专利名称：带有两个顺序的螺旋桨的风力发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有筒形壳体的风力涡轮机，该风力涡轮机包括-圆形空气入口，-圆形出口，_入口和出口之间的产生压力降低的外表面，-限定出接合所述开口的空气通道的内表面，该内表面具有水平直线的流动方向， 并存在接合至入口的收敛区段和接合至出口的发散区段，所述收敛和发散区段通过喉部彼 此相接合，-轴向上邻近喉部定位的旋转装置，所述旋转装置将喉部的气流运动转变为连接 至第一发电机的耦接装置的旋转运动，和-相对于筒形壳体旋转安装在旋转装置的上游并轴向放置在内表面的收敛区段中 的第一螺旋桨。
背景技术：
在例如文献JP2005240668和JP2003028043中已知这样的风力涡轮机，其内表面 具有大致的管嘴形式。根据Bernoulli公式，入口空气在收敛区段中被加速，这增加了风的 动能，伴随着压力的逐步降低。发散区段的形状产生了进一步的压力降低，该压力降低具有 从入口向出口进行抽吸的效应(“文丘里(Venturi) ”效应)。这些已知的风力涡轮机存在 以下缺点，即，仅对于相对高的风速具有可接受的发电量，并且由于旋转装置在喉部收集到 的能量与喉部的风力之间的比率值很低，总的效率相对较低。在文献EP1108888中进一步设想将两个相同的螺旋桨平行地设置在圆筒形壳体 的端部处并使之沿相反的旋转方向旋转。筒形壳体的每个端部延伸圆锥形状，在入口处收 敛而在出口处发散。使空气穿过这种文丘里型结构(伴随着空气中的动能增加)的效果伴 随着收敛入口部中的压力降低以及随后的当流过入口螺旋桨时的压降。后者具有在到达输 出螺旋桨之前产生压力下降以加速柱体内的空气的效应。但是，风速较低时的效率受到限 制，而且对于很多应用来说性能不令人满意。为了即使风速较低也能在出口的后方引入压 力降低，必须提供从接近出口的外表面凸出的导风部。但是，这样的导风部又导致外侧空气 的速度降低，因此降低总的效率。文献W02006/054290描述了一种根据前文的风力涡轮机。其包括用于向流体提供 能量的连续驱动的上游螺旋桨(风扇或压缩机)。旋转装置是例如为发电机提供机械能的 发电涡轮机(generating turbine)。上游螺旋桨总是压缩机模式的，用于将在涡轮机上游 的喉部处的气流的马赫数提高到Machl。这一条件是该文献中用于在发生在涡轮机中的压 力减小过程(在出口上从Mach 1到Mach 0)中回收流体的部分内部能量的基本原理。该文献还适用于在涡轮机的上游设置两个驱动螺旋桨的情况。如上，它们用作压 缩机来将喉部的气流提高至Mach 1。它们总是消耗能量者。装配在第一螺旋桨和涡轮机之 间的螺旋桨需要的能量比位于入口平面内的第一螺旋桨需要的能量少，并且在没有任何风的情况下，使第一螺旋桨能够由涡轮机在传动轴的机械驱动下启动。所有情况下，设置在仅由涡轮机构成的旋转装置的上游的一个或多个螺旋桨以压 缩机模式操作，而无论自然风速如何。外部形状对风力涡轮机的操作没有特别的影响，因为 尽管它有可能产生压力减小，但收敛区段T2的收敛角度太大并导致气流在外表面上滑过 而被分开，从而消除了外部流对内部流的任何影响。喉部直径与入口直径的比率基本上等 于0.3。这一非常低的比率是为了实现喉部处的接近Mach 1的速度的需要，该速度条件在 文献W02006/054290中被公开，是使用涡轮机来耦接至发电机的结果，所述涡轮机设计成 通过涡轮机中的压力减小来回收(recover)流体的部分内部能量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有增大的总体效率的风力涡轮机。