水平多級(jí)風(fēng)力渦輪的制作方法
【專利摘要】公開了一種HMSWT，其由連續(xù)的籠型渦輪組件構(gòu)成。多個(gè)渦輪組件優(yōu)選在耦合效應(yīng)中被引起與彼此相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第一渦輪組件通過到來的風(fēng)的推進(jìn)而被推進(jìn)和迫使進(jìn)入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)又引起第二內(nèi)部渦輪組件沿相對和相反的方向旋轉(zhuǎn)。這個(gè)耦合效應(yīng)允許兩個(gè)或多個(gè)渦輪用同一到來的風(fēng)和空氣流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些多個(gè)葉片的具體設(shè)計(jì)不但通過增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提高風(fēng)的推進(jìn)力，而且同時(shí)使同一空氣流向內(nèi)改變方向，從而增大空氣流的速度，且將其推進(jìn)至內(nèi)部渦輪組件。
【專利說明】水平多級(jí)風(fēng)力渦輪
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請請求享有2011年7月7日提交的美國臨時(shí)專利申請序列N0.61/505，506的優(yōu)先權(quán)，且該申請通過引用并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)車是借助于稱為帆或葉片的導(dǎo)葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能的機(jī)器。風(fēng)車作為一種利用地球的能量且轉(zhuǎn)化該機(jī)械運(yùn)動(dòng)以便做功的一種方式已經(jīng)使用了幾百年。只要人類將帆放入風(fēng)中就已經(jīng)使用了風(fēng)能。風(fēng)能機(jī)器磨粉和抽水已經(jīng)超過了兩千年。在歷史發(fā)展中，風(fēng)車適于許多其它的工業(yè)使用。重要的非碾磨使用在于利用通常稱為風(fēng)輪的風(fēng)力泵來抽地下水。風(fēng)動(dòng)力泵在荷蘭的圩田抽水，且在干旱地區(qū)如美國中西部或澳大利亞內(nèi)陸抽水，風(fēng)力泵將水提供給家畜和蒸汽渦輪。
[0003]隨著電力的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)力在對遠(yuǎn)離集中發(fā)電位置的建筑物照明的新應(yīng)用。在整個(gè)20世紀(jì)，開發(fā)出了適于農(nóng)場或住宅的小型風(fēng)場，且也構(gòu)建出較大的公用規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其可連接到用于遠(yuǎn)程使用電力的電網(wǎng)上。用于發(fā)電的風(fēng)車通常稱為風(fēng)力渦輪。在現(xiàn)代，風(fēng)已經(jīng)以更多備選應(yīng)用來用于產(chǎn)生機(jī)械能來產(chǎn)生電力。風(fēng)車基本上是相反的風(fēng)扇；不是使用電力來產(chǎn)生風(fēng)用于通風(fēng)，它們而是使用風(fēng)來產(chǎn)生機(jī)械能以繼而又產(chǎn)生電力。
[0004]現(xiàn)今的風(fēng)動(dòng)力發(fā)電機(jī)在從小單元直到向國家電網(wǎng)供電的接近千兆瓦大小的離岸風(fēng)場的每一個(gè)大小范圍內(nèi)運(yùn)行。其背后的構(gòu)想在于簡單和經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)。風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)車的葉片，葉片繼而又使軸轉(zhuǎn)動(dòng)。軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪箱，齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。風(fēng)車越大，其效率越高，且其產(chǎn)生的能量越多。這些風(fēng)力渦輪很有用，因?yàn)樗鼈冊诖嬖谳^好的風(fēng)水平的任何地方工作。這意味著任何較遠(yuǎn)的氣象站、抽水站、較遠(yuǎn)的電站和農(nóng)場(僅舉出幾種應(yīng)用)可由一個(gè)或一系列風(fēng)力渦輪供能。還已經(jīng)開發(fā)出了混合系統(tǒng)，其連同柴油發(fā)電機(jī)、太陽能電池和電池組來使用風(fēng)力渦輪，以便輸送更一致的能源。
