專利名稱：具有受保護(hù)渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)的制作方法
具有受保護(hù)渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年8月22日提交的標(biāo)題為“Fine Arts Innovation"'的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/189，950以及2008年11月24日提交的標(biāo)題為“Column Structure with Protected Turbine”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/193，395的優(yōu)先權(quán)，兩份專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過(guò)參引整體結(jié)合入本文。
背景技術(shù)：
據(jù)美國(guó)能源部的記載，現(xiàn)代風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)誕生于二十世紀(jì)七十年代晚期。見美國(guó)能源部2008年7月的“20% Wind Energy by 2030”。直至二十世紀(jì)七十年代早期，風(fēng)能僅占有很小的市場(chǎng)份額，為碾磨谷物和泵水提供機(jī)械動(dòng)力，以及為農(nóng)用電池充電提供電力。 除了電池充電器及通過(guò)較大發(fā)電機(jī)的少量實(shí)驗(yàn)之外，1850年和甚至1950年的風(fēng)車與它們?cè)从诘脑荚O(shè)備區(qū)別很小。當(dāng)下，風(fēng)能占美國(guó)總發(fā)電量的近1%。
如圖1中圖示的，絕大多數(shù)現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)典型地具有安裝在60至80米的塔12 頂部處的直徑為10至80米的三葉片轉(zhuǎn)子10。2006年美國(guó)安裝的平均渦輪機(jī)可以生產(chǎn)近 1. 6兆瓦的電能。渦輪機(jī)功率輸出通過(guò)在葉片繞轉(zhuǎn)子輪轂11旋轉(zhuǎn)時(shí)使葉片10繞其長(zhǎng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以改變相對(duì)于相關(guān)風(fēng)的迎角(斜度)來(lái)進(jìn)行控制。渦輪機(jī)通過(guò)使機(jī)艙13繞塔轉(zhuǎn)動(dòng)(偏轉(zhuǎn))而指向風(fēng)中。渦輪機(jī)典型地以30至150臺(tái)機(jī)器的陣列(電廠)的形式安置。斜度控制器調(diào)節(jié)功率輸出及轉(zhuǎn)子速度以防止結(jié)構(gòu)性部件過(guò)載。一般地，渦輪機(jī)將在風(fēng)速為約5. 36 米/秒時(shí)開始發(fā)電，并在風(fēng)速為約12. 52至13. 41米/秒( 至30英里每小時(shí))時(shí)達(dá)到最大功率輸出。在風(fēng)速為約22. 35米/秒(50英里每小時(shí))時(shí)，渦輪機(jī)將使葉片傾斜或順流以停止發(fā)電及轉(zhuǎn)動(dòng)。
在二十世紀(jì)八十年代，使用來(lái)自于其他工業(yè)的低成本零件生產(chǎn)機(jī)械的方法通常奏效，但是很笨重、維護(hù)成本高并且電網(wǎng)友好性差。加利福尼亞風(fēng)能走廊中使用了小直徑機(jī)器，大部分為密集布置的陣列，這在鄉(xiāng)村環(huán)境中很不美觀。這些密集布置的陣列通常也阻擋來(lái)自鄰近渦輪機(jī)的風(fēng)，給下風(fēng)位機(jī)器帶來(lái)大量的湍流。對(duì)由湍流引起的結(jié)構(gòu)性載荷了解很少，導(dǎo)致重要零件的頻繁失效及早期失效。結(jié)果影響可靠性及可用性。
認(rèn)為風(fēng)驅(qū)動(dòng)電能總量的增長(zhǎng)將主要使用集中在有利風(fēng)條件區(qū)域中的當(dāng)前風(fēng)機(jī)發(fā)電廠的概念。另一方面，“分布風(fēng)技術(shù)”(DWT)應(yīng)用指電表客戶端的渦輪機(jī)安裝。從歷史的觀點(diǎn)說(shuō)，DffT已經(jīng)成為小型機(jī)的同義詞。二十世紀(jì)九十年代的DWT市場(chǎng)集中在用于離網(wǎng)家庭的電池充電、遠(yuǎn)程電信站及國(guó)際村電能應(yīng)用。
