[发明专利]多轴涡轮

说明书

技术领域

本发明一般涉及风能领域，更具体地说，涉及垂直轴线涡轮和具有一根以上轴线或轴的涡轮。

背景技术

风力涡轮作为一种动力转换装置，应用转轮将空气射流的能量转换成旋转机械动力。风力机械能将机械动力的无偿和无尽的动力资源用于各种目的，包括驱动发电机。大多数风力涡轮是水平轴线风力涡轮(HAWT)。但是，已知有许多涡轮为垂直轴线涡轮(VAWT)。VAWT的叶片垂直地加以布置。VAWT的结构优点包括发电机位于地平面上，维修较为方便，且避免了每次风向改变时，必须改变叶片的指向。与本发明关系最密切的风力涡轮是垂直轴线涡轮VAWT，包括应用Darrieus相关技术的涡轮。Darrieus技术由D.J.M.Darrieus发明，并由沿转动塔架连接在两个点上的曲线叶片构成。当涡轮旋转时，离心力随着叶片已向外鼓出成转轮开始转动前的所谓troposkein形状而减少。troposkein形状相似于绳索围绕轴线旋转时形成的形状。结果，troposkein形状将离心力引起的应力降至最低。美国专利号1835018具有更多有关由D.J.M.Darrieus发明的Darrieus涡轮的详细信息。

产生大量的电力时，普通的涡轮需具有大的转轮以产生足够的能量，使其值得具有发电机以生产电力。不幸的是，大的转轮很贵，因为作用在转轮上的应力随着直径的增大而急剧增加。普通涡轮必须增加叶片的直径，以便通过增加流动空气冲击在叶片上的面积，捕获更多的能量。为生产大量电力而增加叶片的直径还会增加涡轮中不同于叶片的其它物品的成本。大的叶片还不能适当生产，它们会引起齿轮箱、塔架、以及将发电机转向最佳风向的系统产生结构应力和疲劳问题。在过去，风力涡轮由单一塔架和牵索加以支承，在很多情况，会导至许多与振动及频率有关的问题。当垂直轴线涡轮的叶片变大时，会受限于设计和使用的材料。例如，铝挤压成形和玻璃纤维pultrusion已在垂直轴线涡轮的两种最重要的商业应用得到应用。由于玻璃纤维叶片的尺寸很大，但强度有限，叶片在安装位置弯曲。铝叶片不能成形成真正的troposkein形状。叶片必须制作成具有相当的长度，但没有可使用的挤压设备。垂直轴线工艺的两个商业上真正现有应用的专利描述于“垂直轴线风力涡轮”，专利号4449053和“具有pultrudod叶片的垂直轴线风力涡轮”，专利号5499904中。但是，在应用这些材料的叶片中，作用在垂直叶片上的周期性负载引起结构应力，从而引起疲劳因素。升力在叶片旋转时，将叶片向前、后推动。应用较广泛的水平风力涡轮不受这种周期应力的作用，这种周期应力一天要发生成千上万次。但建造和安装复杂和昂贵。现有技术中的垂直叶片不能将转轮放置于地面以上的足够高度上，以致涡流导至长时期的结构问题。

在其它现有技术中，涡轮的扫过面积所具有的形状比由于建造限制而小于4。形状比是扫过面积的高度与直径之比，最好高一些，以便获得较好的效率。这发生于，当转轮又高又瘦，保持有大的扫过面积和高的RPM。结果，惯性矩降低，从而花费在其本身运动上的能量较小。

在现有叶片技术中，在每一轴区段上应用两片或多片叶片，以便获得适当的叶片平衡。每一轴区段上有一片叶片的结构是昂贵的，并在过去涡轮中有不平衡问题。一个德国公司试图建造一种水平的单叶涡轮。但，它没有被真正的商业化。

发明内容

本发明的首要目的是通过解决垂直轴线风力涡轮中的周期应力问题，而提出更耐用的叶片。

本发明的另一目的是通过应用较多但较小的部件替代较大和较少的部件，以减少生产成本。

本发明的另一目的是提出修理和维护均便宜的部件，如发电机、重型变速设备和齿轮箱，同时转轮高于地面之上。

本发明的又一目的是通过降低结构和机械应力，使轴承的寿命更长。

本发明的又另一目的是通过降低惯性矩及较容易的自起动能力，提供效率更高的涡轮。

本发明的另一目的是通过在每一轴上应用许多小叶片，以克服每一轴区段上应用单叶片时产生的不平稳问题，用以提供更为耐用的叶片设计。

本发明的另一目的是通过将叶片制作成更小，从而可得到刚性更好，更坚固的叶片。

本发明的另一目的是通过具有许多部件，如256片叶片、16根轴以及16台发电机，提出改进事故比例的手段。

本发明的又一目的是提供一种更容易的建造方法。

本发明的又另一目的是使建造得以使用标准零件，除大批量生产的叶片外，它们不需顾客制作。叶片可由若干供应商供应，以避免供应商的积压问题。