專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子突起部的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明人研究了螺旋槳型的風(fēng)力渦輪機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例，特別是現(xiàn)在普遍使用的風(fēng)力渦輪機(jī)。
由于這些風(fēng)力渦輪機(jī)的效率水平顯著較低，必須做出另外一種方案。這種方案更好地運(yùn)用了當(dāng)前眾所周知的以及常用的流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)原理來最大程度地提高風(fēng)能的利用效率。
基于發(fā)明人熟知的物理學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)原理，借助于大量新穎的方法以及通過實(shí)施他所認(rèn)為的各種原理的最佳組合，以用于提高獲取風(fēng)能的效率，使得一些重要的可能性成為顯而易見的。當(dāng)前對(duì)電能的需求尤其是借助于不會(huì)破壞環(huán)境的方式而產(chǎn)生的能源的需求日益快速增長(zhǎng)。這種現(xiàn)狀為我們對(duì)基于風(fēng)能發(fā)電的發(fā)明和開發(fā)提供了充足的動(dòng)力。在這一過程中，單機(jī)容量范圍為每單個(gè)機(jī)組最低20千瓦到最高5兆瓦。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的如下第一，使風(fēng)壓集中在渦輪葉片的整個(gè)可作用的正面露出部，并且引導(dǎo)所有可利用的風(fēng)能來驅(qū)動(dòng)渦輪葉片。
第二，使渦輪葉片的主驅(qū)動(dòng)表面位于軸中心和渦輪葉片外端之間的半徑范圍的外30％內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)大大提高了扭矩，并且最大程度地回收能源。
第三，由于通?，F(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)速低于15公里(9.32英里)每小時(shí)的情況下提供有效電能輸出方面的能力是很有限的。本發(fā)明的渦輪機(jī)其優(yōu)勢(shì)在于能夠顯著地增加進(jìn)入的風(fēng)速，以降低風(fēng)力渦輪機(jī)工作風(fēng)速范圍的下限值。風(fēng)速的影響實(shí)際上是成三次方增加的，而大大地增加了可利用的動(dòng)能(瓦特每平方米)。
第四，理想地，在渦輪葉片的后面建立或者產(chǎn)生持續(xù)增加的真空區(qū)域或者是低壓感應(yīng)區(qū)域。
第五，重要的優(yōu)點(diǎn)是在不對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子或驅(qū)動(dòng)軸施加任何機(jī)械設(shè)備的情況下，能夠產(chǎn)生對(duì)渦輪葉片的較大螺距效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
基于本發(fā)明的目的，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的第一個(gè)改進(jìn)的是將風(fēng)能驅(qū)動(dòng)力集中在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的軸心和外端之間半徑范圍的外30％內(nèi)。包括有渦輪轉(zhuǎn)子的外表面的半球形體沿著軸心從渦輪轉(zhuǎn)子后部向前延伸，取代多于風(fēng)力渦輪機(jī)的正面區(qū)域的70％。
第二個(gè)改進(jìn)的是通過采用所述半球形體實(shí)現(xiàn)的，所述半球形體包括有渦輪轉(zhuǎn)子的外表面、其中心與軸心對(duì)準(zhǔn)。在所述轉(zhuǎn)子的后表面開始，從軸心向前延伸至所述半球形體的前中心死點(diǎn)。從渦輪轉(zhuǎn)子向前延伸的所述半球形體的一部分安裝在固定的靜止位置且不能旋轉(zhuǎn)。由于半球形體代表渦輪轉(zhuǎn)子的外表面，繼續(xù)向后的其余部分作為所述轉(zhuǎn)子的一部分而旋轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)遍布在所述半球形體，從而加快了進(jìn)入的風(fēng)速，這是普通的物理學(xué)原理。風(fēng)速的增加十分顯著地降低了風(fēng)速的工作下限，這是與現(xiàn)有技術(shù)相比很明顯的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)速在所述半球形體表面以C×R增加，這個(gè)比率為1.5707到1。這個(gè)數(shù)據(jù)由于表面張力、拖曳力或流體之間的摩擦力而減小，且可以用眾所周知的稱為雷諾數(shù)的系統(tǒng)來確定近似的曳力系數(shù)。發(fā)明人的工程顧問建議速度的凈增值為46％，并由此導(dǎo)致可利用的動(dòng)能增加量達(dá)到1.46的立方或311％。
