专利名称：具有分段式桶形转子的风力发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机和分段式转子。更具体地，本发明涉及一种由风能 通过分段式转子驱动的并且能应用于诸如个人住宅装置的小型装置中的发 电机。
背景技术：
风力或者风力驱动的发电设备是可再生电能的重要来源。 一些风力发 电设备是水平对齐的、安装在高的桅杆上并且类似于大型的装有推进器的 航空器发动才几，另一些风力发电设备是垂直对齐的并设有两个或更多细长 的垂直帆状转子。本发明涉及后一组。尽管对于驱动发电机的风力驱动型 垂直转子已经提出或使用了许多设计，但是极少使用桶形拖拽式转子。通 常认为，提升型转子对于大型设备更有效，而桶形转子主要应用于小型设
备。参见例如Hayashi等的JSME Int'l. J.,序列B: 48 (1)， 9-16 (2005)。
在最基本的构型中，桶形转子具有S形的横截面并由"成对叶片"组 成，所述成对叶片包括两个在其间具有小部分重叠的垂直叶片。所述成对 叶片是整体式的并安装在中心垂直轴上。 一个制造商已经在销售这种用于 小型住宅发电的、具有包含整体式成对叶片的桶形转子的商用设备。该制 造商也已商品化了更小尺寸的类似设备，其用作对诸如紧急灯塔和小船照 明的小型i殳备的电池的充电器。这些设备通常需要在转子的顶部和底部的 轴支承。在所有这些设计中，成对叶片中的每个叶片也是整体式结构。
桶形转子也可具有两个以上的相互连接的叶片，例如参见Grinspan 等的"PROC. OF 28TH NAT，L， CONF. ON FLUID MECHANICS AND FLUID POWER, pp. 428-431 (Chandigarh, India: 2001)，，。对于本发明的目的而言，叶片的数目不是关键，两个、三个、四个或更多个叶片(两个 或三个叶片是最实际的)均考虑包含于本发明内。从而，在此所使用的术 语"成对叶片"将视为包含所有这样的多个叶片，而非仅包含两个叶片的 那些。然而，为了简洁，本发明将针对两叶片式"成对叶片"一本发明的 优选实施方式一来进行说明。
在这种设备中包含任何尺寸的整体式成对叶片而不是包含最小的叶 片，由于装配、安装和维护以及修理的问题，严重限制了该设备在许多环 境中的使用以及多种用途。整体式成对叶片大而重，并且难以处理和安装。 由于转子在其整个长度上附装到中心垂直轴，为了装配、安装、修理和维
护该"i殳备，就必须将整个转子作为单独元件进行处理。对于除了最小设备 之外的所有部件，必须采用诸如起重机或者其它类型的大型高架提升设备 这样的装置。已经尝试通过对整体式垂直叶片(Hayashi， s叩ra)提供诸如 系列水平板的中间结构支承件来避免这种问题。尽管这些尝试可防止或者 减小对这种叶片的损坏程度，但是已损坏的叶片的维修或者更换也将需要 使用基本的拆卸和维修装置及设施。这些考虑与适于住宅使用的垂直风力 发电机的广告相矛盾，因为尽管名义上是住宅设施，但这些设备的安装、 维护和使用的其它方面也必需要求使用工业设备的专业人员的服务。
因此，实际上关心的是，可从市场上获得真正的"住宅"安装级或者 小企业安装级的i殳备的风力发电设备，其中该设备能由诸如屋主或小企业 主或运营者的单个个人来容易地处理、运输、装配和维护，而不需要利用 重型装置。这种设备将能够产生相当大的电能，以l更被该设备的拥有者直 接用于例如照明或者其它用电需求，或者反馈到住宅或企业设施连接至其 上的电网中，从而允许设^有者获得电力服^H言誉而不再为电网提供的 电力服务付费。本发明的设备以新颖且独特的结构提供了这些特性。
发明内容
在此，本发明为垂直式风力驱动(也称为以风为动力)的发电设备， 该发电设备利用即使一个人也能够容易地处理、运输、装配和维护的独特
8的桶形(萨伏纽斯，Savonius)转子。本i殳备的成对叶片具有与一些现有 技术的垂直式设备相等的总长度，并能够产生相同水平的电能，但不需使 用工业级的处理设施和装备，而且所述成对叶片也不会遭受整体式叶片容 易遇到的毁灭性破坏或失效的高风险。
