CN103958886A - 流体动力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流体动力涡轮机，诸如风力涡轮机（10），具有中空筒体（12），旋转涡轮机容纳在中空筒体中。流体导向结构（14）被支撑在筒体（12）的远离涡轮机的端部处或附近。流体导向结构（14）具有绕周边间隔开的多个独立入口（26）并且被布置成将每个入口处的空气导向到内管（18）中。进入的空气在结构（14）内以及在离开筒体（12）时受抑制，由此其速度足以使涡轮机（20）旋转。筒体（12）的顶部的结构大体上不要求维护，并且由于易于接近，涡轮机（20）的维护比传统风力发电机容易得多。在涡轮机封闭时，比传统的风力发电机更安全且噪声更小。

Description

流体动力涡轮机

技术领域

本发明涉及用于流体动力涡轮机的流体导向结构并且涉及流体动力涡轮机。

背景技术

近来，更多地关注将诸如风力和波浪力等自然力转变成有用功的方式。特别地，设有大量风力涡轮机的风场已经几乎变得常见。然而，当前所使用的风力发电机昂贵、噪声大且低效。最公知的风力发电机具有高塔并且具有固定到发电机的旋转毂或轴上的两个以上叶片，在高塔顶部附近支撑用于涡轮机和发电机的壳体。空气经过叶片发出噪声，并且发电机本身发出噪声。

常用的风力发电机还必须经过对准从而风力能够旋转叶片并且通常这些发电机需要电力来启动。此外，由于涡轮机和发电机安装到高塔的顶部，所以维护困难。

发明内容

本发明的目的是提供改进当前可用的那些风力发电机的流体动力涡轮机。

根据本发明的第一方案，提供一种流体动力涡轮机，包括：

细长的中空管；

可旋转涡轮机，其能够借助流体流而运转，并且被容纳在所述中空管内的第一端处或所述第一端附近；以及

流体导向结构，其固定在所述中空管的与所述第一端间隔开的第二端处或所述第二端附近，

其中设有至少一个流体流动导管，所述至少一个流体流动导管在所述中空管内延伸且将所述流体导向结构与所述可旋转涡轮机连接，使得所述流体导向结构内的流体流能够被导向到所述可旋转涡轮机从而使所述可旋转涡轮机运转，并且

所述流体导向结构具有绕周边间隔开的多个独立的入口以及将每个入口处的流体引导到与所述流体流动导管连通的流体出口的装置。

本发明的实施例的流体动力涡轮机可用作例如风力涡轮机。不同于常见的风力发电机，本发明不存在外部运动部件。此外，由于流体导向结构具有绕其周边间隔开的独立入口，所以风或其他流体无论到达的方向如何能够被采集和导向。

在风力涡轮机的背景下，中空管可以呈竖直中空筒体的形式，并且可旋转涡轮机将容纳在筒体的底部内。在该实施例中，可旋转涡轮机通常为具有大体水平延伸的叶片的竖直轴涡轮机。由于可旋转涡轮机在筒体内，所以处于受控环境中。

在一个实施例中，对流体导向结构的每个入口处的流体进行导向的所述装置包括绕流体导向结构间隔开的多个漏斗部，并且每个漏斗部具有形成相应入口的嘴部，其中相应的出口管附接到每个漏斗部，每个出口管的出口与所述流体流动导管连通，并且其中，所述流体流动导管是在与所述流体流动导管大体同轴的细长中空管内延伸的内部中空管。

优选地，可旋转涡轮机包含有用于发电的发电机。

可替代地，可旋转涡轮机可被布置成向磨石、向泵或者向其他发动机提供动力。

优选地，流体导向结构被布置成将流体抽入流体流动导管中并且增加被导向到可旋转涡轮机的流体的速度。

此外，被导向到可旋转涡轮机的流体被限制为在离开涡轮机之后在中空管内返回流向流体导向结构，然后离开流体导向结构，所述流体从所述涡轮机的离开被设置成增加流体的质量流率。

