一种用于垂直轴风力涡轮机的转子的制作方法

本发明涉及到一种用于垂直轴风力涡轮机的转子。

背景技术：

相比于水平轴风力涡轮机(horizontalaxiswindturbines，hawts)，垂直轴风力涡轮机(verticalaxiswindturbines，vawts)具有许多固有的优势。事实上，这些优势包括：垂直轴风力涡轮机可以有效地从任何水平方向进风，而不必面向进风。它们还能够驱动具有固定旋转轴的发电机，这意味着这种发电机不必构造成承受偏航力(与水平轴风力涡轮机一样)，并且发电机可以更方便地被定位而进行维修(例如安装在地面上，由直接安装在发电机上方的垂直轴风力涡轮机驱动)。

然而，垂直轴风力涡轮机的总体效率通常低于水平轴风力涡轮机，这意味着对于给定的扫掠区域，垂直轴风力涡轮机通常比水平轴风力涡轮机将更少的风能转换为机械能或电能。

为了改善这种转换效率，已经提出了许多不同的转子设计和叶片形状，以用于垂直轴风力涡轮机。典型的“高效”叶片形状基本上是翼型，依靠风在快速旋转的叶片上扫掠而产生的升力，从而从风中获取能量。这种涡轮机的示例是达雷乌斯(darreius)涡轮机或戈洛夫(gorlov)涡轮机。然而，这些设计的构造成本相对较高，并且通常不是“自启动”的，因此需要外部装置(例如电动机)来启动旋转，直到叶片达到“提升模式”为止。由于它们的高旋转速率，这种叶片在使用中还经受高疲劳力，导致叶片过早失效。

还存在另一系列的垂直轴风力涡轮机的叶片设计，其通常由两个或三个叶片壳或“斗(buckets)”组成，叶片的横截面通常为半圆形，并且叶片由片状材料制成。这种叶片通常以原始发明者西格德·约翰内斯·萨沃纽斯(sigurdjohannessavonius)命名(例如参见申请号为1,697,574的美国专利)，称为萨沃纽斯型叶片。通过叶片上的升力和曳力的组合，从风力中提取能量。萨沃纽斯型和相关的垂直轴风力涡轮机的最大效率往往比纯翼型叶片低，但通常可以从任何方向通过风力自动启动(因此不需要外部启动器)，并且更简单，构造更便宜，而且与darreius型或类似的垂直轴风力涡轮机相比，在强风中更坚固。图1a(申请号为5,494,407的美国专利)示出了由阿尔文·贝尼什(alvinbenesh)设计的转子，该转子具有此类涡轮机的最高效率之一。该转子为两叶设计，包括特征性的平坦且侧面平行的中央部分。尽管易于制造并且相对高效，但是这种叶片的缺点是，当叶片在风中转动时，扁平部分看起来非常明显(特别是如果叶片材料甚至具有轻微反射性)，使得使用此类涡轮时视觉“闪烁”非常明显。此外，平坦且侧面平行的中央部分更容易在强风中弯曲，从而限制了设计的坚固性。包括诸如图1b(从申请号为4,715,776的美国专利中获得的)中所示的弯曲部分的已知设计可以克服上述限制，但是其效率较低。

技术实现要素：

因此，为了解决上述一些或全部问题，期望提供一种用于垂直轴风力涡轮机的转子。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于垂直轴风力涡轮机的转子，包括：彼此连接并且布置为绕轴线旋转的第一叶片和第二叶片；其中，第一叶片和第二叶片相对于彼此间隔180°设置并且在径向上偏离轴线。其中，每个叶片的内边缘与相对的叶片的外边缘径向向内隔开，以形成沿相反方向开设的、沿直径相对的一对开口；其中，第一叶片和第二叶片中的每一个包括第一弯曲部分和第二相对弯曲部分，第一弯曲部分和第二弯曲部分通过拐点隔开；并且其中，第一叶片和第二叶片的第一弯曲部分和第二弯曲部分彼此重叠，以在第一叶片和第二叶片之间形成在开口之间延伸的通路；其中，第一弯曲部分和第二弯曲部分中的每一个的曲率半径大于或等于由第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径。

第一弯曲部分和第二弯曲部分中的每一个的曲率半径可大于或等于由叶片扫掠的圆柱体的半径。

通路沿其长度可具有均匀的宽度。

第一叶片的拐点和第二叶片的拐点可形成穿过旋转轴线的线。

第一弯曲部分的曲率半径可大于第二弯曲部分的曲率半径。

第一弯曲部分的曲率半径和第二弯曲部分的曲率半径之间的差可与叶片之间的距离对应。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1倍至4.5倍之间。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.5倍至4.5倍之间。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.6倍至3.1倍之间。