在本设备中，成对叶片分成多个适当尺寸的、容易处理的成对叶片段， 每个成对叶片段包括两个(或者可选地三个、四个)小高度的、螺旋形弯 曲的叶片部分。所述成对叶片段都具有相同的高度和直径。当全部成对叶 片段安装于设备的中心轴上时，整个成对叶片构型按照具有双螺旋形扭曲 的整体式成对叶片的桶形转子的方式进行运转。每个成对叶片段的中心包 括中空的套筒，该套筒设有凹槽或沟槽(沟道)以便与中心轴的多边形横 截面或者带有键槽的外部相互配合。相邻的成对叶片段的邻接的上/下表面 具有相应的尺寸和形状，使得当装配成总体转子构型时，在相邻成对叶片 组之间不会存在大的间隙。每个成对叶片段的螺旋形扭曲确保随着每个成 对叶片段沿所述轴与其紧靠的相邻叶片段偏移，获得上、下的相邻叶片段 的相互对应，还获得整个转子的希望的螺旋形构型。
该i殳备的装配特别简单。简单的基座结构通常由共同的支杆装配，并 在基座结构上发电设备和轴的轴承。然后，将垂直轴插入该轴承并可操作 地接触发电机。最后，将每个成对叶片对滑至所述轴上直至获得转子结构 希望的整体高度，在该单元的顶部固定锁帽以保持该转子构型。这些装配 步骤能够容易地由一个人或两个人一起工作来完成，而且除了诸如用于将 基座支杆螺栓连接在一起的简单的手动工具之外不再需要任何工具。
由于组成的部件非常少并且这些部件都是通常可获得的(例如支杆和 发电机)或者容易模制成希望的形状(成对叶片部分)，因而所述设备能 够非常经济地制造。由于单个设备中的成对叶片段优选具有相同的尺寸， 因而仅需要单个模具就能制造用于该设备的全部成对叶片组。简单地通过 设定要安M形成适当尺寸的轴上的成对叶片段的数目就能够获得宽范围 的设备高度。同样，简单地通过用于形成不同尺度的成对叶片段的模具就 能够获得大的变化范围的设备直径。从而，可获得本发明设备的许多实施
9方式，优选地在诸如成套工具这样的套装件中，每个都包括一套能够装配 形成可易于处理、运输和装配的转子的单独的成对叶片段。
因而，本发明为一种用于风力发电的设备，包括基座；发电机，其 中，所述发电机还包括旋转构件；可旋转的细长轴，其从所述基座延伸， 其中，所述轴的一端操作性地附力连接至所述旋转构件；以及附装到所述 轴上的转子，该转子包括从所述轴向外延伸的成对叶片，所述成对叶片包 括至少两个平行的、分段式的、垂直的螺旋形叶片，其中,所述成对叶片 还包括多个互锁的成对叶片段；其中，所述转子响应流向和流过所述成对 叶片的气体流而使所述轴旋转，从而使所述旋转构件旋转以使所述发电机 产生电流。
本发明还涉及一种用于附装至垂直轴的垂直轴线式转子，包括从垂直 中心轴向外延伸的成对叶片，所述成对叶片包括至少两个在水平上平行的、 分段式的、垂直的螺旋形叶片，其中，所述成对叶片还包括多个水平互锁 的成对叶片段，每个所述成对叶片段具有垂直的螺旋形扭曲。
此外，本发明还包括用于构造垂直轴线式转子的成套工具，所述转子 包括垂直轴和多个成对叶片段，每个所述成对叶片段水平地互锁并具有垂 直的螺旋形扭曲，其中，所述成对叶片段的互锁形成从所述垂直轴向外延 伸的成对叶片，所述叶片对包括附装至所述垂直轴的至少两个在水平上平 行的、分段式的、垂直螺旋形的叶片。
本发明的其它方面在贯穿本说明书进行说明。
图1为本发明的设备的透视图2为示出三个代表性的成对叶片段的透视图3为单个成对叶片段从所述叶片段的上面至侧面的透视图4为图3的成对叶片中的叶片部分的横截面视图5为图3的成对叶片段的俯视图6为示出图3的成对叶片段的中心轴套筒的细部透视图；图7为示出具有图3的成对叶片段的套筒的设备的中心轴的相互配合 的细部透视图8为图1的设备的下部的局部剖开的中心线正视图，其包括三个最 下的成对叶片段部分；
图9为图3的成对叶片段的侧视图10为用于将成对叶片段附装到所述轴上的固定装置的可选实施方 式的透视图11为示出操作中的图IO所示固定装置之间的关系的另一视图； 图12为叶片部分的设计的可选实施方式的视图；以及 图13为空气坝的俯视图。
具体实施例方式