在本发明的涡轮机的实施例中，涡轮机具有竖直轴线，并且流体流动被向下引导到大体水平延伸的叶片上。因此，全部的叶片受流体流动驱动以便提高效率。

该布置方式使得流体流动集中并且提高涡轮机上流体流动的速度。涡轮机能够具有相对大的功率，而能够保持小的覆盖区域以提高效率。

流体导向结构的成形以及控制流体流的其他布置方式能够根据需要进行选择从而提高涡轮机的性能。

在一个实施例中，每个入口结构是嘴部形成入口的漏斗部，并且相应的出口管附接到相应漏斗部的出口。全部漏斗部的全部出口管是相邻的且基本平行。

在使用时，相邻的出口管将被布置成均与中空管或筒体的内部连通。

在一个实施例中，活动挡板附接到每个漏斗部的出口处或出口附近。优选地，该布置方式使得每个活动挡板在重力作用下大体闭合相应的出口。

活动挡板闭合漏斗部的出口，进入的流体流动都不通过漏斗部的出口以确保离开的流体流动能够被适当地导向。

优选地，壳体包括形成为限定所述入口的框架，所述框架具有承载的顶板，所述顶板成形为对气流进行导向。

如果需要，太阳能板可由壳体的顶板承载。

在一个实施例中，框架包括利用竖直支柱接合的顶部和底部，其中相邻的支柱对之间限定有入口。

在一个实施例中，限定支柱的入口对限定了框架中的间隙。这些间隙与管连通并且因此形成了离开流体导向结构的流体的排气口。因此，在该布置方式中，入口和间隙围绕流体导向结构的周边交替地布置。

在可替代的实施例中，框架延伸，并且与管连通的排气口围绕框架延伸部的周边延伸。因此，例如，框架延伸部包括围绕周边布置的多个相邻排气口且可布置在框架的上方或下方，多个相邻入口围绕框架的周边布置。

优选地安装活动挡板以闭合间隙，使得离开的流体流动能够根据要求而被导向。这些挡板同样优选地在重力作用下闭合。

优选地，气流稳定板被支撑在框架的下方。可替代地，气流稳定板可以被支撑在框架的上方。在该布置方式中，气流稳定板可以形成顶板或者可以替代顶板。

附图说明

下文将参考附图通过实例方式对本发明的实施例进行说明，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机的透视图；

图2示出了图1的风力涡轮机的竖直截面；

图3示出了展示风流的图2的截面；

图4a示出了流体导向结构的框架的竖直截面；

图4b示出了从图4a的框架上方看到的示意图，概括地示出了内置的漏斗部；

图5a示出设有挡板的流体导向结构的漏斗部的竖直截面；

图5b示出了图5a的漏斗部的水平截面；

图6示意性地示出了根据本发明的第二实施例的风力涡轮机的透视图；

图7示出了图6的风力涡轮机的竖直截面；

图8a示出了沿图6的线A－A截取的图6的风力涡轮机的流体导向结构的截面；

图8b示出了沿图6的线B－B截取的截面；

图9a示出了类似于图8a的示意图，示出了风流；以及

图9b示出了类似于图8b的示意图，示出了风流。

具体实施方式

下面将具体参考风力发电机来描述本发明，也就是，将具体参考包含有可旋转涡轮机和发电机且布置成利用风力来发电的风动力涡轮机。然而，所描述和图示的风力涡轮机可以替代地以其他方式利用风力来做有用功。因此，众所周知的是，在风车和类似物的情况下，可旋转涡轮机不是为发电机供给动力以发电，而是可以做机械功，诸如将机动动力提供给磨石或者泵或其他发动机。