第一弯曲部分的曲率半径可以是第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.84倍。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在1r和3.5r之间，其中，r是叶片扫掠的圆柱体的半径。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在1.2r和3.3r之间。

第一弯曲部分的曲率半径可以是在1.3r和2.3r之间。

第一弯曲部分的曲率半径可以是1.45r。

第二弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1倍至4.5倍之间。

第二弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.1倍至4倍之间。

第二弯曲部分的曲率半径可以是在第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.2倍至2.7倍之间。

第二弯曲部分的曲率半径可以是第一弯曲部分扫掠的圆柱体的半径的1.44倍。

第二弯曲部分的曲率半径可以是在0.9r和3r之间。

第二弯曲部分的曲率半径可以是在1r和2r之间。

第二弯曲部分的曲率半径可以是1.13r。

叶片之间可以相隔0.25r和0.4r之间的距离。叶片之间可以相隔0.32r的距离。

每个叶片可包括从外边缘朝向第一弯曲部分延伸的外部部分，该外部部分绕转子周向延伸。

外部部分的弧长可以是在10度和25度之间。外部部分的弧长可以是17度。

外部部分可以通过过渡部分连接到第一弯曲部分，该过渡部分的曲率半径可以是在0.1r和0.5r之间。

过渡部分的曲率半径可以是0.3r。

内边缘可位于距旋转轴线0.5r至0.8r之间的距离处。内边缘可位于距旋转轴线0.65r的距离处。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的转子和联接至转子的发电机的涡轮机。

附图说明

为了更好地理解本发明，并更清楚地显示本发明如何实施，现在将以举例的方式参考附图，其中：

图1a和图1b示出了现有技术的转子设计；

图2是根据本发明实施例的转子的透视图；

图3是示出了为清楚起见而去掉了端盖的转子叶片的透视图；

图4是转子的剖视图；

图5至图10描绘了叶片形状的几何描写；

图11是根据本发明另一实施例的转子的透视图；

图12a和图12b示出了将转子的性能与图1a所示的现有技术的转子设计进行比较的曲线图；

图13示出了第一重叠部分的扫掠半径的示意图；以及

图14示出了示例性的转子轮廓及其相对于图1a的现有技术的转子的性能的表格。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的实施例的转子2。转子通常包括彼此平行的一对圆形端盖4a和4b，如此，圆形端盖4a和圆形端盖4b的中心在公共轴线上对齐，但是由在端盖4a和端盖4b之间延伸的一对叶片6a和6b隔开。转子2具有半径r和高度h。端盖4a和端盖4b中的每一个设有轴8a(端盖4b的相对轴在图2中不可见)，轴8a使转子2能够通过合适的轴承可旋转地安装。

如图3和图4所示，叶片6a和叶片6b基本相同，但是叶片6a和叶片6b中的一个绕轴线10相对于另一个旋转180度，并且叶片6a和叶片6b在相对的径向方向上偏离轴线10相等的距离。

现在将描述叶片6a的特征；然而，应当理解的是，叶片6b包括由相同的附图标记表示的相应特征，但是使用基本的符号来区分。

刀片6a包括外边缘12和内边缘14。在外边缘12和内边缘14之间，刀片6a的轮廓这样地成型：以依次形成外部部分16、过渡部分18、第一重叠部分20和第二重叠部分22。

如图所示，外部部分16遵循端盖4a和端盖4b的曲率，因此沿周向延伸并且具有曲率半径r。因此，外部部分16和外边缘12位于半径为r的圆上。叶片6a在过渡部分18上朝着轴线10向内弯曲。第一重叠部分20和第二重叠部分22均是弯曲的，但是是沿相反的方向弯曲，因此可以被认为一个是凸起的而另一个是凹入的。因此，第一重叠部分20和第二重叠部分22由拐点24隔开并且形成s形或反曲(sigmoidal)(尽管不一定是根据数学定义的)的曲线。第一重叠部分20的曲率半径大于第二重叠部分22的曲率半径。叶片6a终止于内边缘14，该内边缘14位于端盖4a和端盖4b的边缘的径向内侧。

如上所述，叶片6a和叶片6b相对于彼此旋转180度，并且在相对的径向方向上以相等的距离偏离。通过这种布置，边缘的叶片6a和叶片6b的内边缘14和14'与相对的叶片6a和叶片6b的外部分16和16'向内隔开，以形成两个开口26a和26b，该开口26a和26b们彼此径向相对，并且朝相反的方向开设。每个叶片6a和叶片6b的外部部分16和16'在周向上突出超过相对的叶片6a和叶片6b的内边缘14和内边缘14'。第一叶片6a的第一重叠部分20和第二重叠部分22与第二叶片6b的第一重叠部分20'和第二重叠部分22'重叠并且彼此平行。因此，第一重叠部分20、第二重叠部分22、第一重叠部分20'和第二重叠部分22'限定了具有均匀宽度的通道或通路28，该通道或通道28连接位于两端的第一开口26a和第二开口26b。因此，通路28也具有s形或反曲(sigmoidal)的曲线。第一叶片6a和第二叶片6b的拐点24和24'位于通路28的相对侧上并与轴线10成一直线。

