CN111279068A - 流能装置，特别是风轮机 - Google Patents

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Abstract

封闭式风力涡轮机具有壳体(10)，该壳体相对于纵轴(12)旋转对称并且具有翼型的横截面。径向上内侧(62)界定了流动通道(16)。相对于纵向轴线(12)旋转对称的导向元件(20)，沿流动方向(S)相反方向，在壳体(10)上突出一部分长度。螺旋桨(32)驱动布置在发电机壳体(40)中的发电机，用于产生电能。沿流动方向(S)观察时，螺旋桨至少大致位于导向元件的后缘(30)。它被风的主流冲击，也有侧流流过，就其本身而言，由于翼型轮廓(14)，在壳体(10)和导向元件(29)之间于导向元件(20)的下游产生负压，从而加速了主流。螺旋桨(32)也可以位于导向元件(20)的下游以实现纵向位置上可调。

Description

流能装置，特别是风轮机
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的特征的流能装置，尤其是一种封闭式风力涡轮机。
背景技术
例如从文献US 2010/0068052 A1中已知的一种封闭式风力涡轮机。它具有被涡轮机罩包围的叶轮，并具有喷射器罩，该涡轮机罩和/或喷射器罩具有可充气部分和/或柔性可充气区域。涡轮机护罩和/或喷射器护罩可以具有内部肋骨，内部肋骨的形状和长度可为改变所封闭式风力涡轮机的特性而发生变化。
文献WO 2014/136032 A1公开了一种封闭式风力涡轮机，其中螺旋桨位于由壳体形成的流动通道的最小内部宽度处。导向元件的导向元件前缘沿流体的流动方向布置在壳体的前缘的上游，导向元件的后缘沿流体的流动方向正好布置在壳体的前缘。
从文献US 2009/0087308 A2中知道另一种封闭式风力涡轮机。它具有一个空气动力学形状的涡轮机护罩，该涡轮机护罩具有一个进气口，一个定子叶片环，一个由与定子叶片成一直线的旋转叶片环组成的叶轮，和一个混合器/喷射泵，其通过快速混合涡轮机出口流与高能侧流来增加通过该叶片的空气流量。
此外，文献DE 30 49 791 A1还公开了一种封闭式风力涡轮机。
发明内容
本发明的目的是创造一种流能装置，特别是一种具有高效率和简单结构的封闭式风力涡轮机。
通过根据权利要求1的流能装置或封闭式风力涡轮机来实现该目的。
流能装置，特别是封闭式风力涡轮机，具有环形的，优选独立(self-contained)的壳体，该壳体相对于纵轴至少是大约旋转对称的，并且具有翼形横截面轮廓。壳体最好是刚性的，并且因此不可改变。
形成流能装置，特别是封闭式风力涡轮机外壳的壳体，以其相对于纵向轴线径向向内的上侧来界定驱动流能装置的流体的流动通道。当流能装置用作封闭式风力涡轮机时，由风驱动的空气形成流体。
流能装置，尤其是封闭式风力涡轮机，还具有环形的，优选独立的导向元件，该导向元件相对于纵轴至少大致旋转对称，并且其最大外径小于流动通道宽度的最小内径。导向元件的上游端，即导向元件的前缘，沿流体的流动方向布置在壳体前缘的上游，导向元件的下游端，即导向元件的后缘，布置在壳体的前缘的下游和流道的最小内部宽度的上游。导向元件因此部分位于流动通道内，部分位于流动通道外的上游。
流能装置，特别是封闭式风力涡轮机，还具有螺旋桨，该螺旋桨可绕纵轴旋转，且受到流体或风的冲击，并驱动发电机以产生电能。
从流动方向上看，螺旋桨至少大约位于导向元件后缘，优选地位于导向元件的下游端部，沿纵轴方向从导向元件后缘起测量的螺旋桨，延伸超过导向元件长度的四分之一，优选地超过五分之一。
从径向方向看，螺旋桨延伸至其自身与导向元件之间的间隙。因此，螺旋桨的直径最好至少近似等于导向元件的内部宽度。
