CN107850043A

CN107850043A - 涡旋推进器

Info

Publication number: CN107850043A
Application number: CN201680037833.2A
Authority: CN
Inventors: 克里斯·比尔斯; 唐纳德·E·莫里亚蒂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2018-03-27
Also published as: HK1252114A1; WO2016176352A1; US20170022970A1; US10260479B2

Abstract

中心杆以垂直于地表面并且垂直于流体的流动方向的位置取向。该中心杆具有从该中心杆散开的多个叶片，其中，所述多个叶片中的每一个均具有外缘和内缘，内缘直接附装到中心杆的外表面。叶片的外缘向上延伸从而围绕中心杆弯曲，叶片的内缘向上延伸从而围绕中心杆弯曲。叶片的内缘围绕中心杆的转动速率小于叶片的外缘围绕中心杆的转动速率。

Description

涡旋推进器

技术领域

本发明总体上涉及推进器(螺旋桨)设备，更具体地涉及用于使涡轮转动或被诸如发动机的动力设备转动以产生推进力的推进器。

背景技术

推进器叶片被设计成以最低的成本产生最大的动力。那些叶片的设计主要受空气动力学的需求驱使。然而，经济学要求叶片形状构成折衷，以相对于动力产出值优化建造成本。叶片设计过程从在空气动力学和结构效率之间折衷的“最佳猜测”开始。对材料的选择和制造工艺还将影响可以将叶片建造得多薄(由此在空气动力学上完美)(例如，碳纤维比注入玻璃纤维更硬且更坚固)。所选择的空气动力学形状产生负载，该负载被引入结构设计中。如果必要的话，然后可以使用在该阶段确定的问题来改变形状和重新计算空气动力学性能。

至于来源于风力涡轮机的动力，可用动力按照风速的立方变化，因此，2倍的风速等于8倍的动力。典型地，低于约5m/s(10mph)的风速不产生足够的可用动力。相反，强大的阵风提供极高的动力等级。然而，建造涡轮机来优化动力峰值在经济上是不可行的，因为其能力在阵风之间的间隔中将被浪费。除了风力天天变化之外，由于由地貌、热力影响和天气引起的湍流，风经受着瞬间变化。另外，由于表面摩擦，风速在地面上方倾向于更大。所有这些效果导致在涡轮机旋转时改变涡轮机的叶片上的负载。

涡轮机自身对风有影响。在涡轮机下风处，空气比在上风处运动得更加缓慢。风甚至在它到达叶片之前开始减速，减小通过“桨盘”(由叶梢构成的假想圆，也称作扫掠区)的风速，由此减少可用动力。一些沿着桨盘的方向行进的风在运动较慢的空气周围转向，并且完全错过叶片。因此，存在从给定的桨盘直径提取的最佳动力量(即，如果试图得到太多，则风将减速太多，减少可用动力)。实际上，在传统的风车构型中，相信理想的设计将使涡轮机下风处的风速减小约三分之二，即使这样，涡轮机之前的风将已经损失其约三分之一的速度。这允许捕获59％风力的最大理论值(称为贝兹极限)。相信实际上通过现有设计仅捕获风的可用动力的40％-50％。

因此希望具有从风力中捕获更多的可用动力的改进的推进器设计，并解决与获得风力相关的其它问题。

发明内容

根据现有技术固有的问题和缺点，本发明寻求通过提供一种垂直取向(定向)的推进器来克服这些问题和缺点，根据一个技术方面，该推进器包括中心杆(轴)，该中心杆以垂直(正交)于地表面且垂直于流体流动方向F的位置(姿态)定向。多个叶片从中心轴散开(散发出)，其中，所述多个叶片中的每一个均包括外缘和内缘，其中，内缘联接到中心轴。

附图说明

从下文结合附图给出的描述和随附权利要求中，本发明将变得更完全显而易见。应理解，这些附图仅描述了本发明的示例实施例，因此不认为它们限制本发明的范围。将容易地意识到，如本文的附图中所一般描述和图示的那样，本发明的部件可以被布置和设计成多种不同的构型。然而，将通过使用附图来描述和说明本发明的附加特征和细节，图中：

