CN116134222A - 改进的卧式风力涡轮机 - Google Patents

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CN116134222A CN202180056771.0A CN202180056771A CN116134222A CN 116134222 A CN116134222 A CN 116134222A CN 202180056771 A CN202180056771 A CN 202180056771A CN 116134222 A CN116134222 A CN 116134222A
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Abstract

本发明涉及风能。风力涡轮机包括水平轴涡轮机转子、发电机，该水平轴涡轮机转子安装在涡轮机转子轴上。该涡轮机包括与该涡轮机转子轴同轴安装的“中空中心”部分。该涡轮机转子包括一组叶片和支撑杆。该叶片安装在“中空中心”部分的外边缘上并且可以向上或向下成角度。该涡轮机使用由风力涡轮机转子轴驱动的风扇，使气流加速通过其“中空中心”部分，该风力涡轮机转子轴通过风力涡轮机转子而转动。因此，与具有相同涡轮机转子直径的基于升力的传统水平轴风力涡轮机相比，本发明通过以更高的性能系数从气流中提取更多动能并且将该动能转换为电能，提供了更高的性能效率。

Description

改进的卧式风力涡轮机
技术领域
本发明涉及风能并且可以用于收集风动能并将风动能转化为电力。分组：F03D,F03D 1/00(其他可能适用)。
背景技术
基于不同能量提取概念的风力涡轮机有着许多不同类型，但通常分为两类，即基于升力的和基于阻力的。卧式风力涡轮机(水平轴风力涡轮机(HAWT))是最常见的基于升力的拓扑结构。该结构通过在其叶片上产生升力并将旋转机械能转化为电能来捕获风的动能。
传统卧式风力涡轮机包括涡轮机转子、转子偏航机构和塔架，该涡轮机转子的叶片逆风垂直安装在涡轮机转子轴上，该涡轮机转子轴通过齿轮箱(倍增器，即用于将低速进入的旋转转换为适合发电的高速旋转的组件)与发电机连接，该转子偏航机构用于根据风向使转子旋转，所有组件安装在塔架的顶部上。涡轮机转子的中心通常用于机舱，该机舱用作倍增器、发电机、发电机转子轴和涡轮机转子轴的外壳，并且将塔架与转子连接。机舱存在于转子中心对风力涡轮机的性能没有太多助益，因为中心的叶片旋转速度很低。
发明内容
本风力涡轮机通过实施机械设计特征提高了将风动能转换成电能的效率，这些机械设计特征通过使用“中空中心”部分和安装在距旋转轴线(转子轴)一定距离处的叶片来利用卷吸效应，以便允许气流以不间断(原始)速度或加速的速度(借助于喷气风扇或使用其他方法)穿过，从而在风力涡轮机后面形成更高速的空气射流。而且，通过使用独特的叶片配置(叶片与旋转平面成角度)，可以进一步提高效率。
发明内容用于以简化的形式对本发明的思想进行介绍，这在下面的具体实施方式中进一步公开。发明内容既非旨在指出所要求保护的本发明目的的基本特征，也非旨在用于限制本发明范围的目的。
技术问题
空气动力学特征显然是风力涡轮机性能效率的一个非常重要的方面，因此总是有目标要对其进行改进。
此外，基于升力的风力涡轮机的设计应当集中于完全利用转速来产生升力，但不要阻塞进入的气流。因此，本发明的目的是创建一种基于升力的水平轴风力涡轮机，与具有相同涡轮机转子直径的基于升力的传统水平轴风力涡轮机相比，本发明的设计将通过以更高的性能系数从气流中提取更多的动能并且将该动能转换为电能，提供更高的性能效率。
问题解决方案
以上问题通过以下方式解决：提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括涡轮机转子(一组叶片)，该涡轮机转子在转子的外半径处(从0.75R到1R的任何位置)具有工作区域(可以产生升力)，该涡轮机转子具有水平旋转轴线并且借助于支撑杆安装在涡轮机转子轴上，该风力涡轮机通过使用“中空中心”部分和安装在距中心旋转轴线(转子轴)一定距离的叶片来利用卷吸效应，以便允许气流以不间断(原始)速度或加速的速度(借助于喷气风扇或使用其他方法)穿过，从而在风力涡轮机后面形成更高速的空气射流。
“中空中心”部分可以“按原样”起作用，或者可以通过扩散器增强或与机械或电动驱动风扇(或喷气风扇)一起使用，以便从通过外部风力涡轮机转子叶片捕获的动力中产生更高速的空气射流(气流)。
