CN1788155B - 风轮机的转子和风轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于风轮机的转子，包括多个径向叶片和一个连接叶片外端的环形导流板扩散器。还公开包括该转子的风轮机，该风轮机包括适合于允许风轮机和转子绕垂直于旋转轴线的一个定向轴线旋转的机舱和安装装置，由此允许风轮机取决于风的情况而朝向最佳方向。本发明还公开卷收装置用以取决于风速改变朝向；还公开了风轮机系统，其包括风轮机驱动的发电机和用于提供功率输出的装置，功率输出连接到加热元件、适合于供应电能至地方或电网电力设施的电网连接换流器或孤立换流器、或者储能系统。还公开了控制从风轮机获得的能量水平的方法和一种风轮机，该风轮机包括用于降低由风轮机、塔和安装结构内的简谐共振引起的运行振动的装置。

Description

风轮机的转子和风轮机
技术领域
本发明涉及一种风轮机，更具体地说，涉及一种用于安装在屋顶并且用于加热系统(家用或商用)、储能系统、蓄电系统或者地方或全国电网的风轮机。
背景技术
英国政府在京都议定书中做出了到2010年降低CO2排放量至1/10的承诺，并且苏格兰行政部门已经设立了甚至更紧迫的环境目标。因此，最近已经侧重于可再生能源。能量需求分析显示英国每年能量需求的47％来自于建筑物，而它占英国CO2排放量的40％。本发明的技术将为超过33％的建筑物提供重大的经济效益并且差不多可以减少英国CO2排放量至13％。
尺寸适合于安装在屋顶以提供能量的现有风轮机仅仅设计用于平稳气流，随着建筑物上面和周围形成的压缩紊乱气流剧烈地振动，其产生噪声并且发电效率降低。
发明内容
本发明的一个目的是克服一个或多个上述问题。
根据本发明的第一方面，它提供了一种用于风轮机的转子，包括多个径向叶片和一个连接叶片外端的环形导流板扩散器。
优选的是，导流板扩散器从叶片的外端向下游延伸。叶片的外端可以在扩散器的前缘处或者靠近该处与扩散器相连。
优选的是，导流板扩散器从叶片的外端向外形成锥度，以形成一个基本上为截头圆锥体的扩散器，该截头圆锥体扩散器的旋转轴线基本上对准叶片的旋转轴线。
作为选择，导流板扩散器的至少一部分从叶片的外端向上游延伸，当从上游端延伸至下游端时，导流板扩散器径向向外形成锥度。
优选的是，导流板扩散器形成为阻止来自叶片的部分轴向和部分径向气流，当接触到导流板扩散器时所述气流变为周向。更优选的是，导流板扩散器的形状使得旋转时在叶片和扩散器组件的空气动力和声学特性方面存在综合的改进。
优选的是，在正常工作中导流板扩散器适合于阻止来自叶片外端的部分周向和部分径向气流，并且将所述气流转变为周向气流。
优选的是，叶片相对于一个垂直于转子旋转轴线的横向转子平面以某一角度倾斜。该倾斜角可以沿叶片的长度变化。
优选的是，各叶片的倾斜角在叶片的中间部分比叶片的外端大。优选的是，叶片在叶片的外端处基本上平行于横向转子平面。
根据本发明的第二方面，它提供了一种包括根据第一方面转子的风轮机。优选的是，该风轮机还包括一个适合于允许风轮机和转子绕垂直于旋转轴线的一个定向轴线旋转的机舱和安装装置。这允许风轮机取决于风的情况而朝向最佳方向。
优选的是，该风轮机还包括一个适合于在气流速度大于预定的气流速度时使转子绕定向轴线旋转以至于旋转轴线不平行于气流方向的卷收装置(furling means)。
优选的是，该卷收装置包括一个适合于在气流速度的第一低范围内不提供卷收并且在气流速度的第二高范围内提供不同程度卷收的非线性卷收装置。优选的是，该卷收装置包括至少两个向扩散器的下游延伸的尾鳍。优选的是，该卷收装置包括两个彼此相对直径设置的尾鳍，但是，倘若尾鳍的位置是平衡的，如果需要也可以设置更多尾鳍。
优选的是，一个尾鳍为铰链安装用于绕一个切向铰链线旋转的活动尾鳍。该活动尾鳍可以安装在一个安装悬臂上，并且铰链线可以设置在安装悬臂和机舱的连接点处以至于安装悬臂也旋转，或者设置在安装悬臂和活动尾鳍之间的连接处以至于仅仅活动尾鳍旋转，或者设置在沿安装悬臂长度的任何点处。
