CN101680422A - 具有混合器和喷射器的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合器/喷射器风力涡轮机(“MEWT”)系统，其能持续超过现有风力涡轮机的效率。在优选实施例中，申请人的MEWT以独特的方式结合了先进的混流技术、单级和多级喷射器技术、飞行器和推进空气动力学以及噪音控制技术，以在流体动力学上提高风力涡轮机的工作效能和效率，从而使其工作效率能持续超过贝兹极限。申请人的优选MEWT实施例包括：具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其具有入口；由定子叶片构成的环；由与定子叶片直线排列布置的旋转叶片构成的环(即，叶轮)；以及混合/喷射泵，其用于在低能的涡轮机出流与高能的旁路气流快速混合时，增加通过涡轮机的气流量。在迎风面积相同的情况下，所述MEWT能够产生三倍于或更多倍于其无外罩的对应装置的功率，并且可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。同样的MEWT更加安全和安静，为居住区域提供了改进的风力涡轮机方案。

Description

具有混合器和喷射器的风力涡轮机
相关申请
本申请要求本申请的申请人在2007年3月23日提交的美国临时专利申请No.60/919,588的(下文称“申请人的临时申请”)的优先权。申请人在此通过引用将申请人的临时申请的公开内容并入本文。
技术领域
本发明整体涉及轴流式涡轮机。更具体地说，本发明涉及轴流式风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机通常包括称为“转子”的螺旋桨状的装置，该螺旋桨状的装置迎向运动的气流。当空气撞击转子时，空气在转子上产生的力使转子绕其中心旋转。所述转子通过联动装置(例如齿轮、带、链条或其它装置)与发电机或机械装置相连。这种涡轮机用于发电和为电池充电。这种涡轮机还用于驱动旋转泵和/或运动的机器零件。风力涡轮机在大型发电“风电场”中很常见，大型发电“风电场”具有以几何图形排列的多个这样的涡轮机，所述几何图形设计为能够在使所述各个涡轮机对彼此的影响和/或对周围环境的影响最小的情况下实现最大的功率提取。
当转子置于与其直径相比非常宽的气流中时，转子将流体功率转换为旋转功率的转换能力被限制在来流功率的59.3％，该值是已被证明的理论值，被称为“贝兹(Betz)”极限，在1926年由A.Betz所证明。该生产率极限值尤其适用于如图1A(属于现有技术)所示的常规多叶片轴流式风力/水力涡轮机。
已经尝试使风力涡轮机的性能潜力超过“贝兹”极限。为此，已经采用过围绕转子设置的外罩或管道。参见例如：授予Hiel等人的美国专利No.7,218,011(见图1B)；授予de Geus的美国专利No.4,204,799(见图1C)；授予Oman等人的美国专利No.4,075,500(见图1D)；以及授予Tocher的美国专利No.6,887,031。适当设计的外罩使得来流在向管道的中心集中时加速。通常，对于适当设计的转子而言，这种提高的气流速度导致转子上的作用力增大，并继而导致功率提取水平提高。然而，常常发生转子叶片由于更强的风造成的剪切力和张力而断裂的情况。
据称有两倍于贝兹极限的值的记录，但未经证实。参见Igar，O.，Shrouds for Aerogenerations，AIAA Journal，October 1976，pp.1481-83；Igar & Ozer，Research and Development for Shrouded Wind Turbines，Energy Cons.& Management，Vol.21，pp.13-48，1981；还参见AIAATechnical Note，题目为“Ducted Wind/Water Turbines and PropellersRevisited”，作者为本申请的申请人(“申请人的AIAA TechnicalNote”)，并已被同意公开。可以在申请人的信息公开声明中找到上述文件的副本。然而，其权利要求未经实际验证，并且现有的试验结果不能确定这种进步在实际风力涡轮机应用中的可行性。
为达到更高的功率和效率，需要使外罩和转子的空气动力学设计与不时地处于高度变化状态的来流流体流的速度紧密匹配。这种空气动力学设计考虑对于气流涡轮机对其周围环境产生的后续影响以及风电场设计的生产率水平来说也非常重要。
喷射器是众所周知并已经得到验证的流体喷射泵，其将流体抽吸到系统内，从而提高通过该系统的流速。混合器/喷射器(mixer/ejectors)是短小紧凑型的喷射泵，这种喷射泵相对而言对来流状态不敏感，并被广泛用于流速为近音速或超音速的高速喷射推进应用。参见例如授予Walter M.Presz，Jr博士的美国专利No.5,761,900，其中也在下游使用混合器，从而在减小排放噪音的同时提高推力。Presz博士是本发明的共同发明人。
