CN1950600A - 用于发电的风轮机 - Google Patents

Abstract

一种风驱动涡轮机(2)具有多个S形叶片(6)，其中每个叶片(6)的后缘(56)以与水平定向轴(4)平行的方式被安装。每个叶片(6)从轴(4)径向地向外延伸。一种发电系统包括安装在塔(86)的顶部的平台(54)上的一排涡轮机(2)。每个涡轮轴(4)可直接与用于发电的发电机(78)相连接。

Description

用于发电的风轮机

相关申请的交叉参考

本申请要求于2004年5月3日提交的美国临时专利申请第60/568,053号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于产生电能的风驱动涡轮机。

背景技术

风作为能源用来产生电力已经进行了多个世纪了。第一架风车被研制，是用于使得谷粒碾压和抽水的工作自动化。最早公知设计的风轮机是大约公元500-900年在波斯研制的立轴风车。波斯的风车设计有芦苇束或木材制成的垂直翼板，该翼板通过水平支杆连接至中心立轴。为了碾压谷粒，磨石被固定于立轴上。研磨机械通常被包围在建筑物中，该建筑物构造有墙或屏蔽物，用来阻挡进来的风，使其不会减速阻力型转子(drag-type rotor)的向前推进风的一侧。

通常，荷兰被认为是风涡轮研磨机设计的重要改进的主要研发者。荷兰人将标准横轴柱式研磨机安装在多层塔的顶部，其中分开的层用于谷粒碾压、去除谷壳、储存谷物，以及(在底部)具有用于研磨者及其家人居住的住宅。柱式研磨机和后来的塔式磨机必须通过推动风车后面巨大的杆来手动地定位使其朝向风。研磨者的主要工作是使风车磨房的能量和动力输出最佳化以及在风暴时通过将旋转翼板收起来保护风车不受损坏。欧洲研磨机的主要改进在于设计者采用了产生气动升力的翼板。与波斯研磨机相比较，所提供的特征通过提高转子速度而改进了转子效率，进而这又实现了较好的碾压和抽水功能。

当前工业操作中最常见类型的风轮机设计是效仿荷兰设计的，它们是三叶推进型涡轮机以及二叶推进型涡轮机，其中，每个叶片的一端被安装在横轴上。三叶风轮机在叶片朝对风时运转。相反，二叶片风轮机在顺风时运转。可替换地，现代立轴转子也在被研发。现代立轴转子的研发始于1920年。这些设计通常结合有转子，该转子包括连接在转动立管顶部和底部的细长弯曲的翼剖面的叶片。

风轮机的工作与电扇相反。不像电扇那样利用电产生风，风轮机利用风来产生电。风转动叶片，叶片使连接至发电机的轴旋转，其中通过转子线圈在磁场中的旋转产生了电流。效用率(utility-scale)涡轮的规模范围是50千瓦至几兆瓦。例如，51千瓦以下的单个的小型涡轮机被用于地理位置偏远人家的无线电通讯碟形卫星天线或水泵。

现在，在6级风的站点上(在该站上，在10米高处平均风速为每秒6.7米-在33英尺高度上为每小时16英里)，效用率风轮机可产生的电力是4￠每千瓦-小时(kWh)。然而，随着更多站点的发展，容易实现的原始的6级站点正在消失。另外，很多6级站点位于不易实现传输线路的偏僻地区。

4级风站点(这些站点在10米高处的平均风速为每秒5.8米-在33英尺高处为每小时13英里)覆盖了从Texas的中北部到加拿大边境的大平原的广大地区。同样在很多沿海地区以及五大湖区的湖岸可以发现4级站点。虽然6级站点距离主负载中心(majorloadcenters)的平均距离为500英里，4级站点明显地近了很多，其距离负载中心的平均距离为100英里。因此，到达4级站点的效率更加具有吸引力并且成本更低。并且，4级站点表现出20倍于6级站点的可发展风力资源。当前在4级站点风能的市场价格范围是5至6分(￠)每kWh，该资料出自国家再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory)，Developing Low Wind Speed Turbines(发展低风速涡轮)，网址http：//www.nrel.gov/wind/about lowspeed.html(最后访问时间是2004年4月14日)。

风轮机推进器及其到转子系统的移动可能是涡轮设计中的独有的最重要的元件。推进器的设计用于设定从风中提取的能量以及驱动涡轮负载和动力的关键方面。尽管公知当前的三叶片逆风刚性设计可能在以后的机械装置的负载方面有所限制。已经提出了一种范围更广的替换设计，其对推进器结构的一个或多个方面进行了改变，包括叶片的数目、顺风运转、颠震、摇摆、弯曲，以及被设计为减小峰值和疲劳载荷的很多系统控制和反馈方法。然而，迄今为止，所有重大的发明和改进都是致力于改进推进型涡轮的效率的。

