CN1930393B - 风洞里的风轮 - Google Patents
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Abstract
本发明将一风轮安装在风洞中。风洞共分三部分：前部为风的进口部分，它有一风的主进口。后部为风的出口部分，它有一风的主出口。介于其间的中部安装有风轮。风轮的叶片完全包含在风洞的中部。在风洞的进口部分装有一分离器将风洞的进口分为上/下两个通道，这两个通道均将风送到风洞的中部。风洞中部上下内壁相当一部分是以风轮的旋转轴为中心的圆弧面。风洞中部上下内壁与风轮叶片之间各存在一上下间隙。风洞的主出口明显高于主进口。风轮轴的两侧各安装有一个发电机。
Description
技术领域
本发明引进一风力推动的叶轮。这一叶轮安装在一风洞中以产生电力。
技术背景
许多人致力于利用大自然中蕴藏的无限风能为人类工作。自十七世纪以来，风轮就被利用来带动机器工作或泵送水等。近年来更是有无数的发明创造欲利用风的动能发电。
与水流相比，单位面积中所含的风能往往是很有限的。为了使风力发电机具有一定的商业价值，它一般必须相当大。迄今为止，真正得到比较成功地应用的风力发电机是图1所示的螺旋桨式的风力发电机。PaulGipe所著一书《Wind Power for Home & Business-Renewable Energy for1990 and Beyond》详细介绍了这类风力发电机。其他类型的风力发电机大都因为结构太复杂而无法商业化。由于结构太复杂，这些风力发电机往往难于大型化或制造成本过高。
从空气动力学原理上看，大部分风力发电机均可依其捕捉风能，带动风力发电机的方式而分为两类。第一类就是螺旋桨式的风力发电机(图1)。这类风轮的叶片围绕一与风向平行的水平轴旋转，叶片的旋转平面则与风向垂直。每个叶片均与风向依一定角度斜交。当风流经叶片时风作用在叶片上的举力分量(类似于直升机叶片，飞机翅膀，或飞机螺旋桨上的举力分量)就推动风轮旋转。除了风速之外，作用在叶片上风力的大小还取决于叶片与风向的夹角，叶片的空气动力学形状(叶片截面积的形状)，叶片面积的大小，。这类发电机有许多缺陷，如低效率，高噪声，高速旋转桨叶产生一定危险，要求很大的空间，难于找到合适的桨叶材料以适应不同的气候，等等。
第二类风力发电机的旋转轴与风相垂直。这一类风轮往往具有平的叶片，带一定角度的叶片，或曲线状的叶片。其轴可以是水平的(见美国专利1,300,499，1,935,097，4,017,204，4,127,356，4,191,505，4,357,130，5,009,569，法国专利2,446,391，2,472,093，专利2,732,192，英国专利2,185,786和俄罗斯专利)。也可以是垂直的(见美国专利2,335,817，4,074,951 4,076,448，4,278,896，4,350,900，4,764,683，5,038,049，5,083,899，5,332,354，6,158,953，6,191,496，6,270,308，6,309,172，6,538,340，德国专利2,505,954，日本专利1251)。
第二类风轮可根据作用在其上的风力分为几组。
第一组依靠风与叶轮之间的摩擦力推动风轮旋转，这一摩擦力主要取决于风与叶轮之间的速度差，可用以下方程表示：
γ＝ηρair(Δu)2/2
式中γ是推动风轮旋转的驱动力，η是叶片与空气之间的摩擦系数，ρair是空气密度，Δu是风与叶片之间的速度差。由于摩擦系数一般均非常小。所以这类风轮的效率往往不如那种以举力为动力的风轮(图1所示螺旋桨式风轮)。
这类以摩擦力为动力的风轮大都完全暴露在空气中，或置于一封闭式或半封闭式通道中，而叶片与通道内壁之间的距离相当大(见美国专利1,300,499，2,335,817，4,074,951，4,191,505，4,278,896，4,357,130，4,764,683，6,191,496，6,309,172，6,538,340，德国专利2,732,192，英国专利2,185,786，俄罗斯专利1,268,792)。
第二组风轮则致力于最大限度地利用风所含的动能。作用在其上的推动力如下式表达：
γ＝ΔP
ΔP是风轮叶片前后的压力差。这类风轮均需安装在封闭的通道，即所谓的风洞中。沿着风流经风洞的方向，叶片的顶端与风洞内壁之间的间隙均最小化，以至于流过此间隙的风量可以忽略不计。流进风洞的风必须推动叶轮旋转做功以后才能离开风洞。有许多专利介绍这类风轮(见美国专利1,935,097，4,350,900，5,009,569，5,083,899，5,332,354，法国专利2,446,391，2,472,093)。
从理论上看，推动第二组风轮旋转的动力远远大于作用在第一类风轮上的举力。在风轮静止时，流进风洞的风中所含所有的动能全部转化为作用在叶轮上的压力，从而使得作用在风轮上的推力达到最大值。这一最大值可用下列方程表示：
γ＝ρair(uw)2/2
式中uw是风速。
制造或装配这类风轮叶片与风洞之间具有最小间隙的风力装置，必须采用严格的质量控制保证风轮叶片周边与风洞内壁之间的间隙最小化。这导致一些人开发了第二类中的第三组风轮。为避免追求间隙最小化带来的困难和高制造成本，许多第三组风轮的设计介于第一组和第二组风轮之间(见美国专利4,017,204，4,076,448，4,127,356，5,038,049，6,158,953，6,270,308，德国专利2,505,954，日本专利1251)。在第三组中，大多数风轮安置在风轮叶片周边与风洞内壁之间的间隙逐渐变化的风洞中，风轮周边与风洞内壁之间的间隙往往只是在某一点或很短一段距离内很小。因此，作用在风轮上的推动力是作用在第一组风轮上的摩擦力与第二组风轮上的压力差的结合。
对于第一大类风轮(螺旋桨式)来说，所有叶片均面对来风以尽可能多地捕捉风能。然而第二大类风轮却总是只有一半叶片面对来风，另一半叶片总是逆风旋转，故不得不与风隔绝(见美国专利1,300,499，1,935,097，2,335,817，4,017,204，4,074,951，4,127,356，4,278,896，4,357,130，4,764,683，5,009,569，6,270,308，法国专利2,446,391，2,472,093，德国专利2,732,192，英国专利2,185,786，俄罗斯专利1,268,792)。为改善其效率，许多第二大类风轮人的设计力求改变风的流动方向，以使得在任一位置均能有多于一半的叶片被风推动(见美国专利4,076,448，4,191,505，4,350,900，5,332,354，6,158,953，6,309,172，德国专利2,505,954，和日本专利1251)。这类风轮往往结构过于复杂，导致制造成本过高，难于大形化，无法得到实际应用。
