专利名称：可充气的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本公开涉及具有可充气部件的风力涡轮机。
背景技术：
用于发电的传统风力涡轮机通常具有配置成类似螺旋桨的两到五个敞开式叶片(open blade)，这些叶片安装在水平轴上，该水平轴安装在驱动发电机的齿轮箱上。这种涡轮机通常称作水平轴风力涡轮机或HAWT。虽然HAWT已实现了广泛使用，但是其效率还未最优化。特别地，HAWT在捕获通过该涡轮机的风的潜能中的效率不会超过59. 3%的贝兹极限。传统的风力涡轮机具有三个叶片，并通过计算机控制的马达被朝着风定向或被指向风。这些涡轮机典型地需要高度在60米至90米范围的支撑塔架。叶片通常以大约IOrpm至22rpm的转速转动。尽管一些设计可以直接驱动环形发电机，但是一般还是使用齿轮箱来加速以驱动发电机。一些涡轮机以恒速运行。然而，更多能量能够通过使用变速涡轮机和将涡轮机与发电机连接的固态功率变换器(solid state power converter)而被收集。存在与HAWT的结构和操作相关的许多问题。高塔架和长叶片难以运输。要求大而重的塔架结构以支撑重的叶片、齿轮箱和发电机。安装需要非常高且昂贵的吊车以及熟练的操作工人。在操作中，HAWT需要另外的偏航(yaw)控制机构以使叶片转向风。HAWT典型地在其翼型(airfoil)上具有大迎角(angle of attack)，该大迎角使得翼型在气流中不产生可变变化。HAWT在地面附近紊流的风中难以操作。在舱(nacelle)和叶片上堆积的冰可能导致功率减小和安全问题。高的HAWT会影响机场雷达。其高度也使其横跨大区域突兀可见，破坏了景观，有时引起了当地人的抗议。最后，顺风方向的变型遭受由紊流引起的疲劳和结构故障。期望减小风力涡轮机的尺寸并且期望减小不期望的风力负载下的风力涡轮机表面区域。
发明内容
本公开说明了降低了重量和尺寸的风力涡轮机。特别地，风力涡轮机包括具有可充气部件的涡轮机外罩和/或喷射器外罩。这种风力涡轮机更轻。充了气的外罩将允许涡轮机改变其空气动力特性/形状以适应在流体流中的变化。也将允许用于支撑涡轮机体的更小的基本支撑件，而且还允许根据不利天气条件引起的需要使充了气的部分放气。涡轮机的充了气的部分不主动转动以有助于能量提取或动力生产。充了气的部分可以用外蒙皮(skin)和/或内蒙皮覆盖。蒙皮可以增加强度、耐水性、紫外线(UV)稳定性和其他功能。公开了用于发电的混合器/喷射器风力涡轮机系统(这里称为“MEWT” )，该系统结合了流体动力学喷射器概念、先进的流动混合及控制装置以及可调节的电力涡轮机。在一些实施方式或形式中，MEffT是轴流式涡轮机，其从上游到下游依次包括具有空气动力学轮廓的涡轮机外罩，其具有入口 ；在外罩内的定子环；叶轮，其具有叶轮叶片环，该叶轮叶片与定子“成一直线”；混合器，其与涡轮机外罩关联，具有混合瓣环，该混合瓣向下游延伸超过叶轮叶片；以及喷射器，该喷射器包括混合瓣环和向下游延伸超过混合瓣的混合器外罩。涡轮机外罩、混合器和喷射器被设计且被配置成经由涡轮机吸入最大量的风力并且使对环境的影响(例如，噪声)和对其尾流中的其他电力涡轮机的影响(例如，结构损失或生产率损失)最小化。和现有的风力涡轮机不一样的是，优选的MEWT包含具有先进的流动混合及控制装置的外罩，该先进的流动混合及控制装置诸如瓣轮型或槽型混合器和/或一个以上的喷射器泵。所呈现的混合器/喷射器泵与已公开的风力涡轮机中迄今所使用的混合器/喷射器泵有很多不同，高能空气流入喷射器入口，并且向外包围、抽吸，然后与从涡轮机外罩出来的低能空气混合。此外，在其他实施方式中还公开了包括如下结构的涡轮机混合器外罩，其具有出口和用于接收主流体流的入口 ；和用于从主流体流中提取能量的部件，该用于提取能量的部件位于涡轮机外罩内；其中，混合器外罩包括高能混合瓣组和低能混合瓣组；其中，各高能混合瓣相对于混合器外罩形成约5度至65度范围的角度；并且，其中，各低能混合瓣相对于混合器外罩或涡轮机轴线形成5度至65度范围的角度。高能混合瓣的角度可以与低能混合瓣的角度不同，可以大于、小于或等于低能混合瓣的角度。涡轮机可以进一步包括喷射器外罩，该喷射器外罩在混合器外罩的下游并且与混合器外罩同轴，其中，混合器外罩的出口延伸进入喷射器外罩的入口。喷射器外罩自身可以具有围绕其出口的混合瓣环。用于提取能量的部件可以是叶轮或转子/定子组件。实施方式中公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括叶轮和与叶轮同轴设置的外罩。外罩包括第一刚性结构构件、第二刚性结构构件、和在第一刚性结构构件和第二刚性结构构件之间延伸的一个以上的可充气构件。第一刚性结构构件可以包括入口 ；一个以上的喷嘴，其位于尾侧，用于将气体提供给一个以上的可充气构件；和气体流路，其从入口行进到一个以上的喷嘴。