專利名稱：具有對立旋轉葉片的風力設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有兩組對立(counter)旋轉葉片的風力設備(或風力渦輪機)。 更具體地，本發(fā)明涉及一種裝配有發(fā)電裝置的風力設備，該發(fā)電裝置具有定子和相對于彼此在相反方向上旋轉的轉子。風力渦輪機進一步裝配有與葉片共同操作的前鼻構件(nose piece)，以通過使設備適應風向和/或影響葉片的旋轉速度來改進性能。
背景技術：
已經在許多應用中使用風力設備(也叫做風車或風力渦輪機)，包括抽水、研磨谷物和發(fā)電。對于所有這些應用，都希望改進設備的性能。對于水平軸風力渦輪機(HAWT)，重要的是，該設備包括使之適應風向的裝置。雖然實現此目的的一種方法是通過對葉片后部的渦輪機添加一尾部，可將尾部暴露于葉片尾流中的湍流，并使尾部減慢以對風向的小變化作出反應。因此，希望通過提供一種操作設備的方法來改進性能，該方法包括使設備適應風向，不希望使用尾部。風力渦輪機所遇到的一個問題是，在非常大風的條件期間，必需防止無法接受的高轉速。雖然實現此目的的一種方法是通過對設備添加一制動裝置，但這對設備帶來了機械復雜性和潛在的故障模式。因此，希望通過提供一種操作設備的方法來改進性能，該方法包括限制葉片的最大轉速。風力發(fā)電設備所遇到的另一問題是，在設備不停機便可開始發(fā)電之前所需的相對較高的最小速度。希望通過降低從設備獲得給定電輸出所需的最小風速來改進性能。許多工業(yè)規(guī)模的風力渦輪機所遇到的又一問題是，缺乏圍繞其豎直軸線完整旋轉 (360° )以適應風向變化的能力。雖然希望提供這種完整旋轉，但是，例如電力線的扭曲的因素通常使得此選擇是難以獲得的。相關的副作用是，處于其旋轉運動的極限的渦輪機有時會缺乏保持適應風向的能力，結果可能鎖定在不發(fā)電位置中，沒有返回到風中的能力。因此，希望提供一種能夠圍繞其豎直軸線進行完整的360°旋轉運動的風力設備。希望以低成本且可靠的方式實現這些改進。因此，存在改進風力設備的需求，該風力設備解決了現有技術中的部分或所有這些不足和/或實現了部分或所有上述期望的改進。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供了一種具有后部和適應風向的前部的風力設備，該設備包括前鼻構件；第一組葉片，位于鼻構件的后方，第一組葉片圍繞水平軸線在第一方向上旋轉；以及第二組葉片，位于第一組葉片的后方，第二組葉片圍繞水平軸線在第二方向上旋轉，第二方向與第一方向相反。第一和第二組葉片均可與發(fā)電機操作地連接，以產生電力。鼻構件可以與第一和第二組葉片共同操作，以通過使設備定向和/或通過影響第一和第二組葉片的旋轉速度來改進性能。鼻構件的形狀通?？梢允清F形的。鼻構件可以包括鈍的前末端，該末端可以是圓形的末端和/或可以包括基本上半圓形的頂部。鼻構件可以包括截錐體和鈍的前末端。截錐體可以具有第一端或前端(其具有第一直徑)以及后端或第二端(其具有比第一直徑大的第二直徑)。第一直徑與第二直徑之比可以在從0. 05到0. 45的范圍內，優(yōu)選地從0. 10到 0. 30，更優(yōu)選地從0. 12到0. 25，再優(yōu)選地從0. 15到0. 20。截錐體可具有一定長度，并且， 該長度與第二直徑之比可以從1到3，優(yōu)選地從1. 25到2. 5，更優(yōu)選地從1. 5到2. 0。第一組葉片可具有一定直徑，并且，第一組葉片 的直徑與截錐體的第二直徑之比可以從2到7， 優(yōu)選地從2. 25到6，更優(yōu)選地從2. 5到5，再優(yōu)選地從2. 75到4，甚至更優(yōu)選地從3到3. 5。 鈍的前末端可以具有一定長度和直徑，該直徑等于截錐體的第一端的直徑。鈍的前末端的長度與鈍的前末端的直徑之間的比例可從0. 1到1. 5，優(yōu)選地從0. 2到1. 0，更優(yōu)選地從0. 3 到0. 7，甚至更優(yōu)選地從0. 4到0. 6，進而更優(yōu)選地從0. 51到0. 59。截錐體可以具有稍微橢圓形的橫截面形狀，其中，橢圓形的長度(長軸)水平地定向，且橢圓形的寬度(短軸)豎直地定向。橢圓形的長度比橢圓形的寬度大至15%，優(yōu)選地大至10%，更優(yōu)選地大5%至10%。為了確定設備的相對尺寸之間的比例，可利用橢圓形的長度和寬度的平均值來確定第一或第二端的直徑。第二組葉片具有的直徑可等于第一組葉片的直徑。替代地，第二組葉片具有的直徑可大于第一組葉片的直徑。