CN111194381B - 组合全方向流动涡轮机*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种组合全方向流动涡轮机***，包括转子，该转子布置在竖直位置，并封闭在固定结构中，该固定结构接收来自任何外部方向的气流，该气流由翼型件来操纵，以便使转子旋转。转子能够与转换元件连接，该转换元件将由转子的旋转产生的机械能转换成电能。固定结构是空心体，它由支承结构和盖形成，且它的内部空间用于存储电子部件，该电子部件能够直接由产生的能量来供给。利用固定结构的气动形状，空气颗粒过滤器能够安装在它的外表面上，该固定结构的气动形状促进气流沿它的表面附着，从而能够沿颗粒的优选通路来捕获它们。

Description

组合全方向流动涡轮机***

技术领域

本发明涉及能量生产，特别是涉及一种设想为提高与风能生产以及与其它流体(例如洋流和波浪)相关联的效率水平的装置。

背景技术

全方向翼型扩压器将流体引向中心竖直轴线涡轮机。流体将通过称为Coanda效应的效应而附着在扩压器的表面上。该原理首先由罗马尼亚人Henri Coanda来介绍，他首先认识到该现象在飞机发展中的实际应用。翻转翼板(inverted wing)扩压器的结构具有与在低速下飞行的飞机或F1的后翼类似的性能。在所有这些情况下，翼板有较大攻角，因此在气动型面的表面中可以采用例如涡流发生器、板条和开槽边缘等方案，以便防止称为失速的脱离。在这种情况下，翼板并不为线性，而是型面径向展开，因此不管风的方向如何都有相同的性能。

风速对于风力涡轮机能够转变成电的能量大小极其重要。风的能量能随着平均风速的立方而变化。当风速高至两倍时，它包含8倍的能量。

扩压器的设计将由于它的翻转翼板几何形状而促进风加速。这除了更快地开始产生能量之外，还能够使得中心涡轮机达到更高旋转和产生更多能量。

考虑到在EP2264309中已经公开的普通涡轮机的当前缺点，下面公开的本发明有一种能量产生装置，该能量产生装置：

1.有较低环境和视觉冲击；

2.具有较高能量生产；

3.具有在低风速、湍流风和可变方向风的情况下工作的能力；城市环境的典型特点；

4.它没有这样的缺点，即具有可见的运动部件以及固有的阴影和闪光效果；

5.产生较低噪音，从而能够定位在人们和住宅附近。

发明内容

本发明介绍了一种组合全方向流动涡轮机***，它包括以下元件：

-一个或多个转子，该转子布置在竖直位置，各转子包括叶片；

-固定结构，该固定结构包括单个气动元件，该气动元件具有翻转径向翼板的形状，该翻转径向翼板侧向包围在其中的一个或多个转子，并包括：内侧壁，该内侧壁连续地弯曲；以及凸出部，该凸出部沿朝向一个或多个转子的方向从底部进口流至顶部排出流向内延伸；