在一些实施方式中，一个以上的可充气构件均包括第一支架、第二支架和周向侧梁(circumferential spar)。第一和第二支架从第一刚性结构构件延伸到第二刚性结构构件。多个周向侧梁在第一支架和第二支架之间延伸。第二刚性结构构件可以具有圆形的钝锯齿形状。在这些实施方式中，一个以上的可充气构件可以包括翼型可充气构件组和表面可充气构件组。一个以上的可充气构件合起来可以具有翼型形状。一个以上的可充气构件可以由织物材料形成。织物材料可以从由聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、纤维素纤维以及其混合物构成的组中选择。外罩可以包括包围一个以上的可充气构件的外蒙皮。外蒙皮可以包括聚氨酯或含氟聚合物。含氟聚合物可以从由聚氟乙烯和聚偏二氟乙烯构成的组中选择。外罩还可以包括内蒙皮，该内蒙皮也可以是聚氨酯或含氟聚合物。在别的实施方式中公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括叶轮和包围该叶轮的涡轮机外罩。涡轮机外罩包括第一刚性结构构件；第二刚性结构构件，其具有圆形的钝锯齿形状；和一个以上的可充气构件，其在第一刚性结构构件和第二刚性结构构件之间延伸。还在别的实施方式中公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括叶轮；涡轮机外罩，其包围叶轮并且具有出口端；和喷射器外罩，其包围涡轮机外罩。喷射器外罩的入口端包围涡轮机外罩的出口端。喷射器外罩包括第一刚性结构构件；第二刚性结构构件；和一个以上的可充气构件，其在第一刚性结构构件和第二刚性结构构件之间延伸。一个以上的可充气构件合起来可以具有翼型形状。下面将说明本公开的这些以及其他非限制性特性或特征。
以下是附图的简要说明，这些图被示出用于说明此处所陈述的公开，而不用于限定此处所陈述的公开的目的。图1是本公开的MEWT的第一示例性实施方式或形式的分解图。图2是安装于支撑塔架的图1的前视立体图。图3是MEWT的第二示例性实施方式的前视立体图，示出了具有带有外罩的三个叶片的叶轮。图4是图3的MEWT的后视图。图5是沿图4的线5-5截取的截面图。图6是本公开的风力涡轮机的另一示例性实施方式的立体图，该风力涡轮机具有一对气流对准用的翼板。图7是本公开的MEWT的另一示例性实施方式的前视立体图。这里，涡轮机外罩和喷射器外罩均在其后缘具有混合瓣。图8是图7的MEWT的后视立体图。图9是根据本公开的MEWT的另一示例性实施方式的前视立体图。图10是沿涡轮机轴线截取的图9的MEWT的侧截面图。图11是图10的缩小图。图1IA和图1IB是图9的MEWT的混合瓣的放大图。图12是风力涡轮机的示例性实施方式的立体图，该风力涡轮机具有由可充气部件形成的外罩。图13是示出用于形成外罩的可充气部件的示例性实施方式的立体图。图14是结构构件的侧视图，通过该结构构件可充气部件能够被充气。图15是图14的结构构件的后视图。图16是示出被组装到一起以形成外罩的多个可充气部件的立体图。
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图17是示出被安装到结构构件上并且处于放气状态的多个可充气部件的立体 图。图18是由可充气部件制成的并且被外蒙皮覆盖的风力涡轮机外罩的立体图。图19是由第二个实施方式的可充气部件形成的风力涡轮机外罩的立体图。图20是用于说明使可充气部件充气的一种方法的示例性风力涡轮机的立体图。图21是用于说明使用可充气部件以形成带有混合瓣的风力涡轮机外罩的立体 图。
具体实施例方式参照附图可以获得此处公开的部件、工艺和设备的更加完整的理解。这些图仅是 基于方便以及基于容易展示本开发的示意性代表图，所以，这些图并不试图表示装置及其 部件的相对大小和尺寸和/或试图限定或限制示例性实施方式的范围。尽管为了清楚起见，在下面的说明中使用了特定术语，但是这些术语试图仅指用 于附图中的说明而选定的实施方式的特定结构，并不试图限定或限制公开的范围。在附图 以及下面的说明中，可以理解为，相似的附图标记是指具有相似功能的部件。与数量相连使用的修饰词“大约”包括宣称值并且具有由上下值(context)所指 的含义(例如，包括至少与特定数量的测量相关的修正度)。当用在范围的上下值中时，修 饰词“大约”应该也被视为公开了由两端点的绝对值限定的范围。例如，范围“从大约2到 大约4”也公开了范围“从2到4”。混合器-喷射器(Mixer-Ejector)动力系统(MEPS)提供了从气流中产生动力的 独特且改进的手段。MEPS包括 主外罩，其容纳从主流提取电力的涡轮机或类似螺旋桨的带有叶片的叶轮；和 单级或多级混合器_喷射器，用于使用各个这样的混合器/喷射器级摄取流，所 述混合器/喷射器级包括用于带来二次流以及为喷射器级提供混流长度的混合管道。