专利名称：转子-定子布置的发电涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及水平轴线风力涡轮机的转子叶片。此外，本发明涉及一种水平轴线风
力涡轮机以及用水平轴线风力涡轮机发电的一种方法。
背景技术：
在风力涡轮机发电领域，需要改善发电效率。传统风力涡轮机中，到现在为止，这 种发电涡轮机的通常设计是裸转子类型设计，其特点是可由于风力而绕水平轴线旋转的旋 转转子。 这种裸转子型发电涡轮机的传统类型是水平轴线风力涡轮机(HAWT)和竖直轴线 风力涡轮机(VAWT)。水平轴线风力涡轮机提供水平旋转轴线，风力涡轮机叶片绕水平旋转 轴线旋转。竖直轴线风力涡轮机中，叶片旋转轴线设置成沿着竖直方向。竖直轴线风力涡 轮机的实例例如可为所谓的Darrieus风力涡轮机。 此外，风力涡轮机领域中，众所周知地使用通过转子装置增大流速的功率增强装 置。这种功率增强装置例如可为护罩或扩散器。涡轮机功率增强装置可以增大效率(每转 子面积的产能)2-4倍左右。 风力涡轮机，特别是水平轴线风力涡轮机，与扩散器组合可称为扩散器增强风力 涡轮机(DAWT)。这种扩散器增强风力涡轮机包括形成管道的扩散器，涡轮机转子(特别是 水平轴线风力涡轮机)位于该管道中。 扩散器管道可引导风流向涡轮机，从而增大速度并减少压力。流边界由扩散器管 道界定，且流线膨胀被管道几何形状限制。 通过使用扩散器，流体可被引导通过风力涡轮机，并可增大跨过涡轮机转子的可 用压降。转子尾流中的湍流可因流加速而减少。
发明内容
本发明的目的是提供一种适当且有效的风力涡轮机。 该目的可由独立权利要求的主题实现，特别是一种水平轴线风力涡轮机的转子叶
片，一种水平轴线风力涡轮机和用水平轴线风力涡轮机发电的一种方法。 根据本发明第一示例性实施方式，提供了一种用于水平轴线风力涡轮机的转子叶
片。该转子叶片包括将转子叶片固定至水平轴线风力涡轮机的转子的旋转轴的固定部。另
外，该转子叶片包括具有底端的几何形状调整部。几何形状调整部的底端的部分与水平轴
线风力涡轮机的定子的导板最接近底端的部分基本共面。 根据本发明的又一示例性实施方式，提供了一种水平轴线风力涡轮机。该水平轴 线风力涡轮机包括上述的转子叶片，具有导板的定子，以及旋转轴。转子叶片的固定部附接 至旋转轴，从而可绕旋转轴的旋转轴线而旋转。转子叶片的几何形状调整部包括底端，其 中，该底端与旋转轴间隔一径向距离。导板最接近底端的部分与旋转轴间隔相同的径向距 离。几何形状调整部的底端的部分与导板最接近底端的部分基本共面。
根据本发明又一示例性实施方式，提供了用上述水平轴线风力涡轮机发电的一种 方法。 术语"水平轴线风力涡轮机"(HAWT)指的是一种风力涡轮机，其提供了基本沿水平 方向对齐的旋转轴。转子叶片可附接至旋转轴，并可沿延伸方向延伸至底端。 一种发电装 置可附接至旋转轴，其中，该发电装置将旋转轴的旋转能转换为电能。 风力涡轮机的转子可为涡轮机的可移动部件，其中，充当流体流的引导元件的定 子可为涡轮机的不可移动部件。例如定子可为扩散器或管道，转子可例如附接在其内部。定 子可提供导板。流体(风)可沿导板流动，例如在层流状态下。与转子元件相反，定子及其 定子元件尤其不可移动。术语"转子叶片"指的是流线型的叶片，其压力侧在转子迎风侧(流体(风)来的 一侧)上，其吸力侧(流体的压力比在压力侧低)在转子背风侧(流体从压力侧经过转子 后流走的一侧)上。叶片外形可形成为类似机翼的翼型。逆转子叶片而流的流体(风)可 以向转子叶片传输机械能。该机械能可产生升力。