CN103032256B - 风力涡轮机罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并公开一种用于风力涡轮机的罩以及一种用于改变风力涡轮机的性能的方法。该风力涡轮机包括安装至机舱的转子，该转子包括多个转子叶片并且限定了外径。该罩沿空气流动方向定位在转子的下游，并且该罩所具有的内径小于转子的外径。

Description

风力涡轮机罩

技术领域

本发明总体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及设置在风力涡轮机上以提高风力涡轮机的性能的罩。

背景技术

风能被认为是目前可获得的最清洁、最具环境友善性的能源之一，并且风力涡轮机在这方面已不断获得关注。现代的风力涡轮机典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。转子叶片对呈旋转能量形式的动能进行传递以使轴转动，该轴将转子叶片联接至齿轮箱，或者如果未使用齿轮箱，则将转子叶片直接联接至发电机。发电机接着将机械能转化为可以配置于公用电网的电能。

众所周知，典型的开放的风力涡轮机（即，不具有任何覆盖物或其它的性能增强设备的风力涡轮机）的效率和功率系数受到贝兹极限（Betzlimit）的限制。然而，各种设备已经被包括在风力涡轮机上，以超过贝兹极限并且因此提高风力涡轮机的效率和功率系数。

例如，罩设备已经被包括在风力涡轮机上。一种途径是利用所具有的直径超过转子叶片的总体外径的罩，使得转子叶片配合在罩内。另一种途径是将罩的一部分连接至转子叶片中的每一个转子叶片的尖端。在操作期间，罩使得通过转子叶片的空气流增加，从而允许转子叶片提取更多的能量并且因此提高风力涡轮机的效率和功率系数。

然而，这种已知的罩具有多种缺点。例如，随着风力涡轮机以及相关联的转子叶片的尺寸增大，罩的尺寸必须额外地增大，以便使转子叶片配合在其中，或者以便使安装至转子叶片尖端的罩部分充分运作。然而，这种尺寸的增大可能需要数量过高的材料和费用。

因此，改进的用于风力涡轮机的罩以及用于改变风力涡轮机性能的方法将是期望的。例如，用于提高风力涡轮机性能的改进的罩以及方法将是有利的。

发明内容

本发明的各个方面以及优点将会在下文的描述中进行阐述，或者是通过说明书可以显而易见的，或者是可以通过实施本发明而学到。

在一个实施例中，公开一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括塔架、安装至塔架的机舱、以及安装至机舱的转子。转子包括多个转子叶片并且限定了外径。该风力涡轮机进一步包括沿空气流动方向定位在转子的下游处的罩。该罩所具有的内径小于转子的外径。

在另一个实施例中，公开一种用于风力涡轮机的罩。该风力涡轮机包括安装至机舱的转子，转子包括多个转子叶片并且限定了外径。该罩包括具有表面的翼型部段，所述表面限定了在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧。该罩所具有的内径小于转子的外径。

在另一个实施例中，公开一种用于改变风力涡轮机性能的方法。该方法包括沿空气流动方向将罩设置在风力涡轮机的转子的下游。该转子包括多个转子叶片并且限定了外径。该罩所具有的内径小于转子的外径。该方法进一步包括使转子旋转。

参照下文的描述以及所附权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将得到更好的理解。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施例，并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。

附图说明

参照附图，说明书中阐述了面向本领域普通技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的侧视图；

图2是根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机的侧视图；

图3是根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的后视图；

图4是根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机的后视图；

图5是根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机的后视图；

图6是根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的罩的一部分的侧视图，该罩处于可操作位置；

图7是根据本发明的一个实施例的用于风力涡轮机的罩的一部分的侧视图，所述罩处于不可操作位置；

图8是根据本发明的另一个实施例的用于风力涡轮机的罩的一部分的侧视图，所述罩处于第一可操作位置；

图9是根据本发明的另一个实施例的用于风力涡轮机的罩的一部分的侧视图，所述罩处于不可操作位置；以及

图10是根据本发明的另一个实施例的用于风力涡轮机的罩的一部分的侧视图，所述罩处于第二可操作位置。

附图标记列表：

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个示例示于附图中。每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。

图1和图2示出了传统构造的风力涡轮机10的实施例。风力涡轮机10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。转子安装至机舱14。转子包括安装至转子毂18的多个转子叶片16，转子毂18接着连接至主凸缘，主凸缘使主转子轴转动。风力涡轮机发电部件以及控制部件容纳在机舱14内。图1和图2的风力涡轮机10仅用作说明目的，从而将本发明置于示例性的使用领域。应当理解，本发明并不限于任何特定类型的风力涡轮机构造。