转子2的几何形状将在下面参考图5至图10进一步描述，图5至图10示出了叶片6a和叶片6b的几何构造。

首先参考图5，为了提供叶片的构造线和各部分的参考位置，首先相对于半径为r的圆限定四个点，该圆本身限定转子2及其扫掠圆柱体的横截面形状。

具体的：

·a点在圆的中心；

·b点位于圆内，距a点水平偏移0.65r；

·c点位于圆内，距a点水平偏移0.7r；以及

·d点位于圆外，距a点的距离为1.29r，距c点的距离为1.15r。

可以看出，a点至d点全部位于三角形上，该三角形边长为0.7r、1.29r和1.15r。a点、c点和d点是该三角形的顶点，而b点位于该三角形的最短边(即，直接在a点和c点之间)，b点与a点相距0.65r。

如图6所示，限定了穿过a点和d点的构造线e，并且限定了穿过b点和d点的构造线f。第二叶片6b的第二重叠部分22'形成为圆弧，该圆弧半径为1.13r，以d点为中心，并且位于构造线e和构造线f之间(如此，第二重叠部分22'在与a点最接近的点上与a点相距0.16r)。

如图7所示，限定了穿过c点和d点的另一构造线g。第一叶片6a的第一重叠部分20形成为圆弧，该圆弧半径为1.45r，也以d点为中心，但位于构造线e和构造线g之间(如此，第一重叠部分20在与a点另一侧最接近的点上与a点另一侧相距0.16r)。

如图8所示，限定了穿过a点、b点和c点的另一构造线h。第一叶片6a的过渡部分18形成为圆弧，该圆弧半径为0.3r，以c点为中心，位于构造线g和构造线h之间，从而与第一重叠部分20相连。

如图9所示，限定了穿过a点的、与线h呈17°角(图9中的θ)的另一构造线i。外部部分16形成为圆弧，该圆弧半径为r，位于构造线h和构造线i之间，从而与过渡部分18相连。

上述步骤共同限定了转子2的一半的横截面形状。如图10所示，可以将如上所述而形成的部分中的每一个绕a点旋转180°以形成如上所述并如图4所示的叶片6a和叶片6b的其余部分。

尽管上面将端盖4a和端盖4b描述为圆形，但是它们可以变窄以更紧密地跟随由第一叶片6a和第二叶片6b形成的包络(envelope)。例如，如图11所示，端盖可以是体育场形状的。转子2还可包括内部支架或外部支架，以维持叶片6a和叶片6b之间的关系。将理解的是，本文中所指的半径r是由叶片6a和叶片6b扫掠的圆柱体的半径，而不是超过扫掠区域半径的端盖4a和端盖4b的半径。

在使用中，转子2可以联接至用于从风力中发电的发电机等。可替代地，转子2可以联接至泵并执行机械功。

图12a和图12b提供了转子2与具有相等高度和相等直径的、如图1a所示的现有技术的转子的性能比较。这些数据是通过带有转子2的涡轮机以及根据图1a的带有转子的涡轮机在6m/s至12m/s的风速下进行的风洞测试提供的。两台涡轮机均承受相同的载荷。

结果表明，与图1a所示的较高效率的设计相比，转子2在空载条件下的转速和负载下的功率输出(在这种情况下，由电力发电机)具有显著地提升。空载时转速的平均提升(在测试的风速范围内)为12.65％(最大提升为15.8％)，而负载时功率输出的平均提升为10.55％。

本设计的形状优化了叶片上的扭矩，从而优化了叶片整个旋转过程中的功率输出：这被认为是由于叶片的增强的外部翼型形状，特别是由于凸起部分20和凸起部分20'的位置，它们相对于旋转轴线而定位，以便当叶片的取向(例如，如图8中的构造线h的方向所示)在平行于风向的任一侧的范围内时，它们将提升力最大化，同时叶片之间的内部通道的均匀宽度将由于流过该通道的空气的膨胀/压缩而造成的湍流和损失最小化，从而使该流动更容易平衡开口26a和开口26b处的压力，增强气流并在对外的叶片表面上抬升，从而在旋转过程中提供额外的推力。叶片形状还引导空气，以便于在叶片相对于入射风向的所有角度上，产生基于升力和/或阻力的自启动，以及基于凹入部分22和凹入部分22'而有效增加的“斗(bucket)”尺寸，在例如叶片承受来自电力发电机的重外部负载时，由于在较低的叶尖速度比(叶片叶尖速度与风速之比)下的阻力而增加扭矩。这些特性意味着叶片在宽范围的工作条件下产生高扭矩，从而使叶片更加通用，因此与先前的设计相比具有更多优势。

