專利名稱：全向風(fēng)輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及這樣一種帶罩式全向風(fēng)輪機，其豎直排氣并且能夠 提取比同等直徑的自由風(fēng)輪機更多的電力。
背景技術(shù)：
近年來，對于電力呈指數(shù)級增長的全球性需求以及由于利用諸 如油和煤等不可再生燃料發(fā)電而對生態(tài)系統(tǒng)帶來的巨大的侵略性的 破壞，還有這些資源的快速消耗以及能夠跟上這種增長的需求的其它 自然資源的匱乏，已經(jīng)為找到可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的推 動力。
幾個世紀(jì)以來，人類已經(jīng)嘗試?yán)蔑L(fēng)中可獲得的巨大能量，并 且己經(jīng)在驅(qū)動帆船、泵水和磨碎谷物方面取得成功。盡管由于旋轉(zhuǎn)式 發(fā)電機的發(fā)明，已經(jīng)在利用風(fēng)能驅(qū)動發(fā)電機方面作出了一些嘗試，但 是僅僅是在最近五十年才由于發(fā)現(xiàn)了高強而輕質(zhì)的材料而開始認(rèn)為 將風(fēng)能用于該用途在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。
風(fēng)輪機廣義上劃分為兩類。如在荷蘭風(fēng)車中非常熟悉的"水平" 型，以及如在風(fēng)速測量杯/槳或達(dá)里厄氣翼單元中使用的"豎直"型。 "豎直"型風(fēng)輪機由于不需要經(jīng)常地旋轉(zhuǎn)以面向風(fēng)向，因而設(shè)計簡單、 強度高并且采用的運動部件更少，并因此眾所周知，但是與水平型風(fēng) 輪機相比較低的效率已經(jīng)使得水平型風(fēng)輪機受到偏愛。
對風(fēng)力發(fā)電所進(jìn)行的廣泛公認(rèn)的理論分析表明，可以從風(fēng)中提 取的能量與截獲受風(fēng)面積以及風(fēng)速的三次方成比例。對于在自由風(fēng)條 件下工作的風(fēng)輪機，只有通過增大葉片直徑以掃掠更大的面積來實現(xiàn)
從風(fēng)中提取更多的能量。在目前葉片直徑超過150米的商用供電單元 中就可以發(fā)現(xiàn)這一點。根據(jù)貝茨定律，能量提取的最大理論值受限于 不超過每平方米自由風(fēng)中可獲得的能量的59%。然而，即使采用如
今的高科技機器，目前也遠(yuǎn)沒有達(dá)到這一水平。
一種可選的方法是在風(fēng)到達(dá)轉(zhuǎn)子葉片之前利用擴散器、罩或其 它裝置來使自由風(fēng)加速，從而增大其每平方米的能量密度。由于可提 取的能量與風(fēng)速的三次方成比例，即使是微小的加速也能導(dǎo)致能量密 度的巨大增加，因而導(dǎo)致可提取能量的巨大增加。這還使得可以在低 得多的風(fēng)速下開始能量提取，并且可以在長得多的時間內(nèi)提取能量。 于是，這些機器可以在風(fēng)速低于自由風(fēng)輪機的可用風(fēng)速的地區(qū)使用。
盡管具有這些優(yōu)點，但是由于需要將大型罩式結(jié)構(gòu)柔性地安裝 在高度暴露于風(fēng)的位置中，并且需要該結(jié)構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)為面向風(fēng)，這一 點己經(jīng)成為這種裝置的主要缺陷。另外，隨著自由風(fēng)的風(fēng)速增大，通 過使用罩而實現(xiàn)的增速效應(yīng)會將轉(zhuǎn)子速度提高到非常高的水平，結(jié)果 在轉(zhuǎn)子葉片上產(chǎn)生較高的應(yīng)力。
為了努力結(jié)合兩種應(yīng)用的最佳效果，已經(jīng)嘗試使加速風(fēng)的罩豎 直排氣并且使風(fēng)輪機位于豎直部分中。
這種機器主要分為不同的兩類。第一類包括這樣的單元，其利
用自由風(fēng)形成螺旋形空氣運動(渦旋)而產(chǎn)生氣旋效應(yīng)，從而或者產(chǎn)
生通過喉部抽吸空氣的壓差，或者空氣直接沖擊在轉(zhuǎn)子上以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)
推力。第二類包括這樣的單元，通過該單元的空氣運動基本上是非旋
轉(zhuǎn)的。這種裝置依靠將自由風(fēng)加速并且從圓筒形單元的周圍經(jīng)由同心
或分段的溝槽進(jìn)行輸送，從而排放到轉(zhuǎn)子的掃掠區(qū)域的選定部分中。
這兩類單元中所使用的轉(zhuǎn)子從軸向翼型到混合流或離心型。第一類由 于具有多于十倍以上的增速效應(yīng)的能力而更有希望，但是這類裝置不
能滿足商業(yè)實現(xiàn)的要求。第二類由于純粹依靠通過對氣流進(jìn)行直接聚 集來加速自由風(fēng)，從而增大其能量密度，因此其增速效應(yīng)是有限的。 這種聚集通過減小風(fēng)經(jīng)過的橫截面積來實現(xiàn)。由于風(fēng)在開放環(huán)境中將 完全繞過("漏出")任何收縮裝置，因此這種直接聚集方式的最大 能力是有限的。
由于需要復(fù)雜的形狀，需要大量的運動部件，當(dāng)轉(zhuǎn)子從其掃掠 區(qū)域中的活動部分運動到非活動部分時轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較高的周期性負(fù) 荷，通過非活動部分產(chǎn)生泄漏損失以及在迫使自由風(fēng)以高度受收縮的
方式經(jīng)過增速裝置時產(chǎn)生巨大的能量損失，這些裝置的主要缺陷就在 于其構(gòu)造成本較高。較高的收縮會產(chǎn)生阻力和能量損失，這需要利用 自由風(fēng)的一些能量來克服。在多數(shù)情況下，這些阻力趨于將經(jīng)過裝置 的風(fēng)量減小到增速效應(yīng)實際上為負(fù)效應(yīng)的程度。很多這樣的裝置還依 靠另外的物理"氣門"來避免通過非活動部分的空氣損失。因此，即 使有一些優(yōu)點，增速裝置的額外成本都是不合理的。結(jié)果，增速式豎 直軸機器(甚至水平單元)在商業(yè)上還沒有吸引力，并且在與該形式 的水平軸風(fēng)輪機的競爭中還沒有得到認(rèn)可。
然而，環(huán)境主義者在如下方面提出了反對，即，對于侯鳥生命 造成傷害，通過限制當(dāng)局發(fā)出無法容忍的低頻噪聲來實施禁止，頻閃 光反射效應(yīng)以及與這些大型推進(jìn)器在聚居區(qū)的應(yīng)用相關(guān)的安全方面 的危險，由于這些反對，很多對于風(fēng)能發(fā)電來說理想的地區(qū)(例如大 型建筑物的頂部)遭受到完全的禁止。由于上述這些機器遠(yuǎn)離用電地 區(qū)，因此需要構(gòu)建昂貴的電網(wǎng)以將產(chǎn)生的能量輸送到消費者所在的地 區(qū)，這些消費者通常居住在大的城區(qū)。結(jié)果，由于輸送電網(wǎng)中的損耗 以及增大的輸送成本，可獲得的電力進(jìn)一步減少。
另外，這些機器也不能夠設(shè)置在如下地區(qū)，即，可能獲得大量 風(fēng)力資源但是由于局部地形而導(dǎo)致風(fēng)向頻繁變化，或者具有例如颶風(fēng) 或龍巻風(fēng)等風(fēng)速大增的時期，因為這很容易損壞完全暴露的轉(zhuǎn)子葉 片。
本發(fā)明的目的是解決或者至少緩解上述缺陷中的一些。

發(fā)明內(nèi)容
在本說明書中，術(shù)語"罩"用于表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的風(fēng) 輪機的總體外殼結(jié)構(gòu)。也就是說，罩表示這樣的結(jié)構(gòu)，其與限定中空 部件的結(jié)構(gòu)一起包圍并限定中央集氣室，所述中空部件在空氣已經(jīng)通 過旋轉(zhuǎn)部件的葉片之后將空氣背向所述中央集氣室引導(dǎo)。所述旋轉(zhuǎn)部 件本身被包圍在該罩結(jié)構(gòu)內(nèi)。
因此，在廣義上說，本發(fā)明提供一種用于發(fā)電的帶罩式豎直全 向風(fēng)輪機，所述風(fēng)輪機包括 a) 多個彎曲部件，其限定中央集氣室；
b) 多個豎直支撐部件；
C)中空部件，其朝著氣流方向擴大；
d)旋轉(zhuǎn)部件，其位于所述中央集氣室上方，并且與發(fā)電機連接 以便通過所述旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)發(fā)電；
