CN103890381B - 组合全方向流动的涡轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种有效地使得转子在流体中输出的功率最大的装置。这种涡轮机使用与HAWT类似的转子（2），但是布置成竖直位置，包围在静止扩压器中，该静止扩压器有翻转翼板的形状。固定结构（1）受到两个组合流动的影响，从而提高了由转子（2）产生的能量。转子（2）与转变机械能的元件连接，该元件集成在具有翻转翼板气动形状的结构（1）中。该系统没有对风的方向的定向机构，因为它是完全全方向的，并只有一个可运动部件：具有叶片（3）的转子（2）。涡轮机还可以包括在结构（1）的上部部分中的边缘（6）中的气动偏转器，并分成具有至少两个气动元件的多个元件（9）。本发明可用于小型发电的能量生产以及大型电系统。

Description

组合全方向流动的涡轮机系统
技术领域
本发明涉及能量生产，特别是涉及一种设想为提高与风能生产以及与其它流体（例如洋流和波浪）相关联的效率水平的装置。
背景技术
全方向翼型扩压器将流体引向中心竖直轴线涡轮机。流体将通过称为Coanda效应的效应而附接在扩压器的表面上。该原理首先由Romanian Henri Coanda来介绍，是他首先认识到该现象在飞机发展中的实际应用。颠倒翼板（inverted wing）扩压器的结构具有与在低速下飞行的飞机或F1后翼类似的性能。在所有这些情况下，翼板有较大攻角，因此在气动型面的表面中可以采用例如涡流发生器、加板条和开槽边缘等方案，以便防止称为失速的脱离。在这种情况下，翼板并不为线性，而是型面径向展开，并因此有相同性能（而不管风的方向如何）。
风速对于风力涡轮机能够转变成电的能量大小极其重要。风的能量能随着平均风速的立方而变化。当风速高至两倍时，它包含8倍的能量。
扩压器的设计将由于它的翻转翼板几何形状而促进风加速。这除了更快地开始产生能量，还能够使得中心涡轮机达到更高旋转和产生更多能量。
考虑到在EP226309中已经公开的普通涡轮机的当前缺点，下面公开的本发明有一种能量产生装置，它：
1.有较低环境和视觉影响；
2.具有较高能量生产能力；
3.具有在低风速、湍流风和可变方向风的情况（城市环境的典型特点）下工作的能力；
4.它没有这样的缺点，即具有可见的运动部件以及固有的遮阳和闪光效果；
5.产生较低噪音，从而能够定位在人们和住宅附近。
发明内容
本发明介绍了一种组合全方向流动的涡轮机系统，它包括以下元件：
转子（2），该转子（2）与发电机或者转变机械能的其它装置（4）连接，该转子集成在结构（1）中，该结构（1）具有翻转翼板（1；9）的气动形状；
转子叶片（3）；
机械支承结构（12）；
基础附接元件或安装柱（7）。
关于可以用于翻转径向翼板（1；9）的气动形状的气动型面，该型面可以在以下区间内变化：
厚度：1-20%，优选是2-15%，更优选是5-8%；
拱形（弧高，camber）：5%-25%，优选是8-15%，更优选是10-12%；
最大拱形（弧高）点：1-8；优选是2-7，更优选是3-4。
气动形状可以根据美国国家航空咨询委员会（NACA）的标准来介绍。
在本发明的实施例中，组合全方向流动的涡轮机的转子叶片（3）有可变的角度和/或节距。
在本发明的另一实施例中，组合全方向流动的涡轮机的安装柱（7）包括翻转翼板的附加形状。
在本发明的还一实施例中，将组合全方向流动的涡轮机的结构（1）分成多个元件（9），该多个元件（9）有至少两个气动元件。
在本发明的一个实施例中，组合全方向流动的涡轮包括边缘形状的气动偏转器（6），该气动偏转器（6）在结构（1）的上部部分中。
在本发明的另一实施例中，组合全方向流动的涡轮机包括在结构（1；9）的表面上的涡流发生器和/或有纹理区域。
在本发明的还一实施例中，组合全方向流动的涡轮机的转子（2）有电子或机械显示器，用于自动控制叶片（3）的角度。