燃气涡轮机技术还未成功用于轴流式风力涡轮机。这一不足有多种原因。现有的风力涡轮机使用无外罩的涡轮叶片来提取风能。因此，接近风力涡轮叶片的流体中的大部分流体围绕叶片流动而没有穿过叶片。此外，当空气接近现有的风力涡轮机时，空气速度明显下降。这两种影响均导致气体经过涡轮机的流速低。低流速使得燃气涡轮机技术(例如定子/转子设计)的潜在益处最小化。前述的带外罩风力涡轮机的方法着重于出口扩压器，以提高涡轮叶片的速度。扩压器需要长的距离来获得良好的性能，并且往往对来流的变化非常敏感。这种既长又对气流敏感的扩压器在风力涡轮机设备中不实用。短扩压器在实际应用中会脱流，根本无法工作。此外，因为希望在速度提高的情况下进行涡轮机能量提取，所以可能无法实现所需的下游扩流。这些影响使得使用燃气涡轮机技术获得更加高效的风力涡轮机的所有上述尝试前功尽弃。
因此，本发明的主要目的在于提供一种轴流式风力涡轮机，该轴流式风力涡轮机使用先进的流体动力混合/喷射泵原理来稳定地输送远高于贝兹极限的功率水平。
另一主要目的在于提供一种改进的轴流式风力涡轮机，该轴流式风力涡轮机使用独特的混流装置(用于风力涡轮机)和控制装置来提高生产率，并使伴随产生的流场对其附近(例如风电场)的周围环境的影响最小化。
另一主要目的在于提供一种改进的轴流式风力涡轮机，该轴流式风力涡轮机泵入更多通过转子的气流，随后使低能的涡轮机出口流在排出系统之前与高能的旁路气流迅速混合。
相应于上述目的，一个更明确的目的在于提供一种轴流式风力涡轮机，其相对安静并可在居住区安全使用。
发明内容
本发明公开了一种用于发电的具有混器合/喷射器的风力涡轮机系统(简称为“MEWT”)，其结合了流体动力喷射器概念、先进的混流和控制装置、以及可调节的动力涡轮机。
在优选实施例中，所述MEWT是轴流式涡轮机，包括(按照从上游到下游的顺序)：具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其具有入口；由定子够成的环，其位于所述涡轮机外罩内；叶轮，其具有由与所述定子“直线排列布置”的叶轮叶片构成的环；与涡轮机外罩相连的混合器，其具有由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣向下游延伸超出叶轮叶片；以及喷射器，其包括由混合器瓣构成的环(例如，如美国专利No.5,761,900中所示)和向下游延伸超出混合器瓣的混合外罩。所述涡轮机外罩、混合器和喷射器被设计并设置为使抽吸经过涡轮机的流体量最大，并且使其尾流对环境的影响(例如，噪音)以及对其他动力涡轮机的影响(例如，结构损害或生产率损失)最小化。与现有技术不同，所述优选的MEWT包括具有先进的流体混合和控制装置的外罩，所述流体混合和控制装置例如为瓣状的或槽状的混合器和/或一个或多个喷射泵。所述混合/喷射泵与在飞机制造工业中使用的混合/喷射泵大不相同，这是因为高能空气流入所述喷射器入口，并从外部围绕、抽吸离开涡轮机外罩的低能空气并与所述低能空气混合。
在该第一优选实施例中，所述MEWT包括：轴流式风力涡轮机，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩围绕，所述涡轮机外罩在其末端区域(即，涡轮机外罩的端部)结合了混合装置；以及单独的喷射器管道，所述喷射器管道覆盖所述涡轮机外罩的尾部，所述喷射器管道本身可在其末端区域中结合先进的混合装置。
在一个替代实施例中，所述MEWT包括：轴流式风力涡轮机，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩围绕，所述涡轮机外罩在其末端区域中结合了混合装置。
对优选MEWT的基于第一原理的理论分析表明：在迎风面积相同的情况下，所述MEWT能够产生三倍于或更多倍于其无外罩的对应装置的功率，并且可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。
基于其理论分析，申请人相信他们的优选MEWT实施例将产生的功率是同样大小的常规风力涡轮机的现有功率的三倍。
通过结合附图阅读下面的说明，可以更加明显地看出本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1A、1B、1C和1D属于现有技术，示出了现有涡轮机的实例；
图2是根据本发明构造的申请人的优选MEWT实施例的分解视图；
图3是连接在支撑塔上的优选MEWT的前透视图；
图4是优选MEWT的前透视图，其中多个部分被去除以示出内部结构，例如与叶轮连接的呈轮状结构的功率输出装置；
