專利名稱：具有壓力分布的風(fēng)力渦輪機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)，特別地涉及在風(fēng)力渦輪機(jī)的下游產(chǎn)生獨特的壓力分布的外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)(HAWT)具有3個葉片，并且通過計算機(jī)控制的馬達(dá)定向或指向風(fēng)。這些渦輪機(jī)通常需要高度在60至90米范圍內(nèi)的支承塔。葉片一般以大約10 至22rpm的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。齒輪箱通常用于逐步提高速度以驅(qū)動發(fā)電機(jī)，當(dāng)然一些設(shè)計也可以直接驅(qū)動環(huán)形發(fā)電機(jī)。一些渦輪機(jī)以恒定速度操作。但是，通過使用變速渦輪機(jī)和固態(tài)功率轉(zhuǎn)換器來將渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)交接能夠收集更多能量。雖然HAWT已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，但其效率不是最佳的。特別地，HAWT在獲取經(jīng)過其的風(fēng)的勢能方面的效率將不超過貝茨(Betz) 極限的59. 3%。HAWT在結(jié)構(gòu)和操作方面均存在若干問題。高的塔和長的葉片難于運(yùn)輸。需要大型塔結(jié)構(gòu)來支承重的葉片、齒輪箱和發(fā)電機(jī)。需要非常高且昂貴的起重機(jī)以及熟練的操作者進(jìn)行安裝。在操作過程中，HAWT需要另外的偏航控制機(jī)構(gòu)以將葉片朝向風(fēng)轉(zhuǎn)動。HAWT的翼面上通常具有高的沖角，使其不適合于在風(fēng)流中進(jìn)行可變變化。HAWT難于在近地面紊流風(fēng)下操作。此外，在艙和葉片上的冰堆積能夠?qū)е鹿β蕼p小和安全問題。高的HAWT會影響機(jī)場雷達(dá)。它們的高度也會使它們在大面積突出可見，破壞景觀的外觀，這是令人討厭的。最后，會由紊流引起的疲勞和結(jié)構(gòu)失效引起順風(fēng)變異。HAffT的渦輪機(jī)葉片通常具有翼型形狀，該翼型形狀隨著葉片經(jīng)過空氣而在葉片后面形成較低壓力。所述較低壓力形成跟隨葉片的抽吸效果并且在HAWT后面形成大的尾流。 該尾流能夠使風(fēng)力渦輪機(jī)在其形成尾流的下游捕獲的功率的量降低達(dá)30 %。為了降低功率損耗的量，下游渦輪機(jī)常常從上游渦輪機(jī)側(cè)向偏置，并且也在上游渦輪機(jī)的下游布置在大約10倍轉(zhuǎn)子直徑處。該偏移需要大量土地用于風(fēng)力發(fā)電廠，在風(fēng)力發(fā)電廠，若干個風(fēng)力渦輪機(jī)布置在一個位置。希望的是，提供一種能夠減小從另一下游風(fēng)力渦輪機(jī)供給給定功率輸出所需的偏移量的風(fēng)力渦輪機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
這里公開的是在風(fēng)力渦輪機(jī)的下游具有獨特的壓力分布的外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)。該壓力分布通過風(fēng)力渦輪機(jī)的獨特的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。特別地，風(fēng)力渦輪機(jī)使用被稱為混合凸起的箍形或環(huán)形機(jī)翼和空氣動力表面的聯(lián)接結(jié)構(gòu)來從風(fēng)產(chǎn)生更多的功率。
公開了用于產(chǎn)生功率的混合器/噴射器風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)(這里被引用為“MEWT”)， 其結(jié)合流體動力噴射器構(gòu)思、先進(jìn)的流動混合和控制裝置、以及可調(diào)節(jié)功率渦輪機(jī)。在一些實施方式或變型中，MEWT是軸流渦輪機(jī)，其包括(以向下游的順序)具有入口的空氣動力型渦輪機(jī)外殼；在外殼中的定子環(huán)；具有與定子“成直線”的一圈葉輪葉片的葉輪；與渦輪機(jī)外殼相聯(lián)且具有向下游延伸超出葉輪葉片的一圈混合凸起的混合器；以及包括所述一圈混合凸起和向下游延伸超出混合凸起的混合外殼的噴射器。渦輪機(jī)外殼、 混合器和噴射器被設(shè)計和設(shè)置成抽吸最大的風(fēng)量通過渦輪機(jī)并且使得對環(huán)境(例如噪聲) 和其它功率渦輪機(jī)的尾流(例如，結(jié)構(gòu)或生產(chǎn)率損失)的影響最小。不同于現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)，優(yōu)選的MEWT包含外殼，該外殼具有諸如葉狀或槽形混合器和/或一個或多個噴射器泵的先進(jìn)的流動混合和控制裝置。提出的混合器/噴射器泵與迄今為止使用的有很大不同，因為在公開的風(fēng)力渦輪機(jī)中，高能空氣流入噴射器入口，并且向外環(huán)繞泵且與離開渦輪機(jī)外殼的低能空氣混合。在第一實施方式或變型中，MEWT包括軸流渦輪機(jī)和分離的下游噴射器外殼，其中，軸流渦輪機(jī)通過空氣動力型渦輪機(jī)外殼環(huán)繞，該渦輪機(jī)外殼在其終點區(qū)域(即，渦輪機(jī)外殼的端部)包括混合裝置，分離的下游噴射器外殼與渦輪機(jī)外殼的后邊緣或下游邊緣重疊，該渦輪機(jī)外殼在其終點區(qū)域中可以包括先進(jìn)的混合裝置。在一種替代實施方式中，MEWT包括由空氣動力型渦輪機(jī)外殼環(huán)繞的軸流渦輪機(jī)，渦輪機(jī)外殼在其終點區(qū)域中包括混合裝置。在其它實施方式中還公開了一種渦輪機(jī)，其包括具有出口和用于接收主流體流的入口的混合器外殼；和用于從主流體流抽取能量的部件，用于抽取能量的該部件設(shè)置在渦輪機(jī)外殼中；其中，所述混合器外殼包括一組高能混合凸起和一組低能混合凸起；其中， 每個高能混合凸起相對于混合器外殼形成在大約5到65度范圍內(nèi)的角；并且其中每個低能混合凸起相對于混合器外殼或渦輪機(jī)軸線形成在大約5到65度范圍內(nèi)的角。高能混合凸起角可以不同于、大于、小于或等于低能混合凸起角。渦輪機(jī)還可包括在混合器外殼下游且與混合器外殼同軸的噴射器外殼，其中混合器外殼出口延伸到噴射器外殼入口中。噴射器外殼本身可以具有圍繞其出口的一圈混合器凸起。用于抽取能量的部件可以是葉輪或轉(zhuǎn)子/定子組件。還公開了渦輪機(jī)，其包括具有用于接收主流體流的入口以及出口的混合器外殼； 以及用于從主流體流抽取能量的部件，用于抽取能量的部件設(shè)置在渦輪機(jī)外殼中；其中混合器外殼包括一組混合凸起，每個混合凸起具有內(nèi)后緣角和外后緣角；其中相對于關(guān)于混合器外殼的渦輪機(jī)軸線或相對于渦輪機(jī)軸線，內(nèi)后緣角是從5到65度，并且外后緣角是從 5到65度。優(yōu)選的MEWT的基于第一原理的理論分析表明，對于相同的前面面積，MEWT能夠產(chǎn)生3倍或更多倍于其無外殼的對應(yīng)件的功率；并且，MEffT能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下將風(fēng)力發(fā)電廠的生產(chǎn)率增加2倍或更多倍。還公開了從流體流抽取額外能量或產(chǎn)生額外功率的方法。該方法包括提供混合器外殼，該混合器外殼將進(jìn)入的流體分成兩個流體流，一個在混合器外殼內(nèi)側(cè)，一個在混合器外殼外側(cè)。從經(jīng)過混合器外殼內(nèi)側(cè)且穿過渦輪機(jī)級的流體流抽取能量，導(dǎo)致能量降低的流體流離開渦輪機(jī)級。能量降低的流體流隨后與外側(cè)流體流混合，以形成使兩個流體流混合并導(dǎo)致混合器外殼下游形成低壓區(qū)域的一系列渦旋。該低壓區(qū)域又導(dǎo)致額外流體流過渦輪機(jī)級。實施方式中公開的是風(fēng)力渦輪機(jī)，其在渦輪機(jī)下游在出口平面內(nèi)產(chǎn)生流體壓力分布，該壓力分布包括限定壓力分布的中心的第一低壓區(qū)域；環(huán)繞第一低壓區(qū)域的第一高壓區(qū)域；和環(huán)繞第一高壓區(qū)域的第一混合壓力環(huán)，該混合壓力環(huán)包括多個高壓袋和多個低壓袋，高壓袋和低壓袋圍繞混合壓力環(huán)交替。