风力涡轮机中的转子叶片可充当弹回装 置(r印eller)，即叶片元件将流体的风能转换为机械运动。 转子叶片可包括作为叶片加强部件的固定部，转子叶片用固定部固定至转子的旋 转轴。"几何形状调整部"可为在其发电过程中可调整的部分，或可由作用在该几何形状 调整部的风(流体)力调整的部分。该几何形状调整部可沿转子叶片纵轴线延伸，即该几 何形状调整部可沿一延伸方向延伸，其中，该延伸方向可限定作为从转子叶片的固定部到 底端的方向。该底端的部分可为限定平行于延伸方向的平面的几何形状调整部的部分。导 板可限定基本平行于旋转轴的又一延伸方向。导板最接近底端的部分可限定平行于导板延 伸方向的平面。在底端的部分调整至定子的导板的平面，使得底端的部分的平面基本平行 且共面于导板的部分的平面，从而形成流或边界涡旋的几何形状连续过渡。
因此，几何形状调整部可弯曲并提供沿其延伸方向的弯曲形状，例如，即几何形状 调整部可以这样的方式弯曲在几何形状调整部的第一端叶片可在例如竖直方向上延伸， 其中在几何形状调整部的底端的部分可(沿其延伸方向)对齐导板的平面，例如水平平面。
在裸转子涡轮机中，流体沿从转子上游位置(迎风侧)至转子下游位置(背风侧) 的流动方向而流动。在转子-定子涡轮机中，定子使流体流收縮通过转子，并在离开定子后 膨胀。从风(流体)收获的能量与上游面积(转子的迎风侧)成比例，在该处流线以非收 縮状态开始。对于传统的裸转子型涡轮机，由于转子处的流膨胀，流体流的上游面积小于转 子面积。对于转子-定子涡轮机，由于扩散器(定子)产生流收縮，转子上游的流体流的上 游面积大于转子处的转子面积。产生流收縮是因为定子维持转子上游位置与下游位置之间 的压力差，且定子沿定子延伸方向保持该压力差。这产生加速并收縮流的吸力。在定子端 更下游的位置，流的最终膨胀不可避免，但被延迟至更下游处。 在传统的扩散器增强风力涡轮机中，扩散器(定子)或护罩以这样的方式遮盖整 个转子扩散器从转子迎风侧引导流体至转子背风侧。定子，相应的扩散器，从而将已经在 转子迎风侧上流体上游的进入流体引导至转子背风侧。因此，在转子叶片安装到定子内的 区域，提供有最高速度和最高压力，不受转子的任何影响。换句话说，经转子的流速加速首 先取决于进入扩散器内的流体。此外，传统扩散器在转子迎风侧(上游)之前已经开始引导流体，使得这样扩散器的功能独立于转子的存在，并因此还当其由于高结构负载而不便时， 如风力超过涡轮机切断风速时，总是存在经转子的流量加速。 通过本发明，转子叶片形成为提供几何形状连续，特别是至定子板的几何形状连 续过渡。即转子叶片的几何形状调整部以这样的方式形成提供几何形状连续过渡，即流体 流沿从转子叶片到导板的延伸方向恒定地流动。即当导板位于转子背风侧时，定子成为涡 轮机功能的集成部件，而不是产生独立于转子的流体引导的分离器件，如传统的扩散器。换 句话说，通过定子和转子的流速增强主要取决于完全可控的转子旋转速度。因此，当通过控 制转子叶片的旋转来控制流速增强时，可提供结构负载控制。 根据本发明又一示例性实施方式，几何形状调整部的几何形状可调，从而形成至 水平轴线风力涡轮机的定子的导板的几何形状连续过渡，使得由转子叶片旋转产生的边界 涡旋可传输至导板。 术语"几何形状连续过渡"限定了流体流(特别是边界涡旋)从转子叶片底端至 导板的连续传输。换句话说，当流体从转子叶片底端进一步流至导板时，在几何形状调整部 形成几何形状连续过渡时可避免流体流中的湍流。即非连续过渡可发生在流体以这样的方 式从转子叶片流至导板时产生湍流流体流，且部分流体会向上游流动，即流至转子叶片的 迎风侧，其会导致效率损失。 