自調節的閉式風輪機的製作方法
2023-04-25 16:23:41 3
專利名稱：自調節的閉式風輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風輪機，其被安裝為相對於一個豎直旋轉軸線自由地樞轉以允許其自然地自轉向以至於面對著風，並且該風輪機包括一個由風驅動並且與交流發電機協同作用以提供電能的螺旋槳。
背景技術：
長期以來，專家們一直探索利用風能，風能具有清潔，即不產生熱或化學汙染，同時又用之不竭的優點。
但是，這些優點很大程度上被眾多缺陷所抵消，具體地說，這些缺陷涉及風的多變和間歇特性；另外，眾所周知，風「場」佔據很大的空間並且產生一定程度的噪聲汙染。
這些缺陷導致如下事實近年來風輪機市場沒有如預期的那樣增長並且目前對於該領域的發展存在非常大的潛力。
更準確地說，目前使用的風輪機經常配備有具有徑向葉片和水平軸的螺旋槳，所述螺旋槳與推進飛機的螺旋槳相似但是通常更大。
這種螺旋槳傳統上與配備有升壓齒輪的工業交流發電機或發電機協同作用，這使得它們沉重、昂貴並且並非很有效。
為了克服該缺陷，根據文獻FR-2 793 528，已經提出一種風輪機，它配備有朝上遊方向傾斜並且由一個具有很大直徑的轂支承的螺旋葉片，並且一個相對較短的擴散式圓形整流罩同軸安裝在轂上並且在其端部附近環繞葉片。
在這種風輪機中，空氣流通過一個由轂和整流罩構成的擴散裝置引導。
整流罩為擴散形，這允許在葉片的垂直方向獲得額外速度並且增加所傳遞的能量。
此外，傾斜葉片比具有相同有效直徑的徑向葉片更長，並且在其整個長度上起作用，而在端部沒有氣動損失，這再次增加了效率。
在更重載的使用情況下，該風輪機對於相同的功率水平佔據更少的空間並且比傳統風輪機噪聲小。
具體地說，這些優點是因為一種整流罩的存在而獲得，該整流罩優選地由一個圓邊前緣、隨後的厚整流罩和薄擴散形後緣構成。
該整流罩允許消除產生噪聲的紊流的出現並且與轂結合形成一種會聚/擴散性擴散裝置，該裝置允許為其最窄截面中的空氣流獲得最佳加速狀態並因此獲得葉片的最佳旋轉驅動。
當然，像安裝在豎直柱上的所有風輪機一樣，這種風輪機必須總是定向為面對著風；因此，它們取決於定向部件。
作為示例，這些部件由「偏轉(yaw)」電機構成，這些電機通過指示風輪機旋轉方向的「偏轉傳感器」和適當的控制裝置允許風輪機根據風而定向。
這種定向部件笨重並且相對複雜，因此容易出現故障，特別是在具有很大跨距的風輪機中。
這些部件也是那種可能引起傳遞能量的電纜纏繞在一起的危險的類型。
為了克服這些缺陷，已經有人提出將風輪機的葉片朝風的方向安裝在轂的下遊部分，或者將尾翼安裝於其上，該尾翼允許其在所有情況下保持定向為面對著風，而不使用機械定向部件。
但是，這種結構不能用於所有風輪機，特別是對於大型風輪機。
發明內容
本發明的目的是提出一種允許克服該問題的自轉向風輪機。
為了設計這種風輪機，已經設想到使用整流罩作為尾翼。
因此，假使配備有擴散形整流罩，根據本發明的自轉向風輪機可以為任何類型並且具有小、中或大的跨距。
根據本發明，該風輪機被安裝為相對於一個豎直旋轉軸線樞轉以允許其定向為面對著風，並且包括一個螺旋槳和一個與螺旋槳協同作用以提供電能的交流發電機，該螺旋槳由風驅動並且配備有由具有水平軸的轂支承的葉片，並且一個相對較短的擴散式圓形整流罩同軸安裝在轂上並且環繞葉片。
該風輪機的特徵在於其旋轉軸線沿著所述風向位於由軸向風在整流罩上產生的氣動力合力的中心的上遊。
但是，當風能過大時，這種自轉向風輪機可能具有超速運行的危險並因此危及其結構的各個部件。
在非自轉向的閉式風輪機中已經遇到該問題。
為了克服該問題，已經有人提出在存在強風的情況下將可以使整個風輪機，包括整流罩樞轉的那種系統安裝到風輪機上。
但是，這種系統不僅笨重而且昂貴。
另一種可能性存在於在葉片下遊提供制動部件。但是，這種系統實際上難以實現。
根據本發明的一個優選特徵，可以通過將允許葉片方向相對於風而改變的部件連接到風輪機的轂上而克服該問題。
因此，在存在強風的情況下，可以相對於風而「移去」葉片。
這種允許葉片以可變斜度設置的部件在航空領域為人公知。
