[发明专利]具有压力分布的风力涡轮机及其制造方法

说明书

本申请是于2008年3月24日提交的美国专利申请No.12/054050的部分继续，该美国专利申请要求于2007年3月23日提交的美国临时专利申请No.60/919588的优先权。本申请还要求于2009年6月3日提交的美国临时专利申请No.61/183597的优先权。申请人据此通过引用完全结合这些申请的全部公开内容。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，特别地涉及在风力涡轮机的下游产生独特的压力分布的外罩式风力涡轮机。

背景技术

传统的水平轴线风力涡轮机(HAWT)具有3个叶片，并且通过计算机控制的马达定向或指向风。这些涡轮机通常需要高度在60至90米范围内的支承塔。叶片一般以大约10至22rpm的转速转动。齿轮箱通常用于逐步提高速度以驱动发电机，当然一些设计也可以直接驱动环形发电机。一些涡轮机以恒定速度操作。但是，通过使用变速涡轮机和固态功率转换器来将涡轮机与发电机交接能够收集更多能量。虽然HAWT已经获得广泛应用，但其效率不是最佳的。特别地，HAWT在获取经过其的风的势能方面的效率将不超过贝茨(Betz)极限的59.3％。

HAWT在结构和操作方面均存在若干问题。高的塔和长的叶片难于运输。需要大型塔结构来支承重的叶片、齿轮箱和发电机。需要非常高且昂贵的起重机以及熟练的操作者进行安装。在操作过程中，HAWT需要另外的偏航控制机构以将叶片朝向风转动。HAWT的翼面上通常具有高的冲角，使其不适合于在风流中进行可变变化。HAWT难于在近地面紊流风下操作。此外，在舱和叶片上的冰堆积能够导致功率减小和安全问题。高的HAWT会影响机场雷达。它们的高度也会使它们在大面积突出可见，破坏景观的外观，这是令人讨厌的。最后，会由紊流引起的疲劳和结构失效引起顺风变异。

HAWT的涡轮机叶片通常具有翼型形状，该翼型形状随着叶片经过空气而在叶片后面形成较低压力。所述较低压力形成跟随叶片的抽吸效果并且在HAWT后面形成大的尾流。该尾流能够使风力涡轮机在其形成尾流的下游捕获的功率的量降低达30％。为了降低功率损耗的量，下游涡轮机常常从上游涡轮机侧向偏置，并且也在上游涡轮机的下游布置在大约10倍转子直径处。该偏移需要大量土地用于风力发电厂，在风力发电厂，若干个风力涡轮机布置在一个位置。希望的是，提供一种能够减小从另一下游风力涡轮机供给给定功率输出所需的偏移量的风力涡轮机。

发明内容

这里公开的是在风力涡轮机的下游具有独特的压力分布的外罩式风力涡轮机。该压力分布通过风力涡轮机的独特的结构产生。特别地，风力涡轮机使用被称为混合凸起的箍形或环形机翼和空气动力表面的联接结构来从风产生更多的功率。

公开了用于产生功率的混合器/喷射器风力涡轮机系统(这里被引用为“MEWT”)，其结合流体动力喷射器构思、先进的流动混合和控制装置、以及可调节功率涡轮机。

在一些实施方式或变型中，MEWT是轴流涡轮机，其包括(以向下游的顺序)：具有入口的空气动力型涡轮机外壳；在外壳中的定子环；具有与定子“成直线”的一圈叶轮叶片的叶轮；与涡轮机外壳相联且具有向下游延伸超出叶轮叶片的一圈混合凸起的混合器；以及包括所述一圈混合凸起和向下游延伸超出混合凸起的混合外壳的喷射器。涡轮机外壳、混合器和喷射器被设计和设置成抽吸最大的风量通过涡轮机并且使得对环境(例如噪声)和其它功率涡轮机的尾流(例如，结构或生产率损失)的影响最小。不同于现有的风力涡轮机，优选的MEWT包含外壳，该外壳具有诸如叶状或槽形混合器和/或一个或多个喷射器泵的先进的流动混合和控制装置。提出的混合器/喷射器泵与迄今为止使用的有很大不同，因为在公开的风力涡轮机中，高能空气流入喷射器入口，并且向外环绕泵且与离开涡轮机外壳的低能空气混合。

在第一实施方式或变型中，MEWT包括：轴流涡轮机和分离的下游喷射器外壳，其中，轴流涡轮机通过空气动力型涡轮机外壳环绕，该涡轮机外壳在其终点区域(即，涡轮机外壳的端部)包括混合装置，分离的下游喷射器外壳与涡轮机外壳的后边缘或下游边缘重叠，该涡轮机外壳在其终点区域中可以包括先进的混合装置。

在一种替代实施方式中，MEWT包括：由空气动力型涡轮机外壳环绕的轴流涡轮机，涡轮机外壳在其终点区域中包括混合装置。