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具有混合器和喷射器的涡轮

阅读:93发布:2021-09-19

专利汇可以提供具有混合器和喷射器的涡轮专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于提高 风 力 涡轮 机的工作效力和效率的方法。 申请 人 的优选方法包括:通过以下步骤使轴流式 风力 涡轮机 产生超过贝兹极限的功率 水 平,所述类型的风力涡轮机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的 叶轮 ,其具有由叶轮 叶片 组成的环,所述步骤为:接收并引导环境空气的一级气流进入所述喇叭形的入口并穿过所述涡轮机外罩;通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此所述一级气流的 能量 传递给所述叶轮;通过顺序位于所述叶轮下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流仅与穿过所述叶轮的所述一级气流混合。与还混合热的中心废气的燃气涡轮机的混合器和喷射器不同,申请人的优选方法拖带环境空气(即,风)并使环境空气仅与穿过所述涡轮机外罩和所述 转子 的能量较低的气流(即,部分消耗的气流)混合。申请人的方法还包括:利用一级气流的动力产生机械能,同时使轴流式风力涡轮机的工作效率在任何时间段内都超过贝兹极限。,下面是具有混合器和喷射器的涡轮专利的具体信息内容。

1.一种方法,包括:
a.通过以下步骤使如下类型的轴流式涡轮机产生超过贝兹极限的功率平,所述轴流式风力涡轮机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的叶轮,其具有由叶轮叶片组成的环,所述步骤包括:
i.接收并引导环境空气的一级气流进入所述喇叭形的入口并穿过所述涡轮机外罩;
ii.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的所述叶轮旋转,由此所述一级气流的能量传递给所述叶轮;并且
iii.通过顺序位于所述叶轮下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流仅与穿过所述叶轮的所述一级气流混合,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括:
在至少数天内保持功率水平超过贝兹极限。
3.根据权利要求1所述的方法,还包括:
在至少数星期内保持功率水平超过贝兹极限。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,
所述混合装置包括由混合器瓣组成的环,所述混合器瓣伸入所述喷射器。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,
所述混合装置包括多个径向间隔的混合器槽。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,
所述涡轮机还包括位于所述叶轮上游的由定子叶片组成的环。
7.一种方法,包括:
a.通过以下步骤使风力机产生超过贝兹极限的功率水平,所述风力机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的螺旋桨状的转子,所述步骤包括:
i.接收并引导环境空气的一级气流进入所述喇叭形的入口并穿过所述涡轮机外罩;
ii.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此所述一级气流把能量传递给所述转子并变为能量较低的气流;并且
iii.通过顺序位于所述转子的下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流与穿过所述转子的所述能量较低的气流混合,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括:
在至少数天内保持功率水平超过贝兹极限。
9.根据权利要求7所述的方法,还包括:
在至少数星期内保持功率水平超过贝兹极限。
10.根据权利要求7所述的方法,其中,
所述混合装置包括由混合器瓣组成的环,所述混合器瓣伸入所述喷射器。
11.根据权利要求7所述的方法,其中,
所述混合装置包括多个径向间隔的混合器槽。
12.根据权利要求7所述的方法,其中,
所述涡轮机还包括位于所述叶轮上游的由定子叶片组成的环。
13.一种方法,包括:
a.通过以下步骤提高如下类型的轴流式风力涡轮机产生的功率水平,同时使所述轴流式风力涡轮机的噪音水平最小,所述轴流式风力涡轮机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的叶轮,其具有由叶轮叶片组成的环,所述步骤包括:
