专利名称：风力发电机的叶轮构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机，尤指一种应用于风力发电机的叶轮结构。
背景技术：
近年来，由于国际油价的波动造成另一波的能源危机，各国科学家正积极
寻找新的替代能源(绿色能源)，如太阳能、风力能、潮沙能甚至是生质能等，利用这些自然界循环不断的能量产生电能供人们使用，而达到节能减碳的目的。以风力能为例，自十九世纪末丹麦的气象学家保罗.拉.库尔(PoulLaCour)制造了第一部风力发电机后，始开启了风力能发电的发展，而风力能为永不耗竭、无污染的自产性能源，且可分散设置在各地，满足区域性供电的需求、减少输电损失，并降低供电成本。
而风力发电机是凭借风力转动叶轮，将风力能转换成电能，因此，叶轮的气动性能(如叶片形状、数量等设计)，对于风力发电机的输出效率有绝对的影响。因此，有众多关于风力发电的相关发明，例如美国专利公告第7,094,018B2号案、中国台湾公告第M279736号新型专利、第D119380号新式样专利，第Dl 19380号新式样与美国专利第4,075,500号案。
如图1所示， 一般叶轮1主要是在一轴心11向外辐射设有复数个叶片12,图中所示是九个叶片12的型式，再将轴心11轴设在风力发电机2的驱动轴上。然而，这种型式的叶轮1在使用时，再如图2所示，风力带动空气流动经叶轮l时，因叶片12的末端划破气流会产生噪音以及紊流，而紊流也会造成气流扩张，使空气流速减慢进而减慢叶轮1的转动速度，使风力发电的效率受到影响。
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发明内容
本发明的一目的，旨在提供一种风力发电机的叶轮构造，使气流加速通过叶轮，以提升发电效率。
本发明的另一目的，旨在提供一种风力发电机的叶轮构造，俾减少噪音。
4发电机的叶轮构造，俾提供设计弹性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是
一种风力发电机的叶轮构造，包括 一 轴心以及由所述的轴心向外辐射设置的复数个叶片，其特征在于所述的叶片的末端环设有一外罩。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是本发明组装在风力发电机使用时，当风力带动气流进入叶轮时，是连动外罩一块转动，并气流达到加速的效果，而增加风力发电的效率；且，叶片末端随着外罩转动时，因受到外罩的影响，而不会有划破气流所造成的噪音；再者，由叶轮的轴心同心设置的连接环，可弹性增加与轴心以及外罩间的叶片数量，以增加叶轮转动时的扭矩，也有加速叶轮转动的效果将本发明的叶轮本实用新型与现有叶轮,.分别组设在可产生相同发电效率的发电机上，本发明的叶轮体积以及迎风面的面积，远较现有叶轮的体积更小，因此，本发明也有缩减叶轮体积的效果。
图1是现有叶轮的立体外观图2是现有叶轮在使用时的示意图3是本发明较佳实施例的立体外观图4是本发明较佳实施例的剖视图5是本发明较佳实施例另一种型式的剖视图6是液体流动时的原理示意图7是本发明次一较佳实施例的立体外观图8是本发明次一较佳实施例的剖视图9是本发明次一较佳实施例另一种型式的剖视图10是本发明再一较佳实施例的立体外观图11是本发明再一较佳实施例的剖视图12是本发明再一较佳实施例另一种型式的剖视图13是本发明又一较佳实施例的立体外观图14是本发明又一 较佳实施例的剖视图15是各种型式叶轮的扭力-转速关系图16是各种型式叶轮的效能-转速关系图。附图标记说明l-叶轮；ll-轴心；12-叶片；2-风力发电机；3-叶轮；31-轴心；32-叶片;33-外罩;331-第一周缘;332-第二周缘;333-延伸段;4-发电机;5-容器;51-圆孔；52-外罩;6-叶轮;61隱轴心;62-叶片;63-外罩;631-第一周缘；632-第二周缘;633-延伸段;7-叶轮;71-轴心;72-叶片;73-外罩;731-第一周缘；732-第二周缘；733-延伸段；8-叶轮；81-轴心；82-叶片；83-连接环；84-外罩；Ll-现有叶轮的扭力-转速曲线；L2-渐扩式叶轮的扭力-转速曲线；L3-多层式叶片叶轮的扭力-转速曲线；L4-现有叶轮的效能-转速曲线；L5-渐扩式叶轮的效能-转速曲线；L6-多层式叶片叶轮的效能-转速曲线。
