横流式风力涡轮机的制作方法

专利名称：横流式风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明总体地涉及风力涡轮机，更具体地涉及横流式风力涡轮机 (cross-flow wind turbine)。冃豕抆不风力涡轮机己经提供了一种有价值的替代能源。过去几年来，已 经在风力涡轮机系统中取得了不断进步。现今使用中的大多数风力涡 轮机系统为轴流式系统，也就是人们所熟知的螺旋桨式系统。在轴流 式风力涡轮机系统中，空气沿大体平行于风力涡轮机的旋转轴的方向 行进。巨大的螺旋桨叶片由风驱动以一定的旋转速度旋转，该旋转速度能产生大概六到九倍风速范围内的叶片的叶尖速度(tip speed)。在 中等强风到强风当中，就可以达到超过一小时几百英里的叶尖速度， 这会导致轴流式风力涡轮机断裂。因此，必须使用昂贵的制动系统以 及使叶片角度顺桨(feathering)的系统，以控制在中等强风到强风 当中时轴流式风力涡轮机的速度。结果，轴流式风力涡轮机在中等强 风到强风当中效率低，并且因而在风处于其最大产能水平时不能从风 能中获取动力。实际中，轴流式风力涡轮机正是设计用于中等风。另外，轴流式风力涡轮机对于鸟类来说非常危险。鸟类经常由于 它们不能感知到轴流式风力涡轮机迅速移动叶片的存在而被杀死。横流式风力涡轮机构成了一种不同类的风力涡轮机。请参见2004 年4月23日提交的、名称为"一种具有用于阻塞和引导风的翼型 (airfoil)以及带或不带中心间隙的转子的风力涡轮机"的美国专利 申请No. 10/831， 515,以及2000年1月18日授权的、名称为"风力涡 轮机"的美国专利No.6，015，258，这些专利的所有内容在此全部引入 作为参考。在横流式风力涡轮机中，风沿与旋转轴的轴线大体正交的 方向流经转子。相比轴流式风力涡轮机，横流式风力涡轮机具有某些 优点，但由于相比轴流式风力涡轮机其效率较低，之前并没有被考虑 作为一种替代能源。横流式风力涡轮机的优点在于横流式风力涡轮 机的转子的叶尖速度在最大速度时仅比风速稍大一点。因此，横流式 风力涡轮机能同等地运行在低风和高风的情况下。此外，横流式风力 涡轮机容易被鸟类看见，从而不会导致鸟类死亡。横流式风力涡轮机 还比轴流式风力涡轮机安静得多，主要是因为横流式风力涡轮机不以 高速率运动，并且不会产生大量的紊流。发明内容本发明通过提供一种具有效率显著改善的横流式风力涡轮机，来 克服现有技术的缺点和限制。因此，本发明包括一种以有效方式使用横流式风力涡轮机捕获风
能的方法，其包括以下步骤通过使流过翼型定子的表面的气流加速 而在转子叶片的迎风面上产生低压区，其中所述翼型定子被定位成在 所述转子叶片的动力冲程期间在所述转子叶片与所述翼型定子之间形 成预定的间隙；使用阻塞定子，以大致阻塞风在所述转子叶片的返回 周期期间妨碍所述转子叶片的运动，并在所述转子叶片的所述动力冲 程期间将所述大致被阻塞的风引导到所述转子的从动面，从而在所述 动力冲程期间在所述转子叶片的所述迎风面与所述转子叶片的所述从 动面之间产生压差，所述压差产生以有效方式使所述转子叶片旋转的 力。
本发明还包括一种横流式风力涡轮机系统，所述系统能在各种风 速条件下高效地捕获风能，所述系统包括转子，所述转子具有两个 半圆形的转子叶片；翼型定子，所述翼型定子被定位成捕获流过所述 翼型定子的翼型表面的风并使之加速，并且在所述转子叶片与所述翼 型表面之间设置具有预定尺寸的间隙，以使得，当在动力冲程期间所 述转子叶片经过所述翼型表面时，在所述转子叶片的迎风面上形成负 压区；和阻塞定子，所述阻塞定子被定位成大致阻塞风在与所述动力 冲程相反的返回周期期间冲击所述转子叶片的迎风面，并在所述动力 冲程期间以这样一种方式将所述阻塞定子所阻塞的风引导到所述转子 叶片的从动面上，即在所述动力冲程期间在所述转子叶片的所述迎风 面与所述转子叶片的所述从动面之间产生压差，所述压差产生以有效 方式使所述转子叶片旋转的力。


在附图中-