根据本发明的风力涡轮机的特点在于-旋转装置由第二螺旋桨形成，该第二螺旋桨相对于筒状壳体旋转安装，并且构造 成在于第一螺旋桨相反的方向上旋转，-喉部的直径与入口的直径之间的比例在0.6禾Π 0. 8之间，-外表面包括接合至入口的发散区段和接合至出口的收敛区段，所述区段成形为 形成回转表面，该回转表面的回转轴线与流向一致，并且其母曲线由机翼的上表面形成，-第一螺旋桨连接至可逆式第二发电机，该第二发电机连接至根据与第二螺旋桨 的操作相关的至少一个物理参数来调节第一螺旋桨的操作的调节装置。相对于文献W02006/054290中的风力涡轮机，本发明的风力涡轮机的目的是不要 去回收流体的内部能量，仅仅通过考虑动能/压能交换来实现其本身。这就是为什么邻近 喉部布置且耦接至第一发电机的旋转装置是由不需要严格的空气速度条件就能工作的螺 旋桨来形成的原因。这样，由于喉部的直径与入口的直径之间的相当高的比例(在0.6和 0.8之间)，喉部的速度近似等于Mach 0.3。该比例可以通过以下方式而尽可能地更高通 过使用机翼轮廓形式的外表面，所述机翼轮廓形式的外表面使得在外表面滑动的气流能够 大大地被加速，而由于适当的收敛角，流不会被分散；以及通过使得在风力涡轮机的后部能 够产生足够的压力降低，以提高从空气通道上升的流体速度。与现有技术不同，第一螺旋桨 的操作受到与设置在喉部的第二螺旋桨相关的物理参数的制约，所述第二螺旋桨通过与适 当的发电机耦接而能够在作为风扇的操作和用于自身产生能量的自由操作之间变化。
在以下对仅为了非限制性示例目的而给出并在附图中示出的具体实施例的描述 中，其它优点和特点将变得更加显见，所述附图中图1是根据本发明的风力涡轮机的一个示例的轴向截面图；图2是图1所示风力涡轮机的左视图；图3示出前述附图所示的风力涡轮机的控制装置；并且图4是与图1相同、但示出气流细节的视图。
具体实施例方式参照图1至4，根据本发明的风力涡轮机的该示例包括沿垂直轴线旋转地安装在 支撑结构11的顶端的筒状壳体10。筒状壳体10呈现大致回转形式，因此具有如下文所述 的对应于水平直线形式的气流方向X的回转轴线。筒状壳体10相对于支撑结构11的取向 是自动进行的，即，根据风的方向或通过确保气流方向X与风的方向共线的导向机构自由 地进行的。在一端(图1、3、4中的左端)，筒状壳体10限定出用作有任何风吹情况下的空气 入口的圆形入口 OA。在相反端(图1、3、4中的右端)，筒状壳体10限定出圆形出口 0E，出 口 OE的直径可以略微小于入口 OA的直径(如图所示)，或者与之相等或略微大一些。出口 OE使得气流能够经由入口 OA从筒状壳体10被排出。筒状壳体10包括呈现出气动轮廓且具有机翼形式的外表面12，外表面12带有凸 部，该凸部构成从入口 OA开始且外直径沿其逐渐增大的发散区段Tl、接合该区段Tl和出口 OE且外直径沿其逐渐减小的收敛区段T2。这样的气动轮廓具有在出口 OE处产生压力降低 的效果。因此，外表面12在出口 OA和出口 OE之间产生压力减小。更确切地，区段Tl和T2被成形为构成一回转表面，该回转表面的回转轴线与气流 方向X—致，且其母曲线(generating curve)由机翼的上表面形成。该上表面的尺寸特征 能够根据所期望的风的自然速度来调节(翼弦(chord)、弧高、攻角、收敛角、发散角、尾角 (trailing angle)等)。筒状壳体10内部限定出呈现出气动轮廓且具有翼的下表面形式的内表面13，该 内表面13带有凸部，该凸部构成接合至入口 OA且内直径沿其逐渐减小的收敛区段T3、和 接合收敛区段T3和出口 OE且内直径沿其逐渐增大的发散区段T4。内表面13的两个区段 T3和T4通过喉部14彼此接合。内表面13限定出将开口 OA和OE彼此接合的管嘴形式的 空气通道15，气流在空气通道15中从入口 OA沿气流方向X流动，直到其经由出口 OE被排 出。