i.接收并引导环境空气的一级气流进入并穿过所述涡轮机外罩;
ii.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的所述叶轮旋转,由此所述一级气流把能量传递给所述叶轮叶片并变为能量较低的气流;并且
iii.通过顺序位于所述叶轮叶片下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流与穿过所述叶轮叶片的所述能量较低的气流混合,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
14.一种方法,包括:
a.通过以下步骤增加通过如下类型的轴流式风力涡轮机的气流量,所述轴流式风力涡轮机具有:具有空气动力学外形的涡轮机外罩,其具有入口;和处于下游的叶轮,其具有由叶轮叶片组成的环,所述步骤包括:
i.通过位于所述叶轮下游的混合器拖带环境空气并使所述环境空气仅与穿过所述叶轮叶片的能量较低的气流混合,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
15.根据权利要求14所述的方法,还包括:
通过位于所述混合器下游的喷射器增加通过所述轴流式风力涡轮机的环境气流量,同时使所述轴流式风力涡轮机的排出气流的噪音水平最低。
16.一种方法,包括:
a.通过以下步骤增加通过如下类型的风力机的气流量,所述风力机具有转子,所述步骤包括:
i.通过位于所述转子下游的混合器拖带环境空气并使所述环境空气仅与穿过所述转子的能量较低的气流混合,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
17.根据权利要求16所述的方法,还包括:
通过位于所述混合器下游的喷射器增加通过所述风力机的环境气流量,同时使所述风力机的排出气流的噪音水平最低。
18.一种操作风力涡轮机的方法,所述方法包括:
a.在气流中设置风力涡轮机,所述风力涡轮机具有上游方向和下游方向;
b.接收并引导一级气流进入并穿过涡轮机外罩;
c.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此能量从所述一级气流传递给所述叶轮;
d.接收并引导先前没有穿过所述涡轮机外罩的二级气流和离开所述涡轮机外罩后的所述一级气流进入与所述涡轮机外罩相邻的喷射器外罩,其中,所述二级气流所含的能量高于使叶轮旋转后的所述一级气流所含的能量;并且
e.在如下方向上引导通过混合器和所述喷射器外罩的所述一级气流和所述二级气流,即:使所述一级气流与所述二级气流混合,并且使能量从所述二级气流传递给所述一级气流,所述混合器包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括:
a.引导使所述涡轮机外罩内部的所述叶轮旋转后的所述一级气流离开所述叶轮的旋转轴线;并且
b.引导进入所述喷射器外罩后的所述二级气流流向所述叶轮的所述旋转轴线。
20.根据权利要求18所述的方法,还包括:
a.把使所述涡轮机外罩内部的所述叶轮旋转后的所述一级气流的一部分从所述叶轮的旋转轴线上的位置引导到所述涡轮机外罩的下游的位置;并且
b.引导进入所述喷射器外罩后的所述二级气流的一部分流向所述叶轮的所述旋转轴线上的位置,由此能量从所述二级气流传递给所述一级气流。
21.一种操作风力涡轮机的方法,所述方法包括:
a.在气流中设置风力涡轮机,所述风力涡轮机具有上游方向和下游方向;
b.接收并引导一级气流进入并穿过涡轮机外罩;
c.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此能量从所述一级气流传递给所述叶轮;
d.接收先前没有穿过所述涡轮机外罩的二级气流和离开所述涡轮机外罩后的所述一级气流进入喷射器外罩,所述喷射器外罩与所述涡轮机外罩的出口相邻并基本同心,其中:
e.所述二级气流在进入所述喷射器外罩时的能量高于使所述叶轮旋转后的所述一级气流的能量;
f.由于所述混合器包括位于所述涡轮机外罩及喷射器外罩末端区域的混合装置,使所述二级气流与所述一级气流混合,并且
g.所述二级气流从外部围绕所述一级气流并与所述一级气流混合,并把能量传递给所述一级气流。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,
所述二级气流与所述一级气流同轴。
23.一种操作风力涡轮机的方法,所述方法包括:
a.在气流中设置风力涡轮机,所述风力涡轮机具有上游方向和下游方向;
b.接收并引导一级气流进入并穿过涡轮机外罩,所述涡轮机外罩内设有包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置的混合器;
c.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转;
