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CN119072577A - 外围支撑风力涡轮机 - Google Patents

外围支撑风力涡轮机 Download PDF

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CN119072577A
CN119072577A CN202280095325.5A CN202280095325A CN119072577A CN 119072577 A CN119072577 A CN 119072577A CN 202280095325 A CN202280095325 A CN 202280095325A CN 119072577 A CN119072577 A CN 119072577A
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wind
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阿尔弗雷多·劳尔·卡列·马德里
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Abstract

本发明涉及一种外围支撑风力涡轮机，该外围支撑风力涡轮机被设计为利用非线性风速曲线，其中，该涡轮机包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子，叶片由外围旋转圈支撑，其中，叶片的附接至外围旋转圈的部分的扭转角比叶片其余部分大；其中，翼型的弦长沿叶片的长度恒定不变；其中，翼型的厚度沿叶片的长度渐增，较薄的翼型靠近中心；并且其中，该涡轮机具有自动保护性折叠系统，该自动保护性折叠系统被设计为将叶片径向折叠，使得该涡轮机进入空气动力学失速状态。

Description

外围支撑风力涡轮机
技术领域
本发明涉及陆上风力涡轮机技术领域，更具体地，本发明涉及一种具有特殊形状和布置的叶片的外围支撑风力涡轮机。
背景技术
在现有技术中有2012年5月10日公布的专利文件US2012112465A1，其涉及一种风力涡轮机交流发电机模块，该风力涡轮机交流发电机模块具有支撑结构、涡轮机组件、轴承、转子和定子，其中，涡轮机组件包括从未被支撑的轮毂向外缘辐射的一个或多个叶片，不包括物理旋转轴；轴承围绕涡轮机组件定位并与涡轮机组件接合且由支撑结构支撑；转子包括由涡轮机组件支撑的一个或多个磁体或线圈；定子包括一个或多个磁体或线圈，磁体或线圈构造成使得转子与定子之间的相对运动在转子线圈或定子线圈中感应出电压，其中，支撑结构是矩形的，并且轴承位于支撑结构的周缘的拐角处。应当指出，替代性实施例允许壳体堆叠、交错或以任何排列方式放置，并且允许使用任何简便的安装方法将壳体连接在一起。
此外，在现有技术中有2000年5月16日公布的US6064123A，其提到了这样的一种风力涡轮机：在该风力涡轮机中，叶片从外围的旋转边缘辐射，其中，该外围边缘包括多个磁体，并且该外围边缘下方设置有定子，其中，当外围边缘中的磁体经过定子时，产生电流。
然而，关于外围支撑风力涡轮机的该背景信息并未提及这样的叶片，其中：叶片的附接至外围旋转圈的部分的扭转角比叶片其余部分大，翼型的弦长沿叶片的长度恒定不变且翼型的厚度沿叶片的长度增大，其中较薄的翼型靠近中心而较厚的翼型靠近外围旋转圈。
发明内容
风单元和风墙(WO2021034203，“风墙(Wind Wall)”)被限定且合并在本说明书中仅作为上下文的一部分，这部分内容对于正确描述本发明部件而言是必需的。
风单元：
根据图1，风单元(301、302)应被理解为自运行、能够放大风速的单独的空气动力学结构，其特征在于，由相邻外部部分(404)、空气动力学内部腔室(501)和临界空间(504)形成；其中，临界空间(504)是位于前部(503)与后部(505)之间的空间，其特征在于具有最高风速记录。