第一組葉片可包括至少五個葉片，優(yōu)選地包括5至15個葉片， 更優(yōu)選地包括6至13個葉片，再優(yōu)選地包括7至12個葉片。第二組葉片可包括至少五個葉片，優(yōu)選地包括5至15個葉片，更優(yōu)選地包括6至13個葉片，再優(yōu)選地包括7至12個葉片。第一和/或第二組葉片可各自包括從5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15個葉片中獨立選擇出的多個葉片。第一和第二組中的葉片的數量可以相等，或者，第二組中的葉片的數量可以與第一組中的葉片的數量不同。第一和第二組中的葉片可具有相同的長度或不同的長度。第二組中的葉片可以比第一組中的葉片長。第一和第二組中的葉片的形狀可以是彼此的鏡像(以便引起其相應輪軸在相反方向上的旋轉)，或者，第一和第二組中的葉片可以具有不同的形狀，只要為每組所選擇的形狀和/或安裝方向仍使得輪軸在相反的方向上旋轉即可。第一和/或第二組葉片可以具有恒定的節(jié)距。第二組葉片可位于第一組葉片的正后方，意味著，在第一和第二組葉片之間沒有插入結構(除了第二軸以外)。第一和/或第二組葉片可以是螺旋槳。該設備可以不包括第二組葉片后方的尾部。第一和第二組葉片可以與發(fā)電裝置操作地連接。發(fā)電裝置可以產生交流電或直流電。發(fā)電裝置可包括交流發(fā)電機。發(fā)電裝置可在鼻構件內部位于第一和第二組葉片的前面?？筛鶕O備的幾何形狀來確定發(fā)電裝置的大小，并根據可利用的風能來確定其發(fā)電能力。例如，可設定發(fā)電裝置傳遞的最大功率從0. 1到25kW，優(yōu)選地從2至20kW，更優(yōu)選地從 5至18kW，再優(yōu)選地從6至16kW，甚至更優(yōu)選地從6. 5至10kW。該設備可進一步包括與水平軸線同心的中心軸(其包括一對軸)，并且，該中心軸連接第一組葉片、第二組葉片和發(fā)電裝置。中心軸可包括具有中空橫截面形狀的第一軸和在第一軸內樞轉的第二軸，第一軸可在第一方向上旋轉，而第二軸可在第二方向上旋轉。第一組葉片可連接至第一軸，并且第二組葉片可連接至第二軸。發(fā)電裝置可連接至第一軸和第二軸。發(fā)電裝置可包括定子和轉子，定子和轉子各自與第一或第二軸相互唯一地連接，以便相對于彼此在相反的方向上進行同心旋轉運動。這具有使定子和轉子之間的相對運動速度翻倍的效果。發(fā)電裝 置可包括第一旋轉動力聯軸器(power coupling)。第一旋轉動力聯軸器可位于發(fā)電裝置的外部，并且可包括安裝至第一軸或安裝至發(fā)電裝置的外部且與定子和轉子同心(即，與水平軸線同心)的一組滑環(huán)，并可進一步包括與滑環(huán)以電接觸方式滑動接合的一組電刷。該設備可進一步包括用于將設備安裝至一豎直支撐結構的安裝裝置。該安裝裝置可允許設備圍繞安裝裝置的豎直軸線進行360°的旋轉運動。安裝裝置可允許圍繞豎直軸線的不受限制的旋轉運動。安裝裝置可允許圍繞豎直軸線進行多次完整的旋轉。該設備可進一步包括與豎直軸線同心的第二旋轉動力聯軸器。在操作過程中，鼻構件可至少與第一組葉片或與第一和第二組葉片共同操作，以與沒有鼻構件時相比改進設備的性能。性能的改進可包括使設備定向，例如通過將鼻構件轉動至風中，尤其是通過將鼻構件的鈍的前末端轉動至風中。性能的改進可包括影響第一和第二組葉片的旋轉速度，例如通過使風偏轉經過葉片，從而當風速超過預定值時，限制葉片的旋轉速度。該預定值可以是 40mph、45mph、47mph、50mph、52mph、55mph、57mph、60mph、 621^11、65111 11、67111 11、70111 11、72111 11或75111 11。該預定值可以是第一組葉片、第二組葉片或者第一和第二組葉片中的葉片的數量的函數。影響旋轉速度可包括，與沒有鼻構件時相比增大旋轉速度，尤其是在較低的風速下，例如5至25mph、7至20mph或10至15mph。根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作風力設備的方法，該風力設備包括第一組葉片、第二組葉片、以及位于第一和第二組葉片逆風處(upwind)的鼻構件，該方法包括允許鼻構件至少與第一組葉片共同操作，以改進設備的性能。改進性能可包括使鼻構件適應風向或影響第一和第二組葉片的旋轉速度，如之前所描述的。