另外或作为选择，尾鳍可以在高风速下绕一个水平轴线旋转，导致一个尾鳍绕水平轴线折叠。
优选的是，该活动尾鳍通过偏压装置旋转偏压至一个静止位置，在该位置活动尾鳍的前缘比活动尾鳍的后缘更靠近转子的旋转轴线，以至于活动尾鳍与转子的旋转轴线形成一个静止攻角。偏压装置可以为非线性的。优选的是，偏压装置适合于保持活动尾鳍在静止位置直到气流速度达到预定的速度。优选的是，当气流速度增加超过预定速度时，该活动尾鳍旋转并且攻角减小。这在风轮机上产生非平衡气动负载，以至于风轮机绕其安装轴线旋转至一个卷收位置。
根据本发明的第三方面，它提供了一个根据第二方面的风轮机，包括用于降低由风轮机、塔和安装结构内的简谐共振引起的运行振动的装置。
优选的是，风轮机设置有一个机舱阻尼系统。根据本发明的机舱阻尼系统将有助于使发电机和风轮机中的振动与塔隔开。
优选的是，风轮机设置有用于在表面上安装风轮机的安装支架，该支架具有一种阻尼弹性材料和结构材料的夹层结构。
安装装置可以为任何横截面形状，但是通常为管形。优选的是，塔包括一个或多个柔性材料如橡胶的芯部，该芯部具有一些带有缩小直径并且不接触塔的内部径向表面的部分。这些具有缩小直径的部分与具有正常尺寸并且接触塔内部表面的部分交替。
这用于通过在能量到达安装支架之前消散在柔性芯部而吸收塔中的振动。该橡胶芯部因此通过吸收一定范围的振动频率而起作用控制系统的共振频率在风轮机驱动频率之外。通过改变各缩小直径部分的横截面形状和长度，系统可以转为从安装结构中去除一定范围的振动频率。
该夹层安装支架得益于安装装置芯部的设计并且抑制来自机舱的振动。机舱自身通过设计为消除剩余频率的衬套支撑发电机。这三个系统充当高/低通滤波器，此时唯一没有被减弱的频率是那些超过风轮机运行范围的频率。
附图说明
现在将参考附图说明本发明的实施例，其中：
图1a和1b显示了根据本发明的风轮机的两个实施例的示意图；
图2a和2b分别显示了根据图1a和1b的风轮机的转子和卷收装置的两个实施例的俯视图；
图3详细显示了根据本发明的卷收装置的一个悬臂的实施例；
图4显示了根据图3的悬臂与机舱的连接；
图5a和5b显示了悬臂末端和尾鳍的连接；
图6显示了用于根据本发明风轮机的安装装置的一个横截面视图，其中内部设置有一个振动阻尼芯部；
图7和8显示了根据图6的安装装置的一个横截面视图，作为振动阻尼芯部的可选实施例。
具体实施方式
在图1a和1b中显示了根据本发明的风轮机10、110的可能实施例。风轮机10、110包括一个具有芯部25、125的转子20、120和多个径向叶片30、130，径向叶片30、130从芯部25、125向叶片30、130的外端31延伸。转子包括一个连接到并且环绕转子叶片30、130的径向导流板21、121。转子20、120通过芯部25、125可旋转地固定到一个机舱41、141上。转子20、120可以绕旋转轴线26旋转。机舱41、141可旋转地安装在安装装置40的顶部。安装装置40允许风轮机10、110固定在一个支撑物(未示出)上面。而且，机舱41、141设置有一个卷收装置50、150。该卷收装置50、150包括第一悬臂51、151和第二悬臂52、152。悬臂51、151、52、152及其各自的端部设置有尾鳍53、153、54、154。
卷收装置50、150具有两个功能。第一个功能是保持转子20、120的旋转轴线26基本上平行于气流的瞬时方向。在图1中，气流通过箭头15示意性表示。卷收装置50、150的第二个功能是在风速超过风轮机的输出功率需要或者危及系统完整性时使转子20、120旋转离开风，从而保护风轮机10、110使其免受不可接受的高负载。卷收装置的结构和工作将在下面参考图2a、2b、3、4、5a和5b进行说明。
可以理解，虽然余下的说明涉及图1a的实施例，但是该说明同样适用于图1b的实施例。