图1A是本发明一个实施例的示意性俯视图； 图IB提供图1A的实施例的典型尺寸； 图2示意性显示本发明的另一实施例；图3是效率曲线图，显示图1A的实施例基于风向的效率； 图4A显示图1A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算流 体力学的计算机模拟计算得到；图4B为图4A的实施例的效率曲线图； 图5是图4A的实施例的风速以及流向图；图6A显示图6A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算流 体力学的计算机模拟计算得到；图6B为图6A的实施例的效率曲线图； 图7为图6A的实施例的风速以及流向图；图8A显示图8A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算流 体力学的计算机模拟计算得到，-图8B为图8A的实施例的效率曲线图； 图9为图8A的实施例的风速以及流向图；图10A显示图10A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图IOB为图IOA的实施例的效率曲线图；图11为图IOA的实施例的风速以及流向图；图12A显示图12A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图12B为图12A的实施例的效率曲线图；图13为图12A的实施例的风速以及流向图；图14A显示图14A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图14B为图14A的装置的效率曲线图；图15为图14A的实施例的风速以及流向图；图16A显示图16A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图16B为图16A的实施例的效率曲线图； 图17为图16A的装置的风速以及流向图；图18A显示图18A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图18B为图18A的实施例的效率曲线图；图19为图18A的实施例的风速以及流向图；图20A显示图20A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图20B为图20A的实施例的效率曲线图；图21为图20A的实施例的风速以及流向图；图22A显示图22A的实施例所产生的压力梯度，其通过使用计算 流体力学的计算机模拟计算得到；图22B为图22A的实施例的效率曲线图；图23为图22A的实施例的风速以及流向图；图24示意性显示构造图1A的实施例的方式；图25为图1A的实施例的立体图；图26为图1A的实施例从不同方向看的立体图；图27为图1A的实施例的转子的立体图；图28示意性显示将转子轴联接到发电机的一种方式； 图29示意性显示将转子轴联接到发电机的另一方式。
具体实施方式
图1A显示横流式风力涡轮机100的一个实施例。横流式风力 涡轮机包括固定的翼型定子(air foil stator) 102、固定的定子104 以及也是固定的定子106。转子108响应风所产生的力而旋转。转 子108包括转子叶片110、转子叶片112以及旋转轴114。图1A 所示的横流式风力涡轮机100被设计成使得沿主方向116流动的 风的效率最大，其中该主方向116在具体的地理位置时与盛行风 对齐。但是，横流式风力涡轮机100对从其它方向流来的风的效 率也较高，如下参考图3详细所述。如图1A所示，定子的角向位置相对于主风向116示出。图 1A所示的横流式风力涡轮机100—般以相对于彼此的相对比例尺 寸来显示每个元件。可以认为横流式风力涡轮机100的比例縮 放不会改变各种元件的相对比例尺寸或它们相对于彼此的位置。 可以预计与横流式风力涡轮机100的风洞试验相比，如果横流 式风力涡轮机100放大到更大尺寸，更大縮放比例上的雷诺数以 及流动特性差异会导致更高的效率。转子叶片110和转子叶片112 连接到轴114上，使得随着风移动转子叶片110、 112时，轴114 旋转。如图1A所示的转子叶片110、 112具有120°的圆弧形状。 从风洞试验以及计算流体力学所收集的实验数据表明转子叶片 的120°圆弧形状提供的效率最高。图1A所示翼型定子102具有拱形轮廓，其作用类似于飞机机 翼，使得流经翼型定子102的表面118的空气加速。流经表面118 的加速空气流会在转子叶片110的迎风面(leading face) 120 上产生低压区，这有助于牵引转子叶片110通过其动力冲程(power stoke)。因为沿主风向116流动的风在转子叶片110的从动面 (trailing face) 122上推动，所以在转子叶片110的从动面122 与迎风面120间存在巨大的压差。该巨大的压差有助于转子叶片 110绕轴114沿逆时针方向运动。图4A更详细地揭示所产生的压 力梯度。定子104被定位成阻塞从主风向116吹来的风在返回周 期(return cycle)期间冲击转子叶片的迎风面，这通过图1A中 转子叶片112的位置示出。