专利名称：双叶片垂直轴风力涡轮机的制作方法
技术领域：
抟术领域与背景抟术
本发明涉及一种双叶片垂直轴涡轮机，特别是风力涡轮机，虽然相同的原理可应用到其他流体的涡轮机。我们已经发现，当模拟时，对于阻力构造和升力构造，这类双叶片涡轮机具有比带有不同数量的叶片的类似的涡轮机更高的效率，本发明申请描述了创新的方式来改善它们的性能和构造。其中一些原理可应用到带有不同数量的叶片的涡轮机。双叶片概念可被延展到在相同水平的两组双叶片。阻力型和升力型叶片的组合是具有特别优势的，以获得这两种类型的叶片的优势。大的升力型叶片具有阻力型叶片的每分钟转速特征； 这样本发明申请的其中一个创新点是定义了如何让这两种类型叶片能一起发挥功能。
发明内容
本发明成功地通过提供一系列在垂直轴涡轮机、尤其是双叶片垂直轴涡轮机的设计和配置上的改进来克服了目前已知的构造的缺陷。本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
a.两个小尺寸的叶片，每个叶片被构造为双曲线型。在一个实施例中，本系统还包括
b.至少一个唇缘，对于从一个唇缘到下一个唇缘的每米高度，该唇缘被限定为至少三厘米的薄水平结构，延展穿过所述叶片的尾部的水平长度。根据另一个实施例，所述唇缘每隔0. 6米正负0. 2米发生提升。根据另一个实施例，所述叶片的至少一端是锥形的。根据另一个实施例，所述叶片交叠越过中心轴杆。根据另一个实施例，所述叶片不交叠越过中心轴杆。在一个实施例中，本系统还包括 b.下面的箔片。在一个实施例中，本系统还包括 b. 一组附加的升力型叶片。根据另一个实施例，
本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
根据另一个实施例，所述升力型叶片具有相同的最大效率每分钟转数(在20%以内)，作为两个双曲线叶片。本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
a.至少一个叶片，该叶片带有至少一个唇缘。根据另一个实施例，所述唇缘是具有足够的尺寸以阻止空气的垂直运动使发电能力降低超过5%。在一个实施例中，本系统还包括
b.一组双叶片、单曲线的叶片。
根据另一个实施例，所述叶片的片连接在所述唇缘的位置。根据另一个实施例，所述唇缘是适合于所述叶片的角度和曲度，所述唇缘是薄的， 且垂直于所述轴杆的轴。根据另一个实施例，所述唇缘是适合于所述叶片的角度和曲度，所述唇缘是薄的， 且不垂直于所述轴杆的轴。本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
a.可堆叠的叶片。根据另一个实施例，所述叶片是可垂直堆叠的。根据另一个实施例，所述叶片是可平行堆叠的。根据另一个实施例，所述叶片是可垂直堆叠且可平行堆叠的。根据另一个实施例，所述叶片包括至少两个连接的盘片，这些盘片在它们的界面处折叠。根据另一个实施例，所述叶片是在它们的顶部互相直接堆叠的。根据另一个实施例，所述叶片是在它们的顶部互相间接堆叠的。在一个实施例中，本系统还包括
b.带有磁体和线圈的平坦基部。根据另一个实施例，所述可堆叠的叶片形成双曲线，至少一个中心节段是垂直地直的。根据另一个实施例，每个可堆叠水平具有至少在较低边缘和较高边缘的唇缘。本发明首次揭示了一种在箱内的风力涡轮机，包括
a.小室，带有附着到基部的发动机和轴杆支持物，所述小室的外部包括所述基部和轴杆支持物；
b.一定尺寸的轴片，使得这些轴片能适合装入所述小室，能使叶片堆叠；
c.一定尺寸的叶片，使得这些叶片能适合装入所述小室。在一个实施例中，本系统还包括
d.从所述涡轮机基部附着到车辆或其他基部的附着装置。本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
a.一组内部的阻力型叶片；
b.一组外部的升力型叶片；所述两组叶片的每分钟转速的最大效率是在互相的20%之内。本发明首次揭示了一种垂直轴涡轮机，包括
a.对称的升力箔片形状，对于3叶片，弦长/涡轮直径比率为0.25-0. 35，而对于2叶片，弦长/涡轮直径比率为0. 25-0. 45。在一个实施例中，本系统还包括
b.发电机，当风速是每秒10米时，以10正负25%的每分钟转速除以“pi”与涡轮直径的乘积的最高效率运转。这里的概念是较准转速，该转速与大的叶片在典型尺寸上成比例，对于小的垂直轴风力涡轮机而言。