而且，本发明被描述为如下的风力发电机，所述风力发电机布置成具有基本竖直延伸的中空管，使得流体导向结构位于顶部并且可旋转涡轮机面向呈筒体或塔体形式的管的底部。然而，中空管可布置成其他取向，例如，水平地，或者可沿其长度具有弯曲部或其他的方向变化。

沿除了竖直方向以外的其它方向延伸的中空管可用于例如将风力涡轮机支撑在建筑物上。在一个实施例中，流体导向结构被支撑在建筑物的顶板或顶部上或者附近，中空管可以延伸贯通建筑物，例如，贯通电梯竖升或楼梯井。可旋转涡轮机将适当地设置在中空管内。

当然，风，通常为气流，是唯一一种可获得可再生能量的流体，但是可以使用任何其他流体。最显然的替代物是水或波浪力，并且本文所描述的原理可用于这样的环境。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机10。能够看出，风力涡轮机具有竖直的中空管12，中空管12形成了承载风导向结构14的筒体。在中空筒体12的底部，设置有形成涡轮机腔室的部分16。

图2示出了图1的风力涡轮机10的竖直截面。将看出，中空筒体或管12内部包含有同轴的中空内管18。该内管18在其底部内容纳涡轮机20，然后在筒体12内向上延伸。风导向结构14固定到筒体12和内管18。

从图4a和图4b中能够看出，风导向结构14包括框架22，该框架具有借助竖直的细长支柱24接合起来的顶部和底部。这些支柱24限定围绕框架22的周边间隔开的多个入口26。在图示的实施例中，存在六个这样的入口26。然而，风导向结构14可根据需要成形以提供更多或更少的入口。除了限定有入口26，支柱24还限定有间隙28，如我们将看到的，间隙28将提供气流的出口。如图1所示，格栅29可以跨越这些间隙28。如图4a中明显看出，充当气流稳定装置的板30固定到框架22的底面的下方。可以在气流稳定装置30与主筒体12之间设置支架32，如图1和图2所示，从而为风导向结构14提供附加支撑。

框架22容纳在图4b中示出且在图2中的竖直截面图中示出的六个漏斗部36。每个漏斗部36具有口孔38，该口孔位于框架22的相应的入口26中。每个漏斗部36成形为向出口40缩窄。在这方面，可根据需要来选择漏斗部的形状以提供所需的性能。从图2中最佳地示出，为每个漏斗部36设置相应的出口管42，并且相应的出口管42在一端处固定至漏斗部36的出口40，然后围绕大约90度的弯曲部延伸而终止于管出口44。从图2中将看出，相邻漏斗部36的出口管42基本上彼此平行地延伸，通常是相邻的，并且都具有与中空的内管18的内部连通的出口44。

当然，出口管42中的弯曲部可以具有任意角度。出口管根据漏斗部的取向且根据中空内管18的取向来定位。出口管42只需要提供漏斗部出口40与中空管18内部之间的连通。

从图1和图2中能够看出，顶部或顶板50由风导向结构14支撑在框架上方。如图所示的，该顶板50能够成形以引导风流。

图3示出如所描述和如图所示的风力涡轮机10的空气流。将理解的是，当风力涡轮机10的管或筒体12竖立成竖直延伸且有风时，气流将从任意方向撞击到风导向结构14上。然而，由于入口26围绕结构14间隔开，所以极可能的是气流将直接撞击到至少一个入口26上，如图3所示。因此，如图所示，气流W将到达至少一个特定漏斗部36的入口38。漏斗部36沿其长度缩窄使得朝向出口管42流入漏斗部36的空气将由于文丘里效应而提高速度。该快速流动的空气被引导到内管18中，然后沿内管18向下流动而撞击涡轮机20的大体水平延伸的叶片上。在通过涡轮机20之后，空气在中空筒体12之内但是在内管18之外向上流动，并且回流到风导向结构14的框架22中但是在漏斗部36之外。空气从框架22通过间隙28排出，如图4b中所示的。

