风力涡轮机及其使用方法以及用于在涡轮机中使用的叶片的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于将风转换为机械能的风力涡轮机(1)，其包括支撑件(5)和旋转地连接至所述支撑件(5)的叶片(6，16)，叶片包括蓄风件(7)，当叶片(6，16)处于沿风向行进的位置时，蓄风件能够采用第一结构；当叶片(6，16)处于逆风向行进的位置时，蓄风件能够采用第二结构，在第一结构中，蓄风件(7)具有将风力转换为叶片(6，16)的运动的第一容量；在第二结构中，蓄风件(7)具有将风力转换为叶片(6，16)的运动的第二容量，第二容量低于第一容量，其中，涡轮机设置有可操作用于与风向无关地迫使蓄风件(7)采用所述结构中的至少一种结构的装置(200，200')。本发明还涉及风力涡轮机(1)的用于将风转换为功的使用方法，并且涉及一种用于在风力涡轮机中使用的叶片(6，16)。
【专利说明】
风力涡轮机及其使用方法以及用于在涡轮机中使用的叶片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于将风转换为机械能的风力涡轮机，其包括支撑件和旋转地连接至所述支撑件的叶片，叶片包括蓄风件，当叶片处于沿风向行进的位置时，蓄风件能够采用第一结构；当叶片处于逆风向行进的位置时，蓄风件能够采用第二结构，在第一结构中，蓄风件具有将风力转换为叶片的运动的第一容量；在第二结构中，蓄风件具有将风力转换为叶片的运动的第二容量，第二容量低于第一容量。本发明还涉及风力涡轮机的用于将风转换为功的使用方法，并且涉及一种用于在风力涡轮机中使用的叶片。
【背景技术】
[0002]几百年来，风力涡轮机通常被用于将风转换为功。风力涡轮机通常是冲击式涡轮机。涡轮机改变风的吹动方向，最终产生的推力使涡轮机旋转，并导致风的动能减少。如果机械能被用于发电，那么该装置可称作风力发马达或风力充马达。如果机械能被用于驱动机器，例如用于研磨谷物或泵送水，那么该装置通常称作风磨或风泵。经过上千年的发展，如今的风力涡轮机被制造成各种竖直轴和水平轴的类型。最常见和最古老的风力涡轮机是水平轴式涡轮机，其中，轴被定位成与风向(即风吹动的方向)一致。最小的涡轮机被用于例如帆船上的电池充电或辅助动力等应用场合，而大型的并网涡轮机阵列正逐渐成为大型的商用电源。
[0003]过去十年的发展之一是设计出适用于低风速(通常在100/8以下，蒲福风级
约为5级)的风力涡轮机。特别是在地面上方的较低高度处并且在有建筑物存在的情况下，风速通常过低以至于不能经济地从普通的风力涡轮机中获取能量。最近的研宄成果包括达里厄(0犯风力涡轮机(包括“旋翼型和“回旋型(070101:111-131116) ^ )和萨窝纽斯风力祸轮机，这些风力祸轮机即使在低于5111/8(蒲福风级约为3级)的风速下也可以产生机械能。与萨窝纽斯风力涡轮机不同的是，达里厄风力涡轮机是升式涡轮机。达里厄风力涡轮机不是将风收集在涡轮机四周附带的杯状件中(在本领域中也称作“桶状件”，在本说明书中称作蓄风件)，而是利用通过风撞击翼面产生的升力来引起旋转。对于这些涡轮机而言，轴横向于风定位(这与和风向“保持一致”相反)，这样带来的附加优点是叶片不需要对准风。在大多数情况下，轴竖直定位(这也解释了通常使用缩写形式):竖直轴式风力涡轮机)，但是轴也可以水平定位，只要轴横向于风即可横向轴式风力涡轮机)因此是更加准确的缩写形式)，通常是基本上垂直于风吹动的方向。但是，这些风力涡轮机具有一些缺点。首先，可以提高这些涡轮机的动能转换为机械能的总转换率。第二，特别地，达里厄风力涡轮机不是自行启动的。因此，要求用小功率马达来启动旋转，且随后当涡轮机速度足够时，穿过翼面的风开始产生转矩，转子被周围的风驱动。一种可选结构是使用一个或两个小型萨伏纽斯转子，其被安装在达里厄涡轮机的轴上以启动旋转。但是，这些萨伏纽斯转子在运行时会使达里厄涡轮机减速。
[0004]根据⑶101737252八，如前序部分所述的风力涡轮机是已知的。这种风力涡轮机也用于启动达里厄型涡轮机。但是缺点在于与其他的丽类似，总的能量转换率相对较低。