此外，螺旋桨可以位于导向元件后缘的下游，但要位于流动通道的最小内部宽度的上游。
在这方面应该提到的是，最好存在用来设定螺旋桨的轴向位置的驱动元件。该实施例允许对不同风况的优化调整。
如果螺旋桨布置在导向元件的下游，则其直径优选地至少近似等于导向元件的内部宽度的大小。然而，在这种布置的情况下，可以选择更大的直径，以便也被侧流冲击。
在根据本发明的流能装置，尤其是封闭式风力涡轮机中，在壳体和导向元件之间产生侧流，由于壳体的翼型轮廓，该侧流在流动通道的最小内部宽度处产生负压，从而加速了冲击在螺旋桨上并流过由导向元件形成的主流道的主流。这造成高效率的结果。
优选地，在至少大约径向方向上从壳体向内突出的地方，具有支撑发电机壳体的支撑件。后者最好具有相对于纵向轴线至少近似旋转对称的至少近似水滴形的纵向截面。发电机布置在发电机壳体中，最好布置在其连接至支撑件的固定部分中。优选地，承载着螺旋桨、连接到发电机且与流动方向相反的轴在发电机壳体的固定部分上，位于轴上的前盖形成了发电机壳体的一部分，该前盖与轴并因此与螺旋桨一起旋转。
该实施例还有助于最小化阻力，以便创建最佳的流动条件。
优选地，与壳体邻接的支撑件的外部部分与纵向方向大致成直角并成一直线。优选地，在外部与发电机壳体之间，支撑件具有至少部分弯曲成S形的内部。优选地，支撑件具有与外部相邻且与流动方向相反的第一曲率，以及与发电机壳体相邻且相反的第二曲率，使得支撑件的径向内端再次与纵轴至少近似成直角延伸。优选地，支撑件在两个曲率之间以直线延伸，例如相对于纵向轴线成至少大约45°的角度。
此外，支撑件优选地还具有对称的轮廓，特别是对称的翼型轮廓，以最小化阻力。
优选地，导向元件由元件支撑件支撑，该元件支撑件从支撑件突出，与流动方向相反。优选地，这些元件支撑件以直线实现并且至少近似平行于纵轴对齐。它们因此沿着流动方向运行，从而使得阻力最低。
沿纵轴方向测量，导向元件的长度优选为沿纵轴方向测量的壳体长度的15％至30％。特别优选地，导向元件的长度优选为壳体长度的至少大约22％至24％。
沿纵向轴线方向测量，导向元件在壳体上，即相对于壳体的前缘，与流动方向相反地伸出其长度的30％至50％。特别优选地，该凸起至少约为40％。因此，优选地，导向元件的长度的50％至70％，特别优选地至少约60％位于由壳体形成的流动通道中。
导向元件的外径优选为流动通道的内部宽度的85％至96％，特别是至少约92％。这将使得侧流和主流最佳地分配。
关于流动通道的最小内部宽度，导向元件与流动方向相反地向上游偏移。优选地，导向元件或导向元件的后缘与流动通道的最小内部宽度之间的距离为壳体长度的20％至30％。特别优选地，该距离为至少大约23％至25％。
大量的仿真和测试表明，在上述条件下效率最佳。
优选地，壳体的翼型轮廓是双凸的，即，翼型轮廓的径向内侧和径向外侧下方都是凸形弯曲的。为了利用侧流产生最佳的负压，弧线相对于弦线，即前缘和后缘之间的直线段，优选在径向内侧延伸。弧线由翼型轮廓中最大可能圆的中点形成。
优选地，弦线通过下游侧上的直线段延伸而至少大致平行于纵轴，或者与纵轴围成锐角。该角度优选小于5°。该措施还促进了最佳流动条件。
应该提到的是，然而，弦线可以在下游方向上进一步远离纵向轴线移动，以便扩大出口。在这种情况下，弦线借助于在上游侧上的直线段延伸而与纵轴围成锐角，该锐角优选地小于10°，尤其是小于5°。
优选地，弧度为0.06至0.08，特别是至少约0.07。弧度应理解为是指弧线与弦线的最大偏差，该最大偏差通过除以弦线长度来获得。
轮廓厚度优选为0.19至0.3，特别是至少约0.22至0.24，特别是0.23。轮廓厚度应理解为是指在轮廓的上侧与轮廓的下侧之间的弧线上的最大可能的圆直径。它由最大可能的圆直径与弦线长度之比得出。