已經總結了本發(fā)明，現在將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，附圖中圖Ia是根據本發(fā)明的安裝至一桿柱且裝配有穩(wěn)定牽索的風力設備的第一實施方式的透視圖；圖Ib是圖Ia中所示實施方式的放大透視圖；圖2a是圖Ia的實施方式的側視圖，示意性地示出了第一(較低)風速下的氣流；圖2b是圖Ia的實施方式的側視圖，示意性地示出了第二(較高)風速下的氣流；圖2c是圖Ia的實施方式的側視圖，示出了豎直軸線相對于設備重心的位置；圖3a是圖Ia的實施方式的側視圖，所示鼻構件是透明的，以顯示出鼻構件內部的設備的各部分；圖3b是圖3a所示的鼻構件內部的設備的各部分的放大圖；圖3c是圖3a和圖3b中所示的動力聯軸器的放大圖；圖3d是與本發(fā)明一起使用的同步裝置的側截面圖；圖4a是圖Ia的實施方式的前視圖，示出了豎直剖面線；圖4b是沿著圖4a中所示的剖面線的設備的側截面圖；圖4c是圖4b中所示的局部放大側截面圖；圖5a是在每個第一和第二組葉片中具有5個葉片的設備的第二實施方式的前端視圖；圖5b是在每個第一和第二組葉片中具有7個葉片的設備的第三實施方式的前端視圖；圖5c是在每個第一和第二組葉片中具有12個葉片的圖Ia中所示設備的實施方式的前端視圖；圖5d是在第一組葉片中具有9個葉片并在第二組葉片中具有7個葉片的設備的第四實施方式的前端視圖；以及圖6是適于在本發(fā)明的任一上述實施方式中使用的發(fā)電裝置的橫截面圖。
具體實施例方式參考圖1A，以透視圖示出了根據本發(fā)明的風力設備1。所示設備1安裝在桿柱5 的頂上，用牽索固定該桿柱；雖然這由于簡單而是優(yōu)選的安裝方法，但是，對于本領域技術人員來說，許多其它安裝方法將是顯而易見的。另外參考圖1B，所示安裝裝置40的一部分從設備1的下方突出，該安裝裝置包括便于將設備1附接至桿柱5的法蘭41。安裝裝置40 允許圍繞通過安裝裝置40的豎直軸線4完整地連續(xù)旋轉。豎直軸線4優(yōu)選地還與桿柱5 對準，但不是必須這樣對準，尤其是如果選擇替代的安裝結構時。該設備包括第一組葉片10(示出為圍繞水平軸線6在第一方向11上旋轉)和第二組葉片20 (示出為圍繞水平軸線6在與第一方向11相反的第二方向21上旋轉)。本領域技術人員將認識到，通過切換第一和第二組葉片10、20的角度，第一和第二旋轉方向11、 21也可反向。這種雙向旋轉或反向旋轉的葉片組的布置，其中，第二組葉片直接設置在第一組葉片的“順風處(downwind) ”或后面，允許回收空氣在第一組葉片的滑流中進行旋渦運動時的能量損失。反向旋轉還有利地在不增大整體直徑的前提下增加了動力，并抵消了單組葉片的扭矩效果和陀螺進動效果。第一組葉片10安裝至第一輪軸12，并且第二組葉片20安裝至第二輪軸22。第一和第二組葉片10、20中的每個葉片通過葉片支架8固定至其相應的輪軸12、22。葉片支架 8允許為了任何所需的維護或更換而輕松地從設備移除葉片10、20，或者通過對第一和第二輪軸12、22中的安裝孔9提供多種不同的構造，還允許響應特定位置的風力條件而可能需要調節(jié)葉片的數量和/或葉片的徑向位置。在設備的前部(葉片的逆風處)設置有錐形的鼻構件30，并且，該鼻構件包括截錐體31和圓形的(通常是半圓形的)鈍末端32。圓形的鈍末端32可以叫做“大鼻頭”末端。截錐體31包括第一本體端33 (其具有的第一本體直徑和鈍末端32的直徑相同)和第二本體端34(其具有的第二本體直徑比第一本體直徑大)。在下文中，將更詳細地描述鼻構件30的幾何形狀和功能。 參考圖2A，不希望被理論限制，將鼻構件30設計為使得即將到來的風35在鼻構件外面偏轉，如箭頭36所示，朝向第一和第二組葉片10、20的末端。因此，鼻構件30被設計為與第一和第二組葉片10、20共同工作，致力于有利地改進設備1的性能，尤其是在相對較低的風速條件下。由于從風中提取的大部分扭矩由經過葉片10、20的外端的風提供，所以， 增加外端附近的局部風速可改進性能。這種偏轉的一個附加優(yōu)點是，在超過預定上風速的相對較高的風速下，風開始向外偏轉經過葉片的末端，如圖2B所示。這具有這樣的效果隨著風速的增加，葉片10、20的旋轉速度的增長率減小，直到最終達到最大速度為止，然后，在高于預定上風速的風速下，葉片10、20的旋轉速度減小，從而自動地限制最大旋轉速度。 這在非常大風期間對于減小或防止危險旋轉速度條件的出現是有利的，在傳統的風力渦輪機設備中，大風會引起安全問題。通過認真地設計設備1，有可能完全消除對制動機構(或其等同物)的需要，制動機構在大風期間接合，以防止危險速度條件的出現；然而，根據內心寧靜的選擇并按照當地規(guī)則和規(guī)章，仍可以提供安全制動器。 