可變直徑及角度的垂直軸渦輪的制作方法
【專利摘要】一種風(fēng)力渦輪，特別是數(shù)個(gè)垂直軸，其直徑是可伸出及可縮回的，無論從臂的長度，或葉片的角度，或二者，其操作在低風(fēng)速工作模式及留在高風(fēng)速工作模式都具有優(yōu)勢(shì)。本案描述如何建構(gòu)此一渦輪，特別是控制機(jī)構(gòu)及所述葉片的最佳空氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)。
【專利說明】可變直徑及角度的垂直軸渦輪【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于一種具有可變直徑葉片且用于風(fēng)力渦輪的系統(tǒng)、設(shè)備及方法，其直徑通過臂長及/或角被控制。
[0002]解決如何使一渦輪可以在低風(fēng)速使用且留在高風(fēng)速，或甚至只單獨(dú)留在高風(fēng)速的問題。其顯示如何根據(jù)葉片組合的參數(shù)即葉尖速比TSR(Tip Speed Ratio)的建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種不同的效能。渦輪參數(shù)需要協(xié)調(diào)以達(dá)到對(duì)于特定速度的適當(dāng)形狀及控制建構(gòu)。一本案的一示例為印度地區(qū)的環(huán)境，當(dāng)一整年大部分為低風(fēng)速，高風(fēng)速在其他季風(fēng)的季節(jié)，或在世界其它地區(qū)的颶風(fēng)。
【背景技術(shù)】
[0003]以下為部分現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)查:
[0004]美國專利案第US2010/0158687號(hào)，道森Dawson，為不相關(guān)，因?yàn)樗霭讣m用于轉(zhuǎn)子葉片，及關(guān)于改變?nèi)~片的長度。其不同于本案，本案不提及改變?nèi)~片形狀，但有討論改變渦輪直徑。而所述案件也是特定的水平軸渦輪。
[0005]美國專利案第US4342539號(hào)，波特Potter，具有降低風(fēng)力機(jī)構(gòu)寬度的概念，但又提出多個(gè)伸縮機(jī)翼的一完全不相關(guān)的概念。我們的案件不同的地方在于，不使用伸縮及一些實(shí)施例中的非機(jī)翼型葉片。波特利用風(fēng)帆及收卷帆，而我們使用實(shí)體葉片。波特的塔是可傾斜的，而我們的非常堅(jiān)固，他的風(fēng)帆降低至存儲(chǔ)模式，而本發(fā)明則關(guān)于回縮(retraction)。
[0006]美國專利案第US5531567號(hào)，赫爾斯Hulls，提交拉緊達(dá)里厄(Darrieus)型葉片，且不相關(guān)。
[0007]美國專利案第US6394745號(hào)，庫雷希Quraeshi，在升降垂直軸的葉片使用槳距控制。其不會(huì)改變從軸至葉片中心的距離。
[0008]美國專利案第US6972498號(hào)，賈米森Jamieson，通過各種手段延伸外徑，而本案的工作原理是通過調(diào)整內(nèi)部直徑或角度。
[0009]綜上所述，已知的現(xiàn)有技術(shù)不存在有關(guān)本發(fā)明解決力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明通過提供一種具有可變參數(shù)的風(fēng)力渦輪，成功地克服目前已知構(gòu)造的缺點(diǎn)。
[0011]首次揭露一垂直軸渦輪系統(tǒng)，包含:
[0012](a)至少二實(shí)體葉片，在一穩(wěn)定的中心軸上，直接或通過至少一臂連接至一剛性的中心軸桿而能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述軸桿定義為包含任何用于所述葉片操作及附著的必要附加元件；
[0013](b) 一裝置，用以在所述系統(tǒng)中改變渦輪直徑及/或所述葉片相對(duì)于所述中心軸桿的角度，所述渦輪直徑是從所述臂的附著點(diǎn)至所述葉片及所述中心軸桿的最外部被測(cè)得的。[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包含:三個(gè)葉片。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包含:一可伸出或縮回的臂。
[0016]根據(jù)另一實(shí)施例，所述裝置包含:
[0017](c) 一電動(dòng)機(jī)盤，連接至所述軸桿；
[0018](d) 一旋轉(zhuǎn)臂，連接所述盤至所述葉片；
[0019](e) 一滑動(dòng)臂，連接所述盤至所述葉片，其中…
[0020]根據(jù)另一實(shí)施例，所述裝置包含:
[0021](C) 一驅(qū)動(dòng)盤，連接至所述軸桿；
[0022](d) 一從動(dòng)盤，附著至所述葉片；
[0023](e) 一連接臂，連接所述驅(qū)動(dòng)盤至所述從動(dòng)盤，其中…
[0024]根據(jù)另一實(shí)施例，所述裝置包含:
[0025](C) 一驅(qū)動(dòng)盤，連接至所述軸桿；
[0026](d) 一從動(dòng)盤， 附著至所述葉片；
[0027](e) 一鏈條，連接所述驅(qū)動(dòng)盤至所述從動(dòng)盤，其中…
[0028](f) 一張力齒輪，連接所述驅(qū)動(dòng)軸至所述鏈條，其中…
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包含:(C) 一裝置，用以電子式或微處理器的控制所述系統(tǒng)的參數(shù)，所述參數(shù)包含但不局限于直徑、角度及旋轉(zhuǎn)速度。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包含:所述裝置朝所述軸桿沿著其后表面或前表面或二者折疊所述葉片。
[0031]首次揭露一種改變一垂直軸渦輪的直徑及/或葉片角度的方法，所述垂直軸渦輪具有一中心實(shí)體軸桿、至少一臂或驅(qū)動(dòng)設(shè)備，及至少一葉片，在不同的速度下，使用一裝置，使得所述臂或驅(qū)動(dòng)設(shè)備改變所述葉片的直徑及/或角度，其是從所述臂的附著點(diǎn)或驅(qū)動(dòng)設(shè)備至所述葉片到所述軸桿被測(cè)得的。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包含步驟:通過相關(guān)聯(lián)于周圍流體環(huán)境的一特定速度機(jī)構(gòu)式或電子式控制所述渦輪系統(tǒng)中的改變，以完成上述直徑及/或角度的至少一改變。
[0033]根據(jù)另一實(shí)施例，所述葉尖速比TSR及所述葉片角度結(jié)構(gòu)相匹配，以改變功率系數(shù)Cp值，使得在較低的流速其值較高。
[0034]根據(jù)另一實(shí)施例，所述裝置沿著所述葉片內(nèi)部方向折疊所述葉片。
[0035]根據(jù)另一實(shí)施例，所述折疊發(fā)生在一葉片于所述葉片的外側(cè)面對(duì)迎面流體的時(shí)候。
[0036]首次揭露一種具三葉片的垂直軸渦輪，其包含以下參數(shù)，所述參數(shù)的20%以內(nèi)的任何比例如下:
[0037](a)任何垂直距離的數(shù)個(gè)大致半圓形葉片，其中所述指定比例可為所述葉片的任意點(diǎn)、平均值、最大值或最小值；
[0038](b) 1300毫米的葉片直徑；
[0039](c)從600毫米的葉片的內(nèi)部邊緣起最接近所述軸桿中心的點(diǎn)。
[0040]根據(jù)另一實(shí)施例，所述葉片角度，根據(jù)一 360度的圓定義，從所述水平沿著逆時(shí)針方向?yàn)檎?，其中所述半圓的二端在所述水平上，且所述半圓為沿所述水平的正方向，從最接近的點(diǎn)至所述軸桿，其角度范圍為+45至+90內(nèi)及+270至+315內(nèi)或其中的任何點(diǎn)。
[0041]根據(jù)另一實(shí)施例，所述葉片沿著至少一垂直方向具有一雙曲線形及/或逐漸變細(xì)，及/或在所述葉片的上及/或下邊緣及/或中間上具有一水平唇緣。
[0042]根據(jù)另一實(shí)施例，所述葉尖速比TSR在0至1.4之間。
[0043]根據(jù)另一實(shí)施例，所述渦輪還包含另一裝置，用以當(dāng)所述轉(zhuǎn)速以小于5增加用于所述渦輪的功率的每100%改變時(shí)在發(fā)電機(jī)上增加負(fù)載。
[0044]首次揭露一種同步調(diào)整葉尖速比TSR及渦輪葉片幾何的方法，利用機(jī)構(gòu)式或電子式的控制裝置，使一垂直軸渦輪的功率系數(shù)Cp產(chǎn)生改變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]本發(fā)明在本文中的描述僅作為示例，并參照附圖所示，其中:
[0046]圖1是一雙臂直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。