對(duì)現(xiàn)有技術(shù)第三個(gè)改進(jìn)是用24個(gè)相對(duì)較短的、適當(dāng)彎曲的、具有從前到后足夠的深度以及螺距角的渦輪葉片，從而實(shí)現(xiàn)最大的驅(qū)動(dòng)扭矩，并且進(jìn)一步地確保沒有風(fēng)越過葉片而必須驅(qū)動(dòng)所有的葉片。葉片長(zhǎng)度必須足以獲得或者作用于所有被加速的風(fēng)量。這些考慮應(yīng)當(dāng)相當(dāng)精確，這是由于如果葉片長(zhǎng)度達(dá)到超過快速移動(dòng)的風(fēng)量，則形成速度比較慢的風(fēng)量，這種慢速的風(fēng)量將會(huì)產(chǎn)生拖曳作用，最終導(dǎo)致效率損失。這種情況提供了最大程度地獲得轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸的最大扭矩風(fēng)能。進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)的是在渦輪轉(zhuǎn)子之前的靜止球形頭的表面上切槽，這與高爾夫球非常相似。這會(huì)顯著地降低表面張力，從而產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)平滑的、快速伸展的、加快風(fēng)速的弧以驅(qū)動(dòng)渦輪葉片。
對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的第四個(gè)改進(jìn)的是在24個(gè)渦輪葉片的后面將會(huì)產(chǎn)生顯著的真空感應(yīng)效應(yīng)?，F(xiàn)有技術(shù)中的風(fēng)力渦輪機(jī)的螺旋槳形式的葉片僅僅借助于三個(gè)葉片驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明中，獲得的是24個(gè)葉片而不是3個(gè)葉片的效應(yīng)，它的優(yōu)勢(shì)還在于，通過確保葉片間沒有有效地導(dǎo)致真空感應(yīng)效應(yīng)破壞、減弱或消失的開放區(qū)域而進(jìn)一步地增強(qiáng)了此優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的第五個(gè)或者進(jìn)一步潛在的改進(jìn)是在半球形體前面的靜止部分的周圍放置一系列徑向地、均勻地間隔的、薄的且在渦輪轉(zhuǎn)子之外的翼面。所述翼面會(huì)使進(jìn)入的風(fēng)沿著與渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相同的方向繞半球形體頭部呈螺旋形式彎曲。由此獲得的優(yōu)點(diǎn)在于，用具有更開放的渦輪葉片螺距達(dá)到與更封閉的葉片螺距非常相似的效果。當(dāng)遇到較高的風(fēng)速時(shí)，這樣就避免了用機(jī)械方法改變?nèi)~片螺距的必要性。例如，如果葉片螺距平均為40度，我們可以在整個(gè)球形頭部的靜止部分使進(jìn)入的風(fēng)沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲20度，并且渦輪葉片會(huì)如同它們具有較大螺距一樣操作。在風(fēng)速相當(dāng)高的情況下，所述翼面能夠向內(nèi)收縮直到零效應(yīng)，然后風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片將會(huì)以40度螺距工作。翼面也能用柔性材料制成，這些材料能夠像彈簧一樣逐漸地彎曲或者折彎。這樣翼面將是不可收縮的，并且會(huì)保持在縱向方向零曲率的適當(dāng)位置這會(huì)與收縮到無效應(yīng)的位置的效果非常相似。所述翼面是對(duì)采用機(jī)械方法改變?nèi)~片螺距以更加有效和安全地利用進(jìn)入的風(fēng)的現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，并且在風(fēng)速過高時(shí)進(jìn)行中和。而在現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，機(jī)械螺距控制的失效或者調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的失效會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)的嚴(yán)重毀壞。
除了前述的對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，往往還有其它方面的選擇，諸如采用數(shù)量較少的、更深的渦輪葉片或者在渦輪轉(zhuǎn)子的前面采用靜止的標(biāo)準(zhǔn)半球體。然后渦輪轉(zhuǎn)子會(huì)有平面型正圓柱形外表面。我們還能夠采用恒速或者減速傳動(dòng)的形式，以及以增大發(fā)電機(jī)容量的形式來增加更多的負(fù)荷，并且可能當(dāng)遇到高風(fēng)速時(shí)由磁摩擦生熱來降速和穩(wěn)定渦輪葉片。由于這些選擇對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說非常明顯，所以下面在詳細(xì)描述或附圖中時(shí)沒有進(jìn)一步地將它們包括在內(nèi)。
發(fā)明人也清楚，本發(fā)明能夠容易地應(yīng)用到水運(yùn)工具的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括海上輪船。它基本的特征還能應(yīng)用于水運(yùn)工具的水下前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。更進(jìn)一步地可以應(yīng)用到高效的空氣循環(huán)風(fēng)扇和飛機(jī)螺旋槳。


圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的側(cè)視圖，其安裝在支撐塔平臺(tái)的可旋轉(zhuǎn)的頂部上，帶有渦輪轉(zhuǎn)子和24個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。渦輪轉(zhuǎn)子有彎曲的面，處于整個(gè)半球形體的后部，包括被單獨(dú)地支撐的靜止的前部，其緊緊裝配在所述渦輪轉(zhuǎn)子之前。以加寬的弧線示出由球形頭偏移的風(fēng)量路徑的外側(cè)邊緣的封閉的總輪廓，并且它作用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的整個(gè)橫截面。用弧形的虛線示出從球形頭的靜止部分的前中心點(diǎn)開始至渦輪轉(zhuǎn)子葉片的外端點(diǎn)。
圖2是本發(fā)明的同一優(yōu)選實(shí)施方式的正面視圖，它裝配在支撐塔平臺(tái)的可旋轉(zhuǎn)的頂部上，帶有渦輪轉(zhuǎn)子和24個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。
圖3是風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)視圖，示出在球形頭部的靜止正面突起部的12個(gè)彎曲翼面的相對(duì)位置，翼面可收縮至全封閉以及實(shí)現(xiàn)零效應(yīng)。翼面可以用來沿著渦輪轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)方向使風(fēng)的進(jìn)入方向彎曲，來達(dá)到對(duì)固定的渦輪轉(zhuǎn)子葉片增加20度或更多度數(shù)的效果從而消除螺距控制的必要性。
圖4是風(fēng)力渦輪機(jī)的正面視圖，示出與圖3中所示相同的12個(gè)彎曲翼面的相對(duì)位置。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合所有前述觀點(diǎn)，并考慮了本公開的內(nèi)容和說明，此類其他以及進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)或者新穎的特征會(huì)變得清晰。本發(fā)明由如下的創(chuàng)新概念組成，參照附圖，這些概念包括、包涵或者包含在此概念的各種特定的實(shí)施方式中，附圖中圖1是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的側(cè)視圖，其安裝在支撐塔平臺(tái)的可旋轉(zhuǎn)的頂部上，其上安裝了球形頭部的靜止部分1和球形頭部的旋轉(zhuǎn)部分2，旋轉(zhuǎn)部分2也是轉(zhuǎn)子3的外表面。然后是渦輪葉片4和它的圓錐形后外殼5，以及按照空氣動(dòng)力學(xué)成形的下延伸體6，其外體部和壁部環(huán)繞支撐結(jié)構(gòu)，并且向內(nèi)收縮到接近進(jìn)口，向下延伸至位于塔柱9之上的可旋轉(zhuǎn)的基部7。
然后設(shè)有翼面形狀的結(jié)構(gòu)支柱8，用于支撐球形頭部的靜止部分和前端軸承，設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)塔(柱)9的靜止部分，虛線表示由所述球形頭部10偏移的風(fēng)的體積擴(kuò)展區(qū)域的外周邊，以及波浪線11表示在渦輪轉(zhuǎn)子3后面預(yù)計(jì)產(chǎn)生的紊流，對(duì)于在風(fēng)力渦輪葉片后側(cè)排風(fēng)，通常會(huì)有紊流。
圖2是風(fēng)力渦輪機(jī)的正面視圖，示出半球形體1的靜止部分的正面，所述半球形體的其余部分為渦輪轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)的彎曲外周面2。在此實(shí)施方式中設(shè)有24個(gè)渦輪葉片4。還示出了支柱8，其用于支撐所述半球形體和前軸承，以及用于支撐風(fēng)力渦輪的可旋轉(zhuǎn)的頂部基部7，還有延伸到地面的固定支撐塔9。
圖3是風(fēng)力渦輪機(jī)的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式以一定角度偏置的側(cè)視圖，示出12個(gè)相對(duì)較薄且可收縮的翼面12的相對(duì)位置，它們被安裝在半球形體的靜止正面突起部1之上和之內(nèi)，范圍大于從軸中心到相對(duì)較短的渦輪葉片4的內(nèi)側(cè)邊緣或底端之間的半徑的70％。還設(shè)有后部或者殼體5的圓錐形突起部，為了更有效的加工此突起部，突起部必須是分段的。然后是有些圓柱形的且按照空氣動(dòng)力學(xué)原理成形的下延伸體6，其外體部和壁部環(huán)繞其支撐結(jié)構(gòu)元件以及內(nèi)部進(jìn)口，向下延伸至位于支撐塔結(jié)構(gòu)9之上的可旋轉(zhuǎn)的基部7。
圖4是與圖3所述的相同的優(yōu)選實(shí)施方式正面視圖，在這里可以觀察到彎曲的、可收縮的翼面12以及它們與渦輪葉片4之間的關(guān)系。并且能夠進(jìn)一步觀察到重要的支柱8，支柱8在風(fēng)力渦輪的前面支撐渦輪的前軸承以及承載半球形體1的靜止的前部分。在這里能夠進(jìn)一步地觀察到按空氣動(dòng)力學(xué)成形的風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)施方式的后部殼體的底側(cè)延伸部6的前端，然后還有可旋轉(zhuǎn)的支撐基部7和靜止的支撐塔9。