在本发明的一个实施例中，组合全方向流动的涡轮机的转子叶片（3）由复合材料、镁合金或注射聚合物来制造。
在本发明的另一实施例中，组合全方向流动的涡轮机使用从HAVAC系统开始的二次流。
在本发明的还一实施例中，组合全方向流动的涡轮机的发电机或转变机械能的其它装置（4）布置在涡轮机的中心处或在地面高度，并通过轴来保证传动。
在本发明的一个实施例中，组合全方向流动的涡轮机的结构（1；9）的外表面覆盖有光电池。
在本发明的另一实施例中，组合全方向流动的涡轮机的安装柱（7）具有附加扩压器。
在本发明的还一个实施例中，组合全方向流动的涡轮机的结构（1）的外表面进行绘图覆盖。
在本发明的一个实施例中，组合全方向流动的涡轮机的结构（1）由金属材料、聚合物材料、复合材料、混凝土或织物材料来制造。
本发明的目的还在于在地面、在海洋中通过漂浮装置和在水下使用该组合全方向流动的涡轮机。
本发明介绍了一种有效涡轮，它能够通过转子而在流体中取得最大能量。这种涡轮机使用转子（2），该转子（2）与普通涡轮类似，具有水平轴线，但是布置成竖直位置，插入具有翻转翼板形状的静止扩压器中。固定的结构（1）受到2个组合流动的影响，从而提高由转子（2）产生的能量。
转子（2）附接在用于转变机械能的元件上，该元件集成在具有翻转翼板气动形状的结构（1）中。系统没有对风的方向的定向机构，因为它是完全全方向的，并只有一个运动部分：具有叶片（3）的转子（2）。涡轮机还可以包括在结构（1）的上部部分中的、具有边缘（6）的气动偏转器。
本发明可用于能量生产行业（即小型发电）以及大型电力系统。
这里所述的本发明包括固定结构，该固定结构有扩压器，该扩压器具有翻转翼板形状，它引导来自任意方向（全方向）的流体（即风），并将流体引导/加速至位于扩压器中心的竖直轴线转子。而且，转子自身不必像水平轴线涡轮机的情况那样与流体的方向对齐。
装置通过两个组合流动来操作：下部流动和上部流动。在下部流动中，流体沿升高方向朝着中心涡轮机引导，而不管它的方向如何。由于气动型面，流动在1.4x和1.8x之间的区间中加速，从而构成下部流动速度。这时，该流动经过转子，该转子消耗它的一部分动能。上部流动经过装置的上部区域，并使得它自身与下部流动组合，从而在涡轮机中引起吸入效应（由于该低压区域）。
由于上部和下部流动的这种组合，影响涡轮机的区域大于转子的区域。对于在本领域中已知的任意其它涡轮机模式，这种情况不会发生。
由于两种流动的组合的这种影响，机械能比率可以达到高于0.593的值，这使得该转子不会有确定在由BETZ表示的流动中可抽取功率的上限的相同情况。
为了提高下部流动和防止它与表面分离，可以将结构分成气动型面的多个元件（9），即分成2、3或4个元件（见图2、3、6）。而且，在内表面中发展湍流可以有防止流动分离的正面效果，因此可以使用在表面上的涡流发生器和/或有纹理的区域，例如类似于在高尔夫球中的凸纹。
由于它的几何形状，这里提出的装置促进了流动的加速，优选是在中心涡轮的叶片的尖端区域，该叶片尖端区域作为该因素的结果有更高力矩。这使得更小的涡轮机能够有比普通涡轮机更高的性能，从而提高了效率。
因为涡轮机有更小直径，因此叶片的尺寸将更小，这降低了制造成本，并且不仅能够使用高性能材料，例如复合材料和镁合金，还能够使用高生产率和低成本的材料，例如注射聚合物。
因为涡轮机处于水平中心位置，且它不需要与风的方向对齐，因此该装置能够利用来自HVAC（加热、通风和空调）系统的二次流，例如强制空气吸入、通风、空调等。因此能够进行同时发热发电工作，从而回收用于驱动这些装置的一些能量。
因为没有对风的方向定向的机构，因此机械部件最简单，且最容易维护。发电机可以布置在涡轮机的中心或者在地面高度，用于更容易维护。在后一种情况下，转子应当通过轴而与地上的发电机连接。