定子104不仅阻塞风在返回周期期间 撞击转子叶片，还使从方向116吹来的风改向为冲击转子叶片110 的从动面122。图1A的定子106用于将转子108的顺风侧上的空气流引导离 开横流式风力涡轮机100。定子106还提供三脚结构的第三脚，以 给系统增加结构刚性。定子106还有其它有价值的功能。对许多 地理位置的风向研究提供了这样的数据即，在多风季节期间， 盛行风(prevailing wind)从主方向吹来，该多风季节例如在许 多地方为冬季。在与之相反的季节(淡季)，例如夏季期间，风通 常来自大体相反方向。尽管淡季中的风仅是主要季节的风的一小 部分，但优选地，仍然可以一定效率地捕获淡季风，并将它转换 成机械能。从图1A可以看出，当风从与主风向116相反的方向130 吹来时，定子106有助于使风改向进入转子叶片112。就这一点， 理想地可在一些实施例中给定子106设置拱形，使得它与气流定 子102类似地形成翼型。但是，定子106的主要目的是提供结构 刚性，以帮助风离开涡轮机，且不产生会妨碍横流式风力涡轮机 100的性能的背压。
当然，为了提供结构刚性，也能简单地用结构构件代替定子106。根据特定地区的风的研究，如果风的流向几乎只来自方向 116，则用结构构件代替定子106行得通。来自方向132的风则让 定子106起类似于定子104的作用，即定子106会在转子叶片的 返回周期期间阻塞来自方向132的风，并使风在动力冲程期间改 向到转子叶片的从动面。因此，如图1A所示，如果淡季风来自方 向132，则定子106可以为横流式风力涡轮机100提供有利的特性。从很多地理位置关于风的研究收集来的风的数据显示很大 百分比(高至90%或更多)的风来自与盛行风相同的象限。这些研 究还显示，淡季期间风通常来自相反的象限，如上所述。例如， 如果主风向116为多风季节期间的主风向，则在大多数地理位置， 淡季期间风通常从方向130吹来。但是，在大多数地理位置，淡 季风携带的能量仅为从主风向的风获得的能量的一小部分。因此， 对图1A的系统可优化用于来自盛行风的象限的风即，当横流式 风力涡轮机安装在某一地点时，主风向116与盛行风向对齐。如 下相对于图3更详细所述，图1A所示的系统为全方向 (omni-directional)系统，其对主风向116具有最佳效率，而 当风从主风向116以外的方向吹来时则效率降低。但是，另外地， 对大多数地方来说，最大的总效率以及最好的投资回报可从系统 优化中获得，其中该系统捕获来自盛行风向的风。对于风洞试验，图1A的实施例产生本发明所公开的各种实施 例中的最高效率。使用计算流体力学的计算机模拟显示图2的 实施例提供最高效率。从全尺寸系统的实时试验收集的数据提供 最好的数据，以显示哪个实施例能提供最高效率。
图1B提供了图1A的实施例中总高为33英尺、10千瓦的横流 式风力涡轮机以及总高为230英尺、1000千瓦的涡轮机的尺度列 表。另外，可以认为这些设备的尺度与尺寸成线性关系进行縮放。图2显示横流式风力涡轮机的另一实施例200。图2的实施例 采用固定轴202。在转子叶片204、 206绕轴202旋转时，轴202 保持固定。从图2可以看出，固定轴202具有凹部，其导致间隙 208形成在靠近轴转子叶片206的端部与轴凹部之间。因此，在循 环的某些部分期间，间隙在转子的内侧端与轴之间开启，这使得 动力冲程期间转子叶片所捕获的风排出。通过间隙208排出的风 被引导向转子叶片206，以帮助转子叶片206运动通过返回周期。 这在下面更详细地说明。换言之，转子叶片204的从动面212所 捕获的风通过间隙208被引导，并流到转子叶片206的从动面210 上，以在从动面210上产生正压。图3为显示图1A所示的横流式风力涡轮机100的效率相对于 风向的图表。从图3可以看出，最高效率可从大约10°到335° 方向吹来的风获得。在这些方向中，可实现40%到45%的效率。当 风从大约210。到240°方向吹来时，效率在35%到37%的范围内。 此外，当风从90°到120°方向吹来时，可实现27%到29%的合理 效率。因此，图3所示横流式风力涡轮机IOO略微有些全方向的， 但明显地，在10°到335°之间实现了超过40%的最高效率。图4A显示了横流式风力涡轮机100通过使用计算流体力学的 计算机模拟计算得到的压力梯度。标尺(scale) 102将正压显示 为浅阴影，并将负压显示为深阴影。从图4A可以看出，当转子叶 片110在动力冲程期间经过翼型定子102时，在转子叶片110的 迎风面120上产生了巨大的负压。转子叶片110的迎风面120上 产生的巨大的负压由流经翼型定子102表面的加速气流导致。