[0047]圖2是一驅(qū)動(dòng)盤及從動(dòng)盤的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。
[0048]圖3是一驅(qū)動(dòng)盤及從動(dòng)盤的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。
[0049]圖4是一軸桿偏移的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。
[0050]圖5是一關(guān)于三葉片垂直軸渦輪的部分角度及直徑的剖視圖。
[0051]圖6是一關(guān)于三葉片垂直軸渦輪在建構(gòu)不同角度的功率系數(shù)Cp及葉尖速比TSR的圖。
[0052]圖7是一種三葉片垂直軸渦輪縮回的方法的示意圖。
[0053]圖8是一種二葉片垂直軸渦輪縮回的方法的示意圖。
[0054]圖9是一轉(zhuǎn)速在不同風(fēng)速下的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055]本發(fā)明關(guān)于一種通過風(fēng)力渦輪利用可變直徑、角度及相關(guān)賦能系統(tǒng)進(jìn)行的電力生產(chǎn)，根據(jù)本發(fā)明提供風(fēng)力渦輪設(shè)計(jì)的數(shù)種設(shè)備及方法。
[0056]本發(fā)明適用于任何流體的流動(dòng)，無論是風(fēng)，水或其他流體，為方便起見，所述用語“風(fēng)wind”可適用于其他流體，以風(fēng)力渦輪作為主要用途，其次為水下渦輪。需注意的是，所述概念也適用于本地的液壓動(dòng)力渦輪，其流動(dòng)速度可能會(huì)大幅增加，如洪汛期間。
[0057]所有的系統(tǒng)及軸桿被認(rèn)為是附接至一些機(jī)構(gòu)或物件，其接收所述機(jī)構(gòu)的力量并轉(zhuǎn)化成能量，例如一發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)換為電能，或一系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為熱能，或一機(jī)器連接至一機(jī)械系統(tǒng)，例如泵。
[0058]本發(fā)明主要設(shè)想以拖動(dòng)式葉片或具有升提組件拖動(dòng)葉片操作的拖動(dòng)式葉片，通過獲取流體的“推力push”，如杯體，主要操作升提葉片如翼片，因而由高壓區(qū)往低壓區(qū)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，另外也適用于升降式葉片。
[0059]一垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)VAWT及增加/減少葉片直徑的連結(jié)，意義為改變自身的徑向跨度，其在所描述情況下是創(chuàng)新的。在一實(shí)施例中，其用于拖動(dòng)葉片。在一實(shí)施例中，所述變化也適用在葉片的定向改變，例如不同的重疊。在一實(shí)施例中，可以通過軸桿的距離偏移來實(shí)現(xiàn)，在另一個(gè)實(shí)施例中，所述葉片本身可以伸出(extend)及收回(retract),如圖4所示，如果葉片延伸在較低的風(fēng)速14，將可提高在高風(fēng)速13的留存率。其中葉片數(shù)量為2及3的葉片組合，阻力及升力型，其具有新穎性。
[0060]在一實(shí)施例中，是利用電氣控制，在所述實(shí)施例中，電氣控制可維持其直徑，而能夠達(dá)到能量的一指定輸出。
[0061]總之，有許多新的組合被揭露，包含上述的任何二個(gè)或多個(gè)重點(diǎn)及本案的其他部分。
[0062]圖1是一雙臂直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。所述機(jī)構(gòu)具有二個(gè)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作的選擇，旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)。一電動(dòng)機(jī)盤I位于中心處。每一葉片選擇的中心在平行于地面的一弧形上。所述旋轉(zhuǎn)臂2、4、6可以沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而所述滑動(dòng)臂3、S、7向內(nèi)移向軸桿或從所述軸桿逆時(shí)針遠(yuǎn)離所述葉片。圖中顯示僅用于驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)臂的馬達(dá)。
