专利名称：风力涡轮发动机水平转子构造的制作方法
技术领域：
本发明研究了螺旋桨式风力涡轮机现有技术的例子。显然，对于现有技术的风力涡轮机，必需进行某些改进，以及从经过螺旋桨叶片的风的给定截面捕获并发出更高的电能。而且变得更显然的是，风力涡轮机的现有螺旋桨类型正接近其尺寸范围的上限。在此情形下，建立并安装大量的风力涡轮机是符合规模经济的。土地占用、低频高强度噪音、对动物的影响及美学外观，是其它的重要考虑因素。
背景技术：
本发明人想到下列目的的成功达到将导致通过风力涡轮机更大程度地利用风能。第一是涡轮机转子前方增大的入口区域。第二是围挡和控制腔室，以确保从所捕获的风中回收最大的能量。第三是增加风流量速度使之超过涡轮机单元面对的主风速度的装置。第四是压缩风流量的装置。第五是更低大气压力的排出区域。为了完整的单元包装对风景破坏更小并对鸟类和动物的影响更少，对设置、实施方式、封罩和外观也需要加以考虑。
发明内容
本发明借助内在的转子利用风能发电，转子具有位于距其中心有相当长的半径处的叶片。在优选的实施方式中，其叶片在其转子半径的外40％内。该特征有助于增加扭矩。沿着涡轮机转子半径的内60％所阻挡的进入风，被重新引导驱动其叶片，而不是变成浪费的能量。而且，本发明通过容纳涡轮机转子的控制腔室引导并增加进入的风的速度，在风驱动涡轮叶片时增加风压缩，与蒸汽或燃气涡轮发动机的功能大致一样。受控围挡和进入能量的方向导向成最大程度地推动涡轮机叶片导致所捕获的能量显著增加。燃气和蒸汽涡轮发动机是这些原理成功应用的明显的例子。
本发明的新颖特征在于其风入口和流量通道，其使进入的风弯曲差不多180度。该特征具体地实现了三个目的。第一，其增加了风流量速度。第二，其半径距涡轮机转子的中心逐渐减小，压缩进入的风，增加其密度，并增强其驱动转子叶片的能力。第三，其使得风流量恒定地驱动12个转子叶片中的8个，或者设置在涡轮机转子上的任意数目叶片的三分之二。
理论上，在迎面而来的风经过本发明的风入口和流量通道时，风速增加的潜在量，应基于0.5*C/D(整圆的周长的一半，整圆应通过延伸所述流量通道的面向内的表面形成，该圆周长的一半除以该圆直径)，并且该数字接近1.57～1。然而，通常的阻力系数和一些与压缩相关的潜在减速因素将显著地减少速度的增加量，可能大于25％。尽管如此，在迎面而来的气团的速度上的任何净增加将三次方地增加可用动能(瓦特/平米)。25％的风速的净增加将使可用瓦特/平米数增加到1.25的三次方，或者1.95，从而最终结果可能是可用能量增加95％。50％的风速的净增加将使可用瓦特数增加到1.5的三次方，或者3.375，从而增加变得非常显著。
就压缩系数而言，也将提高每平方米的可用动能。迎面而来的气团的质量或重量的增加也是三次方函数，正如我们计算每平方面的可用瓦特的那样，如同速度增加一样，25％的压缩系数可以增加我们的每平方面的可用瓦特达95％。
本发明人采用上述速度增加和产生压缩的一些手段作为动能增益(Kinetic Energy Enhancement)，并且进一步建议该词语应成为增加潜在用于风力发电单元可再生能量的这些手段的通用术语。
由于发明，现在提供一种风力涡轮机，其具有增大的导入区域或入口区域，在容纳其涡轮机转子的腔室内速度增加并压缩，并且其风流量喷出或排出到较低压力的区域。排出区域中降低的压力的效果借助受控弯曲及排出腔室形状来增强。进一步借助在涡轮机壳体结构外壁上的风旁通翼面(wind bypass airfoil)来增强排出压力的降低，这增加了风速，以在排出腔室出口的外周提供一个低压(引导)区域。