由于单位截面积所含的风能总是很有限的，许多人将风洞设计成文丘里状以求浓缩风能(见美国专利1,935,097，4,017,204，4,076,448，4,127,356，4,508,973，4,963,761，5,009,569，6,246,126，法国专利2,472,093，英国专利2,185,786，俄罗斯专利1,268,792)。在这类设计中，风洞进口处的截面积(垂直于风向)大大大于安装风轮处的截面积。
发明概述
本发明所要解决的问题在所介绍的各种设计方案中加以阐明。从本发明的一方面来看，这一发明为一带有风洞的风轮装置。它包括一个风洞，一个风轮和一个分离器。风洞沿一基本上水平的长轴展开，共由进口部分，出口部分，和中间部分三大部分组成。其进口部分在风洞沿长度方向的轴的第一端，它有一个主进口。而出口部分则在风洞沿长度方向的轴的第二端，它有一个主出口。风洞中部介于其进口部分和出口部分之间。风洞进口部分经中部被平滑地连接到风洞出口部分。风轮安装在风洞中部，风轮由轴和叶片构成。其旋转轴横穿过风洞中部。整个风轮依此旋转轴而旋转。风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交。两者之间的夹角在45°与135°之间。当风流进风洞时，风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角应小于45°。风轮旋转轴上装有叶片，叶片的最远端不应超出风洞的中部。分离器安装在风洞的进口部分，使风洞进口分为上下两个通道。分离器一般呈楔形状。其尖锐一端靠近风的进口，而钝的一端则反之。风洞进口上通道的入口面积大于其出口面积。同时其入口比其出口更靠近风洞主进口。风洞进口下通道的入口面积大于其出口面积。同时其入口比其出口更靠近风洞主进口。风洞进口的上下通道均将风送到风洞中部。沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的主进口，而风洞中部的出口比其进口更靠近风洞的主出口。风洞中部上方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，其叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙。风洞中部下方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面。当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙。同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一侧间隙。相对于风洞沿长度方向的轴和风轮旋转轴心而言，风洞主出口的几何中心高于风洞主进口的几何中心。
从本发明的另一方面来看，本发明的风轮装置包括一风洞，一风轮，和一分离器。风洞沿一长轴展开，共由进口部分，出口部分，和中间部分三大部分组成。其进口部分在风洞沿长度方向的轴的第一端，它有一个主进口。而出口部分则在风洞沿长度方向的轴的第二端，它有一个主出口。风洞中部介于其进口部分和出口部分之间。风洞进口部分经中部被平滑地连接到风洞出口部分。风轮安装在风洞中部，风轮由轴和叶片(叶片数可为2或更多)构成。它沿其旋转轴横穿过风洞中部。整个风轮依此旋转轴而旋转。风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交。两者之间的夹角在45°与135°之间。当风流进风洞时，风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°。风轮旋转轴上装有叶片，叶片的最远端不应超出风洞的中部。分离器安装在风洞的进口部分，使风洞进口分为上下两个通道。风洞进口的上下通道均将风送到风洞中部。沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的主进口。风洞中部上方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，其顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙。风洞中部下方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面。在风轮旋转，叶片经过风洞中部下方圆弧面时，风轮叶片与风洞中部下方之间形成了一下间隙。同时，叶片两侧与风洞中部两侧内壁之间也形成了一侧间隙。
从本发明的又一方面来看，这一发明为一带有风洞的风轮装置。它包括一个风洞，一个风轮和一个分离器。风洞沿一基本上水平的长轴展开，共由进口部分，出口部分，和中间部分三大部分组成。其进口部分在风洞沿长度方向的轴的第一端，它有一个主进口。而出口部分则在风洞沿长度方向的轴的第二端。它有一个主出口。风洞中部介于其进口部分和出口部分之间。风洞进口部分经中部被平滑地连接到风洞出口部分。风轮安装在风洞中部。风轮由轴和叶片构成。风轮的旋转轴横穿过风洞中部。整个风轮依其旋转轴而旋转。风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交。两者之间的夹角在45°与135°之间。当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°。风轮旋转轴上装有叶片，叶片的最远端不应超出风洞的中部。分离器安装在风洞的进口部分，使风洞进口分为上下两个通道。分离器一般呈楔形状。其尖锐一端靠近风的进口，而钝的一端则反之。风洞进口上通道的入口面积大于其出口面积。同时其入口比出口靠近风洞主进口。风洞进口下通道的入口面积大于其出口面积。同时其入口比出口靠近风洞主进口。风洞进口的上下通道均将风送到风洞中部。沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的总进口，而风洞中部的出口比其进口更靠近风洞的总出口。风洞中部上方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙。风洞中部下方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面。当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙。同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一侧间隙。相对于风洞沿长度方向的轴和风轮旋转轴心而言，风洞主出口的几何中心高于风洞主进口的几何中心。风洞的第一侧安装有第一个发电机，它由旋转风轮的轴的第一端带动旋转。风洞的第二侧安装有第二个发电机，它由旋转风轮的轴的第二端带动旋转。