图1示出根据本发明的一个实施例的三叶片式涡旋推进器的透视图；

图2示出图1的推进器的侧视图；

图3示出图1的推进器的顶视图；

图4示出图1的推进器的底视图；

图5示出根据本发明的一个实施例的三叶片式涡旋推进器的透视图；

图6示出图5的推进器的侧视图；

图7示出图5的推进器的顶视图；

图8示出图5的推进器的底视图；

图9是根据本发明的一个实施例的三叶片式推进器的透视图；

图10是根据本发明的一个实施例的三叶片式推进器的透视图；

图11是根据本发明的一个实施例的三叶片式推进器的透视图；

图12是图11的推进器的顶视图；和

图13是图11的推进器的底视图。

具体实施方式

下文对本发明的示例实施例的详细描述参考附图，附图构成本发明的一部分，在附图中通过实例示出本发明可以实践的示例实施例。相信利用流体的自然涡流行为的替代推进器设计将大大提高涡轮机效率和/或推进器的推进效率。然而，在公开和描述本发明之前，应当理解，本发明不限于本文公开的具体结构、过程步骤或材料，而是如相关领域的普通技术人员将公认的那样，扩展到其等同物。还将理解，本文使用的术语仅出于描述具体实施例的目的而使用，不意在是限制性的。

在描述和主张本发明中，将根据下面阐述的定义使用下列术语。

应当注意，如该说明书和随附权利要求中所使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文以其它方式明确指出。

如本文所使用的那样，为了方便，可以在公共列表中出现多个项目、结构元件、组成元件和/或材料。然而，这些列表应当解释成好像列表中的各成员分别被指定为单独且唯一的成员。因此，在没有相反迹象的情况下，仅仅基于其在公共组中的描述，不应当将这种列表中的独立成员解释成同一列表的任何其它成员的实际上的等同物。

如本文所使用的那样，通过假定给定值可以“略大于”或“略小于”端点，使用术语“约”来提供数值范围端点的灵活性。该术语的灵活程度可以通过具体的变量来决定，并且将在该领域的技术人员的知识以内，以基于经验和本文的相关描述来确定。

如本文所使用的那样，术语“基本上”指的是行为、特征、性能、状态、结构、项目或结果的全部或几乎全部程度或限度。与绝对完备性的精确的可允许偏差程度在一些情况下可以取决于具体语境。然而，一般而言，对完成的接近度将使得具有与实现绝对的全部完成相同的整体结果。当在否定含义中使用时，使用“基本上”同样可应用于指的是完全或几乎完全缺少行为、特征、性能、状态、结构、项目或结果。

本文提出用于优化推进器效率的方法和系统。具体实施例提出转动使用涡旋形推进器的涡轮机的方法和系统。在一方面中，涡旋形推进器包括实心部分和开放部分，该实心部分使得至少有一些围绕部分推进器的无旋涡流动，该开放部分使得有通过推进器的流体流动(例如风)以引起推进器旋转。在另一方面中，涡旋形推进器包括一个或多个叶片，该叶片具有联接到中心轴的内缘。本文更充分地描述本发明的附加方面。

应当理解，本文讨论的实施例打算用于与希望设备旋转(例如由流体流动引起或相反)的任何类型的设备和可以制造成四处运动的任何类型的车辆一起使用。为了示出本文所要求的方法和系统的多个方面，下面的讨论将主要集中在描述针对风力涡轮机的示例实施例上。然而应当注意，本文讨论的元件和原理可适用于其它用于产生动力或引起推进力(即，例如用作船上的推进器)的涡轮机和/或设备。

还应注意，本文对方法和系统的讨论可以关于具体实施例互换。换句话说，本文对一种方法或系统(或其部件)的具体讨论同样可适用于其它实施例，只要它们涉及该系统或方法，反之亦然。

叶片数量

与涡轮机一起使用的叶片数量越多，各叶片能提取的动力就越少。随着总扫掠桨盘面积变化的总叶片面积被称为实度(solidity)。在空气动力学上，对于给定的梢速，存在最优的实度；叶片数量越多，各叶片必须越窄。在传统的风力涡轮机中，最优实度较低(仅为百分之几)，这意味着即使只有三个叶片，各叶片必须也非常窄。为了容易地滑过空气，叶片相对于其宽度必须薄，从而有限的实度还限制了叶片的厚度。然而，叶片变得越薄，为了满足对叶片的结构需求，建造它们越昂贵。

正如飞机的翼面一样，风轮涡轮机叶片通过由于其形状产生升力来工作。较弯曲的一侧产生低气压，高压空气在翼面的另一侧推动。净结果是垂直于空气流动方向的升力。当叶片转向使其与风成更大的角度时，升力增大。该角度被称为冲角(攻角，迎角)。在非常大的冲角下，叶片“失速”，升力再次减小。同样，存在最优冲角以产生最大升力。不幸地，在叶片上还存在制动力：阻力。该阻力是与风流动平行的力，该力也随着冲角而增大。在适当形状的翼面中，升力比阻力大得多。然而，在非常大的冲角下，尤其当叶片失速时，阻力显著增大。同样，叶片在略小于最大升角的角度下达到其最大升力/阻力比。