图5是仅示出图4中的定子、叶轮、功率输出装置和支撑杆的前透视图；
图6示出了优选MEWT的替代实施例，其中混合/喷射泵在喷射器外罩的末端区域(即，端部)具有混合器瓣；
图7是图6所示的MEWT的侧视剖视图；
图8是(图7中圈出的)可旋转联接器和机械可旋转定子叶片变型的放大图，所述可旋转联接器用于将MEWT与支撑塔可旋转地连接；
图9是具有螺旋桨状的转子的MEWT的前透视图；
图10是图9所示的MEWT的后透视图；
图11示出了图9所示的MEWT的后平面图；
图12是沿图11中的线12-12截取的剖视图；
图13是图9所示的MEWT的前平面图；
图14是沿图13中的线14-14截取的侧视剖视图，示出了用于流量控制的两个可枢转阻挡件；
图15是在图14中圈出的阻挡件的放大图；
图16示出了MEWT的替代实施例，所述MEWT具有用于对准风向的两个可选枢转翼板；
图17是图16所示的MEWT的侧视剖视图；
图18是MEWT的替代实施例的前平面图，所述MEWT结合了二级喷射器，所述二级喷射器具有位于涡轮机外罩的末端区域中的混合装置(此处为混合器瓣)和位于喷射器外罩的末端区域中的混合装置(此处为由槽构成的环)；
图19是图18所示的MEWT的侧视剖视图；
图20是图18所示的MEWT的后视图；
图21是图18所示的MEWT的前透视图；
图22是MEWT的替代实施例的前透视图，所述MEWT结合了二级喷射器，所述二级喷射器具有位于涡轮机外罩的末端区域和喷射器外罩的末端区域中的混合器瓣；
图23是图22所示的MEWT的后透视图；
图24示出了图22所示的涡轮机外罩中的可选吸音衬层；
图25示出了具有非圆形外罩部件的MEWT；以及
图26示出了优选MEWT的替代实施例，所述MEWT在涡轮机外罩的末端区域(即，端部)具有混合器瓣。
具体实施方式
详细参考附图，图2-25示出了申请人的具有混合器和喷射器的轴流式风力涡轮机(“MEWT”)的多个可选实施例。
在优选实施例中(见图2、3、4、5)，MEWT 100为轴流式风力涡轮机，其包括：
(a)具有空气动力学外形的涡轮机外罩102；
(b)具有空气动力学外形的中心体103，其位于涡轮机外罩102内并与涡轮机外罩102相连；
(b)涡轮级104，其围绕中心体103，并且包括：由定子叶片(例如，108a)构成的定子环106；和叶轮或转子110，其具有叶轮或转子叶片(例如，112a)，所述叶轮或转子叶片位于所述定子叶片的下游并与所述定子叶片“直线排列布置”(即，叶轮叶片的前缘与定子叶片的后缘基本对齐)，其中：
(i)定子叶片(例如，108a)安装在中心体103上；
(iii)叶轮叶片(例如，112a)通过安装在中心体103上的内环(箍)和外环(箍)连接并保持在一起；
(c)混合器118，其具有位于涡轮机外罩102的末端区域(即，端部)上的由混合器瓣(例如，120a)构成的环，其中所述混合器瓣(例如，120a)向下游延伸超过叶轮叶片(例如，112a)；以及
(d)喷射器122，其包括：外罩128，其围绕涡轮机外罩上的由混合器瓣(例如，120a)构成的环，并具有与美国专利No.5,761,900中所示的喷射器瓣相似的轮廓，其中所述混合器瓣(例如，120a)向下游延伸并伸入喷射器外罩128的入口129。
如图7所示，MEWT 100的中心体103优选通过定子环106(或其它装置)与涡轮机外罩102相连，以便减小常规涡轮机中当涡轮机的叶片尾流撞击支撑塔时产生的有害、令人烦恼并且传播距离长的低频噪音。涡轮机外罩102和喷射器外罩128的空气动力学轮廓优选为空气动力学曲面，以增加通过涡轮机转子的气流。
申请人已经计算出，为使优选实施例100的效率最佳，喷射泵122的面积比应在1.5到3.0之间，所述面积比的定义为喷射器外罩128的出口面积除以涡轮机外罩102的出口面积。混合器瓣(例如，120a)的数量应在6到14个之间。各个混合器瓣的内后缘角度和外后缘角度在5到25度之间。混合器瓣出口起始位置应该处于或靠近喷射器外罩128的入口位置或入口129。混合器瓣通道的高宽比在0.5到4.5之间。混合器穿过率在50％到80％之间。中心体103顶头的后缘角度小于或等于30度。整个MEWT 100的长度与直径的比(L/D)在0.5到1.25之间。
申请人对优选MEWT 100进行的基于第一原理的理论分析表明：在迎风面积相同的情况下，该MEWT能够产生三倍于或更多倍于无外罩的对应装置的功率；并且该MEWT可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。申请人在理论分析中使用的方法和公式参见上面背景技术部分中引用的申请人的AIAA Technical Note。
基于申请人的理论分析，申请人相信MEWT的优选实施例100产生的功率是同样大小的常规风力涡轮机(如图1A所示)的现有功率的三倍。