通过参考附图尤其是图1、图2和图8，将最佳地了解本发明。在所示 实施方式中，设备20具有基座22，为了外观所述基座可用锥形裙座24覆 盖。在基座22的结构中包括轴承26和28。围绕基座22径向布置的支杆 30在顶端附装到该基座上，并向下对角地^1伸。尽管为了清晰起见在图8 中仅示出支杆30中的两个，但明显地，完全支撑所述设备将需要至少三个 这样的支杆，优选地四至八个支杆。通常，支杆将围绕设备的基座22等间 隔地布置，但如果设备要安装于特别不平的地面上则可采用不相等的间隔。 支杆30将在其下端附装至地面接触结构32，该地面接触结构可采用圓形 或多边形平板的形式，或者可以由支杆30的下端连接至其上的、沿径向伸 出的杆或条构成。基座22通常将关于结构32居中，并座放在该结构上或 者布置在伸出条的内端并附装至该内端。尽管支杆30和地面结构32通常 是对称的以简化制造和装配，但地面结构的形状和支杆的长度及定位可以 变化以适应设备待安装位置处的实际地面状况和构造。此外，基座22内设 有发电机34，该发电机的一个适当示例为将可变的直流(DC)电输出至
逆变器/电网联接系统的7JC磁发电机。
如上所述的基座、地面结构和支杆允许将设备布置于任何大体上水平的固体支撑面上，所述支撑面不仅包括地面，而且包括诸如支撑板、甲板、屋顶等的结构。如果需要，所述基座、地面结构和支杆也可进行修改以允许设备安装于诸如杆架、塔、山坡或者斜屋顶这样的非水平表面上。这种修改的本质对于本领域技术人员是显而易见的，且其取决于特定的应用位置以及设备所结合的装置。
在轴承26和28中安装有细长的垂直轴36。轴36将形成为具有统一的、优选的为圓形的横截面的细长杆，其具有沿其表面纵向延伸的一个或多个花键(键槽，齿槽)。轴36的横截面可选地为多边形，例如正方形或六边形。该轴可由诸如钢、铝或者加强复合材料的材料制成，所述材料具有足够的强度和^^来在维持该轴在其整个长度上的垂直定向，但该轴通常仅在其下端由轴承26和28支承。虽然轴36的上端能够由安装在一些类型的外部支承结构中的分开的轴承来支承，但这既不是必需的也不是希望的。该设备的优选特征为，它是自立式的、仅由其基部和地面支承结构支承，从而极大 地简化了设备的装配和操作。
轴36在其下端在38处操作性地附装到发电机34的转子构件，使得轴
对于本发明的目的而言，发电机的本性不是关键的，但发电机必须具有与本发明的设备的尺寸相适应的尺寸和发电能力，以及必须与它可连接到其上的任何电网系统相配。同样地，可在38处在轴36与发电机34之间使用任何适当的联接设备或结构(例如万向节、齿轮箱或它们的组合)。
在上部轴承26之上沿轴36的长度垂直地安装并连接(按照下述的方式)有至少两个平行的分段叶片40和42。可存在与叶片40和42平行的第三或第四叶片，但这不是优选的，因为其存在将会在未显著提供性能的情况下4吏"&备过于复杂。如图l最佳示出的，这两个叶片40和42形成垂直的螺旋形结构，所述结构捕获风流并在风流中旋转，从而使轴36旋转，该轴36则偵发电才几34的转子构件旋转并产生电流。与其中需要各种构型的整体式叶片的现有技术设备不同，在本设备中，关键元素在于垂直叶片40和42不是整体式结构，而是由多个互锁的成对叶片段44形成，每个所述叶片段具有从中心套筒延伸的两个或者更多叶片部分。成对叶片段44沿轴36向上具有统一的高度和直径，使得整个叶片40和42具有两个平行螺旋面的构型(在此为了方便简洁起见，各个不同的成对叶片段将共同地由"44"表示，因为无论沿轴36的直径或预期位置如何它们都优选是相同的。当需要区分成对叶片段时，将使用标号"44a" 、 "44b")。
每个成对叶片段44包括两个叶片部分46和48，可看出所述叶片部分为整个叶片40和42的分段部分。叶片部分46和48在其内端通过垂直的中空套筒50的顶部和底部的短支杆54连接至该套筒50。两个叶片部分的间距(即支杆54的长度)以及两个叶片部分端部的重叠不是决定性的，可根据需要进行改变，只要了解过长的支杆更容易弯曲而过长的重叠将降低叶片效率。每个成对叶片段44中的叶片部分与套筒50 (从而中心轴)之间的开放间距允许最大量的气流通过该设备。这就导致与未具有这种间距的按照现有技术的设备相比显著提高(通常约提高10%) 了效率。