由于阻力沿着下风向，看起来阻力将不使涡轮机减速，因为阻力将与涡轮机轴线平行。也就是说，阻力将仅产生“推力”，该力平行于涡轮机轴线作用，由此没有使转子加速或减速的趋势。当转子静止时(例如就在启动之前)，的确是这种情况。然而，叶片自身穿过空气运动意味着风从不同的角度吹出。这被称为相对风(apparent wind)。相对风比真风更强，但其角度比较不好：它使升力和阻力的角度旋转，从而减小升力拉动叶片的效果和增大阻力使叶片减速的效果。这还意味着升力增加了转子上的推力。因此，为了维持最优的冲角，叶片必须转动成更加远离真风角。

扭曲

旋转的涡轮机叶片在叶梢处比在根部处行进得更快，因此存在更大的相对风角。由于在关于叶片长度的变化的点处增大的速度，叶片的最优冲角还关于叶片的长度改变。因此，叶片必须在梢部处比在根部处转动得更快。换句话说，叶片被理想地建造成沿着其长度扭曲。在传统的风车设计中，从根部到梢部的扭曲是约10-20°。

除了叶片扭曲，通过相当薄的翼面得到最优的升力/阻力特性—其理想厚度可以仅是其“弦”长(沿着风流动方向跨越叶片的长度)的10-15％。然而，其它结构需求要求叶片被设计成支撑升力、阻力和重力。这些结构需求大体上意味着翼面需要比空气动力学的最优值更厚，特别是在朝向根部(叶片在该根部处附装到毂部)的位置处，此处弯曲力最大。幸运地，该位置也是相对风运动更慢且叶片对毂部的杠杆作用最小的位置。同样，与叶梢附近的低效率相比，在该位置处的一些空气动力学低效率对整体性能的影响更小。

为了增加根部附近的厚度而不产生非常短的厚的翼面区段，一些设计使用“平脊”区段。该区段是增厚到正方形尾(后)缘的标准区段，或是已经截短的较长的翼型。与倒圆的区段相比，该区段减小了阻力。

叶片形状

传统上在整个转子桨盘上使用平面形状为叶片提供对风的近似恒定的减速效果(即，梢部以与叶片中心或根部相同的程度使风减速)。这保证没有空气会过慢地离开涡轮机(导致湍流)，也没有空气被不允许过快地经过(这将表示损失的能量)。

由于叶片的梢部比根部运动更快，其经过更大体积的空气，因此它必须产生更大的升力以使该空气减速。幸运地，升力随着速度的平方而增加，因此其更大的速度产生足够的升力。实际上，叶片在靠近梢部处可以比在根部附近更窄，并且仍然产生足够的升力。可以计算随着叶片向外部延伸，叶片平面的最优梯形度。粗略地讲，弦线应当与半径成反比(例如，如果在10m半径下弦线是2m，则在1m半径下它应当是10m)。该关系在根部和梢部附近打破，最优形状在该位置处改变而导致叶梢损失。实际上，对于大多数设计，较线形的梯形度足够接近最优值。与最优形状相比，该梯形度也被认为在结构上占优势且更容易建造。

旋转速度

涡轮机旋转的速度在设计中是基本选择，并且根据叶梢相对于“自由”风速(即在涡轮机使风减速之前)的速度确定。这被称为叶梢速比。高叶梢速比意味着叶片上的空气动力(由于升力和阻力)几乎与转子轴线平行。同样，其依赖于良好的升力/阻力比。低叶梢速比似乎将是更好的选择，但是不幸地，由于两种效果，其导致更低的空气动力学效率。由于叶片上的升力产生扭矩，它对风具有相等但相反的效果，该效果倾向于沿着相反的方向将风切向推开。因此，涡轮机下风处的空气具有“漩涡”(即，空气沿着与叶片相反的方向旋转)。该漩涡表示损失动力，这减少了可以从风中提取的可用动力。对于相等的动力输出，较低的旋转速度需要更高的扭矩，因此较低的叶梢速度导致较高的尾流漩涡损失。