[0005]根据US2012/0045333已知一种风力涡轮机，其中，蓄风件由被风吹向支架的翼板形成，支架具有可调节的结构。这样，当风将翼板吹向支架且风力太大时，蓄风件仅通过让更多的风吹过各相邻的翼板即可被重构成具有较小的将风力转换为叶片的运动的容量。当叶片逆风向行进时，翼板被吹离支架，以便提供抵抗涡轮机的旋转运动的最小反作用力。因此，不对支架实行重构，原因仅在于对蓄风件(即翼板)的容量没有影响。
[0006]US5570997公开了一种具有叶片的风力涡轮机，叶片设置有蓄风件，蓄风件在叶片沿风向行进时打开并且在叶片着行进运动时关闭。这样，当风力必须被转换为叶片的运动时，使用蓄风件的最大转换容量，而当叶片逆风向行进时，蓄风件难以平衡这种转换。蓄风件通过风吹在叶片上的作用而打开，在这种风的作用降低时，蓄风件在重力的作用下关闭。
【发明内容】
[0007]本发明的目标是设计出一种风力涡轮机，其能够至少部分地缓解现有技术中的缺点。
[0008]为了实现本发明的目标，已经设计出了根据前序部分所述的风力涡轮机，其中，该涡轮机设置有一种装置，所述装置可操作用于与风向无关地迫使蓄风件采用所述两种结构中的至少一种结构(即，所述装置可操作用于迫使蓄风件采用这两种结构中的一种结构，这并不取决于作用在涡轮机上的风力)。但是，这并不排除下述情况:例如为了使能量转换最大化或者使涡轮机减速，结构将适应于风向。
[0009]在现有技术的涡轮机中，例如在根据以上引用的中国专利申请(以及美国专利US5570997)获知的涡轮机中，蓄风件采用的结构实质上取决于外力例如重力和风力。正如在该中国专利申请的图3a中可见的那样，具有第二结构的蓄风件(即，在图中的右手侧的蓄风件)尤其在低风速下仍具有相当大的前部覆盖区域(即，被铰接的遮盖件仍沿着垂直于风的方向在相当大的长度上延伸)。这就意味着该蓄风件不利于将风能转换为涡轮机的运动。尽管这种消极影响明显小于由左手侧的蓄风件提供的积极转换，但是，本 申请人:确认存在该缺点并且存在该缺点对能量转换的影响。尽管在高风速下(如图3b和3c所示)，这种缺点并不明显或者甚至是完全消失，但是 申请人:意识到，通过在该配置中增加能够产生第二结构的装置(即，此时蓄风件包括从叶片上悬置的遮盖件)，由此通过利用风力涡轮机自身结构所产生的内部力，就能够显著地改进已知的风力涡轮机。这样，能够强行实现第二结构以使得对风能转换为运动的消极影响明显小于第二结构仅取决于外力例如重力和风的情况。如果将本发明应用于所述中国专利申请的图3a至图3c所示的涡轮机中，那么图3a中右手侧的蓄风件能够具有图3b甚至图3c中所示的右手侧蓄风件的结构。如果蓄风件布置在叶片顶部以使其例如在重力和风的作用下可以采用第二结构，那么当叶片处于沿风向行进的位置时，所述装置能够操作用于迫使蓄风件打开，即，采用第一结构。
[0010]本发明中的风力涡轮机的优点是尤其在低风速下的能量转换明显高于已知的风力涡轮机。另外，由于可以迫使蓄风件积极地采用抵抗重力和/或风力的结构，因此使得涡轮机只需非常低的风速来启动旋转。接下来，对于采用两种结构中的任何一种而言，与风向无关地，本发明不仅允许实现风力转换为运动的最大转换，而且允许根据需要采用使涡轮机减速的结构。因此，通常必须迫使蓄风件采用逆着风力和重力方向的必要结构。
[0011]机械领域的任何普通技术人员将能意识到，可操作用于迫使蓄风件采用某结构的装置能够具有各种实施例。所述装置可以通过仅使用机械部件(例如杆、棒和链轮、凸轮轴、导轨和从动件)来构成，可选地通过使用液压件来构成，或者通过使用机电部件(例如电磁铁、电感器、线圈等)来构成。当然，也可以使用介于纯机械和纯电子之间的范围内(或者甚至是该范围以外)的各种其他构件。
[0012]本发明还涉及上述涡轮机的用于将风转换为功的使用方法。本发明还涉及该涡轮机与达里厄风磨组合而成的组合装置，风力涡轮机操作性地连接至达里厄风磨，其中，操作性的连接使用离合器，当达里厄风磨以预定的每分钟转数旋转时，离合器允许风力涡轮机以各种不同的每分钟转数旋转。在该组合装置中，风力涡轮机可用于启动达里厄风磨。由于本发明的风力涡轮机能够在非常低的风速下启动旋转，因此，风力涡轮机可以容易地加快转速，并且例如当达到一定的转矩或每分钟转数时，离合器可用于转换涡轮机的至少一部分动能以启动达里厄风磨。另外，在达里厄风磨的非常高的转数下，当蓄风件逆着风向行进时，通过强行采用第一结构，达里厄风磨可以利用本发明的涡轮机来减速。本发明还涉及一种叶片，该叶片设置有上述蓄风件以及用于在采用第一结构和第二结构时使用的装置。
