CN1780985A - 自调节的闭式风轮机 - Google Patents

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弗朗西斯·G·L·普兰
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Abstract

本发明涉及一种风轮机，其相对于一个竖直旋转轴线(2)可枢转地安装以至于朝向风(V)，并且该风轮机包括一个螺旋桨、一个与螺旋桨协同作用以提供电能的交流发电机(12)和一个相对较短的扩散式圆形罩(1)，其中螺旋桨由风驱动并且配备有由具有水平轴的毂(10)支承的叶片(11)，罩(1)同轴安装在毂(10)上并且环绕叶片(11)。本发明的风轮机的特征在于旋转轴线(2)在所述风的方向上位于由轴向风(V)在罩(1)上产生的气动力合力(Frd、Frg)的中心(Fc)的上游。

Description

自调节的闭式风轮机
技术领域
本发明涉及一种风轮机，其被安装为相对于一个竖直旋转轴线自由地枢转以允许其自然地自转向以至于面对着风，并且该风轮机包括一个由风驱动并且与交流发电机协同作用以提供电能的螺旋桨。
背景技术
长期以来，专家们一直探索利用风能，风能具有清洁，即不产生热或化学污染，同时又用之不竭的优点。
但是，这些优点很大程度上被众多缺陷所抵消，具体地说，这些缺陷涉及风的多变和间歇特性；另外，众所周知，风“场”占据很大的空间并且产生一定程度的噪声污染。
这些缺陷导致如下事实：近年来风轮机市场没有如预期的那样增长并且目前对于该领域的发展存在非常大的潜力。
更准确地说，目前使用的风轮机经常配备有具有径向叶片和水平轴的螺旋桨，所述螺旋桨与推进飞机的螺旋桨相似但是通常更大。
这种螺旋桨传统上与配备有升压齿轮的工业交流发电机或发电机协同作用，这使得它们沉重、昂贵并且并非很有效。
为了克服该缺陷，根据文献FR-2 793 528，已经提出一种风轮机，它配备有朝上游方向倾斜并且由一个具有很大直径的毂支承的螺旋叶片，并且一个相对较短的扩散式圆形整流罩同轴安装在毂上并且在其端部附近环绕叶片。
在这种风轮机中，空气流通过一个由毂和整流罩构成的扩散装置引导。
整流罩为扩散形，这允许在叶片的垂直方向获得额外速度并且增加所传递的能量。
此外，倾斜叶片比具有相同有效直径的径向叶片更长，并且在其整个长度上起作用，而在端部没有气动损失，这再次增加了效率。
在更重载的使用情况下，该风轮机对于相同的功率水平占据更少的空间并且比传统风轮机噪声小。
具体地说，这些优点是因为一种整流罩的存在而获得，该整流罩优选地由一个圆边前缘、随后的厚整流罩和薄扩散形后缘构成。
该整流罩允许消除产生噪声的紊流的出现并且与毂结合形成一种会聚/扩散性扩散装置，该装置允许为其最窄截面中的空气流获得最佳加速状态并因此获得叶片的最佳旋转驱动。
当然，像安装在竖直柱上的所有风轮机一样，这种风轮机必须总是定向为面对着风；因此，它们取决于定向部件。
作为示例，这些部件由“偏转(yaw)”电机构成，这些电机通过指示风轮机旋转方向的“偏转传感器”和适当的控制装置允许风轮机根据风而定向。
这种定向部件笨重并且相对复杂，因此容易出现故障，特别是在具有很大跨距的风轮机中。
这些部件也是那种可能引起传递能量的电缆缠绕在一起的危险的类型。
为了克服这些缺陷，已经有人提出将风轮机的叶片朝风的方向安装在毂的下游部分，或者将尾翼安装于其上，该尾翼允许其在所有情况下保持定向为面对着风，而不使用机械定向部件。
但是，这种结构不能用于所有风轮机，特别是对于大型风轮机。
发明内容
本发明的目的是提出一种允许克服该问题的自转向风轮机。
为了设计这种风轮机，已经设想到使用整流罩作为尾翼。
因此，假使配备有扩散形整流罩，根据本发明的自转向风轮机可以为任何类型并且具有小、中或大的跨距。
根据本发明，该风轮机被安装为相对于一个竖直旋转轴线枢转以允许其定向为面对着风，并且包括一个螺旋桨和一个与螺旋桨协同作用以提供电能的交流发电机，该螺旋桨由风驱动并且配备有由具有水平轴的毂支承的叶片，并且一个相对较短的扩散式圆形整流罩同轴安装在毂上并且环绕叶片。