这 些负压用于绕轴沿逆时针方向牵引转子叶片110。由浅阴影表示的 正压产生在转子叶片110的从动面122上。转子叶片110的从动 面122与迎风面120间巨大的压差产生很大的力作用在转子叶片 110上，以使转子叶片110绕轴114沿逆时针方向旋转。横流式风 力涡轮机100的动力冲程期间所产生的较大力导致较高的效率。图4B显示了图1A的实施例中单个转子叶片相对于时间的即 时效率与平均效率。从图4B可以看出，曲线402所示的平均效率 在28%到32%之间的范围内。曲线404是对图1A所示实施例中的 转子叶片100的迎风面120所计算出的即时效率。诸如图4B的效率曲线图在计算机上由计算流体力学计算得 到。在计算流体力学模拟中，叶片每秒完成一次全程旋转。示出 了半程旋转(one half revolution)中叶片上的动态载荷。半秒 窗口显示了全部的周期力曲线(pattern),因为该曲线在下半程 旋转中重复且仅叶片上的力反向。当叶片旋转通过该半个循环时， 测量每个时间步骤的无量纲化压力系数。叶片上的压力是压力系 数和基准流体压头(flow head)的函数其中，q^是基准流体压头。<formula>formula see original document page 15</formula>， 其中，P二空气密度，lL,-在中间转子高度处测得的上游速度。然后，对每个叶片表面上的动量(其为正值时可用于产生能
量)求和并将其绘制成总效率。这些图表仅显示了单个叶片。因此，平均效率曲线402通过将两个叶片所计算的效率加和产生。 实际结果是将与所示曲线相位差180°的另一组曲线加到图4B所 示的曲线，以及这里所示的其它效率曲线图。风洞和全尺寸中的涡轮机效率由以下公式计算风中可获取的功率Pz(l/2)pAS:i [瓦]P.二风中可获取的功率p二空气密度，千克/立方米二1.225千克/立方米，在海平面处 A二转子扫掠面积，平方米二转子高度X转子直径S二风速，米/秒涡轮机功率P一转子扭矩(牛.米)X转速(转/秒)[瓦]涡轮机效率%效率二 (pyp ) xioo一旦涡轮机的效率确定了，涡轮机功率也能这样计算得到 PfP X效率=(1/2) pAS:' X效率图5为风速以及流向图，其显示了风的流动方向及其强度。如图 5所示，由于翼型定子102使风在翼型定子102的表面118上加速的气 流特性，风在翼型定子102与叶片110间的间隙中加速。图5中箭头 的长度表示风速的量级。如图5所示，巨大的风速沿转子叶片110的 迎风面产生，其被导向到转子112的从动面。沿转子叶片110的迎风 面表面的巨大速度产生负压，同时冲击在转子112的从动面上的风产
生正压。此外，定子104引导风使得它冲击转子叶片110的从动面。图6A显示了对于图2所示横流式风力涡轮机200通过利用计 算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。标尺602将正压 显示为浅阴影，并将负压显示为深阴影。与图4A类似，在动力冲 程期间，当转子叶片204经过翼型定子214时，在转子叶片204 的迎风面上产生巨大的负压。转子叶片204的迎风面上产生的巨 大的负压由流经翼型定子214的表面的加速气流导致。这些负压 用于绕轴202沿逆时针方向牵引转子叶片204。由浅阴影表示的正 压产生在转子叶片204的从动面上。转子叶片204的从动面与迎 风面间产生的巨大的压差形成很大的力作用在转子叶片204上， 以使转子叶片204绕轴202沿逆时针方向旋转。横流式风力涡轮 机200的动力冲程期间产生的很大的力导致较高的效率。如上所 述，间隙208用于使转子叶片204的从动面排风。流动通过间隙 208的风冲击在转子叶片206的从动面上。这有助于增加转子叶片 206的从动面上的压力，并在转子叶片的返回周期期间使转子叶片 206的从动面上的负压的影响最小化。图6B显示了图2的实施例中单个转子叶片相对于时间的即时 效率与平均效率。从图6B可以看出，曲线602所示的平均效率在 33%到35%之间的范围内。曲线604为图2所示实施例中的转子叶 片的迎风面的即时效率，而曲线606显示图2所示实施例中的转 子叶片的从动面的即时效率。图7为风速以及流向图，其显示了图2的实施例中风的流动 方向及其强度。如图7所示，由于翼型定子214使风在翼型定子 214的表面上加速的气流特性，风在翼型定子214与转子叶片204