混合 管道或外罩的入口轮廓被设计成在提供良好喷射器性能所需的压力的同时使流体损失最 小化。得到的混合器/喷射器通过下述方式改进动力系统的操作性特征(a)增加通过 系统的气流的量，(b)降低涡轮机叶片上的出口压力或背压，以及(c)降低从系统传播的噪声。MEPS可以包括 管道轮廓的曲面，以增加进入和通过系统的气流的量； 主管道和混合管道中的声学处理，作为在主管道中用于控制涡流的噪音抑制引 流翼，和/或用于减弱涡流效应的混合瓣； 基于新的理论功率极限的涡轮状叶片空气动力学设计，用于开发矮的、结构牢固 的构造系列，该构造系列可以具有多排叶片和/或反向转动的叶片排； 混合管道上的出口扩散器或喷嘴，用于进一步提高整个系统的性能； 非圆形横截面的入口和出口区域，用于适应安装限制； 位于下部外表面上的回转接头，用于安装在竖直台/架上，以允许使系统转向 风
·竖直的空气动力学稳定翼，其安装于带有突部或翼的管道的外部，以便保持系统朝向风；或·混合瓣，位于多级喷射器系统的单级上。详细参照附图，这些图示出了申请人的带有混合器和喷射器的轴流式风力涡轮机(“MEffT")的可选择的实施方式。参照图1和图2，MEffTlOO是轴流式涡轮机，其具有a)空气动力学轮廓的涡轮机外罩102 ；b)空气动力学轮廓的中心体103，其在涡轮机外罩102内并且安装至该涡轮机外罩 102 ；c)涡轮级104，其包围中心体103，并且包括具有定子翼片108a的定子环106;和具有转子叶片11 的转子110。转子110在定子翼片的下游并且与定子翼片“成一直线”，即，叶轮叶片的前缘与定子翼片的后缘基本对齐，其中i)定子翼片108a安装在中心体103上；ii)转子叶片11 通过安装于中心体103上的内外环或内外箍被安装并被保持在一起；d)大致以118示出的混合器，该混合器在涡轮机外罩102的末端区域(即，端部)上具有混合瓣120a环，其中，混合瓣120a向下游延伸超过转子叶片11 ；以及e)大致以122示出的喷射器，该喷射器包括喷射器外罩128，该喷射器外罩1 包围涡轮机外罩上的混合瓣120a环，其中，混合瓣(例如，120a)向下游延伸并进入喷射器外罩128的入口 129。如图2中所示，MEffTlOO的中心体103理想地经由定子环106或其他部件连接至涡轮机外罩102。该结构用于消除传统的风力涡轮机在涡轮机叶片的尾流(wake)撞击支撑塔架时产生的有害的、令人烦恼的且传播距离长的低频声音。涡轮机外罩102和喷射器外罩128的空气动力学轮廓为空气动力学曲面以增加通过涡轮机转子的气流。申请人:已经计算出，为了使效率最佳，喷射器泵122的面积比在1. 5-3. 0的范围，所述面积比的定义为喷射器外罩128的出口面积除以涡轮机外罩102的出口面积。混合瓣120a的数量在6到14之间。各瓣的内后缘角和外后缘角在5度与65度之间。就像在此将进一步说明的那样，这些角度是从在混合瓣的出口处绘制的切线直到平行于涡轮机的中心轴线的线而测量得到的。主瓣出口位置在喷射器外罩128的入口位置或入口 1 处，或者在入口位置或入口 1 附近。瓣通道的高宽比在0.5到4. 5之间。混合器的穿透度在50%至80%之间。中心体103塞子的后缘角为30度以下。整个MEWT100的长度与直径之比(L/D)在0. 5到1. 25之间。由申请人对优选的MEWT100进行的以第一原理为基础的理论分析表明在迎风面积(frontal area)相同的情况下，该MEWT能够产生的动力是无外罩的对应装置的三倍以上；并且，该MEWT100能够使风电场(wind farm)的生产率提高两倍以上。基于该理论分析，相信MEWT实施方式100将产生的动力是相同尺寸的传统敞开式叶片风力涡轮机所产生的现有动力的三倍。MEffT的令人满意的实施方式100包括轴流式涡轮机(例如，定子翼片和叶轮叶片)，该涡轮机由空气动力学轮廓的涡轮机外罩102包围，该涡轮机外罩102在其末端区域(即，端部)包含了混合装置；和独立的喷射器外罩128，其覆盖可能在末端区域包含有混合瓣的涡轮机外罩102，但只是覆盖了涡轮机外罩102的尾部。混合瓣120a的环118与喷射器外罩1 的组合可以被视为混合器/喷射器泵。该混合器/喷射器泵为使风力涡轮机运行效率稳定地超过贝兹极限提供了手段。定子翼片的出口入射角(exit-angle incidence)可以在原处机械地改变(即，翼片是枢转的)以适应流体流中的速率变化，从而确保从转子出来的气流中的残余漩涡最小。若用不同的方式描述，MEffTlOO包括具有定子环106和转子110的涡轮级104，定子环106和转子110安装在中心体103上，并且被涡轮机外罩102包围，在涡轮机外罩102上嵌有混合瓣120a，该混合瓣的后缘被略微插入喷射器外罩128的入口面。涡轮级104和喷射器外罩1 在结构上与作为主要载荷承载构件的涡轮机外罩102连接。