-能量转换元件，该能量转换元件与一个或多个转子连接，以便将机械能转变成电能；

所述组合全方向流动涡轮机的特征在于，固定结构是空心体，它包括：

支承结构和盖，所述盖通过紧固机构而安装在支承结上，其中，固定结构的内部空间用于存储至少一个电子部件；以及

电子供给适配电路，该电子供给适配电路与能量转换元件连接，设置成驱动所述至少一个电子部件。

关于可以用于翻转径向翼板1；9的气动形状的气动型面，该型面可以在以下区间内变化：

厚度：1-20％，优选是2-15％，更优选是5-8％；

拱度：5％-25％，优选是8-15％，更优选是10-12％；

最大拱度点：1-8；优选是2-7，更优选是3-4。

气动形状可以根据国家航空咨询委员会(NACA)的标准来介绍。

在本发明实施例中，固定结构的各侧壁包括一个或多个翼型部件。

在本发明的还一实施例中，涡轮利用来自HVAC***的次级流。

在本发明的一个实施例中，能量转换元件布置在涡轮机的中心区域中。

在本发明的另一实施例中，能量转换元件是发电机。

在本发明的还一实施例中，固定结构的顶盖的外表面覆盖有光电池。

在本发明实施例中，在支承结构和固定结构的盖之间的紧固机构是螺钉类型。

在本发明的另一实施例中，固定结构还包括安装柱，该安装柱与支承结构连接。

在本发明的还一实施例中，固定结构包括金属材料、复合材料、混凝土或纺织材料。

在本发明实施例中，固定结构表面是射频波透过的材料。

在本发明实施例中，组合全方向流动涡轮机***还包括Peltier装置。

在本发明的实施例中，组合全方向流动涡轮机***包括发光***。

在本申请中，还介绍了一种照明器，该照明器包括如上所述的涡轮机。

本发明介绍了一种有效的涡轮机，它能够最大化通过转子在流体中取得的能量。开发的组合全方向流动涡轮机***使用的转子2与具有水平轴的常规涡轮机相似，但是布置在竖直位置，***具有翻转翼板形状的静态扩压器中。这种固定结构1受到两个组合流动的影响，从而增强了由转子2产生的能量。

转子2附接在用于转换机械能的元件上，该元件集成在具有翻转翼板气动形状的结构1中。固定结构的这种特殊形状提供了沿它的表面的气流附着。因此，过滤器能够应用于结构的表面中，以便捕获空气颗粒，从而从气流中捕获颗粒和污染物。***并没有沿风方向的定向机构，因为它完全是全方向，并只有一个运动部件，即具有叶片3的转子2。涡轮机还可以包括在结构1的上部部分中的气动导流板，该气动导流板有边缘6。

该技术可应用于能量生产行业，即微型能量生产和大型能量***。

这里所述的本发明包括具有扩压器的固定结构，该扩压器有翻转翼板的形状，它引导来自任何方向(全方向)的流体(即风)，并朝向位于扩压器中心的竖直轴线转子引导/加速流体。因此，转子不必像水平轴线的涡轮机那样使它自身与流体方向对齐。

该装置利用两个组合流动来操作。下部流动和上部流动。在下部流动中，流体沿上升方向朝向中心涡轮引导，而不管它的方向如何。由于气动型面，流动在1.4x和1.8x之间的区间中加速，从而构成下部流动速度。这时，该流动经过转子，该转子带走它的一部分动能。上部流动经过装置的上部区域，并使得它自身与下部流动组合，从而在涡轮机中引起吸入效应(由于该低压区域)。

由于上部和下部流动的这种组合，影响涡轮机的面积大于转子的面积。对于在本领域中已知的任意其它涡轮机模式，这种情况不会发生。

由于两种流动组合的这种影响，机械能比率可以达到高于0.593的值，这使得该转子不会有在由BETZ表示的流动中的可抽取功率上限中确定的相同情况。

为了提高下部流动和防止它与表面分离，可以将该结构分成气动型面的多元件9，即分成2、3或4个元件(见图2、3、6)。而且，在内表面中发展湍流可以有防止流动分离的正面效果，因此可以使用在表面上的涡流发生器和/或有纹理的区域，例如类似于在高尔夫球中的凸纹。

由于它的几何形状，这里提出的装置促进了流动的加速，优选是在中心涡轮的叶片的尖端区域中，该叶片尖端区域因此有更高扭矩。这使得更小的涡轮机能够有比普通涡轮机更高的性能，从而提高了效率。

除此之外，由于固定结构的形状，至少一个过滤器能够安装在它的外侧壁上。实际上，由于它的翻转翼板气动形状(这提供了沿结构表面的气流附着)，因此该元件的使用将有助于从气流中捕获空气颗粒和污染物。过滤器能够通过机械连接件而安装在结构的外表面中，且它能够基于静电、HEPA、活性炭技术或本领域技术人员清楚的任何其它技术。过滤器能够拆卸、清洁或更换，用于连续的最佳操作。