在低叶梢速比下的其它效率减少来自于叶梢损失，来自于叶片上风侧的高压空气在叶梢周围流到低压侧，由此损失能量。由于动力等于力乘以速度，因此在较低的旋转速度下，叶片需要产生更大的升力来达到相同的动力。对于给定的长度，为了产生更大的升力，叶片必须更宽。从几何学上讲，这意味着可以考虑使更大比例的叶片长度靠近叶梢。因此，更多空气增加了叶梢损失并且效率降低了。可以使用多种技术来限制叶梢损失，例如小翼(通常在大型客机上看到)，但是由于其附加成本，实际上很少使用。

更宽的叶片上的更大的升力还转化成诸如毂部和轴承的其它部件上的更高的负载。同样，低叶梢速比将增加这些部件的成本。另一方面，宽叶片更能够承载升力(如上所述)，从而叶片自身更廉价。

所有这些意味着涡轮机设计师典型地在7-10左右的叶梢速比上折衷，从而在设计风速(通常是12-15米/秒)下，叶梢能够以约120m/s(约270英里/小时)运动。对绝对叶梢速度的实际限制包括鸟击和雨蚀以及噪声，它们都随着叶梢速度增加。

动力和节距控制

为了经济设计，风力涡轮机的发电机和变速箱的最大性能例如被限制到适合于具体涡轮机的工作环境的水平。理想地，涡轮机应当能从风中提取尽可能多的动力，直到发电机的额定功率，然后当风力进一步增大时，将动力提取限制在该水平。

如果叶片的角度保持恒定，涡轮机不能够响应风速的变化。这使得最优冲角能够在改变的风速下产生最大动力，然而，在高风速下使机器“失去动力”的唯一方法是通过依靠叶片失速(被称为被动失速控制)。这在额定风力以上不是平缓的动力曲线。因此，为了限制最大动力，被动失速控制的涡轮机将通常在其最大潜能以下工作。

如果叶片不是经由允许改变冲角的轴承附装(主动节距控制)，可以确定叶片的角度，以维持最优效率直到设计风速(发电机在该设计风速下产生额定输出)。在设计风速以上，叶片可以“顺流交距(featured)”(即，倾斜旋转，以减小其冲角以及由此其升力，由此控制动力)。在生存条件下，涡轮机可以整体停止，叶片顺流交距，以根本不产生转动力。

在设计风速以上减小冲角的一个替代方案包括增加叶片失速时的角度(主动失速控制)。这减小升力并增大阻力，与顺流交距相比，这对叶片旋转具有期望的减速效果，并且对阵风有较低的敏感性。也就是说，通过减小相对风角，阵风增大冲角，这更加倾向于使叶片失速。因此，在阵风条件下通过失速而不是顺流交距来控制叶片速度可能是有利的。

根据本发明的一个实施例，公开了一种接近涡旋形状的推进器。一般而言，推进器包括多个叶片，这些叶片以圆的周长的形状结束。各叶片向外延伸，沿着螺旋形(或螺线形)方向远离该圆。在远离圆的一定距离处，螺线的半径增大，使得最近的叶片接近漏斗的形状。在推进器的远端(或起点)处，叶片的各结束部分围绕假想圆的周长彼此等距，并且与中心轴线等距。假想圆的中心与中心轴线共线，各叶片围绕该中心轴线布置。

在本发明的另一实施例中，一般而言，推进器包括多个叶片，这些叶片以圆的周长的形状结束。各叶片沿着螺旋形(或螺线形)方向围绕一个中心扭曲。在远离该中心的一定距离处，扭曲的半径使得叶片接近自身，而不接触相邻的叶片。在推进器的远端(或起点)处，叶片的各结束部分围绕假想圆的周长彼此等距，并且与中心轴线等距。假想圆的中心与中心轴线共线，各叶片围绕该中心轴线布置。各叶片的内缘总是接触中心轴线。

参考一个关于使用涡旋形推进器为风力涡轮机提供动力的实施例，该涡旋形推进器构造成捕获风流并引起围绕涡旋形推进器内部的无旋涡流。推进器的叶片的节距和扭曲构造成使冲角最优，与推进器相关联的叶片数量构造成使各叶片的升力以及总扫掠桨盘面积最优。在某种程度上，由于涡旋形推进器自身产生的空气流状态不同，与推进器构型相关联的冲角和升力与传统的推进器设计有显著的变化。在另一实施例中，涡旋形推进器可以附装到即使没有任何风或流体流动也能导致推进器旋转的设备(例如电机)。以这种方式，可以使用涡旋形推进器引起流体流动，以推动车辆或用于一些其它的适当的目的。