所述旋轉(zhuǎn)部件位于所述中空部件的入口附近；
各彎曲部件與所述支撐部件中的至少一個相連接，從而形成進(jìn) 入所述中央集氣室的空氣入口；
所述彎曲部件和所述支撐部件中的至少一個成形并間隔，以便 將空氣引導(dǎo)至所述全向風(fēng)輪機的中央集氣室的相對側(cè)，從而減小空氣 泄漏；
所述彎曲部件和所述支撐部件成形并間隔以便將空氣引導(dǎo)至所 述旋轉(zhuǎn)部件的整個下表面。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件包括徑向彎曲的環(huán)形葉片。 優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件包括豎直壁。
優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)部件包括豎直安裝的水平軸式風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子。
優(yōu)選的是，所述中空部件包括擴散器。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件具有翼型橫截面。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件具有變化的外周直徑和內(nèi)環(huán)直徑。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件以同心布置方式固定在位。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件豎直交錯。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件以疊置布置方式設(shè)置。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件具有重疊布置。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件形成中央集氣室，所述中央集氣室的 橫截面從所述彎曲部件的最低位置向所述彎曲部件的最高位置擴大。 優(yōu)選的是，所述中央集氣室朝向中央喉部區(qū)域會聚。 優(yōu)選的是，所述中央集氣室與所述中空部件的內(nèi)表面輪廓是連 續(xù)的。
優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件具有空氣動力學(xué)形狀。 優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)部件以其軸線豎直的方式安裝在所述中央
喉部區(qū)域附近。
優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)部件包括翼型葉片。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件使進(jìn)入所述罩的空氣聚集，從而導(dǎo)致 在所述彎曲部件的非活動部件所形成的空氣通道上形成流體動力氣 門，從而避免空氣泄漏。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件中最下面的彎曲部件成形并構(gòu)造成將 空氣引導(dǎo)至壓力比所述罩的外部空氣壓力更低的非活動彎曲部件，從 而促進(jìn)氣門效應(yīng)。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件和所述豎直支撐部件的方向適于接受 并利用來自任何方向的風(fēng)。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件和所述豎直支撐部件的方向適于引導(dǎo) 空氣經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)部件的整個掃掠區(qū)域。
優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電動力傳輸組件和裝 置相連接。
優(yōu)選的是，在鐘形口的上部與底部支撐板之間，利用3至6個 基本上豎直的支撐部件固定所述彎曲部件。
優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件包括倒置翼型部分，所述倒置翼 型部分的兩個豎直壁面具有相同的表面曲率。
優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件具有從各豎直支撐部件的兩個表 面的前緣到后緣形成的保持邊界層的空氣溝槽。
優(yōu)選的是，所述保持邊界層的空氣溝槽相對于外表面的切線以 小于15度的角度離開各豎直支撐部件的兩個表面。
優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件從所述空氣入口到所述中央集氣 室的周邊以相等的間距徑向布置。
優(yōu)選的是，所述豎直支撐部件包括厚度在弦長的35%至50%之 間的翼型壁葉片。
優(yōu)選的是，各豎直支撐部件的最厚部位距所述前緣的距離大于 所述弦長的51%。
優(yōu)選的是，在距離所述后緣為所述弦長的15%的范圍內(nèi)，所述 豎直支撐部件的兩個表面之間的夾角在75至150度的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，所述風(fēng)輪機包括四個或更多個從水平到接近豎直的 彎曲環(huán)形葉片，所述環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)直徑在所述轉(zhuǎn)子直徑的20%至 145%的范圍內(nèi)變化。
優(yōu)選的是，各彎曲部件的凸形表面和凹形表面的曲率半徑等于
所述旋轉(zhuǎn)部件的直徑的25%至55%。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件在外周處相對于水平方向以小于20度 的角度開始彎曲，相對于水平方向以50至70度之間的豎直彎曲角終 止。
優(yōu)選的是，連接最大彎曲部件的內(nèi)周和任何其它彎曲部件的內(nèi) 周連接的最短直線與任何豎直軸線之間的角度在5至35度的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件疊置為在所述彎曲部件之間存在間隔， 使得各彎曲部件的前緣和后緣重疊，重疊量的最小值為所述旋轉(zhuǎn)部件 的直徑的2%。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件將進(jìn)入所述罩的空氣聚集在所述旋轉(zhuǎn) 部件的整個掃掠區(qū)域上。
優(yōu)選的是，在任何一對彎曲部件之間，所述全向風(fēng)輪機的內(nèi)部 出口通道面積為外周入口通道面積的25%至75%。
優(yōu)選的是，所述喉部區(qū)域的面積不小于所述彎曲部件中的最上 面部件的環(huán)形中心面積的70%。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件的最上面部件是鐘形口環(huán)形葉片。
優(yōu)選的是，在至少一個彎曲部件中，從所述至少一個彎曲部件 的凹形表面?zhèn)鹊酵剐伪砻鎮(zhèn)刃纬啥鄠€空氣通道。
優(yōu)選的是，所述多個空氣通道相對于至少一個彎曲部件的表面 的切線以小于15度的角度終止并離開所述至少一個彎曲部件的凸形 表面?zhèn)取?br> 優(yōu)選的是，所述中空部件具有同心敞頂排氣口，所述排氣口的 直徑是所述旋轉(zhuǎn)部件的直徑的130%至180%。
優(yōu)選的是，所述中空部件的敞頂排氣口設(shè)置有圍繞所述中空部 件的外周的水平楔形件和套圈。
優(yōu)選的是，在所述中空部件的排氣口之下設(shè)置楔形件，所述楔形件距所述排氣口的高度在所述中空部件的上部直徑的7%至19% 之間。
優(yōu)選的是，所述楔形件的表面長度在所述中空部件的套圈的高
度的135 %至160%之間。
優(yōu)選的是，在主楔形件之下圍繞所述中空部件的外本體均勻間 隔地周向設(shè)置有另外的小楔形件，多個空氣通道從所述中空部件的外 表面到達(dá)內(nèi)表面。
優(yōu)選的是，多個空氣通道相對于所述中空部件的外表面的切線 以小于15度的角度終止并離開所述中空部件的外表面。