目前，大多数二或三叶片涡轮机设计都增大涡轮的尺寸以提高能量产生能力。然而，涡轮机的这种增加的尺寸会导致更多的材料成本、更大的重量以及更强的噪音，而在能量产生效率方面没有太多的改进。这样的涡轮机不能在例如10mph的低风速下运转，并且一旦风速超过10mph则需要电机来启动叶片的转动。另外，这样的涡轮机不能在例如65mph以上的高风速下运转。并且这些涡轮具有每分钟30至60圈的轴转速。相反，大多数产生电能的发电机所需的转速是1200至1500rpm，该速度比涡轮机速度大20至50倍。因此，必须在涡轮轴和发电机转子之间插入变速箱以提高涡轮轴输出的转速。然而，变速箱会严重降低动能转换为电能的效率。

包含在本说明书中的背景技术部分的信息(其包括任何引用的参考资料以及任何与其相关的描述或论述)，仅作为技术上的参考目的被包含，并不应认为是限制本发明范围的主题。

发明内容

本发明致力于一种发电系统，该发电系统由设置于位于塔顶平台上的一排新颖的风驱动涡轮机组成。每个涡轮机具有多个S形叶片，该S形叶片平行于至少一个水平定向轴而安装并且从该至少一个水平定向轴沿径向向外延伸。每个涡轮轴可以直接与用于产生电能的发电机相连接，。

通过随后的在附图中得以进一步示出的并由所附权利要求所限定的本发明各实施例的更详细的描述，本发明的其它特征、细节、用途和优点将将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的风驱动涡轮机的等比例视图；

图2是叶片被连接到图1的风驱动涡轮机的轮缘的连接的分解详图；

图3是叶片被连接到图1的风驱动涡轮机的轮轴的连接的详图，其中移除了一个叶片并且轴以剖面示出；

图4是图1的风驱动涡轮机的叶片的等比例视图；

图5是图4所示的叶片的右视图；

图6是图1所示的风驱动涡轮机的轮轴、轮缘、和辐条组件的分解等比例视图；

图7是包括轴和轮轴之间的界面的图1所示的风驱动涡轮的沿图1所示的线7-7剖开的截面图；

图8是根据本发明另一实施例的驱动一对发电机的连接在一起的一对风驱动涡轮的等比例视图；

图9是根据本发明另外的实施例的被安装在塔平台上的一对风驱动发电机的等比例视图；以及

图10是根据本发明又一实施例的安装在塔平台上的一排风驱动涡轮机的等比例视图。

具体实施方式

这里，本发明公开了一种用于产生电能的新颖的风驱动涡轮系统。与统治当前风力发电工业的推进器式的涡轮机设计不同，本发明呈现了一种新颖的涡轮机设计和发电机连接。每个涡轮机具有多个S形叶片，其平行于水平定向轴而安装并从水平定向轴沿径向向外延伸。每个涡轮轴可以直接与发电机转子相连，而不通过传动装置，以产生电。本发明可以包括安装在位于塔顶的平台上的一排这样的风驱动涡轮机。

图1示出了根据本发明的一个实施例的风驱动涡轮系统中使用的涡轮机2。涡轮机2的主要部件包括轴4、多个叶片6、位于叶片6的相对端的一对轮缘8、位于每个轮缘中心的一对轮轴10、以及在每个轮缘8中的对应于叶片6的数目的并从每个轮轴10径向地延伸至每个轮缘8的多个辐条12。在所描述的实施例中，轮缘8的直径约为12英尺。如图6最佳所示，轮缘8由固定在一起的两半部组成，它们是第一轮缘半部14和第二轮缘半部16。每一轮缘半部14、16可以由断面为圆形的被弯曲成半圆弧形的钢管组成。每个轮缘半部14、16的每一端形成有用于使第一轮缘半部14与第二轮缘半部相配合的凸缘18。第一和第二轮缘半部14和16中的每个的一端设置有轮缘塞(rim plug)20，该轮缘塞20的外径略小于形成轮缘半部14、16的钢管的内径。每个轮缘塞20位于相对的凸缘18的内径与轮缘半部中。每个轮缘凸缘18限定了4个等间隔设置在形成轮缘半部14、16的管的圆周上的孔22。相对的轮缘凸缘18的孔22彼此对齐并且容纳轮缘凸缘螺栓24以将第一和第二轮缘半部14、16的相对的轮缘凸缘18固定在一起。

如前所描述，轮轴10或外壳位于每个轮缘8的中心。轮轴10由两个不对称的构件组成，其分别为较小轮轴外壳26和较大轮轴外壳28。多个辐条12(在图1和6所示的实施例中是8个)被固定于轮轴10并且每个辐条均从轮轴10径向地向外延伸，同时多条辐条12的每个的相对端固定于轮缘8。尽管可以使用其它形状的截面，但是这里的每个辐条可以为方形截面的一段钢管。涡轮机2的每个轮缘8上可以具有最多10个辐条。每个辐条12与每个相邻的辐条12分开相等角距离。每个辐条12固定于轮轴10的外表面并且与轮轴10的每端距离相等。所有8个辐条12固定于轮轴10。辐条12中的3个，例如，通过焊接而固定在较小轮轴外壳26上，同时辐条12中的5个，例如，通过焊接而固定在较大轮轴外壳28上。例如，通过焊接，将连接在较大轮轴外壳28的辐条12中的4个固定在第二轮缘半部16的相对端。例如，通过焊接，将连接在较小轮轴外壳26的辐条12中的3个固定在第一轮缘半部14的相对端。