壓力分布還可以包括環(huán)繞第一混合壓力環(huán)的第二壓力環(huán)，其中，第二壓力環(huán)包括多個高壓袋，每個高壓袋沿著半徑與第一混合壓力環(huán)中的低壓袋對準(zhǔn)。第二壓力環(huán)高壓袋的壓力可以是至少Opsig。壓力分布還可以包括環(huán)繞第一混合壓力環(huán)和第二壓力環(huán)的高壓線，該高壓線具有圓雉堞形狀。高壓線的壓力可以是至少Opsig。壓力分布還可以包括環(huán)繞高壓線的一組高壓點。壓力分布還可以包括在高壓線和高壓點之間的高壓間隙，高壓間隙的壓力比高壓線和高壓點的壓力大。第一低壓區(qū)域的壓力可以是低于Opsig。第一低壓區(qū)域的壓力可以為從至少-Ipsig到小于Opsig。第一高壓區(qū)域的壓力可以是至少Opsig。第一高壓區(qū)域的壓力可以為從Opsig到0.054psig。第一混合壓力環(huán)中的高壓袋的壓力可以是至少Opsig。第一混合壓力環(huán)中的高壓袋的壓力可以是從Opsig到0. 054psig。第一混合壓力環(huán)中的低壓袋的壓力可以為從至少-Ipsig到小于Opsig。還公開了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其在渦輪機(jī)下游在出口平面內(nèi)產(chǎn)生流體壓力分布，該壓力分布包括限定壓力分布的中心的第一低壓區(qū)域；環(huán)繞第一低壓區(qū)域的第一高壓區(qū)域；環(huán)繞第一高壓區(qū)域的第一混合流體壓力環(huán)，該混合壓力環(huán)包括多個高壓袋和多個低壓袋，高壓袋和低壓袋圍繞混合壓力環(huán)交替；環(huán)繞第一混合壓力環(huán)的第二流體壓力環(huán)，其中第二壓力環(huán)包括多個高壓袋，每個高壓袋沿著半徑與第一混合壓力環(huán)中的低壓袋對準(zhǔn)；和環(huán)繞第一混合壓力環(huán)和第二壓力環(huán)的高壓線，該高壓線具有圓雉堞形狀。還公開了一種制造風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括(a)提供圍繞水平軸線轉(zhuǎn)動的葉輪； (b)用渦輪機(jī)外殼環(huán)繞所述葉輪，所述外殼具有翼型截面形狀并且降低經(jīng)過所述葉輪的風(fēng)流的壓力；(c)將噴射器外殼布置成與所述渦輪機(jī)外殼同軸并且布置在所述渦輪機(jī)外殼的下游；并且(d)在所述渦輪機(jī)外殼的下游邊緣上形成隔開的多個向內(nèi)徑向延伸的混合凸起和多個徑向向外延伸的混合凸起，所述向內(nèi)延伸的混合凸起與所述向外延伸的混合凸起圍繞所述下游邊緣交替。形成向內(nèi)延伸的凸起和向外延伸的凸起的步驟可以包括使所述渦輪機(jī)外殼的下游邊緣成雉堞狀。用渦輪機(jī)外殼環(huán)繞所述葉輪的步驟可以包括由剛性材料形成框架并且用護(hù)板覆蓋所述框架的至少一部分，所述護(hù)板包括織物或聚合物膜。所述護(hù)板能夠具有多層。布置噴射器外殼的步驟可以包括由剛性材料形成噴射器外殼框架并且用護(hù)板覆蓋所述噴射器外殼框架的至少一部分，所述護(hù)板包括織物或聚合物膜。所述護(hù)板能夠具有多層。
所述葉輪可以是轉(zhuǎn)子/定子組件。所述向內(nèi)延伸的混合凸起和向外延伸的混合凸起能夠獨立地成形，以相對于所述水平軸線形成從5到65度的角。本發(fā)明的這些和其它非限制性特征或特點將在下面進(jìn)一步描述。


專利或申請文件包含至少一個彩色附圖。在要求并支付必要費用的情況下，由政府機(jī)關(guān)提供有彩色附圖的該專利或?qū)＠暾埞_文獻(xiàn)的副本。以下是附圖的簡要說明，出于圖示這里提及的內(nèi)容的目的而不是限制所述內(nèi)容的目的給出附圖。圖1是本發(fā)明的MEWT的第一示例性實施方式或變型的分解圖。圖2是圖1的附接到支承塔的前立體圖。圖3是MEWT的第二示例性實施方式的前立體圖，示出有外罩式三葉片葉輪。圖4是圖3的MEWT的后立體圖。圖5示出圖3的MEWT的后視圖。圖6是沿著圖5的線6-6截取的截面圖。圖7是圖3的MEWT的前視圖。圖8是沿著圖7的線8-8截取的截面圖，示出用于流量控制的兩個可樞轉(zhuǎn)的雛形鍛模。圖9是圖8的可樞轉(zhuǎn)的雛形鍛模的放大圖。圖10是用于本發(fā)明的示例性風(fēng)力渦輪機(jī)的渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼的部分完整的框架的立體圖。圖11是圖10的部分完整的渦輪外殼框架的立體圖。圖12是圖10的部分完整的噴射器外殼框架的立體圖。圖13是示出圖10的框架的完整形式的立體圖。圖14是圖13的框架的立體圖，具有附接到渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼的外部的覆蓋護(hù)板的一部分。圖15是本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的另一示例性實施方式的立體圖，具有用于風(fēng)對準(zhǔn)的一對翼片。圖16是圖示空氣慢速流過混合器外殼的視圖。圖17是圖示空氣圍繞混合器外殼快速流動的視圖。圖18是圖示快速氣流和慢速氣流交匯的視圖。圖19是圖示由快速氣流和慢速氣流交匯形成的渦流的視圖。圖20是圖示由混合器外殼形成的一系列漩渦的視圖。圖21是混合器外殼的示意性截面圖。圖22是根據(jù)本發(fā)明的MEWT的另一示例性實施方式的前立體圖。圖23是經(jīng)過渦輪機(jī)軸線截取的圖22的MEWT的側(cè)面截面圖。圖M是圖23的縮小視圖。圖24A和圖24B是圖M的MEWT的混合凸起的放大視圖。圖25是風(fēng)力渦輪機(jī)的側(cè)面截面圖。
圖26是圖25的風(fēng)力渦輪機(jī)的壓力分布。圖27是風(fēng)力渦輪機(jī)的從下游看上游的位置的半視圖(即，后視圖)。圖28A和圖28B是圖27的風(fēng)力渦輪機(jī)的壓力分布。
具體實施例方式通過參照附圖能夠更加完整地理解這里公開的部件、過程和設(shè)備。這些附圖僅僅是基于方便且容易展示本發(fā)明的示意性表示，因此，附圖不意于指明其裝置或部件的相對大小和尺寸和/或限定或限制示例性實施方式的范圍。雖然為了清楚的目的在下面的描述中使用了特定術(shù)語，這些術(shù)語僅用于指示附圖中選擇示出的實施方式的特定結(jié)構(gòu)，并且不意于限定或限制本發(fā)明的范圍。在下面的附圖和描述中，可以理解相同的附圖標(biāo)記指示具有相同功能的部件。與量有關(guān)地使用的修飾語“大約”把所述值包括在內(nèi)，并且具有上下文指示的意思 (例如，其至少包括與特定量的測量相關(guān)的誤差度)。當(dāng)在上下文中用于范圍時，修飾語“大約”也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為公開了由兩個端點的絕對值限定的范圍。例如，范圍“從大約2至大約4” 也公開了范圍“從2至4”。混合器-噴射器功率系統(tǒng)(MEPS)提供了一種從風(fēng)流產(chǎn)生功率的獨特且改進(jìn)的方式。MEPS包括: 主外殼，其包含從主流提取功率的類似于螺旋槳的渦輪機(jī)或葉片葉輪；和 單級或多級混合器_噴射器，用以利用每個這種混合器/噴射器級攝取流量，這種混合器/噴射器級包括用于引起副流且提供噴射器級的流動混合長度的混合管道?；旌瞎艿阑蛲鈿さ娜肟谳喞辉O(shè)計成使流動損失最小化，同時提供良好噴射器性能所需的壓力。得到的混合器/噴射器通過以下各項增強(qiáng)了功率系統(tǒng)的操作特征(a)增加經(jīng)過系統(tǒng)的流量，(b)減小渦輪機(jī)葉片上的出口壓力或背壓，以及(c)降低從系統(tǒng)傳播的噪音。MEPS可以包括 使管道輪廓成弧形，以增強(qiáng)流入和流經(jīng)系統(tǒng)的量； 主管道和混合管道中的聲學(xué)處理，以便對主管道中的用于控制流動漩渦的導(dǎo)流葉片和/或適于消除流動漩渦影響的混合器凸起進(jìn)行噪聲控制； 基于新的理論功率極限進(jìn)行渦輪機(jī)狀葉片空氣動力設(shè)計，以開發(fā)可以具有多個和/或反向旋轉(zhuǎn)葉片排的短的、在結(jié)構(gòu)上堅固的構(gòu)造族； 在混合管道上有出口擴(kuò)散器或噴嘴，以進(jìn)一步改進(jìn)總系統(tǒng)的性能； 具有非圓形截面的入口區(qū)域和出口區(qū)域，以適應(yīng)安裝限制； 在其較低外表面上有旋轉(zhuǎn)接頭，用于安裝在豎向支架/塔架上，允許將系統(tǒng)轉(zhuǎn)向風(fēng)； 豎向空氣動力穩(wěn)定器葉片，安裝在管道外部上，利用補(bǔ)翼或葉片將系統(tǒng)保持指向風(fēng)；或 多級噴射器系統(tǒng)的單級上有混合器凸起。具體參照附圖，圖中示出了申請人的具有混合器和噴射器的軸流風(fēng)力渦輪機(jī) ("MEffT")的替代實施方式。