d.接收并引导绕过所述涡轮机外罩而没有穿过所述涡轮机外罩的二级气流进入并穿过喷射器外罩,其中,因涡轮机外罩中的混合装置的作用,所述二级气流与所述一级气流在喷射器内混合以产生一连串的混合涡流
24.根据权利要求23所述的方法,其中,
由于至少所述叶轮下游的所述涡轮机外罩非常不均匀,所以所述二级气流与所述一级气流混合以产生一连串的涡流。
25.一种操作轴流式风力涡轮机的方法,所述轴流式风力涡轮机具有上游方向和下游方向,所述方法包括如下步骤:
a.将所述轴流式风力涡轮机设置在气流中,所述轴流式风力涡轮机包括涡轮级、包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置的混合器和从所述混合器向下游延伸的喷射器;并且
b.由于所述混合器相对于所述喷射器的定位而将所述轴流式风力涡轮机用作混合/喷射,使得高能空气与低能空气彼此混合以增加通过所述涡轮级的气流。
26.根据权利要求23所述的方法,还包括:
利用所述一级气流的动力产生机械能,并使所述轴流式风力涡轮机的工作效率在任何时间段内均超过贝兹极限。
27.根据权利要求23所述的方法,还包括:
利用所述一级气流的动力产生机械能,并使所述轴流式风力涡轮机的工作效率稳定地超过贝兹极限。
28.根据权利要求23所述的方法,还包括:
a.接收三级气流,使得所述三级气流绕过所述涡轮机外罩而没有事先穿过所述涡轮机外罩和所述喷射器外罩,并使所述三级气流穿过位于所述喷射器外罩的末端区域内的混合器。
29.一种操作风力涡轮机的方法,所述方法包括:
a.在气流中设置所述风力涡轮机,所述风力涡轮机具有上游方向和下游方向;
b.接收并引导一级气流进入并穿过所述风力涡轮机的涡轮机外罩,涡轮机外罩内设有包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置的混合器;
c.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此能量从所述一级气流传递给所述叶轮;
d.接收先前没有穿过所述涡轮机外罩的二级气流和离开所述涡轮机外罩后的所述一级气流进入喷射器外罩,所述喷射器外罩与所述涡轮机外罩的出口相邻并基本同心,其中:
i.所述二级气流在进入所述喷射器外罩时的能量高于使所述叶轮旋转后的所述一级气流的能量;
ii.所述二级气流与所述一级气流在所述喷射器外罩内混合,并且
iii.因涡轮机外罩中的混合装置的作用,所述二级气流从外部围绕所述一级气流并与所述一级气流混合,并把能量传递给所述一级气流,并且
e.接收先前没有穿过所述涡轮机外罩和所述喷射器的三级气流进入到嵌入所述喷射器外罩的末端区域中的混合器,其中
i.所述三级气流在进入嵌入所述喷射器外罩的末端区域中的所述混合器时的能量高于使所述叶轮旋转后的所述一级气流的能量;
ii.所述三级气流从外部围绕从所述喷射器外罩排出的混合的所述一级气流和所述二级气流并与混合的所述一级气流和所述二级气流混合,并把能量传递给混合的所述一级气流和所述二级气流。
30.一种操作风力涡轮机的方法,所述方法包括:
a.在气流中设置所述风力涡轮机,所述风力涡轮机具有上游方向和下游方向;
b.接收并引导一级气流进入并穿过风力涡轮机的涡轮机外罩,涡轮机外罩内设有包括位于涡轮机外罩末端区域中的混合装置的混合器;
c.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转;
d.接收并引导绕过所述涡轮机外罩而没有穿过所述涡轮机外罩的二级气流进入并穿过喷射器外罩,其中,因涡轮机外罩中的混合装置的作用,所述二级气流与所述一级气流在喷射器内混合以产生一连串的混合涡流;
e.接收并引导先前没有穿过所述涡轮机外罩和所述喷射器外罩的三级气流进入位于所述喷射器外罩的末端区域中的混合器,其中
i.所述三级气流在进入喷射器外罩的末端区域中的所述混合器时的能量高于使所述叶轮旋转后的所述一级气流的能量;
ii.所述三级气流从外部围绕所述一连串的混合涡流并与所述混合涡流混合,并把能量传递给所述混合涡流。

说明书全文

具有混合器和喷射器的涡轮

[0001] 相关申请
[0002] 本申请是于2008年3月24日提交的共同在审的实用新型专利申请No.12/054,050(下文称“申请人的原申请”)的部分继续申请,所述实用新型专利申请要求本申请的申请人于2007年3月23日提交的美国临时专利申请No.60/919,588(下文称“申请人的临时申请”)的优先权。申请人在此通过引用将申请人的原申请和申请人的临时申请的全部公开内容并入本文。

技术领域

[0003] 本发明整体涉及风力涡轮机。更具体地说,本发明涉及用于风力涡轮机的方法背景技术
[0004] 风力涡轮机通常包括称为“转子”的螺旋桨状的装置,该螺旋桨状的装置迎向运动的气流。当空气撞击转子时,空气在转子上产生的力使转子绕其中心旋转。所述转子通过联动装置(例如齿轮、带、链条或其它装置)与发电机或机械装置相连。这种涡轮机用于发电和为电池充电。这种涡轮机还用于驱动旋转和/或运动的机器零件。风力涡轮机在大型发电“风电场”中很常见,大型发电“风电场”具有以几何图形排列的多个这样的涡轮机,所述几何图形设计为能够在使所述各个涡轮机对彼此的影响和/或对周围环境的影响最小的情况下实现最大的功率提取。