[0005]然而，常規(guī)風(fēng)力渦輪和當(dāng)前的構(gòu)造設(shè)計(jì)具有妨礙其性能能力和功率輸出范圍的嚴(yán)重的運(yùn)行局限性。一些缺點(diǎn)關(guān)于風(fēng)的運(yùn)行強(qiáng)度，有時(shí)，風(fēng)的運(yùn)行強(qiáng)度不是恒定的，且從零變至暴風(fēng)力。這意味著常規(guī)風(fēng)力渦輪不是始終產(chǎn)生相同電量。大體上，利用最常規(guī)的HWAT或VWAT風(fēng)力渦輪，頂風(fēng)必須至少17mph那樣強(qiáng)，以使葉片自旋，且因此產(chǎn)生能量。將存在當(dāng)它們完全不產(chǎn)生電力的時(shí)間。如果風(fēng)太強(qiáng)，則大型風(fēng)力機(jī)器必須停機(jī)，以避免破壞，因?yàn)樗鼈儾豢沙^一定的轉(zhuǎn)速。
[0006]常規(guī)設(shè)計(jì)和當(dāng)前葉片構(gòu)造不可經(jīng)受住過大的旋轉(zhuǎn)力，如，與高轉(zhuǎn)速直接相關(guān)聯(lián)的扭力和高張力。令人遺憾的是，增大的能量和電力生產(chǎn)直接且絕對需要高轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生大量功率的唯一現(xiàn)實(shí)的方式在于在風(fēng)最恒定的地方以陣列的方式使用上百個(gè)，如，在海上的平臺(tái)上浮動(dòng)，這在世界上的很多地區(qū)都完成了。巨大的大小和翼或葉片翼展也是這些常規(guī)風(fēng)力渦輪設(shè)計(jì)的另一較大缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的實(shí)施例包括一種多級(jí)渦輪，其包括:第一圓柱形渦輪組件，其具有圍繞第一渦輪組件的周邊沿縱向定位的多個(gè)葉片；第二圓柱形渦輪組件，其具有圍繞第二渦輪組件的周邊沿縱向定位的多個(gè)葉片，所述內(nèi)部第二圓柱形渦輪組件在第一圓柱形渦輪組件內(nèi)沿縱向延伸；其中第一渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成在暴露于空氣流時(shí)引起第一渦輪組件沿第一方向的旋轉(zhuǎn)，且將空氣流向內(nèi)引導(dǎo)向第二圓柱形渦輪組件；以及其中第二渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成在暴露于空氣流時(shí)引起第二渦輪組件沿與第一方向相反的第二方向旋轉(zhuǎn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的更寬的方面，提供了一種水平多級(jí)風(fēng)力渦輪("HMSWT")。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及革命性的新概念和設(shè)計(jì)，其使用風(fēng)的自然動(dòng)能來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繼而又轉(zhuǎn)變成機(jī)械能且生成電功率。HMSWT優(yōu)選將結(jié)合革命性渦輪組件葉片設(shè)計(jì)和構(gòu)造、在葉片設(shè)計(jì)中使用航空原理的創(chuàng)新系統(tǒng)功能和耦合效應(yīng)來作為HMSWT內(nèi)的多個(gè)渦輪葉片組件的一部分。
[0009]然而，將闡釋和理解的是，這個(gè)動(dòng)能從風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能借助于發(fā)電構(gòu)件和附件來實(shí)現(xiàn)。作為非限制性實(shí)例，此類附件和構(gòu)件可包括:連接到獨(dú)立的軸上的多個(gè)渦輪組件，軸繼而又連接到產(chǎn)生三相AC或交流電的永磁交流發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)上。然后，這個(gè)電力可整流成DC或直流，以便使大功率儲(chǔ)存電池充電或向電網(wǎng)同步逆變器饋電。
[0010]HMSffT的巨大優(yōu)點(diǎn)在于其渦輪葉片設(shè)計(jì)和多個(gè)渦輪組件，渦輪組件優(yōu)選在耦合效應(yīng)中被引起與彼此相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了更好闡釋這種新的創(chuàng)新系統(tǒng)的運(yùn)行能力和優(yōu)點(diǎn)，人們必須理解多個(gè)渦輪組件之間的關(guān)系和相互作用。外部渦輪組件通過到來的風(fēng)的推進(jìn)而被推進(jìn)或推入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，風(fēng)繼而又引起第二內(nèi)部的渦輪組件沿相對和相反的方向旋轉(zhuǎn)。