叶片部分46和48的形状是独特且决定性的。每个叶片部分一因此成对叶片段一具有围绕轴36的轴线的变化的螺旋形扭曲，从而形成所装配的转子的波浪形外X!l。该变化在叶片中形成整体硬度来阻止在空气动力载荷下发生弯曲和变形。在本发明的优选实施方式中，所述扭曲才艮据连续的数学函数变化，使得上表面的梯度和下表面的梯度相等，从而在相邻叶片之间形成光滑过渡。所述螺旋形扭曲导致底部边缘58和顶部边缘56形成偏移。螺旋升角将在约5° -30。的范围，优选地为10° -20。，更优选地为15。，如标号60所示。由60表示的三维曲面也用于提供叶片材料中的自然机M度。控制扭曲的变动的函数不必是光滑的来提供整体硬度。可选地，或者结合所述曲面，可将加强肋或者其它结构部件增添至每个叶片部分来达到相同的效果。
对叶片46的另一修改是采用水平板形式的水平凸部，所述凸部可并入成对叶片段的叶片部分的上部或下部边缘，在此称为空气坝67。图12示出了叶片上空气坝的一个可能位置。可将空气坝安放在每个叶片上，或者以其他方式布置，例如交替布置在叶片组上。通常，空气坝朝向叶片组44
13的外部边缘布置，以使捕获的空气量最大并从而提高风机的效率。在优选实施方式中空气坝与叶片的上部边缘平齐，但也可置于其它位置。空气坝的平板也可包括脊部或者其它特征部以提高硬度和性能。空气坝的形状与附装侧的叶片一致，以使流过该坝的气流最小。自由边缘可以如其优选实施方式所示那样是弯曲的，或者为其它形状，该形状实现相同的要求但总体上有更多区域朝向叶片组的外部边缘，以捕获来自风的最可利用的能量。
相邻的成对叶片段44a、 44b、 44c等(图8)将通过套筒和轴连接件(将在下文说明)对齐，使得成对叶片段44a的顶部边缘56在长度和形状上与成对叶片段44b的底部边缘58相同，成对叶片44b的顶部边缘56在长度和形状上与成对叶片段44c的底部边缘58相同，如此沿设备向上布置，使得每个完整的叶片40和42基本上将单独的完整的螺旋形表面伸至风流中。成对叶片段之间的部分或全部间隔将降低设备的效力，因为这种间隔使得空气流过叶片40和42而未将旋转力施加于叶片上。尽管由于制造的局限性或者使用中叶片部分的磨损会出现一些间隔，但这种间隔在尺寸和数目上都将保持最小值以及尽可能地被避免。为促i^目邻成对叶片段的对齐并有助于使成对叶片段之间的间隔最小，可根据需呀将相邻的成对叶片
成对叶片段44以牢固但容易拆卸的方式附装到轴36上，其中，轴36的外表面和套筒50的内表面52相互配合。如图6和7最佳示出的，套筒50的内表面52形成有纵向的凹槽、沟槽或者类似形状的狭槽(在此共同称为"凹槽")，所述凹槽在套筒的长度上延伸并允许套筒符合轴36的横截面形状，不论所述轴为具有诸如62的外花键的圆形横截面，还是为多边形(例如正方形或六边形)横截面。套筒50的内部将存在多个凹槽，因为在设置轴以形成整体螺旋形叶片构型的过程中成对叶片段44必须旋转固定的角度。凹槽的数目将由轴的横截面形状(即，存在多少伸出的顶点或
在此，转弯部分定义为围绕轴的完整转动的一部分，该转动必须在套筒内部构型和轴外部构型开始重复前述的对称性之前完成。例如，正方形轴会导致四个转弯部分，而六边形轴会导致六个转弯部分。凹槽/顶点的对应类似于用于旋转正方形或者六边形螺栓头或螺母的套筒扳手构型的对应。本领域技术人员容易确定用于任何希望的叶片螺旋的适当的开槽、倒角、键
联接(开键槽)以及轴的成形。图2和7示出，随着相邻的成对叶片段44a、44b等安装于轴36上，成对叶片段44通过连续凹槽和顶点/花键的相互配合围绕轴36逐步转弯。已经发现，围绕轴的每半个转弯需要大约8-10个成对叶片段的螺旋形结构十分令人满意。
本领域技术人员将了解，尽管套筒50的实施方式限定为具有与轴36上的伸出的花键或顶点相互配合的凹槽，但将凹槽设置在轴上并将伸出的花键或肋设置于套筒的内侧也是可行的。然而，对于制造和装配更实际的是使套筒具有凹槽而使轴具有顶点或者花鍵，从而该实施方式是优选的。
用于附装至轴36的可选装置包括简单的圆形轴，该轴无花键、楔(栓)或者其它凸部。具有凹槽52的套筒50用夹圏代替，如图IO所示。所述夹圏包括具有用于轴的通孔66的板、夹圏62以及朝向叶片46安装点的支杆54,在此统称为d型支架61。 d形支架61滑至轴36上，并上紧螺钉63以使其在轴上固定就位。由#4乾64和定位孔65实现相邻d形支架的正确定向。所述榫销和定位孔的相对位置控制相邻叶片的偏移。图ll示出了在其正确的构型中互锁的两个相邻的d形支架。