為了實現改進低風速性能和自動限制最大旋轉速度中的一個或兩個優(yōu)點，將鼻構件30設計為至少與第一組葉片共同操作，并優(yōu)選地與第一和第二組葉片共同操作。每個第一和第二組葉片10、20中的葉片的數量和葉片的形狀(包括葉片角度)確定由設備1產生的氣流的阻力。如果所有其它參數保持恒定，則通常更多數量的葉片對氣流產生更大的阻力。這種對氣流的阻力在與鼻構件30共同操作的第一和第二組葉片前面產生壓力梯度 (其是風速的函數)，以影響設備1的整體性能。與目前僅具有第一組葉片10相比，兩組葉片10、20的設置顯著地影響此壓力梯度。因此，每組葉片10、20中的葉片的數量和葉片的幾何形狀一起確定鼻構件30的幾何形狀，以便實現以預定上風速或高于預定上風速的速度使風偏轉經過葉片。鼻構件30以及第一和第二組葉片10、20的幾何參數具有多種組合，可利用這些組合來實現本發(fā)明的這些優(yōu)選功能。以下在表1中略述了兩種組合，第一實施方式對上風速具有第一預定值，而第二實施方式對上風速具有更高的第二預定值。表1 通過實驗得出的幾何關系
"^l實施方式1 ~~實施方式2
每個第一和第二組葉片中的葉片的數量1212
第一本體直徑與第二本體直徑之比0^60^4
截錐體的長度與第二本體直徑之比17531741
第一組葉片的直徑與第二本體直徑之比^28Ι 5
鈍末端的長度與鈍末端的直徑之比θΓ57050本領域技術人員將認識到，為了延長葉片并由此以給定風速產生更多的動力，可對鼻構件的幾何形狀進行許多變化，以保持上述性能的期望改進。例如，當第一或第二組葉片的直徑和第二本體直徑之間的比例增大時，可以采取以下措施來保持性能第一端33的直徑相對于第二端34可變得更小，或者，第二端34的直徑相對于第一端33可變得更大，從而使得第一本體直徑和第二本體直徑之間的比例減?。唤劐F體31的長度相對于第二本體直徑可變得更短，從而使得截錐體31的長度和第二本體直徑的比例減?。烩g末端32的直徑相對于鈍末端32的長度可變得更大，從而使得鈍末端32的長度與直徑之比減??；或者，可以采用以上參數的組合以從設備實現類似的期望性能目的。當然，如果性能目的改變(即， 上風速的預定值變化或者期望的低風速性能變化)，則不需要應用以上選擇。不希望被理論限制，相信鈍末端32在產生期望的風偏轉時特別重要。通常，鈍末端32具有使風從鼻構件30的本體向外偏轉的效果，而尖末端是更流線型的，并且不產生相同程度的風偏轉。雖然圓形的鈍末端是優(yōu)選的，但是，也可使用平的或包括比截錐體的其余部分角度更尖銳的錐形的鈍末端。鼻構件30由幾個分開的部件裝配而成。參考圖2C，截錐體31包括頂部35、底部 36和檢修門37。頂部35、底部36和檢修門37均安裝至框架38。檢修門37以及可選地底部36通過閂銷39可移除地安裝至框架，以便于進入鼻構件30的內部。鈍末端32也安裝至框架38?？蚣?8可在鼻構件30的內部或外部看到?？蓪㈨敳?5、底部36和/或鈍末端32彼此粘結，以呈現出無縫的外觀。替代地，鼻構件30可由基本上彼此鄰接的分開的部分組成。當在側輪廓中觀察時，這些分開的部分相對于水平軸線6可具有一致的角度或不同的角度。
參考圖5A至圖5D，第一和第二組葉片10、20均包括至少5個葉片。圖5A示出了根據本發(fā)明的設備的一個實施方式，其中，第一和第二組葉片10、20均包括相等長度的5個葉片。圖5B示出了根據本發(fā)明的設備的一個實施方式，其中，第一和第二組葉片10、20均包括相等長度的7個葉片。圖5C示出了根據本發(fā)明的設備的一個實施方式，其中，第一和第二組葉片10、20均包括相等長度的12個葉片。圖5D示出了根據本發(fā)明的設備的一個實施方式，其中，第一組葉片10包括9個葉片，而第二組葉片20包括比第一組10中的葉片長的7個葉片。也可考慮將圖5A至圖5D中所示結構的元件的任何組合作為本發(fā)明的一部分； 例如，第一和第二組中的葉片的數量可以是相等的或不相等的，并且，第一和第二組中的葉片長度可以是相等的或不相等的。通常，有兩種類型的葉片螺旋槳和平板。在本發(fā)明中使用的葉片均是螺旋槳葉片，因為這些比平板有效得多。圖中所示的螺旋槳葉片是優(yōu)選葉片類型的具體實例。這里對期望的錐形鼻構件幾何形狀和葉片幾何形狀的描述的關系均參考了螺旋槳葉片的使用。在第一和第二組葉片10、20前面具有鼻構件30所提供的不尋常優(yōu)點是，風車使其鼻構件30面向風的方向而自動地定向自身，從而消除對尾部的需要。