本发明在这里将仅通过实施例以及参照附图的方式进行描述，在这些附图中 图1是一组双叶片、双曲线的叶片的示意图。图2是一组双叶片、双曲线的叶片的示意图，该组叶片作为一种垂直轴涡轮机系统的一部分。图3是一种S形垂直轴涡轮机的示意图。图4是可堆叠的S叶片的示意图。图5是在单一曲线上的唇缘的示意图。图6是在双曲线上的唇缘的示意图。图7是一个堆叠配置的实施例的示意图。图8是一种双叶片阻力型加升力型涡轮机的示意图。图9是一种双叶片双曲线的叶片的变体的示意图。图10是堆叠的盘片的示意图。图11至图17是在小室内的风力涡轮机的组装步骤的示意图。
具体实施例方式本发明包括制造更高效率的几种部件，特别是双叶片的VAWT (垂直轴风力涡轮机)。定义虽然本申请涉及风力，但它实际上也能应用于所有流体。每分钟转速的特殊例子是取决于流体密度，因此这些例子不能应用于液体。这里，它们是指标准的海平面的风的情况，且需要做适当调整以用于不同的环境。Rpm是“每分钟转速”，表示涡轮机的旋转速度。VAWT是垂直轴风力涡轮机。术语“可堆叠的叶片”是指由模块片制成的叶片，这些模块片可被容易地通过附着到附加的模块片来在至少一个方向上延展。Cp是“功率系数”，表示涡轮机的效率，其中1.0是最好的效率。大多数涡轮机是受限于Betz方程式，效率最大为 0.6 Cp。阻力型涡轮机是从风的“推”起运转，而升力型涡轮机是类似于翼通过产生压力差来拉叶片而运转。Savonius类型的涡轮机带有开放的中央区域，被认为是阻力型，但也具有小量的升力组件。叶片的垂直边缘能用作唇缘的等同物，如果它被设计为在尾缘弯曲，在这样的方式下，它能类似于唇缘那样容纳一些流体。根据本发明所述的VAWT的原理和操作可以参考附图和相应的说明来得以更好的理解。现在参考附图，图1显示了一组双叶片、双曲线的叶片。部分(1)显示了所述叶片的形状。这是比现有技术更具有优势的一种构造，其中，在半圆柱体的形状内的Mvonius 类型的单曲线已经被标准化了。这意味着，不仅使侧面流线型，正如传统的重叠的半圆柱体的形状，而且使上面和下面都形成流线型。这将导致从侧面移动进入风的流体较少返流，并协助该侧面受益于风以便更好地吸收风能。部分(2)是轴杆，而部分(3)是叶片在水平的横截面内的较低部分。在一组双叶片、双曲线的叶片的一个实施例中，在顶部的叶片锥形被显示为部分(4)，其中重叠穿过所述轴杆的部分已经被移除。这个形状赋予关于以不同方式捕获风的优势。一种放大涡轮机的双曲线叶片的效应的方法是将水平的唇缘(5)放置在沿着该双曲线结构的规则的间隔内。这样导致更高效率，因为它使不想要的三维效应最小化。需要强调的是，该结构没有加强肋。它们是薄的、水平的结构，理想上是约5 cm，延伸在所述叶片的宽度之上。所述唇缘是指从一个唇缘或边缘到下一个唇缘或边缘，每米高度水平延伸最小3 cm的边缘。它的功能是阻止空气的垂直运动以免使发电的功率降低至少5%。图9是一种双叶片双曲线的叶片的变体(23)的示意图。图2是一组双叶片、双曲线的叶片(5)的示意图，该组叶片作为一种垂直轴涡轮机系统的一部分。这个概念是在图1中所示的双叶片主要阻力型系统的特殊优势可成为叶片的更大的系统的一部分，该系统主要是升力型(8)的。其中一个优势是以低速自启动。如果合适地分离，它们可用作增强该系统的总体性能。部分(8)不需要与叶片(5)相同的垂直维度，在一个实施例中，该部分(8)也可逐渐变细成锥形。位置(6)显示了在所述叶片上的唇缘。可选的翼可影响风的模式，在一个实施例中，可将一组双叶片、双曲线的叶片加入到该系统中，无论它是否包括部分(8)。在一个实施例中，这样一种叶片形状可被用于双叶片设计。在一个实施例中，制造方法是将每个双曲线叶片分成几个部分，以便使制造成本更低廉。下面的箔片与双曲线叶片的关联是明显的，也是创新的，因为由该箔片产生的更高加速度可被更容易地消耗，当逆风移动时。在本文中，可采用Mvonius型内部间隙或者没有内部间隙的叶片系统。图3是一种S形垂直轴涡轮机(9)的示意图，骑在轴杆(10)上，在不同实施例中用于气体或液体，在涡轮机的顶部(12)、底部(11)或者在顶部和底部同时具有唇缘，以便形成用于流体流动的杯，以及增加发电功率。这对于任意的阻力型或者扭曲型构造是非常有用的，在一个实施例中，用于双叶片涡轮机。所述的唇缘应当是与所述叶片的曲度基本一致的。在一个实施例中，唇缘是垂直于所述轴杆的轴；而在另一个实施例中，唇缘是与所述轴杆的轴成角度的。图4是可堆叠的S叶片(13)的示意图。依据S叶片，我们包括Mvonius或类似于Mvonius的构造，它们形成接近于S形的图案。