優(yōu)選的是，在獨立支撐的機艙中，直接在所述旋轉(zhuǎn)部件上方設(shè) 置有發(fā)電單元，所述機艙位于所述旋轉(zhuǎn)部件的遮蔽件的下游。
優(yōu)選的是，所述機艙通過與所述中空部件連接的傾斜徑向支撐 結(jié)構(gòu)固定。
優(yōu)選的是，在獨立支撐的轉(zhuǎn)子轂頭錐中直接在所述旋轉(zhuǎn)部件下 方設(shè)置有發(fā)電單元。
優(yōu)選的是，所述頭錐通過從底部支撐板延伸到所述頭錐的柱支 撐結(jié)構(gòu)固定。優(yōu)選的是，所述旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)由支撐軸承上的旋轉(zhuǎn)軸與完整的發(fā) 電組件連接。
優(yōu)選的是，所述彎曲部件包括以封閉多邊形的方式布置的任何 彎曲葉片。
優(yōu)選的是，所述套圈的傾斜表面相對于豎直方向形成5至20度 之間的角度。
優(yōu)選的是，所述中空部件基本上為半橢球形，在所述橢球形的 開始位置和結(jié)束位置處的切角是特定的。
更廣義上說，本發(fā)明提供一種在用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng) 輪機上使用的中空部件，所述中空部件的橫截面朝著氣流方向擴大。
優(yōu)選的是，所述中空部件包括擴散器。
優(yōu)選的是，所述中空部件具有同心敞頂排氣口，所述排氣口的 直徑是所述旋轉(zhuǎn)部件的直徑的130%至180%。
優(yōu)選的是，所述中空部件的敞頂排氣口設(shè)置有圍繞所述中空部 件的外周的水平楔形件和套圈。
優(yōu)選的是，在所述中空部件的排氣口之下設(shè)置有楔形件，所述 楔形件距所述排氣口的高度在所述中空部件的上部直徑的7%至19 %之間。
優(yōu)選的是，所述楔形件的表面長度在所述中空部件的套圈的高
度的135%至160%之間。
優(yōu)選的是，所述中空部件具有另外的小楔形件，所述小楔形件 在主楔形件之下圍繞所述中空部件的外本體均勻間隔地周向設(shè)置，多 個空氣通道從所述中空部件的外表面到達(dá)內(nèi)表面。
優(yōu)選的是，所述中空部件具有多個空氣通道，所述空氣通道相 對于所述中空部件的外表面的切線以小于15度的角度終止并離開所 述中空部件的外表面。
優(yōu)選的是，所述中空部件具有發(fā)電單元，所述發(fā)電單元在獨立 支撐的機艙中直接設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)部件上方，所述機艙位于所述旋轉(zhuǎn) 部件的遮蔽件的下游。
優(yōu)選的是，所述中空部件具有機艙，所述機艙通過與所述中空 部件連接的傾斜徑向支撐結(jié)構(gòu)而固定。
優(yōu)選的是，所述中空部件基本上為半橢球形，在所述橢球形的 開始位置和結(jié)束位置處的切角是特定的。
優(yōu)選的是，所述套圈的傾斜表面相對于豎直方向形成5至20度 之間的角度。
更廣義上說，本發(fā)明提供一種形成用于發(fā)電的帶罩式豎直全向 風(fēng)輪機的方法，包括如下步驟
在接近水平的平面中從任何方向?qū)⒅車鷼饬魇占谥醒爰瘹馐?br> 中；
將氣流的方向從接近水平運動改變?yōu)榻咏Q直運動； 將氣流從所述中央集氣室的一側(cè)引導(dǎo)至所述中央集氣室的另一
側(cè)，以便在所述第二側(cè)形成氣門，從而減小從所述中央集氣室的第二
側(cè)的空氣泄漏；
將氣流引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)部件的基本上全部下表面。
更廣義上說，本發(fā)明提供一種方法，包括如下步驟將中空部 件連接在用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機中，所述中空部件的橫截 面朝著氣流方向擴大。


在附圖中示出最佳設(shè)計的結(jié)構(gòu)布置
圖l是沿著圖1A的線AA截取的豎直剖視圖，示出帶罩式風(fēng)輪
機的實施例。
圖1A是沿著圖1的線BB截取的水平剖視圖，示出壁和環(huán)形葉片。
圖1B是沿著圖1的線CC截取的水平剖視圖，示出擴散器和轉(zhuǎn) 子葉片。
圖2是環(huán)形葉片的形狀和疊置布置細(xì)節(jié)的剖視圖。
圖3是帶有楔形件、套圈和通風(fēng)槽的橢圓形擴散器壁布置的剖視圖。
圖4是帶有通風(fēng)槽的翼型豎直支撐壁的剖視圖。 圖5是帶有通風(fēng)槽的進(jìn)氣環(huán)形葉片的剖視圖。 圖6是安裝在塔式結(jié)構(gòu)上的本發(fā)明實施例的全向風(fēng)輪機的等軸 測視圖。
具體實施例方式
概述
圖1示出本發(fā)明的實施例。增力式全向風(fēng)輪機組件1安裝為其 底部2與支撐柱17剛性連接。
帶有翼型轉(zhuǎn)子葉片的直徑為"D"的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子3經(jīng)由中心旋轉(zhuǎn) 軸16安裝在非旋轉(zhuǎn)轂4內(nèi)的裝置上，該非旋轉(zhuǎn)轂4由從完整組件的 底部2延伸的支撐柱5支撐。風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子3是豎直安裝的水平軸式轉(zhuǎn) 子。
非旋轉(zhuǎn)轂4由安裝在罩?jǐn)U散器的支撐壁19上的另外的拉索18
保持。轂容納有發(fā)電機15a和用于將轉(zhuǎn)子的力矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ娜肯?關(guān)齒輪箱和控制機構(gòu)?？梢岳梦挥谧钕旅姝h(huán)形葉片10e之下的空區(qū) 20來容納對供給到終端用戶的電力進(jìn)行優(yōu)化所需的其它電力設(shè)備 15c。提供了從底部穿過支撐柱5到達(dá)轂的梯子。
在轉(zhuǎn)子3的下游側(cè)設(shè)置流線型機艙14，該機艙可以安裝在轉(zhuǎn)子 上。這種布置方式使得能夠容易通過罩組件的頂部21拆卸大型轉(zhuǎn)子。 在較小尺寸的機型中，可以不設(shè)置豎直的支撐柱5，配備有全部發(fā)電 設(shè)備15b的機艙可以由安裝在轉(zhuǎn)子下游側(cè)的罩?jǐn)U散器9的壁上的斜梁 22支撐。
藍(lán)
如圖1A所示，以相等的角度間距徑向布置的三個翼型豎直壁 6.1、 6.2和6.3從罩的底部2與豎直線成一定角度地延伸到罩的鐘形 口。這三個豎直壁從中央集氣室12的周邊附近徑向橫跨至超出環(huán)形 葉片的外周。豎直壁超出任何環(huán)形葉片的延伸部分'M'限于最大值為 0.3D。豎直壁從底部2到"鐘形口"懸盤47的豎直高度'P'最小值可 以為0.7D。
如圖4中詳細(xì)示出，翼型豎直支撐壁具有零外傾角，并且按與 標(biāo)準(zhǔn)方式相反的構(gòu)造布置，以便在空氣動力學(xué)上將沖擊在其上的空氣 朝向中央集氣室12聚集。各壁葉片的厚度'T'在葉片長度'L'的35%至 50%之間，葉片的最厚點與前緣24距離'N'不小于長度的51%。壁葉 片的兩個表面23a和23b從最厚點25朝向公共的后緣26以橢圓形彎 曲。在后緣處，葉片的這兩個表面相對于葉片的中心線以60度的傾 角'AA'終止。在距離壁葉片的后緣為弦長的15%的范圍內(nèi)，兩個壁 面之間的夾角為'AA'的兩倍，在75至150度的范圍內(nèi)。
壁的前緣24構(gòu)成有沿著從罩的鐘形口到底部的豎直邊緣精確設(shè) 置的空氣溝槽(通風(fēng)槽)開口 27。從這些開口延伸的空氣溝槽28允 許高動能空氣從前緣射入到葉片兩表面的后半部，從而增強氣流的邊 界層并且減小氣流分離。射入溝槽相對于表面的切線以小于15度的 角度'AB'離開葉片表面。這減小了加速過程中的能量損失。
環(huán)形葉片
如圖1中最佳示出，在豎直壁6.1、6.2和6.3之間固定多個環(huán)形 葉片10a、 10b、 10c、 10d和10e，這些葉片置于圖1所示罩的底部2 與鐘形口之間。如圖2所示，這些葉片具有外傾角較高的倒置翼型橫 截面。葉片將氣流進(jìn)行空氣動力學(xué)加速，并且將進(jìn)入葉片之間通道的 氣流的方向從接近水平改變?yōu)榻咏Q直。
不包括"鐘形口"環(huán)形葉片7和"端蓋"環(huán)形葉片10e在內(nèi)， 最少四個環(huán)形葉片10a、 10b、 10c、 10d提供最佳的能量捕獲和利用。 最大環(huán)形葉片的內(nèi)(環(huán))直徑與通向喉部的會聚部分11的較大開口 的直徑相等。這兩個邊緣在其周邊48處連續(xù)地連接在一起，從而形 成單個主體，該單個主體典型地為轉(zhuǎn)子所在的喉部8的"鐘形口 "入 □。
