样大。目的是提供尽可能高的外围速度以针对较高的电压来较快速地切割磁力线。发电机还具有多个磁极，该多个磁极串联连接以在低风速下增加电压。动力控制器/逆变器8被示出处于发电机后面的控制空间内。提供了用于固态控制器/逆变器8的空间，固态控制器/逆变器8针对电力负荷来调节涡轮机转子输出。管壳体的后端由锥形门6封闭，该锥形门6通过在滑动器/支柱12A上移动而提供进入控制空间的通道。涡轮机速度的控制由控制器8来调节，控制器8测量发电机电力输出并改变发电机的对转子加载的场电流来调节涡轮机的旋转速度，从而在所有的风条件下获得最大发电机电力输出的至少50％且优选至少80％。

在本实施方式中，组件安装在柱9上，柱9在结构上固定在主壳体2内且向下延伸到主支撑柱10内并且能够利用一组轴向和推力轴承11而旋转到风内。后部安装的风标翼12在缺少暴风动力期间提供进入风内的定向，但是在通常条件下其也由齿轮传动马达13和风向伺服机构1F来辅助。涡轮机可利用锁住机构7和盘形制动表面1G来锁住。

图14是本发明的主柱和盖组件的侧截面图。上柱9附接到主壳体2且随主壳体2旋转。上柱9为细长设计以最小化离开涡轮机的空气流的干扰。上柱9为中空铝管，其将离开发电机和控制系统的动力和控制电缆携带至滑动环形组件14，这允许在不卷绕电缆的情况下使涡轮机自由旋转。主支撑柱10安装在延伸深入到地下的牢固的混凝土基座上。在主柱盖10A中柱的顶部处的压缩环和系紧杆系统15向下延伸到混凝土基座至中心连接器以使整个柱处于压缩。这提供强有力的“翻倒”阻力。主支撑柱可以由适当直径的钢筋混凝土管制成。一组轴向和推力轴承11位于主柱盖10A内主支撑柱10的顶部，刚好位于系紧杆系统15下方，并由主支撑柱的顶部和侧部支撑。这提供这样一种装置，借助该装置，上柱9可以自由转动使得涡轮机可以面向风中。齿轮传动马达13通过重型传动链固定到上柱9并连接到主柱10，其可以转动整个风力涡轮机以面向风中。滑动离合器中的构造防止受强阵风破坏。

在本实施方式中，来自发电机/逆变器控制空间的电力输出电缆连接到主支撑柱10的盖10A内的滑动环形组件14，因此该组件可以在不卷绕电缆的情况下自由地旋转。主控制柱通过三个系紧杆15安装在牢固基座16上且保持处于压缩。风力涡轮机利用称为“牛顿第一直线运动定律”的物理概念来非常简单地提供格外优异的效率。这提供来自风的高效的能量提取。

图15、16、17和18示出两个隔板3A和3B，每个隔板具有同轴地固定在用于轮轴1C的隔板的中间的前主轴承4A和后主轴承4B。这些隔板在结构上固定在主壳体2内。锁住机构7的盘形制动表面1G安装在主壳体2的前部和轮毂1B的后部之间且利用3个液压地操作以接合盘来防止旋转的活塞来操作。这是可以从控制空间内或从地面操作的手动系统。

图19示出真风31、叶片速度36和视风30的矢量。该矢量图显示了在叶片顶部35和叶片根部34处真风速度和转子速度之间的关系。这将视风角度和速度定义为三角形的斜边，其中一个直角边为真风速度而另一直角边为叶片速度36。这在数学上定义了在涡轮机叶片顶部和其根部处涡轮机叶片所期望的螺距角。