參照圖1和圖2，MEffT 100是軸流渦輪機(jī)，具有a)具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102 ；b)位于渦輪機(jī)外殼102中并且附接到渦輪機(jī)外殼102的具有空氣動力學(xué)輪廓的中心體103 ；c)環(huán)繞中心體103的渦輪機(jī)級104，其包括具有定子葉片108a的定子環(huán)106和具有轉(zhuǎn)子葉片112a的轉(zhuǎn)子110。轉(zhuǎn)子110位于下游并且與定子葉片“成直線”，即，葉輪葉片的前緣與定子葉片的后緣基本上對準(zhǔn)，其中i)定子葉片108a安裝在中心體103上；ii)轉(zhuǎn)子葉片112a通過安裝在中心體103上的內(nèi)環(huán)或箍和外環(huán)或箍附接和保持在一起；d)整體由118指示的混合器，其具有在渦輪機(jī)外殼102的終點區(qū)域(即，端部)上的一圈混合器凸起120a，其中，混合器凸起120a向下游延伸超出轉(zhuǎn)子葉片112a ；和e)整體由122指示的噴射器，其包括環(huán)繞渦輪機(jī)外殼上的一圈混合器凸起120a的噴射器外殼128，其中，混合器凸起(例如120a)向下游延伸并且進(jìn)入噴射器外殼128的入 Π 129。如圖2所示，MEWT 100的中心體103經(jīng)過定子環(huán)106或以其它方式希望地連接到渦輪機(jī)外殼102。這種結(jié)構(gòu)用于消除由傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)隨著來自渦輪機(jī)葉片的尾流沖擊支承塔而產(chǎn)生的損壞、擾動和長距離傳播的低頻聲音。渦輪機(jī)外殼102和噴射器外殼128的空氣動力學(xué)輪廓被空氣動力學(xué)地形成弧形，以增大經(jīng)過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的流動。為了最佳效率，申請人計算出由噴射器外殼128的出口區(qū)域與渦輪機(jī)外殼102的出口區(qū)域所限定的噴射器泵122的面積比在1. 5-4. 0的范圍內(nèi)?；旌掀魍蛊?20a的數(shù)量在6和14之間。每個凸起的內(nèi)后緣角度和外后緣角度在5和65度之間。這些角度是從混合凸起的出口處畫的切線至與渦輪機(jī)的中心軸線平行的線測量的，如這里進(jìn)一步說明的。 主凸起出口位置在噴射器外殼128的入口位置或入口 129處或附近。凸起通道的高寬比在 0.5和4. 5之間?；旌掀鞔┩嘎试?0%和80%之間。中心體103的栓后緣角度為30度或更小?？偟腗EffT 100的長度直徑比(L/D)在0. 5和1. 25之間。申請人:執(zhí)行的優(yōu)選MEWT 100的基于第一原理的理論分析表明，針對相同的前面區(qū)域，MEffT能夠產(chǎn)生3倍或更多倍于其無外罩式對應(yīng)件的功率；并且，MEffT 100能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電廠的生產(chǎn)率增加2或更多倍。基于該理論分析，相信MEWT實施方式100將產(chǎn)生3倍于現(xiàn)有的相同尺寸傳統(tǒng)開放式葉片風(fēng)力渦輪機(jī)的功率。MEffT的令人滿意的實施方式100包括軸流渦輪機(jī)(例如，定子葉片和葉輪葉片)，其由具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102環(huán)繞，該具有空氣動力學(xué)輪廓的渦輪機(jī)外殼102的終點區(qū)域(即，端部)中包含混合裝置；和分離的噴射器外殼128，其與渦輪機(jī)外殼102重疊但位于其后面，渦輪機(jī)外殼102本身可以在其終點區(qū)域中包含混合器凸起。與噴射器外殼128結(jié)合的混合器凸起120a的圈118能夠被認(rèn)為是混合器/噴射器泵。該混合器/噴射器泵提供為了風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行效率而一致地超過Betz極限的裝置。定子葉片的出口傾角可以在原位機(jī)械地改變(即，葉片樞轉(zhuǎn))以適應(yīng)流體流速度的變化，以便確保離開轉(zhuǎn)子的流動的最小殘余漩渦。換種方式描述，MEffT 100包括具有安裝在中心體103上的定子環(huán)106和轉(zhuǎn)子110的渦輪機(jī)級104，中心體103由渦輪機(jī)外殼102環(huán)繞，渦輪機(jī)外殼102具有嵌入的混合器凸起120a，混合器凸起120a具有稍插入在噴射器外殼128的入口平面內(nèi)的后緣。渦輪機(jī)級 104和噴射器外殼128在結(jié)構(gòu)上連接到渦輪機(jī)外殼102，該渦輪機(jī)外殼102是主要的載荷承載構(gòu)件。這些附圖描繪了用于產(chǎn)生功率的轉(zhuǎn)子/定子組件。這里使用術(shù)語“葉輪”來一般地指代葉片附接到軸且能夠轉(zhuǎn)動從而允許由使葉片轉(zhuǎn)動的風(fēng)產(chǎn)生功率或能量的任何組件。 示例性的葉輪包括螺旋槳或轉(zhuǎn)子/定子組件。任何類型的葉輪可以包含在本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)中的渦輪機(jī)外殼102內(nèi)。在一些實施方式中，渦輪機(jī)外殼102的長度等于或小于渦輪機(jī)外殼的最大外徑。 同樣，噴射器外殼128的長度等于或小于噴射器外殼的最大外徑。中心體103的外表面被空氣動力學(xué)地成型，以使MEWT 100下游的流動分離的影響最小。其可以被構(gòu)造成比渦輪機(jī)外殼102或噴射器外殼128、或它們結(jié)合的長度更長或更短。渦輪機(jī)外殼的入口區(qū)域和出口區(qū)域等于或大于由渦輪機(jī)級104占據(jù)的環(huán)帶的入口區(qū)域和出口區(qū)域，但其形狀不必是圓形的，以允許更好地控制流源及其尾流的影響。由中心體103和渦輪機(jī)外殼102的內(nèi)表面之間的環(huán)帶形成的內(nèi)部流路徑截面區(qū)域在空氣動力學(xué)上被成形，以在渦輪機(jī)的平面處具有最小面積并且另外從其各自的入口平面到其出口平面平滑地變化。渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼的外表面在空氣動力學(xué)上被成形，以輔助將流動引導(dǎo)到渦輪機(jī)外殼入口中，消除從其表面的流動分離，并且將平滑流動輸送到噴射器入口 129 中?？梢蕴娲厥欠菆A形的噴射器128的入口區(qū)域大于混合器118的出口平面區(qū)域；并且如果希望的話噴射器的出口區(qū)域也可以是非圓形的。優(yōu)選實施方式100的可選特征能夠包括輪狀結(jié)構(gòu)形式的動力輸出裝置，其在葉輪的外輪緣處機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)；豎向支承軸，其具有用于可轉(zhuǎn)動地支承MEWT的可轉(zhuǎn)動聯(lián)接件，軸位于MEWT上的壓力中心位置的前向，用于自對準(zhǔn)MEWT ；和自運(yùn)動豎向穩(wěn)定翅片或“翼片”，其固定到噴射器外殼的上表面和下表面，以穩(wěn)定與不同風(fēng)流的對準(zhǔn)方向。MEffT 100在住宅附近使用時能夠具有吸聲材料，該吸聲材料固定到其外殼102、 128的內(nèi)表面，以吸收并由此消除由定子106尾流與轉(zhuǎn)子110相互作用產(chǎn)生的相對高頻聲波。MEWT 100也能夠包含用于增加安全性的葉片容納結(jié)構(gòu)。圖3-8示出外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)200的第二示例性實施方式。渦輪機(jī)200使用螺旋槳式葉輪142，替代如圖1和圖2所示的轉(zhuǎn)子/定子組件。另外，在該實施方式中能夠更清楚地看到混合凸起。渦輪機(jī)外殼210具有不同的兩組混合凸起。參照圖4和圖5，渦輪機(jī)外殼210具有一組高能混合凸起212，其朝著渦輪機(jī)的中心軸線向內(nèi)延伸。在該實施方式中， 渦輪機(jī)外殼被示出具有10個高能混合凸起。