罩組件中的環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)直徑在轉(zhuǎn)子直徑的20%至145%的 范圍內(nèi)變化。為了獲得最佳結(jié)果，最小環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)49的直徑在 轉(zhuǎn)子直徑的20%至35%的范圍內(nèi)變化；最大環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)48的直 徑在轉(zhuǎn)子直徑的100%至145%的范圍內(nèi)變化。
如圖2所示，各對葉片之間的通道的總出口面積'Ex'的最小值為 相同葉片之間的通道的入口面積'En'的25%，最大值為入口面積'En' 的75%。葉片的翼型截面中心線的曲率半徑'R'在0.25D至0.55D之 間。前緣29處葉片的中心線相對于豎直線的角度'AC'為0至15度， 后緣30處葉片的中心線相對于豎直線的角度'AD'為50至70度。從 第二大的環(huán)形葉片10a開始，葉片以交錯方式布置在罩的鐘形口前 方。為了確保沒有水平視線從上風(fēng)側(cè)向下風(fēng)側(cè)穿過整個罩，各隨后的 環(huán)形葉片的后緣以最小值為0.02D的'F'與前一環(huán)形葉片的前緣重疊。 豎直線與將最大環(huán)形葉片的后緣和任何隨后環(huán)形葉片的后緣連接的 最短直線之間的角度'AE'可以在5至35度的范圍內(nèi)。位于最下面的 作為"端蓋"環(huán)形葉片的環(huán)形葉片10e直接安裝在底部2上。錐形部 分37從最下面環(huán)形葉片的后緣49延伸至與支撐柱5相接，從而完全 封閉最下面環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)。"鐘形口"環(huán)形葉片的前緣周向延伸成
為平坦的懸盤47，在豎直壁6.1、 6.2和6.3的前緣24處終止。
圖5示出空氣溝槽開口 35，其沿著前緣31的周邊并且沿著包括 鐘形口環(huán)形葉片的各環(huán)形葉片10a、 10b、 10c、 10d的凹形表面32精 確地設(shè)置。這些開口以及相關(guān)的空氣溝槽34允許高動能空氣從葉片 的前緣射入到凸形表面33，從而增強沿著凸形表面流動的氣流的邊 界層，并且減小葉片的凸形表面的氣流分離。射入溝槽在36處相對 于切線以小于15度的角度'AF'離開凸側(cè)。該措施再次減小了加速過 程中的能量損失。因為沒有空氣沿凸形表面引導(dǎo)，最下面環(huán)形葉片 10e不需要這些結(jié)構(gòu)。
參照圖1，從任何方向流動并且進(jìn)入環(huán)形葉片10a、 10b、 10c、 10d和10e所形成的罩的水平通道13a、 13b、 13c、 13d和13e的風(fēng) 將加速并且以更高的速度離開葉片進(jìn)入中央集氣室12。位置最靠近 中央集氣室的中心軸線的最下面通道13e設(shè)計為產(chǎn)生最高的出口速 度并且指向不直接面向風(fēng)的非活動通道38的表面。由于這里的壓力 低于非活動通道的入口側(cè)39中的壓力，所以空氣的這一運動作為流 體動力"氣門"，并且導(dǎo)致氣流經(jīng)由非活動通道進(jìn)入中央集氣室12， 從而大大減少進(jìn)入中央集氣室的空氣經(jīng)由活動通道逸出。
喉部
中央集氣室12的設(shè)計為這樣的從中央集氣室的下部到上部的 平均空氣速度接近一致或者增大。如圖1所示，罩的鐘形口部分的環(huán) 形葉片7朝向喉部8同心地變窄。風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子3的位置靠近喉部的下 游側(cè)。將鐘形口環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)與擴散器9連接的短會聚部分11的 喉部8的橫截面積不小于鐘形口環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)48的橫截面積的70 %。由于轂4還減小喉部面積，其直徑限于最大值為0.3D。橫截面 積的減小得越多，中央集氣室中的背壓累積就越大，并且經(jīng)過非活動 部分的空氣損失就越大。
轂4以及頭錐的氣流輪廓設(shè)計為半橢球形，以確保從活動通道 接近喉部的空氣能夠以最小的干擾流到喉部的遠(yuǎn)側(cè)。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片 的整個掃掠區(qū)域都接受到以接近一致的速度流過的空氣，從而減小轉(zhuǎn)
子葉片上的周期性應(yīng)力負(fù)荷。 擴散器、套圈和楔形件
于是，罩?jǐn)U大成為帶有敞開頂部21的同心擴散器9。如圖3中 詳細(xì)示出，擴散器具有大致半橢球形的形狀，在喉部8的下游側(cè)橢球 內(nèi)表面的切線相對于豎直線的角度'AG'最大值為30度，最小值為12 度。擴散器的內(nèi)表面38的傾角逐漸減小至最小值5度。從擴散器部 分的始點到該位置39的豎直距離'H'最小值為0.5D。該擴散器使得離 開風(fēng)輪機葉片的空氣壓力(低于大氣壓)可以穩(wěn)步升高到接近環(huán)境壓 力的水平?？諝獾乃俣入S著擴散器擴大而減小。在該位置39處擴散 器的直徑為喉部直徑的130%至180%。
擴散器以位置39處擴散器直徑的7%至19%的最小長度丁進(jìn)一 步延伸并擴大，形成為最終通向大氣21的套圈40。該套圈部分的內(nèi) 表面與豎直線形成5至20度之間的角度'AH'。楔形件41沿著擴散器 的外表面的周邊形成，從而與套圈相結(jié)合大致豎直地偏轉(zhuǎn)從上風(fēng)側(cè)接 近擴散器的自由氣流。該偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生沿著擴散器的上風(fēng)側(cè)的內(nèi)壁的抽吸 效應(yīng)，并且增加離開擴散器的氣流，從而導(dǎo)致增加通過喉部8吸取的 氣流。楔形件的較高側(cè)設(shè)置為終止于套圈40的底端39處。楔形件的 上表面與水平線形成的角度'AJ'在10至60度之間。楔形件41的表 面長度'K'在套圈的豎直高度'J'的135%至160%之間。楔形件的下支 撐件42朝向擴散器向下傾斜，并且可以是封閉的。如果沒有這里規(guī) 定的楔形件和套圈，實現(xiàn)相同的抽吸效應(yīng)所需的擴散器的長度為該布 置中擴散器長度的兩倍以上。
可以沿著擴散器的外周形成具有類似形狀但是比該楔形件尺寸 的10%更小的兩個另外的小楔形件43。如圖3所示，緊鄰小楔形件 的上表面終止的位置的上方，在罩體上周向形成空氣溝槽開口 44和 從擴散器的外表面到內(nèi)表面的通道。這些開口允許高動能空氣從上風(fēng) 側(cè)射入到擴散器的內(nèi)表面，從而增強氣流的邊界層并且減小氣流分 離。射入溝槽45相對于表面的切線以小于15度的角度'AK'離開擴散 器表面。這減小了沿著擴散器內(nèi)表面流動的空氣的減速過程中的能量
損失。
如圖1所示，完整的擴散器組件9和喉部8由豎直壁6.1、 6.2 和6.3通過安裝在鐘形口環(huán)形葉片上的延伸壁19支撐。另外的結(jié)構(gòu) 支撐柱46從擴散器延伸到豎直壁6.1、 6.2和6.3。
描述
參照上面的詳細(xì)描述，上述實施例的顯著特征總結(jié)如下
本發(fā)明提供一種豎直排氣的帶罩式全向風(fēng)輪機，其包括置于罩 內(nèi)的軸向翼型轉(zhuǎn)子。罩的敞開式設(shè)計與其它豎直排氣的罩的布置方式 相比具有最小的收縮作用，采用空氣動力學(xué)聚集，采用加速布置，流 體動力"氣門"布置可以防止泄漏，擴散器的排氣口處的楔形件/套 圈布置可以增大通過罩的抽吸效應(yīng)，上述因素促使更多的空氣流過轉(zhuǎn) 子。轉(zhuǎn)子所提取的動力通過旋轉(zhuǎn)軸機構(gòu)傳遞到發(fā)電機。
本發(fā)明實施例中的罩構(gòu)成有會聚的"鐘形口"，在通向喉部的 入口處具有環(huán)形葉片。朝任何方向移動的自由風(fēng)都被這些葉片截獲， 并且引導(dǎo)至?xí)鄄糠?。葉片沿徑向彎曲，具有翼型橫截面，在外周處 接近水平地開始延伸并且在內(nèi)周處接近豎直地終止。各環(huán)形葉片具有 不同的直徑。"鐘形口"由具有最大內(nèi)徑(環(huán))的環(huán)形葉片構(gòu)成，該 環(huán)形葉片在外周處水平延伸并且在內(nèi)環(huán)處以截錐形的形狀錐形地延 伸。為了截獲更多地風(fēng)，從第二大的環(huán)形葉片開始到最小的環(huán)形葉片 結(jié)束，隨后的環(huán)形葉片在該"鐘形口"前方交錯并同心地布置。