稱為耦合效應(yīng)的該效應(yīng)使得兩個(gè)或多個(gè)渦輪能夠利用同一到來的風(fēng)和空氣流來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該效應(yīng)由在各個(gè)渦輪組件內(nèi)構(gòu)造的多個(gè)葉片產(chǎn)生。這些多個(gè)葉片的具體設(shè)計(jì)不但通過增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提高了風(fēng)的推進(jìn)力，而且同時(shí)使同一空氣流向內(nèi)改變方向，從而增大空氣流的速度，且將其推進(jìn)至內(nèi)部渦輪組件。
[0011]內(nèi)部渦輪組件的多個(gè)葉片優(yōu)選以與下文所述的外部渦輪組件相反的構(gòu)造定位，從而允許它們接收該高風(fēng)速空氣流，空氣流然后引起和迫使產(chǎn)生相反且相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨后，渦輪組件沿與定位在其內(nèi)側(cè)或外側(cè)不遠(yuǎn)處的渦輪組件相反的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。該過程可在兩個(gè)以上的渦輪組件構(gòu)造在HMSWT內(nèi)的情況下重復(fù)。
[0012]在優(yōu)選實(shí)施例中，HMSWT將構(gòu)造有兩個(gè)渦輪組件:主外部渦輪組件和副內(nèi)部渦輪組件。在備選實(shí)施例中，HMSWT可包括多個(gè)渦輪組件，如三個(gè)或三個(gè)以上。HMSWT可構(gòu)造成多種大小，這可直接地影響輸出范圍和電力生產(chǎn)。因此，HMSWT的總體大小可且將還根據(jù)渦輪組件的數(shù)目和大小變化。
[0013]該創(chuàng)新的新設(shè)計(jì)和先進(jìn)的運(yùn)行概念允許增大轉(zhuǎn)速，這直接地增大了電力生產(chǎn)能力。多個(gè)葉片渦輪組件中的各個(gè)的先進(jìn)葉片設(shè)計(jì)構(gòu)造設(shè)計(jì)成加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以較高的速度向內(nèi)虹吸和推進(jìn)到來的空氣流。各個(gè)渦輪組件以與前面和/或后面的渦輪組件相反的構(gòu)造來構(gòu)建。因此，必須理解的是，一個(gè)渦輪組件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起另一個(gè)渦輪組件等的相反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0014]該全新技術(shù)和創(chuàng)新概念提供了強(qiáng)度和穩(wěn)健性的提高，更緊湊的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了增大的轉(zhuǎn)速，增大的轉(zhuǎn)速直接地轉(zhuǎn)化成電能的較大生產(chǎn)能力。結(jié)合先進(jìn)的航空葉片構(gòu)造的該新設(shè)計(jì)不犧牲功率輸出，而相反通過其在引起高轉(zhuǎn)速的高頂風(fēng)的不利條件下運(yùn)行的能力極大地提高了運(yùn)行效率和發(fā)電量。
[0015]HMSffT渦輪組件的葉片設(shè)計(jì)和耦合效應(yīng)概念將能夠相比于常規(guī)風(fēng)力渦輪以同一到來風(fēng)產(chǎn)生更大的電功率輸出，且將能夠在可變的、較強(qiáng)的或中等的風(fēng)況和在不存在風(fēng)況中運(yùn)行。由于多個(gè)外部渦輪和內(nèi)部渦輪的其構(gòu)造和耦合效應(yīng)引起的實(shí)現(xiàn)和維持高轉(zhuǎn)速的HMSffT運(yùn)行能力使該新風(fēng)力渦輪概念能夠產(chǎn)生更多的發(fā)電和輸出。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新還可包括和使用相反的磁性推進(jìn)力來提供最小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便即使在缺少風(fēng)的情況下也允許進(jìn)行電力生產(chǎn)。
[0016]相對于附圖和以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]參照結(jié)合以下附圖得到的本發(fā)明的實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，將更清楚地理解本發(fā)明的實(shí)施例，附圖描述如下:
圖1A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有兩個(gè)渦輪組件的HMSWT的局部分解透視圖。
[0018]圖1B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有三個(gè)渦輪組件的HMSWT的局部分解透視圖。
[0019]圖2為圖1A的HMSWT的截面視圖。
[0020]圖3為圖1A的HMSWT的局部分解透視圖，其還示出基本組件的內(nèi)部構(gòu)件。
[0021]圖4為示出以交替模式布置的渦輪葉片的俯視平面視圖中的空氣流示意圖。
[0022]圖5A為截面中的無槽葉片的空氣流示意圖。
[0023]圖5B為截面中的具有前緣縫翼和后緣小翼的渦輪葉片的空氣流示意圖。
[0024]圖5C為截面中的具有前緣槽口和后緣小翼的渦輪葉片的空氣流示意圖。
[0025]圖6A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例布置的主渦輪葉片和副渦輪葉片的空氣流截面圖。
[0026]圖6B為渦輪葉片的一個(gè)實(shí)例的截面視圖。
[0027]圖7為包括在空氣流由葉片設(shè)計(jì)虹吸時(shí)與空氣流的相互作用的主外部渦輪組件的HMSWT備選實(shí)施例的內(nèi)部構(gòu)造的截面視圖。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解的是，本附圖不必按比例繪制，且本文公開的實(shí)施例有時(shí)由分段視圖示出。在某些情況下，可省略對理解本發(fā)明不需要的或會(huì)使其它細(xì)節(jié)難以看出的細(xì)節(jié)。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不必限于本文所示的具體實(shí)施例。各種附圖各處使用的相似數(shù)字表示相似或類似的部分或結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明涉及一種多級(jí)風(fēng)力渦輪("HMSWT")的水平旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。該革命性的概念和設(shè)計(jì)使用風(fēng)的自然動(dòng)能來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繼而又轉(zhuǎn)變成機(jī)械能且生成電功率。將闡釋和理解的是，這些動(dòng)能從風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能借助于發(fā)電構(gòu)件和附件來實(shí)現(xiàn)，如:連接到獨(dú)立的軸上的多個(gè)渦輪組件，軸繼而又連接到產(chǎn)生三相AC功率的永磁交流發(fā)電機(jī)。然后，這些電力優(yōu)選整流成DC或直流，以便使大功率儲(chǔ)存電池充電或向電網(wǎng)同步逆變器饋電。
[0030]在優(yōu)選實(shí)施例中，渦輪葉片組件可經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)軸直接地連接到一個(gè)或若干交流發(fā)電機(jī)上，軸消除了齒輪箱的使用。然而，在備選實(shí)施例中，HMSWT設(shè)計(jì)可結(jié)合多個(gè)齒輪箱，每個(gè)渦輪組件有一個(gè)，以便在渦輪組件旋轉(zhuǎn)較慢的情況下增大交流發(fā)電機(jī)的速度。
[0031]如圖1A、圖2和圖3中所示，在優(yōu)選實(shí)施例中，HMSWT I結(jié)合了兩個(gè)渦輪組件:主外部渦輪組件2和副內(nèi)部渦輪組件4。主渦輪組件2包括外部葉片6，而副渦輪組件4包括內(nèi)部葉片8。然而，在如圖1B中所示的備選實(shí)施例中，HMSWT Ia可結(jié)合具有中間葉片12的第三中間渦輪組件10。為了便于參照，下文將論述僅具有兩個(gè)渦輪組件2、4的HMSWT 1，除非另外指出。
[0032]如圖1A中所見，HMSWT I包括頂板14、底座18和旋轉(zhuǎn)殼體20。在運(yùn)行中，風(fēng)進(jìn)入外部渦輪組件2中，引起其自旋。外部渦輪組件2的葉片6將風(fēng)引導(dǎo)到內(nèi)部渦輪組件4中，引起其沿與外部渦輪組件2相反的方向自旋。在圖1B的HMSWT Ia中，外部渦輪組件2將風(fēng)引導(dǎo)到中間渦輪組件10中，引起中間渦輪組件10沿與外部渦輪組件2相反的方向旋轉(zhuǎn)。中間渦輪組件10的葉片12將風(fēng)引導(dǎo)到內(nèi)部渦輪組件4，引起內(nèi)部渦輪組件4沿與中間渦輪組件10相反的方向旋轉(zhuǎn)。因此，在HMSWT Ia中，外部渦輪組件2和內(nèi)部渦輪組件4沿相同方向旋轉(zhuǎn)，這與中間渦輪組件10的旋轉(zhuǎn)方向相反。
