专利名称：带有切向转子叶片的边界层风力涡轮机的制作方法
技术领域：
。本发明涉及一种用于将风能转化为机械能的风力涡轮机，尤其涉及一种利用表面 上的边界层(boundary layer)现象来获取风能的风力涡轮机。
背景技术：
风作为一种能源是从古代就已提出的理念。根据历史资料，有证据表明早在公元 前2000年，古巴比伦和中国就已在使用风车。风被用作驱动水平轴风车和竖直轴风车的能源。水平轴风车已被广泛地用于驱动 发电机，但是水平轴风车有一些缺点，包括需要空气平稳水平地流入、对鸟类和空中交通 有害、因成排的旋转的风车而遮挡了景观，以及在使用大直径的水平轴桨叶的情况下，转子 的叶梢(tip)处的速度达到超声速。在现有技术中已提出了竖直轴风力涡轮机(VAWT)，其具有被固定的装置围绕的中 心转子，这些固定的装置用于将气流改变方向并将气流压向转子叶片。同无论风向如何其方位均保持不变的VAWT相比，水平轴风车必须转向以迎着风 向，这被认为是一个缺陷，因为这使得风车结构中包含了额外的运动部件。在授权给Staley等人的美国第5，391，926号专利中示出了竖直轴风力涡轮机的 一个示例，其使用双曲面式定子叶片，用以将风流(wind current)导向转子组件并提高薄 的定子叶片的结构稳定性。在授权给Taylor的美国第6，015，258号专利披露了另一种风力涡轮机，其包括一 圈具有机翼式形状的定子叶片，用以减小流向中心转子组件的空气的阻力。此外，公开号为2002/0047276A1 (ELDER)的美国专利申请披露了一种外圈式的平 板状定子叶片，用以将气流引导到中心转子组件中。加拿大第1，126，656号专利(SHARAK)披露了一种竖直轴涡轮机，其具有如下定子 叶片所述定子叶片借助直线伸展的竖直空气导向板，将空气改变方向为对着转子叶片，所 述空气导向板不连续地围绕转子单元并将空气流导向转子单元以使转子单元借助风力旋 转。空气导向板的顶部和底部被水平伸展的、沿互补的方向倾斜的导向板封闭。上部的板 的向内部分随着其向内延展而向下倾斜，而下部的板的向内部分则向上倾斜，从而在将风 导向至转子单元的同时使风速和风压增大。另一项加拿大第2，349，443号专利申请(TETRAULT)披露了一种包括进气组件的 竖直轴风力涡轮机的新概念，这种进气组件将气流竖直地改变方向至一系列带有抛物线形 排出口的环，这种设计的一个主要缺点是进气组件需要迎着风，因此进气组件需要配备偏 转机构来使其迎风取向。而且，这一整体设计迫使气流的方向从水平变为竖直而流入一种 内部封围体(enclosure)中，并通过使空气的方向从竖直再变回到水平而将空气从该内部 封围体排出。气流方向的多次剧烈的变化必然造成气流中的能量损失和涡轮机效率的降 低，因为仅在最后一次气流方向变化中才将风能转变成涡轮机的转动。现有技术的所有的水平轴风车和竖直轴风车的一个缺陷在于它们不能利用气流在撞击风车叶片之后余留在气流中的剩余能量。理想而言，从一个叶片流出的气流应被反 复再利用至一定程度。遗憾的是，在大多数情况下，利用现有技术仅能够捕获一部分风力， 即第一次冲击的风力。一项利用流体的特性将线性的流体运动高效地转变为旋转式机械运动的现有技 术是于1913年授权给Nikola Tesla的美国第1，061，142号专利中描述的涡轮机。这种 Tesla涡轮机使用多个封围在蜗形外壳(volute casing)内的旋转盘片，而涡轮机的旋转 则源自沿切向流向盘片的粘性高压流体(在Tesla的试验中为油)。遗憾的是，由于多种原 因，例如空气粘度过低、正常情况下的风速过低、及这种具有外壳封围体和仅有一个出入孔 的整体设计对于风力涡轮机而言不切实际，而使得这项现有技术不适合于捕捉风能。属于本申请人的国际申请号为PCT/CA2006/000278、并且以公开号 W02006089425A1公布的国际专利申请披露了一种风力涡轮机，其包括具有多个定子叶片的 定子组件，用以将风沿切向改变方向至具有多个竖直的转子叶片的转子组件中，这些转子 叶片沿周缘设置在多个相互叠置的盘片上。通过叠置的盘片利用边界层效应获取风能的方 式被证明对于进入到转子的各盘片之间的那部分气流是非常有效的。然而，这种设计的一 个缺点在于定子组件(按设计具有将风沿切向改变方向至转子内的定子叶片)围绕转子 形成了天然的封围体，该封围体阻止 气流顺利地流入或流出，由此在涡轮机前部形成高压 区域，从而迫使大部分气流偏离其朝向涡轮机流动的路径，而这最终降低了风力涡轮机的 总效率。因此，需要一种边界层叠置盘片设计，这种设计不需要任何定子组件，从而允许气 流自由地流入及流出转子组件。
发明内容