图20是本发明的风标翼和后锥门组件的侧视图。风标翼12通过向后延伸穿过风标翼的长度的两个重型支柱固定到主壳体2。这些支柱在结构上设计成当风标翼将风力涡轮机定向到风中时承受风标翼上的强大的力。风标翼12由具有轻质的、强硬的且略微柔性的泡沫芯的增强塑料夹心板构成。当后锥门6被向后滑动以进入主壳体2中的控制空间时支柱起到作为用于后锥门6的轨道的第二功能的作用。锥体由在与前锥体类似的模具中构造的增强塑料制成。锥体成形为在空气动力学上最小化湍流且最大化风的层流。塑料树脂中的颜色染色应匹配风力涡轮机部件的其余部分。

图21示出基于利用叶片的后侧获得一些额外优势的涡轮机叶片1X的可选形状。固定螺距叶片组成形为具有在前叶片表面28上的曲率和在反向叶片表面38上不同的曲率，以通过所述涡轮机的移动叶片实现所见的视风。该图还显示视风30如何能回到叶片上，用于自调节涡轮机速度控制。

因而，看到本发明的目的被有效地实现，但是本领域技术人员应易于明白对本发明的修改和改变，该修改预期落入要求保护的本发明的精神和范围内。还应理解，前述说明是本发明的示例且不应被认为是限制性的。因而，在不偏离本发明的精神和范围的情况下本发明的其他实施方式是可能的。

工业应用

本发明利用牛顿第一直线运动定律作为从风提取能量的方法。牛顿定律实际上表明直线运动的物体将继续以直线运动，除非由不平衡的力作用。利用该概念，进入涡轮机的气团通过弯曲的固定螺距涡轮机叶片而被推出其运动路径。这引起驱动涡轮机的力。随着涡轮机旋转，移动叶片引起视风，该视风为进入涡轮机的真风速和叶片的外周速度之间的三角形的矢量角斜边。当视风角度被使得与叶片的螺距相同时，叶片可以输送最大动力。控制器调节给涡轮机加载的发电机的输出以针对所有风条件控制用于连续最大输出的涡轮机速度。该概念导致极其优异的效率、低的成本和小尺寸的风力涡轮机。

利用归功于艾萨克·牛顿且已知为其第一线性运动定律的物理定律并应用该概念作为从风提取能量的方法以及利用特定技术来利用该概念的本实施方式提供了超越用于产生经济的电力尤其是高度期望的可再生能源的其他方法的新水平的高效率。结果，对于来自风的相等年电力输出，本实施方式可以是直径的六分之一，且在现在全世界大量生产的非常普及的三叶片风力站的成本的十分之一下，仅需要被安装三分之一至二分之一高。较小的尺寸和较低的成本打开巨大的新市场，因为其在没有政府拨款、辅助机构或减税的情况下变得具有成本效益。家庭、农业和小商业的市场是巨大的，因为该风力涡轮机能够以目前的公用事业费用的微小百分数而提供其热和动力的全部。该风力涡轮机能容易地安装在商业建筑物的顶部而很少进行结构改变。市场上没有其他可利用的已知产品能够以这种小的单元且以这样低的成本来产生需要提供家用或商业用的全部热和电力的动力水平。因为涡轮机以低速转动且叶片被封闭，所以除了当近距离时之外，旋转是不明显的；没有电视干扰，也没有闪动的阴影。

在优选实施方式中，当直着观察时，重叠叶片不提供明显的开口；因此，鸟将不会比其将飞入建筑物侧更频繁地飞入设备中。该设计提供在操作上无声且在外观上非介入式的涡轮机。实际上，由于这些涡轮机是小的且能刚好在树顶之上，所以这些涡轮机如果被适当地放置则能容易地混入景观中。因为通过本实施方式的气流是直着通过的，实际上没有湍流，所以这些涡轮机可以一起靠近地放置于旋转平台上。因此，由于多个涡轮机可以提供各种各样的用户需求，且仅具有在单个基座上，或在建筑物上的一次安装，且没有大的陆地需求，所以应用增加。