尽管在优选实施方式中已经说明的成对叶片段在设备中具有相等的高度，但可设想能够使用不等高的成对叶片段。然而，这不是优选的，因为这会要求在单个设备中所有成对叶片段的高度进行调整以用于整体高度，并且螺旋形扭曲度也进行调整来确保获得叶片40和42的整个螺旋形表面。同样，由于相邻成对叶片段必须在其邻接边缘保持一致，因此有效的结构将是，更短、更少扭曲的成对叶片段将必须由在组件其它处的更高、更扭曲的成对叶片段来补偿。尽管产生了可操作的设备，但这种复杂性是非必须的且是应当避免的。
在图3和5中，在一个实施方式中示出成对叶片段中的叶片部分46和48，其具有可定义为逆时针曲面的曲面，每个叶片部分的曲面从到套筒
1550的附装点(即支杆54)开始。该实施方式也在其它图中示出。叶片的螺 旋扭曲的方向也可从图1中看出。因此，叶片的下部边缘而不是图中所示 的上部边缘将引导旋转。所提及的所有其它参数也可以相同的方式变化。 这不会影响风轮机的旋转方向。在又一实施方式中，各叶片部分46和48 的曲面能够翻转至顺时针方向，这将依次反映在设备的其余部分中，形成 例如在图l视图中将显示与当前图1中所示的外观^目反的螺旋形外观的一 种设备。具有顺时针曲面的设备是完全可行的并且属于本发明的范围。然 而，该最后一个实施方式不是优选的，因为常M电机通常构造为具有与 本发明的逆时针实施方式一致的旋转，从而逆时针实施方式为优选实施方 式。使用本发明的该可选的顺时针实施方式将从而需要"翻转的"发电机 或者与常规发电机的齿轮传动连接，所述连接将使作为连接至常规发电机 的部件的顺时针桶形转子的旋转方向反向。
与现有技术的设备相比，将叶片40和42分成明显更小的成对叶片段 44简化了本发明设备的装配、操作和维修，并且更重要的是使得该设备能 被个人房屋业主和小企业业主使用。该设备通常具有约3-15英尺(1-5米) 的整体高度，并且具有3-5英尺(1-1.7米)的整体最大直径。这种尺寸足 以驱动发电机产生相当大的电力，并且其安装和维护在仍在房屋业主、小 企业主等人的能力内，而不需要大型的维护和处理装置或者维修工具。成 对叶片段中的叶片部分46和48的高度通常为约6-24英寸(15-60厘米)， 优选地为约8英寸(20厘米)。
装配和建造所述设备是直截了当的。 一旦确定了具有良好风流的适当 地面位置，并且将该地面位置平整至所需程度，就装配地面结构和支杆32 和30，并将基座22安装至其上。将轴36插入轴承26和28并附装到发电 机34上。然后将成对叶片段44逐一地安装至轴36上一如44a 、 44b 、 44c......
所示，其中实现各相邻成对叶片段之间直至希望的最大高度的所需扭转。 然后将夹具、垫圏-螺母或者其它合适的帽64置于最上面的成对叶片段的 套筒50的顶部，并随着成对叶片和轴响应风流旋转而被固定以将成对叶片 段44保持就位。优选地，所述轴的长度与成对叶片段的总高度是相应的，使得帽64能^L直接安装于轴36的上端并以固定的构型维持所述成对叶片 段。或者，如果希望具有更长的轴(例如当将来希望增添额外的成对叶片 组时)，则可4吏用领口型(轴环型，collar-type)帽，该领口型帽则可包 括沿轴36在中间位置处锁定至顶部成对叶片段套筒的装置。
成对叶片段可由诸如塑料、橡胶或金属的任何可模制或者可成形的材 料制成。可将板金属叶片部分46和48压制成希望的形状，然后通过诸如 点焊或硬钎焊(铜焊)的常规金属连接技术将其附装至支杆54和套筒50。 同样地，可将热固性聚合材料模制成叶片部分46和48，然后通过诸如热
属的或优选聚合体的支杆和套筒。然而，更优选地，只要可能，可作为单 独单元同时模制单个聚合材料的整个成对叶片段。为此，可将支杆54偏移 以使成品构件能被从模具上移除。也可能必须使用多件式模具，以便能将 弯曲的叶片部分从该模具移除。适当考虑热塑性和弹性体材料在暴露于高 风速或高环境温度时的性能也可使用所述材料。如果在具体操作环境中存 在物体撞击叶片的显著风险，例如在锥体、螺母或其它碎片可能从附近的 树上落入使设备活动的风流中的场合，则弹性体材料是优选的。根据希望 的用途以及设备将安装的位置，材料和材料成形领域的技术人员能够容易 地确定用于设备叶片的适当的材料和成形方法。