最大弧线的位置优选为0.3至0.45，特别是至少约0.36至0.38。最大弧线的位置是从前缘到外倾角线最大高度的点的距离。该距离由相对于弦线长度的距离给出。
在复杂模拟的基础上，还确定了根据上述规格的翼型轮廓，以使其最适合北纬中部的风况。
优选地，导向元件还具有翼型轮廓的横截面，该翼型轮廓最好同样是双凸的。同样在导向元件的情况下，弦线最好至少大致平行于纵向轴线。
优选地，转子的直径为2.5m至6m，特别是至少约3m。
附图说明
附图说明基于附图所示的实施例更详细地描述本发明。纯粹以示意图形式显示为：
图1设计为封闭式风力涡轮机的流能装置的透视图；
图2根据图1的封闭式风力涡轮机的正视图；
图3从后面看的立体图，其示出了根据图1和图2的封闭式风力涡轮机的固定部件；
图4图1至图3的封闭式风力风轮机的正视图；
图5沿着图4所示剖面线V-V的水平剖面中的图1至图4的封闭式风力风轮机的图；和
图6图5的放大细节图。
具体实施方式
在附图中示出的封闭式风力涡轮机具有壳体10，该壳体10形成为封闭式风力涡轮机的护罩。壳体10相对于封闭式风力涡轮机的纵向轴线12旋转对称。特别是从图5和图6可以看出，壳体10的横截面形成翼型轮廓14。
翼型轮廓的径向内上侧62及壳体10的径向内上侧界定了一个用于流体(在本例中是风)的流动通道16，其驱动封闭式风力涡轮机。
壳体10由，例如管状的，竖直支撑件18支撑，该竖直支撑件18可围绕竖直轴线旋转，以便相对于风向最佳地对准封闭式风力涡轮机。
封闭式风力涡轮机还具有独立的环形导向元件20，其相对于纵向轴线12旋转对称。导向元件的最大外径22(图6)小于流道16的最小内部宽度24。
导向元件20的上游端，即导向元件前缘26，相对于流动方向S布置在壳体10的前缘28的上游。导向元件20的下游端，即导向元件后缘30，相对于前缘28位于下游，但相对于最小内部宽度24位于上游。
壳体10和导向元件20因此限定了用于风的环形侧流通道31。
封闭式风力涡轮机具有螺旋桨32，该螺旋桨在示例性实施例中具有三个叶片，并且螺旋桨32被安装成可绕纵轴12旋转。沿流动方向S观察，螺旋桨32位于导向元件20的上游端区域中，该上游端区域从导向元件后缘30开始测量，延伸超过导向元件20的长度的20％。在所示实施例中，螺旋桨32因此受到流经由导向元件形成的主流动通道34的主流的冲击。
螺旋桨32沿径向方向延伸到导向元件20，其间隙在结构上尽可能小。
螺旋桨32驱动发电机36以产生电能。
为了完整起见，应该提到的是，沿纵轴12的方向看，螺旋桨32可以位于导向元件后缘30处，或者位于其下游，如图6所示，螺旋桨由虚线表示。然而，在该实施例的情况下，螺旋桨32也与导向元件后缘30相邻，并且位于流动通道16的最小内部宽度24的上游。
在所示的示例性实施例中，四个支撑件38从壳体10沿径向向内突出。它们具有对称翼型的横截面，并且在它们的径向内端处支撑着发电机壳体40。该发电机壳体40是水滴形的并且相对于纵向轴线12旋转对称。
支撑件38具有笔直的外部42，该笔直的外部42与纵向轴线12成直角，并且从外壳10大致延伸到外壳12与发电机外壳40之间的中点。邻接于外部42的内部44弯曲成S形。它与外部42相连，具有与流动方向S相反的第一曲率，并且与发电机壳体40相邻，具有相反的第二曲率。在这些曲率之间，内部是直的，具有相对于纵向轴线12大约45°的角度。
四个相互会聚的支座38，与水平面或垂直面成45°角，且支撑发电机机壳40的固定部分46，其中包括发电机36，还可能包括传动装置。与流动方向S相反，相对于该固定部分36突出的是轴48，螺旋桨32位于轴48上，并且轴48与纵轴12同心。发电机壳体40的上游部分由绕轴48旋转的轴盖50形成，因此与螺旋桨32一起旋转，有助于最佳的流动条件。