从本发明的又一方面来看，这一发明为一带有风洞的风轮装置。它包括一个风洞，一个风轮，第一发电机，和第二发电机。风洞沿一长轴展开，共由进口部分，出口部分，和中间部分三大部分组成。其进口部分在风洞沿长度方向的轴的第一端，它有一个主进口。而出口部分则在风洞沿长度方向的轴的第二端。它有一个主出口。风洞中部介于其进口部分和出口部分之间。风洞进口部分经中部被平滑地连接到风洞出口部分。风轮安装在风洞中部。风轮由轴和叶片构成。风轮的旋转轴横穿过风洞中部。整个风轮依其旋转轴而旋转。风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交。两者之间的夹角在45°与135°之间。当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°。风轮旋转轴上装有叶片，叶片的最远端不应超出风洞的中部。风洞中部上方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙。风洞中部下方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面。当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙。风洞的第一侧安装有一个发电机，它由旋转风轮的轴的第一端带动旋转。风洞的第二侧安装有第二个发电机，它由旋转风轮的轴的第二端带动旋转。
从本发明的又一方面来看，这一发明为一带有风洞的风轮装置。它包括一个风洞和一个风轮。风洞沿一长轴展开，共由进口部分，出口部分，和中间部分三大部分组成。其进口部分在风洞沿长度方向的轴的一端，它有一个主进口。而出口部分则在风洞沿长度方向的轴的另一端。它有一个主出口。风洞中部介于其进口部分和出口部分之间。风洞进口部分经中部被平滑地连接到风洞出口部分。风轮安装在风洞中部。风轮有一旋转轴横穿过风洞中部。整个风轮依其旋转轴而旋转。风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交。两者之间的夹角在45°与135°之间。当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°。风轮旋转轴上装有叶片，叶片的最远端不应超出风洞的中部。风洞中部上方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙。这一上间隙大约小于10mm。风洞中部下方相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面。风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面。当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙。这一下间隙也大约小于10mm。同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一大约小于10mm的侧间隙。在另外一些场合(如风轮直径大于10米)，这些间隙可能大于10mm，但在任何情况下，风轮叶片与风洞内壁上方，下方和两侧之间的间隙应尽可能地小，以使得流过这些间隙的风与所有流进风洞的风相比可以忽略不计。
以上对本明进行了相当广义的介绍，以利于理解下面对本发明进行的详细说明。同时，随后阐明的本发明的一些特征和长处也形成了本发明的权利要求。在此领域具有一定知识的人可以利用本发明阐明的概念和设计结构为基础，在此基础上进行改进或设计其他结构来实现本发明欲达到的同样目的。人们必须理解到，这些改进或修正的结构并不偏离本专利权利要求的基本精神和范围。
附图简要说明
本专利所含一些附图显示本发明的基本设计方案。以下是对本专利所含图的简要说明：
图1为目前人们使用的风轮。
图2为本发明第一种设计的三维立体图。
图3为本发明第一种设计的侧视图。
图4为本发明第一种设计的由前方看过去的正视图。
图5A为本发明第一种设计的俯视图，该俯视图刻意显示了风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁之间的间隙。
图5B为本发明第一种设计的俯视图。
图6为本发明第二种设计的侧视图。
图7和图8为本发明第三种设计的侧视图。
图示各种设计的详细描述
在显示风洞里的风轮的图中采用了许多参考数字来表征该风洞里的风轮装置的各种元件。所有的图都不一定是依比例画的。图中许多处均是特意放大或简化以便人们更加清楚地理解这些图。在此领域有一定知识的人一定可以清楚地认识到在图中所示的发明基础上可以做许多改进，并应用在许多不同的领域。
从原则上看，本发明引进了一种由风力推动的风轮。如果在风轮两侧配有发电机，图中所示的这种风轮可以用来发电。但是，图中所示风洞里的风轮可以轻易地应用到其他地方。图2至图5B显示了本发明风洞里的风轮的第一种设计的各种角度的视图。图2为风轮30的立体透视图，图3为风轮30的侧视图，图4为由风轮30前方看去的正视图，图5A和图5B为风轮30的俯视图。
风轮装置30有一风洞34。该风洞总是沿着一基本水平的长轴38而延伸开的。图3中显示了这一任意指定的长轴。这一长轴形成了后面对此风洞里的风轮装置进行详细描述的参考点。在本专利讨论的情况中，这一长轴基本上是水平的，并且总是和流进风洞34推动风轮旋转的风的方向一致。图5B为一风洞里的风轮装置的顶视图。在风40流进风洞34而推动风轮80旋转时，风40与轴38之间的夹角应小于45°。图5B显示的案例中这一夹角为零。在图2和图3中，风洞34的一侧面板被移去以显示该风力装置。风洞34的两个侧面最好为平面(见图4和图5B)。为了说明贯穿风轮30的流体动力学情况，图2和图3中显示了风流40。在此领域有一定知识的人一定可以体会到其他风流状况也可以存在。