[0033]圖2示出了 HMSWT I的截面視圖，示出了外部渦輪組件2與內(nèi)部渦輪組件4之間的關(guān)系。優(yōu)選地，內(nèi)部渦輪組件4連接到內(nèi)軸22上，而外部渦輪組件2連接到外軸24上。外軸24優(yōu)選為中空的，使得內(nèi)軸22可在其中獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)。包括中間渦輪組件10將優(yōu)選還包括獨(dú)立于軸22、24旋轉(zhuǎn)的第三中空的中間軸(未示出)。內(nèi)軸22也可為中空的。
[0034]外軸24優(yōu)選位于旋轉(zhuǎn)殼體20內(nèi)，且優(yōu)選向下延伸，且處于位于底座18中的下聯(lián)接件26內(nèi)。內(nèi)軸22優(yōu)選延伸穿過外軸24的中空部分，且從底座18向上延伸到HMSWT I的頂部，在該處，其插入和連結(jié)到頂部聯(lián)接件16中。該頂部聯(lián)接件16然后配合到位于HMSWTI的頂板14中的頂板聯(lián)接件17中。該頂板聯(lián)接件17優(yōu)選直徑比頂板聯(lián)接件16更寬。
[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，頂部聯(lián)接件16構(gòu)造有位于頂部聯(lián)接件17的側(cè)壁內(nèi)的內(nèi)部滾子軸承，以便允許內(nèi)軸22圍繞其縱軸線在其中旋轉(zhuǎn)，且在內(nèi)軸22與頂部聯(lián)接件16內(nèi)的滾子軸承之間提供緊密配合和低間距公差。該構(gòu)造允許在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行期間有穩(wěn)定性，而不允許材料的振動(dòng)。隨后，緊密配合的頂部聯(lián)接件16插入較寬的頂板聯(lián)接件17中，頂板聯(lián)接件17不但為內(nèi)部渦輪組件4而且還為外部渦輪組件2和整個(gè)HMSWT I結(jié)構(gòu)提供側(cè)向穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。此外或在備選方案中，頂板聯(lián)接件17可包括在其側(cè)壁中的滾子軸承。
[0036]一旦HMSWT I組裝好且部分配合到彼此中，則所有構(gòu)件的這種合并提供了總結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，由于其設(shè)計(jì)可經(jīng)得起由到來的強(qiáng)風(fēng)施加的較大的前方力和運(yùn)行力(如:扭力、應(yīng)力和應(yīng)變)，故HMSWT I的概念更穩(wěn)健和可靠。該設(shè)計(jì)可經(jīng)得起更大的空氣流壓力，且因此相比于標(biāo)準(zhǔn)HAWT水平或VAWT垂直空氣風(fēng)力渦輪實(shí)現(xiàn)了基本較高的運(yùn)行能力。因此，HMSffT I的概念可實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速直接地影響和增大電輸出，且因此增加了功率生產(chǎn)量。在另一個(gè)備選實(shí)施例中，外部渦輪組件2和內(nèi)部渦輪組件4單獨(dú)地安裝。
[0037]在優(yōu)選實(shí)施例中，除提供HMSWT I的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)之外，還可結(jié)合位于頂板14 (未示出)和/底座18(如圖3中所示)中或附近的磁性組件。工業(yè)磁鐵28可安裝在相反極性的構(gòu)造中，以有助于即使在不存在到來的風(fēng)或存在到來的弱風(fēng)的情況下使渦輪組件2、4旋轉(zhuǎn)。對應(yīng)的磁性模塊29還優(yōu)選安裝到渦輪組件2、4的上部部分(未示出)和/或下部部分或在其周圍的殼體上。風(fēng)和相反磁性兩者的組合從而可產(chǎn)生使HMSWT I不斷旋轉(zhuǎn)的連續(xù)的推進(jìn)力和運(yùn)動(dòng)。
[0038]在運(yùn)行期間，安裝在底座18中和安裝在旋轉(zhuǎn)渦輪組件2、4上的磁性模塊28、29緊鄰彼此，且具有相反的極性來產(chǎn)生導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)力的較強(qiáng)排斥力。這些磁性模塊28、29的設(shè)計(jì)和定位將引導(dǎo)渦輪組件2、4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，渦輪組件2、4根據(jù)特定渦輪組件2，4的葉片構(gòu)造來被順時(shí)針和反時(shí)針地推進(jìn)。