考虑到叶片尖端没有任何障碍物，例如塔，且全部转子都由扩压器保护，因此由装置发出的噪音低得多，这有降低发出噪音的优点，从而也能够以更高转速地操作该转子。更高转速的发电机需要更少的永磁体，这使得发电机更便宜。
整个结构可根据可用区域和需求来缩放，且结构能够分为多个部分，以便简化运输和装配。
该结构的外表面能够由光电池来覆盖，从而有效使用固定表面，且能量生产最大化。
本发明还能够通过漂浮装置而安装在海上，以便开发海上风，还能够布置在水下，并开发洋流和波浪。
支承柱可以容纳附加的扩压器，以便在某些情况之前平衡系统。因此，系统可以在某些条件下进行气动类型的校正。
扩压器的外表面可以进行绘图装饰。因此，该装置可以用于传达信息和用于广告目的。
典型小型设备的实例：
涡轮机：1.70m直径
额定功率（风）：在11.0m/s下1.08kW（60%效率）
最大功率（风）：在15.0m/s下2.00kW
年风能生产（估计）：2190kW/年+
光太阳能电池年生产：2890kW/年（风+太阳能）
减少普通住宅70%的能量账单或者高效现代住宅的100%。
附图说明
为了更容易理解本发明，我们加上了附图，该附图表示本发明的优选实施例，但并不是为了用于限制本发明的目的。
图1是本发明的装置的示意等距视图-结构的选择为具有翻转翼板的形状的单个气动元件。在该图中包括以下元件：
1-结构；
2-中心转子；
3-转子叶片；
6-边缘
图2是本发明的装置的示意等距视图-结构的选择为具有成翻转翼板形状的两个气动元件。在该图中包括以下元件：
1-结构；
2-中心转子；
3-转子叶片；
6-边缘
9-多个气动元件。
图3是具有两个多元件的装置的示意侧视图。在该图中包括以下元件：
1-结构；
2-中心转子；
4-用于转变机械能的元件，即发电机；
5-下部流动；
6-边缘；
7-安装柱；
9-多个气动元件；
12-支承结构。
图4是通过该装置的流动的示意侧视图。在该图中包括以下元件：
1-结构；
5-下部流动；
6-边缘；
10-涡旋；
11-上部流动。
图5是3米装置的优选实施例的示意侧视图，其中：
第一翼板的角度可以在54°±15°之间变化，尺寸在0.7m±0.5m之间；
第二翼板的角度可以在21°±5°之间变化，尺寸在0.7m±0.5m之间；
转子的尺寸在0.55m±0.2m之间变化；
偏转器的尺寸在0.15m+(0.3m；-0.15m)之间。
图6是具有1、2、3个元件的翻转翼板的多个气动元件的可能布置的示意侧视图，这些元件可以在另一方面看见它们的角度变化。
具体实施方式
下面将参考附图介绍本发明的优选实施例。
本发明的装置包括固定的翻转翼板结构（1），具有暴露于流动中的较大面积。该固定结构还能够分成至少两个或更多个气动元件，即多个元件（9），以便提高它的性能。气动元件还能够有狭槽和板条，以便保证提高流动附着和防止在翼板中失速。
本发明装置通过两个组合流动来操作，如图4中所示，即下部流动（5）和上部流动（11）。
在上部流动（11）中，不管风在该结构中的入射角度如何，流体都附着在气动型面（1；9）的表面上，并向上引向中心转子（2）的叶片（3）的尖端。空气在它接近中心转子（2）时通过翻转翼板的形状而加速。
转子（2）布置在扩压器的中心，该扩压器由支承结构（12）支承，并通过安装柱（7）而固定在地面上。
组合流动由上部和下部流动的组合而引起。在结构的顶部有气动边缘偏转器（6），该偏转器（6）产生涡流（10），在另一方面，该涡流（10）产生在中心转子（2）上面的低压区域，这提高了排出流动（11）的速度。
在本发明的优选实施例中，本发明的装置能够使用气动元件来提高性能和最小化由于将流动导向中心涡轮（2；3）而引起的损失，从而能够使用在结构（1；9）的表面中的涡流发生器和/或有纹理表面，以便最大化流体附着，还能够使用在中心安装柱中的附加气动型面。
中心转子（2）能够使用可变节距的叶片（3）。通过这样使用，系统自动优化用于确定风速和中心转子（2）旋转的生产功率。
