[发明专利]风力涡轮机

说明书

本申请是2008年3月24日提交的美国专利申请序列号12/054,050的部分继续申请，该美国专利申请要求2007年3月23日提交的美国临时专利申请序列号60/919,588的优先权。本申请还是2009年4月16日提交的美国专利申请序列号12/425,358的部分继续申请，该美国专利申请是2008年3月24日提交的美国专利申请序列号12/053,695的部分继续申请，其要求2007年3月23日提交的美国临时专利申请序列号60/919,588的优先权。美国专利申请序列号12/425,358也要求2008年4月16日提交的美国临时专利申请序列号61/124,397的优先权。本申请还是2009年12月2日提交的美国专利申请序列号12/629,714的部分继续申请，该美国专利申请要求2008年12月2日提交的美国临时专利申请序列号61/119,078的优先权。这些申请的公开内容全部并入本文以供参考。

技术领域

本公开内容涉及风力涡轮机，例如轴流风力涡轮机。具体而言，风力涡轮机包括转子或叶轮，其围绕具有开放中心通路（即，中心孔口）的中心主体。中心通路允许空气流过中心主体并绕过转子或叶轮。之后，该空气与其他空气流混合从而提高风力涡轮机/发电机的效率。

背景技术

在此方面，风力涡轮机通常包含螺旋桨式装置，其被称为“转子”或“叶轮”，其面向运动空气流。当空气撞击叶轮时，空气以导致叶轮绕其中心旋转的方式在叶轮上产生力。叶轮通过联接件连接到发电机或机械装置，该联接件例如齿轮、带、链或其他器件。这样的涡轮机被用于产生电力并且给电池供电。它们还被用于驱动旋转泵和/或运动机械部件。通常会在大型发电“风场”中发现风力涡轮机，该风场包含处于一定几何形态的多个这样的涡轮机，该几何形态被设计成允许在每个这样的涡轮机对彼此和/或周围环境产生最小影响的情况下汲取最大动力。

当与其直径相比被置于具有非常大宽度的流动中时，叶轮将流体动力转换为旋转动力的能力由来流动力的59.3%这个被文献充分证明的理论值所限制，该值被称为“贝兹”极限，在1926年由A.贝兹所论证。这种生产率限制特别适用于被标为现有技术的图1A中呈现的传统多叶片轴向风力/水力涡轮机。

现有风力涡轮机具有许多棘手的限制。这些限制包括低风速时的较差性能，因为当许多“优异风力”场地已经被占据并且工业上必须开始关注于“小风力”场地的技术时这是相关的。而且，因为针对损坏螺旋桨的不良包罩以及对于旋转部件的遮罩原因，存在安全性问题。此外，涡轮机所导致的恼人脉动噪音能够从来源传递很远，从而干扰位于较远距离的其他人。此外，会发生严重的飞鸟撞击和死亡事件，从而牵涉到野生生物问题。此外，由于强风和阵风所导致的昂贵的内部传动装置和昂贵的涡轮叶片更换问题，会存在高额的初次成本和续生成本。此外，现有涡轮机针对城市和郊区环境具有不良和/或不可接受的审美。最后，通过叶轮叶片的空气与不通过叶轮叶片的较高能量空气的不良混合会导致效率低下。

已经试图增加风力涡轮机性能潜能以超出“贝兹”极限。已经使用围绕叶轮的护罩或管道。例如参见Hiel等人的美国专利No.7,218,011（见图1B）；de Geus的美国专利No.4,204,799（见图1C）；Oman等人的美国专利No.4,075,500（见图1D）；以及Tocher的美国专利No.6,887,031。恰当设计的护罩会导致来流在其被集中到管道的中心时而加速。大体而言，对于恰当设计的叶轮，这种增加的流速会导致在叶轮上存在更大的力并且随之导致更高水平的动力汲取。不过通常，由于较强风力所涉及的剪切力和张力的原因，叶轮叶片会断裂。

据传已经记录下两倍贝兹极限的值但其不能持续。参见Igar,O.的Shrouds for Aerogenerators，其发表于1976年10月的AIAA Journal上第1481-83页；Igar和Ozer的Research and Development for Shrouded Wind Turbines，其发表于Energy Cons. & Management 1981年第21卷第13-48页；以及参见由本申请人撰写的名称为“Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited”的AIAA技术笔记（“申请人”的AIAA技术笔记），且其被许可公开。在申请人的信息公开声明中可以看到副本。不过，实际中没有支持这样的主张，并且现有测试结果没有确认在实际风力涡轮机应用中可实现这样的增益。