环形多转子双壁涡轮机
阅读：105发布：2021-06-11
专利汇可以提供环形多转子双壁涡轮机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种环形单 转子 或多转子双壁 涡轮 机。 涡轮机 包括外罩壳、内罩壳和多个 驱动轴 。涡轮机还包括以间隔开的间隔同轴地连接到多个驱动轴的多个转子。多个转子中的每一个都包括在内罩壳与外罩壳之间延伸的多个涡轮机 叶片 。多个涡轮机叶片中的每一个都包括表面。内罩壳和外罩壳形成连续通道，所述连续通道用于将进入涡轮机的 流体 引导向涡轮机叶片的表面和将从第一多个转子排出的流体引导到其余转子。该通道大大地提高了来自所有 增压 和非增压流体流功率提取的效率。，下面是环形多转子双壁涡轮机专利的具体信息内容。
1.一种环形多转子双壁涡轮机，包括：
外罩壳；
内罩壳；
多个驱动轴；和
多个转子，所述多个转子以间隔开的间隔同轴地连接到所述多个驱动轴，所述多个转子中的每一个都包括在所述内罩壳与所述外罩壳之间延伸的多个涡轮机叶片，所述多个涡轮机叶片中的每一个都包括表面，
其中所述内罩壳和所述外罩壳形成连续通道，所述连续通道用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的表面和用于将从所述多个转子中的第一转子排出的流体引导到其余转子。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述涡轮机还包括具有致动系统的可调节内罩壳衬套，所述致动系统用于使可调节内罩壳衬套重叠区段相对于所述内罩壳的表面移动。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机，还包括：
入口；和
收缩喷嘴，所述收缩喷嘴用于将流体引导向所述涡轮机的入口并使所述流体加速。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，还包括：
出口；和
扩张喷嘴，所述扩张喷嘴用于引导从所述涡轮机的出口排出的流体并使所述流体减速。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，还包括支撑结构，所述支撑结构固定在所述外罩壳上方并连接到所述收缩喷嘴和所述扩张喷嘴，所述支撑结构部分地支撑所述收缩喷嘴和所述扩张喷嘴的重量。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮机，还包括：
涡轮机基部结构；和
涡轮机旋转系统，所述涡轮机旋转系统用于使所述涡轮机基部结构旋转以使所述驱动轴与进入所述涡轮机的流体的进入方向对准。
7.根据权利要求2所述的涡轮机，还包括流体速度测量系统，所述流体速度测量系统位于所述涡轮机的上游并产生指示进入所述涡轮机的流体速度的信号，并且其中所述致动系统根据指示进入所述涡轮机的流体速度的信号使所述可调节内罩壳衬套相对于所述内罩壳的表面移动。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的涡轮机，还包括引导系统，所述引导系统安装在所述内罩壳的上游并位于所述内罩壳上方，用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述多个转子中的第一转子的多个涡轮机叶片。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮机，还包括压缩机风扇，所述压缩机风扇位于所述涡轮机的上游并且增加进入所述涡轮机的流体的速度。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的涡轮机，其中，所述流体为空气。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的涡轮机，其中，所述流体为水。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的涡轮机，其中，所述涡轮机叶片是中空的，被穿孔并连接到用于控制所述涡轮机叶片附近的边界层的真空系统。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的涡轮机，其中，所述涡轮机叶片是中空的，被穿孔并连接到用于控制所述涡轮机叶片附近的边界层的加压流体供应系统。
14.一种可调节流动通道面积的双壁横流式涡轮机，包括：
垂直轴线横流式转子，所述转子包括多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片中的每一个都包括圆柱形表面；
外罩壳，所述外罩壳包围所述转子的扫掠区域的侧部、顶部和底部；
上游流体偏转装置，所述上游流体偏转装置用于可调节地减小所述转子的扫掠区域的宽度；
上游流体偏转装置致动器，所述上游流体偏转装置致动器用于调节所述流体偏转装置的突出到进入所述涡轮机的流体流中的突起部；
可调节内壁，所述可调节内壁位于所述涡轮机叶片的圆柱形表面的圆周内；和内壁致动器，所述内壁致动器用于相对于由所述流体偏转装置产生的流体通道的宽度定位所述内壁，
其中所述内壁和所述上游流体偏转装置形成用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的圆柱形表面和用于将从上游叶片排出的流体引导到下游叶片的圆柱形表面的通道。