涡轮机转子叶片以任何方式(举例来说，带有轮辋基座的支撑杆或辐条)与涡轮机转子轴连接，并且定位在“中空中心”部分的外边缘处。它们(叶片)可以与该外边缘重叠或者远离“中空中心”部分坐落在转子轴上(而不是在单一旋转平面中)。上述叶片也可以从旋转平面逆风或顺风成角度，以便进一步提高上述风力涡轮机的性能。
上述风力涡轮机的发电机被配置为由风力涡轮机转子直接驱动(以风力涡轮机转子轴的速度)，或者通过使用具有可被固定的机械或电磁连接的倍增器、或者使用飞轮或与风力涡轮机转子连接的其他装置进行驱动。
发明有益效果
所提出的风力涡轮机的特征在于其包括“中空中心”部分，该中空中心部分允许空气以原始风速不间断地流过旋转叶片的中心，或者允许空气在涡轮机转子叶片(尾流)后面加速到比原始风速更高的速度。
以上所述产生“卷吸效应”，即移动速度更快的气流在涡轮机转子后面产生较低压区域(根据伯努利定律)，使气流加快通过涡轮机转子并使湍流空气更加远离。
由于升力取决于空气流动的表面积，因此将涡轮机转子叶片定位成与旋转平面成一定角度(顺风或逆风成角度)，进而使得可以使用保持相同外部涡轮机转子直径的更长叶片，并从而产生相对较高的升力。
因此，与基于升力的传统水平轴风力涡轮机相比，通过减少对进入气流的阻塞并增加升力，可以实现更高的性能效率。
附图说明
通过示出风力涡轮机的优选实施例的附图，对本发明进行更详细的说明：
图1是所要求保护的风力涡轮机的优选实施例之一在纵向剖面上的示意图；
图2是所要求保护的风力涡轮机另一个优选实施例在纵向剖面上的示意图；
图3是所要求保护的风力涡轮机的优选实施例之一在纵向剖面上与传统风力涡轮机的对比示意图；
图4是传统风力涡轮机和所要求保护的风力涡轮机的叶片转速的对比示意图；
图5是所要求保护的风力涡轮机的另一个优选实施例的示意图；
图6是所要求保护的风力涡轮机的另一个优选实施例的示意图；并且
图7是所要求保护的风力涡轮机的优选实施例之一的局部剖视图。通过示出风力涡轮机的优选实施例的附图，对本发明进行更详细的说明：
具体实施方式
应当明确的是，扩散器包括入口和出口，其中入口的直径小于出口的直径。还应当明确的是，与涡轮机转子轴同轴安装的扩散器具有逆风朝向的入口。
应当明确的是，术语“成角度”描述了叶片与旋转平面并且与进入气流方向所成角度的方向，其中进入气流朝向风力涡轮机构造的前部。
应当明确的是，术语风力涡轮机的“前部”用于该构造朝向进入气流的一侧。
在本发明的优选实施例中，涡轮机转子叶片以固定角度或可调角度设置。处于角度调整的目的，涡轮机转子叶片可以借助于接头安装在支撑杆的顶部。调整角度有助于将升力系数保持的其最佳水平。
在本发明的优选实施例中，涡轮机包括倍增器，并且发电机被配置为由涡轮机转子经由涡轮机转子轴、倍增器和发电机转子轴来驱动。
应当明确的是，术语“倍增器”用于“倍增齿轮”，该倍增齿轮将风力涡轮机转子的缓慢旋转转变为更适合有效发电的发电机转子的更快旋转。在本发明的优选实施例中，倍增器是电动的或机械的。然而，应当明确的是，本发明的实施例可以为其中使用不同类型的发电机，例如，适合于较慢转速输入的发电机，因此该发电机直接从涡轮机转子轴驱动，两者之间没有倍增器。
在本发明的优选实施例之一中，涡轮机包括内部具有发电机的机械空气风扇(用于使气流加速的一组叶片)，该机械空气风扇安装在“中空中心”部分内，但距风力涡轮机转子叶片的旋转平面一定的距离，该机械空气风扇尽管与风力涡轮机转子叶片位于同一轴上，但经由飞轮连接，从而允许在存在旋转能量时利用风力涡轮机的旋转能量，但以其他方式自由旋转(保持动量)。
(喷气)风扇通过产生更高的气流速度流，从而在风力涡轮机转子后面形成较低压区域，因此使气流加快通过风力涡轮机转子，有助于增加“卷吸效应”。
支撑杆(或辐条)也可继而用于在流出的高速气流射流中形成图案。
应当明确的是，本发明的实施例可以为其中喷气风扇经由单独的轴、而不是发电机转子轴驱动，或者通过在内径(上述“中空中心”部分)内部使用不同配置的风扇转子叶片而驱动。
在本发明的优选实施例之一中，发电机包括内置于叶片支撑轮辋(也可以用作扩散器主体)中的发电机。
在另一个优选实施例中，使用不同类型的包括单独外壳的发电机。
应当明确的是，根据具体实施例，所有组件(涡轮机转子、倍增器、发电机、扩散器、涡轮机转子轴、发电机转子轴和风扇)可以以不同的方式配置并且甚至可以分成两个单独的平面，但仍协同工作，以便实现更高的效率。