如图1中所示，径向导流板21连接并且环绕风轮机叶片30。径向导流板21将在叶片末端附近形成微小的文丘里效应(venturieffect)，在这里所产生的气流速度增加对风轮机的功率输出具有最大的影响。这提高了风轮机10的整体效率，这一点将抵消重量上的微小增加和由导流板21的增加所引起的气动阻力。导流板也将沿转子叶片形成更好的层流。这非常重要，因为屋顶上的气流通常很紊乱。另一个优势在于如下事实：径向导流板21的存在将增加转子20的机械强度，允许各叶片30具有更有效的导流板截面。另一个优势在于：由于存在径向导流板21，包括气动涡流脱落的噪声得到消除或减小，从而使来自旋转风轮机转子叶片30的声音发射(噪声)减小。径向导流板21的存在还有助于减小紊乱气流通过转子平面的影响，并且这样也有助于减小声发射。
在图1中可以看到，叶片30的设计使得叶片30的外端31大体上垂直于旋转轴线26。
叶片的外端31连接在导流板21的前缘22附近。叶片30的数量可以变化。导流板21可以定位为相对于叶片30沿上游或下游方向延伸。
在图2中显示了根据图1的风轮机10的转子20和卷收装置50的俯视图。卷收装置50包括悬臂51、52，在它们的端部各设置有一个尾鳍53、54。气流15将在尾鳍53、54上施加一定压力。尾鳍将相对于气流15的方向平衡和稳定转子20的位置。当气流15的方向变化时，在尾鳍53、54上产生的压力也将变化。所产生的力将导致转子20旋转，以便保持气流15的方向与转子20的旋转轴线26大体上一致。在正常卷收过程中，导流板21的存在将减小由不平衡的叶片末端涡流脱落引起的振动。因为在卷收过程中导流板将用于使气流从叶片末端转移，因此这一点得以实现。
根据本发明的卷收装置50不仅维持转子20和气流15之间的最佳角度，另外还在超高风载过程中起保护风轮机20的作用。卷收装置50设计为当风速超过风轮机的输出功率需要或者风载危及转子20或其它风轮机部件的整体性时绕轴线42旋转风轮机(转子)20离开气流。如图2中所示，尾鳍53、54形成一基本上平行于风的方向指向风或背离风的楔。过大的风载将使尾鳍53、54相对于机舱41移动和/或旋转。优选的是，一个尾鳍不能移动或者只能受限制地移动，导致转子20绕轴线42卷收(或旋转)，而第二个尾鳍在高气流速度下继续旋转。这意味着，根据本发明的卷收装置50在中等风速下将保持转子20在稳定状态下并且相对于气流15成一个优选角度。为了保护其整体性，仅仅在超过某一预定风速之后，上述卷收装置50才会使转子20旋转离开风。
根据本发明的卷收装置50的结构导致卷收装置相对于风速非线性地作用。卷收装置50限制风轮机受阵风和湍流的影响程度。
微小的阵风不能使转子移动离开风。卷收装置50的安全功能将仅仅在高风速的环境下起作用以保护风轮机和各自的发电机。
如图2中所示，悬臂51和52沿转子20的下游方向从机舱延伸至尾鳍。各尾鳍53和54与转子20的外部尺寸基本上一致。根据本发明的卷收装置50的结构使得有可能获得紧凑的结构，并且并非必须在机舱41后面有自由空间。那意味着与现有风轮机相比该卷收系统的设计允许风轮机的总长度显著减小。
在图3和4中显示了悬臂51和各尾鳍53的第一实施例。箭头表示悬臂51相对于机舱41的运动。转子(未示出)旋转轴线26和尾鳍53之间的角度通过使用位于悬臂51根部的铰链60改变。如图4中所示，悬臂51通过一个盘簧61保持在关于轴线26的固定角度上。当尾鳍53上的风载足够大时，悬臂51和尾鳍53抵抗盘簧61的保持力而旋转，使得转子20上产生非平衡空气动力负载。该非平衡力将导致机舱绕其安装轴线42旋转(见图1)。应该注意到，图4中所示的盘簧61仅仅是出于举例的目的，任何类型的弹簧都可以用于铰链60中。