環(huán)形葉片的組合內(nèi)環(huán)限定中央集氣室，該中央集氣室用作空氣 朝向轉(zhuǎn)子所在的會聚喉部的整個橫截面區(qū)域移動的"封閉"管道。通 過使相鄰葉片的外周與內(nèi)周重疊來防止空氣水平地直接移動到中央 集氣室的相對側(cè)。
最小環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)由錐形延伸部分完全封閉，該錐形延伸部 分有助于將經(jīng)由位置最靠近中心軸線的該通道進(jìn)入的空氣朝向中央 集氣室的非活動環(huán)形葉片表面引導(dǎo)。
環(huán)形葉片具有通過空氣動力學(xué)形狀的豎直壁(板)固定在適當(dāng)
位置，這些壁通過環(huán)形葉片垂直地連接。豎直壁從鐘形口延伸到最下
面環(huán)形葉片的端部。這些壁橫跨各環(huán)形葉片，從環(huán)形葉片的外周前面
開始延伸并且終止于內(nèi)環(huán)處。這些壁通過在空氣動力學(xué)上將沖擊于其
上的自由風(fēng)加速，并且在該過程中以最小的能量損失將風(fēng)朝向中央集
氣室聚集，從而有助于增大自由風(fēng)的截獲。這通過如下方式實現(xiàn)，艮P，
將壁構(gòu)造成在壁的兩個豎直表面上具有相同曲率的倒置輪廓翼型，并 且具有增強邊界層的空氣溝槽，這些空氣溝槽從氣翼的前緣延伸并在
兩個表面處離開。
對自由風(fēng)的空氣動力學(xué)截獲減小了自由風(fēng)朝向罩接近的速度， 并且將風(fēng)的一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。壓力能中的一些用于克服環(huán)形 葉片中的損失；當(dāng)通過收縮的環(huán)形葉片溝槽使空氣加速時剩余的能量 再次轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽堋?br> 由于自由風(fēng)現(xiàn)在正朝向喉部沿著接近豎直的方向流入中央集氣 室，環(huán)形葉片的位于中央集氣室的相對側(cè)的非活動部分"表現(xiàn)為"幫 助進(jìn)入中央集氣室的空氣朝向罩的會聚部分和喉部流動的平面。空氣 經(jīng)過這些非活動部分的表面的高速運動產(chǎn)生具有抽吸效應(yīng)的相對負(fù) 壓，這種抽吸效應(yīng)將空氣拉入中央集氣室，其作用類似于阻止空氣經(jīng) 過非活動部分泄漏的流體動力"氣門"。當(dāng)空氣接近喉部中的轉(zhuǎn)子時， 其速度減小，這導(dǎo)致壓力增加，少量空氣經(jīng)由最近的非活動環(huán)形葉片 通道泄漏。
環(huán)形葉片構(gòu)成有從接收空氣直接沖擊的凹形表面?zhèn)鹊酵剐伪砻?側(cè)的精確設(shè)置的空氣通道。這些通道使得可以將少量空氣從高壓凹形 表面?zhèn)鬏數(shù)酵剐伪砻妗＿@些通道設(shè)置為允許傳輸?shù)目諝馀c凸側(cè)相切并 且沿著與經(jīng)過凸形表面的主氣流相同的方向離開。這減小主氣流與凸 側(cè)的分離(通過增強流體邊界層)，從而減小進(jìn)入中央集氣室時的壓 力能損失。
罩中的喉部的入口構(gòu)成有標(biāo)準(zhǔn)截錐形的會聚部分，該會聚部分 使朝向喉部移動的空氣能夠以減小的壓力損失緩慢加速。
在轉(zhuǎn)子處提取能量，并且氣流的壓力能迅速降低，從而導(dǎo)致氣 流壓力達(dá)到低于大氣壓的水平。本發(fā)明實施例中的罩構(gòu)成有從喉部的 下游側(cè)為倒置橢球形/截錐形的頂部敞開的排氣擴散器組件。通過將
一部分剩余動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芏箽饬魉俣冉档?，這使得氣流的壓力 能夠再次達(dá)到大氣壓水平。
經(jīng)過排氣口的自由風(fēng)使開口經(jīng)受朝向自由風(fēng)偏壓的壓差，并且 來自罩的空氣被吸入自由風(fēng)氣流中。這使得轉(zhuǎn)子下游的壓力能夠達(dá)到 大氣壓之下的更高水平，從而導(dǎo)致通過轉(zhuǎn)子從氣流中提取甚至更多的 能量。如果沒有壓力恢復(fù)，經(jīng)過頂部開口的自由風(fēng)氣流將處于比出口 壓力更高的壓力，并且將阻礙空氣離開擴散器，從而導(dǎo)致背壓和經(jīng)過 轉(zhuǎn)子的氣流減少。
排氣口越大，來自罩的自由風(fēng)中夾帶的空氣量就越多，喉部處 的速度就越高。然而，這一擴散過程需要逐漸進(jìn)行，并且為實現(xiàn)這一 點擴散錐需要非常長(小于15度的夾角)。由于壁處的氣流分離并 且由于排氣口處轉(zhuǎn)子的尾流受自由風(fēng)的干擾，具有較大擴散角的短錐 形將不能成功。
在本發(fā)明的該實施例中，利用安裝在擴散器排氣口附近的楔形 件和套圈減小擴散器的長度。這減小了來自上風(fēng)側(cè)的自由風(fēng)干擾，并 且增強了擴散器出口表面上的抽吸效應(yīng)。這減小喉部的背壓并且增加 通過轉(zhuǎn)子的氣流。
在擴散器的外本體上沿周向安裝另外的楔形套圈。這些楔形套 圈使自由風(fēng)集中并且引導(dǎo)其到達(dá)空氣溝槽，這些空氣溝槽沿著氣流的 方向與擴散器內(nèi)表面相切地離開。這減小沿著擴散器內(nèi)表面的主氣流 分離(通過增強流體邊界層)，從而允許以減小的壓力能損失導(dǎo)致擴 散器內(nèi)的壓力恢復(fù)。
置于喉部附近的轉(zhuǎn)子截獲加速的風(fēng)并且從中提取能量。當(dāng)風(fēng)速 增大并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增大時，背壓增大，從中央集氣室經(jīng)由非活動環(huán) 形葉片的泄漏增大，并且經(jīng)過彎曲環(huán)形葉片的壓力損失也顯著增大， 這樣，通過減小和逆轉(zhuǎn)增速效應(yīng)，使得產(chǎn)生較高風(fēng)速處的限制性條件。 這提供保護(hù)轉(zhuǎn)子不暴露于非常高的風(fēng)速的有利特征。
轉(zhuǎn)子是豎直安裝的水平軸式風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子，其能夠從風(fēng)中提取能 量。轉(zhuǎn)子包括為在這種罩的布置方式中產(chǎn)生風(fēng)能而優(yōu)化的扭曲翼型截 面葉片。對于小型單元，與齒輪箱或其它部件連接的發(fā)電裝置在出口 氣流的機艙中置于轉(zhuǎn)子葉片上方。機艙由固定在罩本體上的徑向傾斜 的梁結(jié)構(gòu)支撐。支撐結(jié)構(gòu)充分地傾斜，以確保轉(zhuǎn)子葉片的任何向上的 偏轉(zhuǎn)不會干擾各支撐部件。
對于大型單元，全部發(fā)電設(shè)備都位于轉(zhuǎn)子上游的頭錐形轂中。 從轉(zhuǎn)子的頭錐形轂延伸到罩組件底部的中空柱支撐頭錐。從底部經(jīng)由 中空柱中的梯子應(yīng)該容易達(dá)到置于頭錐內(nèi)部的單個或多個發(fā)電機。
多個環(huán)形葉片的圓形形狀可以由橫截面為漸圓形的葉片的任何 其它直形或彎曲多邊形布置代替，以實現(xiàn)相同的目的。
材料
該帶罩式豎直全向風(fēng)輪機的豎直壁、擴散器和環(huán)形葉片的材料 從高強輕質(zhì)的金屬、復(fù)合材料、夾層結(jié)構(gòu)等中選擇。環(huán)形葉片和豎直 壁具有雙層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子葉片的材料包括本行業(yè)中現(xiàn)有技術(shù)水平的高強 輕質(zhì)材料的組合，以使得轉(zhuǎn)子的起動慣性最小并且增強對微風(fēng)的響 應(yīng)。
在使用中，本發(fā)明的實施例適合用于各種地區(qū)。 一些實施例可 以用于偏遠(yuǎn)地區(qū)以及城區(qū)。實施例的帶罩特性減小了在使用中風(fēng)輪機 的部件分離的情況下給人或物體帶來傷害的可能性。
另外，通過將罩用作屏蔽件來減小風(fēng)輪機的運動部件所產(chǎn)生的 噪聲，罩的形狀將低頻噪聲降至最低。此外，帶罩特性還減小與來自 風(fēng)輪機的旋轉(zhuǎn)部件的頻閃光反射相關(guān)的視覺問題。