框架22内的牵拉力（drag）D将从筒体12顶部离开的空气抽出，该牵拉力用于将空气W拉入风导向结构14中。牵拉力D是由在漏斗部36下方但是在稳定板30上方流过结构24的空气而产生的。在结构14的与空气进入系统所经的入口相反的一侧也产生牵拉力。这些另外的牵拉力也试图将空气拉入风导向结构14中。

能够根据需要来选择风导向结构14的实际设计，特别是各部件的形状。该结构的显著特征在于，其不具有运动部件从而减小了噪声，并且具有围绕360度周边朝向所有方向的入口而使得该结构总是能够接收和收集风并且将风导向涡轮机。

通常，在使用中，仅一些入口26是打开的以允许空气进入系统，并且间隙28中的选定间隙可以是闭合的。需要产生将风抽过该结构并且提高被导向涡轮机的风的速度的牵拉力区域或低压区域。将理解的是，被导入内管18的快速流动的风保持快速的单向流动，当流动撞击涡轮机时，流动撞击涡轮机的所有叶片。这样的措施以及其他的措施提高了涡轮机的叶片上方的质量流率并且有助于从涡轮机获得高效的功率。

涡轮机20可以采用所需的任何设计和构造。能够看出，涡轮机在地面水平处或恰在地面水平之上，因此能够更易于接近来进行维护。当然，涡轮机具有运动部件，但是由于这些运动部件位于筒体12和内管1的内部，所以能够将来自涡轮机的噪声保持得较低。

如上文所论述的，风在进入风导向结构14时沿着缩窄的通道行进，该事实起到加速的作用。此外，期望的是流经结构14的空气将在风导向结构14内造成有用的牵拉力而引发气流。理论上讲，期望的是，给定5m/s的平均风速，流入中空的内管18的空气能够获得大于300m/s的速度。

图5a和图5b示出了漏斗部36的一个实施例的形状。这样的设计不仅促进漏斗部内的气流，而且提供了如下的曲线外形：排气必须沿着该曲线外形流动而在漏斗部下方产生牵拉力。因此，漏斗部的加宽的口孔38有助于将风收集到漏斗部中。漏斗部形状应当优选地最优化以允许空气容易流过漏斗部并且易于从出口40离开。

能够看出，在图5a和图5b的实施例中，在出口40处设置有风挡板（wind flap）52。该风挡板52是轻质挡板，当风流入漏斗部36时，风挡板打开且允许空气通过。漏斗部被成形和/或出口管42被成形为使挡板52由于重力而基本上闭合。因此，当风改变方向时，挡板52闭合。风导向结构14中的未接收到进入的风的所有漏斗部的闭合挡板确保了空气沿着漏斗部36的外底面离开该结构而不通过漏斗部本身。

漏斗部36要由牢固且轻质的材料构成。可能的是，漏斗部被成型，因此由塑料材料或纤维玻璃制成。

主筒体12、内管18和出口管42优选地由钢制成。虽然出口管42通常具有整体直径相同的圆形截面，但是能够看出，筒体12和内管1两者都具有初始的筒状段，随后是收敛段。在内管18的情况下，仅有小的收敛段，此后内管的长度的其余部分是筒状的。相比之下，主筒体12具有限定涡轮机腔室16的筒状段，然后向上收敛至顶部。应理解的是，主筒体12的这种收敛对于朝向筒体12的顶部离开的空气产生了收缩作用，这起到了加速空气排气并且有助于将空气从筒体中拉出的作用。

能够根据需要来选择风力涡轮机的构成部件及其构造方法以及制作各个构件的材料。当前可设想，主要构件将分段制成，并且利用钢杆连接。关于这点，在图2中示出了对框架22的顶板提供支撑的杆54。如果需要，可将太阳能板支撑在顶板50上。