第8个辐条是可拆卸的辐条12’。虽然是被焊接在较大轮轴外壳28的，但可拆卸的辐条12’是可拆卸地安装在第一轮缘半部14上的。第一轮缘半部14可以具有辐条塞30，其在第一轮缘半部14上的与可拆卸辐条12’的径向延伸端相对齐的位置上向内径向延伸。辐条塞30的侧壁尺寸可以略小于可拆卸辐条12’的侧壁尺寸，由此使得可拆卸辐条12’可以套设在辐条塞30上并且通过辐条螺栓32连接至辐条塞30。可替换地，辐条塞30和可拆卸辐条12’的侧壁尺寸可以互换并且可拆卸辐条12’可以被插装在辐条塞30之中。在另一个实施例中，可拆卸辐条12’可以通过安装在第一轮缘半部14周围的U形支架(未示出)而连接至第一轮缘半部14，其中U形支架每个支腿螺栓固定在第八辐条12’上。U形支架还可以被焊接或用螺栓固定在第一轮缘半部14上，以保持在第一轮缘半部14上的固定位置。

如前面指出的，如图6和图7最佳所示，轮轴10被设计成可沿着延伸穿过限定轮轴的圆柱体的弦平面(cord plane)而劈开为两个不对称的部分，即较小轮轴外壳26和较大轮轴外壳28。较小轮轴外壳26和较大轮轴外壳28可以通过4个轮轴外壳螺栓34被固定在一起。由于轮轴10的不对称结构，第一和第二轮缘半部14、16的不对称辐条设计以及将可拆卸辐条12’设计为可移动地连接至第一轮缘半部14的基本原理是显然的。特别的，由于较小轮轴外壳26具有较小的弧长，所以仅有3个辐条12与其连接。相反，较大轮轴外壳28具有较大的弧长并且可以容纳剩余的5个辐条12。然而，希望由相等数目的辐条12支撑的第一和第二轮缘半部14、16具有结构强度。所以，当轮轴10和轮缘8中的每个被拆卸时，较大轮轴外壳28仅通过4个辐条12被连接至第二轮缘半部16，而较小轮轴外壳26通过3个剩余的辐条12被连接至第一轮缘半部14。最后的辐条，即可拆卸辐条12’，从较大轮轴外壳28额外地延伸，但并不永久地固定在第一或第二轮缘半部14、16中的任何一个上。在该方法中，虽然轮轴10具有不对称外壳部分，但是第一和第二轮缘半部14、16由相等数目的辐条12支撑。

在图1所示的实施例中，轴4实际上由左轴4a和右轴4b组成，其中的每个位于涡轮机2的每一端上的分离的轮轴10内。轴4被劈为两部分，以便于涡轮系统的组装和拆卸容易进行，例如，出于维修的目的。可选地，轴4可以是整体结构(未示出)并且横跨每个轮轴10和轮缘8之间的间距。在另外的实施例(未示出)中，轴套可以被插入在左轴和右轴中的每个轴的每个内侧端部之间，并处于其周围且与其连接，以将左轴和右轴连接在一起。左轴和右轴4a、4b中的每个轴延伸穿过每个轮轴10中心的轴向轴承孔36。左轴和右轴4a、4b中的每个在其相应轮轴10中同轴地对齐。

如图3、6和7所示，每个轮轴10的轴承孔36形成为第一直径的中心钻孔，其中该钻孔在轮轴10的每一端处向外张开以形成较大的第二直径的圆形容器(well)。该容器作为密封的圆形轴承滚道40所用的轴承座38。，每个轴承40的从中心轴承孔36的周界径向测量的径向壁深大于轴承座38的径向壁深。每个轴4a、4b的直径均小于轮轴10的中心轴承孔36的直径，但是等于轴承40的内径。因此，轴4a、4b被轴承40支撑在轮轴10内。然而，当轴4a、4b置于轴承滚道40上时，实际上轴4a和4b并不在轮轴内并相对于轮轴10旋转。轴承40的目的主要是使得轴4a、4b易于插入轮轴10中的轴承孔36以及从其中移除，如下所述。

分别被确定为内部轴凸缘42和外部轴凸缘44的一对环绕的圆环形的轴凸缘位于轴4a、4b每一端上。轴凸缘42、44中的每个与轮轴10中的每个轴承座38对齐且抵靠着轮轴10的端面而设置，以将圆形轴承滚道40保持在每个轴承座38中。轴承凸缘42、44的外径大于轮轴10中轴承座38的容器所限定的直径。每个轴承凸缘42、44分别通过4个轴凸缘螺栓48被固定在轮轴10的相应的端面上。每个轴凸缘42、44可以与轴4形成为整体、或可以永久地固定在轴4上、或可以可拆装地固定在轴4上、或可以不连接地仅环绕轴4。

