專利名稱：無軸的籠式垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種風(fēng)輪機(jī)，并且更具體地涉及垂直軸式風(fēng)輪機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)能源需求的持續(xù)增長，尤其是在發(fā)展中國家，并且意識(shí)到傳統(tǒng) 的化石燃料供給是有限的，人們?cè)絹碓綄?duì)新的和經(jīng)改良的利用可再生能源 的方法感興趣，例如日光、風(fēng)、雨(水)、潮汐和地?zé)岬瓤稍偕茉?，?們是可以自然地再補(bǔ)充的。水力發(fā)電成為主要的可再生能源己經(jīng)幾十年 了。但是，隨著對(duì)堰塞水道造成的環(huán)境影響日益重視以及意識(shí)到新鮮飲用 水是重要的資源，水力發(fā)電計(jì)劃的認(rèn)可變低。人們的注意力現(xiàn)在轉(zhuǎn)到將風(fēng) 力作為未來大規(guī)模發(fā)電的資源。
風(fēng)輪機(jī)可以分類為水平軸式的或垂直軸式的風(fēng)輪機(jī)。典型地，水平軸 式風(fēng)輪機(jī)具有一塔，塔上置有大型的風(fēng)扇狀葉片，非常像風(fēng)車。迄今最大
的水平軸式風(fēng)輪機(jī)大約高40層樓，具有接近126米的葉片直徑。為了產(chǎn) 生足夠的電力供給到公用電網(wǎng)，水平軸式風(fēng)輪機(jī)被設(shè)置于能包含數(shù)百臺(tái)風(fēng) 輪機(jī)且分布于廣大區(qū)域的風(fēng)力發(fā)電場。雖然它們可利用大量的可再生能 源，但這些風(fēng)力發(fā)電場占地面積大并且有礙觀瞻。
垂直軸式風(fēng)輪機(jī)具有垂直延伸的主轉(zhuǎn)子軸。垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的主要優(yōu) 點(diǎn)在于發(fā)電裝置和齒輪箱可以位于軸的底部、靠近地面處，這意味著塔 不用承擔(dān)這些重量。此外，垂直軸式風(fēng)輪機(jī)能夠接收任何方向的風(fēng)并且不 需要轉(zhuǎn)動(dòng)以捕取風(fēng)力。然而，由于垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的受風(fēng)面積較大，垂直 的軸和風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)需耐受巨大的側(cè)向作用力。因而，迄今己知的垂直軸式 風(fēng)輪機(jī)的規(guī)模受到實(shí)際的限制。此外，因?yàn)樗鼈冸S著風(fēng)垂直地轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子 的一部分隨著風(fēng)移動(dòng)，而轉(zhuǎn)子的直徑相對(duì)的部分朝向風(fēng)移動(dòng)并且必須遭受 迎面而來的風(fēng)的作用力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供垂直軸式風(fēng)輪機(jī)，所述風(fēng)輪機(jī)能夠制造成比迄 今為止已知的風(fēng)輪機(jī)具有更大的規(guī)模，能更大地利用風(fēng)能。本發(fā)明的另一 目標(biāo)在于提供垂直軸式風(fēng)輪機(jī)，所述風(fēng)輪機(jī)克服或至少改進(jìn)已知風(fēng)輪機(jī)的 一些缺點(diǎn)，或至少為公眾提供有用的選擇方案。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種無軸的風(fēng)輪機(jī)，包括
垂直結(jié)構(gòu)，所述垂直結(jié)構(gòu)具有圍繞外部圓周設(shè)置的多個(gè)柱體和與外部 圓周同心設(shè)置的中空?qǐng)A芯，禾口
轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括設(shè)置在所述垂直結(jié)構(gòu)的柱體和中空?qǐng)A芯之間的多 個(gè)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的葉片，用于在吹入該垂直結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用下使轉(zhuǎn)子環(huán)繞中空?qǐng)A 芯轉(zhuǎn)動(dòng)。
優(yōu)選地，無軸的風(fēng)輪機(jī)還包括至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子， 一個(gè)位于另一個(gè)之上地 置于柱體和中空?qǐng)A芯之間，每個(gè)轉(zhuǎn)子環(huán)繞中空?qǐng)A芯獨(dú)立地轉(zhuǎn)動(dòng)。 優(yōu)選地，每個(gè)轉(zhuǎn)子與發(fā)電裝置機(jī)械地連接。 優(yōu)選地，具有發(fā)電裝置，由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。 優(yōu)選地，所述發(fā)電裝置位于中空?qǐng)A芯內(nèi)。