在图5a中显示了一个可选实施例，其中卷收鳍的旋转绕一个位于悬臂外端的铰链70发生。在另一个优选实施例中，铰链为一种弹簧铰链170，如图5b中所示。如图5中所示，尾鳍53在铰链70处的顺时针方向旋转受到一个端部挡块71限制。尾鳍53的逆时针方向旋转受到一个盘簧(未示出)或弹簧铰链170的作用限制。当气流15的速度增加到需要卷收的水平时，铰链70或弹簧铰链17中弹簧的保持力被克服，并且尾鳍53(或者在可选的优选实施例中的尾鳍154)将旋转。这使得转子上产生非平衡空气动力负载。该非平衡力将再次导致机舱绕其安装轴线42旋转，直到风轮机上的空气动力达到平衡。根据本发明的非线性卷收装置50将保持风轮机为迎风方向并且稳定，直到风速危及系统安全并且风轮机日益偏离风。因此，卷收装置50减小风轮机在阵风中的恒定偏离，否则将产生不希望的振动和风轮机叶片噪声。
可以理解，虽然在所述实施例中铰链特征位于悬臂51、52的末端，然而该铰链可以沿悬臂51、52设置在任何点。
另外，或作为选择，尾鳍53、54可以设置为沿它们的水平轴线折叠，由此导致不平衡。
因为导流板21的存在，保护风轮机所需的实际卷收角可以被限制。转子20的某一卷收将导致沿导流板21和/或叶片30的气动失速。失速一开始，气流15在转子20上的能量将降低。
在根据本发明的风轮机的正常运行中，由风轮机、塔架和安装结构内的简谐共振引起振动。这些来自于因为转子、发动机或其它风轮机部件在运行过程中的变形、空气动力引起的振动或机械引起的振动而产生的叶片不平衡。消除微型风轮机中的共振特别困难，因为它们在风轮机末端速度的很宽范围内运行。下述设计通过控制风轮机末端速度以至于它们保持外部固有共振频率并且通过新颖的吸振措施来减小运行振动。
在建筑结构上安装一个水平轴线的风轮机需要临界频率的阻尼和移动谐波超过系统运行频率。屋顶风轮机上的阻尼系统被集成到风轮机的安装装置和机舱的设计中。这些吸振系统一起工作以形成无噪运行的屋顶风轮机。
新颖的风轮机安装支架使用一种阻尼弹性材料和结构材料的夹层结构。
该安装装置塔包括一个创新性的芯部，通常为橡胶，该芯部具有一些带有缩小横截面积并且不接触安装装置内表面的部分和一些接触安装装置内表面的部分。这用于通过在能量到达安装支架之前消散在橡胶芯部而吸收安装装置中的振动。该橡胶芯部也起到使系统的共振频率超过风轮机驱动频率的作用。
在图6中以横截面显示了安装装置内部的一个可能的实施例。在该实施例中，安装装置横截面为管形。安装装置40包括一个中空芯部，其中存在一个圆柱形芯部元件90。该芯部元件90在其中间设置有一个中空部分91以允许元件，如电源线经由芯部元件90的内部通过。芯部元件90具有部分92，部分92的外径基本上与安装装置40的内径对应。这些部分与具有缩小直径并且不接触安装装置40内部径向表面的部分93交替。该夹层安装支架连同安装装置芯部的设计抑制系统中的振动。这些转动的主要来源是从风轮机传到建筑物的振动和障碍物周围的气动湍流，它们减小了功率输出但更重要的是缩短了风轮机的工作寿命。
在图7中以横截面显示了安装装置内部的一个可选实施例。
安装装置40的中空芯部设置有一个芯部元件94。该芯部元件94在其中间设置有一个中空部分91。芯部元件94设置有外径基本上对应于安装装置40内径的部分92。这些部分与具有缩小直径并且不接触安装装置40内部径向表面的部分93交替。当对比图6和7时，很清楚，各芯部元件90和94中的凹槽的形状不同。应该注意到，图6和7仅仅出于举例说明的目的。也可以采用芯部元件的可选实施例。
图8显示了安装装置40内部的另一个实施例。如图8中所示，安装装置40的内部包括多个插入安装装置中的芯部元件95，其中第一元件95紧靠相邻的元件95。在图8的实例中，各元件95中凹槽的形状又不同于根据图6和7的实施例。
在风轮机中，噪声来自于两个领域：空气动力源和机械源。气动噪声从叶片发出，因为带有湍流的叶片表面与叶片周围边界层中的自然空气或粘性流的相互作用而产生。机械噪声是因为机械部件的相对运动以及它们之间的动力响应。如果机舱、转子和塔传播机械噪声并进行扩散，充当一个扩音器，该效应可以被放大。存在两种噪声问题：直接从部件表面或内部传播到空气中的空气噪声和在由另一个部件发出之前通过结构传播的结构噪声。
风轮机安装和安装装置被设计为将整体结构的共振频率推至由叶片不平衡、空气动力引起的振动、机械引起的振动与变形所产生的运行振动频率之外。该安装包括一个消除振动的阻尼系统。