喉部14的直径与入口 OA的直径之间的比例在0. 6和0. 8之间。风力涡轮机的轴向长 度与入口 OA的直径之间的比例大于1. 4，优选在1. 5与2之间。风力涡轮机包括位于收敛区段T3中的第一螺旋桨Hl和位于喉部14中的旋转装 置，旋转装置将喉部14的气流运动转换成连接至第一发电机Gl的轴的旋转运动。旋转装 置由第二螺旋桨H2形成，第二螺旋桨H2相对于筒状壳体10旋转地安装在邻近喉部14的 轴向位置上(沿轴线X)。第二螺旋桨H2通过例如固定管或连接轴之类的耦接装置连接至 第一发电机G1。螺旋桨H2和Hl的旋转轴线与气流方向X—致。第一发电机Gl是当其转 子被相对于其定子的旋转运动带动时产生电力的电动力机(electrodynamicmachine)。此外，第一螺旋桨Hl相对于筒状壳体10旋转地安装在第二螺旋桨H2的上游，位 于内表面13的沿收敛区段T3的一个轴向位置上(沿轴线X)。第一螺旋桨Hl连接至可逆 型的第二发电机G2。更确切地，第二发电机G2是可逆式电动力机。螺旋桨Hl的直径大于 螺旋桨H2的直径。通过内表面13和螺旋桨H2，限定出经由入口 OA进入的空气的压缩和加 速腔室CH。空气在腔室CH中实现其动能的增加。螺旋桨H2和Hl两者都包括以可变节距成角度地布置的多个叶片。螺旋桨H2还 构造成在与螺旋桨Hl相反的方向上旋转。除了筒状壳体10、两个螺旋桨H1、H2和发电机G1、G2，风力涡轮机还包括电子控制装置(见图3)，该电子控制装置包括-可逆式第二发电机G2的调节装置16，例如集成在筒状壳体10的厚度中，-测量与第二螺旋桨H2的操作相关的物理参数的传感器17，-能量管理系统18，例如集成在筒状壳体10的厚度中，并连接至能量存储装置19 和/或电力网20以及外部供电装置21。两个发电机Gl和G2分别通过用标号22和23表示的连接器电连接至能量管理系 统18。能量管理系统18通过连接器24电连接至能量存储装置19，和/或通过连接器25电 连接至电力网20，以及通过连接器26电连接至外部供电装置21。最后，第二发电机G2的 调节装置16通过连接器27电连接至传感器17，并通过连接器28电连接至第二发电机G2。第二发电机G2是可逆式的，在第二发电机G2被供以电力时，其能够驱动，从而通 过所提供的电能使得其转子相对于其定子旋转。发电机G2还可以作为发电机操作当螺旋 桨Hl迫使发电机G2的转子相对于其定子旋转运动时，发电机G2产生电力。此外，在螺旋桨Hl和第二发电机G2之间插入可逆式耦接系统(例如离心或电磁 离合器，或通过对电动机/发电机G2的电控制)，从而能够确保螺旋桨Hl安装成在未耦接 情况下是自由旋转的。连接器28实现耦接系统和调节装置16之间的联接。当螺旋桨Hl从发电机G2脱开时，螺旋桨Hl处于“自由轮”模式。在相反情况下， 其处于“电动机”模式(对应于发电机G2作为电动机操作)或处于“发电机”模式(对应 于发电机G2作为发电机操作)。调节装置16的作用是选择第一螺旋桨Hl在各个时刻适合的操作模式(“电动机”、 “发电机”或“自由轮”)。在各个时刻选择螺旋桨Hl的操作模式使得第一螺旋桨Hl的操作 能够根据传感器17所测量的且与第二螺旋桨H2的操作相联系的至少一个物理参(压力、 速度、温度等)量来调节。选择第一螺旋桨Hl的操作模式是通过经由连接器28对耦接系 统以及对第二发电机G2的相应动作来实现的。例如，通过在各个时刻选择匹配螺旋桨Hl的操作模式，调节装置16可以根据传感 器17 (当传感器17是转速计时)所测量的第二螺旋桨H2的旋转速度对第一螺旋桨Hl的 旋转速度进行调制。在稳定的操作条件下，特别地，这种类型的调制使得通道15中空气的 旋转能够被阻止或至少受到控制。