優(yōu)選地，無軸的風(fēng)輪機(jī)還包括與中空?qǐng)A芯同心的環(huán)形支撐梁，轉(zhuǎn)子懸 掛在該環(huán)形支撐梁上。
優(yōu)選地，所述環(huán)形支撐梁包括位于所述中空?qǐng)A芯處的第一環(huán)形支撐梁 和位于所述垂直結(jié)構(gòu)的圓周處的第二環(huán)形支撐梁，轉(zhuǎn)子懸掛在所述第一和 第二環(huán)形支撐梁之間。
優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子包括位于柱體和中空?qǐng)A芯之間用于環(huán)繞芯轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán) 形框架，多個(gè)葉片設(shè)置在環(huán)形框架上。
優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子包括上環(huán)形框架和下環(huán)形框架，并且所述葉片包括 支撐在所述上和下環(huán)形框架之間的半脊形帆。
優(yōu)選地，無軸的風(fēng)輪機(jī)還包括與中空?qǐng)A芯同心的環(huán)形支撐梁，并且上 環(huán)形框架懸掛在環(huán)形支撐梁上。
優(yōu)選地，環(huán)形支撐梁包括于所述中空?qǐng)A芯處的第一環(huán)形支撐梁和位于 所述垂直結(jié)構(gòu)的圓周處的第二環(huán)形支撐梁，上環(huán)形框架懸掛在所述第一和第二環(huán)形支撐梁之間。
優(yōu)選地，無軸的風(fēng)輪機(jī)還包括垂直延伸的遮擋裝置，該遮擋裝置設(shè)置 在支撐結(jié)構(gòu)的外部圓周處并可環(huán)繞支撐結(jié)構(gòu)的外部圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。
優(yōu)選地，所述遮擋裝置的圓周跨度為支撐結(jié)構(gòu)外部圓周的54到90度。 優(yōu)選地，所述遮擋裝置的圓周跨度為支撐結(jié)構(gòu)外部圓周的60度。 本發(fā)明的其他方面將通過下面的描述變得清晰。


現(xiàn)以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，僅作為例子進(jìn)行描述，并以附圖作參考，
其中
圖la是根據(jù)本發(fā)明的多層風(fēng)輪機(jī)的截面正視圖； 圖lb是風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子空間框架的示意圖； 圖lc是風(fēng)輪機(jī)的葉片的示意圖； 圖ld是圖lc中的葉片的骨架框架的示意圖； 圖2是風(fēng)輪機(jī)的單層的頂部的截面平面視圖； 圖3是風(fēng)輪機(jī)的單層的底部的截面平面視圖； 圖4是通過風(fēng)輪機(jī)的單層的截面正視圖； 圖5a是風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子框架的一半的放大的截面正視圖； 圖5b用于懸掛轉(zhuǎn)子的中間支撐的詳圖； 圖6是風(fēng)輪機(jī)的傳輸和發(fā)電裝置部件的截面正視圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)的可選實(shí)施示例的單層的頂部的截面平面 視圖8是通過根據(jù)可選實(shí)施示例的風(fēng)輪機(jī)的單層的底部的截面視圖； 圖9-13示出能與風(fēng)輪機(jī)的每個(gè)實(shí)施示例一起應(yīng)用的風(fēng)遮擋裝置的各 個(gè)實(shí)施示例。
實(shí)施示例的描述
現(xiàn)對(duì)本發(fā)明以大型(即，高建筑物規(guī)模)的無軸的垂直軸式多層風(fēng)輪 機(jī)來進(jìn)行描述。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)使它能被制成非常大的規(guī)模，尤其是比已知 的風(fēng)輪機(jī)大很多。迄今為止，最大的風(fēng)輪機(jī)為葉片直徑達(dá)126米的水平軸
6式風(fēng)輪機(jī)。發(fā)明人意指的大型風(fēng)輪機(jī)是指根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)，其覆蓋的
基座處可達(dá)到直徑或?qū)挾?50至350米之間，其垂直高度達(dá)到300至500 米之間或更高。然而，此表述并無意圖限制本發(fā)明的使用或功能。本領(lǐng)域 的技術(shù)人員將會(huì)理解到本發(fā)明的原理可以適用于任何規(guī)模的風(fēng)輪機(jī)，更大 的或更小的。