[0063]所述系統(tǒng)可在任意數(shù)量的葉片下運(yùn)作。
[0064]圖2是一驅(qū)動(dòng)盤及從動(dòng)盤的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。所述機(jī)構(gòu)使用在所述軸桿內(nèi)的一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)所述驅(qū)動(dòng)盤8。每一連接臂9附接至所述驅(qū)動(dòng)盤的外周及從動(dòng)盤的一連接裝置，如接腳(Pins)。當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)盤8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述連接臂推動(dòng)所述葉片延伸。當(dāng)需要以拉動(dòng)動(dòng)作減少所述渦輪半徑，所述驅(qū)動(dòng)盤即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。所述葉片的旋轉(zhuǎn)軸是圍繞所述從動(dòng)盤10，并且在相對(duì)于所述軸桿中心的一固定位置。
[0065]圖3是一驅(qū)動(dòng)盤及從動(dòng)盤的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。所述機(jī)構(gòu)的作動(dòng)通過中央馬達(dá)14使一小齒輪驅(qū)動(dòng)所述鏈條12及齒輪I。每一葉片具有自己的齒輪，其具有一給定的傳輸比率以移動(dòng)本身的角度。鏈條順時(shí)針旋轉(zhuǎn)會(huì)使所述葉片打開。所述葉片的旋轉(zhuǎn)軸是圍繞所述從動(dòng)盤13，且在相對(duì)于所述軸桿中心的一固定位置。二小齒輪在所述鏈條上提供張力。
[0066]另外二個(gè)小齒輪11在所述鏈條上提供持續(xù)的張力。
[0067]圖4是一軸桿偏移的直徑變化的機(jī)構(gòu)圖。所述機(jī)構(gòu)13在高風(fēng)速下被壓縮，且機(jī)構(gòu)
14在低風(fēng)速下具有一擴(kuò)張直徑。位置15及17為軸桿，且位置16及18為葉片，其與軸桿的距離可簡(jiǎn)易地增加或減少，在理想的情況下，使用至少一滑動(dòng)臂(未繪示)以進(jìn)行調(diào)整。
[0068]圖5是一關(guān)于三葉片垂直軸渦輪的部分角度及直徑的剖視圖。圖示所有的葉片是用于繪形的精確半圓，不過，在其他實(shí)施例中也可以是半圓的變化，例如，可能逐漸變細(xì)，具有至少一雙曲線，在上、下及中間的唇緣。下表為所述圖示說明的模擬模組:
[0069]用于每一所述案例的外徑為:
[0070]
【權(quán)利要求】
1.一種垂直軸渦輪系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包含: (a)至少二實(shí)體葉片，在一穩(wěn)定的中心軸上，直接或通過至少一臂連接至一剛性的中心軸桿而能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述軸桿定義為包含任何用于所述葉片操作及附著的必要附加元件； (b)一裝置，用以在所述系統(tǒng)中改變渦輪直徑及/或所述葉片相對(duì)于所述中心軸桿的角度，所述渦輪直徑是從所述臂的附著點(diǎn)至所述葉片及所述中心軸桿的最外部被測(cè)得的。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)具有三個(gè)葉片。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置包含一可伸出或縮回的臂。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置包含: (c)一電動(dòng)機(jī)盤，連接至所述軸桿； (d)一旋轉(zhuǎn)臂，連接所述盤至所述葉片； (e)一滑動(dòng)臂，連接所述盤至所述葉片，其中…