参照图1至图5，根据本发明的转子叶片16可以包括外部表面并且可以从叶片尖端32延伸至叶片根部34，该外部表面限定了在前缘26与后缘28之间延伸的压力侧22和吸力侧24。如本领域内众所周知的，该外部表面可以是具有大体空气动力学轮廓的大体空气动力学表面。

在一些实施例中，转子叶片16可以包括从叶片尖端32至叶片根部34以端靠端顺序对齐的多个单独叶片段。单独叶片段中的每一个都可以独特地构造，使得多个叶片段限定了具有经过设计的空气动力学外形、长度、以及其它期望特性的完整的转子叶片16。例如，叶片段中的每一个所具有的空气动力学外形都可以对应于相邻叶片段的空气动力学外形。因此，叶片段的空气动力学外形可以形成转子叶片16的连续空气动力学外形。备选地，转子叶片16可以形成为具有经过设计的空气动力学外形、长度、以及其它期望特性的单一的整体叶片。

在示例性实施例中，转子叶片16可以是弯曲的。转子叶片16的弯曲可能需要在大体翼向方向上和/或在大体边缘向方向上对转子叶片16进行弯曲。翼向方向可以大体解释为气动升力作用在转子叶片16上所沿的方向（或者相反方向）。边缘向方向大体垂直于翼向方向。转子叶片16的翼向弯曲也称作预弯曲，而边缘向弯曲也称作扫掠。因此，弯曲的转子叶片16可以是预弯曲的和/或扫掠的。弯曲可以使得转子叶片16能够在风力涡轮机10的操作期间更好地承受翼向和边缘向的负载，并且还可以在风力涡轮机10的操作期间提供转子叶片16相对于塔架12的间隙。

如图所示，转子可以进一步限定外径40。外径是由转子叶片16的尖端32所限定的圆周路径的直径，如图所示。

此外，转子叶片16可以限定内侧区域52和外侧区域54。内侧区域52可以是转子叶片16的从根部34延伸的展向部分。例如，在一些实施例中，内侧区域52可以包括转子叶片16的翼展的从根部34起的大约33%、40%、50%、60%、67%、或者任何百分比或其间的百分比范围、或者任何其它合适的百分比或百分比范围。外侧区域54可以是转子叶片16的从尖端32延伸的展向部分，并且在一些实施例中可以包括转子叶片16的在内侧区域52与尖端32之间的剩余部分。除此之外或备选地，在一些实施例中，外侧区域54可以包括翼展的从尖端32起的大约33%、40%、50%、60%、67%、或者任何百分比或其间的百分比范围、或者任何其它合适的百分比或百分比范围。

如图1至图10所示，根据本发明的风力涡轮机10进一步包括罩100。罩100可以沿通过转子的空气流动方向102定位在转子的下游。此外，罩100所具有的内径104（例如最大内径104）小于转子的外径40。根据本发明的罩100可以改变风力涡轮机10的性能。例如，风力涡轮机10的效率和功率系数可能由于向风力涡轮机10增加了罩100而提高，因此提高了风力涡轮机10的性能。

总体而言，根据本发明的罩100包括至少一个翼型部段110。翼型部段110可以具有大体空气动力学轮廓。例如，翼型部段110可以具有表面，所述表面限定了在前缘116与后缘118之间延伸的压力侧112和吸力侧114，如图所示。备选地，翼型部段110可以具有能够与空气流相互作用以改变风力涡轮机10的性能的任何其它合适的空气动力学轮廓。

在一些实施例中，如图3和图4中所示，罩100包括单个翼型部段110。翼型部段110可以呈大体弧形，因此以大体沿圆周方式延伸。在一些实施例中，翼型部段110可以沿圆周连续，如图4中所示，并且因此呈大体环形。在其它实施例中，翼型部段110可以限定缝隙122，如图3中所示。缝隙122所具有的尺寸可以允许塔架12配合到缝隙122内，如图所示。

备选地，如图5中所示，罩100可以包括多个翼型部段110。翼型部段110可以以环形阵列布置，如图所示，并且可以进一步呈大体弧形。此外，翼型部段110可以彼此间隔开，或者可以彼此相邻并且接触。根据本发明的罩110中可以包括两个、三个、四个、五个、六个或者多个翼型部段110。