風車自定向的不尋常之處在于，本領域技術人員可能希望鼻構件30用作尾部，并使得風力渦輪機倒轉，使得第二組葉片20位于第一組葉片10的逆風處，或者圍繞豎直軸線4不受控制地旋轉。然而，令人驚訝地不是這種情況。再次參考圖2C，不希望被理論限制，相信這種行為至少部分地由于安裝裝置40的豎直樞轉軸線4的位置而出現，該安裝裝置在截錐體31的第一和第二本體端33、34之間位于第一和第二組葉片10、20的前面，但是更靠近第二端34。選擇豎直樞轉軸線4的位置，以位于設備的重心8的正前方。樞轉軸線4和重心8之間的距離是第一和第二本體端33、34之間的距離的0. 05至0. 25倍。通過使更多的質量位于樞轉軸線4的后方，該設備在風向中波動而保持穩(wěn)定的定向，而不會不受控制地旋轉。當然，鼻構件30和葉片10、20的相對尺寸也是重要的。通常，鈍末端32使得風偏轉離開截錐體31，并朝向第一和第二組葉片10、20的末端，使得葉片的組合表面積是定向的主要決定因素，并迫使葉片與即將到來的風向保持垂直的關系。本發(fā)明的設備有利地用在發(fā)電中。為了發(fā)電，使用包括直流發(fā)電機或交流發(fā)電機的發(fā)電裝置，但是交流發(fā)電機是優(yōu)選的。參考圖3A，以側視圖示出了設備1，其中鼻構件30 是透明的，以暴露其內部。在鼻構件30的內部(在第一和第二組葉片10、20的前面)，設置有包括交流發(fā)電機50的發(fā)電裝置。如從圖中可看到的，交流發(fā)電機50位于豎直樞轉軸線4的前方；這通過偏置葉片和輪軸的重量而改進了設備的平衡。交流發(fā)電機50位于樞轉軸線4前方的距離是其重量以及軸線的相對側上的部件的重量的函數，并可選擇該距離以實現重心8和軸線4之間的期望距離。在鼻構件30的內部還示出了三個可選物品機械制動裝置70、飛輪71和同步裝置74。雖然通常不需要，但是可以可選地在某些情況中提供這些物品，在這些情況中，風條件、設備設計和/或當地建筑條例使得這物品的使用是希望的。通過將這些物品放置在豎直樞轉軸線4的前方，通過偏置葉片和輪軸的重量、將重心前移，來進一步改進設備的平衡。該設備還可包括用于產生適于該設備與專用電氣設備(例如，電機或電池)或輸電線路(例如在建筑物內發(fā)現的或如由公用事業(yè)公司提供的)互相連接的期望的電壓和/或頻率的變壓器和換流器。應理解，該設備包括本領域技術人員已知的輔助設備，該輔助設備是發(fā)電設備與電氣裝置(例如，斷路器、安全斷開裝置等)安全地互相連接所需要的。優(yōu)選地提供避雷針(未示出)，以在雷擊情況下防止損壞該設備和/或所連接的設備。另外參考圖3B，交流發(fā)電機50安裝至具有通過其的第二軸23的第一軸13，兩個軸與水平軸線6同心地對準。第一軸13包括第一部分15和第二部分16，第二部分相對于第一部分15具有更大的直徑。大直徑為第一軸13提供更大的對由第一組葉片10通過第一輪軸12傳遞的扭矩的阻力，第二部分16附接至第一輪軸。第二部分16通過一對法蘭17 附接至第一部分15，這對法蘭附接至彼此并允許拆卸第一軸13，以便簡化制造和維護。第一部分15在前軸承座56和后軸承座57內樞轉。在第一和第二軸承座56、57之間設置有聯軸器58，以為了制造和維護目的而允許進一步拆卸第一部分15。第一和第二軸承座56、 57均安裝至安裝板47，該安裝板是安裝裝置40的一部分。安裝板47經由安裝軸承43可旋轉地附接至安裝軸42。因此，允許整個設備1圍繞豎直軸線4旋轉。 在鼻構件30的內部，在靠近交流發(fā)電機50處設置有第一旋轉動力聯軸器60，并在靠近安裝裝置40處設置有第二旋轉動力聯軸器65。另外參考圖3C，第一動力聯軸器60 包括第一組電刷62a至62d以及與水平軸線6同心地對準的第一組滑環(huán)61a至61d。第二動力聯軸器65包括第二組電刷67a至67d以及與豎直軸線4同心地對準的第二組滑環(huán)66a 至66d。電刷62a至62d、67a至67d中的每個設置為分別在每個滑環(huán)61a至61d、66a至66d 的互補通道內滑動接合。每個電刷62a至62d、67a至67d包括彼此連接的兩個半部，以形成分別接合水平軸線6或豎直軸線4的相對側上的相應通道的V形。電刷62a至62d、67a 至67d中的每個均由內部彈簧63a至63d朝向滑環(huán)61a至61d、66a至66d彈性地偏壓，并配有與通道61a至61d、66a至66d電接觸的端墊64a至64d。電刷62a至62d、67a至67d 通過支座44固定地安裝至安裝板47，并且滑環(huán)61a至61d、66a至66d分別與第一軸13的第一部分18和安裝軸42固定地連接。