如上所述，推进器设备可以包括多个叶片，这些叶片一起布置成接近涡旋的形状。所述多个叶片中的每个的起点(开始位置)围绕假想圆的周长等距布置，其中，假想圆的中心与中心轴线共线。起点可以非常靠近假想圆地(几乎是0)侧向隔开，在涡旋的端部处基本上没有孔，或者它们可以与中心侧向隔开，以在涡旋的端部处产生大孔。在本发明的一方面中，使用从中心轴线向外延伸的侧向支承件将多个叶片固定到中心轴线。在另一方面中，叶片的一个边缘基本上接触中心轴线。

现在具体参考附图，根据本发明的一个实施例，图1至4公开了一种涡旋形推进器10。相信由创新性推进器设计引起的风的流动将使能量流更多地集中到中心或转子，而不是叶梢。随着叶片拉向中心，叶片构型使流动产生从抵抗到定向的自然转变。随着空气流向叶片中心，相信它将加速(由于伯努利定律)，由此增大靠近推进器10的内部的空气的速度。图1至4示出根据本发明的一个实施例的三叶片式构型。推进器10的各叶片5a、5b和5c包括围绕实体(实心)中心轴15的螺旋形或螺线形构型。在本发明的一方面中，叶片的螺旋形取向可以构造成对数螺线或阿基米德螺线。可以通过这样的事实来区分对数螺线和阿基米德螺线，即，对数螺线的回转之间的距离以几何级数增大，而在阿基米德螺线中，这些距离是常数。对数螺线有自相似性，因为它们在全部相似变换下自相一致(当旋转它们时，缩放它们得到相同的结果)。在不旋转的情况下，缩放因子e^2πb与原来一样。它们还在其自身的渐伸线、渐屈线和基于其中心的垂足线上一致。在本发明的一方面中，叶片构造成构成“黄金螺线”。黄金螺线是一种对数螺线，对于每90度的旋转，该对数螺线向外生长约1.618的因子(约17.03239度的节距)。如同适合具体目标那样，对数螺线和阿基米德螺线可以用于优化不同的风廓线和叶片取向设计。

尽管上文具体参考了对数螺线和阿基米德螺线，应当意识到，可以使用其它螺线构型。例如，关于本文描述的发明可以使用圆锥螺线、费马螺线、斐波那契螺线、双曲螺线或其它几何螺线。另外，在本发明的一个实施例中，推进器10的叶片关于中心轴15具有凸面或凹面的几何结构。相信在一些应用中，凸面或凹面几何结构将有助于优化旋转。

再参考图1至4，叶片5a、5b和5c沿着中心轴15纵向延伸，并且围绕中心轴15从推进器10的近侧端部20盘旋到推进器10的远侧端部25。叶片5a、5b、5c从处于同一近似圆形的平面中的位置开始。该圆的中心与推进器10的中心轴15共线。相信经过推进器10的空气将产生升力，该升力比传统的推进器设计更有效地作用在叶片5a、5b、5c上。

尽管参考的是具有三个叶片的推进器10，重要的是应注意，可以设想具有更多或更少叶片的其它构型。如上所述，叶片5a、5b、5c的数量、节距、扭曲和方向将根据期望的应用而改变。根据本发明的一个方面，叶片5a、5b、5c沿着中心轴15在不同位置处用刚性件30相互连接。多个底部刚性件31连接到中心轴15和三个叶片5a、5b、5c中的每个。刚性件30从中心轴15侧向向外延伸出，并且在位置7处在叶片宽度的中间附近集成到叶片的顶面6中。在本发明的一方面中，叶片5a、5b、5c定位成使得叶片5a、5b、5c的表面大体上与中心轴15平行。随着叶片5a、5b、5c围绕推进器10的中心轴15向上行进，叶片5a、5b、5c的方向从竖直方向(即基本上平行于中心轴15)变为基本上水平方向(即基本上垂直于中心轴15)。在本发明的一方面中，从竖直方向到水平方向过渡的有效部分发生在推进器10的底部部分。在另一方面中，过渡在推进器10的底部部分附近更加渐进，更加显著的过渡在推进器10的顶部发生。

尽管本文参考竖直和水平的叶片方向，在假设推进器10处于竖直或直立方向的情况下产生所述方向。也就是说，中心轴15基本上平行于重力的方向。尽管参考关于彼此和中心轴15描述叶片5a、5b、5c的形状，应当理解，在工作中，推进器10可以放置在总体水平的方向。也就是说，中心轴15基本上垂直于重力的方向。然而，应当在假设推进器10处于直立位置的情况下理解竖直和/或水平的叶片就位。