根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)能夠制造成如此大的規(guī)模，使它能夠在風(fēng)速較高 的更高高度捕取得大面積的風(fēng)力?？諝獾膭?dòng)能(KE)由Kmv2給出，其中 質(zhì)量(m)涉及受風(fēng)面積和風(fēng)速。因?yàn)檫_(dá)到300米的寬度，風(fēng)輪機(jī)呈現(xiàn)對(duì) 風(fēng)的大的葉片面積。因?yàn)槟苓_(dá)到500米高或更高，意味著風(fēng)輪機(jī)暴露到更 高速的風(fēng)中，并因此根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)能夠從風(fēng)中攫取更大的能量。
具有上文所述的規(guī)模的風(fēng)輪機(jī)的構(gòu)建可以用熟知的建筑物建造技術(shù) 和大型工程技術(shù)。世界上大多數(shù)國家己經(jīng)建造了許多高達(dá)500米或更高的 高樓，并且對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)的建筑和建造技術(shù)是易于包含在本領(lǐng)域技術(shù)人 員的實(shí)際技術(shù)知識(shí)中的。這些已知的構(gòu)造技術(shù)適用于所述風(fēng)輪機(jī)的個(gè)別結(jié) 構(gòu)的元件和特點(diǎn)。
優(yōu)選的實(shí)施例的裝置是"多層的(multi-stage)"，在該裝置中多個(gè)獨(dú) 立的風(fēng)輪機(jī)，各有其自己的轉(zhuǎn)子，圍繞公用的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線垂直地層疊。每個(gè) 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械地連接到其各自的發(fā)電裝置。因?yàn)榇怪钡娘L(fēng)輪機(jī)可以延伸到幾 百米高度，其在不同高度可能經(jīng)受不同的風(fēng)向和風(fēng)速。每個(gè)風(fēng)輪機(jī)可以因 應(yīng)它經(jīng)受的不同風(fēng)力條件，獨(dú)立地與設(shè)置在不同高度的發(fā)電裝置，自由地 轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，對(duì)本發(fā)明這并不是必需的，風(fēng)輪機(jī)可只有一個(gè)轉(zhuǎn)子。
根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)是無軸的。在本文中，"無軸"指的是風(fēng)輪機(jī)的 每個(gè)轉(zhuǎn)子均是一個(gè)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。沒有與轉(zhuǎn)子共軸線的軸以傳送扭矩給 發(fā)電裝置，此有別于常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)和己知的垂直和水平軸風(fēng)輪機(jī)。
這里用到的術(shù)語"籠"指的是包括轉(zhuǎn)子框架100和用于支撐轉(zhuǎn)子的結(jié) 構(gòu)的部件，它具有類似籠狀的形狀。
首先參見圖1，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的無軸的垂直多層風(fēng)輪機(jī)的截面正視圖。雖然規(guī)模對(duì)于本發(fā)明并不是關(guān)鍵的，然而，該風(fēng)輪機(jī)基本上是
圓筒形的結(jié)構(gòu)，在其基部具有300米的直徑并且達(dá)到500米的高度。風(fēng)輪 機(jī)具有三個(gè)基本的功能性部分，也就是垂直支撐結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)位于所述 垂直支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和由所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的用于發(fā)電的發(fā)電裝 置。在示出的實(shí)施例中，有四個(gè)獨(dú)立地轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子1、 2、 3、 4。轉(zhuǎn)子以一 個(gè)位于另一個(gè)之上的方式被垂直地層疊，并且每個(gè)轉(zhuǎn)子與位于所述垂直支 撐結(jié)構(gòu)的中空?qǐng)A芯10內(nèi)的四個(gè)對(duì)應(yīng)的傳輸和發(fā)電裝置各自連接。