15.一种可调节流动通道面积的双壁横流式涡轮机，包括：
水平轴线横流式转子，所述转子包括多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片中的每一个都包括圆柱形表面；
外罩壳，所述外罩壳包围所述转子的扫掠区域的侧部、顶部以及底部；
上游流体偏转装置，所述上游流体偏转装置用于可调节地减小转子的扫掠区域的高度；
上游流体偏转装置致动器，所述上游流体偏转装置致动器用于调节所述流体偏转装置的突出到进入所述涡轮机的流体流中的突起部；
可调节内壁，所述可调节内壁位于所述涡轮机叶片的圆柱形表面的圆周内；和内壁致动器，所述内壁致动器用于相对于由所述流体偏转装置产生的流体通道的高度定位所述内壁，
其中所述内壁和所述上游流体偏转装置形成用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的圆柱形表面和用于将从上游叶片排出的流体引导到下游叶片的圆柱形表面的通道。
16.根据权利要求14或15所述的涡轮机，还包括定位在所述转子的下游的下游流体偏转装置和下游流体偏转装置致动器。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的涡轮机，还包括：
入口；和
收缩喷嘴，所述收缩喷嘴用于将流体引导向所述涡轮机的入口并使所述流体加速。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的涡轮机，还包括：
出口；和
扩张喷嘴，所述扩张喷嘴用于引导从所述涡轮机出口排出的流体并使所述流体减速。
19.根据权利要求14-18中任一项所述的涡轮机，还包括：
涡轮机基部结构；和
涡轮机旋转系统，所述涡轮机旋转系统用于使所述涡轮机基部结构旋转以使所述涡轮机与进入所述涡轮机的流体的进入方向对准。
20.根据权利要求14或15所述的涡轮机，还包括流体速度测量系统，所述流体速度测量系统位于所述涡轮机的上游并产生指示进入所述涡轮机的流体速度的信号，并且其中所述内壁致动器根据指示进入所述涡轮机的流体速度的信号使所述内壁相对于所述外罩壳移动。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的涡轮机，还包括压缩机风扇，所述压缩机风扇位于所述涡轮机的上游并且增加进入所述涡轮机的流体的速度。
22.根据权利要求14-21中任一项所述的涡轮机，其中，所述流体为空气。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的涡轮机，其中，所述流体为水。
24.根据权利要求14-23中任一项所述的涡轮机，其中，所述涡轮机叶片是中空的，被穿孔并连接到用于控制所述涡轮机叶片附近的边界层的真空系统。
25.根据权利要求14-24中任一项所述的涡轮机，其中，所述涡轮机叶片是中空的，被穿孔并连接到用于控制所述涡轮机叶片附近的边界层的加压流体供应系统。
26.一种环形双壁涡轮机，包括：
外罩壳；
内罩壳；
驱动轴；和
同轴地连接到所述驱动轴的转子，所述转子包括在所述内罩壳与所述外罩壳之间延伸的多个涡轮机叶片，所述多个涡轮机叶片中的每一个都包括表面，
其中所述内罩壳和所述外罩壳形成连续通道，所述连续通道用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的表面。
环形多转子双壁涡轮机
技术领域
[0001] 本发明总体涉及风轮机和水轮机。更具体地，本发明涉及一种环形多转子双壁涡轮机。本发明还涉及一种单转子横流式涡轮机。为了区分本发明与标准风车的另外的复杂性，本发明的设计被称作为风力发电厂(WPP)。
背景技术
[0002] 现代风车设计的现有技术基于使用长扭曲螺旋桨型叶片的水平轴线风轮机(HAWT)。为了增加发电容量，两个主要变量为流体速度和转子扫掠面积。标称风速越快，生成的电力越多，并且当产生的能量以风速的立方增加时，风的位置条件是最重要的。因此，风车沿海岸线设置或设置在大约6.0-7.0m/s或更大的风速区域中。除非能够满足上述两种条件，否则现有的HAWT技术不具有竞争力。
[0003] 风车直径基本上随着诸如玻璃纤维、碳纤维等合成复合材料的发展而增加。大型HAWT具有长度目前超过50米的叶片长度。这种长度反映了生成的动力取决于叶片扫掠的面积的事实。转子的叶片的长度越长，转子的扫掠面积越大。目前，操作中没有管式商业尺寸风车。风车使用速度压力或简单地使用风的速度运行。几乎没有兴趣或研究应用于增加装置以增加撞击叶片的气流的总压力(速度压力和静压)。
[0004] 如果流体流的总压力已经增加，则将所述流体流的总压力施加到叶片的最适当的方法是简单地使涡轮机具有导管。这种简单的方法过去已经试验过，但在商业上没有获得成功。增加速度压力所需的设备或装置增加制造成本，并且能量的增加不足以验证额外成本和所需设备的复杂性。
[0005] 使转子简单地形成导管的主要缺点之一在于许多气流随着总压力的增加而总是形成最小阻力路径。许多气流通过转子的中间区段，其中在该中间区段中，转子几乎没有或没有形成有效的转矩。图1显示HAWT转子具有绕周边的高转矩区域和在转子中心的低转矩区域。即使气流总压已经增加，气流的优选路径将通过转子中心的低转矩区域，其中在该低转矩区域中几乎不会产生动力。