例如，为了对第一螺旋桨Hl进行这样的速度调制，调节装置16集成了施加于第一 螺旋桨Hl上的第一控制规则-只要第二螺旋桨H2的旋转速度低于预定的第一阈值Ω1，即为“电动机”模式，-当第二螺旋桨Η2的旋转速度高于预定的第二阈值Ω2 (第二阈值Ω 2高于第一 阈值Ω1)时，为“发电机”模式，-当第二螺旋桨Η2的旋转速度在Ω1和Ω 2之间时，为“自由轮”模式。调节装置16还可以集成优先于第一控制规律的第二控制规律，其中只要第二螺 旋桨Η2的旋转速度与第一螺旋桨Hl的旋转速度之间的差值大于预定的第三阈值Ω 3，就施 加“电动机”模式到第一螺旋桨Hl上，其中第三阈值Ω3本身可以是Ω1的函数。选择第一螺旋桨Hl的操作模式是根据经由连接器27从传感器17接收到的信息 经由连接器28通过调节装置16来实现的。无论调节装置16施加于第一螺旋桨Hl的操作模式如何，能量管理系统18经由连接器22接收第一发电机Gl产生的电能。当调节装置16将“电动机”模式施加于第一螺旋 桨Hl时，能量管理系统18经由连接器23将必要的电能传送至第二发电机G2。当调节装置 16将“发电机”模式施加于第一螺旋桨Hl时，能量管理系统18经由连接器23接收第二发 电机G2产生的电能。最后，当调节装置16将“自由轮”模式施加于第一螺旋桨Hl时，能量 管理系统18和第二发电机G2不交换电力。并行于能量管理系统18所引起的与两个发电机G1、G2的这些电能交换-将从第一发电机Gl接收到(且如果可行的话，在第一螺旋桨Hl处于“发电机” 模式的情况下从第二发电机G2接收到)的能量经由连接器25传送至电力网20和/或经 由连接器24传送至能量存储装置19，并且-如果可行的话，在第一螺旋桨Hl处于“电动机”模式的情况下，经由连接器25从 电力网20和/或经由连接器24从能量存储装置19和/或经由连接器26从外部供电装置 21接收驱动第二发电机G2所必需的能量。为了实现上述操作，能量管理系统18包括与发电机Gl、G2交换的信号和与电力网 20、能量存储装置19和外部供电装置21交换的信号之间的接口。这样的接口可以例如包 括变压器、变频器和整流器。能量管理系统18所执行的关于其对其与控制装置中其它部件以及两个发电机 GU G2的交换如何安排的策略中所涉及的参数可以根据应用来调节。具体而言，在某些应 用中，向电力网20的传送可以是优选的。在另一个情况下，存储装置19和/或消耗峰值管 理中的能量水平会是优选的。参照图4，风力涡轮机可以虚拟地分为沿气流轴向X的方向和空气射流(air stream)通道的方向错开的三个顺序的区域A、B、C。风力涡轮机的超出出口 OE之外的后部 构成附加区域D。风力涡轮机的区域A对应于风力涡轮机的位于经过入口 OA的平面和经过 外表面12的发散区段Tl的端部的平面之间的部分。风力涡轮机的区域B对应于风力涡轮 机的处于区域A和经过内表面13的收敛区段T3的端部的平面之间的部分。风力涡轮机的 区域C是风力涡轮机的由其处于区域B和经过出口 OE的平面之间的部分形成的部分。如 图4所示，压缩和加速腔室CH包括在风力涡轮机的区域B中。在区域A中，无论第一螺旋桨Hl的操作模式如何，通道15中流动的空气射流相对 于风力涡轮机所处的风被加速。在外表面12上滑动的空气射流还相对于风加速，但是加速 的量小于通道15中的空气所经历的加速的量。在区域B中，外直径逐渐减小，这具有产生压力降低的效果，并从而导致在外表面 12上滑动的空气射流的加速。通道15中的空气射流还由于区段T3的收敛特性而在区域B 的整个长度上被加速。这些内部的以及外部的加速无论第一螺旋桨Hl的操作模式如何都 会发生。通道15中的空气射流还与其加速并行地在区域B的整个长度上经历连续和逐渐 的压力增大。腔室CH中的压力增大大于区域B的其它区域上的压力增大，螺旋桨Hl以“电 动机”模式操作时尤其如此。