主要的籠式或垂直的支撐結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一具有中央圓形中空芯10的 開口圓形建筑物。中空?qǐng)A芯用己知的建筑物構(gòu)建技術(shù)建造，并且為所述結(jié) 構(gòu)提供了強(qiáng)度以承受大的側(cè)向作用力。在所述中空?qǐng)A芯10內(nèi)，每一個(gè)轉(zhuǎn) 子1、 2、 3、 4 ，有至少一個(gè)橫向支撐結(jié)構(gòu)或樓層11。每個(gè)樓層置在靠近 其相應(yīng)的轉(zhuǎn)子的頂部，并提供用于機(jī)器室的空間以容納發(fā)電裝置6和相關(guān) 設(shè)備。進(jìn)出每個(gè)樓層，如建筑物構(gòu)建領(lǐng)域所熟知的情況一樣，由升降機(jī)12 及樓梯13提供。位于所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的外部圓周處的是環(huán)繞芯的多個(gè) 垂直外部柱體14。柱體14形成籠結(jié)構(gòu)的外部邊界，所述籠結(jié)構(gòu)基本上是 開口的，以允許風(fēng)吹過該結(jié)構(gòu)。每個(gè)橫向支撐結(jié)構(gòu)或樓層11包括延伸于 中空?qǐng)A芯IO和每個(gè)柱體14之間的徑向橫梁15。中空?qǐng)A芯結(jié)構(gòu)有平的、傾 斜的或穹頂形的頂(未示出)覆蓋。
所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的每一層包括位于圓形建筑內(nèi)的轉(zhuǎn)子l、 2、 3、 4， 所述轉(zhuǎn)子延伸于中空?qǐng)A芯10和外部柱體14之間，其形狀一般為環(huán)形，可 環(huán)繞中空?qǐng)A芯10自由地轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)轉(zhuǎn)子含剛性空間框架100，空間框架 IOO具有共軸線的上和下環(huán)形構(gòu)件IOI、 102，上和下環(huán)形構(gòu)件位于各自的 上和下平面格子框架40、 41的中央，所述上和下平面格子框架40、 41是 六邊形的且彼此平行。框架40、 41通過垂直桿件和對(duì)角支撐桿結(jié)合。剛 性轉(zhuǎn)子框架100承載多個(gè)葉片骨架21，所述葉片骨架非徑向地位于轉(zhuǎn)子框 架的內(nèi)部圓周和外部圓周之間。葉片骨架21支撐著輕量、柔性的、張緊 的紡織物面板，形成可風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的葉片或帆22。帆22具有在橫向平面內(nèi) 恒定的精確的輪廓，并在沿軸向狹長地延伸于上和下框架40、 41之間。 帆的紡織物可以是例如在游艇業(yè)中己知的多種高強(qiáng)度輕量紡織品中的任 一種。轉(zhuǎn)子籠或框架100、葉片骨架21和輕量紡織物的帆22形成剛性的相 對(duì)輕量的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于中空?qǐng)A芯IO和外部柱體14之間，自其上端 懸掛下來。正如稍后將要更詳細(xì)討論的，帆22并不是從轉(zhuǎn)子的外部圓周 延伸全程到內(nèi)部圓周。事實(shí)上，在優(yōu)選的實(shí)施例中，帆22從轉(zhuǎn)子的外部 圓周朝向轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓周延伸，但沒有延伸其全程。這允許風(fēng)在葉片22 和中空?qǐng)A芯10之間通過，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子后續(xù)的帆。位于轉(zhuǎn)子框架內(nèi)的葉片 骨架21為柔性風(fēng)帆22提供支撐結(jié)構(gòu)。骨架將風(fēng)帆保持為基本上曲線形狀， 以使當(dāng)風(fēng)圍繞帆22吹過時(shí)，在帆22的任一面產(chǎn)生高的和低的壓力區(qū)域。 當(dāng)?shù)偷膲毫^(qū)域在帆22的前導(dǎo)面時(shí)，前導(dǎo)面處的風(fēng)速會(huì)增大(相對(duì)于曳尾 面而言)，此有助于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。
參見圖lb和2，上轉(zhuǎn)子框架40包括內(nèi)部齒圈25，所述內(nèi)齒圈25在 上環(huán)形構(gòu)件101內(nèi)并且與上環(huán)形構(gòu)件101共軸線。多個(gè)徑向轉(zhuǎn)子桿件27 在上環(huán)形構(gòu)件101和六邊形邊的頂點(diǎn)之間延伸。邊緣桿件28沿框架40的 六個(gè)邊的每一邊延伸于徑向轉(zhuǎn)子桿件27外端部之間，并且內(nèi)部橫向桿件 29延伸于在朝向徑向桿件27的近側(cè)端部的點(diǎn)之間，形成兩個(gè)在徑向桿件 27之間、同心的橫向支撐加固環(huán)形。下環(huán)形轉(zhuǎn)子框架41具有類似上環(huán)形 轉(zhuǎn)子框架40的結(jié)構(gòu)。多個(gè)垂直桿件設(shè)置在位于上和下框架40、 41上的徑 向桿件27、 31之間并且通過對(duì)角的支撐加固。支撐加固亦對(duì)角地設(shè)置在 上和下框架徑向桿件27、 31之間和外部、內(nèi)部橫向桿件27、 29、 32之間。