简而言之，MEWT的优选实施例100包括：轴流式涡轮机(例如，定子叶片和叶轮叶片)，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩102围绕，所述涡轮机外罩102在其末端区域(即，端部)结合了混合装置；以及覆盖涡轮机外罩102尾部的单独的喷射器外罩(例如，128)，该喷射器外罩本身可以在其末端区域内结合先进的混合装置(例如，混合器瓣)。申请人的由混合器瓣(例如，120a)构成的环与喷射器外罩128的结合可以被视为混合/喷射泵。该混合/喷射泵提供了使风力涡轮机的工作效率持续超过贝兹极限的装置。
申请人还给出了用于如图2A、2B所示的MEWT的优选实施例100的补充信息。所述MEWT的优选实施例100包括：涡轮级104(带有定子环106和叶轮110)，其安装在中心体103上，并被具有嵌入式混合器瓣(例如，120a)的涡轮机外罩102围绕，所述混合器瓣(例如，120a)的后缘略微插入喷射器外罩128的入口平面。涡轮级104和喷射器外罩128与涡轮机外罩102在结构上连接，所述涡轮机外罩102本身就是主要的承载部件。
涡轮机外罩102的长度等于或小于涡轮机外罩的最大外径。喷射器外罩128的长度等于或小于喷射器外罩的最大外径。中心体103的外表面具有空气动力学外形，以使MEWT 100下游的气流分离效应最小化。所述中心体103可以长于或短于涡轮机外罩102或喷射器外罩128、或者涡轮机外罩102和喷射器外罩128的组合长度。
所述涡轮机外罩的入口面积和出口面积等于或大于涡轮级104占用的环面的面积，但不必呈环形，从而可以更好地控制气流源和其尾流的冲击。由中心体103和涡轮机外罩102的内表面之间的环面形成的内部流路的横截面面积呈空气动力学形状，从而在涡轮机平面上具有最小面积，并且以其它方式从它们各自的入口平面到出口平面平缓地变化。涡轮机外罩和喷射器外罩的外表面呈空气动力学形状，以帮助将气流导入涡轮机外罩入口，消除在所述涡轮机外罩和喷射器外罩的表面上的气流分离现象，并将平稳的气流送入喷射器入口129。喷射器128的入口区域还可以是非圆形的(例如参见图25)，所述喷射器128的入口区域大于混合器118的出口平面区域，并且喷射器的出口区域也可以是非圆形的。
优选实施例100的可选技术特征可以包括：呈轮状结构的功率输出装置130(参见图4和图5)，其将叶轮110的外轮缘与发电机(未示出)相连；竖直支撑轴132，其具有可旋转的联接器134并用于可旋转地支撑MEWT 100(参见图5)，所述竖直支撑轴132位于MEWT的压力中心位置的前方以便使MEWT自对准；以及自移式的竖直稳定器或“翼板”136(参见图4)，其固定在喷射器外罩128的上表面和下表面上，以稳定与不同气流的对准方向。
当在靠近居民区的地方使用MEWT 100时，可以在MEWT 100的外罩102、108的内表面上贴附吸音材料138(参见图24)，以吸收并从而消除由定子106的尾流与叶轮110的相互作用产生的相对较高频率的声波。MEWT还可以包含安全叶片容纳结构(未示出)。
图14、图15示出了可选的阻挡门140a、140b。阻挡门140a、140b可以通过连接件(未示出)旋转而进入流动气流中，从而在高流速可能对发电机或其它部件造成损害时，减少通过涡轮机100的气流或阻止气流通过涡轮机100。
图8示出了申请人的优选MEWT 100的另一种可选变型。定子叶片的出口倾角在原位上机械变化(即，所述叶片是枢转的)，以适应流体流速率的变化，从而保证离开转子的气流中的残余涡流最少。
需要注意的是，申请人的替代MEWT实施例(如图9-23、26所示)中均使用了螺旋桨状的转子(例如，图9中的142)，而不是具有由叶轮叶片构成的环的涡轮转子。尽管这些实施例可能不是那么高效，但可能更为公众所接受。
申请人的替代MEWT实施例为变型200、300、400、500，其包含零级喷射器(例如，参见图26)、一级喷射器和二级喷射器，当存在混合器时，混合器嵌入到喷射器外罩的末端区域(即，端部)中。例如，参见图18、20和22，其中示出了嵌入到喷射器外罩的末端区域中的混合器。分析显示，这种MEWT实施例可以更快地消除在现有风力涡轮机的尾流中产生的固有速度缺陷，并从而减小在风电场中所需的分隔距离，以避免结构损害和/或生产率损失。
图6示出了图示实施例100的“二级”喷射器变型600，其中在喷射器外罩的末端区域内具有混合器。