此外，由于不需要將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動為面向盛行風(fēng)向的擺動機構(gòu)，因 此消除了轉(zhuǎn)子、軸承和相關(guān)機構(gòu)上的回轉(zhuǎn)力，從而消除了風(fēng)輪機的常 見故障的主故障源。
基本上豎直的部件(豎直壁6)與彎曲部件(環(huán)形葉片10)之 間的相關(guān)形狀和間隔確?？梢詫⑴c外部空氣相比壓力相對較低的空 氣朝向非活動環(huán)形葉片10引導(dǎo)，以便形成氣門，由此將經(jīng)過非活動 環(huán)形葉片IO的空氣泄漏降至最低，否則這種空氣泄漏將帶來巨大的
能量損失。由于最下面環(huán)形葉片10 (最小環(huán)形葉片)可以形成為利
用壁6與環(huán)形葉片10限定的中央集氣室12的半橢球形構(gòu)造的優(yōu)勢， 從而增強流到非活動環(huán)形葉片10的氣流，因此這也促進(jìn)了氣門的形
成過程。
另外，豎直壁6 (6.1， 6.2， 6.3)和環(huán)形葉片10的形狀和間隔 促使空氣流到轉(zhuǎn)子3的基本上整個下表面，從而確保實現(xiàn)轉(zhuǎn)子3上的 應(yīng)力分布均勻，以便使施加于轉(zhuǎn)子3上的非均勻周期性應(yīng)力最小化， 否則這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子3斷裂。
擴散器可以包括套圈40和至少一個楔形件41，擴散器適于使離 開風(fēng)輪機的空氣與外部空氣能夠平滑地過渡，從而使經(jīng)過實施例的氣 流受到出口氣流的負(fù)反饋干擾的可能性降至最低。
優(yōu)選實施例為基本上非旋轉(zhuǎn)的類型，其通過提供其中只有轉(zhuǎn)子 作為運動部件的低阻力、低泄漏的帶罩式豎直排氣風(fēng)輪機而消除了現(xiàn) 有公知帶罩式風(fēng)輪機的很多缺陷，該風(fēng)輪機可以在很大的風(fēng)速范圍內(nèi) 安全而有效地工作。
進(jìn)入罩的入口部分的自由風(fēng)在朝向位于罩內(nèi)部的轉(zhuǎn)子聚集時被
引導(dǎo)并加速至更高的速度和更高的能量水平。入口部分的元件使得在 促使空氣從上風(fēng)側(cè)進(jìn)入的同時防止空氣通過完整裝置的下風(fēng)側(cè)泄漏。 結(jié)果，即使在較低的風(fēng)速下，也能增加可提取的風(fēng)能水平，并且降低 風(fēng)輪機工作的自由風(fēng)速閾值，而在較高的風(fēng)速下，經(jīng)過罩的入口部分 的氣流將失速并且在罩的中央集氣室內(nèi)產(chǎn)生高度紊亂和背壓，從而實 現(xiàn)自限功能。轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)變提高的風(fēng)能，在相同自由風(fēng)速下提供的能 量輸出比利用相等直徑的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)輪機獲得的能量輸出高 得多。
優(yōu)點
與現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)帶罩式和不帶罩式的豎直和水平風(fēng)輪機相比， 本發(fā)明的實施例可以具有如下一個或多個優(yōu)點。
a、由于運動部件容納在罩內(nèi)部，因此完整的裝置可以置于建筑 物、水塔或其它類似結(jié)構(gòu)的頂部，而不用擔(dān)心大型運動部件在惡劣的
氣候條件下斷裂并且撞擊周圍結(jié)構(gòu)或人，從而帶來災(zāi)難性的后果。由 于不會遭遇高度安全方面的問題，因此本發(fā)明的完整裝置可以置于高 度較低的位置。
b、由于拋棄使大型結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)以面向盛行風(fēng)所需的機構(gòu)，本發(fā)明 中的運動部件大大減少。
C、本發(fā)明沒有物理"氣門"、運動翼片或其它這樣的多個部件 以及運行以實現(xiàn)可操作性并保持效率或安全性所需的復(fù)雜控制機構(gòu)。
d、 由于葉片末端容納于罩內(nèi)部，因此作為自由風(fēng)輪機的主要噪 聲源，轉(zhuǎn)子葉片末端渦流大大降低。
e、 由于旋轉(zhuǎn)部件由罩遮蔽，因此本發(fā)明沒有頻閃光反射效應(yīng)， 對于侯鳥的生命沒有危險。
f、 不會出現(xiàn)因為轉(zhuǎn)動大型旋轉(zhuǎn)部件以面向風(fēng)而產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力問 題以及相關(guān)的部件故障。
g、 與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子相比，為提取相同的能量所需的轉(zhuǎn)子尺寸更小。 這允許更高的旋轉(zhuǎn)速度，并且不需要使用齒輪箱，或者只需要小傳動 比齒輪箱來產(chǎn)生容易轉(zhuǎn)變?yōu)?電網(wǎng)"供電質(zhì)量的高頻電力供應(yīng)。
h、 在較高風(fēng)速的風(fēng)中，罩和環(huán)形葉片通過干擾流向轉(zhuǎn)子的氣流 來減小轉(zhuǎn)子葉片在高速風(fēng)中的暴露程度。
i、 因為罩提高了能量可提取性，因此本發(fā)明能夠在風(fēng)速較低的 地區(qū)應(yīng)用。這允許更長時間地產(chǎn)生可用能量。增加的瞬時能量和增加 的應(yīng)用時間導(dǎo)致本發(fā)明的年度提取總能量比現(xiàn)有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)輪機更高。
j、由于本發(fā)明能夠利用方向快速變化的低速風(fēng)，而不需要不斷 地調(diào)節(jié)完整裝置以面向風(fēng)，因此使得本發(fā)明可以設(shè)置為更靠近城郊聚 居區(qū)或者設(shè)置在更靠近電力終端用戶的其它人口聚居區(qū)。
k、本發(fā)明的全方向特征還使得本發(fā)明的裝置能夠置于這樣的地 區(qū)，即，風(fēng)向的連續(xù)變化使得不能令人滿意地利用標(biāo)準(zhǔn)水平軸風(fēng)輪機 裝置。
上面已經(jīng)參照特別優(yōu)選的特征描述了本發(fā)明的實施例。然而， 在不脫離本發(fā)明的原理的情況下可以進(jìn)行各種優(yōu)化改進(jìn)，在上面特別指出和下面權(quán)利要求書中要求的發(fā)明主體中公開了本發(fā)明的原理。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，所述風(fēng)輪機包括a)多個彎曲部件，其在內(nèi)部限定中央集氣室；b)多個基本上豎直的支撐部件；c)中空部件，其朝著氣流方向擴大；d)旋轉(zhuǎn)部件，其位于所述中央集氣室上方，并且適于與發(fā)電機連接，以便通過所述旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)發(fā)電；其中，所述旋轉(zhuǎn)部件位于所述中空部件的入口附近；所述多個彎曲部件中的每一個與所述多個支撐部件中的至少一個相連接，從而形成進(jìn)入所述中央集氣室的多個空氣入口；所述多個彎曲部件和所述多個支撐部件中的至少一個成形并間隔，以便將空氣引導(dǎo)至所述全向風(fēng)輪機的中央集氣室的相對側(cè)，從而減小空氣泄漏；所述多個彎曲部件和所述多個支撐部件成形并間隔，以便將空氣引導(dǎo)至所述旋轉(zhuǎn)部件的整個下表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中， 所述多個彎曲部件包括徑向彎曲的環(huán)形葉片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中， 所述多個基本上豎直的支撐部件包括豎直壁。
4. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述旋轉(zhuǎn)部件包括豎直安裝的水平軸式風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子。
5. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述中空部件包括擴散器。
6. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件具有翼型橫截面。
7. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件具有變化的外周直徑和內(nèi)環(huán)直徑。
8. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件以同心布置方式固定在位。
9. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件豎直交錯。
10. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件以疊置布置方式設(shè)置。
11. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件具有重疊布置。
12. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件形成中央集氣室，所述中央集氣室的橫截面 從所述多個彎曲部件的最低位置向所述多個彎曲部件的最高位置擴 大。
13. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述中央集氣室朝向中央喉部區(qū)域會聚。
14. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述中央集氣室與所述中空部件的內(nèi)表面輪廓是連續(xù)的。
15. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個基本上豎直的支撐部件具有空氣動力學(xué)形狀。
16. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述旋轉(zhuǎn)部件以其軸線豎直的方式安裝在所述中央喉部區(qū)域處。
17. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述旋轉(zhuǎn)部件包括翼型葉片。
18. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件使進(jìn)入所述罩的空氣聚集，從而導(dǎo)致在由所 述多個彎曲部件的非活動部件形成的空氣通道上形成流體動力氣門， 從而避免空氣泄漏。
19. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件中的最下面的彎曲部件成形并構(gòu)造成將空氣引導(dǎo)至壓力比所述罩的外部空氣壓力更低的非活動彎曲部件，從而促 進(jìn)氣門效應(yīng)。
20. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件和所述多個基本上豎直的支撐部件的方向適 于接受并利用來自基本上任何方向的風(fēng)。
21. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件和所述多個基本上豎直的支撐部件的方向適 于引導(dǎo)空氣經(jīng)過所述旋轉(zhuǎn)部件的整個掃掠區(qū)域。
22. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電動力傳輸組件和裝置相連接。
23. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，在鐘形口的上部與底部支撐板之間，利用3至6個基本上豎直 的支撐部件固定所述多個彎曲部件。
24. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個基本上豎直的支撐部件包括倒置翼型部分，所述倒置 翼型部分的兩個豎直壁面具有相同的表面曲率。
25. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個基本上豎直的支撐部件具有從所述多個基本上豎直的支撐部件中的每一個的兩個表面的前緣到后緣形成的保持邊界層的 空氣溝槽。
26. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述保持邊界層的空氣溝槽相對于外表面的切線以小于15度的 角度離開所述多個基本上豎直的支撐部件中的每一個的兩個表面。
27. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個基本上豎直的支撐部件從所述多個空氣入口到所述中 央集氣室的周邊以相等的間距徑向布置。
28. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個基本上豎直的支撐部件包括厚度在弦長的35%至50% 之間的翼型壁葉片。
29. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個基本上豎直的支撐部件中的每一個的最厚部位距所述 前緣的距離大于所述弦長的51%。
30. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，在距離所述后緣為所述弦長的15%的范圍內(nèi)，所述多個基本上 豎直的支撐部件中的每一個的兩個表面之間的夾角在75至150度的 范圍內(nèi)。
31. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述風(fēng)輪機包括四個或更多個從水平到接近豎直的彎曲環(huán)形葉片，所述環(huán)形葉片的內(nèi)環(huán)直徑在所述轉(zhuǎn)子直徑的20%至145%的范圍 內(nèi)變化。
32. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述多個彎曲部件中的每一個的凸形表面和凹形表面的曲率半 徑等于所述旋轉(zhuǎn)部件的直徑的25%至55%。
33. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件在外周處相對于水平方向以小于20度的角度 開始彎曲，相對于水平方向以50至70度之間的豎直彎曲角終止。
34. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，連接所述多個彎曲部件中最大一個的內(nèi)周和所述多個彎曲部件 中任何其它彎曲部件的內(nèi)周的最短直線相對于任何豎直軸線的傾角 在5至35度的范圍內(nèi)。
35. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件疊置為在所述多個彎曲部件之間存在間隔， 使得所述多個彎曲部件中的每一個的前緣和后緣重疊，重疊量的最小 值為所述旋轉(zhuǎn)部件的直徑的2%。
36. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件將進(jìn)入所述罩的空氣聚集在所述旋轉(zhuǎn)部件的 整個掃掠區(qū)域上。
37. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，在所述多個彎曲部件的任何一對之間，所述全向風(fēng)輪機的內(nèi)部出口通道面積為外周入口通道面積的25%至75%。
38. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述喉部區(qū)域的面積不小于所述多個彎曲部件中的最上面部件 的環(huán)形中心面積的70%。
39. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件的最上面部件是鐘形口環(huán)形葉片。
40. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，在至少一個彎曲部件中，從所述至少一個彎曲部件的凹形表面 側(cè)到凸形表面?zhèn)刃纬啥鄠€空氣通道。
41. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述全向風(fēng)輪機包括多個空氣通道，所述多個空氣通道相對于 至少一個彎曲部件的表面的切線以小于15度的角度終止并離開所述至少一個彎曲部件的凸形表面?zhèn)取?br> 42. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述中空部件具有同心敞頂排氣口，所述排氣口的直徑是所述 旋轉(zhuǎn)部件的直徑的130%至180%。
43. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述中空部件的敞頂排氣口設(shè)置有圍繞所述中空部件的外周的 水平楔形件和套圈。
44. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，在所述中空部件的排氣口之下設(shè)置有楔形件，所述楔形件距所 述排氣口的高度在所述中空部件的上部直徑的7%至19%之間。
45. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述楔形件的表面長度在所述中空部件的套圈的高度的135% 至160%之間。
46. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述全向風(fēng)輪機包括另外的小楔形件，所述另外的小楔形件在 主楔形件之下圍繞所述中空部件的外本體均勻間隔地周向設(shè)置，多個 空氣通道從所述中空部件的外表面到達(dá)內(nèi)表面。
47. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述全向風(fēng)輪機包括多個空氣通道，所述多個空氣通道相對于 所述中空部件的外表面的切線以小于15度的角度終止并離開所述中 空部件的外表面。
48. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中， 在獨立支撐的機艙中直接在所述旋轉(zhuǎn)部件上方設(shè)置有發(fā)電單 元，所述機艙位于所述旋轉(zhuǎn)部件的遮蔽件的下游。
49. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述全向風(fēng)輪機包括機艙，所述機艙通過與所述中空部件連接 的傾斜徑向支撐結(jié)構(gòu)固定。
50. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，在獨立支撐的轉(zhuǎn)子轂頭錐中直接在所述旋轉(zhuǎn)部件下方設(shè)置有發(fā)電單元。
51. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述全向風(fēng)輪機包括頭錐，所述頭錐通過從底部支撐板延伸到 所述頭錐的柱支撐結(jié)構(gòu)固定。
52. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述旋轉(zhuǎn)部件經(jīng)由支撐軸承上的旋轉(zhuǎn)軸與完整的發(fā)電組件連接。
53. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機， 其中，所述多個彎曲部件包括以封閉多邊形的方式布置的彎曲葉片。
54. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述套圈的傾斜表面相對于豎直方向形成5至20度之間的角度。
55. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機，其中，所述中空部件基本上為半橢球形，在所述橢球形的開始位置和 結(jié)束位置處的切角是特定的。
56. —種在用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機上使用的中空部 件，其中，所述中空部件的橫截面朝著氣流方向擴大。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的中空部件，其中， 所述中空部件包括擴散器。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56和57所述的中空部件，其中，所述中空部件具有同心敞頂排氣口 ，所述排氣口的直徑是旋轉(zhuǎn) 部件的直徑的130%至180%。
59. 根據(jù)權(quán)利要求56至58中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件的敞頂排氣口設(shè)置有圍繞所述中空部件的外周的水平楔形件和套圈。
60. 根據(jù)權(quán)利要求56至59中任一項所述的中空部件，其中， 在所述中空部件的排氣口之下設(shè)置有楔形件，所述楔形件距所述排氣口的高度在所述中空部件的上部直徑的7%至19%之間。
61. 根據(jù)權(quán)利要求56至60中任一項所述的中空部件，其中， 所述楔形件的表面長度在所述中空部件的套圈的高度的135%至160%之間。
62. 根據(jù)權(quán)利要求56至61中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件具有另外的小楔形件，所述小楔形件在主楔形件 之下圍繞所述中空部件的外本體均勻間隔地周向設(shè)置，多個空氣通道 從所述中空部件的外表面到達(dá)內(nèi)表面。
63. 根據(jù)權(quán)利要求56至62中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件具有多個空氣通道，所述空氣通道相對于所述中空部件的外表面的切線以小于15度的角度終止并離開所述中空部件 的外表面。
64. 根據(jù)權(quán)利要求56至63中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件具有發(fā)電單元，所述發(fā)電單元在獨立支撐的機艙中直接設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)部件上方，所述機艙位于所述旋轉(zhuǎn)部件的遮蔽 件的下游。
65. 根據(jù)權(quán)利要求56至64中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件具有機艙，所述機艙通過與所述中空部件連接的傾斜徑向支撐結(jié)構(gòu)固定。
66. 根據(jù)權(quán)利要求56至65中任一項所述的中空部件，其中， 所述中空部件基本上為半橢球形，在所述橢球形的開始位置和結(jié)束位置處的切角是特定的。
67. 根據(jù)權(quán)利要求56至66中任一項所述的中空部件，其中， 所述套圈的傾斜表面相對于豎直方向形成5至20度之間的角度。
68. —種形成用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機的方法，包括 如下步驟在接近水平的平面中從任何方向?qū)⒅車鷼饬魇占谥醒爰瘹馐抑校?br> 69. 將氣流的方向從接近水平運動改變?yōu)榻咏Q直運動； 將氣流從所述中央集氣室的一側(cè)引導(dǎo)至所述中央集氣室的另一側(cè)，以便在所述第二側(cè)形成氣門，從而減小從所述中央集氣室的第二側(cè)的空氣泄漏；將氣流引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)部件的基本上全部下表面。
70. 根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，還包括如下步驟 將中空部件連接在用于發(fā)電的帶罩式豎直全向風(fēng)輪機中，所述中空部件的橫截面朝著氣流方向擴大。
71. —種基本上如說明書中所示和所述的方法。
72. —種基本上如說明書中所示和所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種豎直排氣的帶罩式全向風(fēng)輪機組件(1)，該風(fēng)輪機組件包括擴散器(9)和包圍并限定集氣室(12)的結(jié)構(gòu)，集氣室(12)捕獲任何方向的風(fēng)并且將其引導(dǎo)為經(jīng)由疊置的環(huán)形彎曲葉片(10a-10e)豎直流動。葉片(10a-10e)由豎直壁(6.1-6.3)固定。擴散器(9)連接在轉(zhuǎn)子(3)的下游側(cè)，并且橫截面朝著氣流方向擴大。在擴散器(9)的出口附近形成楔形件(41)和套圈(40)。楔形件(41)和套圈(40)通過使流過擴散器出口的自由風(fēng)偏轉(zhuǎn)而有助于增強通過轉(zhuǎn)子的氣流。
文檔編號F03D7/06GK101103198SQ200580044762
公開日2008年1月9日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者瓦海斯瓦蘭·蘇雷珊 申請人:卡特魯生態(tài)發(fā)明有限公司