间的间隙中加速。图7中的箭头长度表示风速的量级。如图7所 示，巨大的风速沿转子叶片204的迎风面产生，其被导向转子叶 片206的从动面。此外，流经间隙208的风还冲击在转子叶片206 的从动面上。图7很好地、可视化地解释了图2的实施例中风的 流动特性。图8A显示了对于图8A所示的横流式风力涡轮机的实施例通 过利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。除了固 定轴802稍微更大以外，图8A所示横流式风力涡轮机的实施例与 图2所示的实施例非常相似，从而在旋转周期的某些部分期间产 生更大的间隙。此外，转子稍短。从图8A可以看出，在返回周期 期间，风的流线谱(wind flow pattern)在转子叶片806的从动 面上产生旋涡804。该旋涡没有在图2的实施例中形成，如图6A 所示。结果，图8A的实施例的效率不像图2的实施例的效率那样 高，如图8B更详细所示。图8B显示了图8A的实施例中的单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图8B可以看出，曲线808所示的平均效 率在27%到33%之间的范围内。曲线810显示图8A所示实施例中 的转子叶片的迎风面的即时效率，而曲线812显示图8A的实施例 中的转子叶片的从动面的即时效率。图9为风速以及流向图，其显示了图8A的实施例中的风的流动方 向及其强度。图9显示了这样一种方式，其中由于翼型上的加速空气 流而在转子叶片的迎风面上产生巨大的负压。图9还示出了这样一种 方式，其中漩涡由在间隙和转子叶片之间流动的风以及来自翼型的加 速风所形成，所述间隙由轴802的凹部产生。
图IOA显示了图10A所示的横流式风力涡轮机实施例中通过 利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。图IOA所 示实施例与图8A所示的实施例非常相似，但包括比图8A的固定 轴802更大的固定轴1002。结果，在旋转周期(cycle of rotation) 的某些部分期间，在固定轴1002的转子叶片间形成更大的间隙。 此外，图10A的实施例也产生漩涡1006。图10B显示了图10A的实施例中的单个转子叶片相对于时间 的即时效率与平均效率。从图10B可以看出，曲线1008所示的平 均效率在29%到33%之间的范围内。曲线1010显示图10A所示实 施例中的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线1012显示转子叶片 的从动面的即时效率。平均效率按如上所述方式计算。图11为风速以及流向图，其显示了图10A的实施例中风的流动 方向及其强度。图11以很好的可视化方式说明了图10A的实施例的操 作。图12A显示了图12A所示的横流式风力涡轮机的实施例中通 过利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。固定轴 1202为菜豆形固定轴，其在转子叶片的旋转周期的某些部分期间 绕固定轴1202形成较大的间隙。从图12A可以看出，在返回周期 期间，相当大的低压漩涡形成在转子的从动面上。图12B显示了图12A的实施例中单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图12B可以看出，曲线1206所示的平均 效率在28%到30%之间的范围内。曲线1208显示转子叶片的迎风 面的即时效率。曲线1210显示转子叶片的从动面的即时效率。曲 线1206所示的平均效率按如上所述方式计算。
图13为风速以及流向图，其显示了图12A的实施例中风的流动 方向及其强度。图13的图表显示了形成漩涡1204的方式。图14A显示了图14A所示的横流式风力涡轮机通过利用计算 流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。图14A的实施例使 用与图12A实施例的菜豆形固定轴1202相似的菜豆形固定轴 1402，但固定轴1402被定位成在旋转周期的不同部分期间形成间 隙。此外，漩涡1404在返回周期期间形成在转子的从动面附近。图14B显示了图14A实施例中单个转子叶片对于时间的即时 效率与平均效率。从图14B可以看出，曲线1406所示的平均效率 在27%到32%之间的范围内。曲线1408显示图14A所示实施例中 的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线1410显示转子叶片的从动 面的即时效率。图15为风速以及流向图，其显示了图14A实施例中风的流向及 其强度。