參見圖4、 5a和5b，其中更清楚地示出了第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)支 撐，在風(fēng)輪機(jī)的每層的上部有內(nèi)部和外部環(huán)形滾子軌道橫梁42、 43。內(nèi)部 滾子軌道橫梁42環(huán)繞所述中空芯IO的外周設(shè)置并且固定在其上面。外部 滾子軌道橫梁43設(shè)置在鄰近所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的外周并且通過在圓周點(diǎn) 處固定至所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的垂直外部柱體14，并被保持在既定的位置 上。固定于上環(huán)形構(gòu)件101內(nèi)部的內(nèi)齒圈25與被設(shè)定圍繞豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 的驅(qū)動(dòng)齒輪52接合。安裝在中空芯10上的軸承105在轉(zhuǎn)子最上部的徑向 的內(nèi)端部處支撐轉(zhuǎn)子，承載軸向或垂直的負(fù)載(也可選擇是橫向或徑向負(fù) 載)。定位環(huán)44容納在橫梁42中的環(huán)形凹槽內(nèi)?？蛇x擇地，位于定位環(huán) 44和環(huán)形凹槽之間的低摩擦滾子可以提供轉(zhuǎn)子的必要的橫向或徑向定位。 在類似的方式中，轉(zhuǎn)子的最上部的徑向外部端部的重量由環(huán)形軌道橫梁43支撐。
為了給轉(zhuǎn)子的下部提供橫向支撐，在下框架41的環(huán)形構(gòu)件102的圓
周間隔位置處設(shè)置抵著中空芯10外周的滾子45 。如此，轉(zhuǎn)子的自重主要 產(chǎn)生拉力載荷于與框架40、 41連接的構(gòu)件中，在結(jié)構(gòu)上可形成更有利的 載荷體系。
如前面所述的，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的直徑可以達(dá)到300米。如 果中空芯10和外部柱體14合并起來占直徑的15米，則轉(zhuǎn)子上框架的內(nèi) 部齒圈25和外部圓周環(huán)26之間的徑向距離將接近90米。在這種情況下， 所述垂直支撐結(jié)構(gòu)可在中空芯IO和外部柱體14之間設(shè)置同心環(huán)形懸掛軌 道橫梁46、47 ，提供徑向內(nèi)部和外部端部之間的中間支撐。橫梁46、47由 兩個(gè)構(gòu)件組裝而成，每個(gè)構(gòu)件具有直立的梁腹106a和下凸緣106b，橫梁 46、 47與間隔開的凸緣106b對(duì)稱地配置。容納在橫梁中的滾子108成對(duì) 支撐，每對(duì)滾子中的一個(gè)支撐在各自的凸緣上，并且懸掛構(gòu)件與滾子108 結(jié)合且在凸緣106b之間延伸以接合上框架40。
中空芯10的壁在鄰近每層風(fēng)輪機(jī)的的轉(zhuǎn)子齒圈25處均有開口 51通 往設(shè)置發(fā)電裝置6的機(jī)器室。在實(shí)際應(yīng)用中，可以提供其他開口或入口通 道，使其通過中空芯壁進(jìn)入轉(zhuǎn)子區(qū)域，用于進(jìn)行構(gòu)建和維護(hù)，但這些對(duì)于 本發(fā)明并不是必需的，這里不作討論。發(fā)電裝置驅(qū)動(dòng)齒輪52設(shè)置于壁開 口 51中，鄰近于轉(zhuǎn)子齒圈25 ，與轉(zhuǎn)子齒圈25的內(nèi)周接合。發(fā)電裝置驅(qū)動(dòng) 齒輪52連接到驅(qū)動(dòng)齒輪組53、 54的軸，齒輪組依次直接或通過齒輪箱驅(qū) 動(dòng)位于機(jī)器室內(nèi)的發(fā)電裝置6，例如用于對(duì)應(yīng)不同輸入速度保持恒定輸出 速度的變速齒輪箱。因而，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器室中的發(fā)電裝置并產(chǎn)生電 力。
圖7和8示出根據(jù)本發(fā)明的可選擇的另一實(shí)施例，其中設(shè)置第二多個(gè) 垂直柱體70，第二多個(gè)垂直柱體70在與中空芯10同心的圓上間隔開并且 向外與中空芯10間隔開。在內(nèi)部圓周處的第二多個(gè)柱體70限定了轉(zhuǎn)子的 體積在內(nèi)部柱體70和多個(gè)外部柱體14之間。在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)部柱體70 將位于鄰近風(fēng)帆的內(nèi)部邊緣所在的位置處。轉(zhuǎn)子框架的內(nèi)齒圈71將置于 內(nèi)柱體70形成的內(nèi)部圓周。內(nèi)部滾子軌道齒輪圍繞內(nèi)部柱體70設(shè)置，使 得轉(zhuǎn)子可在界定的轉(zhuǎn)子空間內(nèi)自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)子空間界定在內(nèi)部柱體70