再次根據(jù)能源部的記載，DWT從歷史的觀點(diǎn)說(shuō)成為小型機(jī)的同義詞，并且使用尾翼進(jìn)行被動(dòng)偏轉(zhuǎn)控制的三葉片設(shè)計(jì)占主導(dǎo)地位。收攏或用機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置使機(jī)器斜向一邊轉(zhuǎn)向風(fēng)幾乎普遍用于轉(zhuǎn)子超速控制。商業(yè)公司的Endurance Windpower供應(yīng)一種示例性的小型風(fēng)力渦輪機(jī)。根據(jù)其2008年的網(wǎng)站描述，收攏在99. 9%的時(shí)間里是奏效的，但仍不足以保護(hù)在安裝中的投資。Endurance Windpower的產(chǎn)品包括冗余制動(dòng)鉗以在某些故障及風(fēng)力情況下使轉(zhuǎn)子停止。此外，網(wǎng)站表述說(shuō)風(fēng)力渦輪機(jī)必須放置在任意障礙的湍流區(qū)的外部。
已經(jīng)提出了各種其他設(shè)計(jì)?？梢栽?978年9月的《Popular kience》的V 'Chase 的文章《Winners or Losers ？ Energy Experts Evaluate 13ffind Machines》中找至Ij一些示例。但是，根據(jù)能源部的記載，如果風(fēng)能想為美國(guó)總電力需求作出更多貢獻(xiàn)而不僅限于幾個(gè)百分點(diǎn)，風(fēng)能技術(shù)必須繼續(xù)演進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施方式的目標(biāo)是利用過(guò)去未能顯著利用的可再生能源的資源。本發(fā)明的其他目標(biāo)是 (i)將發(fā)電能力集成到主要目的可能不是獲取風(fēng)能或水能的建筑物及其他結(jié)構(gòu)中； (ii)通過(guò)利用主要目的可能不是獲取風(fēng)能或水能的建筑物固有特性獲得發(fā)電效率；和 (iii)通過(guò)在消費(fèi)端提供發(fā)電能力而減少發(fā)電網(wǎng)上的載荷，以及為電網(wǎng)供電。
這些及其他目標(biāo)通過(guò)利用圍繞諸如辦公室、公寓、橋梁支座、水塔、糧倉(cāng)及河海船舶結(jié)構(gòu)等主要目的可能不是獲取風(fēng)能或水能的建筑物及其他人造結(jié)構(gòu)的氣流及水流來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要為發(fā)電而建設(shè)的當(dāng)前的風(fēng)機(jī)發(fā)電廠傾向于設(shè)置于在自然風(fēng)很強(qiáng)的區(qū)域中的陸地上。相反，絕大多數(shù)人造建筑物選址在諸如城市或背風(fēng)地形的獲取風(fēng)能的次優(yōu)區(qū)域的位置處。圍繞這種人造建筑物的條件可能是次優(yōu)的，但它們可能允許符合可實(shí)現(xiàn)的及成本有效的發(fā)電。此外，這種結(jié)構(gòu)還傾向于位于或靠近電力消費(fèi)端，故而在這些位置處發(fā)電避免從遠(yuǎn)處(諸如傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電廠、有機(jī)燃料發(fā)電廠或核電廠)至使用端的附加傳輸能力的成本并避免傳輸中的能量損失。另一方面，人造結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在諸如河流、潮汐及遭受破壞性風(fēng)暴及海情的離岸船舶環(huán)境的、獲取風(fēng)能或水能已經(jīng)認(rèn)為沒有吸引力的環(huán)境中?？梢酝ㄟ^(guò)將發(fā)電能力集成到為其他目的而建造的結(jié)構(gòu)中來(lái)獲得額外的成本效益。已經(jīng)超過(guò)其生產(chǎn)壽命的離岸石油平臺(tái)可以提供船舶環(huán)境中的基礎(chǔ)。無(wú)論如何，一些建造成本已經(jīng)或?qū)?huì)發(fā)生，而邊際材料成本減少至諸如風(fēng)能獲取設(shè)備、渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及保護(hù)遮罩的發(fā)電設(shè)備。
一種示例性實(shí)施方式是具有設(shè)計(jì)成使圍繞建筑物外圍的主風(fēng)加速的大體空氣動(dòng)力學(xué)形狀的建筑物。相對(duì)于主風(fēng)具有很大橫截面的建筑物在外圍提供相當(dāng)?shù)哪芰考?，因?yàn)槠浯髾M截面用作空氣動(dòng)力學(xué)障礙及改向裝置?？諝饧铀倭侩S著建筑物進(jìn)入主風(fēng)的橫截面而增大。圍繞外圍設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)從加速后的空氣中抽取能量并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