从这方面来说，在本发明的说明书中，临界空间(504)应被理解为风力涡轮机系统的涡轮机(A)适于定位的空间。
涡轮机(A)：
本发明涉及一种专门设计用于在风单元(301)的临界空间(504)中运行的风力涡轮机，其特征在于绕轴向轴(A0)旋转，并且如图2所示，包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)、轻型轮毂(A2)、外围旋转圈(A3)和保护性折叠系统(A4)。
具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)的特征在于，其包括多个叶片(A1/01)，数量等于或大于一；其中，靠近风单元(301)的临界空间(504)壁的部分中的扭转角比叶片其余部分大；其中，弦长沿叶片(A1/01)的长度恒定不变；其中，翼型的厚度沿叶片(A1/01)的延伸方向渐增，即，厚度较小的翼型靠近中心(轻型中心(A2))，而厚度较大的翼型靠近外围旋转圈(A3)，以将涡轮机(A)的整体扭矩最大化。
轻型中心(A2)是位于轴向轴(A0)上的部件，其中风力系统的涡轮机(A)绕该部件旋转，其特征在于，它是由轻质材料制成的空气动力学结构，其作用是用作叶片(A1/01)的可移除次级固定点，以避免叶片因空气动力学力而弯曲，尤其是将在每个叶片的外弧面和内弧面周围产生的压力有差异的环境保持隔开。
外围旋转圈(A3)是刚性环形结构，其特征在于具有同一轴向轴(A0)，并且在其结构内容纳叶片(A1/01)的末端，使得叶片(A1/01)被夹紧至外围旋转圈(A3)的环形结构并由外围旋转圈的环形结构支撑。此外，外围旋转圈(A3)的特征在于，它是涡轮机(A)与合适的外围支撑系统之间的联接点。
保护性折叠系统(A4)是一组机构，其设计为保护涡轮机(A)免受能够损害涡轮机(A)的完整性的临界风速大小这种不利情形的影响，其特征在于，激活以下自动机制：首先，通过磁性激活机构(A4/01)将叶片(A1/01)与轻型轮毂(A2)断开接合；其次，通过折叠机构(A4/02)将叶片(A1/01)朝向外围旋转圈(A3)径向折叠，使得叶片(A1/01)与外围旋转圈(A3)之间的角度不再是90度，优选地，小于60度，甚至更优选地，小于45度，并且其中，旋转轴是固定在同一外围旋转圈(A3)上的折叠枢轴(A4/03)。这样，当叶片(A1/01)被径向折叠时，叶片使涡轮机(A)进入空气动力学失速状态，从而使涡轮机(A)的扭矩减小，并因此使风力涡轮机系统的转速整体降至安全水平。
其中，磁性激活机构(A4/01)包括永磁体，永磁体将叶片(A1/01)的根部保持至轻型轮毂(A2)，但永磁体的磁力是渐变的，从而当临界风速大小产生的空气动力学力超过一定安全阈值时，磁性夹紧机构停止作用。
其中，折叠机构(A4/02)的特征在于，它具有液压、机械和/或电子系统，该系统对基于作用于涡轮机(A)上的空气动力学力的大小计算得到的叶片(A1/01)所需渐变折叠自动进行控制。
其中，折叠枢轴(A4/03)是枢轴或铰链部件，其特征在于，它一方面固定至外围旋转圈(A3)，并且另一方面固定至叶片(A1/01)，其中，旋转的速度和角度受折叠机构(A4/02)控制。
因此，本发明的目的是将涡轮机扭矩最大化；鉴于此，根据所进行的CFD模拟，叶片末端与轻型中心(A2)之间的弦差越大，扭矩就减小得越大，这是由于这种弦差所产生的压力损失所致，这种压力损失会造成大于28％的扭矩和功率系数损失。鉴于此，根据风速曲线，更靠近轻型中心(A2)的部分所具有的雷诺数较低，从而偏向于使用较薄的翼型，而更靠近外围旋转圈(A3)的部分所具有的雷诺数较高，从而偏向于使用较厚的翼型。
从这方面来说，与现有技术的常规风力涡轮机不同，本发明的涡轮机(A)被设计为利用风单元(301)的临界空间(504)中存在的风速曲线的非线性二次特征，并以此将涡轮机(A)的扭矩最大化且提高风力系统的整体效率。