图15显示了流谱及强度，其可视地解释了图14A所示的横流式风力涡轮机的运行方式。图16A显示了图16A所示的横流式风力涡轮机实施例中通过 利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。除了图16A 中使用的菜豆形固定轴1602比图12A的固定轴1202更大之外， 图16A与图12A的实施例类似。更大的轴减小了转子叶片的尺寸， 并在轴与转子叶片之间提供更大的间隙。结果是产生巨大的漩涡 1604，该漩涡在旋转周期的返回部分期间在转子叶片的从动面上 形成较大的负压区。图16B显示了图16A的实施例中单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图16B可以看出，曲线1606所示的平均
效率在24%到26%之间的范围内。曲线1608显示图16A所示实施 例中的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线1610显示转子叶片的 从动面的即时效率。图17为风速以及流向图，其显示了图16A的实施例中风的流动 方向及其强度。图17很好地、可视化地解释了图16A的实施例的运行。图18A显示了图18A所示的横流式风力涡轮机实施例中通过 利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。图18A所 示的转子叶片具有J形样式(pattern)而不是本发明中其它实施 例所用的120°半圆弧样式。轴1802为旋转轴，其连接到图18A 所示实施例的转子叶片。图18B显示了图18A的实施例中单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图18B可以看出，曲线1804所示的平均 效率在27%到34%之间的范围内。曲线1806显示图18A所示实施 例中的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线1808显示使用上述相 同方法计算得到的转子叶片的从动面的即时效率。图19为风速以及流向图，其显示了图18A的实施例中风的流动 方向及其强度。图19很好地、可视化地解释了图18A的横流式风力涡 轮机实施例的运行。图20A显示了图20A所示的横流式风力涡轮机的实施例中通 过利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。如图20A所示，转子叶片以反向偏移的方式设置，使得转子叶片间形成间 隙。模拟显示了漩涡2002的产生，其中该漩涡在返回周期期间位 于转子叶片的从动面上更靠中心的位置。在动力冲程期间形成在 转子叶片与翼型之间的负压区2004比本发明的其它实施例中的负
压区小得多。图20B显示了图20A的实施例中单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图20B可以看出，曲线2006所示的平均 效率在25%到26%之间的范围内。曲线2008显示图20A所示实施 例中的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线2010显示转子叶片的 从动面的即时效率。从图20B可以明显看出，在动力冲程期间的 较小负压区导致图20A实施例中的效率低得多。图21为风速以及流向图，其显示了图20A的实施例中风的流动 方向及其强度。图21很好地、可视化地解释了图20A的实施例的运行。图22A显示了图22A所示的横流式风力涡轮机的实施例中通 过利用计算流体力学的计算机模拟计算得到的压力梯度。图22A 的实施例使用了分立式转子叶片和较小的旋转轴。图22B显示了图22A的实施例中单个转子叶片相对于时间的 即时效率与平均效率。从图22B可以看出，曲线2202所示的平均 效率在23%到24%之间的范围内。曲线2204显示图22A所示实施 例中的转子叶片的迎风面的即时效率。曲线2206显示转子叶片的 从动面的即时效率。所述效率按上述方式计算。图23为风速以及流向图，其显示了图22A的实施例中风的流动 方向及其强度。图23很好地、可视化地解释了图22A的实施例的运行。图24示意性地显示了构造图1A的实施例的方式。可以通过使用 管140、 142和144来提供结构支撑件而形成翼型定子102。拉紧框架 (braced framework) 146可以形成在管142与144之间，以进一步增 加结构刚性。翼型定子102的表层148可以由金属片材、或其它所需 材料形成，并可以激光切割成如图24所示的所需形状。诸如用在汽车