该风轮机的特征在于其旋转轴线沿着所述风向位于由轴向风在整流罩上产生的气动力合力的中心的上游。
但是，当风能过大时，这种自转向风轮机可能具有超速运行的危险并因此危及其结构的各个部件。
在非自转向的闭式风轮机中已经遇到该问题。
为了克服该问题，已经有人提出在存在强风的情况下将可以使整个风轮机，包括整流罩枢转的那种系统安装到风轮机上。
但是，这种系统不仅笨重而且昂贵。
另一种可能性存在于在叶片下游提供制动部件。但是，这种系统实际上难以实现。
根据本发明的一个优选特征，可以通过将允许叶片方向相对于风而改变的部件连接到风轮机的毂上而克服该问题。
因此，在存在强风的情况下，可以相对于风而“移去”叶片。
这种允许叶片以可变斜度设置的部件在航空领域为人公知。
利用它们对根据本发明的自转向闭式风轮机的适应性，风轮机可实现在高风速下以良好的方式工作。
附图说明
下面将结合附图说明根据本发明的风轮机特别有利的结构，其中：
-图1是根据本发明的风轮机通过一个竖直平面的示意性截面；
-图2是根据本发明的风轮机通过整流罩水平中心平面的一个示意性截面，定向为面对着风V；
-图3是与图2对应的一个示意性截面，但是其中风轮机相对于风V以倾斜方式定向。
具体实施方式
根据图1，风轮机配备有一个毂10和一个扩散式圆形整流罩1，该毂具有水平轴线xx’并且配备有叶片11和一个交流发电机12，整流罩通过支承臂13同轴安装在毂10上并且环绕叶片11。
该风轮机被安装为通过枢轴14在一个竖直柱2上枢转，该柱在图2和3中用一个圆表示。
整流罩1具有特定的空气动力学轮廓，该轮廓由圆边前缘3以及随后的顶面/底面4和扩散形后缘5限定。
根据图2，如果整流罩1的任何横截面被认为通过一个径向平面，那么内弦C相对较短，而平均半径R基本上与叶片11的长度一致。
弦C和整流罩1的轴线x-x’的角度为5至30°。
在各径向平面内，空气流在整流罩1内的加速度产生一个力Fr，该力可以分解成两个力，其中一个是作为分力的提升力Fp，而另一个是作为分力的拉力Ft。
由风V产生的全部气动力的合力Frtotal可以简化为两个力，即一个位于整流罩1右侧的合力Frd和一个位于整流罩1左侧的合力Frg。
根据图2，风V相对于右侧弦C的迎角等于风相对于左侧弦C的迎角，因此，合力Frd的值等于合力Frg的值。
这两个力的中心Fc位于风轮机的旋转轴线2下游与该轴线距离为d的位置。
因此，风轮机因为合力Frtotal指向轴线xx’的事实而稳定地面对着风。
根据图3，如果风V改变方向，其相对于右侧和左侧弦C的迎角变得不同。
因此，合力Frd的值不再等于合力Frg的值。
因此，在中心Fc区域内，合力Frtotal产生一个力矩，该力矩具有使系统返回到平衡状态，即面对着风的趋势。
根据图1，这种结构因此允许整流罩被用作尾翼以允许风轮机自转向以至于面对着风。
应该注意到，中心Fc和风轮机的旋转轴线2之间的距离d，并且因此该旋转轴线的位置，在系统的瞬时动力学中起着重要作用：距离d越大，对风向变化的响应时间就越短。
但是，当选择风轮机的旋转轴线2的位置时，必须考虑各种因素，具体地说：
-基于初始生产阈值的自转向响应时间，
-基于必须大于旋转轴线阻力矩的初始生产阈值的气动力矩，
-由返回到竖直旋转轴线的机器的重量产生的力矩，
-定向顶部上的机械应力，
-经济性和美学限制。

Claims (2)

1、一种风轮机，其被安装为相对于一个竖直旋转轴线(2)枢转以允许其定向为面对着风(V)，并且所述风轮机包括一个螺旋桨和一个与螺旋桨协同作用以提供电能的交流发电机(12)，该螺旋桨由风驱动并且配备有由具有水平轴的毂(10)支承的叶片(11)，并且一个相对较短的扩散式圆形整流罩(1)同轴安装在毂(10)上并且环绕叶片(11)，其特征在于：
旋转轴线(2)沿着所述风向位于由轴向风(V)在整流罩(1)上产生的气动力合力(Frd、Frg)的中心(Fc)的上游。
2、根据权利要求1所述的风轮机，其特征在于：
毂(10)设置有允许叶片(11)的方向相对于风而改变的部件。
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