风洞34有进口部分44，中部46和出口部分48三部分。风的进口部分44在轴38的第一端51处，此部分最前方为风的主进口54。而风的出口部分48在轴38的第二端52处。此处最后方为风洞的主出口56。风洞的进口部分44经风洞34中部46被平滑地连接到风洞的出口部分48。流过风洞34的风由主进口54流入进口部分44，再流过中部46到达出口部分48，最后流穿出口部分48由主出口56离开风洞34。在其他设计中，该风洞也可有其他辅助进口或辅助出口。
由图2和图3可见，在风洞34的进口部分44安装有一分离器60，该分离器在进口部分44横跨风洞的两侧41和42。分离器60将风洞的进口部分44分成两支风的通道，上通道61和下通道62。分离器60一般为契型。其尖锐一端64比其较钝的一端66更靠近风的主进口54。上通道61有一上进口71的和一上出口73，上进口71比上出口73更靠近风的主进口54。与此相似，下通道62有一下进口72和一下出口74，下进口72比下出口74更靠近风的主进口54。由图2和图3可见，上进口的截面积比上出口处的截面积大，而下进口的截面积也大于下出口的截面积。在其他设计方案中，分离器60的形状和位置均可以改变，从而改变上/下进口71/72的截面积与上下出口73/74的截面积的比率。在所讨论的第一设计方案中，上/下进口71和72并不和风的主进口54在同一位置。然而在其他设计中，分离器的尖锐一端却可以在风洞34的主进口54处，或甚至突出其外。与此相似，分离器较钝的一端66也可能不到中部46。在任何情况下，流经上/下通道61/62的风均从中部进口76流入风洞34的中部46。中部进口76比中部出口78更靠近风的主进口54，而中部出口78比中部进口76更靠近风的主出口56
风轮80安装在风洞34的中部46处，其轴82横穿风洞中部46成为风轮的旋转轴84。在风轮装置30工作时，风轮80围绕轴84旋转，轴82两端由某种轴承支承在风洞中部46两侧壁上。风洞沿其长度方向的轴38与风轮80的轴82相交(见图3和5B)。从风洞34的顶部向下看(图5B)，风轮的旋转轴84与风洞沿长度方向的轴38之间形成一夹角86。这一夹角应在45°与135°之间。图5B中所示的夹角86为90°。
叶片88安装在轴82上。一般情况下，叶片不伸出风洞34的中部46。风轮80上的叶片88的数量可以有许多选择(如2，3，4，5，6，7，8，等等)。在本专利所讨论的第一设计方案中，该数量为3。采用3个叶片的原因将在后面加以讨论。叶片88的形状可以多种多样，如矩形平板，多折边平板，曲线板等。叶片88可以由许多种材料制作，如铝，钢材，钛合金，碳化纤维，玻璃钢，尼龙，木材，塑料，或其他合金复合材料。叶片88的形状往往与制作叶片的材料有关。
在常用的设计中，上通道61的上进口截面积大大小于下通道62的下进口截面积。这样，进入风洞的风40的主要部分就将流进下通道62。由实验结果得知，上进口面积与下进口面积的比率一般在19～35％之间。对于最常用的设计来说，这一比率应在19～35％之间。对一些其他设计来说，这一比值范围可能视风轮直径大于上述所列。如风轮直径很大，则上述比率可能降低(如在13～18％之间)。如风轮直径很小，则上述比率的下限值不低与20％。风洞主进口54的截面积对这一比例的最佳值有影响。
对进口部分44的下通道62来说，其下出口截面积应小于下入口截面积(见图3)。在风流经此通道流向叶片88时就将在风洞中部46处被压缩。根据能量转换原理，被压缩的空气将增加叶片88前方的压力。通过增加叶片88前方的压力，降低出口部分48处的压力，使得叶片前后的压差最大化。这一压差就可以推动叶轮80旋转以产生更多的功率，从而使风洞里的风轮达到较好的效率。
由图2和图3可以看出，风洞中部46的上内壁91和下内壁92均有一段园弧面。这些上/下内壁的园弧面均应以风轮旋转轴心84为中心。这样，在风轮旋转时，叶片88顶端与上/下内壁91和92之间形成的间隙93和94就可以最小化。上间隙93处于叶片88与上内壁91之间。下间隙94处于叶片88与下内壁92之间。由于本发明的基本原理是将风的动能转化为作用在叶片88上的压力，就应当努力使上/下间隙93和94最小化以使作用在叶片88的压力最大化。
图5A是风洞的俯视图。图中虚线为凤轮。由此图可以看出，叶片88两侧与风洞34的两侧41和42之间也形成了一侧间隙170。基于以上讨论的相同道理，这一间隙也应当最小化。
对于较小的风洞里的风轮装置(如风轮直径小于10米)来说，上下间隙93和94小于10mm。侧面间隙170也如此。在实际应用中，上/下间隙93和94以及与侧间隙170受风轮的直径和其他因素影响。随着风轮直径的增加，这些间隙也将增大。反之，随着风轮直径的减小，这些间隙也将缩小。这些间隙的控制受到制造精度，安装精度以及材料的热胀冷缩特性的限制。在常用的设计中，上/下间隙93和94以及与侧间隙170往往一样大。如在风轮直径小于3米时，这些间隙可以各小于5mm；在风轮直径小于2米时，这些间隙可以各小于3mm。这样，流过间隙93，94和170的风就可以忽略不计。间隙93，94，和170可以控制在更小的范围，但其成本可能过高，从而使总体效益不好。
图2-5B中所示的风洞里的风轮30是用来发电的。在所讨论的第一种设计中，两个发电机101和102分别连接到旋转轴82的两端。图3中用虚线表示一个连接到旋转轴82的一端的发电机102。在受欢迎的设计中，两个发电机101和102各自直接连接到旋转轴82的一端旋转。其中，第一个发电机101被连接到风轮80的旋转轴82在风洞34的第一侧41的第一端，并在此处被风轮80的旋转轴82带动旋转。而第二个发电机102被连接到风轮80的旋转轴82在风洞34的第二侧42的第二端，并在此处被风轮80的旋转轴82带动旋转。这两个发电机101和102应完全一样(相同重量，相同尺寸，相同输出工率)，以使得风轮两侧的负载绝对平衡。与仅仅在风轮的一侧安装有发电机的结构相比，在风轮两侧对称地设置两个发电机101和102可以在功率相同的条件下使得作用在转轴82上的力矩减少一半。这样，就可以拓宽可选择用来做转轴82的材料的范围，减少用来做转轴82的材料的量，从而降低转轴的成本和重量。为简化起见，本专利图中并没有显示发电机101和102的支撑结构。这些支撑结构的需求是很明显的。在其他设计中，发电机的数量和其连接方式均可能变化。
图2-5B所示风洞34的主进口54有一进口几何中心，主出口56也有一出口几何中心，主进口54的截面积一般应和其主出口56的截面积相等。但进口几何中心应高于出口几何中心。以后将详细讨论到，这样的结构使得风易于流出风洞中部46，不至于在风洞出口部分48产生湍流涡团。还可以设想到，风洞34可以围绕其长轴38旋转90°或者翻转180°来达到同样的效果