[0039]這些渦輪組件2、4和10中的各個(gè)可借助于旋轉(zhuǎn)軸和齒輪組件獨(dú)立地連接到單獨(dú)的磁性發(fā)電機(jī)上，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)來產(chǎn)生不同強(qiáng)度的功率輸出。由于位于旋轉(zhuǎn)渦輪組件和固定的HMSWT I結(jié)構(gòu)殼體上的這些磁性導(dǎo)線的安裝，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在它們緊鄰時(shí)產(chǎn)生電力。旋轉(zhuǎn)的渦輪組件2、4和10上的轉(zhuǎn)子和位于底座18中的磁性發(fā)電機(jī)的定子部分產(chǎn)生的磁極性產(chǎn)生電能和功率。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，外部渦輪組件2支承在上軌道和軸承組件30和下軌道和軸承組件32上，且圍繞其旋轉(zhuǎn)。這些軌道和軸承組件30、32允許有側(cè)向穩(wěn)定，而不限制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和速度。軌道和軸承組件如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的那樣構(gòu)造，且優(yōu)選包括圍繞軌道(未示出)安裝的軸承。鑒于軸22允許內(nèi)部渦輪組件4旋轉(zhuǎn)，軌道和軸承組件30、32允許外部渦輪組件2自由旋轉(zhuǎn)。在備選實(shí)施例中，渦輪組件2、4中的兩者或所有都可安裝在軌道和軸承30、32上。在另一個(gè)備選方案中，一個(gè)或多個(gè)渦輪組件2、4、10可處于由磁性模塊28、29產(chǎn)生的磁性空氣墊上。這不但將提供推進(jìn)力，而且同時(shí)提供上述空氣緩沖。
[0041]HMSffT I可結(jié)合具有可變?nèi)~片槳距設(shè)計(jì)的葉片6、8。如上文所述，外部渦輪組件2的設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向內(nèi)抽取空氣流，同時(shí)朝內(nèi)部渦輪組件4推動(dòng)空氣流，且增大其速度和壓力。然后，該空氣流迫使內(nèi)部渦輪組件4進(jìn)行相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了產(chǎn)生這種相反旋轉(zhuǎn)，在優(yōu)選實(shí)施例中，渦輪組件2、4內(nèi)的葉片6、8為具有加強(qiáng)的重要曲率的固定位置葉片。
[0042]圖4示出了葉片6、8和12的示例性形狀和定向。如將理解的那樣，為了便于闡釋，此類葉片6、8和12在圖4中示為與彼此基本成直線，但如安裝在渦輪組件2、4和10中那樣，此類葉片6、8和12將構(gòu)造成同心環(huán)。這些葉片6、8和12的形狀和定向不但產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且朝隨后的渦輪組件向內(nèi)推動(dòng)空氣流40以引起其相反的旋轉(zhuǎn)。渦輪組件2、4、10的多葉片設(shè)計(jì)生成了較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生了使空氣流向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的漏斗效應(yīng)，增大了其速度和壓力。葉片6、8和12和這些渦輪組件2、4和10的曲面設(shè)計(jì)使得在接收到到來的空氣流40時(shí)，這些空氣流40然后被向內(nèi)引導(dǎo)、虹吸和改變方向，同時(shí)增大空氣流40的速度和壓力。然后，該空氣流40向內(nèi)行進(jìn)而與內(nèi)部渦輪組件4的葉片8接觸，或在備選實(shí)施例中，與中間渦輪組件10相接觸，對其產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)推力和運(yùn)動(dòng)。
[0043]如圖5B和圖5C中所示，在一個(gè)實(shí)施例中，葉片6、8和12可設(shè)計(jì)有可變的前緣縫翼46a或槽口小翼46b和/或后緣小翼44。此類縫翼46a、槽口 46b和小翼44改善了空氣流穿過葉片6、8和12的層流和方向，以便尤其在高轉(zhuǎn)速下減小瑞流、振動(dòng)和拖曳40a,導(dǎo)致在增加的發(fā)電中進(jìn)行轉(zhuǎn)化的各個(gè)渦輪組件2、4和10有更大的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)能力。