具体实施例方式
为使贵审查委员能清楚了解本发明的内容，仅以下列说明搭配图式，敬请参阅。
请参阅图3~图6所示，本发明的叶轮3是在一轴心31向外辐射设有复数个叶片32，并在叶片32的末端环绕设有一喇叭状的外罩33,而外罩33设有第一周缘331以及第二周缘332，在第一周缘331至第二周缘332间形成一延伸段333，而第一周缘331的圆径是小于第二周缘332的圆径，使外罩33的延伸段333呈渐扩状，每一叶片32的末端都是连接设在第一周缘331内面，且每一片叶片32的迎风面是与外罩33的延伸段333方向相反；再者，外罩33的延伸段333是弯向外的弯弧状(如图3、图4所示)，或是朝向外的直线状(如图5所示)。
据此，叶轮3的轴心31穿设于一发电机4的驱动轴，通过风力带动气流由叶片32的迎风面流入，并带动叶片32进行转动时，其发电的功率计算公式是如下
其中，P:功率、p:空气密度、A:叶轮截面积、V:空气流速。而可计算出风力发电时所产生的功率，由本公式可'看出，由于空气密度视
为不会改变的常数，要改变功率只能从改变叶轮的截面积，或是改变空气流速
着手，其中更以改变空气流速的效果最为显著。
请再参阅图6，在一盛满流体的容器5底部开设有一圆孔51，所述的圆孔
51的截面积为A1，而流体集中流向圆孔51的流动速度为VI;而在圓孔51下方装设一向外扩张的喇叭状外罩52后，其喇叭状外罩52出口截面积A2，而流 体的流出速度则为V2,根据流体力学的原理Al x VI = A2 x V2可知，当流体流 经向外扩张的喇叭状外罩52时，会产生扩散的效果(也即A2>A1)，虽然流 出的速度V2会减慢(VI 〉 V2 ),但流体进入外罩52会有加速的效果；同理， 本发明的外罩52设计是利用这种扩散原理，以加快空气流速而增加发电效率的 效果，也即提高流速l.l倍时，其功率的比例可增加L13倍，即1.33倍的功率。
反观，现有技术采用增加面积的方式欲提高发电效率时，则必须要较原来 体积增加1.33倍才能达到相同的发电效率，而会造成现有技术在制作时，有加 工精密度，以及制造、材料成本上的浪费等问题，而使用时则会因叶轮3的体 积增加，造成安装空间的限制，有不易推广安装等缺点。以相同发电功率的风 力发电机4为例，由于本发明(如图4所示)所流入的空气流速可被提高，因 此，与空气流速不变的现有叶轮1 (如图l所示)相较之下，可缩减本发明的截 面积(也即缩减整体的体积)。另外，外罩33在转动时，由于不会有划破气流 的现象，因此，可降低运转时所造成的噪音。
如图7、图8、图9所示，再者，在叶轮6的轴心61所设的叶片62末端， 同样环绕设有一喇叭状的外罩63,且外罩63设有第一周缘631以及第二周缘 631,而第一周缘631至第二周缘632间同样设有一延伸段633，第一周缘631 的圆径是大于第二周缘632的圆径，使延伸段633是呈渐缩状，每一叶片62是 设在第二周缘632内面，而每一个叶片62的迎风面是与外罩63的延伸段方向 相同；再者，外罩63的延伸段633是弯向外的弯弧状(如图7、图8所示)， 或是朝向外的直线状(如图9所示)。
据此，再如图8、图9所示，当风力带动气流由叶轮6的迎风面进入时，会 先接触到渐缩的弯弧状或直线状外罩63 (也就是第一周缘631的一端)，使气 流向第二周缘632的一端流动，而产生向内集中并可加快流速，增加推动叶片 62的力量，以达到增加发电效率的目的。