发电机可通过功率变换器或类似设备以常规方式连接至当地电网或连 接至当地电动设备(例如照明设备)，在此不需对其进行详细的显示或者 探讨。可以想象，该i殳备的最有效的用途是连接至电网，以使该设备能将 电能反馈至电网并减小住宅或企业设施所使用的电网能量的净值，从而减 少由电网运营商对屋主或者企业主收取的电能使用费。可选的用途可以是 直接为当地家庭或企业的照明i殳备、电器、安全摄^^几或单元或者其它电 器设备洪电，或者为待机状态的应急设施的电池充电。其它可能的用途对 本领域技术人员将是显而易见的。该设备可用于多种目的，其中，它能够 根据需要或者按照预定的安排应用于当地设施，并且当不应用于这种设施 中时，所述设备能够用于将产生的能量送入所连接的电网或者给电池充电。
17^尽管上面已经仅作为示例说明了本发明的几个实施方式，但本领域技 术人员会了解，可对所公开的实施方式进行各种改变和修改，而不背离由 所附权利要求限定的本发明的范围或者精神。
权利要求
1.一种用于风力发电的设备，包括基座；发电机，其中，所述发电机还包括旋转构件；可旋转的细长轴，该轴从所述基座延伸，其中，所述轴的一端操作性地连接至所述旋转构件；以及转子，该转子附装到所述轴，包括从所述轴向外延伸的成对叶片，所述成对叶片包括至少两个平行的、分段式的、垂直的螺旋形叶片，其中，所述成对叶片还包括多个互锁的成对叶片段；其中，所述转子响应流向和流过所述成对叶片的气体流而使所述轴旋转，从而使所述旋转构件旋转以致使所述发电机产生电流。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述气体为空气，所述气体流为风。
3. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述成对叶片包括分成所述多个互锁的成对叶片段的两个、三个或四个相互连接的叶片。
4. 如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述成对叶片包括分成所述多个互锁的成对叶片段的所述相互连接的叶片中的两个叶片。
5. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段每个都包括中空的套筒，其中多个叶片部分从所述套筒延伸，所述套筒构造为与所述轴相互配合以便附装到所述轴上。
6. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述多个叶片部分包括两个、三个或四个叶片部分。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述多个叶片部分包括两个叶片部分。
8. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，每个所述叶片部分从所述套筒延伸的部分包括第一边缘和第二边缘，并且在内部具有螺旋形曲面，使得在远离所述轴的一端上所述叶片部分的所述第一边缘从所述第二边缘偏移一个螺旋角。
9. 如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述螺旋形曲面按照连续的数学函数变化，使得上、下边缘处的梯度相等，从而形成相邻成对叶片段之间的光滑过渡。
10. 如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述螺旋角包括大约5°-30°的角。
11. 如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述螺旋角包括大约10°-20°的角。
12. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述螺旋角包括大约15°的角。
13. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括，每个所述叶片部分在从所述套筒延伸的部分中比其在沿着所述套筒延伸的部分中伸长得更多。
14. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段中的所l曰l离，由此有利于气体流通过所述叶片部分。
15. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述多个成对叶片段中每个的所述套筒还包括垂直于该套筒的长度延伸的多个纵向的内部凹槽，以及，所述轴还包括多个纵向的垂直外部凸部，当所述多个成对叶片段安装至所述轴上时所述凹槽与所述凸部相互配合。
16. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述凹槽布置于所述中空的套筒的内表面上，所述凸部布置于所述轴的外表面上。
17. 如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述轴具有基本为圆形的横截面，所述凸部包括布置于所述轴的外表面上^纵向花键。
18. 如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述轴具有多边形横截面，所述凸部包括所述多边形横截面的顶点。
19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述多边形横截面为分别具有四个或六个所述顶点的正方形或六边形。
20. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个所述成对叶片段还 包括金属材料或聚合物合成材料。
21. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段的每个 叶片部分在内部形成三维曲面，由此赋予所述叶片部分刚性。
22. 如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述曲面按照连续的数 学函数变化，使得所述成对叶片段的上、下边缘处的曲率梯度相等，从而 形成相邻成对叶片段之间的光滑过渡。
23. 如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段中的每 个叶片部分包括加强肋，由此赋予所述叶片部分刚性。
24. 如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段中的每 个叶片部分还包括三维曲面，所述曲面按照连续的数学函数变化，使得所 述成对叶片段的上、下边缘处的曲率梯度相等，从而形成相邻成对叶片段 之间的光滑过渡。
25. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个所述成对叶片段具 有平行于所述轴的、范围在大约6-24英寸(15-60厘米)的垂直高度。
26. 如权利要求25所述的设备，其特征在于，每个所述成对叶片段具 有平行于所述轴的、大约8英寸(20厘米)的垂直高度。
27. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，包括安装于所述轴上的 足够数目的成对叶片段，以便形成范围在大约3-15英尺(l-5米)的转子 高度。
28. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基座构造成允许所 述设备布置于支撑面上或者安装于支撑装置上。
29. 如权利要求28中所述的设备，其特征在于，所述支撑面包括大体 水平的固体表面。
30. 如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述支撑面包括非水平 的表面。
31. —种构造风力发电设备的方法，包括 提供基座；提供发电机，其中，所述发电机还包括旋转构件；提供可旋转的细长轴，该轴从所U座延伸，其中，所述轴的一端操作性地附装至所述旋转构件；以及提供转子，该转子附装到所述轴上，包括从所述轴向外延伸的成对叶片，所述成对叶片包括至少两个平行的、分段式的、垂直的螺旋形叶片，其中，所述成对叶片还包括多个互锁的成对叶片段；其中，所述转子响应于流向和流过所述成对叶片的气体流而使所述轴旋转，从而使所述旋转构件旋转以使所述发电机产生电流。
32. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述气体为空气，引起所述转子运动的所述气体流为风。
33. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述成对叶片包括分成所述多个互锁成对叶片段的两个、三个或四个相互连接的叶片，每个所述成对叶片段包括中空的套筒，其中多个叶片部分从所述套筒延伸，所述套筒构造为与所述轴相互配合以附装至所述轴上。
34. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，包括垂直对齐地在所述轴上安装足够数目的所述成对叶片段，以形成大约3-15英尺(1-5米)的转子高度。
35. 如权利要求34所述的方法，其特征在于，还包括将所述成对叶片段安装成使得每个成对叶片段从与其紧邻的成对叶片段偏移一个螺旋角，由此赋予所述转子一整体螺旋曲面。
36. 如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大约5°-30°的角。
37. 如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大约10°-20°的角。
38. 如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述螺旋角包括大约15。的角。
39. 如权利要求33所述的方法，其特征在于，每个所述叶片部分包括一个曲面，所述曲面按照连续的数学函数变化，使得所述成对叶片段的上、下边缘处的曲率梯度相等，从而形成相邻成对叶片段之间的光滑过渡。
40. 如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述基座构造成允许所 述设备布置于支撑面上或者安装于支撑装置上，以及将所述基座布置于所 述支撑面或支撑装置上。
41. 如权利要求40所述的方法，其特征在，还包括，所述支撑面具有 大体上水平的固体表面。
42. 如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括，所述支撑面具 有非水平的表面。
43. —种用于附装至垂直轴的垂直轴线式转子，包括从该垂直轴向外 延伸的成对叶片，所述成对叶片包括至少两个平行的、分段式的、垂直的 螺旋形叶片，其中，所述成对叶片还包括多个水平地互锁的成对叶片段， 每个所述成对叶片段具有垂直的螺旋形扭曲。
44. 用于构造垂直轴线式转子的成套工具，所述转子包括垂直轴和多个成对叶片段，每个所述成对叶片段水平地互锁并具有垂直的螺旋形扭曲， 其中，所述成对叶片段的互锁形成从该垂直轴向外延伸的成对叶片，所述叶片段包括附装至所述垂直轴的至少两个平行的、7jC平分段的、垂直螺旋 形的叶片。
45. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成对叶片段还包括 从该成对叶片段上凸出的水平凸部。
全文摘要
公开了一种垂直的风力发电设备和转子设计，该设计采用独特的分段式桶形转子，并且容易由单个人来处理、运输、装配和维护。转子的叶片分成多个适度尺寸的成对叶片段，每个成对叶片段包括两个(或者可选地三个或四个)小高度的、螺旋形弯曲的叶片部分。所述成对叶片段优选地具有相同的高度和直径。转子安装于连接至发电机的中心垂直轴上。当所述多个叶片部分安装于所述设备的中心轴上时，整个叶片构型起到单一桶形转子的作用。气体流(通常为以风的形式存在的空气)导致所述分段式桶形转子运动，使得发电机的轴和旋转构件旋转，以使发电机发电。
文档编号F03D9/00GK101657636SQ200880011833
公开日2010年2月24日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者K·摩根, M·斯莱特里 申请人:螺旋风公司