10和外部柱體14之間。風(fēng)帆橫跨轉(zhuǎn)子的整個(gè)徑向尺寸，并且風(fēng)能夠通過內(nèi)
部柱體70和中空芯10之間以沖擊轉(zhuǎn)子的其他帆22。在本實(shí)施例中，因?yàn)?轉(zhuǎn)子的跨度較短，因此不需要中間環(huán)形懸掛橫梁。傳輸和發(fā)電設(shè)備6從中 空芯10移出到內(nèi)部柱體70、以接合轉(zhuǎn)子齒圈71。傳輸和發(fā)電設(shè)備6可以 懸掛在內(nèi)部柱體70之間的框架上，或者設(shè)置混凝土底板在鄰近的柱體70 和中空芯10之間、以支撐傳輸和發(fā)電設(shè)備6?？赏ㄟ^中空芯10進(jìn)出這個(gè) 機(jī)器底板。
當(dāng)風(fēng)吹過所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的外部正面的柱體時(shí)，風(fēng)會(huì)作用到轉(zhuǎn)子的 帆并且轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，因而產(chǎn)生電力。因?yàn)樗龃怪敝谓Y(jié)構(gòu)非常高，大約 400-500米，風(fēng)向和風(fēng)速會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度改變。因而，風(fēng)輪機(jī)設(shè)置有多 層，正如前文所述地垂直疊置，每層置有轉(zhuǎn)子和發(fā)電裝置。轉(zhuǎn)子能夠獨(dú)立 地轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠按它們?cè)谒鼋Y(jié)構(gòu)內(nèi)所處的具體水平位置響應(yīng)風(fēng)速和風(fēng) 向。
在這里所述類型的阻力型風(fēng)輪機(jī)，轉(zhuǎn)子的葉片同時(shí)有部分是順風(fēng)、有 部分是逆風(fēng)的。為了解決由前進(jìn)葉片造成的損失，本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)設(shè)置有 遮擋裝置，可把風(fēng)引導(dǎo)離開鄰近轉(zhuǎn)子前緣的前進(jìn)葉片。遮擋裝置設(shè)有連續(xù) 延伸覆蓋所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的部分外部圓周的覆蓋物或阻擋物，以便保護(hù) 這些帆在迎風(fēng)移動(dòng)時(shí)不受風(fēng)影響。每個(gè)遮擋裝置具有在相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的 軸線在橫向平面上測(cè)量的30到90度之間的圓周跨度，并且垂直地延伸通 過風(fēng)輪機(jī)的每個(gè)轉(zhuǎn)子或每層的整體高度，遮擋裝置類似轉(zhuǎn)子一樣垂直地疊 置。每個(gè)遮擋裝置安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軌道上，繞所述結(jié)構(gòu)的外側(cè)運(yùn)行，使得遮擋 裝置可以繞所述結(jié)構(gòu)的圓周移動(dòng)以適應(yīng)風(fēng)向的改變。遮擋裝置包括滾子和 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，以繞滾子軌道驅(qū)動(dòng)遮擋裝置到所述結(jié)構(gòu)的不同的圓周位置上。 遮擋裝置的位置可以通過接受來自風(fēng)向指示裝置的輸入的計(jì)算機(jī)或邏輯 控制器自動(dòng)地被控制。每個(gè)遮擋裝置的位置的細(xì)微調(diào)整可以通過帶有控制 器的遮擋裝置后面的空氣壓力傳感器、應(yīng)用引起遮擋裝置位置改變的風(fēng)向 和空氣壓力信息來微調(diào)遮擋裝置的位置來實(shí)現(xiàn)。位于不同層、不同高度的 遮擋裝置能夠獨(dú)立地轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)位于所述垂直結(jié)構(gòu)的不同水平高度上的 不同風(fēng)向。在圖2、 3、 7和8示出的平面視圖中，遮擋裝置用附圖標(biāo)記80 標(biāo)示。本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例中，遮擋裝置提供相同的目的和功能，遮擋裝置的效果通過參照根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的附圖9示出。當(dāng)風(fēng)，用從圖 的底部向上延伸的黑色箭頭示出，遇到所述結(jié)構(gòu)的遮擋裝置區(qū)域，風(fēng)轉(zhuǎn)向 圍繞所述結(jié)構(gòu)的圓周結(jié)構(gòu)如箭頭81所示。當(dāng)相對(duì)于進(jìn)入所述結(jié)構(gòu)的空氣、 氣流繞遮擋裝置移動(dòng)時(shí)，氣流加速。這在整個(gè)遮擋裝置上產(chǎn)生低壓區(qū)域。