发明目的本发明的优选目的是提供一种竖直轴风力涡轮机的边界层叠置盘片设计，其中气 流是沿切向送到盘片的，无需设置定子组件。本发明的另一个优选目的是提供一种在结构上增强的涡轮机组件。本发明的再一个优选目的是提供一种由廉价的轻型材料简单地构造而成的涡轮 机组件。本发明的又一个优选目的是提供一种基于流体中的附壁效应(Coandaeffect)的 竖直轴风力涡轮机，其转化成一种高效的风力涡轮机。发明_既述根据本发明，提供一种风力涡轮机，其包括转子组件，具有多个叠置的盘片，用以 绕轴线旋转；这些叠置的盘片中的至少一组盘片具有密集地彼此间隔的多个盘片，用以在 这些盘片的表面上形成有助于这些盘片旋转的边界层效应，每个盘片具有设置在其外周缘 上的多个转子叶片，每个转子具有至少一个从每个盘片的外周缘沿切向伸展的表面，用以 沿切向将气流改变方向至每个盘片的外周面；每个盘片上限定至少一个开口，以通过这些 盘片中的每一个盘片沿轴向将风改变方向。优选地，根据本发明的风力涡轮机能够在非常广泛的风况下，例如在速度高达 130mph(200Km/h)并且风向频繁改变的风况下运转。这种设备提供了一种可靠和有效的装置用以将气流导入转子组件内，该装置直接附连到竖向轴。概括而言，本发明包含竖直轴风力涡轮机的各种实施例。优选地，转子叶片被设计成具有机翼状外形(airfoil profile)，并沿切向设置在盘片上。转子叶片是围绕盘片的周 缘设置的，因此无论风向如何，进入的气流都将沿切向被改变方向至盘片的表面，从而给涡 轮机轴以更高的旋转速度和更大的扭矩。在优选实施例中，转子叶片从竖直方向倾斜并形 成螺旋形，从而让叶片能对进入的气流形成平稳的过渡。上述涡轮机可配设有任意数量的盘片；然而，优选实施例为至少50个盘片。在优选实施例中，涡轮机被设计成具有气流增速(airflow augmenter)定子组件， 这种情况下定子叶片直接将气流送到转子组件内。由定子叶片形成的气道的流入口与流出 口之间的显著的尺寸差异造成了自然压缩和空气速率的显著增大，从而即使在弱风条件下 也能获得较高的效率。定子叶片的这种设置还通过遮蔽转子，防止了在风向改变时可能发 生的与转子的旋转方向相反的风干扰旋转。定子组件可配设有任意数量的定子叶片；然而 在优选实施例中，定子叶片的数量在六个与十二个之间。优选地，风力涡轮机用于将风流转变为用来直接作用于水泵的机械能，或用作替 代能源来驱动发电机。通过阅读以下参考附图对优选实施例所作的非限定性的说明，将会更好地理解本 发明及其多种优点。
图1是从外部观察时根据本发明的优选实施例的竖直轴风力涡轮机的立体图，图 中可看到转子叶片的机翼式形状及其沿切向的配置。图2是盘片的俯视图，其示出了如图1所示的后接有肋的切向机翼状叶片。图3是如图1所示的由十个(10)盘片构成的组件的立体图，其提供了该组件的更 多细节。图4是根据本发明的优选实施例的带有气流增速定子组件的涡轮机的立体图。
具体实施例方式图1示出了从外部看到的根据本发明的优选实施例的竖直轴风力涡轮机，图中可 看到转子叶片2的机翼式形状及其沿切向的配置。转子叶片2沿切向将气流改变方向至盘 片表面1。转子组件11可安装地连接到轴12。图2是单个内部盘片的俯视图，其示出了均勻地分布在盘片的周缘上的机翼式叶 片2。盘片1的上表面和下表面可配设有一定数量的肋3。在优选实施例中，每个叶片2在 该上表面上具有一条对应的肋，而在该下表面上，在两个叶片2之间具有一条对应的肋。盘 片1可配设有任意数量的叶片2。然而，在优选实施例中，叶片2的数量在六个(6)与十二 个(12)之间。与Tesla盘片相似，每个盘片可具有三个扇形开口 4，以使空气在这些盘片 之间循环。肋3以螺旋状排列方式设置，并从位于盘片1的周缘上的一个对应的转子叶片 2处凸起，直到开口 4的外周缘。转子叶片2的机翼式形状及其对应盘片周缘沿切向的配置，沿切向将气流改变方 向至盘片的表面。叶片2的长度与位于盘片的周缘上的这些叶片的数量紧密相关，由此使得叶片的叶梢5与下一叶片的叶尾(tail)6之间的间隙可防止任何气流在盘片1之间沿与 旋转方向相反的方向流动。图3示出了风力涡轮机的由十个(10)盘片构成的组件。每个转子叶片2具有顶 部突出部(top protrusion) 7，以容易地组装到转子中最近的上部盘片的对应的设有底部 凹入部(未示出)的叶片中。类似地，盘片的中央法兰8具有用以插入到其上部的盘片的 中央法兰中的环形突出部9。在最后的组装中，以一个位于另一个之上的方式安装多个转子 叶片2，并形成如图1所示的螺旋状倾斜的形状。由于每个盘片1在中央法兰上以及均勻地 分布在周缘上的多个点上，同与该盘片1对应的上部盘片和下部盘片紧密地联结，因此除 了为转子组件11提供了非常简单的组装方法之外，还使整体结构得到良好的加强。
