专利名称：立轴风轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一立轴风轮机，其定子叶片环形排列以将风导入转子，其中每一叶片具有外刃边缘以邻接叶片表面产生涡流边界层，按一定方向旋转以拖曳气流并使其改道进入由定子叶片限定的气流通道中。
背景技术：
风被用来作为能源驱动水平轴和垂直轴风车。水平轴风车已经被广泛用来驱动发电机，然后他们存在几点不足之处，包括对鸟类和空中交通存在威胁、由于旋转风车的滚转模糊了地貌、以及大直径水平轴螺旋桨的情况、转子尖的超音速。
立轴风轮机也被现有技术所披露，其具有一中心转子被叶片的静环所包围，用来在被导入动叶片之前控制和压缩因风产生的气流。水平轴风车的不足之处在于它必须转向风向，而垂直轴风车或立轴风轮机的方向可保持不变，不管风向是否有改变。
属于Staley等人的美国专利第5,391,926号揭示了立轴风轮机的例子，其利用双曲线定子叶片来引导风流进入转子组件并增加薄的定子叶片的结构稳定性。
由Giorgini拥有的美国专利第5,852,331号揭示了定子叶片环内的立轴转子的另一个例子。在该案例中，定子叶片被以螺旋模式设置，无论如何，气流的巨大屏蔽是预期的，从而减少了被该类型定子设置夺取的能量。
属于Taylor的美国专利第6,015,258号揭示了另一个风轮机，其包括螺旋桨形状的定子叶片环，以减少被导向中心转子组件的气流的阻抗。
此外，公布号为US2002/0047276的美国专利申请揭示了平面的定子叶片的外环，用来将风流导入中心转子组件。
现有技术中的所有垂直轴风车的不足涉及从定子组件的整个暴露的表面捕获风的无能。定子的部署使自己保护定子被暴露表面的一部分从而挡住风，不使风导入中心转子组件。一般而言，定子的外部通常为圆柱形。理想的，暴露在风中的整个圆柱表面的一半应能捕获风并将风朝向中心动子组件引入部分压缩的空气的涡流中。不幸的是，现有技术的多数例子只有整个半圆柱表面区域的一部分捕获风，因此需要增加涡轮机单元以从风接触上捕获更多能量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种立轴风轮机，其与现有技术相比，能从定子组件的技术表面的更大部分获取风能。
本发明的另一个目的是提供一种结构得到加强的定子组件。
本发明的再一个目的是提供一种可由低价材料简单构造的定子组件。
通过下述的本发明的揭示、图片和描述，本发明的其他目的将会很清楚。
本发明提供一种带有涡轮机转子的立轴风轮机，涡轮机转子上设置有动叶片以围绕大致垂直的轴旋转。该涡轮机包括多个垂直延伸的定子叶片以环形阵列围绕转子周向隔开。每一叶片具有一径向朝向内的表面、一径向朝向外的表面、以及每一叶片的外刃上的边缘。该边缘用来在叶片表面产生涡流边界层，按一定方向旋转以拖曳气流并使其改道进入由定子叶片限定的气流通道中，然后通过通道的断面收缩压缩气流并导入动叶片以驱动涡轮机。
为使本发明更易于理解，本发明的具体化将在附图中被例示。
图1是带有被环形定子叶片组件包围的中心涡轮转子的立轴风轮机的透视图；图2是通过带有中心涡轮机转子和定子叶片的外部环的立轴风轮机的水平剖面图，该图标有风向，显示了风从底部吹向顶部，从而在所示例子中以顺时针驱动转子；图3是一水平剖面图，显示了在定子叶片的边界表面层产生的风流，从而在定子叶片和边缘上形成涡流；
图4和图5显示了在风轮机左侧的定子环表面的涡流区域的形成的渐进图；图6和图7是在涡轮机右侧形成涡流区域的渐进图；图8是通过立轴风轮机的第二个实施例的水平剖面图，显示了可能改变的例子是在定子叶片、转子中心以及动叶片之间的相应部分；图9是第二实施例的立体图；通过下面的详细描述，本发明的细节及其优点将会非常清楚。
具体实施例方式
图1显示了立轴风轮机的通常设置，其具有涡轮机转子10，转子10包括动叶片11，动叶片11邻接转子中心19并如图所示围绕基本垂直的轴12以顺时针方向旋转。当然，应当可以理解的是动叶片11和定子叶片20的方位是可以颠倒的，以便根据需要逆时针驱动涡轮机转子10。