基于前面的詳細(xì)描述，加之后續(xù)相關(guān)的評(píng)論和解釋，在此本發(fā)明的目的已經(jīng)進(jìn)行了充分地說明，并且易于實(shí)現(xiàn)。而且，正如所示和所描述的，發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式可以理解為不僅限于此，還可能在以下的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行各種實(shí)施和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種具有靜止半球形突起部的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述突起部包括渦輪轉(zhuǎn)子的外表面，并且所述突起部作為其靜止延伸部向前延伸超過其轉(zhuǎn)子，從而對(duì)渦輪葉片作用的風(fēng)進(jìn)行加速，通過對(duì)作用的風(fēng)加速，所述風(fēng)力渦輪機(jī)的效率提高了57％，受到可能的拖曳損失為10～20％。
2.一種具有靜止半球形突起部的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述突起部不包括渦輪轉(zhuǎn)子的外表面，并且所述突起部作為其靜止延伸部向前延伸超過其轉(zhuǎn)子，從而對(duì)渦輪葉片作用的風(fēng)進(jìn)行加速，通過對(duì)作用的風(fēng)加速，所述風(fēng)力渦輪機(jī)的效率提高了57％，受到可能的拖曳損失為10～20％。
3.一種具有靜止半球形突起部的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述突起部包括轉(zhuǎn)子的外表面，并且所述突起部作為所述球形體的靜止延伸部向前延伸超過其轉(zhuǎn)子，其有效地取代風(fēng)力渦輪機(jī)整個(gè)正面的大部分，所述部分包括整個(gè)旋轉(zhuǎn)弧線，范圍為從軸心到葉片尖端的所述旋轉(zhuǎn)弧線的半徑的70％甚至更多，因而從通過所述風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片所直接作用的所有風(fēng)中獲得更多的能量。
4.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其使用大量相對(duì)較短的渦輪葉片，所述渦輪葉片安裝在較大直徑的轉(zhuǎn)子上，以最大程度地獲取進(jìn)入的風(fēng)量，在所述轉(zhuǎn)子之前直接使用半球形頭偏移進(jìn)入的風(fēng)量，其中所有的所述被偏移的風(fēng)必須作用于所有所述渦輪葉片。
5.一種帶有相對(duì)較短的渦輪葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述渦輪葉片穩(wěn)固地安裝于相對(duì)較大的轉(zhuǎn)子上，其能夠受到如下效應(yīng)，即所述轉(zhuǎn)子以比現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的螺旋槳類型所能承受的旋轉(zhuǎn)速度快得多的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
6.一種帶有相對(duì)較短的渦輪葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，所述渦輪葉片穩(wěn)固地安裝于較大的轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子置于正面突起部的靜止球形頭之后，球形頭帶有一系列的薄翼面，所述翼面徑向地、成比例地、以及均勻地布置于所述球形頭上，能夠彎曲成一定曲率，由于風(fēng)沿著旋轉(zhuǎn)方向朝向所述渦輪轉(zhuǎn)子的葉片行進(jìn)，從而使得進(jìn)入的風(fēng)盤旋，因此產(chǎn)生了在低風(fēng)速下較大螺距葉片角的效應(yīng)，并且在較高的風(fēng)速情況下，所述翼面是能收回的、不彎曲的或者直形的而產(chǎn)生縱向零效應(yīng)。
7.一種帶有相對(duì)較大的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有圓形的、漸縮的或者圓錐形的殼體，所述殼體從其轉(zhuǎn)子表面的后部外邊緣向后延伸，用于保護(hù)性地覆蓋所有的內(nèi)部機(jī)械部件和發(fā)電機(jī)或其他的驅(qū)動(dòng)裝置，并且，此外，可提供更為安全、寬敞、被包圍和被包含的區(qū)域，以使保養(yǎng)所述風(fēng)力渦輪機(jī)的工作人員在保養(yǎng)或者維修所述風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)是安全的且避免受到元件的傷害。
全文摘要
一種水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有轉(zhuǎn)子(3)，轉(zhuǎn)子的正面突起部包括位于多葉片渦輪轉(zhuǎn)子(3)上游的靜止球形頭(1)，其使得占總正面區(qū)域面積70％以上的風(fēng)偏移并且加速。一系列的薄翼面(12)徑向地、均勻地設(shè)置在所述球形頭(1)上，以引導(dǎo)風(fēng)朝向渦輪的短葉片(4)。
文檔編號(hào)F03D1/04GK101014765SQ200580022149
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者布德·T·J·約翰遜 申請(qǐng)人:恩偉紳公司