具有弗莱特纳转子的垂直轴线风力涡轮机

摘要

一种具有大致垂直于风向的旋转轴线的VAWT类型的风力涡轮机(垂直轴线风力涡轮机)，其具有弗莱特纳转子(7)，该弗莱特纳转子具有大体平行于涡轮机的旋转轴线的轴线，所述弗莱特纳转子(7)被布置在涡轮机的旋转体内，涡轮机具有位于弗莱特纳转子(7)之间的内柱体(6)，所述内柱体(6)沿与所述旋转体和弗莱特纳转子(7)的旋转方向相反的方向旋转。柱体(6)位于离开转子(7)一定距离处，使得柱体的旋转运动导致由马格纳斯效应引起的在转子(7)侧面上的压力差的增加。

说明书

技术领域

本发明的对象是一种具有大致垂直于风向的旋转轴线的垂直轴线风力涡 轮机(VAWT)，其具有弗莱特纳转子，该弗莱特纳转子具有大致平行于涡轮 机的旋转轴线的旋转轴线，旨在用于产生电力。

背景技术

术语“弗莱特纳转子”这里理解为运用马格纳斯效应的旋转柱体。当旋转 柱体位于气流中时，马格纳斯效应引起作用于旋转柱体上的举力的形成，所述 举力垂直于所述气流方向起作用。

从公开DE102005001235A1中已知一种具有大致平行于风向的旋转轴线 的水平轴线风力涡轮机(HAWT)，其具有弗莱特纳转子，即弗莱特纳风车。 由转子所产生的定向为与风向和旋转轴线垂直的、由在转子侧面上的压力差 (马格纳斯效应)所导致的力是已知的且被使用于本领域，其主要用于驱动船 只。

从公开WO2007/076825中还已知一种具有弗莱特纳转子的VAWT，该弗 莱特纳转子在涡轮机的下风侧与在上风侧的旋转方向不同。

还已知其他相似的解决方案，其中弗莱特纳转子不在下风侧旋转或其由特 定的盖构件覆盖，该弗莱特纳转子在特定台车上移动(公开 DE000004033078A1)或其中特定机构将转子转动180°(根据公开 DE102010026706A1)。

根据公开DE102010008061A1(US2011/0198857A1)的另一已知解决方案 包含转子，该转子沿相对于水平线倾斜的平面移动且回到附接于有齿带的轴承 上的下风侧上。转子的旋转运动由不移动的有齿带提供，安装在转子轴杆上的 齿轮在有齿带上滚动。

还已知一种具有轴线大致平行于涡轮机旋转轴线的弗莱特纳转子的风力 涡轮机，该弗莱特纳转子被布置在涡轮机的旋转体内，该涡轮机具有布置在弗 莱特纳转子之间的内柱体，其中所述内柱体沿与所述旋转体的旋转方向相反的 方向旋转。然而，内柱体在这些涡轮机中作为支撑，并且内柱体和弗莱特纳转 子之间的距离相对较大，因此内柱体的旋转不会影响转子侧面上的压力差。从 公开JP2008175070、WO2007076825、BE898634中已知这种类型的涡轮机。

可取的是进一步改进使用弗莱特纳转子的风力涡轮机的结构。

本发明的公开

根据本发明的风力涡轮机包含旋转体，所述弗莱特纳转子位于旋转体的圆 周上；位于中间的中心柱体，其非常靠近转子、大致沿相反方向旋转；以及具 有垂直轴线的基座(塔)，该基座为旋转体和中心柱体提供轴承支撑。在运行 期间，中心柱体沿与旋转体的旋转方向相反的方向旋转。基座包含控制弗莱特 纳转子和中心柱体驱动齿轮的固定轮和所述齿轮、以及具有齿轮的发电机和电 力系统的部件和其他控制装置。术语“固定轮”这里被理解为在涡轮机运行期 间不旋转且仅在启动期间被驱动(旋转)的齿轮。风向不影响涡轮机的运行。

根据本发明，VAWT类型的风力涡轮机(垂直轴线风力涡轮机)具有大体 垂直于风向的旋转轴线，其具有弗莱特纳转子，该弗莱特纳转子具有大体平行 于涡轮机的旋转轴线的轴线，所述弗莱特纳转子被布置在涡轮机的旋转体内， 该涡轮机具有位于弗莱特纳转子之间的内柱体，所述内柱体沿与所述旋转体和 弗莱特纳转子的旋转方向相反的方向旋转，其特征在于，柱体位于离开转子一 定距离处，使得柱体的旋转运动导致由马格纳斯效应引起的转子侧面上的压力 差的增加。