可以对前述进行修改和改进而不脱离本发明的范围。

Claims (30)

1.一种用于安装在屋顶上的风轮机(10，110)的转子(20)，包括多个径向叶片(30，130)和一个连接所述叶片外端(31)的环形扩散器(21，121)，其特征在于，叶片(30，130)相对于一个垂直于转子的旋转轴线的横向转子平面以某一角度倾斜，各叶片的倾斜角在叶片的中间部分处比叶片的外端处大，并且，扩散器(21，121)是导流板扩散器，并且扩散器形成为阻止来自叶片的部分轴向和部分径向气流，所述气流在接触到导流板扩散器(21，121)时变为周向，从而减小声音发射。
2.根据权利要求1所述的转子(20)，其特征在于，所述导流板扩散器(21，121)从所述叶片(30，130)的外端(31)向下游延伸。
3.根据前面权利要求中任一所述的转子(20)，其特征在于，所述叶片(30，130)的外端(31)在扩散器的前缘处或者靠近该前缘处与所述扩散器(21，121)相连。
4.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其特征在于，所述导流板扩散器(21，121)从叶片(30，130)的外端(31)向外形成锥度，以形成一个为截头圆锥体的扩散器，该截头圆锥体扩散器的旋转轴线(26)对准叶片(30，130)的旋转轴线(26)。
5.根据权利要求1所述的转子(20)，其特征在于，所述导流板扩散器(21，121)的至少一部分从叶片(30，130)的外端(31)向上游延伸。
6.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其特征在于，当导流板扩散器(21，121)从上游端延伸至下游端时，径向向外形成锥度。
7.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其特征在于，导流板扩散器(21，121)形成为在正常工作中阻止来自叶片(30，130)的外端(31)的部分轴向和部分径向气流，并且将所述气流转变为为周向的气流。
8.根据权利要求1或2所述的转子(20)，其特征在于，叶片(30，130)在叶片(30，130)的外端(31)处基本上平行于横向转子平面。
9.一种包括根据权利要求1至8中任一所述的转子的风轮机(10，110)，还包括机舱(41，141)和安装装置(40)，它们构造成允许风轮机(10，110)和转子(20)绕垂直于旋转轴线(26)的一个定向轴线(42)旋转，从而允许风轮机根据风的情况(15)而朝向最佳方向。
10.根据权利要求9所述的风轮机(10，110)，还包括卷收装置(50，150)，所述卷收装置适于在气流速度大于预定的气流速度时使转子(20)绕定向轴线(42)旋转从而使所述旋转轴线(26)不平行于气流方向。
11.根据权利要求10所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述卷收装置(50，150)包括一非线性卷收装置，其适于在气流速度的第一低范围内不提供卷收并且在气流速度的第二高范围内提供不同程度卷收。
12.根据权利要求10或11所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述卷收装置(50，150)包括至少两个向所述扩散器(21，121)的下游延伸的尾鳍(53，153；54，154)。
13.根据权利要求12所述的风轮机，其特征在于，两个尾鳍(53，153；54，154)彼此径向相反设置。
14.根据权利要求12所述的风轮机(10，110)，其特征在于，其中一个尾鳍为铰链(70)安装的活动尾鳍，其绕一个切向铰链线旋转。