这些图描述了用于产生动力的转子/定子组件。此处术语“叶轮”用于笼统地指叶片被安装在轴上并且能够转动从而允许从使叶片转动的风中产生动力或能量的任何组件。示例性叶轮包括螺旋桨或转子/定子组件。任何类型的叶轮均可以被包围在本公开的风力涡轮机中的涡轮机外罩102内。在一些实施方式中，涡轮机外罩102的长度等于或小于涡轮机外罩的最大外径。此外，喷射器外罩128的长度等于或小于喷射器外罩的最大外径。中心体103的外表面具有空气动力学轮廓，以使MEWT100下游的气流分离(flow separation)效应最小化。中心体103也可以被构造成长于或短于涡轮机外罩102或喷射器外罩128，或是涡轮机外罩102和喷射器外罩128的组合长度。涡轮机外罩的入口面积和出口面积等于或大于由涡轮级104占据的环形的面积，只是形状无需是圆形，以便允许更好地控制气流源和气流源的尾流的撞击。由中心体103和涡轮机外罩102的内表面之间的环状空间形成的内部流路的横截面积呈空气动力学形状，从而在涡轮机平面(the plane of the turbine)处具有最小面积，或者用其他方法致使从其各入口平面平缓地变化至其出口平面。涡轮机外罩和喷射器外罩的外表面呈空气动力学形状，以有助于引导气流进入涡轮机外罩入口、消除从涡轮机外罩的表面和喷射器外罩的表面的气流分离并且有助于将平顺气流输送进入喷射器入口 129。喷射器128的可以用非圆形形状代替的入口的面积大于混合器118出口面的面积；并且如果期望的话，喷射器的出口区域也可以是非圆形形状的。优选的实施方式100的可选择的特征可以包括动力输出装置(take-off)，其为轮状结构形式，该动力输出装置在叶轮的外缘处被机械地连接至发电机；竖直支撑轴，其具有用于可转动地支撑MEWT的可转动联接件，该支撑轴位于MEWT的压力中心位置的前侧，从而使MEWT自对准；和自移动的竖直稳定鳍(fin)或“翼板”，其固定于喷射器外罩的上表面和下表面以使不同气流状态下的对准方向稳定。当在居民区附近使用时，MEffTlOO可以具有固定于其外罩102、128的内表面上的声音吸收材料以吸收并由此消除由定子106尾流和转子110的相互作用产生的相对高频的声波。MEWT100也可以包含用于附加安全的叶片容纳结构。MEWT也应该被视为水平轴风力涡轮机。图3至图5示出带有外罩的风力涡轮机的第二个示例性实施方式200。涡轮机200使用螺旋桨型叶轮142来代替图1和图2中示出的转子/定子组件。另外，在该实施方式中可以更清楚地看出混合瓣。涡轮机外罩210具有两组不同的混合瓣。参照图3和图4，涡轮机外罩210具有朝向涡轮机的中心轴线向内延伸的高能混合瓣组212。在该实施方式中，涡轮机外罩示出为具有10个高能混合瓣。涡轮机外罩还具有远离中心轴线向外延伸的低能混合瓣组214。涡轮机外罩210同样示出了 10个低能混合瓣。围绕涡轮机外罩210的后缘，高能混合瓣与低能混合瓣交替。如图4中所示，从后方看，涡轮机外罩的后缘可以被视为具有圆形的钝锯齿形状。术语“钝锯齿形状”或“城堡形状”是指后缘的这种常见的向上向下或向内向外形状。如图5中所示，喷射器外罩230的入口面积232大于喷射器外罩的出口面积234。应该理解成，入口面积是指喷射器外罩的整个口部而不是喷射器外罩的在喷射器外罩230和涡轮机外罩210之间的环形面积。然而，如本文另外示出的，喷射器外罩的入口面积也可以小于喷射器外罩的出口面积234。正如预期的，喷射器外罩230的入口面积232大于涡轮机外罩210的出口面积218，以便容纳混合瓣并且以便在涡轮机外罩和喷射器外罩之间构建环状区域238，通过该环状区域高能空气能够进入喷射器。在此说明的混合器-喷射器设计概念可以显著地提高流体动力学性能。这些混合器-喷射器系统提供了优于传统系统的多个优点，诸如短的喷射器长度；进入并通过系统的增加的大量气流；入口气流堵塞和/或未与主要气流方向对准的低敏感度；降低的空气动力学噪声；增加的推力；以及主出口处增加的抽吸压力。如图6中所示，风力涡轮机的另一个示例性实施方式260可以具有喷射器外罩262，该喷射器外罩具有形成为提供翼板或鳍264的内筋。翼板或鳍264被定向成便于风力涡轮机260与进入的气流对准以提高能量或动力生产。图7和图8图示了 MEWT的另一个示例性实施方式。涡轮机300再次使用了螺旋桨型叶轮302。涡轮机外罩310具有两个不同的混合瓣组。高能混合瓣组312朝向涡轮机的中心轴线向内延伸。低能混合瓣组314远离中心轴线向外延伸。另外，喷射器外罩330在其后缘设置有混合瓣。同样显示两个不同的混合瓣组。高能混合瓣组332朝向涡轮机的中心轴线向内延伸。低能混合瓣组334远离中心轴线向外延伸。如图8中所示，喷射器外罩在这里示出为具有10个高能混合瓣和10个低能混合瓣。围绕涡轮机外罩330的后缘，高能混合瓣与低能混合瓣交替。同样，喷射器外罩的后缘可以被视为具有圆形的钝锯齿形状。