[0013]请注意，根据本发明的风力涡轮机能够操作性地连接至地面，通常具有在竖直方向上延伸的支撑件(例如旋转轴或静止轴)，而且还可以例如通过抵靠竖直延伸的壁安装支撑件而将风力涡轮机布置成使其支撑件在水平方向上延伸(只要叶片的旋转轴横向于风延伸即可)。另外，涡轮机例如能够布置到浮筏上或布置到在水面上方延伸的桅杆上。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是根据本发明的风力涡轮机的示意图。
[0015]图2是根据本发明的叶片的示意图。
[0016]图3是根据本发明的风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机包括两个叶片和图示的装置，所述装置可操作用于迫使蓄风件采用第二结构。
[0017]图4是根据本发明的涡轮机的可选实施例的示意图。
[0018]图5示意性地示出了用于本发明的各种蓄风件。
[0019]图6示意性地示出了根据本发明的两个风力涡轮机与达里厄风磨组合而成的组合装置。
[0020]图7示出了蓄风件将风力转换为运动的容量。
[0021]图8示意性地表示出用于提供蓄风件结构的系统。
【具体实施方式】
[0022]定义
[0023]叶片:通常相对较薄、刚性的平坦元件，当叶片沿轴线安装时，流经叶片的风或流体会使叶片转动。典型的例子是涡轮机上的叶片或风磨上的翼板。
[0024]蓄风件的将风力转换为运动的容量是当蓄风件在相对于风向被理想地定位(即，蓄风件被定位成最大程度地“捕获”风)时蓄风件所能提供的转换能力。
[0025]物体的结构:物体的各个部分相互之间在空间上的布置所确定的形式。
[0026]风向:风吹动的主要方向。
[0027]蓄风件:在垂直于风向的方向上延伸以将风力转换为在风向上的运动的元件。蓄风件通常具有杯形或桶形的形状，但是也可以是简单的平坦、矩形或瓦片形的物体。
[0028]垂直于第二元件延伸的第一元件:第一元件至少部分地横向于第二元件延伸。例如，如果两条直线的交角为40°，那么在本说明书的语境中，第一直线也是在垂直于第二直线的方向上延伸。
[0029]基本上沿风向行进的叶片是指叶片主动地将风力转换为运动(向前行进)。
[0030]基本上逆着风向行进的叶片是指需要能量来迫使叶片逆风往回行进(向后行进)。
[0031]本发明的实施例
[0032]在根据本发明的风力涡轮机的实施例中，蓄风件在重力和风的作用下大体上采用所述两种结构中的一种结构，并且蓄风件通过所述装置的操作而大体上采用另一种结构。本实施例不要求主动操作任何装置以使蓄风件采用两种结构中的一种结构，这就使结构相对简单。例如，如果蓄风件形成为使得能够通过重力和风作用在蓄风件(的部件)上而使蓄风件大体上采用第二结构，那么就不需要通过装置的操作来使蓄风件采用该结构。在这样的情况下，通常要求必须通过装置的操作在相反的方向上改变结构以提供第一结构。
[0033]在一个可选实施例中，特别是当叶片位于逆风向行进的位置时，所述装置可操作成使得蓄风件通过所述装置的操作而大体上采用第二结构。该实施例的优点是，蓄风件的标准结构是第一结构，也就是蓄风件将风力转换为运动的容量较大的结构。这样，当风开始吹动时，涡轮机更容易开始旋转。在该实施例中，优选地，叶片自动对准风(例如通过本领域公知的装置)，使得叶片位于蓄风件能够捕获风的位置。当叶片位于逆风向行进的位置时采用第二结构的优点是，蓄风件相应地对风力转换为运动的总转换率的负面影响能够被主动地最小化，并且因此将不会(被动地)取决于外力(例如风和重力)。
[0034]在另一实施例中，所述装置可操作成使得蓄风件通过操作该装置而大体上采用第一和第二结构。尽管该实施例比上述实施例更加复杂，而且总的能量转换率还稍有降低(原因是主动地关闭和打开蓄风件会消耗能量)，但是该实施例的优点是，与叶片相对于风向所采用的位置无关地，蓄风件的结构可以调节为第一结构和第二结构之间的范围内的任何一种结构。这样能提高使用风力涡轮机的操作自由度。