[0006] 为了使双壁通道有效，必须绕着一个或多个的外缘安装该双壁通道，并且涡轮机通流部分必须连续地旋转到风的路径中。这需要所有元件安装在同一结构上，并且该结构旋转。如果诸如收缩喷嘴的增压装置用于增加气流总压力，则该增压装置也必须被支撑在同一结构上并随着WPP一起旋转。
[0007] 在轴向式转子的情况下，通道为圆形。最有效并容易安装的增压装置具有平直壁。这需要必须将高空气动力适配器安装在通道的入口处以将平直壁收缩喷嘴转换成圆形通道。类似地，从通道的出口需要从圆形到平直壁喷嘴的空气动力过渡。
[0008] 风增压装置的目的是增加气流的总压力。换句话说，速度压力或静压中的一个或两个都被增加。因此，诸如被设计成最小化入口和排放摩擦损失的入口结构，由于该入口结构没有增加气流的速度压力或静压的简单事实而不是增压装置。类似地，被设计成最小化出口和排放摩擦损失的出口结构没有降低流体流的速度或静压，其不是增压装置。
[0009] 解决以上问题的技术将大大提高涡轮机效率，提高产量的电稳定性并减少电力生产成本。
[0010] 因此目前需要一种可以最大化将增压的气流施加到涡轮机转子的效率的涡轮机。
[0011] 还需要一种可以适应以恒定速度旋转的串联的多个涡轮机转子的操作的设备。
[0012] 还需要一种用于当流体速度变化时保持流体流速度恒定的可调节宽度流体通道。
[0013] 还需要一种具有充分增压和充分数量的转子和用于在相对较低的流体速度下提供低廉的有竞争力电力的这种性能的设备。
[0014] 还需要一种将增压的流体流施加到转子的产生最大转矩的周边并消除低转矩区域的流体流的双壁通道。
[0015] 还需要一种包围涡轮机转子以最小化噪音和视觉冲击的设备。
[0016] 还需要一种除了叶片之外从增压的流体流去除转子的所有部件的设备。
[0020] 还需要一种可以将电动压缩机风扇容纳在转子轴的面对进入流体的端部上以增加转子的高转矩区域的流体流的设备。
发明内容
[0021] 本发明的目的是提供一种满足上述需要中的至少一个的涡轮机。
[0022] 根据本发明，提供了一种环形多转子双壁涡轮机，包括：
[0023] 外罩壳；
[0024] 内罩壳；
[0025] 多个驱动轴；和
[0026] 多个转子，所述多个转子以间隔开的间隔同轴地连接到所述多个驱动轴，所述多个转子中的每一个都包括在所述内罩壳与所述外罩壳之间延伸的多个涡轮机叶片，所述多个涡轮机叶片中的每一个都包括表面，
[0027] 其中所述内罩壳和所述外罩壳形成连续通道，所述连续通道用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的表面和用于将从所述多个转子中的第一转子排出的流体引导到其余转子。
[0028] 本发明还提供一种可调节流动通道面积的双壁横流式涡轮机，包括：
[0029] 垂直或水平轴线横流式转子，所述转子包括多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片中的每一个都包括圆柱形表面；
[0030] 外罩壳，所述外罩壳包围所述转子的扫掠区域的侧部、顶部和底部；
[0031] 上游流体偏转装置，所述上游流体偏转装置用于可调节地减小所述转子的扫掠区域的宽度或高度；
[0032] 上游流体偏转装置致动器，所述上游流体偏转装置致动器用于调节所述流体偏转装置的突出到进入所述涡轮机的流体流中的突起部；
[0033] 可调节内壁，所述可调节内壁位于所述涡轮机叶片的圆柱形表面的圆周内；
[0034] 内壁致动器，所述内壁致动器用于相对于由所述流体偏转装置产生的流体通道的宽度或高度定位所述内壁，
[0035] 其中所述内壁和所述上游流体偏转装置形成用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的圆柱形表面和用于将从上游叶片排出的流体引导到下游叶片的圆柱形表面的通道。
[0036] 本发明还提供一种环形双壁涡轮机，包括：
[0037] 外罩壳；
[0038] 内罩壳；
[0039] 驱动轴；和
[0040] 同轴地连接到所述驱动轴的转子，所述转子包括在所述内罩壳与所述外罩壳之间延伸的多个涡轮机叶片，所述多个涡轮机叶片中的每一个都包括表面，
[0041] 其中所述内罩壳和所述外罩壳形成连续通道，所述连续通道用于将进入所述涡轮机的流体引导向所述涡轮机叶片的表面。
[0042] 本发明通常可以应用于为轴向的并使用圆形环状转子的风轮机和采用垂直轴叶片的横流式涡轮机。涡轮机可以为增压式或非增压式。双壁结构适用于风车和水轮机应用。当用于能量产生的水流主要仅为单向或双向(潮汐应用)时，在水轮机应用中典型地不需要用于旋转的托架或支撑结构。
[0043] 本发明还提供一种串联安装一个或多个涡轮机的管式风通道的WPP，该一个或多个涡轮机共用相同的双壁和管式风通道。如果使用轴流式涡轮机，则管式通道为圆形，而如果使用横流式涡轮机，则管式通道为矩形。对于本发明的WPP来说，将多个风轮机安装在单个塔架上并且单元的高生产性能被认为是正确的。管式风通道大大地提高了从所有增压和非增压气流的功率提取的效率。
[0044] 该连续通道允许风能被增压然后被相继施加到一系列一个或多个转子。空气通道的宽度等于转子叶片的长度。当将叶片保持在适当的位置的两个环或罩壳刚好位于通道外部时，仅叶片为转子与增压的气流接触的元件。气流被精确地施加到叶片的外部末端，从而又将更多的风能转换成有用的转矩。