[0005] 当转子置于与其直径相比非常宽的气流中时,转子将流体功率转换为旋转功率的转换能力被限制在来流功率的59.3%,该值是已被证明的理论值,被称为“贝兹(Betz)”极限,在1926年由A.Betz所证明。该生产率极限值尤其适用于如图1A(属于现有技术)所示的常规多叶片轴流式风力/力涡轮机。
[0006] 已经尝试使风力涡轮机的性能潜力超过“贝兹”极限。为此,已经采用过围绕转子设置的外罩或管道。参见例如:授予Hi e l等人的美国专利No.7,218,011(见图1B);授予de Geus的美国专利No.4,204,799(见图1C);授予Oman等人的美国专利No.4,075,500(见图1D);以及授予Tocher的美国专利No.6,887,031。适当设计的外罩使得来流在向管道的中心集中时加速。通常,对于适当设计的转子而言,这种提高的气流速度导致转子上的作用力增大,并继而导致功率提取水平提高。然而,常常发生转子叶片由于更强的风造成的剪切力和张力而断裂的情况。
[0007] 据称有两倍于贝兹极限的值的记录,但未经证实。参见Igar,O.,Shrouds for Aerogenerations,AIAA Journal,October 1976,pp.1481-83;Igar&Ozer,Research and Development for ShroudedWind Turbines,Energy Cons.&Management,Vol.21,pp.13-48,1981;还参见AIAA Technical Note,题目为“Ducted Wind/WaterTurbines and Propellers Revisited”,作者为本申请的申请人(“申请人的AIAA Technical Note”),并已被同意公开。可以在申请人的信息公开声明中找到上述文件的副本。然而,其权利要求未经实际验证,并且现有的试验结果不能确定这种进步在实际风力涡轮机应用中的可行性。
[0008] 为达到更高的功率和效率,需要使外罩和转子的空气动力学设计与不时地处于高度变化状态的来流流体流的速度紧密匹配。这种空气动力学设计考虑对于气流涡轮机对其周围环境产生的后续影响以及风电场设计的生产率水平来说也非常重要。
[0009] 喷射器是众所周知并已经得到验证的流体喷射泵,其将流体抽吸到系统内,从而提高通过该系统的流速。混合器/喷射器(mixer/ejectors)是短小紧凑型的喷射泵,这种喷射泵相对而言对来流状态不敏感,并被广泛用于流速为近音速或超音速的高速喷射推进应用。参见例如授予Walter M.Presz,Jr博士的美国专利No.5,761,900,其中也在下游使用混合器,从而在减小排放噪音的同时提高推力。Presz博士是本发明的共同发明人
[0010] 燃气涡轮机技术还未成功用于轴流式风力涡轮机。这一不足有多种原因。现有的风力涡轮机通常使用无外罩的涡轮叶片来提取风能。因此,接近风力涡轮叶片的流体中的大部分流体围绕叶片流动而没有穿过叶片。此外,当空气接近现有的风力涡轮机时,空气速度明显下降。这两种影响均导致气体经过涡轮机的流速低。低流速使得燃气涡轮机技术(例如定子/转子设计)的潜在益处最小化。前述的带外罩风力涡轮机的方法着重于出口扩压器,以提高涡轮叶片的速度。扩压器需要长的距离来获得良好的性能,并且往往对来流的变化非常敏感。这种既长又对气流敏感的扩压器在风力涡轮机设备中不实用。短扩压器在实际应用中会脱流,根本无法工作。此外,因为希望在速度提高的情况下进行涡轮机能量提取,所以可能无法实现所需的下游扩流。这些影响使得使用燃气涡轮机技术获得更加高效的风力涡轮机的所有上述尝试前功尽弃。
[0011] 因此,本发明的主要目的在于提供一种方法,该方法在风力涡轮机中使用先进的流体动力学混合/喷射泵原理来稳定地输送远高于贝兹极限的可持续功率水平。
[0012] 另一主要目的在于提供一种用于轴流式涡轮机的改进的方法,该方法使用独特的(用于风力涡轮机的)混流装置来提高生产率,并使伴随产生的流场对其附近(例如风电场)的周围环境的影响最小化。
[0013] 另一主要目的在于提供一种改进的方法,该方法使更多的气流通过轴流式风力涡轮机的转子,随后使能量较低的排出流在排出涡轮机之前与能量较高的旁路气流迅速混合。
[0014] 另一主要目的在于提供一种改进的轴流式风力涡轮机,该轴流式风力涡轮机使用独特的(用于风力涡轮机的)混流和控制装置来提高生产率,并使伴随产生的流场对其附近(例如风电场)的周围环境的影响最小化。
[0015] 另一主要目的在于提供一种改进的轴流式风力涡轮机,该轴流式风力涡轮机泵送更多的气流通过转子,随后使低能的涡轮机出口流在排出系统之前与高能的旁路气流迅速混合。
[0016] 相应于上述的目的,一个更明确的目的在于提供一种方法和设备,其相对安静并可在居住区安全使用。