图9至图11图示了 MEWT的另一个示例性实施方式。图9中的MEWT400具有构造用于动力提取部的定子408a和转子410。涡轮机外罩402包围转子410，并且被定子408a的叶片或轮辐支撑或者被连接至定子408a的叶片或轮辐。涡轮机外罩402具有带有位于外罩的内部的抽吸侧(即，低压侧)的翼型横截面形状。喷射器外罩4 与涡轮机外罩402同轴并且被在两个外罩之间延伸的连接构件405支撑。因此在两个外罩之间形成环状区域。涡轮机外罩402的后端或下游端被形成为构成两组不同的混合瓣418、420。高能混合瓣418朝向混合器外罩402的中心轴线向内延伸；而低能混合瓣420远离中心轴线向外延伸。用箭头406大致表示的穿过定子408a的自由流空气的能量被转子410提取。用箭头4 表示的高能空气途经外罩402和定子408a、流过涡轮机外罩402并被高能混合瓣418向内侧引导。低能混合瓣420致使从转子410排至下游的低能空气与高能空气4 混
参照图10，在图9的涡轮机的轴向截面视图中示出了低能混合瓣420的后缘、高能混合瓣418的后缘以及中央舱403。喷射器外罩4 用于向内引导或吸入高能空气429。可选择地，舱403可以被形成具有中心轴线通道，由此降低舱的质量并提供附加的高能涡轮途经气流。在图IlA中，沿高能混合瓣418的大致以457表示的内侧后缘绘制出切线452。显示了涡轮机外罩402的后平面451。线450被形成为垂直于后平面451并且是低能混合瓣420与高能混合瓣418相遇的点处的切线。由切线452和线450的相交形成角Φ2。该角Φ2在5度到65度之间。换句话说，高能混合瓣418相对于涡轮机外罩402形成5度到65度之间的角Φ2。在图IlB中，沿低能混合瓣420的大致以455表示的内侧后缘绘制切线454。由切线妨4和线450的相交形成角Φ。该角Φ在5度到65度之间。换句话说，低能混合瓣420相对于涡轮机外罩402形成5度到65度之间的角Φ。概括地说，本公开的风力涡轮机包括由可充气的部件形成的外罩。这提供了与HAffT相比具有更低质量的风力涡轮机。现在参照图12，涡轮机500包括被涡轮机外罩520包围的叶轮502。这里叶轮502示出为转子/定子组件。定子包括中心体506和从中心体506沿径向延伸的多个固定的定子翼片508。定子翼片508使空气在到达转子叶片512之前转弯。涡轮机外罩520具有前缘522和后缘526。前缘522限定涡轮机外罩的进气端534，而后缘526限定涡轮机外罩的排气端532。前缘522为环状并且起到使空气经过叶轮502的风道的作用。外罩为近似筒状并且具有翼型形状，该翼型被构造为在涡轮机外罩内(即，外罩的内部)产生相对低的压力而在涡轮机外罩外(即，外罩的外部)产生相对高的压力。多个混合瓣530围绕排气端532的圆周或者换言之沿后缘5 总体上均勻分布。混合瓣530可以被分成高能混合瓣组536和低能混合瓣组538。混合瓣530大体致使涡轮机外罩520的气体出口处的排气端532围绕其圆周具有圆形的钝锯齿形状。喷射器外罩550的直径比涡轮机外罩520的直径大。涡轮机外罩520的后缘5 装配在喷射器外罩550的入口端552内。换句话说，喷射器外罩550的入口端552包围涡轮机外罩520的排气端532。涡轮机外罩520和喷射器外罩550的尺寸被确定为使得空气能够从两者之间流过。换句话说，喷射器外罩550围绕涡轮机外罩520同轴地布置，并且在涡轮机外罩520的下游。叶轮502、涡轮机外罩520和喷射器外罩550共用同一轴线，即彼此同轴。支撑构件514将涡轮机外罩520和喷射器外罩550连接起来。喷射器外罩550的入口端552由第一刚性结构构件556限定。排气端554由第二刚性结构构件558限定。一个以上可充气构件560在第一刚性结构构件556和第二刚性结构构件558之间延伸。在图12中，可充气构件560是充了气的。可充气构件560也可以全部或部分放气以减小暴露在偏离轴线的风中的表面积的量。可充气构件560合起来为喷射器外罩550提供翼型形状。刚性构件556、558相对于可充气构件560被视为是刚性的，在实际中可以由在其他标准的情况下可能被认为柔性的材料制成。图13示出没有叶轮并且可充气构件660被加在喷射器外罩650上之前的风力涡轮机600。示出具有混合瓣的涡轮机外罩620和喷射器外罩650。如这里所示，第一刚性结构构件656和第二刚性结构构件658均具有圆形形状。也示出了可充气构件660。如下文将述的，可充气构件660的前部具有联接件662，通过该联接件662空气或其他气体可以被泵入可充气构件。可充气构件的后部664具有平坦线的形状。可充气构件还具有相对平坦的顶面662和弯曲的底面664。通常，可以使用允许构件被充气的部件将可充气构件660连接至第二刚性结构构件658。可以使用例如粘合剂或其他固定件。使用联接件662将可充气构件660连接至第一刚性结构构件656，使得空气或其他适用气体能够被泵入可充气构件。