渦輪機(jī)外殼也具有一組低能混合凸起214，其遠(yuǎn)離中心軸線地向外延伸。同樣，渦輪機(jī)外殼210被示出具有10個低能混合凸起。高能混合凸起與低能混合凸起圍繞渦輪機(jī)外殼210的后緣交替。如圖6所示，噴射器外殼230的入口區(qū)域232大于噴射器外殼的出口區(qū)域234。將理解，入口區(qū)域是指噴射器外殼的整個嘴部，而不是噴射器外殼的在噴射器外殼230和渦輪機(jī)外殼210之間的環(huán)形區(qū)域。但是，如這里進(jìn)一步所示，噴射器外殼的入口區(qū)域也可以比噴射器外殼的出口區(qū)域234小。如所期望的，噴射器外殼230的入口區(qū)域232大于渦輪機(jī)外殼210的出口區(qū)域218，以便容納混合凸起并且在渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼之間形成環(huán)形區(qū)域238，高能空氣能夠通過該環(huán)形區(qū)域238進(jìn)入噴射器。圖8和圖9示出了可以添加到變型200的可選流動阻斷門140a或擋板140b。門能夠經(jīng)由聯(lián)接部和致動器(未示出)轉(zhuǎn)動到流動流中，以便在由于高流速可能對發(fā)電機(jī)或其它部件造成損壞時減小或停止經(jīng)過渦輪機(jī)200的流動。這里描述的混合器-噴射器設(shè)計構(gòu)思能夠顯著增強(qiáng)流體動態(tài)性能。這些混合器-噴射器系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)提供了多個優(yōu)點，諸如更短的噴射器長度；增大的進(jìn)入和經(jīng)過系統(tǒng)的質(zhì)量流量；對入口流動阻斷和/或與主要流動方向未對準(zhǔn)的更低的敏感度；降低的空氣動力噪聲；增加的推力；以及在主出口處增大的抽吸壓力。MEWT的結(jié)構(gòu)的一部分包括由柔性拉伸織物或薄膜覆蓋的剛性構(gòu)架，這相對于傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)提供了顯著優(yōu)點。輕質(zhì)構(gòu)架和軟結(jié)構(gòu)的結(jié)合由于重量減小而需要用于渦輪機(jī)主體的較小的基本支承。軟殼部件使得制造和更換容易。柔性織物或薄膜也能夠撓曲，導(dǎo)致冰脫離接觸并且從表面脫離。一般而言，渦輪機(jī)外殼和/或噴射器外殼能夠首先被成形，隨后圍繞葉輪放置或布置，或者能夠圍繞葉輪構(gòu)造。圖10-14示出了總體以600指示的風(fēng)力渦輪機(jī)的實施方式或變型，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有以下面的方式構(gòu)造的渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼。每個外殼能夠被認(rèn)為具有框架護(hù)板結(jié)構(gòu)。圖10示出處于部分完整狀態(tài)的渦輪機(jī)外殼框架601和噴射器外殼框架603。圖11僅示出處于部分完整狀態(tài)的渦輪機(jī)外殼框架601。圖12僅示出處于部分完整狀態(tài)的噴射器外殼框架603。現(xiàn)在參照圖11，渦輪機(jī)外殼框架601包括渦輪機(jī)外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)或第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件602、渦輪機(jī)外殼混合結(jié)構(gòu)或第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612、以及多個第一內(nèi)部肋616?？梢园u輪機(jī)外殼環(huán)桁架614以進(jìn)一步限定渦輪機(jī)外殼的形狀，并且在渦輪機(jī)外殼框架601和噴射器外殼框架603之間提供連接點。當(dāng)存在時，環(huán)桁架614基本上平行于渦輪機(jī)外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)602并且垂直于渦輪機(jī)軸線。多個第二內(nèi)部肋618也可以用于進(jìn)一步限定混合凸起的形狀。通常，第一內(nèi)部肋616和第二內(nèi)部肋618彼此具有不同的形狀。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件602、環(huán)桁架614和第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612通過第一內(nèi)部肋616和第二內(nèi)部肋618均彼此連接。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件602和第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612通常彼此平行并且垂直于渦輪機(jī)軸線。渦輪機(jī)外殼第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件602限定渦輪機(jī)外殼框架601的前端或入口端。渦輪機(jī)外殼第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件602還限定渦輪機(jī)外殼的前緣642。渦輪機(jī)外殼第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612限定渦輪機(jī)外殼框架601的后端、出口端或排出端，并且還限定后緣644，混合凸起632、634(參照圖14)圍繞后緣的周圍布置。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612提供用以支承葉輪的結(jié)構(gòu)并且也用作使空氣通過葉輪的通道。第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612的形狀有些類似圓雉堞形狀或齒形形狀的齒輪。第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612能夠被認(rèn)為由每個都具有相同曲率半徑的若干個周向間隔的內(nèi)弓形部分702 形成。這些內(nèi)弓形部分優(yōu)選地彼此均勻地間隔開。在部分702之間的這些間隔中是每個均具有相同曲率半徑的若干個外弓形部分704。內(nèi)弓形部分的曲率半徑不同于外弓形部分 704的曲率半徑，但內(nèi)弓形部分和外弓形部分應(yīng)大致共有同一中心。內(nèi)弓形部分702和外弓形部分704隨后通過徑向延伸部分706彼此連接。這導(dǎo)致圓雉堞形狀。術(shù)語“雉堞狀” 或“齒形”在這里并不用作要求內(nèi)弓形部分、外弓形部分和徑向延伸部分為直線，而是指第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612的大致上下或內(nèi)外形狀。第一內(nèi)部肋616沿著外弓形部分704連接到第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件612，而第二內(nèi)部肋618沿著內(nèi)弓形部分704連接到第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件 612。如這里進(jìn)一步說明的，該結(jié)構(gòu)形成兩組混合凸起，即高能混合凸起和低能混合凸起。應(yīng)當(dāng)注意，雉堞狀可以僅僅是第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，并且第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件在雉堞狀的進(jìn)一步上游不同地成形。現(xiàn)在參照圖12，噴射器外殼子框架603包括噴射器外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)或第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件604、多個第一內(nèi)部肋606以及第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件608。再次，可以被成形為構(gòu)架的噴射器外殼環(huán)610可以被包括以進(jìn)一步限定噴射器外殼的形狀，并且在渦輪機(jī)外殼子框架601 和噴射器外殼子組件603之間提供連接點。