应当明确的是，根据具体实施例，所有组件(涡轮机转子、倍增器、发电机、扩散器、涡轮机转子轴、发电机转子轴和风扇)可以安装在塔架的顶部上，然而，实施例可以为其中例如发电机和倍增器与其他组件分开、安装在塔架的底部并且经由附加的齿轮和轴从风力涡轮机转子受驱动。
在本发明的优选实施例之一中，涡轮机包括机舱，该机舱以一定的间隙安装在扩散器内部并且至少用作发电机转子轴和涡轮机转子轴的外壳。应当明确的是，根据具体实施例，倍增器和发电机也可以安装在机舱内。
本发明的各个方面将参考附图进一步公开，这些附图是本发明实施例的非限制性示例。
图1示出了所要求保护的风力涡轮机(1)的优选实施例之一的纵向剖面。如从图中可见，所要求保护的风力涡轮机(1)包括涡轮机(1)的转子(2)、发电机(4)、“中空中心”部分(5)，该转子具有水平旋转轴并且安装在涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)上，该“中空中心”部分与涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)同轴安装，该涡轮机(1)的转子(2)包括一组叶片(6)和支撑杆(7)，该叶片(6)借助于支撑杆(7)安装在涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)上、定位在扩散器(5)后部的外边缘处并且顺风成角度。该涡轮机(1)还包括倍增器(8)，并且发电机(4)被配置为由涡轮机(1)的转子(2)经由涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)、倍增器(8)和发电机(4)的转子轴(9)驱动。涡轮机(1)还包括喷气风扇(10)，该喷气风扇安装在扩散器(5)内部并且被配置为由涡轮机(1)的转子(2)经由涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)、倍增器(8)和发电机(4)的转子轴(9)驱动。发电机(4)的定子(未示出)内置于扩散器(5)中，并且发电机(4)的转子(未示出)内置于喷气风扇(10)中。涡轮机(1)包括机舱(11)，该机舱以一定间隙安装在扩散器(5)内部并且用作发电机(4)的转子轴(9)、涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)和倍增器(8)的外壳。涡轮机(1)包括塔架(12)，所有组件安装在塔架的顶部。叶片(6)以可调角度设置，并且箭头示出了角度调整的方向。因此，应当明确的是，该图示出了两个叶片(6)的两个位置。
图2示出了所要求保护的风力涡轮机(1)的另一个优选实施例的纵向剖面，该实施例与图1所示实施例中使用的发电机类型不同。在该具体实施例中，直接驱动发电机(13)被实施于扩散器(5)的外壳中而不是机舱(11)中。
需要注意的是，尖端速度比(TSR)通常意指叶片尖端的旋转速度高于进入风的速度，因此旋转速度对风力涡轮机的整体性能的助益比叶片上的直接风压更大。进入空气的速度和旋转速度产生“视风”，其迎角从旋转中心到叶片尖端发生变化。
图3示出了所要求保护的风力涡轮机(1)的优选实施例之一与传统风力涡轮机(14)在纵向剖面上的对比视图。传统风力涡轮机(14)包括风力涡轮机(14)的转子(15)，其中叶片(16)一般垂直于风力涡轮机(14)的转子(15)的轴(17)。可以看出，在传统风力涡轮机(14)中，中心用于机舱(18)，因为叶片(16)的旋转速度在此处很低并且对其性能没有较大助益。与具有相同直径的传统风力涡轮机(14)相比，所提出的风力涡轮机(1)具有叶片(6)，该叶片借助于支撑杆(7)安装在涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)上、以距中心更远的距离定位在扩散器(5)的后部的外边缘处并且顺风成角度。可以看出，风力涡轮机(1)和(14)具有相同的转子直径，同时具有不同的叶片长度，传统风力涡轮机(14)的叶片(16)的长度小于所要求保护的风力涡轮机(1)的叶片(6)的长度，这是通过将叶片(6)定位成与旋转平面成角度(在该示例中为顺风成角度)来完成的。因为尖端速度比(TSR)保持不变，所以这允许更大面积的叶片在空气中更快地移动，并且使得能够使用更长的叶片，同时保持相同的每分钟转数(RPM)。调整迎角继而将升力系数保持在最佳水平。