在区域C中，外表面12上滑动的空气射流连续加速。内直径逐渐增大至出口 0E， 这具有产生额外压力降低的效果。在区域D中，经由出口 OE被排出的空气被外表面12上滑动的空气射流加速，所述 空气射流具有更高的速度。这导致在风力涡轮机的后部产生额外的压力降低以及抵制风力涡轮机的后部的气动扰动。区域D中产生的压力降低有利于保持上述过程。上述的整体气 动作用使得能够加速风力涡轮机入口处的气流。光电池31可以设置在外表面12的全部或部分上，以构成外部供电装置21。然而， 这些装置可以通过诸如水力电源或辅助发电器之类的任何适合的解决方案来实现。发电机G1、G2可以是紧凑型的，并位于气流方向X上。在其它可替换实施例中，发 电机G1、G2可以布置成冠状，S卩，相关联的螺旋桨H1、H2本身构成发电机G1、G2的转子，而 定子由内表面13以面对的方式支撑的外周冠构成。可选地，如所示，可以在螺旋桨HI、H2之间提供例如具有圆柱外形的轴向延伸的 气动护罩30，以防止邻近气流方向X的气动扰动。显然，这样的气动护罩30必须保持螺旋 桨H1、H2的机械脱离。此外，可以想象将第二发电机G2容纳在气动护罩内。在上述示例中，气流方向X是水平的。筒状壳体10包括邻近出口 OE的从外表面 12伸出的压力减小气动附属件29。该附属件29使得实现在外表面12的收敛区段T2上滑 动的空气射流的加速，并显著缓解气流在外表面12上产生的噪音。对于比不存在附属件29 的情况下大很多的风速，出现“降落伞”效果(在筒状壳体10的出口上出现湍流)。气动护 罩还实现气流相对于方向X的离心偏移，进一步增大风力涡轮机后部的压力减小。换句话 说，其产生在外表面12上滑动的气流的发散以及风力涡轮机后部的空气压力的减小。气动附属件29具有与筒状壳体10保持距离并具有朝向外表面12的内表面和相 反的外表面的冠形式。在经过气流轴向X的横截平面中，冠的内表面具有有着朝向外表面 12定向的凸部的凸形气动轮廓，而冠的外表面呈现出有着朝向外表面12定向的中空部的 凹形气动轮廓。气动附属件29的直径与入口 OA的直径之间的比例小于1. 3，以限制风力涡 轮机的整体尺寸。可以与螺旋桨HI、H2相关联地设置机械制动器。此外，如上所述的控制装置可以 包括用于提供经济和能量平衡以及维护预测的功能。最后，根据本发明的若干风力涡轮机可以水平级联地集合在圆形轴线和/或不同 轴线和平面上。为了识别每个风力涡轮机，可以将射频装置与每个风力涡轮机相关联。总之，根据本发明的风力涡轮机没有使用流动通过通道15的空气的内部能量。涡 轮操作如何，气流作为整体保持低于Mach 0.3。主要地，仅考虑动能/压能交换，实践中忽 略流体内部能量的变化。螺旋桨Hl用于实现仅对轻风才加速电动机模式下的流的目的。该操作触发螺旋 桨H2的启动，并使得操作对于轻风更加有效。实际上，在该操作范围内，由于流速较高，所 以第二螺旋桨H2具有好得多的效率。只要螺旋桨Hl所提供的能量与螺旋桨H2所消耗的能 量的总和大于两个螺旋桨都作为发电机操作时提供的能量的总和，即施加这种类型的操作。内部流的收敛被用来提高流的轴向速度，而不显著增大空气密度喉部的速度越 高意味着可以使用的螺旋桨H2越快，效率更好。在作为发电机的操作中，螺旋桨Hl使用与 速度的轴向分量相关的风的能量，并将回收具有旋转分量的速度(欧拉关系式(Euler’ s relation))。该旋转分量被在单元的出口上回收纯轴向流的螺旋桨H2所收回。没有螺旋 桨H1，来自螺旋桨H2的出口上的流的速度将必然地具有旋转分量(欧拉关系式)。从而， 对应的动能将被损失掉。总体上，相反旋转的螺旋桨H1、H2具有比单个螺旋桨H2更好的效 率，尽管摩擦损失更大。