[0035]在一个实施例中，叶片为翼形体，蓄风件基本上由遮盖件和翼本体构成，遮盖件在邻近翼本体的下游端(翼本体的下游端是当叶片沿风向运动时翼本体的背对风的端部)的位置处铰接至翼本体。该实施例的优点是:与使用例如可变形杯状件(例如可变性球状体或其他形状构件)的情况相比，结构更加简单；并且与例如具有遮盖件或其他构件的纵向杆形式的叶片相比，更加高效。
[0036]在一个实施例中，叶片包括多个蓄风件。 申请人:意识到，当使用多个蓄风件时，操作涡轮机以提高能量转换率的自由度可进一步提高。但是，更重要的是， 申请人:意识到，与使用在叶片的对应长度上延伸的一个(较大)蓄风件的情况相比，具有多个蓄风件允许使用长度明显加长的叶片。在高转速的情况下，在叶片尖端附近的叶片上产生的作用力比在支撑件附近的叶片上产生的作用力要大得多。通过设置有多个独立的蓄风件，能够例如允许“外部的”蓄风件采用风力转换为运动的容量较小的结构以降低对叶片的机械冲击。这就相应地允许使用更大的叶片，而不必要求非常坚固的机械结构。在另一实施例中，叶片包括位于叶片的顶部位置处的第一蓄风件和位于叶片的底侧处的第二蓄风件。在该实施例中，能够实现接近最优地使用蓄风件，并且能使蓄风件的将风能转换为运动的容量最优。
[0037]在可选的实施例中，叶片包括沿叶片的长度定位的多个分离的蓄风件。 申请人:意识到，当空气从支撑件附近(涡轮机的中心附近)的位置运动到叶片尖端时，沿叶片长度的(空气流动的)流体动力学性质将显著变化。通过使用沿叶片的长度的多个分离的蓄风件，蓄风件可以沿叶片的长度具有不同的结构以适应流体动力学性质的变化。在另一实施例中，定位在支撑件附近的蓄风件与定位成更加远离支撑件的蓄风件相比具有更大的横截面。这样，能够适应沿叶片长度的不同部分的绝对行进速度的变化。通常，在尖端附近速度较高，以至于可能需要用蓄风件的小横截面来避免需要非常重的结构来保持叶片的刚性。这种思想能够与风向无关地适用于这样的涡轮机，该涡轮机具有不同的迫使蓄风件采用所述结构中的至少一种结构的装置或者甚至没有这样的装置。特别地，即使当蓄风件仅在风力和重力作用下打开和关闭时，具有多个蓄风件且这些蓄风件具有沿叶片的长度将风力转换为运动的最大容量下降的这一特征能够有利地用于风力涡轮机以允许叶片的长度更长。换句话说，本发明还可以实施为一种风力涡轮机，其中所述第一和第二结构仅通过风和/或重力而产生(而不再使用迫使蓄风件采用第一和第二结构的装置)，其中，叶片包括沿叶片的长度定位的多个分离的蓄风件，其中定位在支撑件附近的蓄风件与定位成更加远离支撑件的蓄风件相比具有更大的用于将风力转换为运动的最大容量。
[0038]在一个实施例中，蓄风件操作性地连接成使得当一个蓄风件采用第二位置时，在离开支撑件的方向上观察，采用第二位置的该蓄风件的下一个蓄风件自动地采用第二位置。在该实施例中，相邻的蓄风件简单地彼此抓持，使得在迫使一个蓄风件采用第二结构时，在朝向叶片尖端的方向上观察，该蓄风件的下一个蓄风件也采用第二结构。在该实施例中，该装置可操作用于仅通过必须主动地迫使一个蓄风件(通常是最靠近涡轮机中心的蓄风件)而使多个蓄风件采用第二结构。其他的蓄风件顺应第一蓄风件的运动。这样就不需要必须被构造成直接作用在叶片的所有蓄风件上的装置。不足之处是，为了采用第二结构，叶片上的多个蓄风件不能独立操作。
[0039]在一个实施例中，叶片是旋转连接至支撑件的转子的一部分，转子包括多个叶片。在具有多个叶片的时候，可以提供叶片的非常均匀的分布，以使得总是至少有一个叶片位于使其能够主动地将风转换为运动的位置。在准确地均匀分布时，每个叶片可以覆盖例如旋转角度在30° (12个叶片)到180° (2个叶片)的区域。已经发现，这样不仅能够获得良好的能量转换，而且转换可以相对顺畅，作用在支撑件上的动量较小。在另一实施例中，涡轮机包括多个转子。
[0040]将基于以下的示例进一步介绍本发明。
[0041]图1
[0042]图1是根据本发明的风力涡轮机的示意图。图中示出了涡轮机1，利用支撑杆5将涡轮机I安装成从地面2延伸。该实施例中的涡轮机包括两个叶片(6，16)，每个叶片包括多个用于捕获风的蓄风件(7，17)，它们有助于将风能(风向用V表示)转换为叶片(在图示的方向A上)的旋转运动。图2中将更加详细地示出叶片6及其蓄风件。