图14和图15分别是能够用于使可充气构件充气的示例性第一刚性结构构件680的侧视图和后视图。这里，第一刚性结构构件680的外部包括通向第一刚性结构构件内侧的气体流路684的入口 682。入口 682可以位于第一结构构件680的前侧686或者底侧688。气体流路绕着整个第一结构构件走向。一个以上的喷嘴690位于第一结构构件的后侧692。如此处所描述的，喷嘴从后侧开始延伸；然而，实施方式也可以考虑成后侧包括空腔，喷嘴位于该空腔内。使用这种结构，空气经由入口 682被提供并且随后流经空气流路684从喷嘴690流出，进入可充气构件。阀(未示出)可以被用于独立地控制从各可充气构件释放或被加入各可充气构件的气体量，同时简单地将气体保持在可充气构件内。图16示出能够用于形成翼型形状的喷射器外罩750的可充气构件的实施方式700。可充气构件的前部包括多个联接件702，该联接件702能够被连接至结构构件的喷嘴。这在可充气构件被充气时有助于均勻地分布气体。可充气构件从联接件702到后部704以翼型形状逐渐变细，该可充气构件具有用于安装至第二结构构件的圆形形状。图17示出具有涡轮机外罩820和喷射器外罩850的风力涡轮机800，涡轮机外罩和喷射器外罩与支撑构件814接合到一起。在喷射器外罩上，多个可充气构件860在第一刚性结构构件856和第二刚性结构构件858之间延伸。可充气构件是部分放气了的，导致间隙867在相邻的可充气构件860之间沿轴向延伸。间隙在风来自偏离轴线的方向时在高风力状态下有用。在这种情况下，间隙减小了风力涡轮机暴露在风中的表面积的量。还示出了外板892，该外板可以被加到喷射器外罩上以形成外蒙皮。图18示出风力涡轮机900。这里和涡轮机外罩920以及将该涡轮机外罩连接至喷射器外罩950的支撑构件914 一起示出了叶轮902。喷射器外罩950包括内蒙皮995和外蒙皮990。蒙皮覆盖可充气构件。喷射器外罩外蒙皮990由多个板992形成。蒙皮被设计成小片或者以其他方式在高风力状态下被移开，这使如图17所示的被放了气的可充气构件之间形成的间隙露出来。外蒙皮和内蒙皮可以由相同或不同的材料制成。图19描述了风力涡轮机的与图17的实施方式类似的另一实施方式1000。示出了涡轮机外罩1020和喷射器外罩1050。喷射器外罩包括第一刚性结构构件1056、第二刚性结构构件1058和可充气构件1060。这里，各可充气构件包括第一支架1062和第二支架1064，两个支架从第一结构构件1056延伸到第二结构构件1058。多个周向侧梁1066在第一支架1062和第二支架1064之间延伸。得到的可充气构件具有“梯子”形式。也示出了用于覆盖可充气构件的外板1092。与图17中示出的可充气构件相比，可充气构件的该实施方式无需为了存在间隙1067而部分放气；该间隙被形成在支架与周向侧梁之间。可充气构件1060也具有翼型形状。图20示出能够用于风力涡轮机的可充气部件的一个方式。这里，涡轮机外罩1120
12和喷射器外罩1150被塔架1180高举在地面上方。喷射器外罩1150包括第一刚性结构构件1156和可充气构件1160。空气压缩机或风扇1184容纳在位于塔架基部的防雨壳体1186中。塔架1180包含导管1182，借助于该导管压缩气体能够经由第一结构构件1156被供应至可充气构件1160。另外，可以考虑的是，特别是在寒冷的环境下，热气体能够被泵入可充气构件，以融化或松动冰雪。可以考虑的是，涡轮机外罩以及喷射器外罩可以在其后缘各自包括混合瓣，图21示出了可充气构件是如何能够用于形成这种结构的。如此处所示，外罩1200包括第一刚性结构构件1210和第二刚性结构构件1220。第一结构构件1210形成外罩的前缘1202。第二刚性结构构件1220具有圆形的钝锯齿形状或城堡形状。第二刚性结构构件可以被视为由具有相同曲率半径的多个周向间隔开的内侧弓状部1230形成。这些内侧弓状部优选地彼此均勻地间隔开。在这些弓状部之间的空间是具有相同的曲率半径的多个外侧弓状部1240。内侧弓状部1230的曲率半径不同于外侧弓状部1240的曲率半径，但是内侧弓状部和外侧弓状部应该大致共用相同的中心。内侧弓状部1230和外侧弓状部1240于是通过径向延伸部1250彼此相连。这产生了圆形的钝锯齿形状。这里，术语“钝锯齿形状”或“城堡形状”不用以要求内侧弓状部、外侧弓状部和径向延伸部为直线，而是指第二刚性结构构件的总体的向上向下或向内向外形状。如本文将进一步说明的那样，该结构形成两组混合瓣，高能混合瓣和低能混合瓣。应该注意的是，钝锯齿形状可以仅是第二刚性结构构件1220的一部分，而第二刚性结构构件的钝锯齿形状的上游部可以不同地形成。两组或三组可充气构件被用于形成混合瓣。翼型可充气构件1260具有弯曲的形状，并且该翼型可充气构件1260自身被用于限定混合瓣。一般情况下，一组翼型可充气构件1262被用于将第一结构构件1210连接至第二结构构件1220的外侧弓状部1240的角部。