现在参考图5-8，公开了根据本发明的一个实施例的三叶片式构型。推进器100的各叶片50a、50b和50c包括围绕实体中心轴150的螺旋或螺线构型。在本发明的一方面中，叶片50a、50b、50c的螺旋形取向可以构造成对数螺线或阿基米德螺线。可以通过这样的事实来区分对数螺线和阿基米德螺线，即，对数螺线的回转之间的距离以几何级数增大，而在阿基米德螺线中，这些距离是常数。在图5-8所示的方面中，叶片50a、50b、50c的取向从推进器100的底部区域60处的接近竖直的方向过渡到推进器100的顶部区域65处的接近水平方向。在本发明的一方面中，该过渡率是对数式。叶片50a、50b、50c的内缘54接触中心杆或轴150，使得叶片50a、50b、50c的内缘54与中心杆或轴150之间没有空间。在本发明的一方面中，从内缘54向外部或外侧边缘55测量时，各叶片50a、50b、50c的底边51基本上是平面的。相信在一些方面中，杯形叶片降低了推进器100的总效率，导致推进器100“失速”。然而在其它方面中，如同适合具体应用那样，底边51可以是杯形的(例如见上图1-4)。

根据本发明的一个方面，一种竖直取向的推进器100包括中心杆150，该中心杆150以垂直于地表面并且垂直于流体F(例如风或水)的流动方向的位置取向。多个叶片50a、50b、50c从中心杆150散开，其中，所述多个叶片50a、50b、50c中的每个均包括外缘55和内缘54，其中，内缘54联接到中心杆150。在本发明的一方面中，外缘55的从叶片顶部到叶片底部的长度比内缘54的从叶片顶部到叶片底部测量的长度更长。这是由于叶片50a、50b、50c围绕中心杆150的内缘54和外缘55的转动速率(旋转率，turn rate)不同。在本发明的一方面中，所述多个叶片50a、50b、50c中的每个的外缘55均具有起点(起始位置)，该起点与中心杆150的底部部分150a共平面并且远离中心杆150地延伸一定距离。叶片的外缘55向上延伸，从而在周围以连续变化的距离增长速率(比率，rate)远离中心杆150地弯曲。然而，在另一方面中，叶片的外缘55向上延伸，从而在中心杆150周围以距中心杆150的距离的恒定增长速率弯曲。在一方面中，叶片的外缘55移动远离中心杆150的速率以几何速率变化。在另一方面中，叶片的外缘55移动远离中心杆150的速率以对数速率变化。在又一方面中，叶片的外缘55围绕中心杆150构成阿基米德螺线。另外，叶片的内缘54在中心杆150周围盘旋。在一方面中，叶片的内缘54围绕中心杆150的转动速率小于叶片的外缘55围绕中心杆150的转动速率。

根据本发明的一个方面，叶片50a、50b、50c中的每个包括叶片的内缘54附近的第一厚度和叶片的外缘55附近的第二厚度，其中，第一厚度小于第二厚度。中心杆150以垂直于地表面且垂直于流体流动方向F的位置取向。从中心杆150散开的多个叶片50a、50b、50c包括外缘55和内缘54，其中，内缘54直接附装到中心杆150的外表面。叶片的顶面62在叶片的表面62的起点61处基本上平行于中心杆150，在叶片的终点63处基本上垂直于中心杆150。换句话说，叶片50a、50b、50c的结束边缘63基本上垂直于中心杆150，叶片50a、50b、50c的起始边缘61基本上平行于中心杆150。另外，根据本发明的一个方面，叶片50的结束边缘63布置成低于叶片的相邻部分，该相邻部分在叶片的远端构成杯形。然而，在另一方面中，结束边缘63不布置成低于叶片的相邻边缘，叶片的远端基本上是平面的(即与地表面平行)。

在本发明的另一方面中，一个或多个通道布置在各叶片50a、50b、50c中，从叶片的起点61延伸到叶片的终点63。在一方面中，通道具有从叶片的总厚度的1/4至3/4变化的深度。因此，在叶片的厚度从叶片的内部部分到叶片的外部部分变化的方面中，通道的深度也将变化。然而在另一方面中，无论叶片的厚度的任何变化，通道的深度在整个叶片上是一致的。在另一方面中，通道在叶片本身中包括孔或通孔。