[0043]图2
[0044]图2是根据本发明的叶片的示意图。该具体实施例中的叶片6朝向风向V，以使其上游端600面向风且其下游端60背对风。该实施例中的叶片6是翼形体，使得在叶片的上方和下方行进的风沿风的方向在叶片上提供驱动力。叶片6的底侧和顶侧分别设置有多个蓄风件7和7’。在任何情况下，底侧的蓄风件7都包括遮盖件和叶片的底侧。图2中示出了 5个遮盖件10、11、12、13和14。遮盖件10定位成最接近支撑件(w =图2中未示出)，遮盖件14定位成接近叶片6的尖端。每一个遮盖件与叶片的底侧共同形成用于捕获风的桶状件。遮盖件10、11、12、13和14围绕线21铰接，并且在叶片内部分别设置有平衡配重101至115。该实施例中的这些配重被选择为使遮盖件在重力的作用下基本打开。通过改变平衡配重，能够精确选择遮盖件相对于重力和风速(相对于叶片)的运动，从而在选定的环境下提供最优的转矩。操作性地连接遮盖件10、11、12、13和14，使得在蓄风件采用第二位置时，从远离支撑件的方向观察，采用第二位置的蓄风件的下一个蓄风件自动地采用第二位置。在此情况下，遮盖件11设置有附属遮盖件121，附属遮盖件121横跨遮盖件10的移动空间安置。当遮盖件10朝叶片移动以采用第二结构时，遮盖件10碰撞辅助遮盖件121，从而在叶片底部的方向上带动遮盖件11 一起运动。相应地，遮盖件12设置有附属遮盖件122，附属遮盖件122横跨遮盖件11的移动空间安置。因此，当遮盖件11在叶片的方向上移动时，遮盖件11碰撞辅助遮盖件122，从而带动遮盖件12 —起朝叶片底部运动以采用第二结构。以相同的方式，遮盖件13设置有辅助遮盖件123，遮盖件14设置有辅助遮盖件124。相应地，遮盖件10’、11’、12’、13’和14’分别设置有辅助遮盖件120’、121’、122’、123’和124’。这些遮盖件围绕线20铰接，并且在叶片内部设置有平衡配重101’至115’。选择这些平衡配重，使得遮盖件在重力的作用下打开以采用第一结构。
[0045]图3
[0046]图3是根据本发明的风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机包括两个叶片6和16，它们是转子166的一部分。图3示出了装置(200，200’)，可操作用于迫使蓄风件7 (其分别包括遮盖件10-14、10’-14’、110-114和110’-114’)采用第二结构。在该图中，示出风力涡轮机I包括两个叶片6和16，它们的结构基本上与图2所示的叶片6相同。每个叶片包括10个蓄风件(叶片6:由遮盖件10-14和该叶片的对应底部部件形成的蓄风件7，以及由遮盖件10’ -14’和叶片6顶侧的对应部件形成的蓄风件；叶片16:由遮盖件110-114和该叶片的对应底部部件形成的蓄风件，以及由遮盖件110’ -114’和叶片16顶侧的对应部件形成的蓄风件)。涡轮机I包括第一装置200，可操作用于使得包括遮盖件110-114的蓄风件通过所述装置的操作而大体上采用第二结构。这些装置200包括第一杆201，由于重力且风向下推动遮盖件10，从而使附属遮盖件120 (仍参见图3)向下运动的推力向下推动第一杆201。作用在杆201上的向下的力用于向上推动杆202。这样，由于杆202作用在其对应的附属遮盖件1120(未示出)上，因此遮盖件110 (在叶片16后面，因此未示出)被向上推动，使得包括遮盖件110的蓄风件采用第二结构(在该实施例中，实际为“关闭”)。为了准确地转换从杆201到杆202的运动，装置200包括转换器204。装置200可以利用轴承203围绕支撑件5旋转，以与叶片一起运动。转换器204作用在杆上，以在叶片沿风向V运动时确保蓄风件采用第一结构，并且在叶片逆风向V运动时采用第二结构。为此，以电子方式(电子元件未示出)使转换器对准风向。在一个可选实施例中，通过利用自动对准风的公知的叶片使转换器对准风，该叶片相应地操作性地连接至转换器。