另一组翼型可充气构件1264被用于将第一结构构件1210连接至第二结构构件的内侧弓状部1230的角部。根据期望用于混合瓣的曲率，可以具有一组或两组翼型可充气构件。还使用了一组表面可充气构件1270，该表面可充气构件置于各翼型可充气构件之间。表面可充气构件也可以具有弯曲形状。通常来说，翼型构件可以被视为限定混合瓣的边缘，而表面构件形成混合瓣的表面。这里说明的可充气构件可以在内部包括多个用于控制升高量和充气度的内腔。根据期望这些内腔可以围绕可充气构件的周向配置或者从可充气构件的一端配置到另一端。用于形成可充气构件、外罩的外蒙皮和/或内蒙皮的薄膜材料通常可以由任何聚合物材料或织物材料形成。示例性材料包括聚氨酯、含氟聚合物(polyfluoropolymers)和类似组成的多层膜。也可以使用诸如氨纶(spandex)型织物等可拉伸织物。可充气构件可以包括多个封闭的织物形式。可以内含纤维和/或附加层以确保可充气构件在充气时维持期望的形状。聚氨酯膜坚韧并且具有良好的耐候性。聚酯型聚氨酯膜往往比聚醚型聚氨酯膜对亲水性劣化更加灵敏。这些聚氨酯膜的脂族形式通常也抗紫外线。典型的含氟聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氟乙烯(PVF)。产品形式可以KYNAR和TEDLAR获得。含氟聚合物通常具有非常低的表面能，这使得其表面保持一定程度的没有污物和碎片，而且与具有较高表面能的材料相比更易于使冰脱落。也可以考虑带有诸如泡沫等衬背的膜/织物复合物，用以制作可充气构件或外
可充气构件也可以由在囊状物上具有纺织层或编织层的聚氨酯膜囊状物构成以赋予其强度和耐久性。纺织或编织材料可以是聚酯、预应力聚酯(pre-stressedpolyester)、芳族聚酯(商品名称VE C TR AN ,由日本Kuraray制造)、对亚苯基对苯二酰胺(P -phenylene terephtalamide) (P P PTA)(商品名称 TWAR0N，来自 Akzo)、PPTA (聚对亚苯基对苯二酰胺)(商品名称KEVLAR，来自DuPont)和聚对苯二甲酸丙二醇酯(商品名称C0RTERRA，来自Srell)。纺织层或编织层的外部可以用诸如顺式聚异戊二烯(cis-polyisoprene)、聚氨酯、环氧或聚氯乙烯等各种聚合物涂覆。这样可以保护纺织层或编织纤维不会受到环境侵害，如可能损坏纤维的UV或来自沙子或其他材料的磨损等。制造商包括马萨诸塞州的Federal Fabrics-Fibers of Lowell ；新罕布什尔州的WarwickMills of New Ipswich ；加利福尼亚州的 Vertigo Inc of Lake Elsinore ；和特拉华州的ILC Dover of Frederica。可充气构件也可以通过利用反应性聚合物的注入通过真空辅助树脂转印成型(VARTM)或者通过经由辐射、自由基引发(free radical initiation)或异氰酸酯交联(crosslinking with isocyanate)而固化的诸如不饱和聚酯、环氧树脂、丙烯酸酯或聚氨酯等的前述浸渍聚合物的固化(curing)来部分或全部加固。可充气构件和蒙皮也可以由纺织或编织织物材料制成。典型材料包括聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、纤维素纤维、人造丝及其组合。此类织物可以被涂布以提高它们的耐候性和/或耐久性。本公开的风力涡轮机中的外罩的可充气结构允许涡轮机基本上比传统涡轮机轻。因此，可以使用更小的基本支撑塔架。可以用加固材料加固蒙皮。加固材料的例子包括但不限于高结晶聚乙烯纤维、芳纶纤维和聚芳纶。内蒙皮和外蒙皮可以独立地为多层，包括一层、两层、三层或更多层。多层结构可以增加强度、耐水性、UV稳定性和其他功能。然而，多层结构也可能更昂贵并且可能增加整个风力涡轮机的重量。蒙皮可以覆盖整个外罩或覆盖外罩的一部分。例如，蒙皮可以不覆盖外罩的前缘和/或后缘。刚性结构构件可以由刚性材料构成。刚性材料包括但不限于聚合物、金属及其混合物。也可以使用诸如玻璃纤维增强聚合物等其他刚性材料。流体入口和出口附近的刚性表面区域可以提高外罩的空气动力学性能。刚性表面区域可以是板状或其他结构形式。虽然主要说明了关于喷射器外罩的可充气构件和外罩的蒙皮，但是本公开的这些方面也可以包括在涡轮机外罩中。已参照示例性实施方式说明了本公开。显然，其他人在阅读和理解前述详细说明后会想到修改和变更。旨在本公开被阐释为包括所有的这种修改和变更，只要这些修改和变更落入随附的权利要求书及其等同结构范围即可。
权利要求
