專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機葉片的模塊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機，更特別地涉及用于豎軸式風(fēng)力渦輪機的改良配置。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機必須不斷地增大尺寸以提供為風(fēng)力渦輪機工業(yè)設(shè)定的功率輸出目標(biāo)水平，從而與傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)手段競爭?？梢灶A(yù)見，橫軸式風(fēng)力渦輪機技術(shù)將在今后幾年達到頂峰，這主要是由于葉片的可行性限制及其對設(shè)備的影響。日益明顯的是，葉片的重量不與設(shè)備的尺寸和額定功率成比例。
本申請人多年來已經(jīng)確定了豎軸式風(fēng)力渦輪機強于傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的許多優(yōu)點。這種優(yōu)點包括消除了傳統(tǒng)橫軸式渦輪機葉片所經(jīng)受的周期性變應(yīng)力。盡管豎軸式水輪機經(jīng)受一些變化的空氣動力負載，但是合成應(yīng)力相對恒定并且不會隨渦輪機尺寸顯著增加。因此，豎軸式風(fēng)力渦輪機可以構(gòu)造得比可為橫軸式渦輪機構(gòu)想的尺寸更大。效率方面的任何微小差異不如它們在風(fēng)速較快運行、它們的規(guī)模經(jīng)濟以及每千瓦電生產(chǎn)成本的減小更重要。
豎軸式風(fēng)力渦輪機的幾種設(shè)計方案是已知的并已經(jīng)用于發(fā)電。本申請人的在先專利GB 2286637公開了一種豎軸式風(fēng)力渦輪機，其能夠安裝到現(xiàn)有工廠煙囪、混凝土塔或類似建筑物上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有改進葉片配置的豎軸式風(fēng)力渦輪機從而具有提高的效率。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一種用于豎軸式風(fēng)力渦輪機的葉片，該葉片具有包括至少兩個葉片部分的模塊結(jié)構(gòu)，每個部分具有上板和下板，并且所述上板和下板之間形成有空腔，一翼梁部分穿過該空腔延伸，一個葉片部分的翼梁部分可連接到另一個葉片部分的翼梁部分上，從而使所述葉片部分連接到一起。


現(xiàn)在將參照附圖以實例方式描述本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的風(fēng)力渦輪機的葉片部分的截面?zhèn)纫晥D；圖2是葉片的截面平面視圖，該葉片包括多個圖1中的葉片部分；圖3是中心芯子和張力管的透視圖，該中心芯子和張力管形成圖2中葉片的一部分；圖4是圖3的中心芯子的截面平面圖；圖5是圖2的葉片端帽的截面?zhèn)纫晥D；圖6是第一風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D，所述風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)安裝在墻壁上；圖7是第二風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D；圖8是圖7的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖9是第三風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D；圖10是第四風(fēng)力渦輪機結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D；圖11是圖10的結(jié)構(gòu)的平面圖。
具體實施例方式
圖1顯示了按照本發(fā)明構(gòu)造的風(fēng)力渦輪機葉片部分10的截面視圖。
該葉片部分10包括上、下拉擠板12、14，所述拉擠板在它們的端部接合以提供位于其間的空腔16。翼梁18沿葉片部分10的長度在空腔16內(nèi)延伸。翼梁18朝向位于上、下拉擠板12、14之間的空腔16的一側(cè)定位。上拉擠板12圍繞翼梁18并在其上方延伸以加寬位于該點處的空腔16。兩個張力管20、22沿葉片部分10的長度延伸，位于翼梁18一邊一個。
一個張力管20位于空腔16的一端，使得該張力管20形成位于該端部的上、下板12、14的接合部的一部分。另一個張力管22朝向空腔16的另一端定位，但是在這里，板12、14延伸超過張力管22以形成葉片結(jié)構(gòu)的后緣24。
翼梁18在直徑上大于張力管20、22。張力管20、22具有通常相等的直徑。翼梁18和張力管20、22由卷繞碳纖維管的絲或帶形成。
葉片部分10的輪廓，以及因此由多個相連的葉片部分制成的風(fēng)力渦輪機葉片的輪廓由上、下板12、14在翼梁18和張力管20、22上面延伸的方式界定。位于板12、14之間的空腔16內(nèi)的空間充滿泡沫材料。
葉片輪廓設(shè)計成能提供高升力。