本发明的另一目的是，允许外围旋转圈支撑叶片(A1/01)，避免出现对叶片结构造成损害的弯曲，并且从而便于提高系统的效率——因为将较长的弦长正好设置在叶片(A1/01)的末端区域中，而叶片的末端区域是系统最高相对速度存在的区域，并且因此是最高可用有用功率存在的区域。
本发明的另一目的是，临界风速大小越高，折叠机构(A4/02)所产生的叶片径向折叠程度就越大，而临界风速大小越低，折叠机构所产生的叶片径向折叠程度就越小，这允许涡轮机(A)在安全角速度下继续运行，而无需进入系统完全停机状态。
附图说明
图1：风单元
301：风单元的正视图
302：风单元的斜视图
404：相邻外部部分或共用闭合弦
501：空气动力学内部腔室
503：压力产生空间
504：临界空间
505：湍流抑制器空间
406：风单元入口孔
407：风单元出口孔
图2：涡轮机(A)
A：涡轮机
A0：涡轮机轴向轴
A1：具有厚度渐增的等弦叶片的转子
A1/01：叶片
A2：轻型轮毂
A3：外围旋转圈
A4：保护性折叠系统
A4/01：磁性激活机构
A4/02：折叠机构
A4/03：折叠枢轴
301：风单元正视图
504：临界空间
具体实施方式
风单元和风墙(WO2021034203，“风墙(Wind Wall)”)被限定且合并在本说明书中仅作为上下文的一部分，这部分内容对于正确描述本发明部件而言是必需的。
风单元：
根据图1，风单元(301、302)应被理解为自运行、能够放大风速的单独的空气动力学结构，其特征在于，由相邻外部部分(404)、空气动力学内部腔室(501)和临界空间(504)形成；其中，临界空间(504)是位于前部(503)与后部(505)之间的空间，其特征在于具有最高风速记录。
从这方面来说，在本发明的说明书中，临界空间(504)应被理解为风力涡轮机系统的涡轮机(A)适于定位的空间。
涡轮机(A)：
涡轮机(A)是专门设计用于在风单元(301)的临界空间(504)中运行的外围支撑风力涡轮机，其特征在于绕轴向轴(A0)旋转，并且如图2所示，包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)、轻型轮毂(A2)、外围旋转圈(A3)和保护性折叠系统(A4)。
具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)的特征在于，它具有多个叶片(A1/01)，数量等于或大于一，所述多个叶片沿其长度具有多个翼型、多个攻角和多个扭转角，其中，叶片(A1/01)的附接至外围旋转圈(A3)的部分的扭转角比叶片其余部分高很多，以使攻角适应附接至风单元(301)的临界空间(504)的壁的区域中所记录的较低轴向速度和较高切向速度。
其中，翼型的弦长沿叶片(A1/01)的延伸方向恒定不变，以便将涡轮机(A)的扭矩最大化，因为根据CFD模拟，叶片末端与轻型中心(A2)之间的弦差越大，扭矩就减小得越大，这是由于这种弦差所产生的压力损失所致，这种压力损失会造成大于28％的扭矩和功率系数损失。
其中，翼型的厚度沿叶片(A1/01)的延伸方向渐增，即，厚度较小的翼型靠近轻型中心(A2)而厚度较大的翼型靠近外围旋转圈(A3)，以将涡轮机(A)的扭矩最大化，因为根据风速曲线，更靠近轻型中心(A2)的部分所具有的雷诺数较低，从而偏向于使用较薄的翼型，而更靠近外围旋转圈(A3)的壁的部分所具有的雷诺数较高，从而偏向于使用较厚的翼型。
从这方面来说，与现有技术的常规风力涡轮机不同，本发明的涡轮机(A)被设计为利用风单元(301)的临界空间(504)中存在的风速曲线的非线性二次特征，并以此将涡轮机(A)的扭矩最大化且提高风力系统的整体效率。