防护板中的14规格或16规格厚度的金属片材可用于提供所要的形状。 也可使用其它材料(诸如轻型层压材料)。类似地，定子104也可通 过管150和152利用覆盖有金属片材表层的标准拉紧框架来形成。定 子106可以包括管154、 156，以按上述同样方式形成结构构件。定子 102、 104、 106也可由预制混凝土模板、或就地浇注的混凝土模板、或 现有技术中其它构造技术进行构造。图25为图24所示实施例没有顶盖的立体图。可以设置下底座构 件2502，以将地面风引导到设备中。该下底座构件不是图25所示实施 例的必需元件，并可简单地用平面底板代替。图26为图25的实施例从不同方向看的立体图。此外，图26的实 施例没有示出顶板。图27为构造转子叶片的方式的立体图。如图27所示，加强筋2702、 2704、 2706和2708给每个转子叶片提供结构刚性以及所需形状。可在 每个加强筋2702-2708之间提供拉紧框架(未示出)。然后，将表层 2710施加到拉紧框架的表面，以形成转子叶片的迎风面和从动面。旋 转轴2712连接到每个加强筋2702-2708上，并连接到表层2710上。 表层2710可以由金属、铝、复合材料或现有技术中已知的任何其它材 料制成。图28示意性地显示了可与本发明所示任一实施例一起使用的发电 厂的一个实施例。如图28所示,旋转轴2712连接到直角式齿轮箱2802。 旋转能量可沿水平方向传输到变速齿轮箱2804。然后，发电机2806 由变速齿轮箱2804的机械能产生电能。图29显示了这样一种方式，其中发电机2806直接连接到旋转轴 2712。这种以垂直方式的直接连接消除了直角式齿轮箱2802以及变速
齿轮箱2804带来的机械损失。旋转轴2712也可直接连接到直驱式发 电机。这种构造通过取消齿轮箱而消除了由齿轮箱带来的机械损失。 现有技术中己知的各种电气技术也能用于产生可用到电网的60-周期 信号(60-cycle signal)。因此，本发明提供了一种横流式风力涡轮机，其能实现高效率并 可在低速、中速以及高速风的条件下运行。因为可以在很大的风速范 围内实现高效率，本发明所公开的实施例的总体效率明显高于轴流式 风力涡轮机的总体效率。本发明的前面描述用作解释和说明的目的。但是并不是一种穷举， 也不是用于将本发明限制为前述确切形式，并且可根据上述公开进行 其它修改或变型。所选和所述实施例只是用于最好地解释本发明的原 理及其应用，从而使本领域普通技术人员能通过适合于特定用途的各 种实施例和各种变型来最好地利用本发明。附属的权利要求书应被解 释为包括除了现有技术所限定的范围之外的本发明的其它可选实施 例。
权利要求
1. 一种以高效方式使用横流式风力涡轮机捕获风能的方法，其包 括以下歩骤通过使流过翼型定子的表面的气流加速而在转子叶片的迎风面上 产生低压区，其中所述翼型定子被定位成在所述转子叶片的动力冲程 期间、在所述转子叶片与所述翼型定子之间形成预定的间隙；使用阻塞定子，以大致阻塞风在所述转子叶片的返回周期期间妨 碍所述转子叶片的运动，并在所述转子叶片的所述动力冲程期间将所 述大致被阻塞的风引导到所述转子的从动面，从而在所述动力冲程期 间、在所述转子叶片的所述迎风面与所述转子叶片的所述从动面之间 产生压差，所述压差产生以高效方式使所述转子叶片旋转的力。
2. —种横流式风力涡轮机系统，所述系统能在各种风速条件下高 效地捕获风能，所述系统包括转子，所述转子具有两个半圆形的转子叶片；翼型定子，所述翼型定子被定位成捕获流过所述翼型定子的翼型 表面的风并使之加速，并且在所述转子叶片与所述翼型表面之间设置 具有预定尺寸的间隙，以使得，当在动力冲程期间所述转子叶片经过 所述翼型表面时，在所述转子叶片的迎风面上形成负压区；和阻塞定子，所述阻塞定子被定位成大致阻塞风在与所述动力冲程 相反的返回周期期间冲击所述转子叶片的迎风面，并在所述动力冲程 期间以这样一种方式将所述阻塞定子所阻塞的风引导到所述转子叶片 的从动面上，即在所述动力冲程期间、在所述转子叶片的所述迎风面 与所述转子叶片的所述从动面之间产生压差，所述压差产生以有效方 式使所述转子叶片旋转的力。
3. —种从风中产生机械能的横流式风力涡轮机，包括转子，所述转子具有绕转子对称设置的多个转子叶片；所述转子 叶片设置在所述转子中，以使得在所述转子叶片绕转子轴旋转的至少 一部分期间，在所述转子叶片的前边缘与所述转子轴之间形成间隙；转子空间，所述转子空间形成在所述转子叶片扫略过的体积中， 所述转子空间具有驱动部分和返回部分，其中所述转子叶片在所述驱 动部分中由风驱动，且所述转子叶片在所述返回部分中返回到所述驱 动部分；多个翼型，所述翼型将风引导到所述驱动部分，并将风引导离开 所述返回部分，以使所述转子转动并产生所述机械能，所述翼型绕所 述转子非对称地设置，以提供大致双方向的横流式风力涡轮机。