文氏管效應(yīng)將空氣從遮擋裝置內(nèi)的開口 82拖出，在通過遮擋裝置后面的 風(fēng)帆的后面處產(chǎn)生低壓區(qū)域(用參考字母A示出)。遮擋裝置不僅可以阻 止風(fēng)沖擊前進(jìn)的葉片使轉(zhuǎn)子變慢，而且可以通過在前進(jìn)的葉片前面產(chǎn)生低 壓區(qū)域幫助轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
在圖9-13中示出了遮擋裝置配置的不同例子。在圖9中示出的第一實(shí) 施例中，遮擋裝置是與所述設(shè)備的大致圓柱形外部表面互補(bǔ)的彎曲板，并 且延伸通過所述結(jié)構(gòu)的60度圓周，其拖曳邊緣83形成小的翼型，所述翼 型是沿徑向向外逐漸變尖、形成尖的豎直的邊緣。通過簡單地導(dǎo)風(fēng)，遮擋 裝置通過將空氣從遮擋裝置后面拉出并且在遮擋裝置的后面產(chǎn)生低壓區(qū) 域而將風(fēng)加速。在圖10中，遮擋裝置在其前緣處設(shè)置有垂直延伸的脊84。 脊84有助于將通過風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)和繞遮擋裝置外側(cè)的氣流分開，減少可能 會(huì)影響風(fēng)通過風(fēng)帆的、在遮擋裝置的前緣處產(chǎn)生的擾動(dòng)。在圖11中，脊 84延伸到狹縫82，狹縫垂直地伸長并且在徑向向內(nèi)方向上從脊的拖曳邊 緣朝向遮擋裝置的圓柱截面橫向延伸?？諝饽軌驈恼趽跹b置的后面由文氏 管效應(yīng)通過狹縫被拖出來，以減少作用在前進(jìn)葉片上的阻力。在圖12中， 遮擋裝置的、脊84后面的部分由垂直的狹板85形成，形成具有多個(gè)開口 的氣窗，通過氣窗空氣被拖出以進(jìn)一步改善遮擋裝置后面的低壓區(qū)域。圖 13中，遮擋裝置的拖曳邊緣縮短使得遮擋裝置僅為所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的 30度圓周，拖曳表面是彎曲的、以將氣流從所述結(jié)構(gòu)導(dǎo)走。圍繞所述垂直 支撐結(jié)構(gòu)的氣流的導(dǎo)風(fēng)裝置足以在遮擋裝置后面產(chǎn)生低壓區(qū)域并且?guī)椭?轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。遮擋裝置也是更輕且更易于繞所述結(jié)構(gòu)的圓周移動(dòng)。
這里己經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的無軸的垂直的風(fēng)輪機(jī)的實(shí)施例。描述了 所述結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子、齒輪、發(fā)電系統(tǒng)和遮擋裝置的多個(gè)特征和元件，在本領(lǐng) 域熟知它們具有結(jié)構(gòu)或功能的等同物。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員易于 認(rèn)識(shí)到如何將這些功能的或結(jié)構(gòu)的等同物合并入本發(fā)明，因此這里描述的 具體的實(shí)施例并無意圖限制本發(fā)明的用途或功能。雖然優(yōu)選實(shí)施例描述了阻力型風(fēng)輪機(jī)，但應(yīng)該理解到，本發(fā)明還可以應(yīng)用于升力型風(fēng)輪機(jī)或混合 型風(fēng)輪機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種無軸的風(fēng)輪機(jī)，包括垂直結(jié)構(gòu)，所述垂直結(jié)構(gòu)具有圍繞外部圓周設(shè)置的多個(gè)柱體和與外部圓周同心設(shè)置的中空?qǐng)A芯，和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括設(shè)置在所述垂直結(jié)構(gòu)的柱體和中空?qǐng)A芯之間的多個(gè)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的葉片，用于在吹入該垂直結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用下使轉(zhuǎn)子環(huán)繞中空?qǐng)A芯轉(zhuǎn)動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，還包括至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子， 一個(gè)位 于另一個(gè)之上地置于柱體和中空?qǐng)A芯之間，每個(gè)轉(zhuǎn)子環(huán)繞中空?qǐng)A芯獨(dú)立地 轉(zhuǎn)動(dòng)。