第一動力聯軸器60通過交流發(fā)電機電纜72與交流發(fā)電機50連接，該交流發(fā)電機電纜包括與每個通道61a至61d獨立連接的四條單獨的電線 73。通道61a至61d彼此電絕緣。通過連接電線68a至68d，第一組電刷62中的每個電刷 62a至62d與第二組電刷中的互補電刷67a至67d電連接。每個通道66a至66d彼此電絕緣，并在安裝軸42內與安裝電纜69的分開的電線內連接，該安裝電纜進而可與延長電纜連接或與穿過桿柱5的總線連接，以最終允許交流發(fā)電機50與電氣設備的互相連接。動力聯軸器60、65允許交流發(fā)電機50圍繞水平軸線6不斷地旋轉(由于其與第一軸13的連接) 并圍繞豎直軸線4不斷地旋轉(由于安裝裝置40)，而不會使電線68、73或電纜72、69扭曲。這進而允許將動力從交流發(fā)電機50傳遞至互相連接的電氣設備，而不需要對設備1圍繞豎直軸線4的旋轉運動進行限制。參考圖4A至圖4C，第二軸23在第一軸13內樞轉。第一和第二軸13、23均與水平軸線6同心。第一軸13的第一部分15包括經由聯軸器58彼此連接的前部18和后部19。 聯軸器58用鍵固 定在前部18和后部19上；然而，可考慮多種其它適當的布置，例如右手和左手螺旋連接。前部18在第一軸承座56內樞轉。第一旋轉動力聯軸器60的滑環(huán)61固定地附接至軸承座56前面的前部18。前部18固定地附接至交流發(fā)電機50的后端板52 ；這使得交流發(fā)電機與第一軸13同時旋轉。第一軸13的后部19在后軸承座57內樞轉并固定地附接至前法蘭17a，該前法蘭進而與后法蘭17b螺栓連接。這將第一軸13的第一部分15 連接至第二部分16。第二部分16是中空的，并且，如之前所描述的，具有比第一部分15更大的直徑，以賦予該軸額外的剛度。第二部分16通過第一輪軸法蘭14固定地附接至第一輪軸12。以此方式，將第一組葉片10在第一方向上對第一輪軸12的旋轉(如Ila所示) 傳遞至第一軸13的第二部分16 (如lib所示)，并由此傳遞至第一部分15的后部19 (如 Ilc所示)。此旋轉經由聯軸器58傳遞至前部18，然后傳遞至交流發(fā)電機50，如Ild所示。 因此，交流發(fā)電機50在與第一組葉片10相同的方向上旋轉。第二軸23通過第二輪軸軸承26附接至第二輪軸22，該第二輪軸軸承經由第二輪軸法蘭24安裝至第二輪軸22。第二軸23在設置于第一輪軸12上的第一輪軸軸承25內樞轉，允許其通過輪軸并與之獨立地旋轉。第二輪軸軸承26用鍵固定在第二軸23上；由此， 該軸在第二方向21上隨第二輪軸22 —起旋轉，如箭頭21b和21a所分別示出的。由于這種布置，第二軸23在第二輪軸軸承26內不旋轉；然而，仍舊提供軸承，以與第一輪軸軸承 25相似的方式對中第二軸23，并允許從第二輪軸22更容易地拆卸和移除第二軸23。也可考慮將實現相同結果的其它布置方式。第二軸23穿過第一軸13的第二部分16的中空中心，并在安裝至法蘭17b的第三軸軸承29內樞轉。因此，允許第二軸23穿過法蘭17a、17b， 并進入第一軸13的第一部分15。該軸在安裝至后端板52的第二軸軸承28和安裝至前端板51的第一軸軸承27內類似地樞轉。因此，第二軸23穿過交流發(fā)電機50，并允許在第二方向21上旋轉，如箭頭21c所示出的。因此，第二軸23在與交流發(fā)電機50相反的方向上旋轉。參考圖6A和圖6B，為了發(fā)電的目的，交流發(fā)電機50包含交流發(fā)電機定子53和交流發(fā)電機轉子54。定子53安裝在端板52、51之間的交流發(fā)電機50內，以隨第一軸13的前部18 —起在第一方向11上運動，如箭頭Ild所示出的。第二軸23在設置于前端板51中的前軸軸承27內樞轉；為了清楚，該圖已經省略了圖4C所示的第二軸軸承28，但是該第二軸軸承通常設置在后端板52中，如之前所描述的。轉子54安裝至第二軸23，以在第二方向 21上運動，如箭頭21c所示出的。這意味著，定子53和轉子54在彼此相反的方向上旋轉。 如本領域技術人員已知的，通過定子53和轉子54之間的相對運動而發(fā)電；這種相對運動的速度決定交流發(fā)電機50所產生的電力。通過在彼此相反的方向上旋轉定子53和轉子54， 相對運動翻倍，從而使得由第一和第二組葉片10、20提供的一定扭矩所產生的電量翻倍， 而不需要傳輸。這簡化了設備的設計和維護。當提供同步裝置74時，以1 1的比例機械地互相鎖定第一和第二軸13、23的旋轉速度；這防止第一和第二組葉片10、20的旋轉速度彼此偏離，尤其是在波動的風速過程中。