過(guò)速保護(hù)對(duì)這種渦輪機(jī)提出了挑戰(zhàn)。對(duì)相對(duì)低速的主風(fēng)條件而定尺寸的渦輪機(jī)通常在強(qiáng)風(fēng)條件下易受影響而損壞。風(fēng)暴偶爾使風(fēng)力渦輪機(jī)暴露于破壞性條件下，特別是在相對(duì)不受保護(hù)的船舶環(huán)境下。在一種優(yōu)選的“槳輪”設(shè)計(jì)中，橫向軸線渦輪機(jī)定位成部分位于在建筑物空氣動(dòng)力學(xué)覆蓋區(qū)內(nèi)的凹部中。這種渦輪機(jī)的葉片在強(qiáng)風(fēng)條件下無(wú)法容易地被 “順流”用于保護(hù)，并且基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通過(guò)無(wú)法收攏以減少風(fēng)力載荷。設(shè)置有可移動(dòng)遮罩。在“打開”位置，遮罩允許渦輪機(jī)最大限度地暴露于繞過(guò)結(jié)構(gòu)的空氣。在“關(guān)閉”位置，遮罩圍繞渦輪機(jī)的否則將暴露的部分形成保護(hù)性遮障。遮罩可以根據(jù)風(fēng)力條件在打開和關(guān)閉位置之間移動(dòng)。


參照附圖，其圖示了由(一位或多位)發(fā)明者構(gòu)想的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖1是用于發(fā)電的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)的圖示。
圖2是具有渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)的立體圖，該渦輪機(jī)具有處于打開位置的保護(hù)性遮罩。
圖3是具有渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)的立體圖，該渦輪機(jī)具有處于關(guān)閉位置的保護(hù)性遮罩。
圖4是在圖2和3中所示的具有渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)的俯視圖，該渦輪機(jī)具有處于部分打開位置的保護(hù)性遮罩。
圖5是在圖2和3中所示的具有渦輪機(jī)的柱結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，該渦輪機(jī)具有處于打開位置的保護(hù)性遮罩。
圖6是在圖2和3中所示的柱結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，圖示了可能的發(fā)電機(jī)位置。
圖7是具有渦輪機(jī)的拱形建筑物的圖示，渦輪機(jī)設(shè)置成相對(duì)于地面具有變化的軸線方位。
圖8是渦輪機(jī)/遮罩模塊的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖9a圖示了具有適當(dāng)?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)特性但沒有用于容納渦輪機(jī)的凹部的結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓的俯視平面圖。
圖9b圖示了改裝有渦輪機(jī)及整流裝置的圖9a所示的結(jié)構(gòu)的俯視平面圖。
具體實(shí)施例方式圖2是柱結(jié)構(gòu)10的立體圖，該柱結(jié)構(gòu)10具有兩個(gè)橫向軸線渦輪機(jī)12，這兩個(gè)橫向軸線渦輪機(jī)12具有處于打開位置的保護(hù)性遮罩(未示出)。此處的“橫向軸線”的意思是渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線大體垂直于(90°角)撞擊在渦輪機(jī)上的氣流的方向。圖示柱結(jié)構(gòu)10 大體為長(zhǎng)形，并將方位確定成使其長(zhǎng)軸線大體指向平行于主流體流14的方向。流體可以是氣體(風(fēng))或液體(水)，但為了便于解釋，將參照風(fēng)來(lái)解釋本發(fā)明，但這并不意于將本發(fā)明限制于氣渦輪機(jī)。所述柱結(jié)構(gòu)具有位于柱結(jié)構(gòu)側(cè)面上的兩個(gè)豎向的、部分圓柱形的凹部11， 該凹部11容納橫向軸線渦輪機(jī)12。柱結(jié)構(gòu)10形成兩個(gè)渦輪機(jī)之間的空氣動(dòng)力學(xué)阻礙或障礙，該空氣動(dòng)力學(xué)阻礙或障礙使主風(fēng)14圍繞該結(jié)構(gòu)以及在渦輪機(jī)12上方改向并加速。加速后的空氣使渦輪機(jī)12轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以用于進(jìn)行有用的工作，優(yōu)選地用于發(fā)電。