[0044]因此，在包括至少三個(gè)渦輪組件的實(shí)施例中，葉片6的設(shè)計(jì)和定形引起空氣流40由沿一個(gè)方向自旋的外部渦輪組件2在高壓下向內(nèi)被推進(jìn)，引起或迫使中間渦輪組件10沿相反方向旋轉(zhuǎn)。然后，中間渦輪組件10繼而又重復(fù)該過程，引起和迫使空氣流40進(jìn)入內(nèi)部渦輪組件4，且引起其沿與中間渦輪組件10相反且與外部渦輪組件2相同的方向旋轉(zhuǎn)。這樣引起的旋轉(zhuǎn)過程和相反的耦合效應(yīng)允許渦輪組件的這些多個(gè)級(jí)同時(shí)地運(yùn)行，但沿與任何后面和前面的渦輪組件相反旋轉(zhuǎn)方向，從而產(chǎn)生巨大的力和壓力，這轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)，然后運(yùn)動(dòng)可被利用和轉(zhuǎn)變成能量和電力。
[0045]在優(yōu)選實(shí)施例中，葉片6、8和12和渦輪組件2、4和10可由鋁、鈦、碳纖維和合金和最佳地對元件提供高抗拉強(qiáng)度、耐用性、輕重量和阻力的材料的任何組合來構(gòu)造。這根據(jù)HMSffT I將安裝的運(yùn)行環(huán)境提高性能能力。用于葉片6、8和12和渦輪組件2、4和10的構(gòu)建材料優(yōu)選能夠處理到來的空氣流的保持的高壓力，且適應(yīng)增大的旋轉(zhuǎn)速度。如將理解的是，將使用的構(gòu)建規(guī)格和材料將取決于HMSWT I將受到的和在其中起作用的運(yùn)行和現(xiàn)場環(huán)境條件。在優(yōu)選的實(shí)施例中，渦輪葉片6、8和12和組件2、4和10的構(gòu)造中使用的金屬選擇為鋁合金和/或復(fù)合材料和/或木材，以便提供穩(wěn)健性和輕重量構(gòu)造。渦輪組件2、4和10內(nèi)的葉片6、8和12的數(shù)目、其大小、厚度、曲度和深度可根據(jù)HMSWT I的直徑、大小和功率輸出范圍和具體運(yùn)行設(shè)計(jì)要求變化。
[0046]HMSffT I將適于其中且在其中起作用的環(huán)境條件和運(yùn)行位置還將確定設(shè)計(jì)參數(shù)和單元規(guī)范。在優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)渦輪組件的葉片和曲面設(shè)計(jì)將類似于具有流線型的航空翼設(shè)計(jì)，但加強(qiáng)了上曲面和下曲面的曲率和翼的厚度，如圖6B中所見，以便提高和加速向后的空氣流運(yùn)動(dòng)。作為優(yōu)選，如圖6B中所示，葉片在其前緣處倒圓且加寬，以具有這樣的曲面厚度:即，該曲面厚度在葉片的前部附近較大，且向相對較尖的后緣變窄。大體上，葉片優(yōu)選具有上曲面，上曲面的厚度大于下曲面。
[0047]如圖6A中所見，各個(gè)渦輪組件2、4和10可包括水平地位于渦輪組件的頂部和底部中的一者或兩者處的樞轉(zhuǎn)環(huán)56和58。葉片6、8或12的前緣和/或后緣可分別在點(diǎn)52和54處連接到樞轉(zhuǎn)環(huán)56和58上。此外或在備選方案中，葉片6、8和12可分別連接到樞轉(zhuǎn)軸承組件48、50上。樞轉(zhuǎn)環(huán)56、58和/或樞轉(zhuǎn)軸承組件48、50可用于使葉片6、8和12樞轉(zhuǎn)，且調(diào)節(jié)其槳距。樞轉(zhuǎn)環(huán)56、58和/或樞轉(zhuǎn)軸承組件48、50可將葉片6或8或12連結(jié)在一起，以與其它渦輪組件2、4和10分開來同時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)相應(yīng)的渦輪組件2、4和10中的葉片槳距。如本領(lǐng)域中將理解的，馬達(dá)(未示出)可用于使葉片6、8和12旋轉(zhuǎn)。
[0048]葉片設(shè)計(jì)還將促進(jìn)和保持線性空氣流，以避免湍流和效率的限制。葉片設(shè)計(jì)(圖6B中所見)的上曲面區(qū)段和下曲面區(qū)段的設(shè)計(jì)和葉片在同一渦輪組件內(nèi)關(guān)于彼此的定位將在空氣流向后運(yùn)動(dòng)時(shí)壓縮和集中空氣流，從而產(chǎn)生較高速度和靜壓力。
[0049]在如圖7中所見的備選實(shí)施例中，渦輪組件可與葉輪具有相似性。葉輪設(shè)計(jì)接收空氣流，且然后通過產(chǎn)生虹吸該空氣流的真空且增大其速度和壓力兩者來引起該空氣流。在該備選實(shí)施例中，葉片60的厚度和上曲面寬度和下曲面寬度的設(shè)計(jì)可減小，且非常流線型，使得其在構(gòu)造上更薄。在該設(shè)計(jì)構(gòu)造中，葉片60關(guān)于彼此在渦輪組件內(nèi)的定位使得空氣流被接收，且在空氣流向后行進(jìn)時(shí)速度增大。