[0047]以与上面结合装置200所述的方式相同的方式，对应的装置200’ (其包括杆201’和202’、以及转换器204’和轴承203’)被设置用于迫使叶片顶部上的蓄风件(其包括遮盖件10’-14’和遮盖件110’-114’ ；其中遮盖件10’和110’分别设置有辅助遮盖件120’和1120’)在叶片沿风向行进时采用第一结构。对应地，当遮盖件110’至114’通过重力和风的作用而关闭时释放出的能量经由转换器204’传递，以使杆201’致动，从而迫使遮盖件10’-14’向上运动，以使相应的蓄风件采用第一结构。
[0048]图4
[0049]图4是根据本发明的涡轮机的可选实施例的示意图。在该实施例中，叶片6设置有多个蓄风件，使得定位成靠近支撑件的蓄风件的横截面大于定位成远离支撑件的蓄风件的横截面。在该实施例中，每个蓄风件7形成在遮盖件和叶片的底侧之间(参见图2)。通过使这些遮盖件的尺寸不同以使更靠近支撑件5的遮盖件具有更大的表面，定位成靠近支撑件的蓄风件的横截面就大于定位成远离支撑件的蓄风件的横截面。
[0050]图5
[0051]图5示意性示出了用于本发明中的各种蓄风件。示出了风向V，其适用于图5A、5B和5C。
[0052]在图5A中，示出了蓄风件7，其结构形式对应于图2和图3中所示的蓄风件。在图5A中的左手侧的情况下，包括遮盖件10和叶片6的底侧70的蓄风件采用第一结构，即，在该结构中蓄风件捕获风以将风能转换为叶片的运动；其中遮盖件10通过铰接件80而铰接在叶片的下游端。叶片行进的方向示出为P1。在图5A中的右手侧的情况下，相同的蓄风件采用第二结构，在该结构中，为了实现逆风向V而沿方向P2行进所必须捕获的风较少，不用消耗太多能量。
[0053]在图5B中，示意性地示出了蓄风件7的可选实施例。在这种情况下，包括单个管的叶片6设置有两个竖直延伸的构件7和7’，它们的作用是捕获风以使叶片在方向Pl上运动。每个构件分别设置有弹簧90和90’，在图5B中，示出弹簧90和90’处于伸展结构。当叶片必须逆着风V在用P2示出的方向上运动时，释放弹簧90和90’，它们迫使构件7和7’采用更短的结构(根据本发明所述的第二结构)，以使其捕获的风明显减少。
[0054]在图5C中，示意性地示出了本发明的蓄风件的另一实施例。在这种情况下，蓄风件7是半杯形，其通过铰接件80安装至叶片6的底部。当叶片在Pl所示的风向上运动时，杯状件如图5C中的左手侧图示那样定位。铰接件阻止杯状件采用另一位置，杯状件优选地定位成最大程度地捕获风V。当叶片应该逆着风V在P2所示的方向上行进时，迫使杯状件朝向叶片底侧铰接，采用图5C中的右手侧图示的位置。在这种结构中，蓄风件采用捕获更少风的结构，从而叶片能容易地逆着风向行进。
[0055]图6
[0056]图6示意性地示出了根据本发明的两个风力涡轮机1，I’与达里厄风磨400组合而成的组合装置。达里厄风磨400对应于前面的参考文献即中国专利申请CN101737252A中所示的风磨。用V表示风向，风向V对应于风磨沿方向A旋转。风磨由轴5支撑，包括分别承载叶片410、412和411、413的杆401和402。通过使用离合器将根据本发明的两个风力涡轮机I和I’操作性地连接至同一支撑件5，当达里厄风磨400以预定的每分钟转数旋转时，离合器允许这些风力涡轮机中的每一个以各种不同的每分钟转数旋转。在图6中用附图标记300和300〃表示这些离合器，在该实施例中，离合器是液压离合器。
[0057]组合式风磨的功能如下。当风速为零时，所有叶片均保持在其原有位置上。平衡配重(参见图2)迫使遮盖件采用相应翼型叶片底部附近的位置，从而蓄风件均采用第二结构。当风开始在方向V上吹动时，叶片6和6’的蓄风件(分别包括遮盖件10-14和10’-14’)在风和重力的作用下打开(即，在本发明中它们采用第二结构)。因此，涡轮机I和I’开始绕支撑件5旋转。叶片6和6’ 一旦采用它们必须逆风向行进的位置，就通过可操作迫使蓄风件采用第二结构的装置(图6中未示出这样的装置)迫使蓄风件关闭。另一方面，叶片16和16’的蓄风件随后打开，采用第一结构以捕获风并将风转换为叶片的运动。在低转速下，离合器300和300’不向轴5传递任何运动。一旦到达阈值转速，就致动离合器以将涡轮机I和I’的部分运动传递至轴5，由此达里厄风磨将开始沿图示的方向A旋转。这样，达里厄风磨不需要任何辅助马达即可启动(现有技术则需要辅助马达来启动)。