高升力的特征包括小半徑前緣，通常平坦、或略微彎曲的下側(cè)，通常隆起的背部，以及延伸的后緣，所述后緣在翼弦線(cord line)下面延伸。
圖2顯示了由多個相連的葉片部分10構(gòu)造而成的葉片26。葉片部分10以這樣的方式連接在一起使得翼梁18和張力管沿葉片26的整個長度連續(xù)延伸。每個葉片部分10具有多個橫向延伸肋28，其由玻璃纖維或類似材料制成以給每個部分10以及整個葉片結(jié)構(gòu)26提供強度。
現(xiàn)在將參照圖3、4對每個葉片部分10的翼梁18連接在一起的方式進行描述。
如從這些圖中可以看出的，每個葉片部分10的翼梁18由空心管狀結(jié)構(gòu)形成，該空心管狀結(jié)構(gòu)具有主要部分30和端部32，所述主要部分30具有均勻的直徑，所述端部32具有減小的直徑。主要部分30的一端具有內(nèi)部管狀槽34，其直徑等于端部32的外徑(參見圖4)。這允許相鄰葉片部分10的相鄰翼梁18的端部定位在主要部分30的槽34中。翼梁部分18的端部32可以是錐形的。
每個葉片部分10的板12、14的寬度等于在這些板12、14之間延伸的翼梁18的主要部分30的長度，使得當(dāng)相鄰部分10的兩個翼梁18以上述方式連接在一起時，兩個相連葉片部分10的板12、14的邊緣彼此抵靠齊平。連接機構(gòu)還確保了張力管20、22被對準。
葉片26的末端葉片部分10具有連接到其上的端帽36。端帽36包括具有翼梁38的半圓形板，所述翼梁38部分地延伸進入空腔40，該空腔40由端帽36的結(jié)構(gòu)形成。翼梁38以上述方式連接到末端葉片部分10的相鄰翼梁18上。張力管22、24圍繞端帽36延伸以提供連續(xù)環(huán)。端帽36可以包括閃光燈標(biāo)以給超低空飛行飛機提供存在風(fēng)力渦輪機以及葉片10到達高度的警告。
一旦整個葉片26構(gòu)造完成(葉片26的長度僅由連接在一起的葉片部分10控制)，受拉纜索(未顯示)通過張力管20、22進入，該纜索隨后張緊以提供橫跨整個葉片26的用于強度的拉應(yīng)力。張力管20、22還有助于防止在使用中葉片26的扭曲。
葉片輪廓可以包括例如在飛機工藝學(xué)中已知的其他特征以提供高升力。
葉片26例如可以結(jié)合前緣縫翼，借此，具有減少的繩索的翼型截面(aerofoil section)(當(dāng)與主要翼型截面相比時)連接到導(dǎo)致空氣動力特性改變的主葉片的前緣上，從而增大葉片結(jié)構(gòu)26的升力系數(shù)。
葉片26可以結(jié)合后緣縫翼，其連接到葉片26的后緣24上以提供如同上述一般的升力。
在另一個實施例(未顯示)中，葉片26可以結(jié)合前緣襟翼和后緣襟翼。
葉片26可以結(jié)合端板或尖翼。連接到葉片26端部上的端板具有比葉片26更大的橫截面輪廓，并有助于湍流空氣在其流過葉片26末端時的控制。
現(xiàn)在將參照圖6-11對帶有葉片26的風(fēng)力渦輪機的各種結(jié)構(gòu)進行描述，所述葉片具有上文詳細描述的形狀和結(jié)構(gòu)。
圖6中以橫截面顯示的第一個結(jié)構(gòu)為壁裝式布置。這里，例如現(xiàn)有工廠煙囪、混凝土塔或類似結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)40具有固定在其上的周向軌道42。軌道42通過混凝土環(huán)梁44固定到支撐結(jié)構(gòu)40上，所述環(huán)梁圍繞支撐結(jié)構(gòu)40延伸。該混凝土環(huán)梁44具有隔開的上、下支撐梁46、48。軌道42從環(huán)梁44的每個支撐梁46、48的端部向內(nèi)延伸。支撐梁46、48通過懸臂框架50安裝到支撐結(jié)構(gòu)40上。轉(zhuǎn)子臂環(huán)52連接到支撐輥子56上，所述轉(zhuǎn)子臂環(huán)52攜帶具有如上所述形狀和結(jié)構(gòu)的葉片臂54，所述支撐輥子56連接到軌道42上從而允許轉(zhuǎn)子臂環(huán)52、以及渦輪機葉片56圍繞軌道42，并因此圍繞支撐結(jié)構(gòu)40進行旋轉(zhuǎn)運動。
阻尼動力移送臂58從轉(zhuǎn)子臂環(huán)48朝向支撐結(jié)構(gòu)向內(nèi)延伸。移送臂58的遠端攜帶第一線圈60，該第一線圈60背離周向安裝到支撐結(jié)構(gòu)40上的第二固定線圈62。
圖7和8顯示了可選結(jié)構(gòu)。這里，圍繞支撐結(jié)構(gòu)40的表面設(shè)置有第二軌道64。轉(zhuǎn)子環(huán)臂52通過界面連接臂66連接到第二軌道64上，所述界面連接臂66沿著其長度的主要部分攜帶有永久磁鐵68。固定線圈70嵌入到環(huán)梁44的支撐梁46、48的內(nèi)表面中，而不是圍繞支撐結(jié)構(gòu)40安裝。
支撐結(jié)構(gòu)可以具有煙道72，如從圖8中可以看出的。
在圖9的結(jié)構(gòu)中，固定線圈70嵌入到環(huán)梁44的下梁48的內(nèi)表面中。第二軌道64圍繞下梁48的內(nèi)表面在固定線圈70的兩側(cè)延伸。攜帶線圈60的動力移送臂58經(jīng)輥子74連接到軌道64上以允許動力移送臂58圍繞第二軌道60旋轉(zhuǎn)。同時，轉(zhuǎn)子臂環(huán)52和葉片臂54圍繞第一軌道42旋轉(zhuǎn)，所述第一軌道42從混凝土環(huán)梁44的上、下梁46、48的端部向內(nèi)延伸。