再次参照图1，在一些实施例中，罩100可以沿空气流动方向102与塔架12对齐。在这些实施例中，可能需要具有缝隙122或包括多个间隔开的翼型部段110的罩100，使得罩100与塔架12大体配合在一起。然而，参照图2，在其它实施例中，罩100不必与塔架12对齐。例如，一些实施例中的罩100可以沿空气流动方向102定位在塔架12的下游。在这些实施例中，可以利用具有缝隙122或包括多个间隔开的翼型部段110的罩100，或者沿圆周连续或包括多个相邻、相接触的翼型部段110的罩100。

如图1至图5中所示，罩100（例如其翼型部段110）可以连接至风力涡轮机10。例如，棒124、杆、或者其它合适的连接设备可以设置在罩100与风力涡轮机10之间，例如设置在每个翼型部段110与风力涡轮机10的部件（例如机舱14或塔架12）之间，以将罩100连接至风力涡轮机10。在示例性实施例中，罩100可以连接至机舱14，如图所示。然而，在其它实施例中，罩100可以连接至塔架12或者风力涡轮机10的任何其它合适的部件。

如上所述，根据本发明的罩100设计成改变风力涡轮机10的性能。例如，示例性的罩100可以通过提高效率和功率系数来提高风力涡轮机10的性能。例如，在如图1和图3至图5中所示的一些实施例中，罩100可以构造成使空气流加速通过其中。如图所示，翼型部段110可以定向成使得吸力侧114或其它类似的表面面向内，并且使得压力侧112或其它类似的表面面向外。因此，该构造中的罩100起到扩压器的作用，从而引导空气流进入罩100中和通过罩100并且使该空气加速。这种加速可以迫使额外的空气流通过转子叶片16，从而可以提高效率和功率系数并且因此提高风力涡轮机10的性能。

在图2中所示的其它实施例中，罩100可以构造成将空气流引导至罩100的外侧。如图所示，翼型部段110可以定向成使得吸力侧114或其它类似的表面面向外，并且使得压力侧112或其它类似的表面面向内。该构造中的罩100将空气流引导至罩100的外侧，使得较少、较慢的空气通过罩100。然而，由于空气流被引导至罩100的外侧，因此可以经由转子叶片16的外侧区域54通过的空气的量增加。由于外侧区域54典型地相比内侧区域52在与空气相互作用方面更高效，因此空气与外侧区域54的这种更多的相互作用可以提高效率和功率系数并且因此提高风力涡轮机10的性能。

在一些实施例中，罩100及其各种部件可以是在可操作位置与不可操作位置之间可致动的，或者是在不同的可操作位置之间可致动的以及/或者是在这种不同的可操作位置与不可操作位置之间可致动的。例如，图6和图7示出了罩100的一个实施例，例如其翼型部段110。在图6中，罩100示为处于可操作位置。在该可操作位置中，罩100可以构造成改变（例如，提高）风力涡轮机10的性能，如上文所讨论的。在图7中，罩100示为处于不可操作位置。在该不可操作位置中，罩100对风力涡轮机10的性能的影响可能相比处于可操作位置的影响有所降低。因此，尽管处于不可操作位置的罩100可以在某种程度上改变风力涡轮机10的性能，但是该性能改变相比在处于可操作位置时的性能改变而言可能是相对最小的。

如图6和图7中所示，罩100（例如其各种部件）在可操作位置与不可操作位置之间旋转。致动器130可以连接至罩100（例如连接至其各种部件），以便于罩100在可操作位置与不可操作位置之间的致动。致动器130可以是如图所示的气缸（例如气压缸或液压缸），或者可以是齿轮传动装置或其它合适的致动装置。如图6和图7中所示，致动器130例如可以定位在棒124内并且连接至翼型部段110。致动器130的致动可以使翼型部段110在可操作位置与不可操作位置之间旋转，如图所示。

图8至图10示出了罩100的另一个实施例，例如其翼型部段110。在图8中，罩100示为处于第一可操作位置。在该可操作位置中，罩100可以构造成改变（例如提高）风力涡轮机10的性能，如上文所讨论的。例如，在如图所示的第一可操作位置中，罩100构造成使空气流加速通过其中。在图9中，罩100示为处于不可操作位置。在不可操作位置中，罩100对风力涡轮机10的性能的影响可能相比处于第一可操作位置和第二可操作位置的影响有所降低。因此，尽管处于不可操作位置的罩100可以在某种程度上改变风力涡轮机10的性能，但是该性能改变相比在处于第一可操作位置或第二可操作位置时的性能改变可能是相对最小的。在图10中，罩100示为处于第二可操作位置。在该可操作位置中，罩100可以构造成改变（例如提高）风力涡轮机10的性能，如上文所讨论的。例如，在如图所示的第二可操作位置中，罩100构造成将空气流引导至罩100的外侧。