因为涡轮机有更小直径，因此叶片的尺寸将更小，这降低了制造成本，且不仅能够使用高性能材料，例如复合材料和镁合金，还能够使用高生产率和低成本的材料，例如注射聚合物。

因为涡轮机处于水平中心位置，且它不需要与风的方向对齐，因此该装置能够利用来自HVAC(加热、通风和空调)***的次级流，例如强制空气吸入、通风、空调等。

因此，能够进行热电联产操作，从而回收用于驱动这些装置的一些能量。

因为没有沿风方向的定向机构，因此机械部件最简单，且最容易维护。发电机可以布置在涡轮机的中心或者在地面高度处，用于更容易维护。在后一种情况下，转子应当通过轴而与地上的发电机连接。

考虑到叶片尖端没有任何障碍物，例如塔(tower)，且全部转子都由扩压器保护，因此由装置发出的噪音低得多，这有降低发出噪音的优点，从而也能够在更快旋转的情况下操作该转子。更高转速的发电机需要更少的永磁体，这使得发电机更便宜。

整个结构可根据可用区域和需求来缩放，且结构能够分为多个部分，以便简化运输和装配。

该结构的外表面能够由光电池6a、9a来覆盖，从而有效使用固定表面，且能量生产最大化。

本发明还能够通过漂浮装置而安装在海上，以便开发海上风，还能够布置在水下，并开发洋流和波浪。

支承柱可以容纳附加的扩压器，以便在某些情况之前平衡***。因此，***可以在某些条件下进行气动类型的校正。

固定结构的外表面可以进行绘图装饰。因此，该装置可以用于传达信息和用于广告目的。

固定结构是空心体，由通过紧固机构连接的两个部件来形成：支承结构和盖部件。由于它的几何形状，它能够设计成使用它的内部空间来作为存储介质，用于(但并不局限于)电子部件，例如电池或通讯装置。这些部件将通过电子供给适配电路而直接由涡轮机产生的能量来供给，该电子供给适配电路也安装在扩压器内部，与能量转换元件连接。

通过这种方法，在电力传输方面提高了涡轮机的效率，因为减少了分配损失和由于传输而引起的电力损失。

典型小型设备的示例：

涡轮机：1.70m直径

额定功率(风)：在11.0m/s下1.08kW(60％效率)

最大功率(风)：在15.0m/s下2.00kW

年风能生产(估计)：2190kW/年+

光太阳能电池年生产：2890kW/年(风+太阳能)