在本发明的另一方面中，相对的叶片之间的总体积随着叶片从起点61到终点63向上延伸而变化。也就是说，随着叶片50a、50b、50c开始盘旋和从基本上直立的方向转变到基本上水平的方向，相邻的叶片之间的体积变得更小。根据本发明的一个方面，相邻的叶片之间的体积比从2:1到5:1变化。也就是说，相邻的叶片之间在“开放区域”(例如推进器100的底部7/8至1/2)中的体积与相邻的叶片之间在“封闭区域”(例如推进器100的顶部1/8至1/2)中的体积之比从约2:1到5:1变化。

根据本发明的一个方面，推进器100联接到垂直轴风力涡轮机(VAWT)，其中，中心杆150被设置成横向于风(但是不必垂直地)，而主部件(例如发电机)位于涡轮机的基部。该布置允许发电机和变速箱靠近地面定位，有助于维修和修理。VAWT不需要指向风，这免去了对风感应和定向机构的需求。垂直轴风力涡轮机技术面临的一个挑战是叶片随着冲角的快速变化而动态失速。相信当前技术的方面使VAWT的动态失速最小化。尽管本文具体参考VAWT，应当理解，本文描述的技术的某些方面可以与水平风力涡轮机一起使用。在另一方面中，本发明的方面可以用作推进设备。也就是说，推进器可以联接到传动系并转动，以提供推力来为车辆提供动力。

现在参考图9-10，根据本发明的一个方面，公开了一种推进器200，该推进器200实际上包括推进器100及其关于一个平面的镜像的结合，该平面布置在推进器100的底部附近。也就是说，推进器200包括联接到中心轴215的多个叶片201a、201b、201c。叶片201在推进器的顶部部分202和底部部分203附近以“封闭”布置构成，这意味着相邻的叶片之间的区域比那些部分之间的区域更小。推进器关于推进器200的纵轴线的中部204是“开放”布置，这意味着相邻的叶片之间的区域比顶部和底部区段更大。根据一个方面，叶片的开放区域产生“杯形”区段，该区段意在聚集风并使推进器200转动。另外，根据一个方面，叶片201在推进器200的顶部202附近的终点210与同一叶片201在推进器的底部203附近的终点210垂直对齐。尽管本文使用术语“顶部”和“底部”，由于一个区段是另一区段的镜像，因此推进器可以垂直调换，而对其功能没有任何改变。

现在参考图11-13。根据本发明的一个方面，公开了一种推进器300。推进器300包括与推进器100相同的底部区段301。与推进器100不同，推进器300包括上部部分302，其中，多个叶片305的内缘与中心轴315分离。也就是说，底部区段301包括多个叶片305，该叶片305具有与中心轴或杆315保持直接接触的内缘。当叶片305到达上部部分(例如，推进器300的上部1/3)时，它们不再通过其内缘直接连接到该杆。相反，在一方面中，叶片305通过一个或多个从中心杆315侧向向外延伸出的刚性件308联接到该中心杆315。推进器300的上部部分302包括叶片305，该叶片305的内缘306以对数螺线的形式向外扩展远离中心杆315。同样，叶片的外缘307以对数螺线的形式向外扩展远离中心杆315。

根据本发明的一个方面，变速箱包括涡轮机“调节器”或限制推进器将转动的最高速度的设备，以使失速最小化。根据一个方面，调节器包括离合器或其它弹簧加载设备，当推进器达到超过预定阈值的旋转速度时，该离合器或其它弹簧加载设备摩擦接合推进器的中心轴。根据一个方面，弹簧加载设备联接到基于推进器的转动发电的涡轮机布置(例如定子和转子组件)。以这种方式，第一涡轮机用于从推进器的转动发电，第二涡轮机可以接合推进器，以使从推进器获得的可用能量最大化，同时限制其最大旋转速度。

上述详细说明参考具体示例实施例描述了本发明。然而，将意识到，在不背离随附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以进行多种修改和改变。该详细描述和附图将被认为仅是示意性的，而不是限制性的，所有这种修改或改变(如果有的话)意在属于如本文描述和阐述的本发明的范围。