如图8至图10所示，罩100（例如其各种部件）可以分为多个部分。所述多个部分可以是相对于彼此可移动的，以在多个可操作位置与不可操作位置之间致动罩100。例如，图8至图10示出了分为前部段132、中间部段134、以及末端部段136的翼型部段110。铰链142和144可以连接至所述部段并且允许所述部段相对于彼此移动（例如旋转）。致动器130可以连接至罩100（例如连接至其各种部件），以便于罩100在可操作位置与不可操作位置之间的致动。致动器130可以是如图所示的气缸（例如气压缸或液压缸），或者可以是齿轮传动装置或其它合适的致动装置。如图8至图10中所示，致动器130例如可以定位在部段132、134和/或136中的多个部段内并且连接至相邻的部段132、134和/或136。致动器130的致动可以使部段132、134和/或136在可操作位置与不可操作位置之间旋转，如图所示。

在其它实施例中，罩100（例如其各种部件）可以可充气至可操作位置并且可放气至不可操作位置，或者反之亦然。在这些实施例中，致动器130可以是充气装置。在更进一步的实施例中，罩100（例如其各种部件）可以包括任何其它合适的致动装置，以用于根据期望或者根据需要在可操作位置与不可操作位置之间致动罩100。

本发明进一步涉及用于改变风力涡轮机10的性能的方法。该方法例如包括沿空气流动方向102将罩100设置在风力涡轮机10的转子的下游。罩100所具有的内径104小于转子的外径40。该方法进一步包括使转子旋转。

本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法）。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围中。

Claims (20)

1.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：

塔架；

机舱，所述机舱安装至所述塔架；

转子，所述转子安装至所述机舱，所述转子包括多个转子叶片并且限定了外径；以及

罩，所述罩沿空气流动方向定位在所述转子的下游，所述罩所具有的内径小于所述转子的外径，所述罩包括翼型部段，所述翼型部段具有表面，所述表面限定了在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩包括大体弧形的翼型部段。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，大体弧形的所述翼型部段是沿圆周连续的。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩包括以大体环形阵列布置的多个翼型部段。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩构造成使空气流加速通过其中。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩构造成将空气流引导至所述罩的外侧。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩连接至所述机舱。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩沿空气流动方向与所述塔架对齐。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩是在不可操作位置与可操作位置之间可致动的。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述罩是在第一可操作位置与第二可操作位置之间可致动的，在所述第一可操作位置中，空气流加速通过所述罩，并且在所述第二可操作位置中，空气流被引导至所述罩的外侧。

11.一种用于风力涡轮机的罩，所述风力涡轮机包括安装至机舱的转子，所述转子包括多个转子叶片并且限定了外径，所述罩沿空气流动方向定位在所述转子的下游，所述罩包括：

翼型部段，所述翼型部段具有表面，所述表面限定了在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧；

其中所述罩所具有的内径小于所述转子的外径。

12.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述翼型部段呈大体弧形。

13.根据权利要求12所述的罩，其特征在于，大体弧形的所述翼型部段是沿圆周连续的。

14.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述罩进一步包括以大体环形阵列布置的多个翼型部段。

15.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述翼型部段构造成使空气流加速通过其中。

16.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述翼型部段构造成将空气流引导至所述罩的外侧。

17.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述翼型部段是在不可操作位置与可操作位置之间可致动的。

18.根据权利要求11所述的罩，其特征在于，所述翼型部段是在第一可操作位置与第二可操作位置之间可致动的，在所述第一可操作位置中，空气流加速通过所述翼型部段，并且在所述第二可操作位置中，空气流被引导至所述翼型部段的外侧。

19.一种用于改变风力涡轮机的性能的方法，所述方法包括以下步骤：

沿空气流动方向将罩设置在所述风力涡轮机的转子的下游，所述转子包括多个转子叶片并且限定了外径，所述罩所具有的内径小于所述转子的外径，所述罩包括翼型部段，所述翼型部段具有表面，所述表面限定了在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧；以及

使所述转子旋转。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述罩构造成使空气流加速通过其中。