可通过在底端的部分的平面与导板的平面之间的不为90°的角度获得几何形状 连续过渡。连续角可由底端处几何形状调整部的平面与导板最接近底端的部分处的导板的 平面之间的角度来限定。换句话说，当底端的部分的平面平行且共面于导板的平面时，连续 角可特别为0。(度)。此外，如果离底端的旋转轴和离导板最接近底端的边缘的距离近似 的话，可改善几何形状连续性。相比于传统风力涡轮机，底端处的转子叶片与扩散器的内表 面提供90°的几何形状连续角，因为转子叶片沿其延伸方向的平面垂直于扩散器沿其延伸 方向的平面。 特别地，角度可在O。与±10°之间的范围内，或±10°与±20° (度)之间的 范围内，从而形成几何形状连续过渡。 根据又一示例性实施方式，转子叶片还包括位于固定部与几何形状调整部之间的 叶片部。叶片部的平面可垂直于导板的平面。几何形状调整部可附接至转子叶片的叶片部， 并可延伸至转子叶片的底端。几何形状调整部可附接至转子叶片的叶片部，如小翼连接到 机翼的翼型那样。 根据又一示例性实施方式，叶片部和几何形状调整部包括不同的弹性材料。因此， 当转子叶片暴露在风里时，叶片部或几何形状调整部可以限定方式弯曲，使得可以提供几 何形状连续过渡。 根据又一示例性实施方式，几何形状调整部为弹性。因此，连续几何形状过渡和/ 或角度可因限定的风(流体)力而调整。即如果某预定风力作用在转子叶片上，可提供几 何形状调整部的预定变形。 根据又一示例性实施方式，转子叶片的宽度从固定部增大至底部。因此，叶片表面 在固定部区域比在度量过渡区域(即在底端面积中及由此在几何形状调整部中)小。
根据本发明又一示例性实施方式，描述了一种水平轴线风力涡轮机。该水平轴线 风力涡轮机包括上述转子叶片，带导板的定子和旋转轴。转子叶片附接至旋转轴，从而可绕旋转轴的旋转轴线而旋转。转子叶片的几何形状调整部包括底端，该底端与旋转轴间隔一 径向距离。导板以相同的径向距离从旋转轴间隔。几何形状调整部的底端的部分与导板最 接近底端的部分基本共面。 根据水平轴线风力涡轮机的又一示例性实施方式，导板包括平行于旋转轴线的延 伸方向。 根据又一示例性实施方式，导板包括该延伸方向，其中从导板至旋转轴线的径向 距离沿延伸方向增大。 导板的延伸方向指的是，该方向可理解为例如从转子叶片的底端沿水平方向导 向。通过改变导板沿延伸方向到旋转轴线的径向距离，可调整定子中的流体压力，例如可调 整定子的吸力效果。 根据水平轴线风力涡轮机的又一示例性实施方式，导板包括沿延伸方向相对于转 子叶片位于最远距离处的端部。该端部提供锥形形状。因此，可控制离开定子的流体的排 放，以免发生不利于转子叶片旋转的流体湍流。使用导板的锥形端部，可提供流体的可控且 恒定的排放。 根据水平轴线风力涡轮机的又一示例性实施方式，固定部在沿着轴的上游方向上
固定至定子外部的旋转轴。因此，它保证了转子叶片的旋转首先影响流体流动而非定子。因
此，由于扩散器外部的上游固定位置，转子叶片的旋转可控制进入扩散器的流体流。流体的
流速增强从而由转子旋转可控，从而避免扩散器产生的不受控流速增强。 根据又一示例性实施方式，水平轴线风力涡轮机还包括安装结构。旋转轴和定子
安装在安装结构上。安装结构保持旋转轴和定子，使得旋转轴和定子绕竖直旋转轴线可枢
转。因此，包含定子和转子的水平轴线风力涡轮机可按一定风向调整，以增加效率。 必须指出的是，已参考不同主题说明了本发明的实施方式。特别地，参考设备类型
权利要求说明了一些实施方式，而参考方法类型权利要求说明了其他实施方式，本领域技