[0045] 几乎所有现有的大型商业风车都为水平轴线风轮机(HAWT)结构并使用三叶片扭转螺旋桨。虽然叶片整个表面上的风的能量对于HAWT来说是恒定的，但是所转换的有用能量的百分比从转子周边处的最大值变化到叶片的根部附近的最小值。
[0046] 在非常高的风增压的情况下，叶片的叶尖速度可以变成超音速。该设备允许多个转子串联安装，藉此每一组叶片上的压降都减小。这允许使用如果仅使用一个转子则可以以其它方式产生超音速叶片速度的高增压因子。
[0047] 只有转子的叶片区段接触气流。这消除了由转子轮辐产生的寄生损失和在气流中转动的叶片的低效率区段。这些元件在寄生损失减少的掩蔽室内转动。当设备还将发电机安装在气流外部时，其风阻也被消除。当风速变化时，风通道的宽度被调节以保持相对于叶片的恒定速度。必须遵循的是在转子的上游进行风速测量，而不是在转子的下游进行风速测量。
[0048] 整个风轮机可以安装在被电动的以面对主风的一个共用托架上，并且该托架位于一个塔架上。电动托架被回转轴承或用于小风轮机的等效装置替换。为了更加有效，所述圆形空气管道通过适配器供应或排出到平直壁收缩和扩张喷嘴。
[0049] 本发明所满足的重要经济挑战在于通过集成多个新颖性和创新性的技术来提高性能。实际上，该性能被提高，使得较低速度风现在可以产生具有竞争力的电力。WPP可以位于市区或靠近风速较低的工业区。因此，分配电力的成本和对新基础结构的需要被消除。
[0050] 在通道式WPP设计中，具有增压能量的气流或流体流被唯一引导到高转矩区域中的叶片的区域。没有风或流体被引导到低转矩区域。WPP的轴流式涡轮机结构使用双壁环形通道以将气流引导到周边区域或高转矩区域。WPP的垂直轴线结构使用双壁通道以将气流引导到扫掠区域的中心并远离两个外缘区域。
[0051] 该双壁通道提供几个重要的益处。流体流被引导到叶片的最优区域以最大化有用转矩的产生。流体流的横截面面积可以被减少以进一步增加流体流速度，一旦流体流留下，增压装置和增加的速度以增量的立方的速率提高电力生产。气流被容纳，从而允许串联的多个转子用于提取流体能量。可忽略可能渗漏到低转矩区域或返回到大气的流体。可以调节流动通道的宽度。这提供了一种优化工具，藉此当流体速度变化时，横截面被自动调节以保持流体流速度恒定。
[0052] 为了使流体流从增压装置到达以在通道的360度上适当地并甚至均匀地分布，圆形偏转装置直接安装在面向风的转子的上游。该偏转装置可以为包括半圆形、圆锥形、抛物线形等的多种形状，但是该偏转装置必须具有用于使流体均匀分布的空气动力形状，从而最小化摩擦损失。
[0053] 增压装置获取流体的低能量密度并增加该能量密度。WPP设计可以优化来自增压气流的功率提取。WPP使用较小的涡轮机转子，并且该转子可以串联安装。每扫掠区域面积产生的能量是现有的HAWT或垂直轴线风轮机(VAWT)的许多倍。支撑涡轮机所需的塔架的数量和环境覆盖区减少。WPP的叶片被包围并且在气流与叶片接触之前和之后在气流的路径中没有障碍物。这消除了当大螺旋桨型转子在柱前面通过时由该大螺旋桨型转子产生的噪声低鸣声。转子和发电机的非生产部分与气流完全隔离。寄生阻力损失被最小化。附图说明
[0054] 在获悉详细说明并参照附图时，本发明的这些及其它目的和优点将变得清楚可见，其中：
[0055] 图1是轴流式涡轮机的扫掠区域上低转矩和高转矩的区域(区段)的示意性视图；
[0056] 图2是显示使用翼型叶片的横流式涡轮机的扫掠区域上的低转矩和高转矩的区域(区段)的示意性视图；
[0058] 图4A-4C分别是图3A-3C中所示的涡轮机的侧视图和详细视图，其中示出了涡轮机通过回转轴承的旋转；
[0059] 图5A-5C分别显示了图3A-3C中所示的涡轮机的通道部分、入口和出口适配器的侧视图、前视图和后视图；
[0061] 图7A-7E分别是显示图3A-3C中所示的涡轮机的内壁、外壁、衬套和衬套致动器的立体图、剖视图和详细视图；
[0062] 图8是显示图3A-3C中所示的涡轮机内的三个转子、三个发电机和半圆形偏转锥形部的位置的侧视图；
[0063] 图9A-9F是显示托架结构通过图3A-3C中所示的涡轮机的电动轮旋转的托架结构的立体图、俯视图、前视图和三个详细视图；
[0064] 图10是显示由图3A-3C中所示的涡轮机的两端处的转子和辅助电动机驱动的发电机的侧向剖视图；
[0065] 图11是根据本发明的另一个实施例的单转子横流式风轮机或垂直轴线风轮机及其在垂直旋转轴的中心的空气流动通道的立体图；
[0066] 图12是显示HAWT的通道比(CR)与功率输出的曲线图；
[0067] 图13是显示VAWT的通道比(CR)与功率输出的曲线图。
具体实施方式
[0068] 虽然根据具体的实施例说明本发明，但是要理解的是这里所述的实施例仅以实例的方式，并且本发明的保护范围不受限于所述实施例。
[0069] 如图3-10中所示以及图7A-8中清楚地所示，根据本发明，提供了一种环形多转子双壁涡轮机70。涡轮机70包括外罩壳17、内罩壳32、和多个驱动轴80、82、84(图8中所示)。涡轮机70还包括以间隔开的间隔同轴地连接到多个驱动轴80、82、84的多个转子72。多个转子72中的每一个都包括在内罩壳32与外罩壳17之间延伸的多个涡轮机叶片