這會導致動力輸出的改進，因為保持了更高的相對旋轉速度，和/或導致操縱的改進， 因為和錐形鼻構件共同操作的兩組葉片的空氣動力學性能保持更一致。然而，即使在提供同步裝置74時，有利地，將兩組葉片10、20設計成以相似的速度操作，因為這減小了同步裝置上的負載并由此增加了它的使用壽命。圖3D中示出了同步裝置74的一個實施方式，并且，其包括固定殼體79，該殼體包含一對傘齒輪75、76，每個傘齒輪分別同軸地安裝至一個軸13、23，并通過可旋轉地安裝在加伸軸(stub shaft) 78上的一組差速輪77互相連接，該加伸軸附接至殼體79的內部并垂直于軸13、23。第一軸13和傘齒輪75的旋轉通過差速輪77作用在殼體79上，這導致傘齒輪76和第二軸23反向旋轉。本領域技術人員將能夠容易地確定可以1 1的比例機械地互相鎖定兩個軸13、23的其它適當的布置，例如行星齒輪布置。 如之前參考圖3C所描述的，交流發(fā)電機50產生的電力經由交流發(fā)電機電纜72傳遞，該電纜鄰近第二軸23進入第一軸13的前部18的中空內部。然后，交流發(fā)電機電纜72 分成四條電線73，這四條電線依次均連接至滑環(huán)61a至61d的一個獨立的電絕緣通道。還可以提供附加的滑環(huán)，以便連接至避雷針(未示出)?；h(huán)61a至61d固定地安裝至第一軸13的前部18的外部。因為交流發(fā)電機50的定子53與前部18 —致地轉動，所以電纜72 不扭曲。然后，第一旋轉動力聯軸器60的其余部分如之前參考圖3C所描述地起作用，以便將電纜72的電線73承載的電力通過滑環(huán)61a至61d傳遞至與其滑動接合的電刷62a至 62d。然后，經由連接電線68a至68d將電力傳遞至第二動力聯軸器(在圖6A或圖6B中未示出)。以上僅描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并且意味著在非限制性的意義上解釋。本領域技術人員將認識到，本發(fā)明還有其它實施方式和子組合，發(fā)明人打算將這些包含在所附權利要求中。將理解，在不背離所附權利要求的直接含義的前提下，容易對本發(fā)明進行進一步修改和改變，并且在不影響本發(fā)明工作方式的前提下，可以用某些等同物或變型代替所要求保護的元件。
權利要求
1.一種具有后部和適應風向的前部的風力設備，所述設備包括a)前鼻構件；b)第一組葉片，位于所述鼻構件的后方，所述第一組葉片圍繞一水平軸線在第一方向上旋轉；c)第二組葉片，位于所述第一組葉片的后方，所述第二組葉片圍繞所述水平軸線在第二方向上旋轉，第二方向與第一方向相反；d)發(fā)電裝置，位于所述前鼻構件內，與所述水平軸線同心，并與所述第一和第二組葉片操作地連接；以及e)豎直樞轉軸線，位于所述第一組葉片和所述發(fā)電裝置之間。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述鼻構件通常是錐形的。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述鼻構件包括截錐體和鈍的前末端。
4.根據權利要求3所述的設備，其中，所述鈍末端是圓形的。
5.根據權利要求3所述的設備，其中，所述截錐體具有前端和后端，所述前端具有第一直徑，且所述后端具有比第一直徑大的第二直徑。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，所述第一直徑與第二直徑之比在0.05到0. 45的范圍內。
7.根據權利要求5所述的設備，其中，所述截錐體具有一定長度，并且，其中，所述長度與第二直徑之比從1到3。
8.根據權利要求5所述的設備，其中，所述第一組葉片具有一定直徑，并且，其中，所述第一組葉片的直徑與所述截錐體的第二直徑之比從2到7。
9.根據權利要求5所述的設備，其中，所述鈍的前末端具有一定長度和等于所述截錐體的第一直徑的直徑，并且，其中，所述鈍的前末端的長度與所述鈍的前末端的直徑之比從 0. 1 到 1. 5。
10.根據權利要求5所述的設備，其中，所述設備具有重心，并且，其中，所述重心位于所述豎直樞轉軸線和所述第一組葉片之間。
11.根據權利要求10所述的設備，其中，所述重心和所述第一組葉片之間的距離是所述截錐體的前端和后端之間的距離的0. 05至0. 25倍。
12.根據權利要求10所述的設備，其中，所述發(fā)電裝置位于所述豎直樞轉軸線前方的一定長度處，該長度選擇成使得所述重心和所述第一組葉片之間的距離是所述截錐體的前段和后端之間的距離的0. 05至0. 25倍。