发明内容

[0017] 本发明公开了一种用于使风力涡轮机的效率持续超过贝兹极限的方法和设备。所述方法和设备均使用流体动力学喷射器的构思和先进的混流装置来提高工作效率,同时,与现有风力涡轮机相比,申请人的独特的风力涡轮机降低了噪音水平。
[0018] 申请人的优选设备是带有混合器/喷射器的风力涡轮机(简称为“MEWT”)。在优选的设备实施例中,所述MEWT是轴流式涡轮机,包括(按从上游到下游的顺序):涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;由定子构成的环,其位于所述涡轮机外罩内;叶轮,其具有由叶轮叶片构成的环并与所述定子“直线排列布置”;混合器,其与所述涡轮机外罩相连,并具有由混合器瓣构成的环,所述混合器瓣向下游延伸超过所述叶轮叶片;以及喷射器,其包括由混合器瓣构成的环(例如,与美国专利No.5,761,900中所示的类似)和向下游延伸超过所述混合器瓣的混合器外罩。所述涡轮机外罩、混合器和喷射器被设计并设置为使抽吸经过所述风力涡轮机的流体量最大,并且使其尾流对环境的影响(例如,噪音)以及对其他动力涡轮机的影响(例如,结构损害或生产率损失)最小化。与现有技术不同,所述优选MEWT包括具有先进的流体混合和控制装置的外罩,所述流体混合和控制装置例如为瓣状的或槽形的混合器和/或一个或多个喷射泵。所述混合/喷射泵与在飞机制造工业中使用的混合/喷射泵大不相同,这是因为高能空气流入所述喷射器入口,从外部围绕、抽吸离开涡轮机外罩的低能空气并与所述低能空气混合。
[0019] 在该第一优选设备实施例中,所述MEWT在广义上包括:轴流式风力涡轮机,其被具有喇叭形入口的涡轮机外罩围绕,所述涡轮机外罩在其末端区域(即,涡轮机外罩的端部)中结合了混合装置;以及单独的喷射器管道,所述喷射器管道覆盖所述涡轮机外罩的尾部,所述喷射器管道本身可在其末端区域中结合先进的混合装置。
[0020] 在一个替代设备实施例中,所述MEWT包括:轴流式风力涡轮机,其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩围绕,所述涡轮机外罩在其末端区域中结合了混合装置。
[0021] 广义上,优选的方法包括:通过以下步骤使如下类型的风力涡轮机(优选轴流式风力涡轮机)产生超过贝兹极限的功率水平,所述风力涡轮机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的叶轮,其具有由叶轮叶片构成的环,所述步骤为:接收并引导环境空气的一级气流进入所述涡轮机外罩;通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此所述一级气流把能量传递给所述叶轮;以及,通过顺序位于所述叶轮下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流仅与穿过叶轮的一级气流混合。
[0022] 一种替代方法包括:通过以下步骤使风力机产生超过贝兹极限的功率水平,所述风力机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的螺旋桨状的转子,所述步骤为:通过顺序位于转子下游的混合器和喷射器拖带环境空气并使所述环境空气仅与穿过所述涡轮机外罩和转子的能量较低的气流混合。
[0023] 对优选方法和设备的基于第一原理的理论分析表明:在迎风面积相同的情况下,所述MEWT能够产生三倍于或更多倍于其无外罩的对应装置的功率;并且可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。
[0024] 基于理论分析,申请人相信本申请的优选方法和设备产生的功率是同样大小的常规风力涡轮机的现有功率的三倍。
[0025] 通过结合附图阅读下面的说明,可以更加明显地看出本发明的其它目的和优点。

附图说明

[0026] 图1A、1B、1C和1D属于现有技术,示出了现有涡轮机的实例;
[0027] 图2是根据本发明构造的申请人的优选MEWT实施例的分解视图;
[0028] 图3是连接在支撑塔上的优选MEWT的前透视图;
[0029] 图4是优选MEWT的前透视图,其中多个部分被去除以示出内部结构,例如与叶轮连接的呈轮状结构的功率输出装置;
[0030] 图5是仅示出图4中的定子、叶轮、功率输出装置和支撑杆的前透视图;
[0031] 图6示出了优选MEWT的替代实施例,其中混合/喷射泵在喷射器外罩的末端区域(即,端部)具有混合器瓣;
[0032] 图7是图6所示的MEWT的侧视剖视图;
[0033] 图8是(图7中圈出的)可旋转联接器和机械可旋转定子叶片变型的放大图,所述可旋转联接器用于将MEWT与支撑塔可旋转地连接;
[0034] 图9是具有螺旋桨状的转子的MEWT的前透视图;
[0035] 图10是图9所示的MEWT的后透视图;
[0036] 图11示出了图9所示的MEWT的后平面图;