术人员可以从上下文归纳出，除非另有说明，除了属于一种主题的任何特征组合之外，涉及
不同主题的特征间的任何组合，特别是设备类型权利要求特征与方法类型权利要求特征间
的组合都被认为被本申请公开。 上述限定的方面和本发明的其它方面通过随后描述的实施方式的实例以及参考 实施方式的实例的解释将会变得显而易见。随后参考实施方式的实例将更详细地描述本发 明，但本发明不受其限制。
图1显示了包括根据本发明的示例性实施方式的转子叶片的水平轴线风力涡轮 机的示例性实施方式的示意图； 图2图示了图1示例性实施方式的立体图； 图3显示了根据本发明的示例性实施方式的水平轴线风力涡轮机示意图；
图4图示了图3所示示例性实施方式的立体图；
图5显示了根据示例性实施方式的转子叶片的示意图；
图6显示了根据本发明示例性实施方式的转子叶片的示意图；
图7显示了一种传统水平轴线风力涡轮机；以及
7
图8图示了带扩散器的一种传统水平轴线风力涡轮机。
具体实施例方式
图中的示图为示意图。注意到在不同附图中，相同或相似的元件提供有相同的附 图标记，或与相应附图标记仅在第一位不同的附图标记。 图1显示了一种用于水平轴线风力涡轮机的转子叶片100。转子叶片100包括将 转子叶片100固定至水平轴线风力涡轮机的转子110的旋转轴105的固定部107。此外，转 子叶片100包括几何形状调整部101和底端108。转子叶片100从固定部107延伸至底端 108。其中，几何形状调整部101的底端108的部分与水平轴线风力涡轮机的定子120的导 板102最接近底端108的部分基本共面。 在图1的实施方式中，(连续)角a以0° (度)值显示。即几何形状调整部101 的底端108的部分可位于导板102最接近底端108的部分的相同(共面且平行)平面内， 并可与导板102的该部分平行。此外，导板102位于转子叶片100的背风侧112，使得导板 102在转子叶片100的迎风侧lll不影响流体流(例如流线w)。因此，定子120只影响转 子叶片100背风侧112的流体流(转子叶片100的下游)。 转子110可适于绕旋转轴105旋转。转子叶片100可附接至旋转轴105。定子120 可包括多个位于旋转轴105周围限定径向距离处的导板102。 当风在基本水平方向上或基本平行于旋转轴105沿流线w流动时，该风逆转子叶 片100而流。部分风能转换为迫使转子110绕旋转轴105旋转的机械能。另一部分风通过 转子100以所述方向流向定子120。 在转子叶片100的底端108与导板102的另一底端(例如，导板最接近底端的部 分为基本共面)之间，可提供间隙103，使得转子110可相对于定子120无摩擦旋转。在操 作期间，转子110和定子120都将受到风引起的变形，如弹性变形。因此，间隙103可设置 在转子110与定子120之间，从而避免接触。如果间隙103提供为小间隙尺寸，可避免从几 何形状调整部101向导板102过渡期间风流f的湍流。 此外，每个转子叶片100提供了一定宽度a。在一示例性实施方式中，该宽度a可 沿转子叶片100的延伸方向从固定部107开始增大到几何形状调整部101的底端108。因 此，流体流可更有效地弯曲，从而避免转子叶片100的风失速。 此外，图1图示了环状地围绕旋转轴105的多个转子叶片100。每个转子叶片100 可提供有宽度a，且每个转子叶片100可在圆周方向上重叠。 此夕卜，图1图示了保持转子110和定子120的安装结构104。安装结构104可绕竖 直旋转轴线106旋转，使得水平轴线风力涡轮机可调整至风向，即流线w的方向。此外，固 定部103在沿轴105的上游方向上固定到定子120外部的旋转轴105。因此，由于转子110 的旋转，可控制流速增强。 此外，导板102可相对于转子叶片IOO沿最远距离提供锥形端。因此，可耗尽风流 而不产生湍流。 图2图示了图1示例性实施方式的立体图。 图3图示了本发明又一示例性实施方式。转子叶片100还包括垂直于旋转轴105 延伸的叶片部301。叶片部301可附接在固定部107与几何形状调整部101之间。几何形