已经注意到，在风导向结构14的框架22中有间隙28，排出的空气通过该间隙28离开。代替横跨间隙28设置格栅29，可在这些间隙28处设置图4b中所示的单向挡板56以确保空气不会通过这些间隙而流入结构中。在图4b中，闭合的挡板56面向风流，而在结构14的相反侧，出口间隙28打开以便空气离开。

在框架32下方延伸的板30充当气流稳定装置。板30阻止从风导向结构14的下方被牵拉且进入结构14的上升流和空气。板30确保在漏斗部36的下方有横向且持续的空气流经过结构14，由此产生牵拉力D。从图4a中能够看出，例如，板30延伸超过框架22。能够选择气流稳定板30的位置以对气流进行最佳控制并且使得与牵拉力的干涉最小。在一些构造中，稳定板30可完全闭合漏斗部下方的间隙。

将理解的是，与常规的风力发电机相比，所描述和展示的风力涡轮机具有多方面优势。该风力涡轮机由于完全无需进行调节来面向风，所以运转时间得到增加。该风力涡轮机在低很多的外部风速下也将能运转。在筒体顶部上的结构通常不需要维护，并且可旋转涡轮机20和其他部件由于容易接近而其维护将变得容易得多。利用被封闭的涡轮机来发电，以达到安全和噪声减小的目的。去除了外部叶片也将增强了对鸟类的安全性。

图6示出了本发明的风力涡轮机的可替代实施例。图6的风力涡轮机110具有竖直中空管112，中空管112形成了承载风导向结构114的筒体。涡轮机腔室形成在筒体内。

与第一实施例相比较，风导向结构114具有两个部件。存在第一部分和下方的第二部分，第一部分具有绕周边间隔开的多个入口126，并且下方的第二部分具有均被适当的挡板156闭合的多个出气口128。

从图6和图7中清晰可见，在替代实施例中，漏斗部136围绕框架122的周边延伸。具有入口126的框架布置在支撑出气口128的框架的延伸部的上方。

如图7所示，框架122容纳六个漏斗部136，每个漏斗部具有口孔138，每个漏斗部向出口140缩窄。出口与在筒体112内延伸的内部中空管118连通。在该实施例中，中空管118被成形成直径随着管从上到下延伸而减小。这进一步利用文丘里效应来提高中空管118内的气流速度并且增加安装在内管118的下部的缩窄区域内的涡轮机120可用的动能。

如图7所示，在下端处，内管118具有半径r1，而筒体112具有半径r2。在较低水平处由半径r1限定的内管118的面积是A1，而在该水平处由半径r2限定的筒体112的面积是A2。为提高涡轮机效率并且增加通过涡轮机的风质量流率，应当保持以下关系：

A2–A1>A1。

从图7中能够看出，挡板152设置在每个漏斗部136的出口140中。一般而言，这些挡板152不会由于风、吸力或重力打开并因此被驱动到打开位置和闭合位置。如上所示，每个出气口128被适当的挡板156闭合。

图7示出了当风大体沿方向W流动时相关的情形。接收风的漏斗部的挡板152打开，以使来自一个或多个入口138的风流以及流入内管118的风流组合在一起并且撞击涡轮机120。通常在风导向结构114的相反侧、在出气口128上的挡板156打开，以使风流过该结构，如图7所示。

风压力打开和闭合挡板156。迎来的风迫使面向风的挡板156闭合。每个挡板156与在直径方向上相反的挡板156机械连接（未示出）。随着一侧的挡板被风闭合，相反的且相连接的挡板借助于打开的挡板附近产生的较低压而被闭合挡板的力打开。

如果有利的话，可以省去挡板之间的机械连接，并且能够在产生的较低压下打开挡板。

图8a是示出漏斗部136及其出口140的截面。图8b示出了带出气口128的框架的延伸部并且示出了闭合那些开口的挡板156。图9a和图9b示出了相同的截面，但是风的流动受控，如图7所示。能够看出，流入结构114的风将进入两个以上漏斗部136。结构相反侧的挡板156将打开，但是通常在该相反侧的小区域中，挡板156保持闭合。这确立了通过结构114获得风流的最佳低压区，该最佳低压区具有快的流速并且受约束从而以提供能量转换效率的方式撞击涡轮机。