另外，再如图10、图11、图12所示，叶轮7的,心71所设的叶片72末 端，设有一喇叭状的外罩73,所述的外罩73两侧是分别设有呈渐扩的第一周缘 731以及第二周缘732,其间设有一延伸段733，而每一叶片72是设在延伸段 733的内表面，且每一叶片72的迎风面是朝向第一周缘731，所述的外罩73的 第一周缘731至延伸段733，是弯向内的弯弧状(如图11所示)或直线状(如 图12所示)，所述的延伸段733至第二周缘732是向外的弯弧状(如图11所示)或直线状(如图12所示)，且外罩73的第一周缘731圓径是小于第二周 缘732的圆径。
据此，再如图13、图14所示，当风力带动气流由叶轮7的迎风面进入时， 会先接触到渐缩的弯弧状或直线状的第一周缘731，使气流产生向内集中，形成 第一段加速的效果；再者，由于延伸段723至第二周缘732是呈渐扩状，利用 前述的气流扩散原理，产生第二段加速的效果，经双重加速的气流，可带动位 于延伸段732的叶片72转动的速度，增加推动叶片72的力量，更能够有效增 加发电效率。
如图13、图14所示，而本发明人进一步对叶轮8的叶片82进行设计，是 在叶轮8的轴心81向外同心设有至少一连接环83，并在连接环83与轴心81间 设有复数个叶片82,而连接环83与外罩84间也设有复数个叶片.82，连接环83 至轴心81间的叶片82数量是少于连接环83至外罩84间的叶片82数量，主要 是利用连接环83与外罩84间的叶片82,在不影响进气流量(或称为浓稠度) 的情况下，增加叶轮8转动时的扭矩，而有加速叶轮8转动的效果，也可增加 发电效率。再者，所述的外罩84的型式可搭配前述图3 ~图12所示各种型式的 外罩33、 63、 73,如渐缩式外罩33、渐扩式外罩63或是渐缩渐扩式外罩73 等，以使所述的外罩84与最外圏的叶片82相连接，也可用来增加气流流动的 速度，提升发电效率。
请再参阅图15、图16所示，本发明人特别记录上述现有叶轮、渐扩式叶轮， 以及多层式叶片叶轮的使用状况，比较各叶轮使用时的扭力-转速以及效能-转 速，兹以佐证本发明与现有叶轮间的差异性及其增强的效能。
其中，如图15所示，Ll为现有叶轮的扭力-转速曲线、L2为渐扩式叶轮的
扭力-转速曲线、L3则为多层式叶片叶轮的扭力-转速曲线，由于扭力与带动叶
轮转动的角动量有相对的关系；当转速为O时所产生的扭力也称作制动扭力(数
值越高者为佳)；且上述曲线进行比较时，峰值最早出现者为L3曲线(越早出
现者为佳)，依序为L2、 Ll,由此可知，本发明的扭力峰值是在较低转速出现，
因此，在低转速时就可有良好的角动量输出，而有良好的发电效率。
再者，如图16所示，L4为现有叶轮的效能-转速曲线、L5为渐扩式叶轮的 效能-转速曲线、L6则为多层式叶片叶轮的效能-转速曲线，其效能(CP)的计 算公式其中，T为扭矩、co为角速度、P为功率、p为空气密度、A为叶轮截面积、 V为空气流速。
经上述公式运算后，而获得各叶轮的效能曲线；而现有叶轮的最大风能转 换为机械能的效率为0.593,此即所谓的贝兹极限(Betz limit),将其乘上一功率 系数后就可以获得效能。图中可看出，本发明的叶轮所产生的效能也远较现有 叶轮高，也即利用本发明进行风力发电的效率较高。
如上所述，本发明在实施时将具有下列优点
如图3 ~图6所示，本发明的渐扩式外罩33的设计，是凭借气流的扩散原 理，而增加叶片32,迎风面的空气流速，达到增加发电效率的目的。
再者，如图7、图8、图9所示，由于本发明的渐缩式外罩63的设计，可 将气流向内集中的效果，增加叶片62迎风面的空气流速，而达到增加发电效率 的目的。
而，如图10、图11、图12所示，本发明的渐缩渐扩式外罩73的设计，具 有将气流集中作第一段加速，再利用扩散原理进行第二段加速的双重加速效果， 增加推动叶片72的力量，而可有效提升发电效率。
另，如图3 图12所示，本发明的各种型式的外罩33、 63、 73是与叶片 32、 62、 72同步转动，而不会有划破气流的现象，故可降低运转时所造成的噪 音。
