一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法与流程

[0001]
本发明涉及一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法。


背景技术：

[0002]
风力发电设备是将风能转换为机械能、机械能再带动发电机转子旋转最终输出交流电或直流电的电力设备；风力发电机一般包括风轮(叶轮)、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等构件。
[0003]
目前，风能(水能)发电装置，其原理都是将作直线运动的风能(水能)转变为转轴上叶片作圆周运动带动中心轴旋转而发电，
[0004]
现有风电场中的三浆叶式风机，三片浆叶几乎处在同一空间平面上(也可称为x.y轴结构)，这种二维结构的浅纵深形式的风力发电装置，存在着风能(水能)利用率极低，以及制造与维护成本高等诸多问题。
[0005]
风能计算公式：
[0006]
e＝(p.t.s.v3)/2；
[0007]
p为空气密度，单位为千克/立方米；
[0008]
t为时间，单位为秒；
[0009]
s为截面面积，单位为平方米；
[0010]
v为风速，单位为m/s；
[0011]
上式中，在p,t,v为一定范围的小波动值时，为聚集更多流体能量，当面积s增大时，风机旋转叶片受到的流体正压力增大。因此，大型风电场中的风机至多只能有三片桨叶
[0012]
故此，本发明提供一种三维结构(也可称为x.y.z轴结构)的大纵深结构聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法。