15.根据权利要求14所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述活动尾鳍(53，153；54，154)安装在一个安装悬臂(51，151；52，152)上，并且铰链线：(i)设置在安装悬臂和机舱(41，141)的连接点处从而使安装悬臂也旋转；或者(ii)设置在安装悬臂和活动尾鳍之间的连接处从而使仅仅活动尾鳍旋转，或者(iii)设置在沿安装悬臂长度的任何点处。
16.根据权利要求14所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述活动尾鳍(53，153；54，154)在高风速下绕水平轴线旋转，导致所述活动尾鳍绕水平轴线折叠。
17.根据权利要求15所述的风轮机(10，110)，其特征在于，活动尾鳍通过偏压装置(170)旋转偏压至一个静止位置，在该位置活动尾鳍的前缘比活动尾鳍的后缘更靠近转子的旋转轴线(26)，以至于活动尾鳍与转子(20)的旋转轴线(26)形成一静止攻角。
18.根据权利要求17所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述偏压装置(170)为非线性的。
19.根据权利要求17所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述偏压装置(170)适于保持活动尾鳍在静止位置直到气流速度达到一预定速度，并且当气流速度增加超过预定速度时，该活动尾鳍旋转并且攻角减小，从而风轮机(10，110)上产生非平衡气动负载，使风轮机绕其安装轴线(42)旋转至一个卷收位置。
20.根据权利要求9所述的风轮机(10，110)，包括用于降低由风轮机、塔和安装装置(40)内的简谐共振引起的运行振动的装置(90，94，95)。
21.根据权利要求20所述的风轮机(10，110)，其特征在于，风轮机设置有机舱阻尼系统，适合于使发电机和风轮机中的振动与塔至少部分隔开。
22.根据权利要求20或21所述的风轮机(10，110)，其特征在于，风轮机设置有用于在表面上安装风轮机的安装支架，所述支架具有由粘弹性材料和结构材料形成的夹层结构。
23.根据权利要求20或21所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述安装装置(40)为管形。
24.根据权利要求22所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述塔包括一个或多个由柔性材料制成的芯部(90)，所述芯部具有一些带有缩小直径并且不接触塔的内部径向表面的部分(93)，使得这些具有缩小直径的部分与具有正常尺寸并且接触塔内部表面的部分交替，由此用于通过在能量到达安装支架之前消散在柔性芯部而吸收塔中的振动。
25.根据权利要求24所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述柔性材料是橡胶。
26.根据权利要求25所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述芯部适合于通过吸收一定范围的振动频率而控制系统的共振频率在风轮机驱动频率之外。
27.根据权利要求26所述的风轮机(10，110)，其特征在于，每个所述缩小直径部分的横截面形状和长度改变，由此调整系统以便从安装结构中去除一定范围的振动频率。
28.根据权利要求22所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述安装支架得益于安装装置芯部的设计并且抑制来自机舱的振动。
29.根据权利要求28所述的风轮机(10，110)，其特征在于，机舱通过设计为消除振动频率的衬套来支撑发电机。
30.根据权利要求15所述的风轮机(10，110)，其特征在于，所述活动尾鳍(53，153；54，154)在高风速下绕水平轴线旋转，导致所述活动尾鳍绕水平轴线折叠。
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