74。多个涡轮机叶片74中的每一个都包括表面。内罩壳32和外罩壳17形成用于将进入涡轮机70的流体引导向涡轮机叶片74的表面和用于将从第一多个转子76排放的流体引导到其余转子的连续通道。该通道大大地提高了从所有增压和非增压流体流的功率提取的效率。
74。多个涡轮机叶片74中的每一个都包括表面。内罩壳32和外罩壳17形成用于将进入涡轮机70的流体引导向涡轮机叶片74的表面和用于将从第一多个转子76排放的流体引导到其余转子的连续通道。该通道大大地提高了从所有增压和非增压流体流的功率提取的效率。
[0070] 优选地，如图7D和7E中最清楚地所示，涡轮机70还包括可调节内罩壳衬套和用于使可调节内罩壳衬套20相对于内罩壳32的表面移动的致动系统22。
[0071] 优选地，如图6清楚地所示，涡轮机70还包括入口和用于将流体引导向涡轮机的入口并使该流体加速的收缩喷嘴15。
[0072] 优选地，涡轮机70还包括出口和用于引导从涡轮机的出口排出的流体并使所述流体减速的扩张喷嘴14。
[0073] 优选地，涡轮机还包括固定在外罩壳17上并连接到收缩喷嘴15和扩张喷嘴14的支撑结构10，该支撑结构部分地支撑收缩喷嘴15和扩张喷嘴14的重量。
[0074] 优选地，如图4A-4C清楚地所示，涡轮机70还包括涡轮机基部结构40和用于使涡轮机基部结构旋转以与使驱动轴与进入涡轮机的流体的进入方向对准的涡轮机旋转系统42。
[0075] 优选地，涡轮机还包括流体速度测量系统，所述流体速度测量系统位于涡轮机的上游并产生指示进入涡轮机的流体速度的信号。致动系统根据指示进入涡轮机的流体速度的信号使可调节重叠内罩壳衬套20相对于内罩壳32的表面移动。能够通过内衬套区段21之间的滑动连接允许内衬套罩壳膨胀。
[0076] 优选地，如图7A-7C中清楚地所示，涡轮机70还包括引导系统18，所述引导系统安装在内罩壳32的上游并位于内罩壳32上方，用于将进入涡轮机的流体引导向第一多个转子76中的多个涡轮机叶片74。
[0077] 优选地，涡轮机还包括压缩机风扇，所述压缩机风扇定位于涡轮机的上游并增加进入涡轮机的流体的速度。
[0078] 优选的，该流体为空气或水。
[0080] 在本发明的另一个实施例中，涡轮机叶片优选地为中空的，被穿孔并连接到用于控制所述涡轮机叶片附近的边界层的加压流体供应系统。
[0081] 根据本发明，提供一种双壁通道WPP，该双壁通道WPP容易地允许将增压气流施加到一个或多个转子的高转矩区域用于与至少一个或一系列涡轮机转子一起使用以增加涡轮转子的性能，该双壁通道WPP包括：
[0082] a)将气流引导到转子的高转矩区域的内通道壁和外通道壁以及框架；
[0083] b)致动内壁衬套，所述致动内壁衬套允许根据标称风速调节通道的宽度；
[0084] c)内通道壁半径和外通道壁半径，所述内通道壁半径等于由支撑叶片的一端的内边缘或罩壳绘制的半径，所述外通道壁半径等于由支撑叶片的外端的外边缘或罩壳绘制的半径；
[0085] d)用于涡轮转子的上游风速的量测装置和调节增压气流通道的宽度的可编程控制器；
[0086] e)位于通道入口与上游增压装置之间的适配器和位于该通道与下游增压装置之间的适配器；
[0087] f)托架结构，所述托架结构被设计成能够承载包括增压装置的所有涡轮机相关设备的重量；
[0088] g)压缩机风扇，所述压缩机风扇用于增加通道入口处的气流的总压力；
[0089] h)安装在转子的面向逆风的表面上的空气动力偏转装置和安装在转子的面向顺风的表面上的空气动力偏转装置；
[0090] i)钢架或混凝土塔架，所述钢架或混凝土塔架用于支撑托架结构的支撑平台；和[0091] j)增压设备，用于将标称风转换成增压的气流。
[0092] 优选地，通道的宽度等于转子的叶片区段的长度。
[0093] 优选地，WPP可以容纳串联安装的一个或多个涡轮机转子和每一个发电机的一个或多个转子。
[0094] 优选地，单元和增压设备支撑在共用旋转结构上。
[0095] 优选地，WPP使转子的低转矩区域和发电机与气流隔离开。
[0096] 优选地，可以根据上游风速的变化调节通道的宽度。
[0097] 优选地，WPP可以接受增压设备的各种结构。
[0098] 优选地，一旦偏转装置在低转矩区域上的面积超过由叶片扫掠的面积的50％，则WPP在气流增压中产生可测量的增量。
[0099] 优选地，WPP通过集成风增压、转子分段和使用环形转子的技术可以在低风速区域中产生具有竞争力的电力。
[0100] 优选地，WPP使用用于HAWT应用的双壁圆形通道和用于VAWT应用的双壁矩形通道。
[0101] 优选地，WPP可以使用用于小单元旋转的回转轴承和在用于大单元的平台上移动的创新性电动托架。
[0102] 优选地，WPP可以用于由风流和水流发电。
[0103] 本发明的上述及其它目的通过将容纳串联使用的多个涡轮机转子和多个发电机的WPP双壁通道集成到操作单元中来实现。该WPP包括双壁通道、多个转子、多个发电机、托架旋转设备和气流分布机构。风增压设备和分段设备可以一体形成到风轮机操作中。然而，上述装置的使用不是获得专利目的和权利要求所必须的。
[0104] 双壁通道由外壁、内壁、内衬套和用于使内衬套展开或缩回的一组致动器构成。环形框架支撑具有平滑内表面的外壁。第二环形框架支撑具有平滑外表面的内壁。这些框架由托架结构支撑。内壁支撑安装在内壁的内表面上的衬套致动器和衬套。