當(dāng)存在時，環(huán)桁架610基本上平行于噴射器外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)604并且布置成垂直于渦輪機(jī)軸線。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件604、環(huán)桁架610和第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件608通過多個第一內(nèi)部肋606均彼此連接，圖12中僅示出了一個第一內(nèi)部肋 606。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件604和第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件608通常彼此平行并且垂直于渦輪機(jī)軸線。噴射器外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)604限定噴射器外殼子框架603的前端或入口端605。噴射器外殼后環(huán)結(jié)構(gòu)608限定噴射器外殼子框架603的后端、出口端或排出端607。噴射器外殼后環(huán)結(jié)構(gòu)608的排出端607也限定總框架600的后端、出口端或排出端。噴射器外殼前環(huán)結(jié)構(gòu)604限定噴射器外殼的前緣。第一剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件604和第二剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件608基本上是圓形的。圖13示出處于組裝狀態(tài)的兩個框架，任一外殼上都沒有護(hù)板。圖14示出部分地施加護(hù)板的框架。渦輪機(jī)護(hù)板620部分地覆蓋渦輪機(jī)外殼框架 601，而噴射器護(hù)板622部分地覆蓋噴射器外殼框架603。支承構(gòu)件624也示出將渦輪機(jī)外殼框架601連接到噴射器外殼框架603。支承構(gòu)架624在其徑向內(nèi)端處連接到渦輪機(jī)外殼環(huán)桁架614，并且在其徑向外端處連接到噴射器外殼環(huán)桁架610。得到的渦輪機(jī)外殼630具有兩組混合凸起，即朝向渦輪機(jī)的中心軸線向內(nèi)延伸的高能混合凸起632，和遠(yuǎn)離中心軸線向外延伸的低能混合凸起634。應(yīng)當(dāng)注意，渦輪機(jī)外殼剛性構(gòu)件602、612被認(rèn)為相對于護(hù)板620是“剛性”的，并且在與其它材料相比時可以被認(rèn)為是柔性的。類似地，噴射器外殼剛性構(gòu)件604、608被認(rèn)為相對于護(hù)板622是“剛性”的，并且在與其它材料相比時可以被認(rèn)為是柔性的。在實施方式中，每個外殼的肋和結(jié)構(gòu)構(gòu)件由與所述外殼的護(hù)板不同的材料制成。渦輪機(jī)外殼和噴射器外殼的護(hù)板通?？梢杂扇魏尉酆衔锘蚩椢锊牧闲纬?。示例性材料包括聚氨酯、全氟聚合物以及類似組分的多層膜。也可以利用可拉伸織物，諸如氨綸織物或含有織物的聚氨酯-聚脲。聚氨酯膜具有韌性并且具有良好的耐氣候性。聚酯型聚氨酯膜與聚醚型聚氨酯膜相比趨于對親水性退化更敏感。這些聚氨酯膜的脂族變型通常也具有抗紫外線性能。示例性的全氟聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氟乙烯(PVF)。商業(yè)上的型式可以從商標(biāo)名為KYNAR⑧和TEDLAR 獲得。全氟聚合物通常具有非常低的表面能量，與具有較高表面能量的材料相比，其允許它們的表面保持更容易去除污垢和碎屑以及流冰。護(hù)板可以由加強(qiáng)材料加強(qiáng)。加強(qiáng)材料的例子包括但不限于高度結(jié)晶聚乙烯纖維、 芳綸纖維和聚芳酰胺。
渦輪機(jī)外殼護(hù)板和噴射器外殼護(hù)板可以獨立地是多層，包括一層、兩層、三層或更多層。多層構(gòu)造可以增加強(qiáng)度、防水性、UV穩(wěn)定性和其它功能性。但是，多層構(gòu)造也會更昂貴并且增加總的風(fēng)力渦輪機(jī)的重量。護(hù)板可以覆蓋框架的整體或部分，但是，護(hù)板不需要覆蓋整個框架。例如，渦輪機(jī)外殼護(hù)板可以不覆蓋渦輪機(jī)外殼框架的前緣和/或后緣。任一外殼框架的前緣和/或后緣可以包括剛性材料。剛性材料包括但不限于聚合物、金屬及其混合物。在一些實施方式中， 剛性材料是玻璃加強(qiáng)聚合物。圍繞流體入口和出口的剛性表面區(qū)域可以改進(jìn)外殼的空氣動力特性。剛性表面區(qū)域可以是板料或其它構(gòu)造的形式。膜/織物復(fù)合物也設(shè)想連有襯墊，諸如泡沫襯墊材料。如圖15所示，風(fēng)力渦輪機(jī)750的另一示例性實施方式可以具有噴射器外殼752，該噴射器外殼752具有成形為提供補(bǔ)翼或翼片的內(nèi)部肋。補(bǔ)翼或翼片754被定向成有利于風(fēng)力渦輪機(jī)750與進(jìn)入的風(fēng)流對準(zhǔn)，以提高能量或功率生產(chǎn)率。圖16-21中示出產(chǎn)生能量或功率的方法、或增加流體渦輪機(jī)的能量或功率的方法、或從流體流抽取額外量的能量的方法。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)具有用于限定(a)經(jīng)過渦輪機(jī)的主流體流和(b)旁路經(jīng)過渦輪機(jī)的二次流體流的部件。渦輪機(jī)也具有用于從主流體流抽取能量的部件。渦輪機(jī)被放置成與諸如自由風(fēng)流的流體流接觸，以限定主流體流和二次流體流。從主流體流抽取能量以形成能量降低的流體流。隨后，能量降低的流體流與二次流體流混合，以將能量從二次流體流傳遞到能量降低的流體流。該混合造成額外的流體接合主流體流，加強(qiáng)了經(jīng)過渦輪機(jī)的流量并且增加了抽取的能量的量。壓力減小面積也由于兩種流體流的混合產(chǎn)生。如圖16和圖17所示，混合器外殼800環(huán)繞功率抽取單元，諸如渦輪機(jī)級(未示出)?；旌掀魍鈿?00使進(jìn)入的風(fēng)分離成經(jīng)過混合器外殼內(nèi)側(cè)并穿過功率抽取單元(未示出)的第一流體流810，以及經(jīng)過混合器外殼外側(cè)并旁路經(jīng)過功率抽取單元的第二流體流 820?；旌掀魍鈿?00具有出口或出口端802。多個混合器凸起830圍繞該出口 802布置。 混合器凸起能夠分成兩組，即一組高能混合凸起832和一組低能混合凸起834。高能混合凸起832朝向渦輪機(jī)的中心軸線向內(nèi)延伸。低能混合凸起834遠(yuǎn)離中心軸線向外延伸。高能混合凸起與低能混合凸起圍繞混合器外殼800的下游或后緣交替?；旌掀魍鈿?00也具有擴(kuò)口入口 808。混合器外殼80對應(yīng)于上述用于限定主流體流和二次流體流的部件。在經(jīng)過功率抽取單元之后，主流體流變成能量降低流體流812，其在出口 802處離開。參照圖21的截面圖，每個混合器凸起830具有外后緣角α和內(nèi)后緣角β?；旌掀魍鈿?00具有中心軸線804。角α和β是相對于平面840測量的，該平面840平行于中心軸線、垂直于混合器外殼的入口平面806并且沿著混合器外殼的表面805。角從頂點842 測量，混合器外殼在該頂點842處開始擴(kuò)張以形成混合器凸起。外后緣角α是在混合器凸起的后緣上的最外點844處測量的，而內(nèi)后緣角β是在混合器凸起的后緣上的最內(nèi)點846 處測量的。在一些實施方式中，外后緣角α和內(nèi)后緣角β是不同的，在其它實施方式中， α和β相等。在特定實施方式中，內(nèi)后緣角β大于或小于外后緣角α。如前所述，每個角能夠獨立地在5至65度范圍內(nèi)。參照圖16，渦輪機(jī)級隨后從主流體流抽取能量以產(chǎn)生或生成能量或功率。在經(jīng)過渦輪機(jī)級之后，主流體流也能夠被認(rèn)為是后渦輪機(jī)主流體流或能量降低流體流812，其包含比進(jìn)入渦輪機(jī)級之前更少的能量?；旌掀魍鈿?00的形狀導(dǎo)致主流體流810在經(jīng)過渦輪機(jī)之后朝外擴(kuò)張(即，穿過低能混合凸起834)。換句話說，混合器外殼800指引能量降低流體流812遠(yuǎn)離中心軸線804。參照圖17，混合器外殼800的形狀導(dǎo)致二次流體流820向內(nèi)流經(jīng)高能混合凸起 832。