[发明专利]风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机。更具体地，它涉及具有通常垂直于风向的旋转轴的风力涡轮机。这种涡轮机通常被称之为横流式涡轮机。它们还被称之为“垂直轴式”涡轮机，尽管此术语会使人误解。

背景技术

风力涡轮机通常可分为两种类型：“水平轴式”风力涡轮机(HAWT)，其具有设置成与主风向对准的旋转轴；和横流式或者“垂直轴式”风力涡轮机(VAWT)，其具有设置成通常垂直于主风向的旋转轴。

在VAWT类型内，涡轮机通常属于两种进一步的类型中的一种：阻力型和升力型。

阻力型涡轮机，其中最著名的是Savonius风力涡轮机，其通过使每个叶片在顺风运动时比逆风运动时具有更大的阻力来运转。该阻力差产生围绕轴的扭矩，这导致叶片围绕该轴的旋转。

诸如Darrieus涡轮机之类的升力型涡轮机利用围绕叶片的气流在叶片上产生升力，该升力被转换成旋转运动。

阻力型叶片必然被限指成以比主风缓慢的方式移动。然而，升力型叶片可达到叶尖速度比(叶尖的速度：主风速)完全超过1.0。

在产生动力的方面，升力型VAWT通常明显比阻力型VAWT的效率更高。尽管如此，在制造高效的商用VAWT中已经发现了多个问题。

一个问题在于涡轮机启动以及轻风中的运转。升力型涡轮机依靠由旋转的叶片提供的升力—由此，涡轮机的旋转需要自保持特定的速度。这会需要提供电动机来启动涡轮机。同样，如果风速不足以维持最低的涡轮机转速，则涡轮机将停机。

所发现的另一个问题存在于间隔涡轮机。在附近没有会作用以使风速变慢的障碍物的情况下，风力涡轮机通常最好在“清洁的”空气中运转。为此，通常必须将涡轮机间隔开，以使它们不会干扰彼此的气流。

本申请人的当前待审查的国际专利申请No.PCT/AU2007/001865设法通过将阻力型涡轮机的特征并入到升力型涡轮机中来克服这些问题中的第一个问题。这是通过将部分切掉的或“杯状的”特征并入到每个涡轮机叶片的内表面中来实现。支持该原理的思想在于，该涡轮机将利用叶片的外表面与内表面之间的阻力差在低速时产生扭矩，并且该扭矩足以将转子加速到产生充分的升力以为转子提供动力的速度。

进一步的研究和发展已经表明，这种“杯状部”的存在对涡轮机叶片的空气动力特性具有显著的影响，这导致高速下产生的升力的变小。如在在先申请中所提出的那样，已经确定切掉50％的叶形片会导致涡轮机性能下降超过10％。另外，引入杯状部会导致叶片中的结构上的弱点，这降低了叶片刚性。还已经发现由杯状部或者剪切部的存在所引起的改变了的气流会导致噪音的增大。

本发明试图提供一种以比PCT/AU2007/001865中所公开的涡轮机更为有效地运转的风力涡轮机。它还试图解决间隔涡轮机的问题，并且提供一种可将多个涡轮机以紧凑的方式设置的布置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种风力涡轮机，其具有中心轴线；至少一个第一端板和第二端板，每个第一端板和每个第二端板横向于该轴线安装并且被设置成围绕该轴线旋转，第一端板与第二端板轴向间隔开；多个涡轮机叶片，其在第一端板与第二端板之间延伸并且被设置成围绕该轴线旋转；和至少两个大体上完全相对的风障，每个风障大体上平行于轴线地在第一端板的轴向位置与第二端板的轴向位置之间延伸，每个风障具有轴向延伸的内缘，其与涡轮机叶片的外扫掠面径向间隔开。虽然可以预料到，风障与外扫掠面之间的间隔在外扫掠面的半径的2％至20％之间是可以获得有益效果的，但该间隔为外扫掠面的半径的约7％是优选的。

人们相信，端板与风障结合以在旋转中的叶片周围产生相对高压的空气区域。这又会在穿过涡轮机的低速高压的空气区域与高速低压的空气区域之间提供相对大的压差。结果，空气被有效地“吸入”穿过该涡轮机。

人们同样相信，在垂直于旋转方向的平面中形成物理障碍的端板用来捕获相对于该涡轮机的倾斜方向定向的风。这意味着风力涡轮机能够被固定在其主轴线处于水平方向中的适当位置中，并且仍然在从几乎所有的方向上捕获风能方面是有效的。