渦輪機(jī)12的形狀大體為槳輪形，葉片16平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在兩個(gè)端板18之間延伸。渦輪機(jī)12繞中心軸線20轉(zhuǎn)動(dòng)并部分地凹進(jìn)到柱結(jié)構(gòu)10中，從而葉片16僅在其轉(zhuǎn)動(dòng)周期的一部分過(guò)程中暴露于加速后的空氣。在其轉(zhuǎn)動(dòng)周期的其余部分過(guò)程中，柱結(jié)構(gòu)遮蔽葉片并允許葉片在減少的阻力的情況下返回至上風(fēng)位置。
優(yōu)選的柱結(jié)構(gòu)除了它們作為空氣動(dòng)力學(xué)阻礙及改向裝置的作用外，還用于一個(gè)或更多功能。例如，柱結(jié)構(gòu)可以是橋梁支座、辦公樓、公寓大樓、儲(chǔ)水槽、谷糧倉(cāng)、倉(cāng)庫(kù)、豎直浮標(biāo)或其他具有致使捕獲大于僅渦輪機(jī)橫截面面積的區(qū)域的形狀的建筑，但不限于此。許多現(xiàn)有建筑具有此特性，不過(guò)新建筑可以設(shè)計(jì)成更有效地將空氣動(dòng)力學(xué)功能與其他(一個(gè)或多個(gè))功能集成在一起。結(jié)構(gòu)可以是包括方形、圓形、矩形、環(huán)形、橢圓形或者甚至不規(guī)則形狀的任意形狀，只要結(jié)構(gòu)使主風(fēng)繞結(jié)構(gòu)的頂部、側(cè)部或者甚至可能底部的外圍加速即可。
至少部分地取決于結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，渦輪機(jī)可以沿結(jié)構(gòu)的頂部、側(cè)部或者甚至底部的全部或部分長(zhǎng)度延伸。對(duì)于較小的柱結(jié)構(gòu)，渦輪機(jī)可以具有單個(gè)轉(zhuǎn)子。對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)，可以將多個(gè)較小的轉(zhuǎn)子疊放或者沿建筑物的外圍定位。圖7例如示出了具有外拱72的建筑。如下文進(jìn)一步討論的，一系列的渦輪機(jī)74沿拱72的外部和內(nèi)部(如果有開放空間)定位。渦輪機(jī)可以放置在該結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)力條件有利的任意位置。
圖3是具有渦輪機(jī)12的柱結(jié)構(gòu)10的立體圖，該渦輪機(jī)12具有處于關(guān)閉位置的保護(hù)性遮罩30。遮罩30成形為中空?qǐng)A柱的一部分，諸如完整圓柱的55%。在關(guān)閉位置，遮罩 30轉(zhuǎn)動(dòng)至柱結(jié)構(gòu)10的凹部11的外部，在此遮罩30至少部分地遮蔽渦輪機(jī)12使其不經(jīng)受氣流。遮罩30安裝于柱結(jié)構(gòu)10，并在打開和關(guān)閉位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)。在打開位置，遮罩轉(zhuǎn)動(dòng)至柱結(jié)構(gòu)30的凹部11的內(nèi)部，這使渦輪機(jī)暴露于加速后的空氣流中。覆蓋的程度將取決于渦輪機(jī)12及凹部11的具體構(gòu)造，優(yōu)選地圍繞渦輪機(jī)12的暴露外圍延伸，以與凹部11相接， 或至少稍稍交疊于凹部11中。但是，覆蓋的程度也應(yīng)當(dāng)使遮罩30在位于其打開位置時(shí)延伸至凹部外的量最小化，以使與氣流的干涉最小化。覆蓋程度可以小于50%。
圖4是具有渦輪機(jī)12的柱結(jié)構(gòu)30的俯視圖，其中該渦輪機(jī)12具有處于部分打開位置的保護(hù)性遮罩30。遮罩30可以保持在全開(定位在柱結(jié)構(gòu)凹部?jī)?nèi))至全閉(定位成完全覆蓋渦輪機(jī)延伸到柱結(jié)構(gòu)凹部外的部分)之間的任意位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)風(fēng)力條件對(duì)遮罩進(jìn)行定位。在弱風(fēng)至中等風(fēng)力的情況下，控制系統(tǒng)將遮罩轉(zhuǎn)動(dòng)至打開位置，以使渦輪機(jī)完全暴露于加速后的空氣流。當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)時(shí)，遮罩30關(guān)閉以限制渦輪機(jī)12暴露于過(guò)量風(fēng)能以防止損壞。主控制模式將使能量輸出最大化至限制點(diǎn)?？刂埔矊⒕哂休o助控制模式以在風(fēng)暴或進(jìn)行維修時(shí)關(guān)閉遮罩。