由此，混合器外殼800指引二次流體流820朝向中心軸線804。參照圖18，后渦輪機(jī)主流體流812和二次流體流820由此以角ω交匯。角ω通常在10和50度之間。由此，混合器外殼800的設(shè)計利用軸向渦旋來混合兩個流體流。參照圖19和20，兩個流體流812和820的交匯導(dǎo)致兩個流體流的“主動”混合。 這與通常僅僅沿著兩個平行流體流的邊界出現(xiàn)的“被動”混合不同。相反，主動混合在這里導(dǎo)致兩個流體流之間顯著上更大的能量傳遞。該混合也稱為“軸向渦旋”。另外，減小的壓力或低壓860的體積形成在混合器外殼800的下游區(qū)域或后面?；旌掀魍鈿は掠蔚臏u旋和減小的壓力又將更多的流體拉入或吸入主流體流810中并且允許功率抽吸單元/渦輪機(jī)級從進(jìn)入的流體抽取更多的能量。換句話說，渦旋和減小的壓力導(dǎo)致渦輪機(jī)級上游的主流體 810加速到混合器外殼中。不同地描述，減小的壓力/低壓導(dǎo)致額外的流體夾帶經(jīng)過混合器外殼，而不是經(jīng)過混合器外殼的外側(cè)。圖19示出由圍繞一個混合器凸起的能量降低流體流812和二次流體流820的交匯形成的漩渦850。圖20示出由在混合器外殼800的出口 802處的多個混合器凸起830形成的一系列渦旋。渦旋形成在混合器外殼800的下游或后面。該結(jié)合也可以被認(rèn)為是第一出口流870。該設(shè)計的另一優(yōu)點在于由主動混合形成的渦旋系列減小了渦輪機(jī)下游發(fā)生紊流的距離。對于傳統(tǒng)開放葉片式風(fēng)力渦輪機(jī)，得到的下游紊流通常意味著下游風(fēng)力渦輪機(jī)必須放置在10倍于上游渦輪機(jī)的直徑的距離以外，以便減小疲勞斷裂。相反，本發(fā)明的渦輪機(jī)能夠更接近地放置在一起，允許在給定面積中從風(fēng)流捕獲額外的能量。替代地，混合器外殼800能夠被認(rèn)為將進(jìn)入的空氣分離成第一相對快流體流810 和第二相對快流體流820。第一快流體流經(jīng)過渦輪機(jī)級并且從其抽取能量，導(dǎo)致離開混合器外殼的內(nèi)部的較慢或降低能量的流體流812，其比第二快流體流慢。較慢流體流812隨后與第二快流體流820混合。圖22-24示出了 MEWT的另一示例性實施方式。圖22中的MEWT 900具有構(gòu)造用于功率抽取的定子908a和轉(zhuǎn)子910。渦輪機(jī)外殼902環(huán)繞轉(zhuǎn)子910并且由定子908a的葉片或輻條支承或連接到定子908a的葉片或輻條。渦輪機(jī)外殼902具有翼型截面形狀，抽吸側(cè)(即，低壓側(cè))在外殼的內(nèi)部上。噴射器外殼928與渦輪機(jī)外殼902同軸，并且通過在兩個外殼之間延伸的連接器構(gòu)件905支承。因此，環(huán)形區(qū)域形成在兩個外殼之間。渦輪機(jī)外殼902的后端或下游端被成形為形成不同的兩組混合凸起918、920。高能混合凸起918朝向混合器外殼902的中心軸線向內(nèi)延伸；并且，低能混合凸起920遠(yuǎn)離中心軸線向外延伸?？傮w由箭頭906指示的經(jīng)過定子908a的自由流空氣的能量通過轉(zhuǎn)子910抽取。通過箭頭929指示的高能空氣旁通經(jīng)過外殼902和定子908a，并且在渦輪機(jī)外殼902上流過且通過高能混合凸起918向內(nèi)指引。低能混合凸起920導(dǎo)致離開自轉(zhuǎn)子910下游的低能空氣與高能空氣929混合。參照圖23，以軸向截面圖示出了圖22的渦輪機(jī)的中心艙903、低能混合凸起920 的后緣和高能混合凸起918的后緣。噴射器外殼928用于向內(nèi)指引或吸入高能空氣929?？蛇x地，艙903可以形成有穿過其的中心軸向通道，以減小艙的質(zhì)量并且提供額外的高能渦輪機(jī)旁通流。在圖24A中，沿著高能混合凸起918的總體以957指示的內(nèi)部后緣畫出切線952。 渦輪機(jī)外殼902的后平面951可見。線950被形成為垂直于后平面951并且與低能混合凸起920和高能混合凸起918交匯的點相切。角Φ2由切線952和線950相交形成。該角Φ2 在5和65度之間。換句話說，高能混合凸起918相對于渦輪機(jī)外殼902形成在5和65度之間的角Φ2。在圖24Β中，沿著低能混合凸起920的總體以955指示的內(nèi)部后緣畫出切線954。 角Φ通過切線954和線950相交形成。角Φ在5和65度之間。換句話說，低能混合凸起 920相對于渦輪機(jī)外殼902形成在5和65度之間的角Φ?，F(xiàn)在參照圖25和26，使用具有一組混合凸起的渦輪機(jī)外殼導(dǎo)致主動混合，減小渦輪機(jī)下游發(fā)生紊流的距離。這也在渦輪機(jī)的出口平面中在外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)后面引起獨特的壓力分布或特征壓力模式。特別地，形成高壓區(qū)域和低壓區(qū)域的混合。這些區(qū)域是不同的，并且比HAWT后面的低壓區(qū)域進(jìn)行“混合”更快。這種通過混合凸起形成的壓力分布導(dǎo)致在小于噴射器直徑10倍距離內(nèi)混合。圖25是示出示例性外罩式風(fēng)力渦輪機(jī)1000的側(cè)向截面圖。渦輪機(jī)包括由渦輪機(jī)外殼1010環(huán)繞的中心體1003。噴射器外殼1020與渦輪機(jī)外殼同軸定位并且位于渦輪機(jī)外殼的下游。渦輪機(jī)外殼1010的出口端1014延伸到噴射器外殼1020的入口端1022中。渦輪機(jī)外殼1010具有以類似于圖10-14中示出的混合凸起設(shè)置方式設(shè)置的10個低能混合凸起和10個高能混合凸起。出口平面1030限定在噴射器外殼的出口端1024處，并且通常垂直于由箭頭1005指示的風(fēng)向。噴射器外殼本身具有連續(xù)環(huán)翼型形狀，并且在這里示出不具有混合凸起。圖26示出由圖25的風(fēng)力渦輪機(jī)1000產(chǎn)生的在出口平面1030中的壓力分布。壓力分布使用風(fēng)力渦輪機(jī)的小比例尺模型產(chǎn)生。在MEWT小比例尺模型后面沿豎向和水平方向橫穿的自動橫穿單元用于測量出口平面中的總壓力。由于出口平面流中存在角度，使用基爾頭探針進(jìn)行測量。壓力利用歐米伽ΡΧ277壓差變換器來測量，該壓差變換器通向大氣壓力，并且圖26中示出的值被記錄為表壓力(psig)。由于時間限制，圖26中以0.25英寸的增量橫穿出口平面的僅四分之一。隨后結(jié)果被鏡像以形成顯示整個出口平面的壓力分布的圖表。壓力分布1100提供對應(yīng)于風(fēng)力渦輪機(jī)1000的混合凸起的數(shù)量和布置的若干個不同的壓力區(qū)域。X軸和y軸在這里是指相對于渦輪機(jī)的中心軸線的給定壓力的位置，其中， 中心體1003沿著該中心軸線定位。圖26中提供的單位是水英寸(英寸H2O)。水英寸相當(dāng)于每平方英寸0. 036磅(psi)。如這里所使用的，術(shù)語“psia”是指絕對壓強(qiáng)，或者換句話說，相對于真空測量的壓強(qiáng)。術(shù)語“psig”是指表壓力，或者相對于環(huán)境壓力測量的壓力。在海平面，大氣壓力是Opsig、14. 7psia或大約408. 3水英寸(14. 7/0. 036)。這里描述的分布圖中討論的壓力能夠使用諸如靜態(tài)/動態(tài)探針、超聲探針或 LIDAR探針等若干部件來測量。這些部件能夠用于獲得精確到psi的千分之一的壓力測量值。第一低壓區(qū)域1110位于壓力分布的中心1102。該第一低壓區(qū)域是由于中心體1003的存在，并且具有大致圓形或橢圓形。環(huán)繞第一低壓區(qū)域1110的是第一高壓區(qū)域 1120。環(huán)繞第一高壓區(qū)域1120的是第一混合壓力環(huán)1130。第一混合壓力環(huán)1130包括多個高壓袋1140和多個低壓袋1150。高壓袋與低壓袋圍繞混合壓力環(huán)交替。換句話說，每個高壓袋1140由兩個低壓袋1150括起來，并且每個低壓袋1150由兩個高壓袋1140括起來。 每個低壓袋1150可以由兩個低壓節(jié)點1152組成。第二壓力環(huán)1160環(huán)繞第一混合壓力環(huán)1130。該第二壓力環(huán)包括多個高壓袋1162。 每個高壓袋1162與第一混合壓力環(huán)1130中的低壓袋1150對準(zhǔn)。高壓袋1162被認(rèn)為在從中心1102向外畫出半徑(S卩，徑向線)1164時與低壓袋1150對準(zhǔn)，并且高壓袋1162和低壓袋1150均位于半徑1164上。第二壓力環(huán)也可以包括低壓袋1166，雖然如圖28中所示， 這種低壓袋不必存在。