减少普通住宅70％的能量账单或者高效现代住宅的100％的能量账单。

附图说明

为了更容易地理解本发明，我们在此加了附图，该附图表示本发明的优选实施例，但并不是为了限制本发明的目的。

图1是本发明装置的示意等距视图-结构选择为具有单个气动元件，该气动元件有翻转翼板形状。在该图中表示了以下元件：

1-固定结构；

2-中心转子；

3-转子叶片；

6-边缘。

图2是本发明装置的示意等距视图-结构选择为具有两个气动元件，该气动元件有翻转翼板形状。在该图中包括以下元件：

1-固定结构；

2-中心转子；

3-转子叶片；

6-边缘；

9-气动多元件。

图3是具有两个多元件的装置的示意侧视图。在该图中表示了以下元件：

1-固定结构；

2-中心转子；

4-用于转换机械能的元件，即发电机；

5-下部流；

6-边缘；

7-安装柱；

9-气动多元件；

12-支承结构。

图3a是变化实施例的视图，该变化实施例与图3的区别只是光电池6a、9a覆盖结构6、9的外表面。

图4是流过装置的流的示意侧视图。在该图中包括以下元件：

1-固定结构；

5-下部流；

6-边缘；

10-涡流；

11-上部流。

图5是3米装置的优选实施例的示意侧视图，其中：

·第一翼板的角度能够在54°±15°之间变化，尺寸在0.7m±0.5m之间变化；

·第二翼板的角度可以在21°±5°之间变化，尺寸在0.7m±0.5m之间变化；

·转子的尺寸在0.55m±0.2m之间变化；

·导流板的尺寸在0.15m+(0.3m；-0.15m)之间；。

图6是翻转翼板的气动多元件的可能布置的示意侧视图，该气动多元件即1、2、3元件，另一方面，它们的角度变化。

图7表示了固定结构的内部空间，包括以下元件：

12-支承结构；

13-盖；

14-光电池；

15-电池；

16-LED；

17-紧固机构。

图8表示了该结构的侧剖图，显示了应用过滤器的位置，包括以下元件：

18-过滤器。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明技术的可能实施例。

本发明的装置包括固定的翻转翼板结构1，该翻转翼板结构1有暴露于流中的较大面积。该固定结构1还能够分成至少两个或更多个气动元件，即多元件9，以便提高它的性能。气动元件还能够有狭槽和板条，以便保证提高流动附着和防止在翼板中失速。

本发明装置利用两个组合流动来操作，如图4中所示，即下部流动5和上部流动11。

在上部流动11中，不管风在该结构中的入射角度如何，流体都附着在气动型面1；9的表面上，并向上引导至中心转子2的叶片3的尖端。空气在它接近中心转子2时通过翻转翼板的形状而加速。

转子2布置在扩压器的中心，该扩压器由支承结构12支承，并通过安装柱7而固定在地面上。

组合流动由上部和下部流动的组合而引起。在结构的顶部有气动边缘导流板6，该导流板6产生涡流10，在另一方面，该涡流10产生在中心转子2上面的低压区域，这提高了排出流动11的速度。

在本发明的一个实施例中，本发明的装置能够使用气动元件来提高性能和最小化由于将流动导向中心涡轮2；3而引起的损失，从而能够使用在结构1；9的表面中的涡流发生器和/或有纹理表面，以便最大化流体附着，还能够使用在中心安装柱中的附加气动型面。

中心转子2能够使用可变节距的叶片3。通过这样使用，***自动优化用于确定风速和中心转子2旋转的生产功率。

显然，在根据本发明的装置中使用的中心转子2可以采取不同的气动型面，且叶片3的数目可以变化，以便获得用于特殊用途的更好结果，即2、3、4、5、6、7、8、9个叶片以及双重转子。

该结构1可以制成为具有不同形状的气动型面。因此，形状和相对于接近流动的迎角可变。同样，能够构想相同的发明，以使得空气进口能够可选地沿向下方向引导流动。结构1是中空体，并由支承结构12和盖13来形成，该盖13通过例如螺钉类型的紧固机构17而安装在支承结构12中。在支承结构12和盖13之间的分离允许使用固定结构1的内部空间来作为存储介质，用于(但不局限于)电子部件，例如电池15或通信装置。这些部件将通过电子供给适配电路而直接由涡轮机产生的能量来供给，该电子供给适配电路也安装在扩压器内部，与能量转换元件连接。在一个实施例中，能量转换元件是发电机。

结构1能够由金属(例如钢、铝)或玻璃纤维复合材料来制造成实心形式。由于电信装置能够存储在结构1的内部，因此在一个实施例中，它能够由射频波透过的材料来制造。

结构1也能够利用增强建筑材料例如混凝土来制造，该增强建筑材料能够用于较大规模或者在多种环境(例如水)中使用。该结构还能够用柔性材料来制造，例如帆状物或翼板，其中，其形状是由多个部分制成，并由耐久性膜来覆盖。该方法的优点是重量非常轻，且对于一些产品规模将在经济上更可行。

在本发明的一个实施例中，本发明的装置能够利用气动元件来提高性能以及最小化由于将流动引导向中心涡轮机2；3而导致的损失。由于它的翻转翼板气动形状，促进了沿结构外表面的流动附着，因此，过滤器18安装于其中，从而帮助捕获空气颗粒和污染物。过滤器18通过机械连接件安装在结构的外表面中。在一个实施例中，过滤器18安装在固定结构的下部部分中。在另一实施例中，过滤器18基于静电、高效粒子空气(HEPA)或活性炭技术。