圖5是保護(hù)性遮罩(未示出)處于打開位置的柱結(jié)構(gòu)30的側(cè)視圖。此遮罩位置將渦輪機(jī)葉片16暴露于加速后的空氣。還可以看見端板18及軸20。渦輪機(jī)葉片16優(yōu)選地安裝于端板18，同時(shí)在葉片16與軸20之間留有氣隙52。
圖6是具有渦輪機(jī)12及發(fā)電機(jī)60的柱結(jié)構(gòu)30的側(cè)視圖。渦輪機(jī)12通過(guò)軸62驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)60。發(fā)電機(jī)及軸的總體放置將是特定于場(chǎng)地的，以將發(fā)電機(jī)與柱結(jié)構(gòu)的其他(一個(gè)或多個(gè))功能集成在一起。例如，在新建辦公建筑或居民建筑的情況下，發(fā)電機(jī)可以設(shè)置在建筑物的地下室或下層地下室的高度。對(duì)于水上橋梁支座，發(fā)電機(jī)可以設(shè)置在渦輪機(jī)上方以避免與防水相關(guān)聯(lián)的成本。作為直接驅(qū)動(dòng)的替代，傳動(dòng)系統(tǒng)可以包括齒輪系統(tǒng)以相對(duì)于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速增加或減少發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)系統(tǒng)也可以包括離合器以使渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)脫離。
圖7是具有渦輪機(jī)的拱形建筑物的圖示，所述渦輪機(jī)設(shè)置成相對(duì)于地面具有不同的軸線方位。建筑物70是柱結(jié)構(gòu)且具有足夠的尺寸以用作空氣動(dòng)力學(xué)障礙，以及用于使主風(fēng)圍繞其外圍加速。彎曲拱72圍繞建筑物70的外圍延伸。一系列渦輪機(jī)74圍繞拱72的外圍設(shè)置在凹部中，其中保護(hù)性遮罩(未示出)處于打開位置，以在加速后的空氣繞建筑物 70經(jīng)過(guò)時(shí)從空氣中抽取能量。保護(hù)性遮罩可以單獨(dú)地控制，從而各渦輪機(jī)具有與其位置相適應(yīng)的暴露程度。典型地，風(fēng)速隨著高度而增加。依據(jù)建筑物的局部環(huán)境，可能靠近建筑物頂部的保護(hù)性遮罩將具有高的關(guān)閉程度，而靠近基部的保護(hù)性遮罩將完全打開。
雖然圖7的建筑物示出渦輪機(jī)沿拱的整個(gè)外圍設(shè)置，但是渦輪機(jī)的構(gòu)造將是特定于場(chǎng)地的。建筑物外圍的一些部分可能沒有足夠的風(fēng)力條件以使渦輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在這種情況下渦輪機(jī)可僅設(shè)置在建筑物上最有利的位置，諸如沿屋頂水平地設(shè)置或設(shè)置在上部樓層的側(cè)部上。
圖8是渦輪機(jī)/遮罩模塊的橫截面?zhèn)纫晥D。部件示出為安裝在較大結(jié)構(gòu)81的樓層之間的凹部中。橫向軸線渦輪機(jī)安裝成使其葉片82在轉(zhuǎn)動(dòng)周期的一部分中暴露于圍繞凹部80外側(cè)的加速后的空氣，而在轉(zhuǎn)動(dòng)周期的其他部分中被遮蔽而不受加速后的空氣影響。 設(shè)置在凹部80內(nèi)的發(fā)電機(jī)83直接連接于渦輪機(jī)82，以在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)發(fā)電。圖中示出的構(gòu)造為示例性的。傳動(dòng)裝置可以用于相對(duì)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化發(fā)電機(jī)83的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)包括推力軸承(未示出)以承受渦輪機(jī)82的軸向載荷。第二軸承87支撐渦輪機(jī)遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)83的端部。發(fā)電機(jī)83及第二軸承87均通過(guò)固定柱99或其他安裝結(jié)構(gòu)安裝于柱結(jié)構(gòu) 81。
保護(hù)性遮罩84示出為處于關(guān)閉位置，這使保護(hù)性遮罩84定位成將凹部80隔離。 保護(hù)性遮罩84連接于兩個(gè)軸承85并由這兩個(gè)軸承85支撐。軸承85承受由保護(hù)性遮罩84 的重量施加的推力(軸向)載荷，同時(shí)允許保護(hù)性遮罩84從打開位置轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉位置。軸承85還承受作用在保護(hù)性遮罩84上的風(fēng)載荷引起的橫向載荷。遮罩馬達(dá)86通過(guò)附連于保護(hù)性遮罩84的齒輪88或其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在打開和關(guān)閉位置之間驅(qū)動(dòng)保護(hù)性遮罩。渦輪機(jī) 82可以可選地包括制動(dòng)系統(tǒng)(未示出)。