另一个有益的特征是涡轮机入口区域左前侧的进气口曲线，进气口曲线重新引导并加速面积增大的进入风，而更直接地作用转子叶片并在旋转方向上增加风的压力。
本发明具有一优点，而现有技术中的三叶片螺旋桨式风力涡轮机正接近其尺寸的上限。本发明可建成大尺寸，以产生比现有技术中最大尺寸的三叶片风力涡轮机更大的电能。产生的每百万瓦特电能的投资费将显著地减少。
本发明人设计了本发明的一种形式，其涡轮机转子的直径为100英尺(30.48米)，各个叶片的尺寸为800平方英尺(74.32平方米)。其12个叶片中的8个同时被驱动，风力驱动叶片面积的6,400平方英尺(595平方米)。将可产生非常大的扭矩和可用的马力以驱动发电机，或者任意其它使用这样的功率输出的机械装置。本发明可建成为任意尺寸，这将在合适的工程和可用的结构材料的限制范围内根据其成本及可得能量的产值来权衡。
至于对现有技术中的风力涡轮机可能有反作用的风速的突然变化，本发明的压缩区域将易于吸收这种变化，而不会损坏涡轮机或者其风流量通道的外边界壁。(所述的外边界壁必须适当地加强以容纳这样的振荡和压力。)应进一步注意到，假定转子外周速度与风速相等，当风以70英里(112.65公里)/小时的速度通过风流量通道，100英尺(30.48米)直径的转子将以仅约20转/分的速度转动。在从地平面测量到其叶片圆周转动路径末端的顶部时，现有技术的最大的三叶片螺旋桨风力涡轮机竖直在地面上约为300英尺(91.44米)高。本发明的旋转构造，转子直径仅为100英尺(30.48米)，竖起后从地平面到其顶部将约100英尺(30.48米)高，其底板在地平面上约30英尺(9.144米)高。这将远低于现有技术中最大的三叶片螺旋桨涡轮机的高度的一半。
在美学上和环境上，本发明与现有技术的风力涡轮机相比更令人满意。它将呈现美学上更不引人注目的外形，该外形将更容易与环境融合。其地基墩可种草，并且其围挡结构更为吸引人。特别是就对于鸟类的威胁而言，任何时候完全不可能。这些鸟在飞过的路径上增加它们的速度就能够容易地飞经该风流量通道。在当地大的三叶片风力涡轮机的特征引起其它问题是高强度低频噪音。本发明不会产生这样的噪音问题，并且它不会是令人讨厌或者限制这样的挑战如果需要的话，将噪音消除装置(sound abatement)敷设到该类型的形状和结构上。
本发明人设想本发明的更小样式可以放置在建筑物的房顶上，或者放置在框架或塔上，从而为特定需要而捕获风能。更小的样式也被设想，其涡轮机转子安装在水平轴上。
本发明人还设想了其涡轮机转子叶片的风斗状、弯曲或分段的特性及进一步的输入、流量和孔增益(aperture enhancement)的变化形式，并且这样的修改形式对于本领域任一技术人员是显而易见的。
本发明人对于本发明的进一步的总体评述是，在此情形下，本发明人简单地发明了一种风力涡轮发动机，如一个简单易懂的概念。除了这里出现的内容以外的细节，包括底板转动、转子轴承、机械、动力传动驱动和系统都是公知的且容易得到的，或者是有明确限定的概念或者是市场上可得到的产品。那些被认为对本发明来说重要的项目被认为是机械工程方面或现有技术中适当的工程化使用。
图1是本发明优选实施方式的竖直投影平面布置图。可预期的是平面布置和转子倒转可能适合许多情况。