为完整起见，应该提到的是，电线从发电机36穿过至少一个支撑件38，然后从那里穿过壳体到达竖直支撑件18。一方面，这是为了传导产生的电能，另一方面，则是为了将控制或传感器信号传送到发电机或从发电机传送出去。
从每个支撑件38的外部42，沿流动相反方向S突出的是元件支撑件52，该元件支撑件的另一端连接到导向元件后缘30，以支撑固定的导向元件20。
还应该提到的是，螺旋桨32的轴向位置可以是可调节的。因此，可以提供驱动器53(优选地布置在发电机壳体40中)使螺旋桨32在其轴向位置上移动，最好是通过使发电机壳体40相对于支撑件38移位的方式。在这种情况下，支撑件38优选地相对于图中所示的位置向下游移动。
在所示的示例性实施例中，在纵向轴线12的方向上测量的导向元件的长度54是壳体10的长度56的23％。
在所示的示例性实施例中，导向元件22的外径是流动通道16的最小内部宽度24的92％。
沿纵向轴线12的方向测量，相对于壳体10的长度56，导向元件前缘26在壳体的前缘28的上游40％。此投影在图6中用58表示。
在所示的示例性实施例中，导向元件20到最小内部宽度24(导向元件后缘30与流动通道16)之间的距离60为壳体10的长度56的24％。
为完整起见，应该提到的是，导向元件20的横截面也是凸的，但是是细长的。换句话说，导向元件20的径向厚度相对于其长度54较小。
壳体10的横截面是双凸的；因此，轮廓的上侧62界定了流动通道16，轮廓径向外侧的下侧64也凸出弯曲。
壳体10的翼型件14的弧线66相对于弦线68在面向纵向轴线12的径向内侧。翼型件14因此具有比径向向外更明显的径向向内的弧度。
弦线68在直线段，即其下游延伸线和纵向轴线之间围成2°的小角度α。
弧度70为0.07，轮廓厚度72为0.23，最大弧度74的位置为0.37。
在所示的示例性实施例中，封闭式风力涡轮机的长度76比壳体10的长度56长大约10％。
封闭式风力涡轮机的长度76可以是例如2.4m，而壳体的长度56可以例如是2.2m。因此，壳体的外径78可以为4.4m，导向元件的外径为3.1m，转子的直径为3.0m。然而，封闭式风力涡轮机可以具有比这些更大或更小的尺寸设计。

Claims (17)

1.一种流能装置，特别是封闭式风力涡轮机，具有环形壳体(10)，所述环形壳体限定了纵轴(12)，并且相对于纵轴(12)至少大致旋转对称，并且具有翼型轮廓(14)的横截面，其径向上内侧(62)界定了用于流体的流道(16)，所述流道具有环形导向元件(20)，所述环形导向元件(20)相对于纵轴(12)至少大致旋转对称，其最大外径(22)小于流道(16)的最小内部宽度(24)，导向元件前缘(26)沿流体的流动方向(S)布置在壳体(10)的前缘(28)的上游，并且导向元件后缘(30)布置在前缘(28)的下游，且布置在流道(16)的最小内部宽度(24)的上游，并具有螺旋桨32，其布置在流动通道(16)中，可绕纵轴(12)旋转并被流体撞击，以驱动发电机(36)，沿流动方向(S)观察时，其至少大致位于导向元件的后缘(30)或导向元件(20)的下游。
2.根据权利要求1所述的流能装置，其特征在于，沿流动方向(S)观察时，所述螺旋桨(32)至少大致位于所述导向元件的后缘(30)处，并且螺旋桨的直径至少近似等于导向元件(20)的内部宽度。