所示的转子叶片的取向为逆时针方向。当然应理解，如期望的话，转子叶片2的取 向可以是相反的，以沿顺时针方向驱动涡轮机。竖直轴12穿过每个盘片1的中心。转子组件优选由耐腐蚀的轻型材料、例如强化 玻璃纤维复合材料来制造，从而即使在低速风条件下也可很容易地旋转。气流以其第一次冲力撞击机翼式叶片2，并随后进入转子组件11的两个盘片10 之间的空间中。气流在每个盘片1的表面上形成伸展达0.03英寸(0.762mm)厚的层流区 (laminar region)。由于两个盘片具有双重的层流区，并考虑到过渡层，两个盘片之间的间 距最好设定为小于0. 1英寸(2. 54mm)。然而，涡轮机在风中甚至会在更大的盘片间距下旋 转。由于附壁效应的缘故，气流贴附到盘片表面并借助粘滞压力效应增大转子组件11的旋 转速度。随后，空气流经盘片1的开口 4并形成涡流(vortex)，该涡流有助于提高涡轮机的 转速并进而提高涡轮机的效率。气体流动和涡流能够经由盘片1的开口 4从所述封围体中 流出。本领域技术人员应理解，可将大多数盘片密集地间隔，同时可将一些盘片以较大 的间距加以间隔。然而，这种配置形式可能会降低转子组件的效率。图4是带有气流增速定子组件13的涡轮机的立体图。气流增速定子组件13的定 子叶片14沿转子的旋转方向，以与转子的径向位置成相对小的角度的方式来取向，以此允 许气流自由地流进和流出转子组件11。在优选实施例中，气流增速定子组件13具有顶部 和底部的截锥部15，顶部和底部的截锥部15与定子叶片14 一起形成了流入口与流出口之 间的显著的尺寸差异，这种尺寸差异进而造成风的自然压缩和空气速率的显著增大，这使 得涡轮机即使在弱风条件下也能够稳定地旋转。定子组件13包含顶盖16，用以防止雨雪 (precipitation)进入顶部的锥体内。此外，顶盖16将通常从定子组件的顶部上方流过的 气流改变方向至涡轮机的后部，并由于在风力涡轮机后部形成低压区域而将气流引向转子 组件11。可替代地，定子组件的上表面和下表面可为半球形表面或椭圆形表面。转子盘片优选由轻型抗腐蚀性材料制成，优选为轻型聚合物。定子结构优选由更 耐用的抗腐蚀性材料制成，例如更坚固类型的聚合物。竖直轴涡轮机整体上可由廉价的塑 料材质制成，以产生具有成本效益的替代能源。尽管上文的说明涉及了本发明人在目前所构想的具体的优选实施例，但应理解的 是，本发明在其宽泛的方案中包括与在此描述的部件在机械及功能上等同的部件。实验性测试
作为对概念的验证，借助专门的CFD工具模拟了风力涡轮机的模型，并随后构建 了一台样机(prototype)。该样机包括转子组件。样机的高度为一(1)米、直径为0. 70米， 并在14m/s风速条件下产生600瓦的电能。下面在不对可替代的实施例的可能性进行限制的条件下，描述上述边界层竖直轴 涡轮机的一些功能上等同的部件。在本涡轮机的可替代的实施例中 ·涡轮机可被安置在水平轴线位置。这种实施例可用于已知风仅有一个风向的 地点，或者可用在涡轮机被放置在运动物体(例如车、船等)上的配置中，以产生需要的电 力；·用于产生边界层效应的转子表面可设计为除盘片之外的其它不同形状；·盘片开口可具有除扇形之外的任何形状； 转子可被设计为无轴的配置，在转子中央有完整的圆孔而非扇形开口。在这种配 置中，由于每个盘片在均勻地分布于周缘上的多个点上同与该盘片对应的上部盘片和下部 盘片紧密地联结，所以转子结构得到良好的加强。转子具有附连到相应的上部盘片和下部 盘片的上轴部和下轴部，由此限定了一虚轴；·盘片可被设计成不具有任何中央开口、但具有从中央法兰直到周缘的径向切口。 盘片表面沿着该径向切口，在竖直方向上以与优选实施例中所述间隙相同的盘片间隙而分 裂开。由多个这种径向切口盘片构成的转子组件形成引导气流向上或向下的螺旋状表面， 而无需在盘片中形成任何中央开口。在专利W02006089425 (NICA)中的图11中示出了这种 特征的示例。尽管在此详细地描述了本发明的优选实施例，并且在附图中示出了本发明的优选 实施例，但应当认识到的是，本发明不限于这些具体的实施例，并且可在不偏离本发明的范 围或原理的情况下做出各种修改和变型。
权利要求