3. 如權(quán)利要求2所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中每一個(gè)轉(zhuǎn)子與發(fā)電裝置機(jī) 械地連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中具有發(fā)電裝置，由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。
5. 如權(quán)利要求3所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中發(fā)電裝設(shè)置于中空?qǐng)A芯內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，還包括與中空?qǐng)A芯同心的環(huán)形 支撐梁，所述轉(zhuǎn)子懸掛在該環(huán)形支撐梁上。
7. 如權(quán)利要求6所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述環(huán)形支撐梁包括位于 所述中空?qǐng)A芯處的第一環(huán)形支撐梁和位于所述垂直結(jié)構(gòu)的圓周處的第二 環(huán)形支撐梁，所述轉(zhuǎn)子懸掛在所述第一和第二環(huán)形支撐梁之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子包括位于柱體和 中空?qǐng)A芯之間用于環(huán)繞芯轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)形框架，多個(gè)葉片設(shè)置在該環(huán)形框架 上。
9. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子包括上環(huán)形框架 和下環(huán)形框架，并且以半脊形帆構(gòu)成的葉片被支撐在所述上和下環(huán)形框架 之間。
10. 如權(quán)利要求9所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，還包括與中空?qǐng)A芯同心的環(huán) 形支撐梁，并且上環(huán)形框架懸掛在所述環(huán)形支撐梁上。
11. 如權(quán)利要求io所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述環(huán)形支撐梁包括位于所述中空?qǐng)A芯處的第一環(huán)形支撐梁和位于所述垂直結(jié)構(gòu)圓周處的第二 環(huán)形支撐梁，上環(huán)形框架懸掛在所述第一和第二環(huán)形支撐梁之間。
12. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，還包括垂直地延伸的遮擋裝置，該遮擋裝置設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)的外部圓周處并可環(huán)繞支撐結(jié)構(gòu)的外部圓 周轉(zhuǎn)動(dòng)。
13. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述遮擋裝置的圓周跨 度為支撐結(jié)構(gòu)外部圓周的54到90度之間。
14. 如權(quán)利要求1所述的無軸的風(fēng)輪機(jī)，其中所述遮擋裝置的圓周跨 度為支撐結(jié)構(gòu)外部圓周的60度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無軸的風(fēng)輪機(jī)，該風(fēng)輪機(jī)包括一垂直結(jié)構(gòu)，在垂直結(jié)構(gòu)內(nèi)置有風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。該垂直結(jié)構(gòu)包括多個(gè)圍繞外部圓周設(shè)置的柱體和與外部圓周同心地設(shè)置的中空?qǐng)A形芯。轉(zhuǎn)子含設(shè)置在柱休和所述垂直結(jié)構(gòu)的中空芯之間的多個(gè)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)葉片，在吹入該垂直結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用下轉(zhuǎn)子環(huán)繞中空芯轉(zhuǎn)動(dòng)。
文檔編號(hào)F03D3/02GK101539097SQ20091000389
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者胡應(yīng)湘, 胡文新 申請(qǐng)人:合和風(fēng)電有限公司