3.根据权利要求2所述的流能装置，其特征在于，所述螺旋桨(32)位于所述导向元件(20)的下游端部，沿纵轴(12)的方向，从导向元件后缘(30)开始测量的螺旋桨(32)延伸长度超过导向元件(20)长度的四分之一，优选地超过五分之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的流能装置，其特征在于，具有从所述壳体(10)至少大致在径向方向上向内突出的支撑件(38)，其支撑发电机壳体(40)，其具有至少大致呈水滴形的纵向截面，该纵向截面相对于纵向轴线(12)至少大致旋转对称，并且在其中布置有发电机(36)和携带螺旋桨(32)的轴(48)，所述支撑件(38)最好具有对称的翼型轮廓。
5.根据权利要求4所述的流能装置，其特征在于，所述支撑件(38)具有至少近似竖直的外部(42)，所述外部(42)至少与所述纵向轴线(12)成直角延伸并邻接所述壳体(10)，并且在该外部42和发电机壳体(40)之间具有至少近似弯曲成S形的内部(44)。
6.根据权利要求4或5所述的流能装置，其特征在于，从所述支撑件(38)突出，与所述流动方向(S)相反并且至少大致平行于所述纵轴(12)的是支撑件(52)，其用于支撑导向元件(20)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的流能装置，其特征在于，沿所述纵轴(12)的方向上测量，所述导向元件(20)的长度(54)为壳体(10)长度的15％至30％，特别是至少约23％。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流能装置，其特征在于，沿所述纵轴(12)的方向上测量，所述导向元件(20)在壳体(10)上，沿与流动方向(S)相反方向突出其长度(54)的30％至50％，特别是至少约40％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的流能装置，其特征在于，所述导向元件(20)的外径(78)为流道(16)的最小内部宽度(24)的85％至96％，特别是至少约92％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流能装置，其特征在于，沿所述纵轴(12)的方向上测量，所述导向元件(20)与所述流道(16)的最小内部宽度(24)之间的距离(60)占壳体(10)的长度(56)的20％至30％，特别是至少约24％。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的流能装置，其特征在于，所述壳体(10)的翼型轮廓(14)是双凸的，其中所述弧线(66)在面向纵轴(12)的一侧相对于所述弦线(68)延伸。
12.根据权利要求11所述的流能装置，其特征在于，弦线(68)至少大致平行于纵轴(12)，或者由弦线(68)的向下延伸直线和纵轴12围成最好小于5°的锐角(α)。
13.根据权利要求11或12所述的流能装置，其特征在于，所述弧度(70)为0.06至0.08，特别是至少约0.07。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的流能装置，其特征在于，所述轮廓厚度(72)为0.19至0.30，特别是至少约0.23。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的流能装置，其特征在于，最大弧度(74)的位置为0.3至0.45，特别是至少约0.37。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的流能装置，其特征在于，所述导向元件(20)具有翼型的横截面。
17.根据权利要求16所述的流能装置，其特征在于，所述导向元件(20)的横截面是双凸的，并且所述导向元件(20)的弦线至少近似平行于所述纵轴(12)。
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