作為對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的替代，保護(hù)性遮罩(相對(duì)于主風(fēng))的前緣可以包括一個(gè)或多個(gè)凸出部98、翼板或其他空氣動(dòng)力學(xué)表面，它們定位成使作用在(一個(gè)或多個(gè))凸出部98上的氣流產(chǎn)生傾向于使保護(hù)性遮罩84從其打開位置向其關(guān)閉位置轉(zhuǎn)動(dòng)的力。優(yōu)選地，一個(gè)渦輪機(jī)的保護(hù)性遮罩軸向地(在平行于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向上)延伸以與上部樓層及下部樓層上的渦輪機(jī)遮罩相接，并且凸出部98設(shè)置在保護(hù)性遮罩84的外圍部分上，從而不與作用在渦輪機(jī)82上的氣流干涉。在這種實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)彈簧(未示出)將保護(hù)性遮罩84連接至較大的結(jié)構(gòu)81，從而產(chǎn)生作用在保護(hù)性遮罩84上傾向于使保護(hù)性遮罩84向打開位置轉(zhuǎn)動(dòng)的力。彈簧力在與作用在(一個(gè)或多個(gè))凸出部98上的風(fēng)力相反的方向上起作用。(一個(gè)或多個(gè))彈簧及(一個(gè)或多個(gè))凸出部98選擇成使得在風(fēng)力相對(duì)較小的時(shí)期 (一個(gè)或多個(gè))彈簧將保護(hù)性遮罩84偏置到打開位置。在風(fēng)力較大的時(shí)期，風(fēng)作用在凸出部98上并至少部分地關(guān)閉保護(hù)性遮罩。當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)時(shí)，關(guān)閉的程度也增加，這使保護(hù)性遮罩84減少渦輪機(jī)82暴露于氣流的程度。這又自動(dòng)調(diào)節(jié)了暴露的程度并允許渦輪機(jī)82在較寬范圍的風(fēng)力條件下繼續(xù)安全地操作。諸如流體填充或空氣填充的減震器的阻尼系統(tǒng)抑制(一個(gè)或多個(gè))彈簧及(一個(gè)或多個(gè))凸出部98在保護(hù)性遮罩上的作用，以減少陣風(fēng)引起的保護(hù)性遮罩84的振動(dòng)。
圖9a和9b圖示了改裝有渦輪機(jī)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。圖9a圖示了具有適當(dāng)?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)特性但沒有用于容納渦輪機(jī)的凹部的結(jié)構(gòu)90的輪廓的俯視圖。通過(guò)示例的方式，結(jié)構(gòu)90 可以是橋梁支座。圖9b圖示了圖9a所示結(jié)構(gòu)改裝有渦輪機(jī)12的俯視平面圖。添加了附加整流罩91、92，它們實(shí)際上擴(kuò)寬了橋梁支座的橫截面，并允許在新空氣動(dòng)力輪廓內(nèi)產(chǎn)生凹部區(qū)域。前整流罩91提供了屏蔽區(qū)域，在該屏蔽區(qū)域中渦輪機(jī)葉片可以在(相對(duì)于沒有整流罩時(shí)它們將經(jīng)受的阻力)減小的阻力的情況下返回至上風(fēng)位置。下風(fēng)位整流罩92使下風(fēng)位氣流平穩(wěn)順暢，并進(jìn)一步減少渦輪機(jī)12上的背壓。當(dāng)風(fēng)向反轉(zhuǎn)時(shí)，上風(fēng)位整流罩與下風(fēng)位整流罩92的功能調(diào)換。渦輪機(jī)12和整流罩91、92的幾何形狀可以針對(duì)主風(fēng)向進(jìn)行優(yōu)化，并且針對(duì)在風(fēng)力情況反轉(zhuǎn)的過(guò)程中的可操作性進(jìn)行平衡。
上文著重描述了風(fēng)力渦輪機(jī)，但它們也可以是用于建在諸如河流、潮汐流及離岸水流的水環(huán)境中的結(jié)構(gòu)中的水力渦輪機(jī)。例如，橋梁支座可以在橋梁支座使繞其外圍的水流加速的地方在水線之上安裝有風(fēng)力渦輪機(jī)并且在水線之下安裝有水力渦輪機(jī)。此外，本文描述的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)可以有利地安裝在船舶、或諸如已經(jīng)超過(guò)其計(jì)劃使用壽命的石油平臺(tái)的其他水中平臺(tái)、或設(shè)計(jì)成從波浪或水流獲取能量的浮標(biāo)上，其中建立船舶平臺(tái)的至少部分成本可以歸因于除了獲取風(fēng)能以外的功能。