圖10和11的結(jié)構(gòu)使用流化床布置。這里，固定線圈70位于流化床76內(nèi)部，該流化床76安裝在環(huán)梁44的下梁48的內(nèi)表面上。攜帶于動力移送臂58的遠端上的永久磁鐵60位于一攜帶浮子78的結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得該結(jié)構(gòu)漂浮在流化床76上方以將永久磁鐵60保持在固定線圈70的正上方。流化床76內(nèi)部的流體給使用中的系統(tǒng)提供冷卻。
在每個結(jié)構(gòu)中，上、下環(huán)梁46、48起到定子和發(fā)電機的作用以提供和儲存電能。迄今為止，通過實驗人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在環(huán)梁之間提供大約2-20毫米的間隙可以達到最佳結(jié)果。
應(yīng)當(dāng)理解，前述結(jié)構(gòu)只是風(fēng)力渦輪機組件可以安裝到例如煙囪或塔的支撐結(jié)構(gòu)上的方式實例。例如，盡管所述結(jié)構(gòu)提到線圈，但是很明顯它們可以被永久磁鐵所代替。
支撐結(jié)構(gòu)上可以安裝任何數(shù)量的葉片。優(yōu)選地，安裝有奇數(shù)個葉片。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了使渦輪機以最大效率工作，每個葉片應(yīng)當(dāng)以負節(jié)距或以負固定角安裝到支撐臂上。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5°-25°，更特別地是約20°的負角提供了最有效的結(jié)果。
上面描述的實施例僅以實例的方式給出，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將自然地認識到在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對其進行許多變形。
權(quán)利要求
1.一種用于豎軸式風(fēng)力渦輪機的葉片，該葉片具有包括至少兩個葉片部分的模塊結(jié)構(gòu)，每個部分具有上板和下板，并且所述上板和下板之間形成有空腔，一翼梁部分穿過該空腔延伸，一個葉片部分的翼梁部分可連接到另一個葉片部分的翼梁部分上，從而使所述葉片部分連接到一起。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片，其中，每個部分的翼梁朝向位于上、下板之間的空腔的一側(cè)定位。
3.如權(quán)利要求1或2所述的葉片，其中，每個葉片部分還包括位于翼梁兩側(cè)的兩個張力管部分，受拉纜索可以穿過所述張力管延伸，所述葉片部分的每個張力管部分可與另一個葉片部分的相應(yīng)的張力管部分相連。
4.如權(quán)利要求3所述的葉片，其中，所述張力管部分中的一個位于所述空腔的一端，使得所述管部分形成位于該端部處的上、下板的接合部的一部分。
5.如權(quán)利要求4所述的葉片，其中，每個葉片部分的另一個張力管部分朝向所述空腔的另一端定位，其中，所述上、下板延伸超過該管部分以形成葉片結(jié)構(gòu)的后緣。
6.如權(quán)利要求1-5中任意一項所述的葉片，其中，所述葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由空間充滿有泡沫材料。
7.如權(quán)利要求1-6中任意一項所述的葉片，其中，每個葉片部分都具有至少一個橫向延伸肋。
8.如權(quán)利要求7所述的葉片，其中，每個葉片部分的所述肋或每個肋由玻璃纖維或類似材料制成。
9.如權(quán)利要求1-8中任意一項所述的葉片，所述葉片具有末端葉片部分，該末端葉片部分具有連接到其上的端帽。
10.如權(quán)利要求9所述的葉片，其中，所述端帽包括張力管部分以提供沿所述葉片的連續(xù)環(huán)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的葉片，其中，所述端帽具有位于其上的燈。
12.如在先任意一項權(quán)利要求所述的葉片，其中，所述葉片的輪廓設(shè)計成能提供高升力和低阻力。
13.一種風(fēng)力渦輪機組件，包括安裝到支撐結(jié)構(gòu)上的至少一個根據(jù)在先任意一項權(quán)利要求所述的葉片，其中，所述葉片或每個葉片以負固定角安裝到所述支撐結(jié)構(gòu)的支撐臂上。
14.如權(quán)利要求13所述的風(fēng)力渦輪機組件，其中，所述葉片或每個葉片以5°-25°的負固定角安裝。
全文摘要
一豎軸式風(fēng)力渦輪機包括具有模塊結(jié)構(gòu)的葉片，所述葉片包括至少兩個可連接的葉片部分。每個部分具有上、下板，并且在它們之間形成有空腔，一翼梁穿過該空腔延伸。
文檔編號F03D1/06GK101014766SQ200580028827
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月12日
發(fā)明者史蒂文·皮斯, 保羅·馬什 申請人:史蒂文·皮斯, 保羅·馬什