一种风力涡轮机，包括转子组件，具有多个叠置的盘片，用以绕轴线旋转；所述叠置的盘片中的至少一组盘片具有密集地彼此间隔的多个盘片，用以在所述盘片的表面上形成有助于所述盘片旋转的边界层效应；每个盘片具有设置在其外周缘上的多个转子叶片，每个转子叶片具有至少一个从每个盘片的外周缘沿切向伸展的表面，用以沿切向将风改变方向至每个盘片的外周面；每个盘片上限定至少一个开口，用以通过所述盘片中的每一个盘片沿轴向将风改变方向。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述转子组件适于绕竖直轴线旋转。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述转子组件适于绕水平轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个所述转子叶片具有机翼式形状并沿切 向安置在每个盘片的周缘。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述转子叶片的长度和位于所述盘片的周 缘上的所述转子叶片的数量被选择为，使得一个叶片的叶梢与下一个叶片的叶尾之间的间 隙防止气流在所述盘片之间沿与旋转方向相反的方向流动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的风力涡轮机，其中每个所述盘片具有上表面和 下表面，所述上表面和下表面中的至少一个表面设有用于将风改变方向的肋。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中每个所述肋为弯曲的并从一个对应的转子 叶片处凸起，以在每个盘片内产生螺旋状气流。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中所述转子叶片形成螺旋形。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中在每个盘片的一个表面上的两个肋之间的 位置，在每个盘片的另一表面上设有对应的肋。
10.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其中每个盘片的每个转子叶片适于被组装成 所述转子组件的相邻的上部盘片和下部盘片的相应的转子叶片。
11.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中顶部盘片和底部的盘片的直径大于中间 的盘片的直径。
12.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述转子组件通过轴附连到发电机。
13.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中每个所述盘片在靠近其中心的位置限定 多个开口。
14.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中每个所述盘片为螺旋形，具有从中央法兰 伸展到该盘片的周缘的径向开口。
15.根据权利要求2所述的风力涡轮机，还包括围绕所述转子组件的定子组件，所述定 子组件包括将气流送到所述转子组件内的多个定子叶片。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其中所述定子组件包括顶部表面和底部表 面，所述顶部表面和底部表面包含用以允许气流从所述转子组件流出的多个开口。
17.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中所述顶部表面和底部表面为螺旋形表面。
18.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中所述顶部表面和底部表面为半球形表面。
19.根据权利要求16所述的风力涡轮机，其中所述顶部表面和底部表面为椭圆形表面。
20.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述转子组件包括轴，并且所述叠置的盘 片可安装地连接到所述轴。
21.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述转子组件包括所述叠置的盘片的下 列这样的部分所述部分相互联结以限定一虚轴。
全文摘要
一种具有转子组件的风力涡轮机，该转子组件具有多个叠置的盘片(1)，用以绕轴线旋转。这些叠置的盘片中的至少一组盘片具有密集地彼此间隔的多个盘片，用以在这些盘片的表面上形成有助于这些盘片旋转的边界层效应。每个盘片具有设置在其外周缘上的多个转子叶片(2)。每个转子叶片(2)具有至少一个从每个盘片(1)的外周缘沿切向伸展的表面，用以沿切向将气流改变方向至每个盘片(1)的外周表面。每个盘片(1)上限定至少一个开口(4)，以通过这些盘片中的每一个盘片(1)沿轴向将风改变方向。
文档编号F03D3/06GK101842586SQ200780053739
公开日2010年9月22日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者霍里亚·尼卡 申请人:霍里亚·尼卡