4. 如权利要求3所述的横流式风力涡轮机，其特征在于所述转 子轴具有非圆形截面。
5. 如权利要求3所述的横流式风力涡轮机，其特征在于所述转 子叶片设置在所述转子中，以使得所述风在所述驱动部分中流经所述 转子叶片、流过所述间隙、并流入到所述转子空间的所述返回部分内。
6. 如权利要求4所述的横流式风力涡轮机，其特征在于所述转 子叶片设置在所述转子中，以使得所述风在所述驱动部分中流经所述 转子叶片、流过所述间隙、并流入到所述转子空间的所述返回部分内。
7. 如权利要求3所述的横流式风力涡轮机，其特征在于所述转 子轴是沿竖直方向的，并且所述翼型至少部分地延伸过底座，以使得 所述底座和所述翼型捕获沿所述横流式风力涡轮机靠下部分的风，并 引导来自所述横流式风力涡轮机靠下部分的风。
8. —种从风中产生机械能的方法，包括设置具有翼型和转子的横流式风力涡轮机，所述转子扫略过转子 空间，且所述转子空间具有驱动部分和返回部分；将多个转子叶片对称地设在所述转子中，其中在所述转子叶片绕 转子轴旋转的至少一部分期间，所述多个转子叶片在所述转子叶片的前边缘与转子轴之间形成有间隙；绕所述转子非对称地布置所述翼型，以通过如下方式提供大致双 方向的横流式风力涡轮机将所述风大致引导到所述转子空间的所述 驱动部分中，以使得所述风在所述驱动部分中驱动所述转子叶片，以 及大致阻塞所述风进入所述转子空间的所述返回部分，以使得所述转 子叶片返回到所述驱动部分进而产生所述机械能。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，将多个转子叶片对称 地设在所述转子中的步骤还包括将所述多个转子叶片设在所述转子中，以使得在所述转子叶片绕 所述转子轴旋转的至少一部分期间，所述前边缘由于所述转子轴具有 非圆形截面而与所述转子轴间隔开。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，绕所述转子布置所 述翼型的步骤还包括将至少一个翼型布置在这样的位置中，即当所述风大致从至少一 个预定方向吹来的任何时候都能阻塞风进入所述第二部分中；以及将 至少另一翼型设在这样的位置中，即当所述风大致从所述至少一个预 定方向吹来的任何时候都能将所述风引导到所述第一部分中。
11. 如权利要求8所述的方法，其特征在于-所述设置横流式风力涡轮机的步骤包括设置竖直横流式风力涡轮 机；以及所述设置翼型的步骤包括设置翼型使得所述翼型至少部分地延伸 过底部以形成翼型，从而使得设备壳体和所述翼型将风从所述横流式 风力涡轮机靠下部分引导到所述横流式风力涡轮机内。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将多个转子叶片对 称地设在所述转子中以便在所述转子叶片绕转子轴旋转的至少一部分 期间形成间隙的步骤包括将所述多个转子叶片对称地设在所述转子 中以形成间隙，以使得所述风在所述驱动部分中流经所述转子叶片、 流过所述间隙、并流入到所述转子空间的所述返回部分内。
全文摘要
本发明公开了横流式风力涡轮机(100)的各种实施例，该横流式风力涡轮机(100)可在各种风速条件下提供高效率。翼型定子(102)使风沿其表面加速，并在动力冲程期间在转子叶片(110)的迎风面上产生低压区域。阻塞定子阻塞风在返回周期期间妨碍转子叶片的运动，并在动力循环期间将风引导到转子叶片(110，112)的从动面(122)上。在动力循环期间，在转子叶片(110)的迎风面(120)与转子叶片(110)的从动面(122)之间产生巨大的压差，该压差产生使转子叶片(112)绕中心轴(114)旋转的很大的力。在一些实施例中，在转子叶片(206)的内侧边缘与固定轴(202)之间提供间隙(208)，该间隙在旋转周期的某些部分期间将转子叶片(204)所收集的风排出。在返回周期期间，排出的风增加了转子叶片(204)的从动面(212)上的压力，以进一步提高该系统的效率。
文档编号F03D3/04GK101124400SQ200580001528
公开日2008年2月13日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月23日
发明者布拉德·C·科克伦, 戴维·班克斯, 斯科特·J·泰勒, 罗纳德·泰勒 申请人:特拉莫亚水务公司