環(huán)繞第一混合壓力環(huán)1130和第二壓力環(huán)1160的是高壓線1170。高壓線1170具有類似于渦輪機(jī)外殼1010的后緣(對比圖6)的圓雉堞形狀。特別地，高壓線1170通常具有節(jié)點1172數(shù)量的一半，如渦輪機(jī)外殼具有混合凸起。例如，高壓線1170在這里具有對應(yīng)于渦輪機(jī)外殼的10個低能混合凸起的10個節(jié)點1172，和對應(yīng)于渦輪機(jī)外殼1010的10個高能混合凸起的節(jié)點之間的10個間隔1174。高壓線1170的壓力大于第一高壓區(qū)域1120 或高壓袋1140的壓力。環(huán)繞高壓線1170的是一組高壓點1180。這些高壓點1180設(shè)置成一圈并且對應(yīng)于噴射器外殼1020。高壓線1170和高壓點1180通常具有相同的壓力。在高壓線1170和高壓點1180之間是高壓間隙1190。高壓間隙1190中的壓力大于高壓線1170和高壓點1180 的壓力。第一低壓區(qū)域1110和第一混合壓力環(huán)低壓袋1150均具有小于Opsig的壓力。在特別的變型或?qū)嵤┓绞街?，這些低壓區(qū)域具有從_1(負(fù)l)psig到Opsig以下的壓力。應(yīng)當(dāng)注意，每個低壓區(qū)域中的壓力在整個區(qū)域上不是恒定或者均一的，但小于Opsig。類似地，第一高壓區(qū)域1120、第一混合壓力環(huán)高壓袋1140、第二壓力環(huán)高壓袋 1162、高壓線1170、高壓點1180和高壓間隙1190每個都具有Opsig或更大的壓力。在特別的變型或?qū)嵤┓绞街?，這些高壓區(qū)域具有從Opsig到1. 5psig的壓力。還應(yīng)當(dāng)注意，第一高壓區(qū)域1120、第一混合壓力環(huán)高壓袋1140和第二壓力環(huán)高壓袋1162實際上不是彼此獨立或者分離的，而僅僅為了方便以此方式指示。第一高壓區(qū)域1120、第一混合壓力環(huán)高壓袋 1140和第二壓力環(huán)高壓袋1162通常具有相同的壓力。圖27和圖28示出了具有相關(guān)的壓力分布的另一風(fēng)力渦輪機(jī)。圖27是進(jìn)入風(fēng)力渦輪機(jī)1200的出口的前半視圖，并且示出了具有由渦輪機(jī)外殼1210環(huán)繞的中心體1203的渦輪機(jī)。渦輪機(jī)外殼1210總共具有10個低能混合凸起1214，其中圖27中可見4個全凸起和2個半凸起。噴射器外殼1220與渦輪機(jī)外殼1210同軸定位并且環(huán)繞渦輪機(jī)外殼1210。圖28示出了由風(fēng)力渦輪機(jī)1200產(chǎn)生的壓力分布。再次，這里所示的值被記錄為表壓力(Psig)。壓力分布以與圖26中相同的方式產(chǎn)生，除了出口平面的一半以0.25英寸的增量橫穿。圖28示出了測量了數(shù)據(jù)的出口平面的一半。再次，存在若干個不同的壓力區(qū)域。χ軸和y軸在這里是指相對于渦輪機(jī)的中心軸線(中心體1003沿著該中心軸線定位) 的給定壓力的位置。這里提供的單位也是水英寸。第一低壓區(qū)域1310位于壓力分布的中心1302。該第一低壓區(qū)域是由于中心體1203的存在并且具有大致圓形或橢圓形的形狀。在該分布中，第一低壓區(qū)域中的壓力達(dá)到低至-O·5英寸H2O (-0. OlSpsig)。環(huán)繞第一低壓區(qū)域1310的是第一高壓區(qū)域1320。第一高壓區(qū)域中的壓力通常為大約0英寸H2O,雖然一些部分高至0. 5英寸H2O (0. OlSpsig)。環(huán)繞第一高壓區(qū)域1320的是第一混合壓力環(huán)1330。第一混合壓力環(huán)1330包括多個高壓袋 1340和多個低壓袋1350。高壓袋與低壓袋圍繞混合壓力環(huán)交替。換句話說，每個高壓袋 1340通過兩個低壓袋1350括起來，并且每個低壓袋1350通過兩個高壓袋1340括起來。每個低壓袋1350可以由兩個低壓節(jié)點1352組成。低壓袋中的壓力再次達(dá)到低至-0.5英寸 H2O,而高壓袋中的壓力通常為大約0英寸H20。第二壓力環(huán)1360環(huán)繞第一混合壓力環(huán)1330。該第二壓力環(huán)包括多個高壓袋1362。 每個高壓袋1362與第一混合壓力環(huán)1330中的低壓袋1350對準(zhǔn)。高壓袋1362被認(rèn)為在從中心1302向外畫半徑(即，徑向線)1364時與低壓袋1350對準(zhǔn)，并且高壓袋1362和低壓袋1350均位于半徑1364上。這些高壓袋中的壓力通常為大約0英寸H20。環(huán)繞第一混合壓力環(huán)1330和第二壓力環(huán)1360的是高壓線1370。高壓線1370具有類似于渦輪機(jī)外殼1010的后緣(對比圖6)的圓雉堞形狀。特別地，高壓線1370通常具有節(jié)點1372的數(shù)量的一半，如渦輪機(jī)外殼具有混合凸起(高能混合凸起和低能混合凸起)。 例如，高壓線1370這里具有對應(yīng)于渦輪機(jī)外殼的10個低能混合凸起的10個節(jié)點1372，和對應(yīng)于渦輪機(jī)外殼1010的10個高能混合凸起的節(jié)點之間的10個間隔1374。每個節(jié)點 1372也可以被認(rèn)為包圍第一混合壓力環(huán)1330的低壓袋1350和第二壓力環(huán)1360的高壓袋 1362。高壓線中的壓力在0. 6和1. 1英寸H2O(0. 0216至0. 0396psig)之間變化。環(huán)繞高壓線1370的是另一組高壓點1380。這些高壓點1380被設(shè)置成一圈并且對應(yīng)于噴射器外殼1020。這些高壓點中的壓力也在0. 6和1. 1英寸H2O (0. 0216至0. 396psig) 之間變化。在高壓線1370和高壓點1380之間的是高壓間隙1390。高壓間隙1390中的壓力大于高壓線1370和高壓點1380的壓力。高壓間隙中的壓力通常是至少1. 2英寸 H2O(0. 0432psig)。噴射器外殼外側(cè)的自由風(fēng)或空間總體以1400指示，并且也具有比高壓線 1370和高壓點1380高的壓力，通常在噴射器外殼附近為至少1. 2英寸H2O (0. 0432psig)。應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語“低壓”和“高壓”是在相對意義上使用的。另外，用于不同的低壓區(qū)域和高壓區(qū)域的各種術(shù)語不應(yīng)解釋成對于任何給定壓力區(qū)域需要任何特定形狀，除非另外指明。第一低壓區(qū)域1310、第一混合壓力環(huán)低壓袋1350和高壓線1370均具有小于 Opsig的壓力。在特定實施方式中，這些低壓區(qū)域具有從-Ipsig到小于Opsig的壓力(-1 ^ 壓力< Opsig)。應(yīng)當(dāng)注意，每個低壓區(qū)域中的壓力在整個區(qū)域不是恒定的或均一的，但小于 Opsig0類似地，第一高壓區(qū)域1320、第一混合壓力環(huán)高壓袋1340和第二壓力環(huán)高壓袋 1362均具有Opsig或更大的壓力。在特定的實施方式中，這些壓力區(qū)域具有從Opsig到 0. 054psig的壓力(0 <壓力< 0. 054psig)。還應(yīng)當(dāng)注意，第一高壓區(qū)域1320、第一混合壓力環(huán)高壓袋1340和第二壓力環(huán)高壓袋1362實際上不是彼此獨立或者分離的，而僅僅為了方便以此方式指示。再次，每個低壓區(qū)域中的壓力在整個區(qū)域上不是恒定的或均一的，但至少是Opsig。