在图7所示的实施例中，外部轴凸缘44不固定在轴4上，而内部凸缘42永久地焊接固定在轴4上，例如，通过焊接，其由焊缝50表示。因此，叶片6连接至轮轴10，轮轴10连接至内部凸缘42，并且内部凸缘42连接至轴4。通过该一系列的连接，叶片6的转动运动被传递到轴4。由于轴4只是永久地固定在内部轴凸缘42上，仅通过将轴凸缘螺栓48从内部轴凸缘42上移除并且轴向向内地将轴4从在轴承40上的轮轴10和枕垫块52中拉出，就可以将轴4从轮轴10和相邻的支撑枕垫块52上移除。由于外部轴凸缘44不固定在轴4上，可以将轴4拉过外部轴凸缘44和轮轴10。这使得涡轮系统的维护很容易。

在图1所示的本发明的实施例中，涡轮机2由8个叶片6组成。每个叶片6的尺寸和形状相同。在实验实施例中，每个叶片6被设计为大约6英尺宽、10英尺长。叶片6安装在涡轮机2上，其中叶片6的长度方向平行于轴4的轴线。每个叶片6的一个长边缘连接至轮缘8。该边缘被当作前缘54。每个叶片6的相对的长边连接至每个轮轴10。该边缘被当作叶片6的后缘56。叶片6的前缘54连接至前缘支撑件58。前缘支撑件58可以是一段截面为正方形的沿着叶片6的前缘54焊接的钢管。类似的，叶片6的后缘56连接至后缘支撑件60。后缘支撑件60同样可以是一段截面为正方形的沿着叶片6的后缘60焊接的钢管。

如图2最佳所示，多个轮缘螺母62可被焊接每个前缘支撑件58的对应的相对端上或端中。对应于每个轮缘螺母62的在每个前缘支撑件58上的位置，多个孔形成在轮缘8中。多个相应的轮缘螺栓64被插入在轮缘8的孔中并从中穿过，同时被固定在每个叶片6的前缘支撑件58中相应的螺母62上。如图3最佳所示，每个后缘支撑件60的每个横向端形成有一对孔，通过该孔每个后缘支撑件60被安装在每个轮轴10上。轮轴螺栓66穿过后缘支撑件60内的每对孔而放置并且被固紧在轮轴10的外表面的螺纹孔中，以将后缘支撑件60固定在每个轮轴10上。

如图1、4和5所示，每个叶片6形成为机翼形，其中前曲面68过渡为后曲面70。前曲面68与叶片6的前缘54邻接，而后曲面70与叶片6的后缘56邻接。前曲面68和后曲面70在叶片6的相对侧上限定了叶片6中的凹度，使得当从叶片6的横向端部观察时叶片呈S形，如图5所示。在与之前描述的叶片的尺寸一样的实验的实施例中，前曲面68的曲率半径可以在35英寸到50英寸之间，后曲面70的曲率半径可以在20英寸到30英寸之间。在与图1、4和5所示基本一致的实验的实施例中，前曲面68的曲率半径是大约42.125英寸，后曲面70的曲率半径是大约25.25英寸。在从叶片6的前缘68开始在叶片6宽度的大约三分之二处，前曲面68过渡到后曲面70。

以紧邻每个叶片6的每个后缘支撑件60被固定在轮轴10的位置的方式，每个辐条12被焊接在轮轴10上。每个叶片6和每个辐条12从每个轮轴10朝向轮缘8大体彼此邻接地沿径向延伸。由于每个叶片6形成有前曲面68和后曲面70，所以每个辐条12固定在轮缘8的点与每个前缘支撑件60通过螺栓固定在轮缘8的点是分开的。前曲面68的凸侧被定位成与相应辐条12的一端邻接。辐条板72被焊接在前曲面68凹侧的尖端并且还被焊接在相邻辐条12的对应边缘，以对每个叶片6提供附加的结构支撑。因为轮轴10的直径大于轴12的直径，每个叶片6的后缘70与在涡轮机2的每个轮轴10之间延伸的轴12间隔设置。

如图1所示，每个轴12从每个轮轴10横向地向外延伸并且穿过转动地支撑涡轮机2的枕垫块52。每个枕垫块52被装配在轴支架74上，该轴支架74设置有用于装配枕垫块52的表面，从而垂直地支撑涡轮机2。在这里所公开的实施例中，每个轴支架74为具有两条钢腿的A形框架支撑结构。每个轴支架高于涡轮机2的轮缘8的半径，从而将涡轮机2支撑在轴支架74所在的平台表面之上。这使得涡轮机2的轴4在枕垫块52中的环状轴承76中自由地旋转。轴4进一步横向延伸足够的距离，超出枕垫块52，使得其可以连接至从发电机78(见图8)延伸的转子轴(未示出)或连接至来自相邻涡轮机2的其它相对的相应转子轴，下文中对此还将详细描述。通过将涡轮轴4连接至发电机78的转子，涡轮机2的动能通过发电机78被转换为电能。因为除了发电机转子之外在轴4上仅有的阻力是枕垫块52中的环状轴承76，所以涡轮机2是自由旋转的，没有了中介齿轮、传动装置和其它支撑结构的阻碍和摩擦力，即使很低的风速也能使涡轮机2转动。