因为尺寸小且效率高，所以风力涡轮机可以放置在用户附近，其随后避免来自风力农场和大型发电厂的电力输送的输送成本。这是额外的主要节省，因为在相当大的距离内输送电力的成本通常比电力自身高更多。本实施方式可配备有若干天的电池能量储存，在峰值功率需求期间，甚至当没有吹风时，这将能够向高压输出线路网提供若干天的无功功率。这是以最低的可能成本提高国家总动力发电的主要机会。本发明预期涵盖除本文描述和附图所示的优选实施方式之外的实施方式。

预期在将来的实施方式中，可对叶片配置和结构成喇叭形的外壳进行修改。比如，叶片具有或多或少重叠的或多或少的叶片将在追求越来越大的效率中符合逻辑的发展。同样，预期将提高叶片效率的叶片的不同曲率可能被发现。

同样，结构成喇叭形的外壳可以通过结合张开程度的改变以及外壳深度的变化来对张开提供弯曲而进行改进。

图21显示了利用了沿每个叶片的后侧的视风的流动的可选择的叶片形状。通过仔细分析叶片的数量、叶片的重叠、叶片的形状和曲率的相互关联的影响，可以实现更大的效率。

而且，在本发明的一般概念内，预期可对鼻锥和后锥作出改进以改进空气流的层流并根据需要针对风力涡轮机的最大效率对其导向。

在本发明的风力涡轮机的初始测试中，获得了由输出转矩和涡轮机速度决定的输入风的动能的高达40％的涡轮机输出。

序列表自由文本

1涡轮机组件

1A涡轮机叶片

1B涡轮机轮毂

1C涡轮机轮轴

1D结构成喇叭形的外壳

1E鼻锥

1F风向伺服机构

1G盘形制动表面

2主壳体

3A前隔板

3B后隔板

4A前主轴承

4B后主轴承

5A发电机转子

5B发电机电枢

6后锥体和门

7锁住机构

8逆变器和功率控制器

9上柱

10主柱

10A主柱盖

11轴向和推力柱轴承

12风标翼

12A支柱和滑动器系统

13齿轮/离合器转动马达

14滑动环形组件

15系紧杆系统

16混凝土基座和垫

20叶片的顶部端

21叶片的轮毂端

22叶片的前边缘

23叶片的后边缘

24复合曲线

25周向侧壁

26前开口

27后开口

28前叶片表面

29重叠表面

30视风

31真风

32气团

33位移

34根部

35顶部

36叶片速度

38反向叶片表面

(Φ)叶片的顶部端处的螺距角

(α)叶片的轮毂端处的螺距角

(ψ)侧壁的倾斜角度

(θ)叶片之间的角度

Claims (18)

1.一种风力涡轮机，包括：

一组弯曲的叶片，所述叶片安装在可旋转的中心轮毂上；

外壳，所述外壳包围所述叶片的顶部且附接到所述叶片的顶部，所述外壳布置成与所述轮毂和所述叶片一起旋转，所述叶片中的每一个具有固定螺距，使得所述叶片在顶部端处关于所述轮毂的旋转中心轴线的螺距角为54度至75度，并且所述叶片在轮毂端处的螺距角通过轮毂半径除以涡轮机半径的比值乘以所述顶部处的螺距角的乘积来限定，且所述叶片设有复合曲线，所述复合曲线使所述叶片偏离在风进入所述叶片的位置处冲击所述叶片的视风的角度，所述涡轮机进一步设有如下装置，所述装置控制所述涡轮机的旋转速度，使得所述视风关于所述叶片的角度能够相对于所述叶片的所述螺距角进行调节，以获得能够利用所述涡轮机提取的最大能量的至少50％，