与现有技术不同，外表面12的形状、内表面13的形状、选择采用在喉部构成旋转 装置的螺旋桨、以及选择具有相对低的收敛的喉部是用于使冲击点尽可能靠近入口 OA的 措施。
权利要求
一种具有筒状壳体(10)的风力涡轮机，包括 圆形空气入口(OA)， 圆形出口(OE)， 位于入口(OA)和出口(OE)之间的、产生压力降低的外表面(12)， 内表面(13)，限定出接合所述入口和出口(OA、OE)的空气通道(15)，具有水平直线的流动方向(X)，并具有接合至所述入口(OA)的收敛区段(T3)和接合至所述出口(OE)的发散区段(T4)，所述收敛区段和发散区段(T3、T4)通过喉部(14)彼此相接合， 旋转装置，沿轴向邻近所述喉部(14)定位，并将喉部(14)处的气流运动转变为连接至第一发电机(G1)的耦接装置的旋转运动，和 第一螺旋桨(H1)，相对于所述筒状壳体(10)旋转地安装在所述旋转装置的上游，并沿轴向设置在所述内表面(13)的收敛区段(T3)中，其中所述旋转装置由第二螺旋桨(H2)形成，所述第二螺旋桨(H2)安装成相对于所述筒状壳体(10)旋转，并构造成相对于所述第一螺旋桨(H1)沿相反方向旋转，所述喉部(14)的直径与所述入口(OA)的直径之间的比值在0.6到0.8之间，所述外表面(12)包括接合至所述入口(OA)的发散区段(T1)和接合至所述出口(OE)的收敛区段(T2)，所述发散区段和收敛区段(T1、T2)成形为形成回转表面，该回转表面的回转轴线与所述流动方向(X)一致，并且其母曲线由机翼的上表面形成，所述第一螺旋桨(H1)连接至可逆式第二发电机(G2)，且该第二发电机(G2)连接至根据与所述第二螺旋桨(H2)的操作相关的至少一个物理参数调节所述第一螺旋桨(H1)的操作的调节装置。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述筒状壳体(10)包括压力减小气动附属 件(29)，所述压力减小气动附属件(29)邻近所述出口(OE)从所述外表面(12)伸出，导致 在所述外表面(12)上滑动的气流的发散和所述风力涡轮机后部的空气压力降低。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，所述调节装置(16)根据所述第二螺旋 桨(H2)的旋转速度对所述第一螺旋桨(Hl)的旋转速度进行调制。
4.如权利要求1-3之一所述的风力涡轮机，其中，所述第一发电机和第二发电机(G1、 G2)连接至能量管理系统(18)，该能量管理系统(18)连接至能量存储装置(19)和/或电 力网(20)。
5.如权利要求4所述的风力涡轮机，其中，所述能量管理系统(18)连接至外部供电装 置(21)。
6.如权利要求1-5之一所述的风力涡轮机，其中，气动护罩(30)沿轴向在所述第一螺 旋桨和第二螺旋桨(H1、H2)之间延伸。
7.如权利要求1-6之一所述的风力涡轮机，其中，所述气动附属件(29)的直径与所述 入口 (OA)的直径之间的比值小于1.3。
全文摘要
一种风力发电机，包括筒状主体(10)，其具有入口(OA)、出口(OE)、产生压力降低的外表面(12)、具有接合至入口(OA)的收敛区段(T3)和接合至出口(OE)并通过喉部(14)接合至收敛区段(T3)的发散区段(T4)的内表面、和相对于筒状主体(10)旋转安装在喉部(14)附近的转子(H2)。其耦接至第一发电机(G1)。其还包括相对于筒状壳体(10)旋转安装且位于螺旋桨(H2)的上游的收敛区段(T3)中的另一转子(H1)。
文档编号F03D3/04GK101918705SQ200880109701
公开日2010年12月15日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月11日
发明者弗雷德里克·卡雷 申请人:埃林纳能源公司