轻型中心(A2)是位于轴向轴(A0)上的部件，其中风力系统的涡轮机(A)绕该部件旋转，其特征在于，它是非重型的空气动力学结构，其作用是用作叶片(A1/01)的可移除次级固定点，以避免叶片因空气动力学力而弯曲，尤其是将在每个叶片的外弧面和内弧面周围产生的压力有差异的环境保持隔开。应当指出，根据CFD模拟，已经证实，仅由外围圈保持而没有中心对其进行保持的叶片(A1/01)在没有完整的物理屏障进行阻碍的情况下促进环境之间的压力泄漏，这意味着，叶片(A1/01)相对于涡轮机(A)的半径越短，环境之间的压力泄漏程度就越大，因此涡轮机(A)的扭矩也就越低。
常规风力涡轮机系统的舱体是重型结构，因其结构后的尾流中有涡流产生，故其具有空气动力学损失；与之相比，轻型中心(A2)具有技术优势，因为它是轻型的中心，其中该部件的尾流中所存在的涡流规模较小，因此对系统造成的空气动力学损失较低。
外围旋转圈(A3)是刚性环形结构，其特征在于具有同一轴向轴(A0)，并且在其结构内容纳叶片(A1/01)的末端，使得叶片(A1/01)被附接至外围旋转圈(A3)的环形结构并由外围旋转圈的环形结构支撑。此外，外围旋转圈(A3)的特征在于，它是涡轮机(A)与相关的外围支撑系统之间的联接点。
常规风力系统利用开放式涡轮机进行运行，开放式涡轮机所具有的叶片其弦长减小——其中，叶片根部处弦长较长，而叶片末端处弦长较短——以避免出现对叶片结构造成损害的过度弯曲；与常规风力系统不同，本发明的风力系统利用封装在风单元(301)内的涡轮机(A)进行运行，这允许用外围旋转圈(A3)来支撑叶片(A1/01)，避免出现对叶片结构造成损害的弯曲，并且从而便于提高系统效率——因为将较长的弦长正好设置在叶片(A1/01)的末端区域中，而叶片的末端区域是系统最高相对速度存在的区域，并且因此是最高可用有用功率存在的区域。
保护性折叠系统(A4)是一组机构，其设计为保护涡轮机(A)免受能够损害涡轮机(A)的完整性的临界风速大小这种不利情形的影响，其特征在于，在出现不利情形的情况下激活以下自动机制：首先，通过磁性激活机构(A4/01)将叶片(A1/01)与轻型中心(A2)断开接合；其次，通过折叠机构(A4/02)将叶片(A1/01)朝向外围旋转圈(A3)径向折叠，使得叶片(A1/01)与外围旋转圈(A3)之间的角度不再是90度，并且其中，旋转轴是固定在同一外围旋转圈(A3)上的折叠枢轴(A4/03)。这样，当叶片(A1/01)被径向折叠大体上靠近外围旋转圈时，叶片使涡轮机(A)进入空气动力学失速状态，从而使涡轮机(A)的扭矩减小，并因此使风力涡轮机系统的转速整体降至安全水平。
其中，磁性激活机构(A4/01)包括永磁体，永磁体将叶片(A1/01)的根部保持至轻型中心(A2)，但永磁体的磁力是渐变的，从而当临界风速大小产生的空气动力学力超过一定安全阈值时，磁性夹紧机构停止作用。
其中，折叠机构(A4/02)的特征在于，它具有液压、机械和/或电子系统，该系统对基于作用于涡轮机(A)上的空气动力学力的大小计算得到的叶片(A1/01)所需渐变折叠自动进行控制，使得临界风速大小越高，叶片(A1/01)的径向折叠程度就越大，而临界风速大小越低，叶片的径向折叠程度就越小，这允许涡轮机(A)在安全角速度下继续运行，而无需进入系统完全停机状态
其中，折叠枢轴(A4/03)是枢轴或铰链部件，其特征在于，它一方面固定至外围旋转圈(A3)，并且另一方面固定至叶片(A1/01)，其中，旋转的速度和角度受折叠机构(A4/02)控制。
在优选实施例中，叶片由轻质且耐用的材料制成，比如玻璃纤维，轻质轮毂的作用是用作叶片(A1/01)的次级附接点，以防止叶片因空气动力学力而弯曲，更重要的是将在每个叶片的外弧面和内弧面周围所产生的压力有差异的环境保持隔开。重要的是需要强调，根据CFD模拟，已经证实，仅由外围圈保持而没有中心对其进行保持的叶片(A1/01)促进环境之间的压力泄漏，因为没有完整的物理屏障进行阻碍，这意味着，叶片(A1/01)相对于涡轮机(A)的半径越短，环境之间的压力泄漏程度就越大，因此涡轮机(A)的扭矩也就越低。