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置包含: (C) 一驅(qū)動(dòng)盤，連接至所述軸桿； (d)一從動(dòng)盤，附著至所述葉片； (e)一連接臂，連接所述驅(qū)動(dòng)盤至所述從動(dòng)盤，其中…
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置包含: (C) 一驅(qū)動(dòng)盤，連接至所述軸桿； (d)一從動(dòng)盤，附著至所述葉片； (e)一鏈條，連接所述驅(qū)動(dòng)盤至所述從動(dòng)盤，其中… (f)一張力齒輪，連接所述驅(qū)動(dòng)軸至所述鏈條，其中…
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包含: (C) 一裝置，用以電子式或微處理器的控制所述系統(tǒng)的參數(shù)，所述參數(shù)包含但不局限于直徑、角度及旋轉(zhuǎn)速度。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置朝所述軸桿沿著其后表面或前表面或二者折疊所述葉片。
9.一種改變一垂直軸渦輪的直徑及/或葉片角度的方法，其特征在于:所述垂直軸渦輪具有一中心實(shí)體軸桿、至少一臂或驅(qū)動(dòng)設(shè)備，及至少一葉片，在不同的速度下，使用一裝置，使得所述臂或驅(qū)動(dòng)設(shè)備改變所述葉片的直徑及/或角度，其是從所述臂的附著點(diǎn)或驅(qū)動(dòng)設(shè)備至所述葉片到所述軸桿被測(cè)得的。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:通過相關(guān)聯(lián)于周圍流體環(huán)境的一特定速度機(jī)構(gòu)式或電子式控制所述渦輪系統(tǒng)中的改變，以完成上述直徑及/或角度的至少一改變。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于:所述葉尖速比TSR及所述葉片角度結(jié)構(gòu)相匹配，以改變功率系數(shù)Cp值，使得在較低的流速其值較高。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:所述裝置沿著所述葉片內(nèi)部方向折疊所述葉片。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于:所述折疊發(fā)生在一葉片于所述葉片的外側(cè)面對(duì)迎面流體的時(shí)候。
14.一種具三葉片的垂直軸渦輪，其特征在于:包含以下參數(shù)，所述參數(shù)的20%以內(nèi)的任何比例如下: (a)任何垂直距離的數(shù)個(gè)大致半圓形葉片，其中所述指定比例可為所述葉片的任意點(diǎn)、平均值、最大值或最小值； (b)1300毫米的葉片直徑； (c)從600毫米的葉片的內(nèi)部邊緣起最接近所述軸桿中心的點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求14所述的渦輪，其特征在于:所述葉片角度，根據(jù)一360度的圓定義，從所述水平沿著逆時(shí)針方向?yàn)檎?，其中所述半圓的二端在所述水平上，且所述半圓為沿所述水平的正方向，從最接近的點(diǎn)至所述軸桿，其角度范圍為+45至+90內(nèi)及+270至+315內(nèi)或其中的任何點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求14所述的渦輪，其特征在于:所述葉片沿著至少一垂直方向具有一雙曲線形及/或逐漸變細(xì)，及/或在所述葉片的上及/或下邊緣及/或中間上具有一水平唇緣。
17.如權(quán)利要求14所述的渦輪，其特征在于:所述葉尖速比TSR在0至1.4之間。
18.如權(quán)利要求14所述的 渦輪，其特征在于:所述渦輪還包含另一裝置，用以當(dāng)所述轉(zhuǎn)速以小于5增加用于所述渦輪的功率的每100%改變時(shí)在發(fā)電機(jī)上增加負(fù)載。
19.一種同步調(diào)整葉尖速比TSR及渦輪葉片幾何的方法，其特征在于:利用機(jī)構(gòu)式或電子式的控制裝置，使一垂直軸渦輪的功率系數(shù)Cp產(chǎn)生改變。
【文檔編號(hào)】F03D3/00GK103649530SQ201280034861
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】丹尼爾·法爾芭, 阿夫納·法卡什 申請(qǐng)人:丹尼爾·法爾芭, 阿夫納·法卡什