13.根據權利要求1所述的設備，其中，所述設備進一步包括與所述水平軸線同心且連接所述第一組葉片、所述第二組葉片和所述發(fā)電裝置的中心軸，所述中心軸包括具有中空橫截面形狀的第一軸和在所述第一軸內樞轉的第二軸，所述第一軸能夠在第一方向上旋轉，并且所述第二軸能夠在第二方向上旋轉，所述第一組葉片與所述第一軸連接，并且所述第二組葉片與所述第二軸連接。
14.根據權利要求13所述的設備，其中，所述發(fā)電裝置與所述第一軸和第二軸連接， 所述發(fā)電裝置包括定子和轉子，所述定子和轉子各自與所述第一軸或第二軸相互唯一地連接，以便相對于彼此在相反的方向上進行同心旋轉運動。
15.根據權利要求13所述的設備，其中，所述設備進一步包括用于保持所述第一軸和第二軸之間的11的速度比的同步裝置。
16.根據權利要求15所述的設備，其中，所述同步裝置在所述前鼻構件內位于所述豎直樞轉軸線的前方。
17.根據權利要求16所述的設備，其中，所述同步裝置位于所述發(fā)電裝置的前方。
18.根據權利要求1所述的設備，其中，所述設備進一步包括第一旋轉動力聯軸器。
19.根據權利要求18所述的設備，其中，所述第一旋轉動力聯軸器位于所述發(fā)電裝置的外部，并且，包括與所述水平軸線同心的一組滑環(huán)和與所述滑環(huán)以電接觸方式滑動接合的一組電刷。
20.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一或第二組葉片包括至少五個螺旋槳葉片。
21.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一組葉片在數量上等于所述第二組葉片。
22.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一和第二組葉片具有恒定的節(jié)距。
23.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第二組葉片直接位于所述第一組葉片的后方。
24.根據權利要求1所述的設備，其中，所述設備在所述第二組葉片的后方不包括尾部。
25.根據權利要求18所述的設備，其中，所述設備進一步包括用于將所述設備安裝至一豎直支撐結構的安裝裝置，所述安裝裝置允許所述設備圍繞所述豎直樞轉軸線進行 360°的旋轉運動。
26.根據權利要求25所述的設備，其中，所述設備進一步包括與所述豎直樞轉軸線同心的第二旋轉動力聯軸器。
27.根據權利要求1所述的設備，其中，在操作過程中，所述鼻構件與所述第一和第二組葉片共同操作，以改進所述設備的性能。
28.根據權利要求27所述的設備，其中，改進性能包括使所述鼻構件適應風向。
29.根據權利要求27所述的設備，其中，改進性能包括影響所述第一和第二組葉片的旋轉速度。
30.根據權利要求29所述的設備，其中，影響旋轉速度包括，當風速超過預定值時限制所述旋轉速度。
31.根據權利要求29所述的設備，其中，影響旋轉速度包括，與沒有所述鼻構件時相比增大所述旋轉速度。
32.—種操作風力設備的方法，所述風力設備包括第一組葉片、第二組葉片、以及位于所述第一和第二組葉片逆風處的鼻構件，所述方法包括允許所述鼻構件至少與所述第一組葉片共同操作，以改進設備的性能。
33.根據權利要求32所述的方法，其中，改進性能包括使所述鼻構件適應風向。
34.根據權利要求32所述的方法，其中，改進性能包括影響所述第一和第二組葉片的旋轉速度。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，影響旋轉速度包括，當風速超過預定值時限制所述旋轉速度。
36.根據權利要求34所述的方法，其中，影響旋轉速度包括，與沒有所述鼻構件時相比增大所述旋轉速度。
全文摘要
一種具有兩組對立旋轉葉片的風力設備(或風力渦輪機)。這兩組葉片都與交流發(fā)電機連接，并且，可操作成使交流發(fā)動機的定子和轉子在彼此相反的方向上旋轉，從而使它們的相對速度翻倍。該設備裝配有錐形的前鼻構件，該前鼻構件具有與第一和第二組葉片共同操作的鈍末端，以通過影響設備的定向和葉片的旋轉速度來改進設備的性能。
文檔編號F03D1/04GK102177336SQ200980140071
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權日2008年10月9日
發(fā)明者哈羅德·馬錢德 申請人:比羅空氣能源公司