图4示出了传统风力涡轮机和所要求保护的风力涡轮机的叶片旋转速度在十个离散点的对比视图。在传统上，一个叶片安装在轮毂上并且另一个叶片(如所展示的)安装在支撑杆(未示出)上并且向后成角度。通过计算十个离散点的升力，可以看到升力得到显著改善。此外，由于升力7取决于空气流动的表面积，因此可以使用更长的叶片，同时保持相同的外转子直径，如在图中可见。
图5示出了在我们的原型机上测试的风力涡轮机(1)的另一个优选实施例的纵向剖面，该实施例与图1所示实施例在配置上不同。在该具体实施例中，发电机(13)被实施到用作风扇(10)(喷气风扇)的具有叶片(20)的第二转子(19)中，并且转子(2)的轴(3)经由飞轮(22)与转子(19)的轴(21)连接。
图6示出了所要求保护的风力涡轮机(1)的另一个优选实施例的纵向剖面，与图1所示实施例不同，该实施例为简化配置。在该具体实施例中，发电机(13)被放置在转子(2)和用作风扇(10)(喷气风扇)的具有转子(20)的第二转子(19)之间，并且两个转子(2、19)使用相同的转子(2)的轴(3)。
图7示出了所要求保护的风力涡轮机的优选实施例之一的不同视图。可以看出，扩散器(5)对气流进行分流：气流(23)穿过涡轮机(1)的转子(2)，而气流(24)穿过扩散器(5)并且由喷射风扇(10)加速。
在简化图示中，所要求保护的风力涡轮机1的操作如下。进入的气流经由“中空中心”部分(5)被分为两部分：气流(24)穿过中心(5)并且在转子(2)的叶片(6)后面加速到比原始风速更高的速度，在涡轮机(1)的转子(2)后面形成较低压区域，从而使穿过涡轮机(1)的转子(2)的另一股气流(23)加速，在其叶片(6)上产生升力。涡轮机(1)的转子(2)使涡轮机(1)的转子(2)的轴(3)旋转，该轴通过倍增器(8)(取决于实施例)和发电机(4)或(13)的转子轴(9)驱动发电机(4)或(13)。根据本发明的实施例，在涡轮机(1)运行期间调整涡轮机(1)的转子(2)的叶片(6)的倾斜角度，从而改变迎角并将升力系数保持在其最佳水平。
因此，所要求保护的本发明是一种基于升力的水平轴风力涡轮机，与具有相同涡轮机转子直径的基于升力的传统水平轴风力涡轮机相比，本发明的所述配置通过以更高的性能系数从气流中提取更多的动能并且将该动能转换为电能，提供了更高的性能效率。
应当考虑到，根据本发明的风力涡轮机不限于上述具体特征。相反，上述具体特征是作为本发明实施例的示例而公开的，并且其他等同特征可以涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：
涡轮机转子，所述涡轮机转子具有水平旋转轴线并且安装在涡轮机转子轴上；
发电机，所述发电机被配置为由所述涡轮机转子(直接或经由齿轮/倍增器或风扇转子轴)驱动；
其中所述涡轮机包括“中空中心”部分(对本设计至关重要)，所述“中空中心”部分可以“按原样”起作用或者与扩散器和/或(喷气)风扇一起工作，以便允许不间断或加速的气流穿过其中心，所述中空中心部分与所述涡轮机转子轴同轴安装，所述涡轮机转子包括一组叶片，所述叶片位于支撑杆(或者位于远离所述涡轮机转子轴而保持所述叶片的任何其他机械装置)上，其中所述叶片定位在所述涡轮机的所述“中空中心”部分的外边缘处(或者与所述外边缘重叠或者甚至远离具有所述外边缘的单一平面)，并且(所述叶片)可以成角度以便进一步提高性能。
2.根据权利要求1所述涡轮机，其中所述叶片以固定角度或可调角度设置。
3.根据权利要求1所述涡轮机，其中所述涡轮机可以具有倍增器，并且所述发电机被配置为由所述涡轮机转子经由所述涡轮机转子轴直接或通过所述倍增器和发电机转子轴而驱动。
4.根据权利要求1所述涡轮机，其中所述涡轮机包括(喷气)风扇，所述喷气风扇安装在所述“中空中心”部分内部(而并非一定与所述涡轮机转子的所述叶片位于同一平面上)，并且所述喷气风扇被配置为由所述涡轮机转子经由所述涡轮机转子轴直接或通过所述倍增器和发电机转子轴而驱动。
5.根据权利要求4所述涡轮机，其中所述发电机内置于叶片支撑轮辋(其可以是扩散器主体)或所述(喷气)风扇中。
6.根据权利要求3所述涡轮机，其中所述倍增器是电动的或机械的。
7.一种在风力涡轮机中使用“中空中心”部分用于实现不间断的气流或(利用风扇)使气流加速的方法，以便利用卷吸效应来改进风力涡轮机的性能。
8.一种在风力涡轮机中使用成角度的(扫掠)叶片的方法，所述成角度的扫掠叶片与传统直叶片(旋转平面)相反，所述方法可以进一步提高风力涡轮机的性能。
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