多个垂直延伸的定子叶片20以环形阵列绕转子10周向隔开。每一叶片20具有径向朝向内的表面14和径向朝向外的表面15，且在每一叶片20的外刃9上具有边缘21。叶片20在底板7和顶板8之间垂直延伸，限定了多个气流通道6(在图3至图7中有较好的显示)，该气体通道6是以第一叶片20的向内表面14和邻接第一叶片20的第二叶片20的向外表面15以及底板7和顶板8为界线所限定。该实施例显示，底板7和顶板8包括转子轴安装轴承16，同时转子轴包括发电机18。
如图3所示，动叶片11具有邻接转子中心19的内刃，从而限定多个空气容器室17。由于动叶片11的环形定向，对准动叶片11的风力在轴12附近产生不均衡的力致使转子10转动。本实施例显示，动叶片11具有一致的水平横截面贯穿其纵向长度，并且最好是平面型垂直表面致使其结构简单便于维护。然而，动叶片11可构成为螺旋表面(未示出)，且其它构形也在本发明的精神范围内。
参见图2，边缘21最好以相对于叶片20的向外的表面15为锐角β来设置。优选的，边缘21正切于被贯穿图中例子所示的叶片20的外刃9的在一个水平面上的点所外切的圆。应理解的是，不管相对于叶片20的边缘21的方向怎样，叶片的方位、叶片20的相对形状以及边缘21元件可依据变化的参数进行优化。然而根据实验发现，叶片20和边缘21的相对尺寸对风能的捕捉有巨大的影响，因为边缘21如果太大便会挡住风，其必须有最小的尺寸来确保产生如例示那样的边界层空气涡流。另外，具有空气动力学外形的各种各样的其他形状也是可能的。但是，已经发现，边缘21和叶片20的简单平面结构比较可操作，并且具有简单结构的优点不需复杂的造型和制造工序。
因此，如图2中例子所示，优选的，叶片20具有的水平宽度x相对于边缘21的水平宽度y的比率为4∶1至6∶1。为了简化结构便于制造，每一叶片20和边缘21具有统一的水平横截面贯穿其纵向长度，这点最好通过向内和向外的表面14和15为平面来实现。极其简单的构造提供在例示中，其中，叶片20的向内和向外的表面14和15以及边缘21是相似的，这样，应用例如金属板或合板是可行的。许多现有技术的风轮机几何结构复杂，在不发达国家、偏远农场或户主那里无法获得。配件预先制造以及运输到偏远地区同样依赖于简单构造以及现场的简单组装指导。
现在来详细描述风轮机的功能。图2显示了从图的底部朝向图的顶部的风向，阴影区域代表涡轮机挡住风流的区域。从右到左以顺时针渐进，叶片1以钝角α1的角度接收风，叶片2、3、4和5分别以锐角α2、α3、α4和α5的角度接收风。
在图3中，从图的底部朝向顶部的风和定子叶片组件的相互作用表明叶片2、3、4和5只需小的风向改道即可容易接受风向，相反，经过叶片1的涡流被通过箭头显示在边界层22和23内的涡流改变方向。空气的涡流主要通过边缘21和叶片的相对锋利的利刃所产生，并在利刃下游产生一真空区域。气流在利刃之上产生的真空以及气流在边缘21之上产生的涡流用来拖曳气流并使其改道进入气流通道6。特别是，形成于叶片1和叶片2的表面上的边界层22和23以图3指示的方式通过拖曳气流进入气流通道6而使气流改道，细节将在图6和图7中描述。
再参照图4和图5，随着风的气流逐渐通过由边缘21产生的利刃，下游真空区域的产生显现出来。在下游区域中，涡流边界表面区域22产生了。在图5中，叶片4的边缘21在边界层22中产生一逆时针漩涡湍流，用来拖曳气流并使其改道进入叶片4和叶片5之间的气流通道6。在定子3和4之间的气流通道6，由于其方位相对于风向，其以更加直接的方式接受气流。然而，随着空气流过边缘21，定子叶片3的边缘21产生了边界层22。
图6和图7示出了在叶片1和叶片2之间的气流通道6中边界层的产生。如图6所示，吹过叶片2的利刃9的风产生了逆时针漩涡涡流区域23。众所周知，吹过利刃的气流在下游侧产生了一真空，其趋向于推动气流进入图中箭头所示的曲线路径。
如图所示，撞击到叶片1的向外表面上的气流沿叶片表面左右方向分离。朝向左侧的气流沿叶片1的表面向转子方向渐进。然而，朝向右侧的气流分离部分遭遇边缘21，并被改道返回以顺时针方向遭遇来自风向的进入气流。而如图7所示，生成的涡流在边界层区域22产生一顺时针漩涡气流，用来使空气改道并拖曳气体进入叶片1和叶片2之间的气流通道6。