其中，此处使用的术语“视风”指的是风看起来关于移动叶片吹的速度和相对方向。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述外壳具有绕中心轴线的周向侧壁，所述周向侧壁限定有前开口和后开口，所述前开口适合于面向真风；所述侧壁从所述前开口向所述后开口倾斜，使得所述后开口的直径大于所述前开口的直径，其中术语“真风”定义为在风接近涡轮机时在风的方向上的实际速度。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述侧壁以与所述前开口的平面所成的在100度至135度之间的角度从所述前开口向所述后开口倾斜。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述侧壁以与所述前开口的平面所成的在107度至112度之间的角度从所述前开口向所述后开口倾斜。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述叶片中的每个具有限定用于接收风的表面的前边缘和后边缘，其中所述叶片的数量足以完全地改变直接冲击在所述涡轮机上的风的方向。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中所述叶片中的每个的前边缘以该叶片的表面积的5％和60％之间的量与相邻叶片的后边缘重叠。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述叶片中的每一个扭转成使得所述叶片的顶部端以与所述中心轴线所成的在58度至64度之间的大小的角度扭转。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述叶片中的每一个扭转成使得所述叶片的轮毂端以与所述中心轴线所成的在28度至49度之间的大小的角度扭转。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中鼻锥设置在所述涡轮机的前部以覆盖所述轮毂，且所述鼻锥被流线化以将接近所述涡轮机的气团传送成围绕所述轮毂被引导并且进入所述叶片，从而捕获所述气团的动能。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，所述涡轮机连接到具有串联连接的磁极的多磁极发电机，且具有足够的尺寸，以提供相对于偶极发电机的输出而言更高的输出电压。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中对涡轮机速度的控制通过如下控制器来调节，所述控制器测量发电机电力输出并改变所述发电机对转子加载的场电流以调节所述涡轮机的旋转速度，从而在所有的风条件下获得最大发电机电力输出的至少50％。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中对涡轮机速度的控制通过如下控制器来调节，所述控制器测量发电机电力输出并改变所述发电机对转子加载的场电流以调节所述涡轮机的旋转速度，从而在所有的风条件下获得最大发电机电力输出的至少80％。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中逆变器利用装置连接到发电机输出部，以在所有的通常风条件下提供所述发电机的最大电输出，用于输送到用户。

14.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述一组弯曲的叶片的数量使得在从所述涡轮机的前部平直地观察时所述一组弯曲的叶片相互重叠。

15.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述一组弯曲的叶片被成形为在前叶片表面上具有曲率且在反向叶片表面上具有不同的曲率，以影响通过所述涡轮机的移动叶片所看到的视风。

16.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中所述叶片中的每个的前边缘以该叶片的表面积的14％和20％之间的量与相邻叶片的后边缘重叠。

17.一种风力涡轮机，包括：

一组弯曲的叶片，所述叶片安装在可旋转的中心轮毂上；

外壳，所述外壳包围所述叶片的顶部且附接到所述叶片的顶部，所述外壳布置成与所述轮毂和所述叶片一起旋转，所述叶片中的每一个具有前边缘和后边缘以及具有在所述前边缘处关于所述轮毂的旋转轴线的螺距角，其特征在于，所述螺距角是具有由真风速度限定的第一直角边和由叶片速度限定的另一直角边的三角形的斜边与由真风速度限定的直角边之间的角度，且所述叶片在顶部端处的前边缘关于所述轮毂的旋转中心轴线的螺距角为54度至75度，并且所述叶片在轮毂端处关于所述轮毂的旋转轴线的螺距角在28度和49度之间，且

所述叶片中的每一个设有复合曲线，所述复合曲线使所述叶片偏离在风进入所述叶片的位置处视风的角度，从而所述叶片的表面被强制离开所述视风移动，所述涡轮机进一步设有如下装置，所述装置控制所述涡轮机的旋转速度，使得所述视风关于所述叶片的前边缘的角度能够相对于所述叶片的所述螺距角进行调节，以获得所述风的能量的至少50％，

其中，术语“真风”定义为在风接近涡轮机时在风的方向上的实际速度，并且此处使用的术语“视风”指的是风看起来关于移动叶片吹的速度和相对方向。

18.根据权利要求17所述的风力涡轮机，其中所述外壳具有绕中心轴线的周向侧壁，所述周向侧壁限定有前开口和后开口，所述前开口适合于面向真风；所述侧壁从所述前开口向所述后开口倾斜，使得所述后开口的直径大于所述前开口的直径。