[0037] 图12是沿图11中的线12-12截取的剖视图;
[0038] 图13是图9所示的MEWT的前平面图;
[0039] 图14是沿图13中的线14-14截取的侧视剖视图,示出了用于流量控制的两个可枢转阻挡件;
[0040] 图15是在图14中圈出的阻挡件的放大图;
[0041] 图16示出了MEWT的替代实施例,所述MEWT具有用于对准风向的两个可选枢转翼板;
[0042] 图17是图16所示的MEWT的侧视剖视图;
[0043] 图18是MEWT的替代实施例的前平面图,所述MEWT结合了二级喷射器,所述二级喷射器具有位于涡轮机外罩的末端区域中的混合装置(此处为混合器瓣)和位于喷射器外罩的末端区域中的混合装置(此处为由槽构成的环);
[0044] 图19是图18所示的MEWT的侧视剖视图;
[0045] 图20是图18所示的MEWT的后视图;
[0046] 图21是图18所示的MEWT的前透视图;
[0047] 图22是MEWT的替代实施例的前透视图,所述MEWT结合了二级喷射器,所述二级喷射器具有位于涡轮机外罩的末端区域和喷射器外罩的末端区域中的混合器瓣;
[0048] 图23是图22所示的MEWT的后透视图;
[0049] 图24示出了图22所示的涡轮机外罩中的可选吸音衬层;
[0050] 图25示出了具有非圆形外罩部件的MEWT;以及
[0051] 图26示出了优选MEWT的替代实施例,所述MEWT在涡轮机
[0052] 外罩的末端区域(即,端部)具有混合器瓣。

具体实施方式

[0053] 详细参考附图,图2-25示出了申请人的具有混合器和喷射器的轴流式风力涡轮机(“MEWT”)的多个可选实施例。
[0054] 在优选实施例中(见图2、3、4、5),MEWT 100为轴流式风力涡轮机,其包括:
[0055] a.具有空气动力学外形的涡轮机外罩102;
[0056] b.具有空气动力学外形的中心体103,其位于涡轮机外罩102内并与涡轮机外罩102相连;
[0057] c.涡轮级104,其围绕中心体103,并且包括:由定子叶片(例如,108a)构成的定子环106;和叶轮或转子110,其具有叶轮或转子叶片(例如,112a),所述叶轮或转子叶片位于所述定子叶片的下游并与所述定子叶片“直线排列布置”(即,叶轮叶片的前缘与定子叶片的后缘基本对齐),其中:
[0058] i定子叶片(例如,108a)安装在中心体103上;
[0059] ii叶轮叶片(例如,112a)通过安装在中心体103上的内环(箍)和外环(箍)连接并保持在一起;
[0060] d.混合器118,其具有位于涡轮机外罩102的末端区域(即,端部)上的由混合器瓣(例如,120a)构成的环,其中所述混合器瓣(例如,120a)向下游延伸超过叶轮叶片(例如,112a);以及
[0061] e.喷射器122,其包括:外罩128,其围绕涡轮机外罩上的由混合器瓣(例如,120a)构成的环,并具有与美国专利No.5,761,900中所示的喷射器瓣相似的轮廓,其中所述混合器瓣(例如,120a)向下游延伸并伸入喷射器外罩128的入口129。
[0062] 如图7所示,MEWT 100的中心体103优选通过定子环106(或其它装置)与涡轮机外罩102相连,以便减小常规涡轮机中当涡轮机的叶片尾流撞击支撑塔时产生的有害、令人烦恼并且传播距离长的低频噪音。涡轮机外罩102和喷射器外罩128的空气动力学轮廓优选为空气动力学曲面,以增加通过涡轮机转子的气流。
[0063] 申请人已经计算出,为使优选实施例100的效率最佳,喷射泵122的面积比应在1.5到3.0之间,所述面积比的定义为喷射器外罩128的出口面积除以涡轮机外罩102的出口面积。混合器瓣(例如,120a)的数量应在6到14个之间。各个混合器瓣的内后缘度和外后缘角度在5到25度之间。混合器瓣出口起始位置应该处于或靠近喷射器外罩128的入口位置或入口129。混合器瓣通道的高宽比在0.5到4.5之间。混合器穿过率在50%到80%之间。中心体103顶头的后缘角度小于或等于30度。整个MEWT 100的长度与直径的比(L/D)在0.5到1.25之间。
[0064] 申请人对优选MEWT 100进行的基于第一原理的理论分析表明:在迎风面积相同的情况下,该MEWT能够产生三倍于或更多倍于无外罩的对应装置的功率;并且该MEWT可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。申请人在理论分析中使用的方法和公式参见上面背景技术部分中引用的申请人的AIAA Technical Note。
[0065] 基于理论分析,申请人相信本申请的优选MEWT实施例100产生的功率是同样大小的常规风力涡轮机(如图1A所示)的现有功率的至少二倍到三倍之间。申请人的组合混合器和喷射器抽入相关涡轮机转子的气流量是吸入常规风力机的转子的气流量的两倍或三倍。