应当理解的是，对所描述和展示的实施例进行的各种变型和改变可落在如随附权利要求书限定的本申请范围之内。

Claims (15)

1.一种流体动力涡轮机，包括：

细长的中空管；

可旋转涡轮机，其能够借助流体流而运转，并且被容纳在所述中空管内的第一端处或所述第一端附近；以及

流体导向结构，其固定在所述中空管的与所述第一端间隔开的第二端处或所述第二端附近，

其中设有至少一个流体流动导管，所述至少一个流体流动导管在所述中空管内延伸且将所述流体导向结构与所述可旋转涡轮机连接，使得所述流体导向结构内的流体流能够被导向到所述可旋转涡轮机从而使所述可旋转涡轮机运转，并且

所述流体导向结构具有绕周边间隔开的多个独立的入口以及将每个入口处的流体引导到与所述流体流动导管连通的流体出口的装置。

2.如权利要求1所述的流体动力涡轮机结构，其中所述中空管呈竖直中空筒体的形式，并且所述可旋转涡轮机容纳在所述筒体的底部内。

3.如权利要求2所述的流体动力涡轮机结构，其中所述可旋转涡轮机是具有大体水平延伸的叶片的竖直轴涡轮机并且容纳在所述中空筒体内。

4.如前述权利要求中任一项所述的流体动力涡轮机结构，其中所述可旋转涡轮机包含有用于发电的发电机。

5.如前述权利要求中任一项所述的流体动力涡轮机，其中对所述流体导向结构的每个入口处的流体进行导向的所述装置包括围绕所述流体导向结构间隔开的多个漏斗部并且每个漏斗部都具有形成相应入口的嘴部，相应的出口管附接到每个漏斗部，每个出口管的出口与所述流体流动导管连通，并且所述流体流动导管是在与所述流体流动导管大体同轴的细长的所述中空管内延伸的内部中空管。

6.如前述权利要求中任一项所述的流体动力涡轮机，其中所述流体导向结构布置成将流体抽入所述流体流动导管并且增加被导向到所述可旋转涡轮机的流体的速度。

7.如权利要求6所述的流体动力涡轮机，其中被导向到所述可旋转涡轮机的流体被限制为在离开所述涡轮机之后在所述中空管内返回流向所述流体导向结构，然后离开所述流体导向结构，所述流体从所述涡轮机的离开被设置成增加流体的质量流率。

8.如前述权利要求中任一项所述的流体动力涡轮机，其中所述流体导向结构包括壳体以及多个入口结构，所述壳体具有围绕周边间隔开的多个独立的入口，每个入口结构都在相应的入口与流体出口之间延伸，随着每个入口结构远离所述入口延伸，每个入口结构的横截面积缩小。

9.如权利要求8所述的流体导向结构，其中每个入口结构是嘴部形成入口的漏斗部，并且相应的出口管附接到每个漏斗部的出口。

10.如权利要求9所述的流体导向结构，其中全部漏斗部的全部出口管是相邻的且基本平行。

11.如权利要求10所述的流体导向结构，其中活动挡板附接到每个漏斗部的出口处或出口附近。

12.如权利要求11所述的流体导向结构，其中所述布置方式使得每个活动挡板在重力作用下大体闭合相应的出口。

13.如权利要求8至12中任一项所述的流体导向结构，其中所述壳体包括形成为限定所述入口的框架，所述框架具有承载的顶板，所述顶板被成形为引导气流。

14.如权利要求13所述的流体导向结构，其中太阳能板由所述顶板承载。

15.如权利要求13或14所述的流体导向结构，其中所述框架包括利用竖直支柱接合的顶部和底部，相邻的支柱对之间限定有入口。