[0058]例如在非常高的风速下，达里厄风磨存在旋转过快的风险，此时，可利用涡轮机I和I’通过下述方式使风磨降速:迫使蓄风件在叶片位于可逆风向行进的位置时通常采用第一结构(或至少采用遮盖件至少部分打开的结构)。这样，将使涡轮机的叶片降速，从而通过离合器300和300’将这种降速传递至轴5，由此使达里厄风磨400降速。
[0059]图7
[0060]图7由图7A和7B构成，示出了蓄风件将风力转换为运动的容量。如上所定义的那样，蓄风件将风力转换为运动的容量是蓄风件在其相对于风向理想地定位(即，蓄风件被定位成能最大程度地“捕获”风)时所能提供的转换能力。如图7A和7B所示，尽管在这两幅图中风是在所示的方向V上吹动，但是，蓄风件(由遮盖件10、10’和叶片6构成)将风力转换为运动的容量在这两幅图中是相同的。原因在于，图7A和7B中的角度α是相同的，并且叶片和遮盖件的尺寸也是相同的。在这两幅图所示的情况下，如果蓄风件相对于风向理想地定位(在该实例中是图7Β中所示的情况)，那么图7Α中的蓄风件的容量实际上与图7Β中的蓄风件相同。
[0061]图8
[0062]图8示意性地示出了用于提供蓄风件的结构的系统。特别是在叶片上侧具有第一蓄风件且叶片下侧具有对应蓄风件的情况下，重要的是，不仅蓄风件的组成部件尺寸相同，而且这些部件能确保蓄风件具有将风力转换为运动的相同容量。这对于阻止叶片弯曲或至少使叶片的弯曲最小化而言是重要的。如果上方蓄风件(由遮盖件10’和叶片6形成)例如比下方蓄风件(由遮盖件10和叶片6形成)打开得更多，那么，叶片在沿风向行进时就会出现弯曲，甚至在叶片逆风向行进时也会出现弯曲(不过对图示的蓄风件的影响相对较小)。为了让遮盖件10和10’同时准确地运动，这些遮盖件通过半齿轮500和500’操作性地连接，这些齿轮分别绕轴线501和501’旋转。下方齿轮连接至推/拉杆510，推/拉杆510通过铰接件512连接至杆511。杆511能够绕轴线520旋转。通过使杆511绕轴线520旋转，遮盖件10和10’运动，使得角度β和β’在任何情况下的幅值都大体相同(主要取决于齿轮的公差以及齿轮和遮盖件到轴线501和501’的连接)。请注意，在一个实施例中，杆511围绕轴线520的旋转通过围绕中央形成的轨道、涡轮机的支撑件(图8中未示出)来控制，轨道构成用于操作性地连接至杆511的从动件的引导件。
[0063]请注意，所示的半齿轮系统能够有利地用于任何现有的涡轮机，所述现有的涡轮机使用上方遮盖件和下方遮盖件以用于构成容量可变的蓄风件。换句话说，本发明也可实施为一种叶片，该叶片在其上方和下方的相应位置上包括两个蓄风件，蓄风件由能够相对于叶片打开和关闭的遮盖件形成，其中，所述两个蓄风件中的每一个遮盖件通过连接至齿轮而可旋转地定位在叶片上，这两个齿轮通过抓持连接而相互配合。
【权利要求】
1.一种用于将风转换为机械能的风力涡轮机(I)，其包括支撑件(5)和旋转地连接至所述支撑件(5)的叶片(6，16)，叶片(6，16)包括蓄风件(7)，当叶片(6，16)处于沿风向行进的位置时，蓄风件能够采用第一结构，当叶片(6，16)处于逆风向行进的位置时，蓄风件能够采用第二结构，在第一结构中，蓄风件(7)具有用于将风力转换为叶片(6，16)的运动的第一容量，在第二结构中，蓄风件(7)具有用于将风力转换为叶片(6，16)的运动的第二容量，第二容量低于第一容量，其特征在于，风力涡轮机(I)设置有可操作用于与风向无关地迫使蓄风件(7)采用所述两种结构中的至少一种结构的装置(200，200’)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，蓄风件(7)在重力和风的作用下大体上采用所述两种结构中的一种结构，并且蓄风件通过所述装置(200，200’)的操作而大体上采用另一种结构。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，所述装置(200，200’)可操作成使得当叶片处于逆风向行进的位置时，蓄风件(7)通过所述装置(200，200’)的操作而大体上采用第二结构。