显然，在根据本发明的装置中使用的中心转子（2）可以采取不同的气动型面，且叶片（3）的数目可以变化，以便获得用于特殊用途的更好结果，即2、3、4、5、6、7、8、9个叶片以及双重转子。
该结构（1）可以制成为具有不同形状的气动型面。因此，与接近流动相关的形状和攻角可以变化。同样，也可选择，相同发明能够设想为空气进口能够分别沿下降方向引导流动。
该结构能够制造成金属（例如钢、铝）或者玻璃纤维复合材料的固体形式。该结构也能够由增强建筑材料来制造，例如混凝土，该混凝土能够用于更大规模，或者用于环境例如水中。该结构还能够制造成有柔性材料，例如帆，或者翼板，该翼板的形状由多个部分制成和由耐久性薄膜来覆盖。这种方法的优点是有非常小的重量，并能够对于一定规模的产品在经济上更可行。
上述优选实施例显然可在它们自身之间组合。下面的权利要求另外确定了本发明的优选实施例。

Claims (12)

1.组合全方向流动的涡轮机，包括：
一个或多个转子放置在竖直轴向位置，该一个或多个转子的每一个包括叶片；
固定结构，该固定结构包括一个具有翻转径向翼板的形状的气动元件，将一个或多个转子横向包围在其中，并且包括一个内侧的壁，该内侧的壁连续弯曲且沿朝向一个或多个转子从底部进口流至顶部排出流的方向向内凸出延伸；
在该固定结构的上部部分中的边缘中的气动偏转器，
所述组合全方向流动的涡轮机通过两个组合流动来操作，下部流动和上部流动，在下部流动中，流体沿升高方向朝着中心涡轮机引导，而不管它的方向如何，由于气动型面，下部流动加速，这时，该下部流动经过转子，上部流动经过气动元件的上部区域，并使得它自身与下部流动组合，从而在涡轮机中引起吸入效应。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：所述固定结构的每个内侧的壁包括一个或多个翼型元件。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括与一个或多个转子相连的发电机，将机械能转变成电能。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：一个或多个转子的叶片有可变的角度和/或节距。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括：在该固定结构的内表面中的具有纹理的区域。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：一个或多个转子的叶片包括复合材料、镁合金或者注射聚合物。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：涡轮机利用来自加热系统、通风系统和空调系统的二次流动。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括布置在涡轮机的中心区域的发电机。
9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：该固定结构的外表面覆盖有光电池。
10.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括基部和安装柱，该安装柱使固定结构与基部相连。
11.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：将该固定结构的外表面进行绘图覆盖。
12.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：该固定结构包括金属材料、混凝土或织物材料。
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