一般而言，壓力分布在這里示出高壓空氣和低壓空氣在風(fēng)力渦輪機(jī)后面快速混合。這種主動混合意味著下游風(fēng)力渦輪機(jī)能夠定位成更靠近上游風(fēng)力渦輪機(jī)。這增大了風(fēng)力渦輪機(jī)能夠放置在給定地面區(qū)域處的密度，增加了由該地面區(qū)域產(chǎn)生的功率的量。壓力分布也可以被認(rèn)為具有多個混合區(qū)域。每個混合區(qū)域通過混合在一起的至少第一低壓區(qū)域和第一高壓區(qū)域形成。混合區(qū)域的數(shù)量等于風(fēng)力渦輪機(jī)上混合凸起的數(shù)量的一半。再次參照圖28，混合區(qū)域可以被認(rèn)為由第二壓力環(huán)高壓袋1362和第一混合壓力環(huán)低壓袋1350組成?；旌蠀^(qū)域能夠被認(rèn)為是節(jié)點1372?；旌蠀^(qū)域(即，節(jié)點)被設(shè)置成圍繞出口平面中的中心或中心軸線的大致圓形形狀。應(yīng)當(dāng)注意，可想到不具有噴射器外殼的實施方式。在這些實施方式中，在壓力分布中沒有高壓點1180、1380。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下能夠進(jìn)行變型。相應(yīng)地，應(yīng)當(dāng)主要參考權(quán)利要求書，而不是前述描述。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其在所述渦輪機(jī)下游的出口平面內(nèi)產(chǎn)生流體壓力分布，所述壓力分布包括第一低壓區(qū)域，其限定所述壓力分布的中心；第一高壓區(qū)域，其環(huán)繞所述第一低壓區(qū)域；和第一混合壓力環(huán)，其環(huán)繞所述第一高壓區(qū)域，所述混合壓力環(huán)包括多個高壓袋和多個低壓袋，所述高壓袋和低壓袋圍繞所述混合壓力環(huán)交替。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述壓力分布還包括環(huán)繞所述第一混合壓力環(huán)的第二壓力環(huán)，所述第二壓力環(huán)包括多個高壓袋，每個高壓袋沿著半徑與所述第一混合壓力環(huán)中的低壓袋對準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第二壓力環(huán)高壓袋的壓力為至少 Opsig0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述壓力分布還包括環(huán)繞所述第一混合壓力環(huán)和第二壓力環(huán)的高壓線，所述高壓線具有圓雉堞形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述高壓線的壓力為至少Opsig。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述壓力分布還包括環(huán)繞所述高壓線的一組高壓點。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述壓力分布還包括在所述高壓線和高壓點之間的高壓間隙，所述高壓間隙的壓力比所述高壓線和高壓點的壓力大。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一低壓區(qū)域的壓力低于Opsig。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一低壓區(qū)域的壓力為從至少-Ipsig至丨J小于Opsig0
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一高壓區(qū)域的壓力為至少Opsig。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一高壓區(qū)域的壓力為從Opsig到 0.054psig。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一混合壓力環(huán)中的高壓袋的壓力為至少Opsig。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一混合壓力環(huán)中的高壓袋的壓力為從 Opsig 到 0. 054psig。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，所述第一混合壓力環(huán)中的低壓袋的壓力為從至少-Ipsig到小于Opsig。
15.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其在所述渦輪機(jī)下游的出口平面內(nèi)產(chǎn)生流體壓力分布，所述壓力分布包括第一低壓區(qū)域，其限定所述壓力分布的中心；第一高壓區(qū)域，其環(huán)繞所述第一低壓區(qū)域；第一混合流體壓力環(huán)，其環(huán)繞所述第一高壓區(qū)域，所述混合壓力環(huán)包括多個高壓袋和多個低壓袋，所述高壓袋和低壓袋圍繞所述混合壓力環(huán)交替；第二流體壓力環(huán)，其環(huán)繞所述第一混合壓力環(huán)，其中，所述第二壓力環(huán)包括多個高壓袋，每個高壓袋沿著半徑與所述第一混合壓力環(huán)中的低壓袋對準(zhǔn)；和高壓線，其環(huán)繞所述第一混合壓力環(huán)和第二壓力環(huán)，所述高壓線具有圓雉堞形狀。
16.一種制造風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括(a)提供圍繞水平軸線轉(zhuǎn)動的葉輪；(b)用渦輪機(jī)外殼環(huán)繞所述葉輪，所述外殼具有翼型截面形狀并且降低經(jīng)過所述葉輪的風(fēng)流的壓力；(c)將噴射器外殼布置成與所述渦輪機(jī)外殼同軸并且布置在所述渦輪機(jī)外殼的下游；并且(d)在所述渦輪機(jī)外殼的下游邊緣上形成多個隔開的徑向向內(nèi)延伸的混合凸起和多個徑向向外延伸的混合凸起，所述向內(nèi)延伸的混合凸起與所述向外延伸的混合凸起圍繞所述下游邊緣交替。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，形成向內(nèi)延伸的凸起和向外延伸的凸起的步驟包括使所述渦輪機(jī)外殼的下游邊緣成雉堞狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，用渦輪機(jī)外殼環(huán)繞所述葉輪的步驟包括由剛性材料形成框架并且用護(hù)板覆蓋所述框架的至少一部分，所述護(hù)板包括織物或聚合物膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述護(hù)板具有多層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，布置噴射器外殼的步驟包括由剛性材料形成噴射器外殼框架并且用護(hù)板覆蓋所述噴射器外殼框架的至少一部分，所述護(hù)板包括織物或聚合物膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述護(hù)板具有多層。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述葉輪是轉(zhuǎn)子/定子組件。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述向內(nèi)延伸的混合凸起和向外延伸的混合凸起獨立地成形，以相對于所述水平軸線形成從5到65度的角。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，由噴射器外殼出口面積除以渦輪機(jī)外殼出口面積限定的面積比具有從1. 5到4. 0的值。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述渦輪機(jī)外殼具有總計從6到14個混合凸起。
26.一種具有混合凸起的風(fēng)力渦輪機(jī)，其在所述渦輪機(jī)下游的出口平面內(nèi)產(chǎn)生流體壓力分布，所述壓力分布包括多個混合區(qū)域，混合區(qū)域通過第一低壓區(qū)域與第一高壓區(qū)域混合形成； 其中，混合區(qū)域的數(shù)量等于混合凸起的數(shù)量的一半。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，所述混合區(qū)域被設(shè)置成圍繞所述出口平面內(nèi)的中心軸線的一圈。
28.一種如圖1或圖2所示在出口平面內(nèi)產(chǎn)生壓力分布的風(fēng)力渦輪機(jī)。
全文摘要
一種風(fēng)力渦輪機(jī)在風(fēng)力渦輪機(jī)的下游產(chǎn)生獨特的壓力分布。該壓力分布反映風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括外殼，該外殼的后緣上具有混合凸起。壓力分布包括對應(yīng)于外殼上的混合凸起的數(shù)量和位置的高壓區(qū)域和低壓區(qū)域。
文檔編號F03D1/04GK102459873SQ201080031953
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者M·J·威爾, R·多爾德, T·J·肯尼迪三世, T·?；? W·M·普雷茲, W·S·基利 申請人:弗洛設(shè)計風(fēng)力渦輪機(jī)公司