图2是相同实施方式的正视图，更完整地示出了其风捕获孔和相关的转子布置，如运行模式中将要显示的那样，全部就地安装在其围护结构内，且风捕获孔设定为全运行位置，如图1所示。
具体实施例方式
借助于前面的描述，通过本公开和说明的描述，其它以及另一些目的、优点或新特征可能变得明显，本发明由创新的构思组成，该构思包括、实现、包含或含有在这种构思的各个具体的实施方式中，参照附图进行描述，其中图1是本发明的优选实施方式的竖直建筑平面图，其中涡轮机转子组件1由在涡轮机转子组件底部处平坦的圆形基板2、在涡轮机转子顶部处另一相同的基板(未示出)、涡轮机转子3组成，该涡轮机转子逐步略微弯曲以产生局部的风斗效应、叶片强度和稳定性，并且可进一步为转子叶片提供额外的表面张力，这在该类型的装置中可能是期望的。然后，提供叶片端部加强带或加强件4和加强管或加强缆5、圆柱形涡轮机转子轴管6、风入口孔区域7、风流动和压缩通道8、外边界挡壁9，该挡壁9具有用于压力围挡的更高强度喷射端，该喷射端被弯曲以提高喷射速度并减小离开的风压力。外边界挡壁9具有三个短分段——9a、9b和9c，这三个短分段可以从部分打开到完全打开，以便于例如在风速非常高而风压力对于所述壁9来说可能变得太大而不能承受的情形下，当我们想要继续利用风力发电而不损坏风力涡轮机壳体结构时降低风的压力。然后，提供更低压的风喷射区域10，其功能将由风隔离壁和流动引导组件11的后部弯曲面进一步增强，该流动引导组件11也具有弯曲的前侧以在风入口孔区域7加速、引导并部分地压缩顶着涡轮机叶片3进入的风，而且由于其左侧的复合螺旋曲线，其增加了外部左侧的旁路风速，包括特定形式的风，以进一步增强压力降低的效果，并在低压风喷射区域10中产生诱导。
然后，提供水平的圆形底板部12，其能根据需要旋转，以接近风的方向，或者旋转到一位置，在该位置风入口孔区域7和风喷射区域10不通过极高速的风。
然后，提供固定的水平圆形平坦外周底板环13，其具有围绕其圆周的倾斜的顶部外侧边缘；然后，提供固定的水平圆形平坦底板部14，其从略微在涡轮机转子外侧的半径顶点处向内延伸到中心并在涡轮机转子1下面连续延伸，一直到位于所述结构中心处的楼梯/升降机管道16的外周。
然后，提供竖直的圆柱形结构支撑壁15，其开始靠近涡轮机转子的内部轴管，并向上延伸。然后，提供竖直的圆形圆柱体楼梯和/或升降机管道16，其从底板部14下方直接向上延伸，与结构支撑壁15同心。
结构支撑壁15用于一系列目的，包括用于在其下部和上部内表面处同心悬挂和支撑涡轮机转子1的轴管6，还支撑办公和控制室17以及固定的建筑物顶部18，如图2所示，并且所述建筑物顶部从所述支撑壁15径向向外延伸到涡轮机转子1外侧顶部边缘外的一点。
支撑壁15将以底板高程的间距——或许是每10英尺——径向交叉地连接到楼梯/升降机管道16的外侧面，从而为整个涡轮机壳体结构增强稳定性和强度，若需要的话，允许增加的底板高程。
楼梯/升降机管道16将从位于基板部14的基础正下方一点向上延伸。弯曲的截顶形地下通道(未示出)将经过安设涡轮发电机单元上的墩或小丘侧向地延伸到地平面的外侧，为运行和维护人员及设备的必需的零部件提供出入口。
为了足够放置合适的升降机及相关驱动系统，楼梯/升降机管道16将进一步向上延伸到接近办公和控制室17顶部下方处，如图2所示。