它提出这样的问题如何制造用于小型涡轮机的叶片，使该叶片足够小，以便适合在升降机、集装箱等内部使用，以及也能使涡轮机的高度容易适用于不同的风力环境。这样的堆叠性是在标准风力涡轮机的生产过程中规模生产的重要优势，它需要适用于本地环境。这里显示了一种固体的双叶片阻力型系统，但也可被用于其他叶片系统，包括阻力型和升力型。图4中上面的图和下面的图显示了 两个叶片是如何能被用于不同的方向，以致从任意侧面更连续地捕获风能。这是堆叠的另一个优点，除了便于组装之外。例如，如果叶片的高度是2米，该叶片可被分解为1米的节段。 这些节段可在彼此的顶部直接被堆叠，或在彼此的顶端间接堆叠。当在彼此的顶端间接堆叠时，每个节段可以有至少一个唇缘。这种垂直的可堆叠的叶片系统具有附加的优点可将额外水平加到安装中，额外功率是想得到的。这个堆叠性也可应用到升力型叶片。图7是用于快速配置的堆叠的一个实施例的示意图。所述VAWT可在部分(17)被垂直地拉起，在两个水平面(18和19 )上制造S形，这些水平面可以是处于不同的方向。在一个实施例中，所述轴杆可连接到带有磁体和线圈的扁平基底。这些节段的总体形状可制成双曲线。在一个实施例中，中间的节段是垂直的，以致可加入附加的垂直的中间节段，以便容易地增加该叶片系统的高度。
另一个类型的堆叠也是水平的。图10显示了组合的水平堆叠与垂直堆叠。一系列连接的单个盘片(24)可被水平地结合，以形成涡轮机的叶片的每个水平面。然后，每个水平面(25、26)可被垂直地加入，以形成更高的涡轮机(27)。图11至图17显示了采用堆叠方式的快速配置系统。一个小室(28)包括需要用于建立风力涡轮机的所有东西。这里，发电机(29)和轴支持物(30)是在该小室内构建的。 该小室的外部形成基部(31)。图13显示了该基部(31)的台架是如何由小室的外部的台架来形成的。图12是该小室的内部视图，显示了轴片(32)和叶片(33)。图14、图15和图 16显示了这些片的组装以制成涡轮机。图17显示由小室形成的基部可具有一些附着装置 (34)，以便附着到车辆或其他基底，例如地面。典型的附着装置可包括螺栓、钉、关节等。图5是在单一曲线上的唇缘的示意图。该图显示了在上和下边缘的唇缘(14)以及在中间的唇缘(15)。图6是在双曲线上的唇缘(16)的示意图。在图6中，从基部到顶部的唇缘的距离是2580 mm。所述双曲线的上边缘，由于它的形状，也被用作一种唇缘。我们已经发现，这些唇缘的这种分布产生了接近最大的功率。因此，如果我们在接近3米的垂直高度内设置 5个有效的唇缘，在这些唇缘之间的理想距离是平均0. 6米，正负0. 2米。图8是一种双叶片阻力型(20)加升力型(21)涡轮机的示意图。这种VAWT的特征是在一台涡轮机上，升力型叶片具有类似于阻力型叶片的每分钟转速。例子风速为10 m/s,2. 5米直径的双叶片阻力型涡轮机在76 rpm时的功率系数(Cp)是0.四，而一组弦为 0.95的双升力型叶片应当具有86 rpm。这可以结合阻力型构造的水平，以致不会产生自启动的问题，同时大地升力型叶片将增加更多的功率。实际上，在右边的图显示线(22)具有最大功率输出，其Cp达到0.4。我们的模拟显示双叶片、大的升力型叶片具有比许多其他构造更高的功率系数， 特别是弦长/涡轮直径的比例是0. 7/2. 5及以上。我们发现，诸如NACA 0018等的对称的箔片形状的性能是优于其他形状，对于升力型叶片的性能而言，尤其是与两个叶片和大的弦相关联时。叶片数量和弦的效应显示在下表中(风速=10m/s)，在二维模拟中。N=叶片数量。C=弦长。
权利要求
1.一种垂直轴涡轮机，包括a.两个小尺寸的叶片，每个叶片被构造为双曲线型。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，还包括b.至少一个唇缘，对于从一个唇缘到下一个唇缘的每米高度，该唇缘被限定为至少三厘米的薄水平结构，延展穿过所述叶片的尾部的水平长度。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于所述唇缘每隔0.6米正负0. 2米发生提升。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于所述叶片的至少一端是锥形的。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于所述叶片交叠越过中心轴杆。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于所述叶片不交叠越过中心轴杆。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，还包括 b.下面的箔片。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，还包括 b. 一组附加的升力型叶片。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于所述升力型叶片具有相同的最大效率每分钟转数(在20%以内)，作为两个双曲线叶片。