由图2和图3可见，风洞出口部分48的顶部外表面在靠近主出口56的部分108应当尽可能与风洞沿长度方向的轴38平行，并为一平面。这样可以使得流过表面108的风40在主出口56处与风洞的长轴38平行。而风洞出口部分48的顶部内表面在靠近主出口56的部分110也应当如此，这样就使得流出风洞的风40在主出口56处也与轴38平行。换句话说，风洞内外流动的风40在风洞出口处呈相互平行流动。在风洞外部风速大于风洞出口内部的风速时，就会出现一种文丘里效应，即风洞外侧流动的风可以将风洞内侧的风向后拉动而行(类似一真空泵)，从而降低风洞出口部分的压力，增加作用在风轮80的叶片88前后的压力差。这样也就增加作用在叶片88上的推力。
在所讨论的第一种设计中(如图2-5B所示)，风洞34由金属薄板制成。因次，风洞34的一些内部表面与一些外部表面基本一样。采用金属薄板有很多好处，如制造方便，成本低廉，易于成形，便于放大，持久耐用，等等。但是，在其他设计中，风洞34也可以由其他材料制成，如木材，玻璃，塑料，或其他复合材料。
由图2和图3还可见，风洞出口部分48底部外表面在靠近主出口56的部分112应当尽可能与风洞沿长度方向的轴38平行，并为一平面。这一结构使得流过表面112的风40在靠近主出口56处与风洞的长轴38平行。而风洞出口部分48的底部内表面在靠近主出口56的部分114也应当如此，这样就使得由风轮80下部流出风洞的风40在靠近主出口56处也与轴38平行。在风洞外部风速大于风洞出口内部的风速时，就会出现一种文丘里效应，即风洞外侧流动的风可以将风洞内侧的风向后拉动而行(类似一真空泵)，从而降低风洞出口部分的压力，增加风轮80的叶片88前后的压力差(得到更多的功率)。这样也就增加作用在叶片88上的推力。
从图4和图5B可以看出，风洞两侧41和42的外表面应基本上为平面，并尽可能与风洞长轴38平行。据此设计，除发电机101和102及其支撑结构外，风洞两侧没有东西对流动的风产生干扰，横穿风洞两侧41和42流过的风40可以在靠近主出口56处保留其大部分速度头。在风洞外侧风速大于风洞内侧时，就可以产生文丘里效应，风洞外侧的风拉动内侧的风流出风洞，降低风洞主出口56处的压力。在第一设计中，流过风洞34外侧的风40是给予了足够的考虑。其中一个目标就是使流过风洞外侧的风40与由风洞内部流出的风平行，以最大限度地保留风40的速度头。这样可以增加风轮30的输出功率，提高风轮30的效率。在设计许多风洞的内壁和外表面时均应将这一点记在心中。
风洞进口部分44顶部外表面在靠近主进口54的部分116与风洞沿长度方向的轴38平行，并为一平面(见图2，3，和5B)。由于风洞34由金属薄板制成，风洞进口部分44顶部内表面在靠近主进口54的部分118也如此(见图3)。在所讨论的第一种设计中，风洞上通道的上表面120控制了风洞上通道61的形状。这一点由图3清晰可见。在第一种设计中，风洞上通道的上表面120与风洞中部46的内部上表面由一片薄板做成。在其他设计中，风洞上通道的上表面120与风洞中部46的内部上部内表面也可以由几片薄板做成。
风洞进口部分44的底部内表面124与风洞的轴38形成一很小的锐角122(底部内表面入口角)，并为一平面。底部内表面入口角的存在形成若干优点，如被风夹带进风洞的雨水可以沿斜面124流出风洞。锐角122(结合分离器的形状，或上通道的形状)使得风洞中部的进口76小于风洞的主进口54，由主进口54流进的风40在进入中部46与叶片88相遇以前，由于截面积不断缩小，速度将逐渐增加。叶片88前方速度的增加将导致叶片88前方压力的增加。在图3所示的设计中，风洞进口部分44的底部外表面128也相对于风洞长轴38形成一底部内表面入口角122。在其他设计中，底部外表面128相对于风洞长轴38形成的底部内表面入口角可以不同于底部内表面124与风洞长轴38形成的锐角122。如风洞进口部分44的下部外表面128与风洞沿长度方向的轴38平行。
在风由主进口54流进风洞34以后，它一般沿水平方向流动。然而在风流出风洞中部46时其方向就被旋转的风轮改变为向上倾斜，这就使得风洞的出口也应向上倾斜以提高风流出风洞中部46的效率，图3中风洞中部46下部内表面92的几何中心处一小图130为风速的向量图。此图中V1代表风流进风洞中部46的速度分量，V2代表风轮在此点旋转的速度分量，V代表V1和V2的合速度。风洞出口部分48靠近中部出口78的的顶部内表面134向上倾斜，与风洞轴38形成一顶部内表面出口角132。表面134应尽可能与风的合速度V平行。风洞出口部分48靠近中部出口78的的顶部内表面134以顶部内表面出口角132上斜有助于使凤更有效地流出风洞中部出口。由实验得知，顶部内表面出口角132的最佳值应在26～39°之间。对于一个实际应用来说，这一最佳值取决于风轮直径。在其他设计中，风洞出口部分48靠近中部出口78的顶部内表面出口角132可以为其他值，甚至于与风洞长轴38平行。
由图3还可以看出，底部外表面138(风洞中部46和风洞出口部分48的底部在此相交)与风洞长轴38形成一风洞底部外表面的过度角136。一般条件下应尽可能保持夹角136与夹角132一致。但是在其他设计中，底部外表面的过度角136可以不同于顶部内表面出口角132。同样在其他设计中，底部外表面138(风洞中部46和风洞出口部分48的底部在此相交)也可以做成其他形状，如凹形曲面，凸形曲面，带园弧的平面等。与此相似，在其他设计中，风洞34其他部分相交时可采用园弧面或曲面。
在所讨论的第一种设计中，风洞出口部分底部内表面142与轴38也形成了一个风洞底部内表面出口角140。这一夹角也为锐角。下表面142由两个平面构成。在其他设计中，下表面142也可以为一段平滑面或具有其他形状的曲面，如凹形曲面，凸形曲面。由图3可见，在风洞出口处78处设置一过渡曲面144以连接风洞出口部分48的底部内表面142和风洞中部下部内表面92。为避免在风洞出口部分48产生湍流涡团，很重要的就是将风洞出口部分48平滑地与风洞中部46连接起来。如果出现湍流涡团，就将阻止风流出风洞，从而降低风轮的效率。同时，这一平滑过渡可以使得风流出风洞中部时压力逐渐降低，以利于风有效地离开风洞中部46。在其他设计中也许不用这一平滑曲面过渡面144或采用其他形式的平滑过渡面。如果风洞底部内表面出口角140太大，风洞出口部分48的底部就可能形成一涡团。为了保证风洞里的风轮具有很高的工作效率，就应当避免这一湍流涡团的出现。流出风洞中部46的风应当沿着曲面144和底部内表面142流动，而不应在这些地方打漩。如果风在这些地方出现打漩的现象，就将影响风流出风洞34的效率。
在所讨论的第一种设计中，风洞中部46的内部下表面92，过渡曲面144和风洞出口部分48底部内表面142可由一块金属板制成。但如果风轮很大(如风轮直径大于10m)，这三部分就不可能由一块金属板做成，而应当分别由几片金属制成。