8状调整部101的底端108几何形状可调整为提供到定子120的导板102的几何形状连续过 渡。几何形状调整部101可附接至叶片部301，例如机翼的小翼。此外，相比于几何形状调 整部101，叶片部301可提供不同的弹性特征。因此，叶片部301形成为例如刚性的，其中几 何形状调整部101为弹性的且可变形的。当几何形状调整部101为弹性时，几何形状调整 部101的形成可相对于风力的一定强度。因此，通过使用弹性的几何形状调整部IOI，几何 形状连续过渡和/或角a可因一定风力而调整。 此外，定子120提供在环形方向上重叠的导板102。导板102可沿延伸方向或沿流 线w增大它们到旋转轴105的径向距离。因此，可通过沿延伸方向增大导板102的径向距 离来持续而不突然地膨胀流过转子110和定子120的风。因此可避免定子120端部的湍流 和冲击。 图4图示了图3示例性实施方式的立体图。 图5图示了可安装至如图1和图2示例性实施方式中所示的转子110的单个转子 叶片100。转子叶片100包括提供了从固定部107开始至叶片100的底端108持续变形形 状的几何形状调整部IOI。几何形状调整部101可为弹性的，并因此由沿流线w流动的预定 风流而可变形。 图6图示了可附接至如图3或图4示例性实施方式中所示的转子110的转子叶片 100。转子叶片IOO包括在固定部107与几何形状调整部101之间的叶片部301。相比于柔 性和弹性的几何形状调整部101，叶片部301可为刚性部件。 图7图示了包括三个转子叶片100的传统水平轴线风力涡轮机。转子叶片100安 装至旋转轴105。 图8图示了带定子120(扩散器)的传统水平轴线风力涡轮机。转子110包括三个 可绕旋转轴105枢转的转子叶片100。定子120的导板的平面平行于旋转轴105。图显示 沿叶片100的底端108的延伸方向的平面垂直指向沿定子120的延伸方向的平面。换句话 说，转子叶片100的平面提供了与转子120的平面成90°的角度a 。因此，定子120转子 叶片100板的流过渡并不是几何形状连续，且几何形状连续过渡不可能，所以发生了湍流。 此外，定子120影响已经在转子叶片100的迎风侧的风流。因此，流过定子120的风提供了 通过转子的流速加速，即使转子并没有操作。 应当指出的是，术语"包括"不排除其他元件或步骤，且"一种"或"一"不排除多 个。不同实施方式中描述的相关元件也可合并。还应当指出的是，权利要求中的附图标记 不应理解为限制了权利要求的范围。
权利要求
一种用于水平轴线风力涡轮机的转子叶片，该转子叶片(100)包括固定部(107)，其用于将所述转子叶片(100)固定至所述水平轴线风力涡轮机的转子(110)的旋转轴(105)，具有底端(108)的几何形状调整部(101)，其中，所述转子叶片(100)从所述固定部(107)延伸至所述底端(108)，其中，所述几何形状调整部(101)的底端(108)的部分与所述水平轴线风力涡轮机的定子(120)的导板(102)最接近所述底端(108)的部分基本共面。