[0066] 具有螺旋桨状转子(参见图1)的常规风力机(也称作风力涡轮机)将风能转换为旋转能,随后转换为电能。理论上,这种转子最多仅能转换来流功率的59.3%。如本申请的背景技术部分中所述,该59.3%的效率被称为“贝兹”极限。
[0067] 由于在迎风面积相当的情况下,申请人的优选方法和设备使常规风力涡轮机的排气量提高了两倍或更多倍,因此申请人相信,该优选方法和设备可以证明超出贝兹极限类似量的工作效率。申请人相信,本申请的其它实施例也可以稳定地超过贝兹极限(当然是在风力充足的情况下)。
[0068] 在简化形式中,MEWT的优选设备实施例100包括:轴流式涡轮机(例如,定子叶片和叶轮叶片),其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩102(即,具有喇叭形入口的外罩)围绕,所述涡轮机外罩102在其末端区域(即,端部)结合了混合装置;以及覆盖涡轮机外罩102尾部的单独的喷射器外罩(例如,128),该喷射器外罩本身可以在其末端区域内结合先进的混合装置(例如,混合器瓣)。申请人的由混合器瓣(例如,120a)构成的环与喷射器外罩128的结合可以被视为混合/喷射泵。该混合/喷射泵提供了使风力涡轮机的工作效率稳定地超过贝兹极限的装置。
[0069] 申请人还给出了用于如图2和3所示的MEWT的优选实施例100的补充信息。所述MEWT的优选实施例100包括:涡轮级104(带有定子环106和叶轮110),其安装在中心体103上,并被具有嵌入式混合器瓣(例如,120a)的涡轮机外罩102围绕,所述混合器瓣(例如,120a)的后缘略微插入喷射器外罩128的入口平面。涡轮级104和喷射器外罩128与涡轮机外罩102在结构上连接,所述涡轮机外罩102本身就是主要的承载部件。
[0070] 涡轮机外罩102的长度等于或小于涡轮机外罩的最大外径。喷射器外罩128的长度等于或小于喷射器外罩的最大外径。中心体103的外表面具有空气动力学外形,以使MEWT 100下游的气流分离效应最小化。所述中心体103可以长于或短于涡轮机外罩102或喷射器外罩128、或者涡轮机外罩102和喷射器外罩128的组合长度。
[0071] 所述涡轮机外罩的入口面积和出口面积等于或大于涡轮级104占用的环面的面积,但不必呈环形,从而可以更好地控制气流源和其尾流的冲击。由中心体103和涡轮机外罩102的内表面之间的环面形成的内部流路的横截面面积呈空气动力学形状,从而在涡轮机平面上具有最小面积,并且以其它方式从它们各自的入口平面到出口平面平缓地变化。涡轮机外罩和喷射器外罩的外表面呈空气动力学形状,以帮助将气流导入涡轮机外罩入口,消除在所述涡轮机外罩和喷射器外罩的表面上的气流分离现象,并将平稳的气流送入喷射器入口129。喷射器128的入口区域还可以是非圆形的(例如参见图25),所述喷射器128的入口区域大于混合器118的出口平面区域,并且喷射器的出口区域也可以是非圆形的。
[0072] 优选实施例100的可选技术特征可以包括:呈轮状结构的功率输出装置130(参见图4和图5),其将叶轮110的外轮缘与发电机(未示出)相连;竖直支撑轴132,其具有可旋转的联接器134并用于可旋转地支撑MEWT 100(参见图5),所述竖直支撑轴132位于MEWT的压力中心位置的前方以便使MEWT自对准;以及自移式的竖直稳定器或“翼板”136(参见图4),其固定在喷射器外罩128的上表面和下表面上,以稳定与不同气流的对准方向。
[0073] 当在靠近居民区的地方使用MEWT 100时,可以在MEWT 100的外罩102、108的内表面上贴附吸音材料(参见图24),以吸收并从而基本上消除由定子106的尾流与叶轮110的相互作用产生的高频声波。MEWT还可以包含安全叶片容纳结构(未示出)。
[0074] 图14、图15示出了可选的阻挡140a、140b。阻挡门140a、140b可以通过连接件(未示出)旋转而进入流动气流中,从而在高流速可能对发电机或其它部件造成损害时,减少通过涡轮机100的气流或阻止气流通过涡轮机100。
[0075] 图8示出了申请人的优选MEWT 100的另一种可选变型。定子叶片的出口倾角在原位上机械变化(即,所述叶片是枢转的),以适应流体流速率的变化,从而保证离开转子的气流中的残余涡流最少。
[0076] 需要注意的是,申请人的替代MEWT实施例(如图9-23、26所示)中均使用了螺旋桨状的转子(例如,图9中的142),而不是具有由叶轮叶片构成的环的涡轮转子。尽管这些实施例可能不是那么高效,但可能更为公众所接受。
[0077] 申请人的替代设备实施例为变型200、300、400、500,其包含零级喷射器(例如,参见图26)、一级喷射器和二级喷射器,在存在混合器时,混合器嵌入到喷射器外罩的末端区域(即,端部)中。例如,参见图18、20和22,其中示出了嵌入到喷射器外罩的末端区域中的混合器。之前既没有进入涡轮机外罩也没有进入喷射器的(环境气流的)三级气流进入二级喷射器的混合器,从而与离开末端区域的一级气流和二级气流的涡流混合并将能量传递给一级气流和二级气流的涡流。分析显示,这种MEWT实施例可以更快地消除在现有风力涡轮机的尾流中产生的固有速度缺陷,并从而减小在风电场中所需的分隔距离,以避免结构损害和/或生产率损失。