在其他一些设计中，风洞中部出口78的截面积可以小于风洞主出口56处的截面积。
由图3可见，沿着风洞长轴38上看，风洞进口部分44长度为第一长度151，风洞出口部分48长度为第二长度152，而风洞中部46长度为第三长度153。在第一设计方案中以及其他受欢迎的应用中，第一长度151(进口部分44)与第二长度152(出口部分48)基本相等，而第三长度153(中部46)大约是第一长度151的两倍。一般来说，风洞进口部分44(第一长度151)和风洞出口部分48(第二长度152)应越短越好，以使得整个风洞里的风轮的总长度最短(以缩小安装空间，方便旋转风洞里的风轮以对准风向，减少材料消耗)。但从空气动力学上看，为使得风很好地流过风洞里的风轮30，第一长度151和第二长度152越长越好(风在风洞进口部分44平稳地压缩，在风洞出口部分48平稳地澎涨)。这样上面所讨论的第一长度151，第二长度152，和第三长度153的选择可能形成各种矛盾因素的平衡。这一点得到了实验上的证实。在其他设计中，第一长度151，第二长度152，和第三长度153的比率可以变化，进口长度151可以不等于出口长度152。
图4和图5B中所示整个安装有风轮的风洞宽度154(以及叶片88的宽度)可以在一定范围内变化。在优先考虑的设计中，有两个发电机101和102在风轮的两侧，每个发电机各连接到风轮轴82的一端，宽度154可以为风轮直径的1.5倍。宽度154的选择必须保证在支撑平台上方有足够的空间安装两个发电机101和102。在其他设计中，风力装置30可以变宽，可以变窄。
由图2到图5B可以看出，该风力装置含有一旋转支撑156以支承风洞34(及风轮80和发电机101/102)。在第一设计中，第一支撑部分157的一端连接到风洞34，另一端则通过滚轮159连接到第二支撑部分158。滚轮159安置于第二支撑部分158的圆形轨道中，可以使第一支撑部分157(及风洞34，风轮80和发电机101/102)围绕一垂直轴相对于第二支撑部分158旋转。第二支撑部分158可以安装在其他物体，其他结构上，或一建筑物上，或地面上。对滚轮配以适当的动力装置和自控装置，就可以使整个风洞里的风轮30在旋转平台156上旋转以使得风洞里的风轮30始终与风40的方向一至。在此领域有一定知识的人可以领略到许多其他类型的支撑156或其他结构可以支承风力装置30。
风洞34的主进口54和主出口56处均应安装有安全格栅160(见图2和图4)。这种安全格栅可以为金属丝网。安全格栅160可由金属、铝、尼龙，复合材料等多种适当材料制作。让叶片88完全置于风洞34中，并安装格栅160以后可带来若干益处，如增加接近于风轮的人的安全性，扩大可安装风力装置的地方的范围，阻止鸟类或其他东西进入风洞。和传统的风轮相比，由于安全性大大提高，风力装置30不会对与其靠近的人类或动物形成危险，这样就可以使这类风力装置安装在许多地方，如房顶、地面，城中心建筑物之间(此处高层建筑之间可以有很大的风)，而不一定像图1所示镙旋浆风轮那样必须安装在很高的立柱上以远离人群或动物。
图6显示了该发明风力装置的第二种设计的侧面。第二种设计与第一种设计相比基本相同，唯一不同之处是该处风轮80有4个叶片88。采用4个叶片88的主要优点是有助于风轮的自动起动，而不太担心风轮停止的位置对风轮起动的影响。风轮的自动起动特性代表风洞里的风轮30无论其静止时停于何种位置，可以完全依靠风力起动。与采用4个叶片88相比，采用3个叶片88有着减轻风轮80重量(降低风轮80起动的惯性)的好处。同时，这样也会降低风轮80的制造成本。另外，减轻风轮80重量将会减少风轮轴与轴承的摩擦，有助于提高风轮的效率。本发明是将风的速度头转化为作用在叶片上的压力(通过减小叶片与风洞内侧的间隙)，而不是利用摩擦力，因此，采用较少的叶片数(如2，3，4，5等)比采用较多的叶片数(如8，10，12，30)好。
在所讨论的第一种设计中采用了一分离器以形成风进口处的上通道61和下通道62，精心设计了风洞中部46，对称设置叶轮上的叶片。所有这些均是为了使具有3片叶片的风轮能自我起动，而无论其静止时停于何种位置。同时，这些特征还降低使风洞里的风轮30起动的风速。上通道61将风40的一部分引向风轮叶片88的切线方向，从而使上通道风力对推动风轮旋转的作用最大化。通过引导流进上通道61的风向下流动(见图3)，就减少了由下通道流入的风向上流动，推动风轮反转的可能性。这样也帮助风轮在低风速下起动。在其他一些设计中，进口处风的通道数目可能超过两个。
由图3和图6可见，沿风洞中部46上下内壁延伸的平面部分162也是为了帮助风轮80自动起动。这样的平面部分相对风轮80形成了一个较大的角度，无论风轮80停在这一角度的任何位置，均能自我起动。这一设计特征对具有三个叶片的风轮特别有利。
在常用的第一种设计中，流进主进口54的风被分离器分为两部分(见图3)。其中大部分流进风洞34的风经下通道62流进风洞中部推动风轮80的叶片88，从而使得风轮80围绕旋转轴84旋转。另一部分流进风洞34的风经上通道61流进风洞中部。这股风流进中部时的角度与由下通道62流进风洞中部的风完全不同(见图3)。由上通道61流进的风也推动叶片88使风轮80旋转。当风轮80围绕其旋转轴84旋转时，将带动发电机101和102旋转。尽管在第一设计中发电机101和102被直接连接到旋转轴82上，但在其他设计中，发电机也许是通过皮带轮，齿轮等间接连接到旋转轴82上。当发电机被风轮80带动旋转时将产生电能。这些电能可以送到电网，也可以对电池充电，或送到其他装置供当时或未来各种用途
图7和图8显示了风洞里的风轮30的第三种设计。在此设计中，风轮80只有两个叶片88。这一设计有时可以工作，但有时难与自我起动。当它静止停于图7所示的位置时，很容易在风的吹动下自己起动。而如果风轮80停于图8所示的位置时，就难以在风的吹动下启动。在风轮80停于图8所示的位置时，风完全可以自叶片88上下均流过，产生一种平衡效应，导至风轮80无法自己起动。直接解决这一问题的方法是控制风轮80不停于图8所示的位置，而总是停于图7所示的位置。另一解决自动起动问题的办法是利用外部动力连接到轴82帮助起动。与采用3个叶片88或更多叶片88的风轮相比，采用两个叶片88的好处是风轮的惯性低，制造成本少。
与传统的风轮设计相比，本发明还有其他优点。如这种风洞里的风轮将很安静，这是因为这种风轮旋转的较慢，且旋转的风轮完全置于风洞中。本发明第一种设计在结构上也很简单，易于在合理成本下生产大尺度的装置。而结构简单又容易提高其机械上的可靠性，机械可靠性高将减少维修工作量(即降低维修成本，减少停机时间)。同时，在两侧平衡地配置两个发电机101和102有利于整个结构的稳定性，便于放大。