需要进一步注意，有螺旋楼梯环绕管道16外周设置。从底板14的表面，另一个楼梯将向下延伸到前面提及的地下通道，于是在升降机故障时，人员将有合适的紧急入口和出口。
图2示出了完全安装好的风力涡轮发动机单元，其在顶部具有办公和控制室17和固定的环形倾斜顶部18，该顶部径向附连到结构支撑壁15，如图1所示，然后，提供外部顶部段或部分19，如图2所示，其是借助仔细地隔开并互连的竖直柱管(未示出)而安装到可转动底部12的基础，如图1所示，封闭固定顶部部分18和外部风通道挡壁9之间的区域，如图1和2所示。
如图2所示，向上延伸的是用于航行轮廓灯21的支撑柱或管20，这在大多数州和国家对于在开阔区域的高建筑而言通常是必需的。为了不影响上面描述的连续性，如图1所示，我们没有提及下面这一点所有的动力取出系统、发电机、相关机械、和包括基本的电开关装置的设备等，可以放置在固定的内部基底板部分14上的底板平面上，在圆柱形支撑壁15和中部的升降机管道16之间，在底板平面下方具有一些必要的向下的凹陷。而且，在圆柱形支撑壁15上还有一些弧形和圆形的开口，用于接触到轴承、驱动部件同心居中的滚筒等，以允许更方便地进行必要的润滑和维护。
用于将所产生的电力输送到外部连接的电缆，将从位于固定的内部底板部分14上方或下方的发电机区域穿过安装发电机设备的墩或小丘中提供的出入通道引出到出口。
权利要求
1.一种风力涡轮发动机。
2.一种风力涡轮发动机，其驱动转子位于内在的流量围挡及控制腔室内部，确保最大量的风流量必须驱动其涡轮转子叶片。
3.一种风力涡轮发动机，其转子叶片位于其转子半径的外半部内，以获得更大的机械增益，该风力涡轮发动机还重新引导通过阻挡其风力驱动转子的半径内部50％或更多而移动的所有进入的风流量。
4.一种风力涡轮发动机，其具有内在的风流量及控制腔室，当所述腔室的外部挡壁弯曲地环绕所述涡轮机转子的外周时，其距所述发动机的驱动转子的径向中心的径向距离逐渐减小，提高风速并增加风流量质量的压缩系数。
5.一种风力涡轮发动机，其具有内在的风流量围挡及控制腔室，环绕其内在的涡轮机转子圆周的大部分，且所述腔室的形状和特征引导并迫使其风流量恒定地驱动所述内在的涡轮机转子上三分之二或更多的叶片。
6.一种风力涡轮发动机，其构造、实施或封装为其具有增大的入口区域，随着其所述的风流量的压缩具有一些增压效应且增加其风流量的速度，且具有低压或真空排出区域或端口。
7.一种风力涡轮发动机，其具有蒸汽或燃气涡轮发动机除加热以外的基本功能。
8.一种风力涡轮发动机，其可放置或容纳在自容纳的封罩中，其中这样的外壳、外部装置或封罩能以这样的样式形成或设计其更容易融入到安设环境或区域中，从而对所述环境或区域具有较小的影响，并且在所安设的周围环境或区域中是更吸引人的。
9.一种风力涡轮发动机，其在从10公里/小时到高于100公里/小时(6.21到高于62.1英里/小时)的风速范围内能够提供可用的电力输出。
全文摘要
一种风力涡轮发动机，其包括内在的围挡及控制腔室、入口增益、真空引导排出口和水平旋转转子。该涡轮机类似于蒸汽或燃气涡轮发动机而工作。由于所述控制腔室绕着涡轮机转子的外周螺旋地弯曲，该控制腔室的半径逐渐减小。
文档编号F03D11/00GK1946934SQ200480042130
公开日2007年4月11日 申请日期2004年12月17日 优先权日2003年12月31日
发明者布德·T·J·约翰逊 申请人:恩伟绅公司