其中，常规风力涡轮机系统的舱体是重型结构，因其结构后的尾流中有涡流产生，故其具有空气动力学损失；与之相比，轻型中心(A2)具有技术优势，因为它是轻型的中心，其中该部件的尾流中所存在的涡流规模较小，因此对系统造成的空气动力学损失较低。
综上所述，这种新型风力涡轮机的部件的应用所带来的技术效果如下：
功率系数增大：对于专门设计用于在风单元(301、302)的临界空间(504)中运行的涡轮机(A)，其特征在于包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)，根据CFD分析和所进行的模拟，这不仅允许有较大的升力面来收集临界空间(504)中存在的较大部分的风动能，而且还防止因弦叶片增加引起压降而造成空气动力学损失，从而使得该风力系统所能够产生的功率系数是常规水平轴风力涡轮机的至少1.6倍高。
涡流减小：由于轻型中心(A2)不太重，中心尾流中产生的涡流有所减轻，并且外围旋转圈(A3)减少了叶片末端处产生的涡流；该风力系统的特征在于，尾流中产生的空气动力学损失较低，从而转化为较高的扭矩；这是常规水平轴风力系统无法实现的，因为常规水平轴风力系统在中心中具有重型舱体，并且具有叶片末端暴露的开放式转子。
更大的灵活性：由于保护性折叠系统(A4)根据需要通过逐渐折叠叶片(A1/01)来减小扭矩，因此该风力系统实现了更大的灵活性以从不利情形恢复，而不必进入总体系统停机状态，因为涡轮机(A)以安全角速度继续运行。
本发明不限于附图所示以及上文详细描述的优选实施例。本领域技术人员应当认识到，可以设计其他的装置，例如以各种方式连接至各种结构和物体以及彼此连接的各种材料的各种形状和尺寸的模块。本发明涵盖所描述的每个实施例的各种特征的所有可能的组合。应当阐明的是，在不脱离权利要求书所保护的内容的精神和范围的情况下，可以构造本发明的改型和变型。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种外围支撑风力涡轮机，其特征在于，所述外围支撑风力涡轮机设计为对空气动力学增大的风速的风力系统中存在的非线性风速曲线进行利用，并且包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)以及保护性折叠系统(A4)；
其中，所述叶片(A1/01)由外围旋转圈(A3)支撑，其中，所述叶片(A1/01)的附接至所述外围旋转圈(A3)的部分的扭转角比所述叶片的其余部分大；其中，翼型的弦长沿所述叶片(A1/01)的长度恒定不变；其中，所述翼型的厚度沿所述叶片(A1/01)的跨度渐增，其中厚度最小的翼型靠近中心，而厚度最大的翼型靠近所述外围旋转圈(A3)；
其中，所述保护性折叠系统(A4)设计为在风速高于设计参数并损害所述风力系统的完整性时被自动致动，以将所述叶片径向折叠，使得所述涡轮机能够空气动力学失速；
并且，所述保护性折叠系统(A4)包括磁性激活机构(A4/01)和折叠枢轴(A4/03)；其中，所述磁性激活机构(A4/01)包括永磁体，所述永磁体将所述叶片(A1/01)的根部保持至轻型中心(A2)，其中，所述永磁体的磁力被调节，使得当一定安全阈值被超过时，磁性夹紧机构停止作用；其中，所述折叠枢轴(A4/03)是铰链，所述铰链一方面附接至所述外围旋转圈(A3)，并且另一方面附接至所述叶片(A1/01)中的一个。
2.根据权利要求1所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述保护性折叠系统(A4)还包括折叠机构(A4/02)，所述折叠机构(A4/02)是液压、机械和/或电子致动的，并且构造成对所述叶片(A1/01)进行折叠，使得所述叶片(A1/01)与所述外围旋转圈(A3)之间的角度不再是90度，并且所述折叠机构进一步构造成对所述叶片(A1/01)的所需折叠渐变程度自动进行控制，使得临界风速大小越高，所述叶片(A1/01)的径向折叠程度就变得越大，而临界风速大小越低，所述叶片的径向折叠程度就变得越小，由此允许所述涡轮机(A)以安全角速度继续运行，而不需要所述系统完全停机。