本发明的风力装置可以安装在许多地方，如空野之地，坡顶，坡面，建筑物顶，或建筑物旁，或甚至建筑之间的任意一层(介于高层建筑物之间)，或在船上，海上钻井平台，或水(湖，河，大海)面上的平台，或靠近水塔，在一水电结构上，靠近水电供应线旁，在一电厂顶上，或在化工厂，贮罐，水坝顶上，或在水坝侧面，桥下，桥上等等。在对本发明作了如此详尽的描述以后，在此领域稍有知识的人不难想出本发明风力装置可以安装的其他许多地方。
虽然本发明的各种设计和其一些基本优点已经被详尽描述，但是应理解的是在不违背本专利优先权要求的基本精神和基本条件下可以对本发明做许多变化，替代，改进。本发明的范围并不局限于某一特殊设计方案的过程，机器，制造过程，物体的构成，方法，步骤等。在此领域有一定知识的人可以轻易地根据本发明的各种介绍领略各种现有或未来开发的过程，机器，制造，物体的构成，方法，步骤。它们都和本发明发挥非常相同的作用，达到非常相同的效果。因此，本专利要求的优先权在其范围内将覆盖所有这些过程，机器，制造，物体的构成，方法，步骤等。
Claims (32)
1.一种由下列基本部分组成的风轮装置：
一个沿一长轴形成的风洞，该风洞有一进口部分，一中部，和一出口部分，进口部分有一风的主进口，出口部分有一风的主出口，风洞中部介于其进口部分和出口部分之间，风洞的进口部分经中部被非常平滑地连接到风洞的出口部分，
一个设在风洞中部的风轮，该风轮的轴横穿过风洞中部，整个风轮依其旋转轴而旋转，风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交，两者之间的夹角在45°与135°之间，当风流进风洞推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°；
风轮轴上装有叶片，叶片的最远端不超出风轮的中部；
一分离器安装在风洞的进口部分，使风洞进口分为上下两个通道，风洞进口的上下通道均将风送到风洞中部，沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的总进口，而风洞中部的出口比其进口更靠近风洞的总出口；
风洞中部上方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙；
风洞中部下方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙，同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一侧间隙。
2.权利要求1所述的风轮装置，其风洞进口处的分离器呈楔状，其尖锐一端对着风洞的进口，宽钝一端背离风洞进口。
3.权利要求2所述的风轮装置，该分离器使得风洞进口上通道的进口截面积大于上通道的出口面积，同时其入口比出口更靠近风洞主进口，风洞进口下通道的进口截面积也大于其出口截面积，同时其入口比出口更靠近风洞主进口。
4.权利要求3所述的的风轮装置，风洞进口上通道的入口面积在风洞进口下通道入口面积的19％至35％之间。
5.权利要求1所述的风轮装置，风轮有若干个叶片，其叶片数为2，3，4，5，6，7或8。
6.权利要求1所述的风轮装置，风轮与风洞内部上表面的上间隙小于10mm。
7.权利要求1所述的风轮装置，风轮与风洞内部下表面的下间隙小于10mm。
8.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分的中心，其高于其进口部分的中心，相对与风洞的长轴和风轮旋转轴均如此。
9.权利要求8所述的风轮装置，风洞的主出口面积与风洞的主进口面积相等。
10.权利要求1所述的风轮装置，包括：
风洞第一侧的第一个发电机，由旋转风轮的轴的第一端带动旋转以及风洞第二侧的第二个发电机，由旋转风轮的轴的第二端带动旋转。
11.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分靠近出口处的顶部外表面与风洞沿长度方向的轴平行，且这一表面为一平面。
12.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分靠近出口处的底部外表面与风洞沿长度方向的轴平行，且这一表面为一平面。
13.权利要求1所述的风轮装置，风洞的外表面为一些平面，且许多平面与风洞沿长度方向的轴相平行。
14.权利要求1所述的风轮装置，风洞进口部分靠近进口处的顶部外表面与风洞沿长度方向的轴相平行，且为一平面。
15.权利要求1所述的风轮装置，风洞进口部分底部内表面与风洞沿长度方向的轴形成一底部表面入口角，这一夹角为锐角，并且风洞进口部分底部内表面为一平面。
16.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分顶部内表面在靠近风洞中部与风洞沿长度方向的轴形成一顶部内表面出口角，这一夹角为锐角，并且顶部内表面为一平面。
17.权利要求16所述的风轮装置，顶部内表面出口角在26至39度之间。
18.根据权利要求1所述的风轮装置，风洞中部出口截面积小于风洞主出口的截面积。
19.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分底部内表面与风洞沿长度方向的轴形成一底部内表面出口角，这一夹角为锐角。
20.权利要求19所述的风轮装置，风洞底部有一曲线过渡段，这一过渡段设在风洞中部底部，它将风洞出口部分底部内表面风洞中部下部内表面连接起来。
21.权利要求1所述的风轮装置，包括：
风力动力装置安装在第一支撑平台上，该第一支撑平台通过滚轮安装在第二支撑平台上，并可围绕一垂直轴相对于第二支撑平台旋转。
22.权利要求1所述的风轮装置，风洞进口部分的长度为风洞沿其长轴的第一长度，风洞出口部分的长度为第二长度，风洞中部的长度为第三长度，第一长度与第二长度大致相当，而第三长度约为第一长度的两倍。
23.权利要求1所述的风轮装置，风洞出口部分靠近风洞主出口处的顶部内表面与风洞沿长度方向的轴基本平行，且为一平面；并且在风洞出口部分紧靠出口处的底部内表面也与风洞沿长度方向的轴相平行，且为一平面。
24.权利要求1所述的风轮装置，风轮装置上的发电机与风洞沿长度方向的轴相垂直。
25.权利要求1所述的风轮装置，侧间隙，上间隙，和下间隙相等。
26.权利要求1所述的风轮装置，风轮两侧与风洞两侧内壁之间的间隙小于10mm。