更具体地，尽管本文已经描述了本发明的示意性示例实施例，本发明不局限于这些实施例，而包括具有如本领域技术人员将基于上述详细描述认识到的那样的修改、省略、组合(例如跨越多个实施例的方面的组合)、改装和/或改变的任何和全部实施例。权利要求中的限制将基于权利要求中所使用的语言被广义地解释，而不局限于在上文的详细描述中或在该申请的审查期间描述的示例，该示例将被解释成非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”是非排他性的，其中，它意在意味着“优选地，但不局限于”。在任何方法或过程中陈述的任何步骤可以按照任何顺序执行，而不局限于权利要求中所呈现的顺序。使用手段加功能或步骤加功能限制将仅用于具体的权利要求限制，在该限制中具有下列全部条件：a)明确陈述“用于……的手段”或“用于……的步骤”；和b)明确陈述相应的功能。本文的描述明确陈述了支持手段加功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围应当仅通过随附权利要求及其法律等同方案而不是通过上文给出的描述和示例进行确定。

Claims

1.一种竖直取向的推进器，包括：

中心杆，该中心杆以垂直于地表面并且垂直于流体的流动方向的位置取向；

从该中心杆散发出的多个叶片，其中，所述多个叶片中的每一个均包括外缘和内缘，其中，该内缘联接到该中心杆；和

其中，所述多个叶片中的每一个的外缘的长度大于内缘的长度。

2.根据权利要求1所述的推进器，其中，所述多个叶片中的每一个的外缘具有起始位置，该起始位置与中心杆的底部部分共面并且延伸成远离该中心杆一定距离。

3.根据权利要求2所述的推进器，其中，所述叶片的外缘向上延伸，从而在周围以连续变化的距离增长速率远离该中心杆弯曲。

4.根据权利要求2所述的推进器，其中，所述叶片的外缘向上延伸，从而在中心杆周围以恒定的距离增长速率远离该中心杆弯曲。

5.根据权利要求3所述的推进器，其中，所述叶片的外缘移动远离中心杆的速率以几何速率变化。

6.根据权利要求3所述的推进器，其中，所述叶片的外缘移动远离中心杆的速率以对数速率变化。

7.根据权利要求3所述的推进器，其中，所述叶片的外缘围绕中心杆形成阿基米德螺线。

8.根据权利要求1所述的推进器，其中，所述叶片中的每一个均包括叶片的内缘附近的第一厚度和叶片的外缘附近的第二厚度。

9.根据权利要求8所述的推进器，其中，该第一厚度小于该第二厚度。

10.根据权利要求3所述的推进器，其中，所述叶片的内缘围绕中心杆成螺旋形。

11.根据权利要求10所述的推进器，其中，所述叶片的内缘围绕中心杆的转动速率小于所述叶片的外缘围绕中心杆的转动速率。

12.一种竖直取向的推进器，包括：

从该中心杆散发出的多个叶片，其中，所述多个叶片中的每一个均包括外缘和内缘，其中，该内缘直接附装到该中心杆的外表面；和

其中，该叶片的顶面在该叶片的起点处基本上平行于该中心杆，并且在该叶片的终点处基本上垂直于该中心杆。

13.根据权利要求12所述的推进器，其中，该叶片的外缘向上延伸，从而在中心杆周围以连续变化的距离增长速率远离该中心杆弯曲，同时平行于该中心杆移动。

14.根据权利要求12所述的推进器，其中，该叶片的外缘向上延伸，从而在周围以连续变化的距离增长速率远离该中心杆弯曲。

15.根据权利要求13所述的推进器，其中，该叶片的内缘在中心杆周围以与外缘的弯曲方向相同的方向弯曲。

16.根据权利要求15所述的推进器，其中，该叶片的内缘围绕中心杆的转动速率小于该叶片的外缘围绕中心杆的转动速率。

17.一种竖直取向的推进器，包括：

从中心杆散发出的多个叶片，其中，所述多个叶片中的每一个均包括外缘和内缘，其中，该内缘直接附装到中心杆的外表面；

其中，所述叶片的外缘向上延伸从而在中心杆周围弯曲，其中，所述叶片的内缘向上延伸从而在中心杆周围弯曲；和

其中，所述叶片的内缘围绕中心杆的转动速率小于所述叶片的外缘围绕中心杆的转动速率。

18.根据权利要求17所述的推进器，其中，每个叶片的内缘的长度包括第一长度，叶片的外缘的长度包括第二长度，其中，该第二长度短于该第一长度。

19.根据权利要求18所述的推进器，其中，每个叶片的结束边缘基本上平行于中心轴，每个叶片的起始边缘基本上垂直于该中心轴。

20.根据权利要求18所述的推进器，还包括发电机，该发电机附装到该推进器并且直接定位在该推进器的下面。