[0105] 内衬套对于成功操作不是必须的。该内衬套用于当气流在转子之间移动时减小膨胀和缩回损失。可选的解决方案是将致动偏转板安装在每一个转子的上游和下游。当风速变化时，致动器板将展开或缩回以保持到叶片的空气速度恒定。
[0106] 气流分布机构包括：安装在面对风的转子的轴上以在通道的区域上相等地引导气流的偏转装置、位于通道的出口以最小化空气压力恢复损失的偏转装置、位于上游以进行从平直壁收缩装置到圆形通道的转换的适配器和位于出口处以进行从圆形通道到平直壁扩张装置的转换的适配器。
[0108] 旋转托架结构包括能够支撑所有设备的重量的结构和能够使该结构绕着中心轴线旋转的机构。对于小型单元和中型单元来说，标准回转轴承装置足以支撑重量。对于大WPP，所有设备的重量被传递到位于塔架顶部上的混凝土平台。托架结构位于电动轮和中心定位轴承上。轴承吸收横向推力，而电动轮使该单元旋转。
[0109] 在优选实施例中，双壁通道WPP安装增压设备以增加气流的总压力远远超过标称风的总压力。该WPP将通过使用收缩和扩张或仅扩张的增压设备的多种结构进行良好地工作，但不局限于通过图示的增压设备进行操作。也不局限于使用HAWT。如所述，双壁通道WPP可以采用横流式涡轮机或立式涡轮机。
[0110] 在另一优选实施例中，通过电动驱动的压缩机风扇叶片安装在面向风向的转子的轴的端部上。该风扇用于当气流进入通道时增加气流的总能量。该实施例对于WPP的操作或性能不是必须的。其使用取决于任务应用(application-by-application)基准。
[0111] 在另一个优选的实施例中，将分段设备增加到转子，并且在另一个优选的实施例中，添加增压装置。增压装置可以简单地为扩张喷嘴或为收缩喷嘴和扩张喷嘴的组合。
[0112] 为了使用环形多转子双壁涡轮机对增压式HAWT和VAWT(垂直轴风轮机，以下更详细地进行说明)的影响进行定量评价，已经使用能够计算这种风轮机的性能(功率输出)的两个计算机程序。对于HAWT分析，使用的代码是WT Perf，而对于VAWT分析，使用CARDAAV代码。
[0113] WT Perf代码
[0114] WT Perf使用叶片元件动量(BEM)理论来预测HAWT的性能。该理论发展于由俄勒冈州大学几十年前初始建立的代码PROP的国家再生能源实验室(NREL)。美国国家再生能源实验室的国家风能技术中心的人员通过将研制的新功能添加到当前的WT Perf而具有现代化的PROP。
[0115] CARDAAV
[0116] CARDAAV是由用于对垂直轴风轮机的气动性能和特性的预测的由Ion Paraschivoiu研制的计算机代码。
[0117] CARDAAV基于在每一个流管中具有可变逆风和顺风诱导速度的多流管模型(DMSV)。由于该模型以及大量关于几何结构的选项、操作条件和对模拟过程的控制，CARDAAV证明是适合于VAWT设计者需要的有效软件包。CARDAAV对于给定操作条件下的任意几何形状的VAWT计算气动力和功率输出。
[0118] 需要大量参数来进行完全说明，被分析的VAWT在指定VAWT的几何形状时提供相当大的自由度。在该分类中最重要的是：转子高度和直径、叶片数量和限定其横截面的翼面类型、中心柱(塔)的直径、支柱的尺寸和位置、扰流器的尺寸等。实际上，可以分析任意叶片形状，当然包括平直的叶片形状。此外，叶片可以由具有不同弦长和横截面(翼面)的区段制成。代码的翼面数据库包括一些公知的对称NACA形状(NACA 0012、NACA 0015、NACA 0018、NACA 0021)以及在Sandia National Laboratories为VAWT专门设计的一些数据(SNLA 0015、SNLA 0018、SNLA0021)。如果用户需要通过已经不再可用的翼面进行分析时，这可以十分简单地进行，通过在实际翼面数据库中包括其实验确定的升力和阻力系数的值。对于与在旋转叶片和壳体上在全360°范围的入射角(0°≤α≤360°)获得的雷诺数相对应的多个雷诺数(在每一个Re下)必须给出这些数据。
[0119] 在可易于修改以满足特定分析的需要的主要操作参数中，可以说明的一个参数是：风速、转子的转速、局部重力加速度和工作流体特性(密度、粘性-通常对于空气来说)。或者当执行分析时可以考虑在不同风速下的恒定转速或在恒定风速下的不同转速。通过为大气风切变指数指定适当的值，在计算期间将考虑风速随高度的幂定律型变化。
[0120] 在关心的控制参数中，代码需要限定在计算中要考虑的流管的总数的半周(方位)划分和垂直划分的数量以及在每一个管的宽度上的积分点的数量。在相同的分类中，用户在计算逆风和顺风干扰因子时与收敛准则一起必须指定最大迭代号(当计算干扰因子和动态失速时必须满足相对误差水平)。当指定控制参数时，必须确定是否使用与叶片末端效应有关的气动校正和由于动态失速造成的气动校正。可获得四个动态失速模型，其中三个动态失速模型由Gormont方法和“指数”模型获得。
[0121] 参数和选项(上述)的重要数量在计算各种Darrieus型VAWT的特性时给出CARDAAV相当大的性能和灵活性。基于给这些参数的实际值，代码通过忽略或考虑动态失速的影响以及多个“附带效应”(例如，由于旋转中心柱、支柱和扰流器造成的效应)对具体结构进行计算。动态失速在低末端速度比下对气动载荷和转子性能具有显著的影响，而“附带效应”在中间和高末端速度比下是重要的。