上文描述的實(shí)施方式意于為說(shuō)明性而非限制性的?？梢赃M(jìn)行各種修改而不脫離本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)由上文描述限定，而應(yīng)當(dāng)僅根據(jù)下文權(quán)利要求及其等同方案限定。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)系統(tǒng)，包括(a)渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)具有可轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)葉片，所述渦輪機(jī)定位成使其渦輪機(jī)葉片在所述渦輪機(jī)葉片的至少一部分轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中暴露于由柱形結(jié)構(gòu)加速的流體流的區(qū)域；以及(b)保護(hù)性殼體，所述保護(hù)性殼體能夠移動(dòng)以使所述渦輪機(jī)葉片與所述流體流的區(qū)域隔離，由此保護(hù)所述渦輪機(jī)不受過(guò)功率情況的影響。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)于主風(fēng)在方位上是固定的。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述柱形結(jié)構(gòu)承受超出所述渦輪機(jī)的載荷的載荷。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括安裝于所述柱結(jié)構(gòu)的多個(gè)渦輪機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，至少兩個(gè)渦輪機(jī)大體軸向?qū)R地安裝在所述柱結(jié)構(gòu)的共同側(cè)部上。
6.一種用于與柱結(jié)構(gòu)一起使用的渦輪機(jī)系統(tǒng)，包括(a)渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)具有可轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)葉片；以及(b)保護(hù)性殼體，所述保護(hù)性殼體適于布置成與所述渦輪機(jī)成可操作的關(guān)系，并適于使所述渦輪機(jī)葉片與由柱形結(jié)構(gòu)加速的流體流隔離，由此保護(hù)所述渦輪機(jī)不受過(guò)功率情況的影響。
7.如權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)能夠繞第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；而所述保護(hù)性殼體能夠繞大體與所述第一軸線對(duì)齊的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體的裝置，所述用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體的裝置使所述保護(hù)性殼體從打開位置轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉位置。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體的裝置包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)適于布置成與所述保護(hù)性殼體成可操作的關(guān)系，從而使保護(hù)性遮罩繞所述第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體的裝置包括空氣動(dòng)力學(xué)表面，所述空氣動(dòng)力學(xué)表面耦聯(lián)于所述保護(hù)性殼體并適于被所述流體流作用。
11.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中，所述用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體的裝置包括彈簧，所述彈簧適于布置成與所述保護(hù)性殼體成可操作的關(guān)系以轉(zhuǎn)動(dòng)所述保護(hù)性殼體。
12.如權(quán)利要求7所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，還包括軸承，所述軸承適于布置成與所述保護(hù)性殼體成可操作的關(guān)系，以(i)允許遮罩繞所述第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，(ii)承受至少等于所述保護(hù)性殼體的重量的推力載荷。