在本发明的一个实施例中，示例性的发电机78可以是具有三级定子和永久磁性转子组件的变速发电机。发电机78还可以被设计为双向旋转并且可以被外部地整流换向。定子、激励绕组和铁心被优选地被密封，以防止空气、湿气或其它污染物渗透到发电机78中。这样的示例发电机78可以在200rpm(转数/分钟)时具有240kW的额定功率、在100rpm时有120kW的额定功率、以及在50rpm时有60kW的额定功率。无负载的飞逸转速可以达到接近300rpm。该发电机78可以具有接近8000ft-lbs的额定转矩以及接近80ft-lbs的启动(cogging、starting)转矩。该发电机78可以具有接近95％或更高的效率。每个发电机78电连接至将风驱动涡轮系统和电力供应网连接在一起的动力传送线。

如图8和9所示，发电机78可以安装在一个或多个与轴支架74在结构上类似的发电机支架80上。例如，发电机支架80可以为A字形钢制框架支架，并且发电机78安装在该框架顶端。发电机78以一定高度被安装在发电机支架80上，使得从发电机78露出的转子轴(未示出)与涡轮轴12轴向对齐。发电机78的转子轴可以通过转子连接器(未示出)直接连接至涡轮轴12。在可替换的实施例中，可以将变速箱置于涡轮轴12与转子轴之间，以提供涡轮轴12和转子轴之间的被提高了的传动比。当在风速很低的地区使用该涡轮系统时，变速箱可以提高发电机78中转子轴的转动频率以便在如此低的风速下产生电能。在又一实施例中，涡轮机2的左轴和右轴12可以连接至分离的发电机78。

如图8所示，在一些实施例中，涡轮机是涡轮排2a、2b的一部分。在该实施例中，如果将第二涡轮机2b装配在与第一涡轮机2a直接相邻的位置上，并且涡轮机2a和2b的邻接的轴4对齐，那么涡轮机2a和2b之间的邻接轴4可以与轴连接器82连接在一起。如图8所示，右边涡轮机2b的右轴4b的右侧端连接至从第一发电机78延伸的转子轴(未示出)。类似的，左边涡轮机2a的左轴4a的左侧端连接至从第二发电机78延伸的转子轴(未示出)。轴连接器82使的邻接轴4同步，进而又与涡轮机2同步，从而连接至轴4的每个外端的发电机78的转子轴以相同的速率旋转。

如图9所示，一个或多个涡轮机2和所连接的发电机78可以单独地位于高度可达几百英尺(例如，200英尺)的塔86的顶部的平台84上或以成排的多个相似涡轮机2的方式布置其上。塔86可以为栅格状或管状的结构。平台84可以被固定地安装在塔86的顶部或安装在中介偏转系统(未示出)的顶部，使得平台84沿任何角度方向围绕塔86的顶部旋转，以将涡轮机2定向在风中。平台84在其周界上可设置有安全护栏系统88，用于为安装或维修平台上的涡轮机的工作人员提供安全保障。

如图9所示，两个相同的涡轮机2与两个发电机78分别被安装在轴支架74的平台84上和发电机支架80上。希望能安装成对涡轮机2，因为即使一个涡轮机2为了维护而脱机时另一个涡轮机2仍可以运转。多个支柱90安装在平台84上并垂直延伸至高过被安装的涡轮机2的高度。顶棚92可以被安装在位于成对涡轮机2上方的支柱上，以保护涡轮机2不受雨、雪或其它天气条件的影响。如图9所示，顶棚的形状是弓形的，但是其可可采用适于顶棚的任何所需形状，例如，平的、倾斜的、尖的等。顶棚板92还可以横向延伸至能够附加地覆盖发电机78的宽度。可替换地，发动机78中的每个可设置有单独的覆盖物或以其它方式被构造以天气抵抗影响。

支撑涡轮机2的一排塔86可被密集地布置，以便从特定地理区域向电力网提供所需的发电量。附加地或可替换的，如图10所示，在平台84上的由塔86支撑的支柱90可交替地支撑位于第一对涡轮机2之上的第二平台84’，以支撑第二对涡轮机2和发电机78。在该实施例中的支柱90需要足够坚固以支撑第二对涡轮机2和发电机78的重量。在图10中的第一和第二对涡轮机2的布置从任何方面看都与之前相关于图9所述的一对涡轮机2的布置是一样的。位于第二平台84’上的第二组支撑支柱90支撑位于第二对涡轮机2上方的坚固的弓形顶棚92，以向涡轮机2提供一些保护使其不受雨、雪等其它天气条件的影响。顶棚板92还可以横向延伸至一宽度，使其另外地覆盖发电机78。

在图9和图10中，前屏障94和后屏障96(见图10)跨过每对涡轮机2前面和后面的支柱90之间。在图9中，前屏障94和后屏障96从平台84延伸至顶棚92并且横向延伸至少成对涡轮机2的宽度。在图10中，第一前屏障和第一后屏障94、96从平台84延伸至第二平台84’的下侧。第二前屏障和第二后屏障94、96从第二平台84’延伸至顶棚92。前屏障和后屏障94、96可以由金属丝网或钢丝网制成，并被设置为阻止碎屑或其它物体被吹入涡轮机2以及阻止鸟飞入涡轮机2或在涡轮机2中筑巢。侧屏障98可以类似地用于跨过成对涡轮机2的每侧上的前和后屏障94、96之间的距离。侧屏障98可以是铰链连接的面板，以便于进入涡轮机2进行维护。发电机78可以被容纳在侧屏障98中或之外。