[0122] 在微软Windows环境下运行，CARDAAV是用户满意的，且设有图形界面，使得容易地修改对于综合性能分析(转子几何形状、操作和控制参数)需要经常更换的所有输入数据。局部诱导速度、雷诺数和冲角、叶片载荷和方位转矩以及功率系数为输出数据。这些结果可以直接在计算机的显示器上看到或者被存储在ASCII文件中或以与用于进一步后处理和解释的图形软件TECPLOT(Amtec Engineering Inc.)相容的格式被存储。
[0123] 各种标准已确定CARDAAV以相当高精度计算普通类型的垂直轴线风力涡轮机的空气动力载荷和全部性能(转矩、功率)的能力。前述普通类型的垂直轴线风力涡轮机包括Darrieus H-型风力涡轮机。与大范围的叶尖速度比(TSR)的实验结果相比，CARDAAV结果相当好。
[0124] 图1显示HAWT涡轮机的相对高转矩区域和低转矩区域。与旋转轴线的距离越长，产生的转矩越高。
[0125] 图2显示VAWT的高转矩区域和低转矩区域。由扫掠区域形成的矩形的两条外边产生的转矩小于中间部分产生的转矩。
[0126] 图3显示安装在标准预浇注混凝土或结构钢塔架1上并使用用于在风中旋转的标准回转轴承的WPP。WPP的在涡轮机通道2之外的主要部分包括入口适配器、遮盖转子的低转矩区域的半圆形分段偏转装置、气流通道的内壁和外壁、一个或多个转子、一个或多个发电机、在面向顺风的低转矩上的出口偏转装置、出口适配器、支撑上述设备的结构和保持分段偏转装置面向风的旋转装置。
[0127] 图4是WPP的正视图，该WPP配备有气流增压装置，并使用用于旋转的回转轴承安装在塔式平台1上。WPP的基部4位于回转轴承上座圈3上。电动齿轮5使WPP旋转。在该实例中，收缩和扩散装置用于增加气流对WPP的总压力。增压装置由WPP的结构支撑，因此WPP和增压设备都依靠共用的回转轴承。
[0128] 图5显示了气流通道、入口适配器6和出口适配器7的正视图。
[0129] 图6显示了加力式WPP的所有部件的一体结构。托架支撑结构8、空气通道水平和圆形构件9、横梁支撑柱10、横梁11、收缩张力缆索12、扩张张力缆索13、扩张喷嘴14、收缩喷嘴15。
[0130] 图7显示了由内罩壳32、外罩壳17、内部内罩壳衬套20和衬套致动器22构成的双壁通道。壁衬套致动器安装在内部通道壁的内部表面上。因此，所述致动器不与气流接触并且可以从发电机室进行维修。衬套致动器将壁衬套展开和缩回以调节通道的内半径。
[0131] 为了保持气流速度恒定，当风速减小时，通道的内半径增加。可编程控制器和上游风速测量装置控制衬套致动器的位置。风测量装置位于收缩装置的入口。给定空气到达叶片的时间，在风速的变化达到偏转装置之前调节壁衬套。
[0132] 通过增加和降低通道的面积，可以减小转子在低风速下接收空气的面积和增加转子在高风速下接收空气的面积。这将使得当扫掠区域减小时产生一定的功率损失。然而，通过调节通道内半径以保持气流速度较高并且恒定，则将提高转子的总效率。
[0133] 当同步发电机以固定转数转动时这是重要的。当使用直接驱动时，发电机转速也是转子的转数。当风速变化时，该影响会改变转子的叶尖速度比(TSR)。这是叶片的末端速度与风的速度的比值。如果这不可能，叶片不以其最优TSR开始操作，并且转子叶片失效。
[0134] 转子进入到由内通道壁和外通道壁形成的通道中。两个圆形罩壳19以与内罩壳和外罩壳相同的半径安装在转子上。内罩壳用作防止增压气流排放到发电机室中的障碍物。图7E中详细地示出了当致动器将衬套延伸到气流中时重叠衬套区段的侧向移动。
[0135] 图7还显示了遮盖转子的低转矩区域的半圆形引导系统18。该偏转装置是重要的，这是因为所述偏转装置用作增压装置。一旦偏转装置的表面面积超过转子的扫掠区域的表面面积，则所述偏转装置开始缓慢地增加气流的总压力。不管WPP是增压式或非增压式，都可以提供该效果。
[0137] 图8显示了用于一组转子发电机的典型的发电机室布置。一组或多组转子发电机可以串联安装。如图所示，两个转子19直接驱动一个主发电机33。
[0138] 入口适配器和出口适配器的作用是当空气进入WPP时最小化摩擦损失并将气流从平直壁结构转换到圆形结构。可应用多种不同形状的适配器；所述适配器的设计基于限制摩擦损失和增压设备的结构。
[0139] 图9显示具有电动轮的新颖性托架结构90。非常大的WPP包括多个涡轮机和发电机。WPP和增压设备的重量和弯矩被传递到托架的轮24。当负载绕着大圆分布并且由于来自收缩和扩散喷嘴的相当大的风推力，优选的塔架设计为多个柱，而不是标准中心钢或水泥渐缩圆柱形塔架。
[0140] 图10显示用于具有环形罩壳1008和毂环1010的双壁通道涡轮机的同步发电机和转子组件。连接到两端的转子1000驱动发电机1040。在优选的实施例中，转子可以包括多级叶片1006。在这种情况下，多组轮辐从同一转子轮毂以相对于垂直方向的不同角度突出。本发明的另一个优点在于涡轮机的结构允许涡轮机与流体流隔离和分离。
[0141] 在优选的实施例中，比较小的第二辅助发电机1040由发电机的轴中的一个驱动装置1042驱动。该驱动装置连接到两速增速器。