27.一由下列各部分组成的风轮装置：
一个沿一基本水平的长轴形成的风洞，该风洞有一进口部分，一中部，和一出口部分，进口部分有一风的主进口，出口部分有一风的主出口，风洞中部介于其进口部分和出口部分之间，风洞的进口经中部被非常平滑地连接到风洞的出口；
一个设在风洞中部的风轮，该风轮的轴横穿过风洞中部，整个风轮依其旋转轴而旋转，风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交，两者之间的夹角在45°与135°之间，当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°；
风轮轴上装有叶片，叶片的最远端不超出风轮的中部；
一分离器安装在风洞的进口部分，使风洞进口分为上下两个通道，分离器呈楔形状，其尖锐一端靠近风的进口，而钝的一端则反之；
风洞进口上通道的入口面积大于其出口面积，同时其入口比出口靠近风洞主进口；
风洞进口下通道的入口面积大于其出口面积，同时其入口比出口靠近风洞主进口；
风洞进口的上下通道的出口均将风送到风洞中部，沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的总进口，而风洞中部的出口比其进口更靠近风洞的总出口；
风洞中部上方内壁相当一部分是以风轮旋转轴为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙；
风洞中部下方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙，同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一侧间隙；
相对于风洞沿长度方向的轴和风轮旋转轴而言，风洞主出口的几何中心高于风洞主进口的几何中心。
28.一由下列各部分组成的风轮装置：
一个沿一基本水平的长轴形成的风洞，该风洞有一进口部分，一中部，和一出口部分，进口部分有一风的主进口，出口部分有一风的主出口，风洞中部介于其进口部分和出口部分之间，风洞的进口部分经中部被非常平滑地连接到风洞的出口部分；
一个设在风洞中部的风轮，该风轮的轴横穿过风洞中部，整个风轮依其旋转轴而旋转，风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交，两者之间的夹角在45°与135°之间，当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°，风轮轴上装有叶片，叶片的最远端不超出风轮的中部；
风洞进口处有分离器将风洞进口分为上下两个通道，分离器为一楔形状物，其尖锐一端对着风洞进口，钝的一端背离风洞进口；
风洞进口上通道的入口面积大于其出口面积，同时其入口比出口更靠近风洞主进口；
风洞进口下通道的入口面积大于其出口面积，同时其入口比出口更靠近风洞主进口；
风洞进口的上下通道的出口均将风送到风洞中部，沿风洞长度方向的轴来看，风洞中部的进口比其出口更靠近风洞的总进口，而风洞中部的出口比其进口更靠近风洞的总出口；
风洞中部上方内壁相当一部分是以风轮旋转轴为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙；
风洞中部下方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙，同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁也有一侧间隙；
相对于风洞沿长度方向的轴和风轮旋转轴心而言，风洞主出口的几何中心高于风洞主进口的几何中心；
风洞的第一侧安装有第一个发电机，由旋转风轮的轴的第一端带动旋转；
风洞的第二侧安装有第二个发电机，由旋转风轮的轴的第二端带动旋转。
29.一由下列各部分组成的风轮装置：
一个沿一长轴形成的风洞，该风洞有一进口部分，一中部，和一出口部分，进口部分有一风的主进口，出口部分有一风的主出口；
风洞中部介于其进口部分和出口部分之间，风洞的进口经中部被非常平滑地连接到风洞的出口；
一个设在风洞中部的风轮，该风轮的轴横穿过风洞中部，整个风轮依其旋转轴而旋转，风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交，两者之间的夹角在45°与135°之间，当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°，风轮轴上装有叶片，叶片的最远端不超出风轮的中部；
风洞中部上方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙；
风洞中部下方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙；
风洞的第一侧安装有第一个发电机，由旋转风轮的轴的第一端带动旋转；
风洞的第二侧安装有第二个发电机，它由旋转风轮的轴的第二端带动旋转。
30.一由下列各部分组成的风轮装置：
一个沿一长轴形成的风洞，该风洞有一进口部分，一中部，和一出口部分，进口部分有一风的主进口，出口部分有一风的主出口，风洞中部介于其进口部分和出口部分之间，风洞的进口经中部被非常平滑地连接到风洞的出口；
一个设在风洞中部的风轮，该风轮的轴横穿过风洞中部，整个风轮依其旋转轴而旋转，风洞沿长度方向的轴与风轮的旋转轴相交，两者之间的夹角在45°与135°之间，当风推动风轮旋转时，流进风洞的风与风洞沿长度方向的轴之间的夹角则应小于45°；
风轮轴上装有叶片，叶片的最远端不超出风轮的中部；
风洞中部上方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部上方圆弧面时，叶片顶端与风洞中部上方圆弧面之间形成一上间隙，这一间隙小于10mm；
风洞中部下方内壁相当一部分是以风轮旋转轴心为中心的圆弧面，风洞中部下部的圆弧面刚好面对风洞中部上部的圆弧面，当旋转的风轮叶片经过风洞中部底部圆弧面时，叶片顶端与此圆弧面之间形成一下间隙，这一间隙小于10mm，同时，风轮叶片两侧与风洞中部两侧内壁之间也有一侧间隙，这一间隙也小于10mm。
31.权利要求30所述的风轮装置，风轮直径小于2m时，上间隙小于3mm，下间隙小于3mm，侧间隙也小于3mm。
32.权利要求30所述的风轮装置，在风轮直径小于3m时，上间隙小于5mm，下间隙小于5mm，侧间隙也小于5mm。
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