1.一种风力涡轮机，其包括叶轮；外罩，其与所述叶轮同轴设置；所述外罩包括第一刚性结构构件，第二刚性结构构件，和在所述第一刚性结构构件和所述第二刚性结构构件之间延伸的一个以上的可充气构件。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一刚性结构构件包括入口 ；一个以上的喷嘴，其位于尾侧，用于将气体提供给所述一个以上的可充气构件；和气体流路，其从所述入口行进到所述一个以上的喷嘴。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件均包括第一支架和第二支架，所述第一支架和所述第二支架从所述第一刚性结构构件延伸到所述第二刚性结构构件；以及多个周向侧梁，其在所述第一支架和所述第二支架之间延伸。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第二刚性结构构件具有圆形的钝锯齿形状。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件包括翼型可充气构件组和表面可充气构件组。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件合起来具有翼型形状。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件由织物材料形成。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述织物材料从由聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、纤维素纤维以及其混合物构成的组中选择。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述外罩还包括包围所述一个以上的可充气构件的外蒙皮。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述外蒙皮包括聚氨酯或含氟聚合物。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述含氟聚合物从由聚氟乙烯和聚偏二氟乙烯构成的组中选择。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述外罩还包括内蒙皮。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述内蒙皮包括聚氨酯或含氟聚合物。
14.一种风力涡轮机，其包括叶轮；涡轮机外罩，其包围所述叶轮；所述涡轮机外罩包括第一刚性结构构件；第二刚性结构构件，其具有圆形的钝锯齿形状，和一个以上的可充气构件，其在所述第一刚性结构构件和所述第二刚性结构构件之间延伸。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一刚性结构构件包括入口 ；一个以上的喷嘴，其位于尾侧，用于将气体提供给所述一个以上的可充气构件；和气体流路，其从所述入口行进到所述一个以上的喷嘴。
16.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件包括翼型可充气构件组和表面可充气构件组。
17.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述涡轮机外罩还包括包围所述一个以上的可充气构件的外蒙皮。
18.根据权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括喷射器外罩，所述喷射器外罩具有入口端，所述喷射器外罩的所述入口端围绕所述涡轮机外罩的出口端。
19.一种风力涡轮机，其包括叶轮；涡轮机外罩，其包围所述叶轮并且具有出口端；和喷射器外罩，其包围所述涡轮机外罩并且具有入口端，所述喷射器外罩的所述入口端包围所述涡轮机外罩的所述出口端，其中，所述喷射器外罩包括第一刚性结构构件，第二刚性结构构件，和一个以上的可充气构件，其在所述第一刚性结构构件和所述第二刚性结构构件之间延伸。
20.根据权利要求19所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个以上的可充气构件合起来具有翼型形状。
全文摘要
一种风力涡轮机，其具有被外罩包围的叶轮。该外罩由在两个刚性结构构件之间延伸的可充气部件形成。当充了气时，外罩起到增加由叶轮产生的能量的作用。在不利的风力条件下，可充气部件可以被放气以降低涡轮机上的表面积和风力负载。
文档编号F03D1/04GK102597502SQ201080031297
公开日2012年7月18日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者M·J·韦勒, T·J·肯尼迪三世, W·S·基利, 小W·M·普雷兹 申请人:弗洛设计风力涡轮机公司