[0142] 这种辅助发电机被设置成以相对于转子轴的速度的一个设计速度转动。然而，在非常小的风中，涡轮机转子的速度减少到其标称操作速度的大约50％。减速器的第二速率范围将被保证以保持辅助发电机处于其额定速度下。在低风速下，从主同步发电机除去该范围，并且仅辅助发电机操作。在非常高的风速下，主发电机将超过其最大功率。在这一点上，辅助发电机使用第二速度比将再次开始运行，并且与主发电机并联操作。辅助电动机在高风速下的贡献是增加产生的最大峰值功率。
[0143] 许多不同形成和结构的增压装置可以与WPP一起使用。增压装置的作用是使移动通过涡轮机叶片的气流的总压力最大化。WPP的一个作用是使用双壁通道以将气流施加到一个或多个转子的将产生最大电力的区段。WPP还为所有部件提供共用结构和旋转机构以及可能的增压装置。
[0144] 图11显示用于非增压式垂直轴或横流式涡轮机1100的WPP的原理。如果使用安装收缩喷嘴1108的增压设备，则该增压设备将连接到入口适配器。如果安装使用扩张喷嘴1109的增压设备，则该增压设备将连接到出口适配器。
[0145] 因此，本发明还提供一种可调节流动通道面积的双壁横流式涡轮机。该涡轮机包括垂直或水平轴线横流式转子，所述转子包括多个涡轮机叶片，涡轮机叶片中的每一个都包括圆柱形表面。涡轮机还包括包围转子的扫掠区域的侧部、顶部以及底部的外罩壳、用于可调节地减小转子的扫掠区域的宽度或高度的上游流体偏转装置、用于调节流体偏转装置突出到进入涡轮机的流体流中的突起部的上游流体偏转装置致动器、位于涡轮机叶片的圆柱形表面的圆周内的可调节内壁以及用于相对于由流体偏转装置产生的流体通道的宽度或高度定位内壁的内壁致动器。内壁和上游流体偏转装置形成用于将进入涡轮机的流体引导向涡轮机叶片的圆柱形表面和用于将从上游叶片排出的流体引导到下游叶片的圆柱形表面的通道。
[0146] 优选地，涡轮机还包括下游流体偏转装置和用于为离开由内壁或双壁产生的通道并朝向固定外壁膨胀的流体提供较少扰动过渡的下游流体偏转装置致动器。
[0147] 如图11所示，垂直轴WPP单元包括入口和出口适配器、外壁1110和可调节内壁1103、内壁致动器1107、上游流体偏转装置1104、上游流体偏转装置致动器1106、顺风流体偏转装置1105、顺风流体偏转装置致动器、转子组件1101、转子叶片1102、上游流体速度测量装置、用于将所有部件保持在适当位置的框架、回转轴承旋转机构和钢架塔架。
[0148] 虽然在VAWT的情况下应用了双壁原理，但是流体可以位于除了通道之外的渠道中。第二或内壁用于减小渠道的宽度。当顶部壁和底部壁具有标准连续表面时，高度保持恒定。
[0149] 实例1
[0150] 单个非增压式HAWT转子配备有通过计算机模拟的双壁通道机构。风速变化，并且与没有双壁通道操作的相同的HAWT比较结果。
[0151] 虽然只有一个转子用于进行模拟，但是多个转子可以串联地在通道内对准，并且功率输出的提高将与随后的转子相同。
[0152] 执行计算机模拟实验以比较使用双壁通道的WPP原理和标准HAWT转子的性能。通道比值(CR)或流动通道的面积与转子叶片的扫掠面积的比值在有罩非增压式HAWT涡轮机中在三个不同的风速下从1.0到0.25变化。1.0的通道比值表示流动通道面积等于转子叶片的扫掠面积。0.25的通道比值表示只有25％的扫掠面积接收风。在三个风速下，表1中示出了性能的增加，并且该性能的增加在图12中被示出为连续曲线。
[0153] 表1
[0154] HAWT的通道比(CR)与功率输出
[0155]
[0156] 实例2
[0157] 单个非增压式VAWT转子配备有通过计算机模拟的双壁通道机构。风速变化，并且与没有双壁通道操作的相同的VAWT比较结果。
[0158] 虽然只有一个转子安装在通道中用于进行模拟，但是多个转子可以串联对准并且功率输出的提高对于随后的转子都是相同的。通道在各个方向都是通的，这意味着撞击第一转子的空气的体积将对串联的所有转子都保持恒定。
[0159] 执行计算机模拟实验以比较使用双壁通道的WPP原理和标准VAWT转子的性能。通道比值(CR)或流动通道的面积与转子叶片的扫掠面积的比值在有罩非增压式VAWT涡轮机中在三个不同的风速下从1.0到0.67变化。1.0的通道比值表示流动通道面积等于转子叶片的扫掠面积。0.67的通道比值表示只有67％的扫掠面积接收风。表2中示出了三个风速下性能的增加，并且该性能的增加在图13中被示出为连续曲线。
[0160] 表2
[0161] VAWT的通道比(CR)与功率输出
[0162]
[0163]
[0164] 如本领域的技术人员将了解到多种类型的轴流或水平轴线涡轮机可以与本发明的装置一起使用。此外，对于每一个风轮机速度、频率、和发电机类型的不同组合可以例如与不同数量和/或结构的叶片、不同风况、和不同尺寸的收缩和扩张装置一起使用。
[0165] 如本领域技术人员将理解到双壁通道风轮机的参数可以不同于该文献中所示的实例。类似地，用于调节内衬套的机构、低转矩区域上的偏转装置的结构、控制器的基本原理可以根据流体、操作条件和涡轮机设备而不同。
[0166] 虽然在上文中已经详细地说明了本发明的示例性及优选实施例，但是要理解的是可以以其它方式不同地实施和采用本发明的构思，并且所附权利要求用于被解释为包括除去现有技术限定的这些变化。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
转子热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