4.根据前述任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，其中，叶片出，16)是翼形体，其特征在于，蓄风件(7)基本上由遮盖件(10，11，12，13，14)和翼本体构成，所述遮盖件在邻近所述翼本体的下游端￠0)的位置处铰接至翼本体。
5.根据前述任一权利要求所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，叶片(6，16)包括多个蓄风件(7)。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，叶片(6，16)包括位于叶片的顶部位置处的第一蓄风件(7’)和位于叶片的底侧处的第二蓄风件(7)。
7.根据权利要求5或6中的任一项所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，叶片(6，16)包括沿叶片的长度定位的多个分离的蓄风件(7)。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，定位在支撑件(5)附近的蓄风件(7 ;6，10)与定位成更加远离支撑件(5)的蓄风件(7，6，11)相比具有更大的横截面。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的风力涡轮机(1)，其特征在于，蓄风件(7)操作性地连接成使得当一个蓄风件采用第二位置时，在离开支撑件的方向上观察，采用第二位置的该蓄风件的下一个蓄风件自动地采用第二位置。
10.根据前述任一权利要求所述的风力涡轮机(1)，其中，叶片出，16)是旋转地连接至支撑件的转子(166)的一部分，其特征在于，转子(166)包括多个叶片(6，16)。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(I)，其特征在于，所述风力涡轮机包括多个转子(166)ο
12.根据前述任一权利要求所述的风力涡轮机(I)的用于将风转换为功的使用方法。
13.根据权利要求1至11中的任一项所述的风力涡轮机(I)与达里厄风力涡轮机(400)组合而成的组合装置，其中，风力涡轮机(I)操作性地连接至达里厄风力涡轮机(400)，其特征在于，操作性的连接使用离合器(300)，当达里厄风力涡轮机(400)以预定的每分钟转数旋转时，所述离合器允许风力涡轮机(I)以不同的每分钟转数旋转。
14.根据权利要求13所述的组合装置，其特征在于，离合器(300)选自于由离心式离合器、液压式离合器、滑动式离合器、电磁式离合器和三角带式离合器构成的组。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机(I)，其中所述第一和第二结构仅通过风和/或重力和/或如权利要求1限定的装置(200，200’)而产生，其特征在于，叶片(6，16)包括沿叶片的长度定位的多个分离的蓄风件(7)，其中，定位在支撑件(5)附近的蓄风件(7 ;6，10)与定位成更加远离支撑件(5)的蓄风件(7，6，11)相比具有更大的用于将风力转换为运动的最大容量。
16.一种叶片(6，16)，其设置有如权利要求1至11中的任一项限定的蓄风件(7)以及用于在采用第一结构和第二结构时使用的装置。
17.根据权利要求16所述的叶片(6，16)，其中，所述叶片包括位于叶片上方和下方的对应位置处的两个蓄风件，所述蓄风件由能够相对于叶片打开和关闭的遮盖件构成，其特征在于，所述两个蓄风件的每一个遮盖件都通过连接至齿轮而可旋转地定位在叶片上，这两个齿轮通过抓持连接而相互配合。
【文档编号】F03D3/00GK104487703SQ201380036002
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月3日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】威廉默斯·海伦娜·亨德里克斯·约斯滕 申请人:威廉默斯·海伦娜·亨德里克斯·约斯滕