可替换地，如图10中的与上面的成对的涡轮机2相关的所示，同样可以用金属丝网或钢丝网轮缘屏障板100覆盖由涡轮机2的每个轮缘8所限定的区域，以防止物体被吹入到涡轮机2的叶片6上。该轮缘屏障板可以是集中在一起的一些饼状板，以便于组装，这些饼状板在所示每个辐条之间延伸。可以通过将轮缘屏障板100和每个辐条12用螺栓固定在一起将其连接起来。由于轮缘屏障板100是透风的，所以一旦空气穿过涡轮机2，空气将会被从区域中排出而不会被困住，从而不会产生将在涡轮机中形成阻碍的死阱(deadpocket)或逆流(eddy)。

如图9所示，可以进一步在平台84上设置前和后挡风板102。每个挡风板102分别被安装在位于顶棚92(或图10中上部平台84’)的下端和平台84、84’的上部和下部滑行轨道104内。每个滑动挡风板102的宽度可以达到涡轮机2宽度的一半或更多。可以通过液压启动或电机启动使滑动挡风板102在涡轮机2前面的轨道104中移动，以减小冲击涡轮叶片6的气流量。控制器可以基于风速监控设备的风速输入而启动板102的覆盖涡轮机2的移动。如果风速到达阈值等级，板102可以逐渐地移动到涡轮机2的前面。空气量的减小可能是需要的，例如，在高风速的环境下为了减少冲击涡轮叶片6的风量从而转换了涡轮轴12的旋转速度，使得涡轮机2可以继续运转而不会由于害怕机械故障或发电机过载而将其关闭。需要将挡风板102设置于与每个涡轮机2的轮缘8等距的中心，以平衡冲击涡轮叶片6的气流并且使加在涡轮机左轴和右轴12中之一上的过载横向转矩的可能性最小。

在如图10中关于顶部的涡轮机2对所示的可替换实施例中，每个涡轮机2可设置有一对挡风板102，将该挡风板从涡轮机2的每个横向端插入至涡轮机2的前面。当把一对板102等比例地插入至涡轮机2前面时，它们可以保证冲击涡轮机2的气流始终冲击涡轮叶片6的中心，从而将附加在左轴或右轴12上的转矩最小化。以这种方式在每个涡轮机2使用一对挡风板102，可以进一步使得沿着每个涡轮叶片6的长度方向的气流具有平衡的横向偏移。在如图10所示的另一个可替换的实施例中，可以在上部平台84’下方(或顶硼92下方)安装滚动式帘子106，并使其位于涡轮机2的前面。在该实施例中，可以将滚动式帘子106向下打开在涡轮机2的前面，以便以类似方式限制气流，同时不使左轴或右轴12上产生不平衡的转矩在很高风速影响的环境下为了有效地限制涡轮机的转动并且防止涡轮机2以及所连接的发电机78被损坏，需要有横跨平台84和顶棚92之间的距离的滚动式帘子106。

如前描述，每个叶片6被设计成机翼状，在很低风速时以及在风的进入角度不是直接垂直于涡轮叶片6时，机翼状适于在涡轮机2中引起转动。涡轮机2通常被设置成，使得涡轮叶片6的面基本定位成垂直于主要风向。以这样的方式，叶片6的前曲面68作为叶片桶(bucket)，以收集风的入射气流量。风产生的压力促使轴12上的涡轮机2转动。当风朝向涡轮机2的正面吹时，叶片6的前缘54被迫向下。从右边看涡轮机2时，如图所示，涡轮机2将会沿逆时针方向旋转。另外，由于叶片6的机翼形状，当风以类型于飞轮的方式驱动叶片6时，来自涡轮机2的横向端的风气流同样会启动涡轮机2的转动。

除了风的压力沿向下方向推动叶片6的前曲面68以外，过度的压力迫使空气从相邻叶片6之间所限定的空间的每个端部排出。从涡轮机2前面观看时，涡轮叶片6的前缘54的向上的曲率，部分地阻挡风进入下涡轮机叶片和上涡轮机叶片之间的死阱(pocket)，直到下涡轮机叶片处于一定角度，该角度使得在下叶片上的风的进入角将迫使风沿向下的方向。因此，叶片6的前缘54的向上的曲度确保了涡轮机2的转动总是沿相同的向下方向的(当从前面看涡轮机2时)。

随着叶片6向下并进而朝着涡轮机2的后面旋转，在相邻叶片6之间的死阱中存在朝向叶片6的后缘56的更高的压力以及朝向叶片6的前缘54的更低的压力。该压力的差值是由涡轮机2的向心力引起的，该涡轮机2在更靠近前缘54的位置将空气从死阱中排出。当死阱意图达到的压力平衡时，该从高到低的压力差还会导致空气从叶片的后缘56流向前缘58。越过涡轮机2背面上的叶片6的这种向外的气流有助于提供穿过前曲面68的气动升力的一些措施。