应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，各种结构改型对本领域技术人员来说都是显而易见的。例如，可以使用槽来代替混合器瓣或喷射器瓣。另外，无需使用阻挡臂即可达到或超过贝兹极限。因此，应当主要参考所附权利要求书而不是前面的说明来确定本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种轴流式风力涡轮机，包括：具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其带有入口；以及叶轮，其位于下游并具有由叶轮叶片构成的环，所述轴流式风力涡轮机还包括：
a.由定子叶片构成的环，其位于所述叶轮的上游；
b.由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣延伸至所述叶轮叶片的下游；以及
c.喷射器外罩，其围绕所述由混合器瓣构成的环，其中，
所述混合器瓣向下游延伸并伸入所述喷射器外罩。
2.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
在所述喷射器外罩的末端具有由混合器瓣构成的环。
3.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
所述轴流式风力涡轮机通过旋转联接器安装在支撑轴上，以使所述涡轮机可以自由旋转以对准来流，所述支撑轴位于所述轴流式风力涡轮机的压力中心位置的前方。
4.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
所述轴流式风力涡轮机在其内部包括至少一个活动阻挡件，以阻挡经过所述轴流式风力涡轮机的流量。
5.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
所述轴流式风力涡轮机的外表面包括自调节的活动翼板，以空气动力学地辅助所述轴流式风力涡轮机与来流方向对准，并抑制由流动紊流导致的系统振动。
6.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
所述定子叶片机械地旋转，以使定子流出气流在一切运行状态下均与转子叶片更好地对准。
7.根据权利要求1所述的轴流式风力涡轮机，其中，
所述轴流式风力涡轮机的转子与功率输出装置相连，所述功率输出装置为围绕所述叶轮的轮状结构。
8.一种轴流式风力涡轮机，包括：
a.具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其具有入口；
b.由定子叶片构成的环，其安装在所述轴流式风力涡轮机的所述涡轮机外罩内，所述定子叶片具有前缘和后缘；
c.由叶轮叶片构成的环，其可旋转地安装在所述轴流式风力涡轮机的所述涡轮机外罩内，所述叶轮叶片具有与各个所述定子叶片的后缘相邻的前缘；以及
d.用于使所述轴流式风力涡轮机的工作效率持续超过贝兹极限的装置，所述装置包括：
(i)由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣延伸至所述叶轮叶片的下游；以及
(ii)喷射器外罩，其围绕所述由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣向下游延伸并伸入所述喷射器外罩。
9.一种轴流式风力涡轮机，包括：
a.具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其具有入口；
b.涡轮级，其安装在所述涡轮机外罩内，包括：
(i)由定子叶片构成的环，其在所述入口的下游安装在与所述涡轮机外罩相连的支撑轴上；
(ii)由叶轮叶片构成的环，其在所述定子叶片的下游安装在所述支撑轴上；
c.由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣延伸至所述叶轮叶片的下游；以及
d.喷射器，其围绕所述混合器瓣的后缘，并从所述混合器瓣向下游延伸。
10.一种对轴流式风力涡轮机的改进，所述轴流式风力涡轮机包括：具有空气动力学外形的涡轮机外罩，其带有入口；和叶轮，其位于下游并具有由叶轮叶片构成的环，对所述轴流式风力涡轮机的改进包括：位于所述叶轮的上游的定子环，其具有定子叶片；以及与所述涡轮机外罩相连的混合器，其具有由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣延伸至所述叶轮叶片的下游；以及喷射器，其从所述由混合器瓣构成的环向下游延伸。
11.一种对轴流式风力涡轮机的改进，所述轴流式风力涡轮机具有：带有入口的外罩和螺旋桨状的转子，对所述轴流式风力涡轮机的改进包括：混合器，其具有由混合器瓣构成的环，所述混合器瓣延伸至叶轮叶片的下游。
12.根据权利要求11所述的轴流式风力涡轮机，其中，所述轴流式风力涡轮机还包括：喷射器，其从所述混合器向下游延伸。
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