利用它們對根據本發明的自轉向閉式風輪機的適應性，風輪機可實現在高風速下以良好的方式工作。
下面將結合
根據本發明的風輪機特別有利的結構，其中-圖1是根據本發明的風輪機通過一個豎直平面的示意性截面；-圖2是根據本發明的風輪機通過整流罩水平中心平面的一個示意性截面，定向為面對著風V；-圖3是與圖2對應的一個示意性截面，但是其中風輪機相對於風V以傾斜方式定向。
具體實施例方式
根據圖1，風輪機配備有一個轂10和一個擴散式圓形整流罩1，該轂具有水平軸線xx』並且配備有葉片11和一個交流發電機12，整流罩通過支承臂13同軸安裝在轂10上並且環繞葉片11。
該風輪機被安裝為通過樞軸14在一個豎直柱2上樞轉，該柱在圖2和3中用一個圓表示。
整流罩1具有特定的空氣動力學輪廓，該輪廓由圓邊前緣3以及隨後的頂面/底面4和擴散形後緣5限定。
根據圖2，如果整流罩1的任何橫截面被認為通過一個徑向平面，那麼內弦C相對較短，而平均半徑R基本上與葉片11的長度一致。
弦C和整流罩1的軸線x-x』的角度為5至30°。
在各徑向平面內，空氣流在整流罩1內的加速度產生一個力Fr，該力可以分解成兩個力，其中一個是作為分力的提升力Fp，而另一個是作為分力的拉力Ft。
由風V產生的全部氣動力的合力Frtotal可以簡化為兩個力，即一個位於整流罩1右側的合力Frd和一個位於整流罩1左側的合力Frg。
根據圖2，風V相對於右側弦C的迎角等於風相對於左側弦C的迎角，因此，合力Frd的值等於合力Frg的值。
這兩個力的中心Fc位於風輪機的旋轉軸線2下遊與該軸線距離為d的位置。
因此，風輪機因為合力Frtotal指向軸線xx』的事實而穩定地面對著風。
根據圖3，如果風V改變方向，其相對於右側和左側弦C的迎角變得不同。
因此，合力Frd的值不再等於合力Frg的值。
因此，在中心Fc區域內，合力Frtotal產生一個力矩，該力矩具有使系統返回到平衡狀態，即面對著風的趨勢。
根據圖1，這種結構因此允許整流罩被用作尾翼以允許風輪機自轉向以至於面對著風。
應該注意到，中心Fc和風輪機的旋轉軸線2之間的距離d，並且因此該旋轉軸線的位置，在系統的瞬時動力學中起著重要作用距離d越大，對風向變化的響應時間就越短。
但是，當選擇風輪機的旋轉軸線2的位置時，必須考慮各種因素，具體地說-基於初始生產閾值的自轉向響應時間，-基於必須大於旋轉軸線阻力矩的初始生產閾值的氣動力矩，-由返回到豎直旋轉軸線的機器的重量產生的力矩，-定向頂部上的機械應力，-經濟性和美學限制。
權利要求
1.一種風輪機，其被安裝為相對於一個豎直旋轉軸線(2)樞轉以允許其定向為面對著風(V)，並且所述風輪機包括一個螺旋槳和一個與螺旋槳協同作用以提供電能的交流發電機(12)，該螺旋槳由風驅動並且配備有由具有水平軸的轂(10)支承的葉片(11)，並且一個相對較短的擴散式圓形整流罩(1)同軸安裝在轂(10)上並且環繞葉片(11)，其特徵在於旋轉軸線(2)沿著所述風向位於由軸向風(V)在整流罩(1)上產生的氣動力合力(Frd、Frg)的中心(Fc)的上遊。
2.根據權利要求1所述的風輪機，其特徵在於轂(10)設置有允許葉片(11)的方向相對於風而改變的部件。
全文摘要
本發明涉及一種風輪機，其相對於一個豎直旋轉軸線(2)可樞轉地安裝以至於朝向風(V)，並且該風輪機包括一個螺旋槳、一個與螺旋槳協同作用以提供電能的交流發電機(12)和一個相對較短的擴散式圓形罩(1)，其中螺旋槳由風驅動並且配備有由具有水平軸的轂(10)支承的葉片(11)，罩(1)同軸安裝在轂(10)上並且環繞葉片(11)。本發明的風輪機的特徵在於旋轉軸線(2)在所述風的方向上位於由軸向風(V)在罩(1)上產生的氣動力合力(Frd、Frg)的中心(Fc)的上遊。
文檔編號F03D7/02GK1780985SQ200480011642
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月30日 優先權日2003年4月30日
發明者埃爾韋·庫爾曼, 弗朗西斯·G·L·普蘭, 讓－夏爾·普蘭 申請人:Gsef公司