[0078] 图6示出了图示实施例100的“二级”喷射器变型600,其中在喷射器外罩的末端区域内具有混合器。
[0079] 图9至图25中的所述替代设备实施例200、300、400、500可被广义上认为包括:
[0080] a.风力机或风力涡轮机,其具有带有喇叭形入口的外罩;
[0081] b.螺旋桨状的转子,其位于所述入口的下游;
[0082] c.混合器,其具有由混合器瓣构成的环,其中所述混合器瓣与所述转子相邻并在所述转子的下游延伸;以及
[0083] d.喷射器,其围绕所述混合器瓣的后缘并从所述混合器瓣向下游延伸。
[0084] 申请人相信,即使没有喷射器(例如,参见图26),混合器仍然能够增加进入申请人的转子并由所述转子排出的气流量,因此与迎风面积相当的现有风力涡轮机(无论是否带有外罩)相比提高了效率。然而,此时的效率提高量小于具有喷射器时的效率提高量。
[0085] 申请人的发明可被认为是一种方法。广义上,优选的方法包括:
[0086] a.通过以下步骤使如下类型的风力涡轮机(优选为轴流式风力涡轮机)产生超过贝兹极限的功率水平,所述风力涡轮机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的叶轮,其具有由叶轮叶片构成的环:
[0087] i.接收并引导环境空气的一级气流进入涡轮机外罩;
[0088] ii.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此所述一级气流把能量传递给所述叶轮;并且
[0089] iii.通过顺序位于叶轮下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流仅与穿过叶轮的一级气流混合。
[0090] 一种替代方法包括:
[0091] a.通过以下步骤使风力机产生超过贝兹极限的功率水平,所述风力机具有:涡轮机外罩,其具有喇叭形的入口;和处于下游的螺旋桨状的转子:
[0092] i.接收并引导环境空气的一级气流进入所述喇叭形的入口并穿过涡轮机外罩;
[0093] ii.通过所述一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转,由此所述一级气流把能量传递给转子并变为能量较低的气流;并且
[0094] iii.通过顺序位于叶轮下游的混合器和喷射器拖带环境空气的二级气流并使所述二级气流与所述能量较低的气流混合。
[0095] 在喷射器内使二级气流与(能量较低的)一级气流混合:由于至少涡轮机外罩非常不均匀而在叶轮的下游产生一连串的混合涡流;并且使能量从二级气流传递到一级气流。
[0096] 申请人的方法还可以包括:
[0097] a.在一级气流使所述涡轮机外罩内部的叶轮旋转后,引导一级气流离开所述叶轮的旋转轴线;并且
[0098] b.在二级气流进入喷射器外罩后,引导二级气流流向叶轮的旋转轴线。
[0099] 虽然叶轮的旋转轴线优选与所述外罩的中心纵轴线同轴,但对于本方法来说,所述叶轮的旋转轴线不必与所述外罩的中心纵轴线同轴。
[0100] 与还混合热的中心废气的燃气涡轮机的混合器和喷射器不同,申请人的优选方法拖带环境空气的二级气流(即,风)并使所述二级气流仅与穿过涡轮机外罩和转子的能量较低的气流(即,部分消耗的环境气流的一级气流)混合。
[0101] 申请人相信,本申请的优选MEWT实施例100、200、300、400和600,以及上面描述的申请人的优选和替代方法,可以在风力充足的情况下使工作效率在几天、几星期甚至几年的时间内稳定地保持超过贝兹极限,而不会对涡轮机造成任何重大损害。
[0102] 换言之,申请人相信,本申请的优选MEWT实施例100、200、300、400和600,以及上面描述的申请人的优选和替代方法,可以利用一级气流的动力产生机械能,并使工作效率在任何时间段内都能超过贝兹极限。
[0103] 另一更加广义的替代方法包括:
[0104] a.通过以下步骤增加通过风力机的气流量,所述类型的风力机具有转子:
[0105] i.通过与叶轮相邻并位于所述叶轮下游的混合器拖带环境空气并使所述环境空气仅与穿过转子的能量较低的气流混合。
[0106] 该更加广义的方法可以还包括以下步骤:通过混合器下游的喷射器增加通过风力机的环境气流量,同时使风力机的排出气流的噪音水平最小。
[0107] 应当理解,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,各种结构改型对本领域技术人员来说都是显而易见的。例如,可以使用槽来代替混合器瓣或喷射器瓣。另外,无需使用阻挡臂即可达到或超过贝兹极限。因此,应当主要参考所附权利要求书而不是前面的说明来确定本发明的保护范围。
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