13.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括上游整流罩，所述上游整流罩構(gòu)造成在安裝于所述柱結(jié)構(gòu)上時(shí)在所述渦輪機(jī)上游阻礙流體流流過(guò)所述渦輪機(jī)的一部分。
14.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述上游整流罩構(gòu)造成在安裝于所述柱結(jié)構(gòu)上在所述渦輪機(jī)上風(fēng)位使流體相對(duì)于所述柱結(jié)構(gòu)加速。
15.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括下游整流罩，所述下游整流罩構(gòu)造成在安裝在所述柱結(jié)構(gòu)上時(shí)在所述渦輪機(jī)下風(fēng)位、在所述渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)周期的至少一部分中減小作用在所述渦輪機(jī)葉片上的背壓。
16.一種渦輪機(jī)系統(tǒng)，包括(a)第一橫向軸線渦輪機(jī)，所述第一橫向軸線渦輪機(jī)具有可轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)葉片，所述渦輪機(jī)由水中結(jié)構(gòu)支撐并定位成使其渦輪機(jī)葉片在所述渦輪機(jī)葉片的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中暴露于已經(jīng)相對(duì)于主流加速的流體流的區(qū)域；以及(b)第一保護(hù)性殼體，所述第一保護(hù)性殼體能夠移動(dòng)以將所述第一渦輪機(jī)的渦輪機(jī)葉片與流體流的區(qū)域隔離，由此保護(hù)所述第一渦輪機(jī)不受過(guò)功率情況的影響。
17.如權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，還包括(c)第二橫向軸線渦輪機(jī)，所述第二橫向軸線渦輪機(jī)由所述水中結(jié)構(gòu)支撐，并定位成使其渦輪機(jī)葉片在所述渦輪機(jī)葉片的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中暴露于已經(jīng)相對(duì)于主流加速的流體流的區(qū)域；以及(d)第二保護(hù)性殼體，所述第二保護(hù)性殼體能夠移動(dòng)以將所述第二渦輪機(jī)的渦輪機(jī)葉片與流體流的區(qū)域隔離，由此保護(hù)所述第二渦輪機(jī)不受過(guò)功率情況的影響。
18.如權(quán)利要求17所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中，所述水中結(jié)構(gòu)為浮標(biāo)。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述水中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成從水流中獲取能量。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述水中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成從波浪中獲取能量。
全文摘要
一種渦輪機(jī)系統(tǒng)，包括渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)定位成使其葉片在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的至少一部分中暴露于由諸如建筑物或橋形塔的柱形結(jié)構(gòu)加速的流體流的區(qū)域。保護(hù)性殼體，所述保護(hù)性殼體移動(dòng)以使渦輪機(jī)葉片與流體流隔離，由此保護(hù)渦輪機(jī)不受過(guò)功率情況的影響。改裝現(xiàn)有建筑物時(shí)可以使用上風(fēng)位和下風(fēng)位導(dǎo)流罩。渦輪機(jī)可以定位在建筑物的相對(duì)側(cè)面上。多個(gè)渦輪機(jī)模塊可以沿建筑物外圍成一列設(shè)置。渦輪機(jī)可以安裝在諸如浮標(biāo)的水中結(jié)構(gòu)上。
文檔編號(hào)F03D11/02GK102187095SQ200980139269
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者約翰·彼得雷 申請(qǐng)人:自然動(dòng)力概念公司