因此可以看出，在图6和图7示出的环境下如果没有边缘21将很容易导致气流穿过叶片1的朝向外的表面。然而，边缘21的设置使气流改道穿过叶片的表面进入顺时针旋转的涡流边界层22中。边界层22和边界层23一起拖曳气流并使其改道，致使定子叶片组件的半圆柱形表面可提供更大面积用于捕获风。实验表明，当气流维持在所示方向上时，将所有气流通道6挡住只留下叶片1和叶片2之间的通道6可致使转子10顺时针转动。
通过实验判断，为避免风的过分屏蔽以及结构的复杂性，定子叶片13的最佳数量为6-12个，动叶片11的最佳数量为5-8个。动叶片11也最好具有简单的两半结构，其内叶片部分24从轴12在径向平面上延伸，其外叶片部分25以钝角或简单直角相对于内叶片部分24设置。
尽管上述描述涉及发明人目前意图的最佳实施例，应当理解的是，本发明广义上讲包括在此描述的元件的机械和功能的等同替换物。
权利要求
1.一种立轴风轮机，包括涡轮机转子，其设置有动叶片用于围绕大体上垂直的轴转动；多个垂直延伸的定子叶片，其围绕转子以环形阵列周向隔开，每一叶片具有径向朝向内的表面、径向朝向外的表面和在每一叶片的外刃上的边缘。
2.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述边缘以相对于所述叶片的朝向外的表面呈锐角设置。
3.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述边缘正切于经贯穿叶片的外刃并在一水平面上的点外切的圆。
4.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述叶片具有的水平宽度相对于所述边缘的水平宽度的比率为4∶1至6∶1。
5.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，每一叶片和边缘具有一致的水平横截面贯穿其纵向长度。
6.如权利要求5所述的立轴风轮机，其特征在于，所述叶片的朝向内和朝向外的表面以及边缘为平面。
7.如权利要求5所述的立轴风轮机，其特征在于，所述叶片的朝向内和朝向外的表面以及边缘相似。
8.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述叶片在顶板和底板之间垂直延伸，以第一叶片的朝向内的表面和邻接第一叶片的第二叶片的朝向外的表面为界限定了多个气流通道。
9.如权利要求8所述的立轴风轮机，其特征在于，所述顶板和底板包括转子轴安装轴承。
10.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述动叶片具有邻接转子中心的内刃，从而限定了多个空气容器室。
11.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述动叶片具有一致的水平横截面贯穿其纵向长度。
12.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述动叶片具有平面的垂直表面。
13.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述动叶片具有螺旋表面。
14.如权利要求1所述的立轴风轮机，其特征在于，所述转子轴包括发电机。
全文摘要
一种带有涡轮机转子的立轴风轮机，其涡轮机转子设有动叶片用来围绕一大致垂直的轴旋转。该涡轮机包括多个垂直延伸的定子叶片，其以一环形阵列围绕转子沿周向隔开。每一叶片具有一径向向内的表面、一径向向外的表面和在每一叶片的外刃上的边缘。该边缘用来在叶片表面产生涡流边界层，按一定方向旋转以拖曳气流并使其改道进入由定子叶片限定的气流通道中，然后通过通道的变窄压缩气流并导入动叶片以驱动涡轮机。
文档编号F03D3/04GK1675467SQ03819684
公开日2005年9月28日 申请日期2003年8月20日 优先权日2002年8月21日
发明者约翰·罗 申请人:西风代用电力有限公司