另外，由于每个叶片6的后缘56不连接至轴12，并且轴12没有在轮轴10之间完全延伸，所以在叶片6的每个后缘56与轴12之间存在缝隙。这使得来自涡轮机2正面的两个相邻叶片6中间的死阱的气流可以穿过即时位于涡轮机2背面的两个相邻和相对的叶片6之间的死阱。这种从正面定位叶片流向背面定位叶片的气流在涡轮机2的背面冲击后曲面70的下凹端，从而沿向上方向推动涡轮机2背面上的叶片6，并且帮助涡轮机2沿逆时针方向的转动。另外，来自涡轮机2的轴线方向的气流与从叶片6的后缘56的高压空气流到其前缘54的低压空气的空气流相结合。该附加气流增加了前曲面68的下凹端上的气动升力。由于涡轮机2背面相邻叶片6之间的出口面积大于靠近轴12的叶片6之间的入口面积，从而避免了气流的停滞和阻塞。

同样很明显的是，当主风向转换至从涡轮机2的背面吹过来的方向时，叶片6将会以类似方式接收到风并且使涡轮机2转动。从如图所示的右端观看时，涡轮机2的转动仍为逆时针方向。然而，在这种情况下，背面的前缘54会被前曲面68中聚集的空气量向上推。类似地，压力差和气动升力的作用将会背传递至涡轮机2正面的叶片6上，该叶片进而被迫朝向。

尽管以上已经描述了本发明的具有一定程度的具体性的各种实施例，或者参考一个或多个单独的实施例，在不背离本发明精神或范围的前提下，本领域技术人员可以对本发明做出多种改变。应当理解，之前的描述和附图中包含的所有内容都仅是对特定实施例进行说明的而不是对本发明进行限制的。所有的方向参考(例如，邻近的、末端的、上部、下部、向上、向下、左、右、横向、前面、后面、顶部、底部、上方，下方、垂直、水平、顺时针方向以及逆时针方向)只是用于分辨的目的，以帮助读者理解本发明，而不对本发明中所用的具体位置、方向产生限制。连接参考(例如，连接以及接合)应被宽泛地理解，并且除非指定，否则元件连接之间可能包括中间组件以及元件之间可能存在相对运动。因此，连接参考不一定表示两个元件是直接连接并且彼此固定的。应该理解，包含在上面描述和附图中所示的全部内容应被理解仅是为了说明而不是限制的。在不背离以下权利要求中限定的本发明的基本元素的前提下，可对本发明的细节或结构做出改变。

Claims (21)

1.一种风驱动涡轮机，包括：

至少一个水平定向轴；以及

多个S形叶片，其安装在所述至少一个轴周围，其中，

所述多个S形叶片中的每个限定了一个后缘；

所述多个S形叶片中的每个的后缘被定位成平行于所述至少一个轴的中心轴线；以及

所述多个S形叶片中的每个从所述至少一个轴径向地向外延伸。

2.根据权利要求1所述的风驱动涡轮机，进一步包括：

第一轮缘和第二轮缘，所述第一轮缘连接至所述多个S形叶片中的每个的第一横向端，所述第二轮缘连接至所述多个S形叶片中的每个的第二横向端；

第一轮轴和第二轮轴，所述第一轮轴连接至所述多个S形叶片中的每个的所述第一横向端，所述第二轮轴连接至所述多个S形叶片中的每个的所述第二横向端，其中，

所述第一轮轴和所述第二轮轴中的每个限定轴承孔；并且

所述第一轮轴和所述第二轮轴分别同心地定位在所述第一轮缘和所述第二轮缘中；

第一组辐条和第二组辐条，其中，

所述第一组辐条在所述第一轮轴和所述第一轮缘之间延伸；以及

所述第二组辐条在所述第二轮轴和所述第二轮缘之间延伸；并且

其中，所述第一轮轴和所述第二轮轴中的每个的所述轴承孔中分别设置有所述至少一个轴。

3.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，所述至少一个轴连接至所述第一轮轴和所述第二轮轴中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，所述至少一个轴可移动地连接至所述第一轮轴和所述第二轮轴中的至少一个。

5.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，所述第一和第二轮轴中的每个是两部分结构，其包括较小轮轴外壳和较大轮轴外壳。

6.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，所述第一和第二轮缘中的每个是两部分结构，其包括第一轮缘半部和第二轮缘半部。