如上所述，本发明的转子提供了明显更高的效率，同时还提供了更高的抗弯曲性和减小的闪烁强度。这些改进是由于使用了叶片的s形中心(即靠近旋转轴)部分而引起的。

将理解的是，上述叶片形状代表优选实施例，但是在本发明的范围内也可能有其他实施例，并且仍然在性能上提供可测量的改进(例如，相对于图1a中所示的叶片)。

特别地，已经发现的是，第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径均大于或等于第一重叠部分20的扫掠半径(即参考如图13所示的c1扫掠，在第一重叠部分的径向最外侧c1点的扫掠半径)，对于具有这样的第一重叠部分和第二重叠部分的转子而言，可以获得改进的性能。此外，已经发现的是，第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径均大于或等于叶片扫掠的圆柱体r，对于具有这样的第一重叠部分和第二重叠部分的转子而言，甚至可以获得更好的性能。

作为说明，图14提供了转子在具有第一重叠部分和第二重叠部分的不同曲率下的比较，以及它们与如图1a(贝尼什(benesh))所示的具有平坦且侧面平行的中央部分的转子的性能的比较。在示例j中，第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径均小于第一重叠部分20的扫掠半径(分别为0.94和0.57)，并且小于由叶片扫掠的圆柱体的半径r(分别为0.82和0.5)。这种性能明显差于图1a的贝尼什(benesh)转子。

增加第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径可改善性能(请参见示例i)；但是，当第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径均大于第一重叠部分20的扫掠半径时，可看到相比于贝尼什(benesh)转子的显着改进。特别的，示例h的功率输出比贝尼什(benesh)转子提升了3％。

当第一重叠部分和第二重叠部分的曲率半径均不仅大于第一重叠部分20的扫掠半径，而且均大于由叶片扫掠的圆柱体的半径r时，还可以看到提高的改进。特别的，示例g的输出功率比贝尼什(benesh)转子提升了9％。

如图所示，通过上述转子2(示例f)的几何形状可看到最佳性能。对于较大的半径，仍然可以看到显著的改进，但是当第二重叠部分的曲率半径增大到超过3r并超过c1扫掠的4倍(即，超出示例b)时，性能开始恢复到benesh转子的性能水平，并且开始近似于贝尼什(benesh)转子的平坦且侧面平行的中央部分。

因此，第一重叠部分20和第一重叠部分20'可以具有不同于上述曲率半径(1.45r，或1.45r到c1扫掠的1.84倍)的曲率半径。例如，第一重叠部分20和第一重叠部分20'的曲率半径可以是c1扫掠的1倍至4.5倍之间(优选在1.5倍至4.5倍之间，更优选在1.6倍至3.1倍之间)，或者就扫掠半径而言，扫掠半径可以在1r和3.5r之间(优选在1.2r至3.3r之间，更优选在1.3r至2.3r之间)。同样地，第二重叠部分22和第二重叠部分22'可以具有不同于上述曲率半径(1.13r，或1.13r到c1扫掠的1.44倍)的曲率半径。例如，第二重叠部分22和第二重叠部分22'的曲率半径可以是c1扫掠的1倍至4.5倍之间(优选在1.1倍至4倍之间，更优选在1.2倍至2.7倍之间)，或者就扫掠半径而言，扫掠半径在0.9r和3r之间(优选在1r至2r之间)。此外，尽管已经将叶片之间的间隔描述为0.32r，但是可以与此不同。例如，间隔可以在0.25r和0.4r之间。叶片之间的间隔可以对应于(即等于)第一弯曲部分的曲率半径与第二弯曲部分的曲率半径之差。同样地，过渡部分18不必具有0.3r的曲率半径。例如，过渡部分18可以具有在0.1r和0.5r之间的曲率半径。

此外，由内边缘14和内边缘14'限定的开口26a和开口26b的尺寸可以与所示的不同。特别的，尽管内边缘14和内边缘14'已被描述为位于大约0.65r处，但是可以在例如0.5r至0.8r之间的距离处。

尽管外部部分16已经被描述为大致符合转子的周长，但这不是必须的，外部部分16可以偏离圆弧。此外，外部部分16可以具有与上述的17度弧度不同的长度。例如，它可以在10度到25度之间的弧上延伸。

还应当注意的是，叶片的弯曲部分不必是圆弧。例如，这些部分中的一个或多个可以遵循其他规则曲线(例如抛物线)或可以具有以任何非均匀方式变化的曲率。

本发明不限于本文描述的实施例，并且可以在不脱离本发明的保护范围的情况下进行变化或修改。