2. 如权利要求l所述的转子叶片，其特征在于所述几何形状调整部(101)的几何形状可调，以形成至所述导板(102)的几何形状的 连续过渡，使得由所述转子叶片(100)的旋转产生的边界涡旋可传输至所述导板(102)。
3. 如权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，还包括叶片部(301)，所述叶片部位于所述固定部(107)与所述几何形状调整部(101)之间。
4. 如权利要求3所述的转子叶片，其特征在于 所述叶片部(301)和所述几何形状调整部包含不同的弹性材料。
5. 如权利要求1至4之一所述的转子叶片，其特征在于 所述几何形状调整部(101)是弹性的。
6. 如权利要求1至5之一所述的转子叶片，其特征在于 所述转子叶片(100)的宽度(a)从所述固定部(107)增大至所述底端。
7. —种水平轴线风力涡轮机，包括 如权利要求1至6之一所述的转子叶片(100)， 具有导板(102)的定子(120)，以及旋转轴(105)，其中，所述转子叶片(100)的固定部(107)附接至所述旋转轴(105)，以可绕所述旋转 轴(105)的旋转轴线而旋转，其中，所述转子叶片(100)的几何形状调整部(101)包括底端(108)，该底端与所述旋 转轴(105)间隔一径向距离，其中，所述导板(102)最接近所述底端(108)的部分与所述旋转轴(105)间隔相同的 径向距离，其中，所述几何形状调整部(101)的底端(108)的部分与所述导板(102)最接近所述 底端(108)的部分基本共面。
8. 如权利要求7所述的水平轴线风力涡轮机，其特征在于 所述导板(102)包括平行于所述旋转轴线的延伸方向。
9. 如权利要求7所述的水平轴线风力涡轮机，其特征在于 所述导板(102)包括延伸方向，所述导板(102)至所述旋转轴线的径向距离沿所述延伸方向增大。
10. 如权利要求7至9之一所述的水平轴线风力涡轮机，其特征在于所述导板(102)包括沿所述延伸方向相对于所述转子叶片(100)位于最远距离处的端部，其中，所述端部提供锥形形状。
11. 如权利要求7至10之一所述的水平轴线风力涡轮机，其特征在于 所述固定部(103)在沿着所述轴(105)的上游方向上固定至定子(120)外部的所述旋转轴(105)。
12. 如权利要求7至11之一所述的水平轴线风力涡轮机，其特征在于，还包括 安装结构(104)，其中，所述旋转轴(105)和定子(120)安装至所述安装结构(104)， 其中，所述安装结构(104)保持所述旋转轴(105)和所述定子(120)，使得所述旋转轴 (105)和所述定子(120)绕竖直旋转轴线(106)可枢转。
13. 使用如权利要求7至12之一所述的水平轴线风力涡轮机来发电的方法。
全文摘要
本发明涉及转子-定子布置的发电涡轮机。描述了一种水平轴线风力涡轮机的转子叶片(100)。转子叶片(100)包括将转子叶片(100)固定至水平轴线风力涡轮机的转子(110)的旋转轴(105)的固定部(107)。此外，转子叶片(100)包括具有底端(108)的几何形状调整部(101)。转子叶片(100)从固定部(107)延伸至底端(108)。几何形状调整部(101)的底端(108)的部分与水平轴线风力涡轮机的定子(120)的导板(102)最接近底端(108)的部分基本共面。
文档编号F03D1/06GK101749172SQ200910252990
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月8日 优先权日2008年12月8日
发明者S·约尔特 申请人:西门子公司