[0050]盡管以上描述和附圖涉及本發(fā)明的特定優(yōu)選和備選的實(shí)施例和由發(fā)明人目前構(gòu)想出的風(fēng)力發(fā)電和再發(fā)電的特定方法以及各種翼構(gòu)造和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但應(yīng)當(dāng)理解的是，各種改型、變化和改變可在不以任何方式脫離本發(fā)明的精神的情況下進(jìn)行。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)渦輪，包括: 第一圓柱形渦輪組件，其具有圍繞所述第一渦輪組件的周邊沿縱向定位的多個(gè)葉片；第二圓柱形渦輪組件，其具有圍繞所述第二渦輪組件的周邊沿縱向定位的多個(gè)葉片，所述內(nèi)部的第二圓柱形渦輪組件在所述第一圓柱形渦輪組件內(nèi)沿縱向延伸； 其中所述第一渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成在暴露于空氣流時(shí)引起所述第一渦輪組件沿第一方向旋轉(zhuǎn)，且將空氣流向內(nèi)引導(dǎo)向所述第二圓柱形渦輪組件； 以及其中所述第二渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成在暴露于空氣流時(shí)引起所述第二渦輪組件沿與所述第一方向相反的第二方向旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件進(jìn)一步包括: 第三圓柱形渦輪組件，其具有圍繞所述第三渦輪組件的周邊沿縱向定位的多個(gè)葉片，所述第三圓柱形渦輪組件在所述第二渦輪組件內(nèi)延伸； 其中所述第二渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成進(jìn)一步將空氣流向內(nèi)引導(dǎo)向所述第三圓柱形渦輪組件；以及 其中所述第三渦輪組件的葉片在形狀、位置和角度上設(shè)置成在暴露于空氣流時(shí)引起所述第三渦輪組件沿所述第一方向旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件中的至少一個(gè)的葉片的槳距可通過旋轉(zhuǎn)所述葉片來調(diào)節(jié)。`
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件進(jìn)一步包括用于有選擇地旋轉(zhuǎn)所述葉片的馬達(dá)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件進(jìn)一步包括至少一個(gè)樞轉(zhuǎn)軸承組件，各個(gè)樞轉(zhuǎn)軸承組件均連接到相應(yīng)的葉片上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件進(jìn)一步包括用于協(xié)助調(diào)節(jié)所述葉片的槳距的至少一個(gè)樞轉(zhuǎn)環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪組件，其特征在于，相應(yīng)的渦輪組件上的多個(gè)葉片可樞轉(zhuǎn)地附接到所述樞轉(zhuǎn)環(huán)中的至少一個(gè)上，以同時(shí)調(diào)節(jié)所述渦輪組件中的葉片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，所述渦輪組件中的至少一個(gè)的葉片包括前緣縫翼或槽口，以及后緣小翼。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪組件，其特征在于，所述前緣縫翼或槽口和所述后緣小翼具有可相對于所述葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，所述第二渦輪組件連接到軸上且使軸旋轉(zhuǎn)，以及其中所述第一渦輪組件連接到中空圓柱上且使中空圓柱旋轉(zhuǎn)，所述軸在所述中空圓柱內(nèi)沿縱向延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪組件，其特征在于，所述中空圓柱和軸獨(dú)立于彼此旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，所述葉片為彎曲的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪組件，其特征在于，所述第一渦輪組件的葉片沿第一方向彎曲，以及所述第二渦輪組件的葉片沿不同方向彎曲。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，葉片在所述前緣處倒圓，且加寬，以具有這樣的曲面厚度:即，所述曲面厚度在所述葉片的前部附近較大，且向相對較尖的后緣變窄。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪組件，其特征在于，除了上曲面的厚度大于下曲面外，所述葉片具 有基本一致的厚度。
【文檔編號(hào)】F01D1/24GK103827479SQ201280033762
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月7日
【發(fā)明者】M.卡吉亞諾 申請人:7142871 加拿大有限公司