再如图13、图14所示，本发明的多层式叶片叶轮8内部设有至少一连接环 83，且连接环83至轴心81间，连接环83至外罩84间各设有复数个叶片82, 可在不影响进气流量的情况下，增加叶轮l转动时的扭矩，而有加速叶轮l转 动的效果，也可用来增加发电效率。如此，相较于现有技术，有助于满足不同 应用的需求，可增加设计弹性
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制畔的，本领域普通技术人员 理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化 或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种风力发电机的叶轮构造，包括一轴心以及由所述的轴心向外辐射设置的复数个叶片，其特征在于所述的叶片的末端环设有一外罩。
2. 根据权利要求1所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的轴心向外同心设有至少一连接环，所述的连接环与轴心间设有复数个叶片，所述的连接环另一侧并向外设有复数个叶片，所述的叶片的末端环设有所述的外罩。
3. 根据权利要求2所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的连接环与所述的轴心间的叶片数量，是少于所述的连接环与所述的外罩间的叶片数量。
4. 根据权利要求1所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的外罩设有第一周缘以及第二周缘，所述的第一周缘至所述的第二周缘间形成一延伸段，所述的第一周缘的圆径小于第二周缘的圆径，所述的延伸段呈渐扩状，所述的叶片设在所述的第 一周缘内面。
5. 根据权利要求4所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的延伸段是呈弯向外的弯弧状或呈直线状。
6. 根据权利要求1所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的外罩设有第一周缘以及第二周缘，所述的第一周缘至所述的第二周缘间设有一延伸段，所述的第一周缘的圆径大于第二周缘的圆径，所述的延伸段是呈渐缩状，所述的叶片设在所述的第二周缘内面。
7. 根据权利要求6所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的延伸段是呈弯向外的弯弧状或呈直线状。
8. 根据权利要求1所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的外罩两侧分别设有呈渐扩的第一周缘以及第二周缘，其间设有一延伸段，所述的叶片设在所述的延伸段，所述的叶片的迎风面朝向所述的第一周缘。
9. 根据权利要求8所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的第一周缘至所述的延伸段是弯向内的弯弧状，所述的延伸段至所述的第二周缘是向外的弯弧状。
10. 根据权利要求8所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的第一周缘至延伸段是弯向内的直线状，所述的延伸段至所述的第二周缘是向外的直线状。
11.根据权利要求8所述的风力发电机的叶轮构造，其特征在于所述的第一周缘圆径小于所述的第二周缘的圆径。
全文摘要
本发明是一种风力发电机的叶轮构造，是在一轴心向外辐射设有复数个叶片，并在叶片的末端环设有一外罩，且每一个叶片是连动外罩而转动；据此，本发明的叶轮组装在风力发电机后，可凭借风力带动气流进入叶片的迎风面，利用渐扩式、渐缩式或渐缩渐扩式等不同型式的外罩，使气流加速而大幅提升风力发电的效率，以及缩减叶轮的体积。
文档编号F03D1/06GK101684770SQ20081016834
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者李佳原 申请人:李佳原