在本发明实施例中，组合全方向流动涡轮机***包括发光***，例如LED16。

在本发明实施例中，全方向流动涡轮机***的固定结构由光电池14来覆盖-在盖13的顶表面中。

在一个特殊实施例中，全方向流动涡轮机***嵌入有发光***，该发光***形成在内部和/或外部照明器上。在这种情况下，发光***可以嵌入在翻转径向翼板上，并由涡轮机产生的能量和其它电源来供给，例如从光电池14来供给，该光电池14安装在固定结构1的盖13的顶表面上。

在本发明实施例中，组合全方向流动涡轮机***包括反向旋转的至少两个转子。在本申请中，认为反向旋转是转子沿相反方向运动。

在本发明实施例中，组合全方向流动涡轮机***包括Peltier装置(热电发电机)，用于发掘在它的部件之间的热差，以便产生附加电力。在一个实施例中，Peltier装置能够与光电池14和/或LED发光装置16的热表面以及与固定结构1的外表面的冷表面连接。

上述优选实施例显然可在它们自身之间组合。下面的权利要求另外确定了本发明的优选实施例。

Claims (15)

1.一种组合全方向流动的涡轮机，所述涡轮机包括：

-一个或多个转子(2)，所述转子布置在竖直位置中，所述一个或多个转子中的各转子包括叶片(3)；

-固定结构(1)，所述固定结构包括单个的气动元件(9)，所述气动元件具有翻转径向翼板的形状，所述翻转径向翼板沿侧向包围在其中的所述一个或多个转子(2)，并且所述固定结构包括外表面和内侧壁表面，所述外表面和内侧壁表面连续地弯曲，向内凸出，并沿朝向所述一个或多个转子(2)的方向从底部进入流至顶部排出流延伸；

-能量转换元件(4)，所述能量转换元件与所述一个或多个转子(2)连接，以便将机械能转变成电能；

所述组合全方向流动的涡轮机的特征在于，固定结构(1)是中空体，所述固定结构包括：

支承结构(12)和盖(13)，所述盖(13)覆盖有光电池并通过紧固机构而安装在支承结构(12)上，所述支承结构(12)与竖直的安装柱(7)连接，其中，固定结构(1)的内部空间用于存储至少一个电子部件和电子供给适配电路，所述电子供给适配电路与能量转换元件(4)连接，设置成驱动所述至少一个电子部件；并且

其中，所述固定结构(1)受到组合的下部流动和上部流动的影响，所述上部流动被向上引导至转子(2)的叶片(3)的尖端，上部流动经过固定结构(1)的上部区域，并使得它自身与下部流动组合，从而引起吸入效应，以便增强由转子(2)产生的能量，所述固定结构包括至少一个过滤器，所述过滤器安装在固定结构的外侧壁表面中，用于捕获沿着翻转径向翼板的表面的空气流中的空气颗粒。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：固定结构(1)的各侧壁包括一个或多个翼型部件。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：所述一个或多个转子(2)的叶片(3)包括复合材料或镁合金。

4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：涡轮利用来自HVAC***的次级流。

5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：能量转换元件(4)布置在涡轮机的中心区域中。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮机，其中：过滤器是静电类型、高效颗粒空气类型或活性炭技术类型的。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮机，其中：过滤器通过机械连接件而安装在固定结构(1)的外表面上。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮机，其中：过滤器安装在固定结构(1)的下部部分中。

9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：能量转换元件(4)是发电机。

10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：在固定结构(1)的支承结构(12)和盖(13)之间的紧固机构是螺钉类型的。

11.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：固定结构(1)包括金属材料、混凝土材料或纺织材料。

12.根据权利要求1所述的涡轮机，其中：固定结构(1)的表面是射频波透过的材料。

13.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括：Peltier装置。

14.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括：发光***，所述发光***安装在固定结构(1)的下部部分中。

15.一种照明器，包括如权利要求1中所述的涡轮机。

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