10.一种垂直轴涡轮机，包括a.至少一个叶片，该叶片带有至少一个唇缘。
11.根据权利要求10所述的涡轮机，其特征在于所述唇缘是具有足够的尺寸以阻止空气的垂直运动使发电能力降低超过5%。
12.根据权利要求10所述的涡轮机，其特征在于，还包括b.一组双叶片、单曲线的叶片。
13.根据权利要求10所述的涡轮机，其特征在于所述叶片的片连接在所述唇缘的位置。
14.根据权利要求10所述的涡轮机，其特征在于所述唇缘是适合于所述叶片的角度和曲度，所述唇缘是薄的，且垂直于所述轴杆的轴。
15.根据权利要求10所述的涡轮机，其特征在于所述唇缘是适合于所述叶片的角度和曲度，所述唇缘是薄的，且不垂直于所述轴杆的轴。
16.一种垂直轴涡轮机，包括 a.可堆叠的叶片。
17.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片是可垂直堆叠的。
18.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片是可平行堆叠的。
19.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片是可垂直堆叠且可平行堆叠的。
20.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片包括至少两个连接的盘片， 这些盘片在它们的界面处折叠。
21.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片是在它们的顶部互相直接堆叠的。
22.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述叶片是在它们的顶部互相间接堆叠的。
23.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于，还包括b.带有磁体和线圈的平坦基部。
24.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于所述可堆叠的叶片形成双曲线，至少一个中心节段是垂直地直的。
25.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于每个可堆叠水平具有至少在较低边缘和较高边缘的唇缘。
26.一种在箱内的风力涡轮机，包括a.小室，带有附着到基部的发动机和轴杆支持物，所述小室的外部包括所述基部和轴杆支持物；b.一定尺寸的轴片，使得这些轴片能适合装入所述小室，能使叶片堆叠；c.一定尺寸的叶片，使得这些叶片能适合装入所述小室。
27.根据权利要求沈所述的涡轮机，其特征在于，还包括d.从所述涡轮机基部附着到车辆或其他基部的附着装置。
28.一种垂直轴涡轮机，包括a.一组内部的阻力型叶片；b.一组外部的升力型叶片；其中，所述两组叶片的每分钟转速的最大效率是在互相的 20%之内。
29.一种垂直轴风力涡轮机，包括a.对称的升力箔片形状，对于3叶片，弦长/涡轮直径比率为0.25-0. 35，而对于2叶片，弦长/涡轮直径比率为0. 25-0. 45。
30.根据权利要求四所述的涡轮机，其特征在于，还包括b.发电机，当风速是每秒10米时，以10正负25%的每分钟转速除以“pi”与涡轮直径的乘积的最高效率运转。
全文摘要
双叶片垂直轴风力涡轮机(VAWT)比带有其他数量的叶片的涡轮机具有许多效率上的优势。在理想方式上提供了制造这些双叶片垂直轴风力涡轮机的原理，以用于阻力型和升力型这两种构型。
文档编号F03D1/00GK102369354SQ201080023420
公开日2012年3月7日 申请日期2010年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者丹尼尔·法伯, 乔·范茨沃仁, 肯·科尔曼, 迦底·哈尔利, 阿夫纳·法卡什 申请人:利维坦能源风力莲花有限公司