3.根据权利要求2所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述轻型中心(A2)是适于围绕轴向轴(A0)定位的部件，所述涡轮机绕所述轴向轴(A0)旋转，其中，所述轻型中心(A2)是由轻质材料制成的空气动力学结构，并且也是所述叶片(A1/01)的可移除次级附接点，所述可移除次级附接点形成所述磁性激活机构(A4/01)的一部分。
4.根据权利要求2所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述外围旋转圈(A3)是刚性环形结构，具有与所述涡轮机(A)旋转所绕的轴向轴(A0)相同的轴向轴，所述外围旋转圈(A3)在其结构内容纳所述叶片(A1/01)的末端，并且也是所述磁性激活机构(A4/01)的一部分。

Claims (4)

1.一种外围支撑风力涡轮机，其特征在于，所述外围支撑风力涡轮机设计为对空气动力学增大的风速的风力系统中存在的非线性风速曲线进行利用，并且包括具有厚度渐增的等弦叶片的转子(A1)以及保护性折叠系统(A4)；
其中，所述叶片(A1/01)由外围旋转圈(A3)支撑，其中，所述叶片(A1/01)的附接至所述外围旋转圈(A3)的部分的扭转角比所述叶片的其余部分大；其中，翼型的弦长沿所述叶片(A1/01)的长度恒定不变；其中，所述翼型的厚度沿所述叶片(A1/01)的跨度渐增，其中厚度最小的翼型靠近中心，而厚度最大的翼型靠近所述外围旋转圈(A3)；
其中，所述保护性折叠系统(A4)设计为在风速高于设计参数并损害所述风力系统的完整性时被自动致动，以将所述叶片径向折叠，使得所述涡轮机能够空气动力学失速。
2.根据权利要求1所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述保护性折叠系统(A4)包括磁性激活机构(A4/01)、折叠机构(A4/02)和折叠枢轴(A4/03)；
其中，所述磁性激活机构(A4/01)包括永磁体，所述永磁体将所述叶片(A1/01)的根部保持至轻型中心(A2)，其中，所述永磁体的磁力被调节，使得当一定安全阈值被超过时，磁性夹紧机构停止作用；
其中，所述折叠机构(A4/02)是液压、机械和/或电子致动的，并且构造成对所述叶片(A1/01)进行折叠，使得所述叶片(A1/01)与所述外围旋转圈(A3)之间的角度不再是90度，并且所述折叠机构进一步构造成对所述叶片(A1/01)的所需折叠渐变程度自动进行控制，使得临界风速大小越高，所述叶片(A1/01)的径向折叠程度就变得越大，而临界风速大小越低，所述叶片的径向折叠程度就变得越小，由此允许所述涡轮机(A)以安全角速度继续运行，而不需要所述系统完全停机；
其中，所述折叠枢轴(A4/03)是铰链，所述铰链一方面附接至所述外围旋转圈(A3)，并且另一方面附接至所述叶片(A1/01)中的一个，其中，旋转的速度和角度受所述折叠机构(A4/02)控制。
3.根据权利要求2所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述轻型中心(A2)是适于围绕轴向轴(A0)定位的部件，所述涡轮机绕所述轴向轴(A0)旋转，其中，所述轻型中心(A2)是由轻质材料制成的空气动力学结构，并且也是所述叶片(A1/01)的可移除次级附接点，所述可移除次级附接点形成所述磁性激活机构(A4/01)的一部分。
4.根据权利要求2所述的外围支撑风力涡轮机，其中，所述外围旋转圈(A3)是刚性环形结构，具有与所述涡轮机(A)旋转所绕的轴向轴(A0)相同的轴向轴，所述外围旋转圈(A3)在其结构内容纳所述叶片(A1/01)的末端，并且也是所述磁性激活机构(A4/01)的一部分。
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