7.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，

所述第一和第二轮轴中的每个是两部分结构，其包括较小轮轴外壳和较大轮轴外壳；

所述第一和第二轮缘中的每个是两部分结构，其包括第一轮缘半部和第二轮缘半部；

所述第一组辐条的一半连接至所述第一轮缘的所述第一轮缘半部；

所述第一组辐条的一半连接至所述第一轮缘的所述第二轮缘半部；

所述第一组辐条的比其一半多一根的辐条连接至所述第一轮轴的所述较大轮轴外壳；

所述第一组辐条的比一半少一根的辐条连接至所述第一轮轴的所述较小轮轴外壳；

所述第二组辐条的一半连接至所述第二轮缘的所述第一轮缘半部；

所述第二组辐条的一半连接至所述第二轮缘的所述第二轮缘半部；

所述第二组辐条的比一半多一根的辐条连接至所述第二轮轴的所述较大轮轴外壳；

所述第二组辐条的比一半少一根的辐条连接至所述第二轮轴的所述较小轮轴外壳。

8.根据权利要求2所述的风驱动涡轮机，其中，

所述至少一个轴包括第一轴和第二轴；

所述第一轴位于所述第一轮轴的所述轴承孔中；以及

所述第二轴位于所述第二轮轴的所述轴承孔中。

9.根据权利要求1所述的风驱动涡轮机，其中，所述多个S形叶片中的每个还包括：

前缘；

与前缘邻接的前曲面；以及

后曲面，位于所述前曲面与所述后缘之间；

其中，在所述多个S形叶片中的每个的第一侧上，所述前曲面是凹陷的并且所述后曲面是凸起的。

10.一种风驱动涡轮机，包括：

第一轴和第二轴，均被定位成相对于地面是水平的；

第一轮轴和第二轮轴，其中，

所述第一轮轴和所述第二轮轴中的每个均限定各自的轴向轴承孔；

所述第一轴穿过所述第一轮轴的所述轴向轴承孔；

所述第一轴可移动地连接至所述第一轮轴；

所述第二轴穿过所述第二轮轴的所述轴向轴承孔；以及

所述第二轴可移动地连接至所述第二轮轴；

第一轮缘和第二轮缘，分别同心地定位在所述第一轮轴和所述第二轮轴周围；

第一组多个辐条和第二组多个辐条，其中，

所述第一组辐条中的每个与所述第一轮轴和所述第一轮缘相连接并在其间沿径向延伸，并且所述第一组辐条中的每个与所述第一组辐条中的每个相邻辐条是等距的；

所述第二组辐条中的每个与所述第二轮轴和所述第二轮缘相连接并在其间沿径向延伸，并且所述第二组辐条中的每个与所述第二组辐条中的每个相邻辐条是等距的；以及多个S形叶片，其数目与所述辐条组中的一组的辐条数目相等，其中，

每个所述叶片限定了：

前缘；

前曲面，与所述前缘邻接；

后缘；以及

后曲面，定位在所述前曲面与所述后缘之间；

每个所述叶片的所述前缘的每个横向端分别与所述第一轮缘和所述第二轮缘相连接；以及

每个所述叶片的所述后缘的每个横向端分别与所述第一轮轴和所述第二轮轴相连接。

11.根据权利要求10所述的风驱动涡轮机，其中，每个所述叶片的每个横向端分别定位成，与所述第一组辐条中的一个和所述第二组辐条中的一个在径向上基本对齐。

12.根据权利要求11所述的风驱动涡轮机，其中，每个所述叶片的所述前曲面连接至所述第一组辐条中相应的一个和所述第二组辐条中相应的一个。

13.根据权利要求10所述的风驱动涡轮机，还包括第一屏障和第二屏障，其分别安装在由所述第一轮缘和所述第二轮缘中的每一个所限定的区域上并且跨过所述区域，以保护所述风驱动涡轮机免受鸟和吹过碎片的损害。

14.一种风力发电系统，包括：

一排风驱动涡轮机，其安装在位于塔顶部的第一平台上，每个所述风驱动涡轮机包括：

水平定向轴；

多个S形叶片，安装在所述轴周围，其中，

所述多个S形叶片中的每个限定后缘；

所述多个S形叶片中的每个的所述后缘被定向为平行于所述轴的中心轴线，以及

所述多个S形叶片中的每个从所述轴沿径向向外延伸；以及

一个或多个发电机，与所述风驱动涡轮机中的每个的所述轴相连接。

15.根据权利要求14所述的风力发电系统，其中，

所述一排风驱动涡轮机中的两个涡轮机被彼此相邻地安装；以及

所述两个涡轮机的相应轴彼此相连接。

16.根据权利要求14所述的风力发电系统，其中，所述一排风驱动涡轮机中的一部分被安装在第二平台上，并且所述第二平台被安装在所述第一平台上方。

17.根据权利要求14所述的风力发电系统，还包括一种防护装置，所述防护装置防护所述涡轮机中的每个的所述多个S形叶片中的至少部分，使入射风无法进入其中，以减少冲击所述多个S形叶片的风量。

18.根据权利要求17所述的风力发电系统，还包括：

风速监控器；以及

控制机构，其与所述风速监控器相连接并且由所述风速监控器所输出的测量值驱动，其中，所述控制机构响应风速而操纵所述防护装置，以增加或减少冲击所述多个S形叶片的风量。

19.根据权利要求14所述的风力发电系统，还包括安装在所述第一平台上的位于所述风驱动涡轮机周围的屏障，用来保护所述风驱动涡轮机免受鸟和吹起的碎片的损害。

20.根据权利要求16所述的风力发电系统，还包括安装在所述第二平台上的位于所述风驱动涡轮机周围的屏障，用来保护所述风驱动涡轮机免受鸟和吹起的碎片的损害。

21.根据权利要求14所述的风力发电系统，还包括顶棚，其安装在位于所述风驱动涡轮机排上方的所述第一平台上。

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