技术实现要素：
：
[0013]
根据能量公式：e＝mv2/2
[0014]
当流体流速v为定值时，随着m值的增大，e值成正比而增大。而m值与流体的比重和体积正相关。
[0015]
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法，该聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法采用独特的三维聚集结构，这种三维结构的能源{风能水能}聚集装置在单位时间内可以最大化地聚集到流体的动能(与mv2对应),能显著提高流体能源{风能水能}的聚集效率。
[0016]
发明的技术解决方案如下：
[0017]
一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；
[0018]
旋转单元包括筒体、转轴(1)和设置在筒体内壁、外壁上的多片叶片(3)；转轴位于旋转筒体的轴心处；
[0019]
筒体为前端尺寸大于后端尺寸的筒体(4)，筒体前端的外直径大于筒体后端的外
直径；筒体的前端与后端内部相连通；转轴通过多个连接件(2)与筒体的内壁连接。
[0020]
外叶片是斜平板或曲面形外叶片，参见图1-4，以及图11；
[0021]
连接件为内叶片，内叶片为直板、斜板或曲面内叶片。具体的，内叶片的一端固接于转轴，另一端与筒体内壁固接。
[0022]
筒体前端的外直径与筒体后端的外直径的比例范围为1.3～2:1。比例也可以更大，如2～10:1。
[0023]
外叶片轴向后段的径向平均高度大于叶片前段的平均高度，外叶片为弧形叶片。
[0024]
外叶片为帆面；所述帆面的弦线与筒体轴线的夹角范围为5度～30度。
[0025]
优选的外叶片的几何形状为近似帆面弧形，帆面弧形的弦线与旋转筒体轴线相交夹角取值5度～30度，外叶片形状为帆面弧形，可以使流体沿轴向对叶片的压力分解为沿筒体旋转方向的分力，如图10，外叶片与筒体的交接线的前后两个端点为m和n，mn的连接线为直线，即弦线，a为弦线与轴线的夹角。
[0026]
外叶片的轴向长度大于筒体的长度。最大化地聚集利用风能或水能。
[0027]
旋转单元为单个或多个，旋转单元为多个时，多个旋转单元通过转轴直接对接或联轴器串联。
[0028]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，其特征在于，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0029]
旋转体由轴承座及轴承支撑。
[0030]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转系统，包括聚集装置，聚集装置与能量存储或转换装置相连；能量存储或转换装置可以是发电机，水泵，电池等；
[0031]
聚集装置为前述的用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置。
[0032]
一种用于聚集水能、风能的方法，使用前述的装置实现水能或风能的聚集。
[0033]
有益效果：
[0034]
本发明的聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统和方法，其核心在于沿旋转筒体轴向上纵深布置聚集风能或水能的叶片，具有以下特点：
[0035]
(1)旋转体具有前大后小的独特结构
[0036]
利用伯努利原理，由于旋转筒体(内部轴向空心)的前端口截面积大于后端口的截面积，流体通过旋转体的压力产生变化，在内叶片受力作用下，从而能提高旋转体的转速，增加能量转换效率。
[0037]
将原有在流体能量场中的一个截面利用流体能量(原有的桨叶风机只是通过3个叶片获取能量场中的一个截面的能量)转换成纵向一个区域(依托旋转体的纵向结构，整个纵向区域接收流体能量，且叶片个数可以设置为大于3个)均聚集利用能量。
[0038]
(2)内外双层叶片结构
[0039]
采用旋转筒体内外双层叶片结构，流体同时从旋转体外部叶片和内部叶片流过。
[0040]
(3)叶片沿旋转筒体轴线后端面积更大，可以最大化地聚集到流体能量场中的能量。
[0041]
采用这种结构，能最大可能地增大叶片与流体的接触面积，根据风能计算公式可知，可以提高能量的转换和利用效率。
[0042]
(4)分段累积，串联输出
[0043]
采用多个旋转体串联成为一个聚集风能的风能收集组，相比单个旋转体能进一步利用风能。
[0044]
(5)外叶片和连接件优先采用曲面(优选帆面)
[0045]
使得整个旋转体的所受到的流体正压力最小化，能保障风机的安全性的同时，能增加风机的发电效率。
[0046]
总之，这种聚集水能、风能的水平轴旋转体、装置、系统易于实施，能显著的提高风能或水能的聚集效率。
附图说明
[0047]
图1为连接件为直板的旋转体侧视图；
[0048]
图2为连接件为斜板的旋转体侧视图；
[0049]
图3为连接件筒体和外叶片的主视图；
[0050]
图4为聚集水能、风能的装置的结构示意图(外叶片为曲面)；
[0051]
图5为聚集水能、风能的装置的结构示意图(外叶片为直板)；
[0052]
图6为多个旋转体串联的结构示意图；
[0053]
图7为旋转体侧视图(外叶片后段高度大于前段高度)；
[0054]
图8为旋转体主视图(外叶片后段高度大于前段高度，未示出转轴)；
[0055]
图9为旋转体主视图(外叶片后段高度大于前段高度，未示出转轴，外叶片为板状)
[0056]
图10为弦线与轴线位置关系示意图；
[0057]
图11为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10片)；
[0058]
图12为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10片)；
[0059]
图13为旋转体的立体结构示意图之一(外叶片10片，连接件即内叶片10片)；
[0060]
图14为旋转体的前端结构示意图(外叶片10片，连接件即内叶片10片)；
[0061]
图15为旋转体的侧视图(外叶片10片，连接件即内叶片10片)。
[0062]
标号说明：1-转轴，2-连接件，3-外叶片，4-筒体，5-后端口，6-轴承座，7-外叶片与筒体交接线，8-轴线，9-弦线，图中箭头方向为风场方向，即风向。
具体实施方式
[0063]
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
[0064]
实施例1：
[0065]
旋转体以及风能水能收集装置(内外叶片均为帆面)
[0066]
本实施为优选实施例；
[0067]
旋转体以及风能水能收集装置(外叶片为弧形叶片，具体为帆面，旋转体内部的连接件为弧形叶片的情况，连接件的弧形叶片也为帆面)
[0068]
如图11-15，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；
[0069]
旋转单元包括筒体、转轴和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；
[0070]
筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。
[0071]
外叶片弧面，具体为帆面；连接件为弧形内叶片；外叶片和内叶片均为10片。
[0072]
筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2(具体为弧形内叶片，又称为帆面内叶片)与筒体的内壁连接。
[0073]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0074]
旋转体由轴承座及轴承支撑。
[0075]
实施例2：
[0076]
旋转体以及收集装置(旋转体内部的连接件为直板的情况)
[0077]
如图1,图3-5，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；
[0078]
旋转单元包括筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；
[0079]
筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。
[0080]
外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图1，3,4；
[0081]
筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2与筒体的内壁连接。
[0082]
连接件为直板，直板是指连接平板与轴线平行，参见图1。
[0083]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0084]
旋转体由轴承座及轴承支撑。
[0085]
实施例3：
[0086]
旋转体以及收集装置(旋转体内部的连接件为斜板的情况)
[0087]
如图2-5，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；
[0088]
旋转单元包括旋转筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；
[0089]
筒体的外形为圆筒形，筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。
[0090]
外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图1，3,4；
[0091]
筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2与筒体的内壁连接。
[0092]
连接件为斜直板，斜板是指连接平板与轴线具有一个非零的夹角；参见图2；作用就是流体穿过筒体内部时，也能在内叶片上产生转矩；
[0093]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0094]
旋转体由轴承座及轴承支撑。
[0095]
实施例4：
[0096]
旋转体以及聚集装置(外叶片为长叶片)
[0097]
如图7-11，一种聚集水能、风能的水平轴旋转体，包括旋转单元；
[0098]
旋转单元包括筒体、转轴1和设置在筒体外壁的多片外叶片3；转轴位于旋转筒体的轴心处，转轴与筒体的轴线重合；
[0099]
筒体前端的外直径大于筒体后端的外直径。
[0100]
外叶片可以是斜平板，参见图5，或曲面的外叶片，参见图7或8；
[0101]
筒体4的前端与后端连通；转轴通过多个连接件2(即内叶片，斜板，或弧形内叶片)与筒体的内壁连接。
[0102]
连接件可以是直板，直板是指连接平板与轴线平行；也可以是斜板，斜板是指连接平板与轴线具有一个非零的夹角；作用就是流体穿过筒体内部时，也能在内叶片上产生转矩；因此，连接平板优选斜板，或者弧形内叶片。
[0103]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0104]
旋转体由轴承座及轴承支撑。
[0105]
特点在于：外叶片后段的平均高度大于叶片前段的平均高度，即外叶片为宽叶片。这样，虽然筒体后端小，但是叶片后端更高，这样，外叶片的受风面积显著增大，可以有效增加风能的聚集效率。
[0106]
具体的，相对于实施例3，本实施例中，外叶片的轴向长度大于外筒体轴向的长度。这样可以进一步增加外叶片的受风面积，从而保障尽可能高的风能或水能的利用率；参见图9。
[0107]
实施例5：
[0108]
多个旋转单元串联(级联)；
[0109]
用于聚集水能、风能的水平轴旋转体，旋转单元为多个，由多个旋转单元通过转轴直接对接或联轴器串联而成。
[0110]
一种用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置，包括轴承座、轴承与前述的旋转体；
[0111]
参见图6，旋转体由2个或多个轴承座及轴承支撑。单个的旋转体参见实施例1-4。
[0112]
实施例6：
[0113]
一种用于集聚水能、风能的水平轴旋转系统，包括聚集装置，聚集装置与能量存储或转换装置相连；能量存储或转换装置可以是发电机，水泵，电池等；
[0114]
聚集装置为前述的实施例1-5的用于聚集水能、风能的水平轴旋转装置。
[0115]
实施例7：
[0116]
一种用于聚集水能、风能的方法，使用前述的实施例1-5的装置实现水能或风能的收集。