优选地，在转子从与风向相切的线(t)到与风向垂直的线(p)的运动期 间，转子的表面和内柱体的表面之间的、在垂直地连接它们的旋转轴线的线(z) 上的距离(A)提供了转子的表面和内柱体的表面之间的、在线(z)上的非 层状气流，其中线(t)和(p)与旋转体的旋转轴线相交。

优选地，距离(A)优选地等于转子直径的0.005倍到转子直径的0.05倍。

优选地，内柱体具有被轻活板覆盖的开口，其可以在通过柱体的表面移动 穿过高压力区域时朝向柱体的内侧打开。

优选地，内柱体以被选定为使得其圆周速度大致等于弗莱特纳转子的圆周 速度的速度旋转。

优选地，在基座中，设置了具有与旋转体相同的旋转轴线的大体不移动的 固定轮，其控制弗莱特纳转子的驱动的齿轮和内柱体的驱动的齿轮。

优选地，每个弗莱特纳转子都经由传动通过固定轮、利用其相对于旋转体 的明显运动而被驱动。

优选地，内柱体经由传动通过固定轮、利用其相对于旋转体的明显运动而 被驱动。

优选地，涡轮机通过引起内柱体的旋转而启动。

优选地，涡轮机通过引起固定轮的旋转而启动。

根据本发明的解决方案应容许风能的有效利用，以及对鸟类的更小的威胁 和比用于所述目的的传统装置更小的噪声。根据本发明密集地布置的一系列装 置能形成防止来自恒定(以一定角度)方向的风的有效的屏障。

附图简要说明

在示例实施方式中本发明的物体被示出在附图上，其中：

图1示出了涡轮机部件的示意布置，

图2示出了用于旋转存在于本实施方式中的构件的驱动布局，

图3示出了驱动部件相对于旋转体和基座的示例位置，

图4示出了旋转体的示意顶视图，

图5示出了其中一个转子和中心柱体之间的示例空气流动。

用于实施本发明的方式

在图1中，安装在基座(塔)1上的涡轮机的旋转体由大体地两个圆盘组 成：下圆盘2和上圆盘3(上圆盘3被示为半透明以提高附图的易读性)。圆 盘2、3通过管形式的轴4连接，所述轴4在底部被支撑于轴承中且在顶部被 支撑于轴杆5上，所述轴杆5不可移动的附接于基座。轴杆5在其上端基本上 不需要支撑，其他解决方案也可行。

旋转体内部具有中心柱体6和例如六个弗莱特纳转子7，该弗莱特纳转子 7的轴杆被支撑在圆盘2、3中的轴承中。转子7相互间以适当的距离被均匀 地设置在旋转体的外周上，通过转子7的表面提供了移动空气层的不被干扰的 产生。

涡轮机的旋转体的轴线被垂直地设置，并且因此垂直于风向。在运行(启 动后)期间，旋转体以相对较低的速度旋转。弗莱特纳转子7沿相同的方向、 但以更高的速度旋转，使得在转子7的表面上的线速度比最大预期有效风速大 至少四倍。该速度是用于达到转子7的全效率所需的。风(来自任何方向)同 时作用于至少两个转子7上并且在旋转体的外周方向上产生力。术语“外周方 向”在这里表示大致平行于与旋转体的外周相切的方向的方向。在旋转体的下 风侧，空气不沿径向移动。

位于转子7之间的中心柱体6沿与整个旋转体和弗莱特纳转子7相反的方 向旋转。柱体6具有与旋转体相同的旋转轴线并且可以被支撑在轴4外侧的轴 承(其是旋转体的一部分)中。中心柱体6具有比转子7更大的直径，并且柱 体6和每个转子7之间的距离显著地小于转子7之间的距离，使得中心柱体6 和转子7之间的移动空气层均匀。转子7可以在两端具有凸缘(防止空气层从 端部滑脱)，其可以覆盖中心轴6的顶侧和底侧。柱体6的旋转速度应被选择 为不增加空气层的摩擦。中心柱体6的运动导致由马格纳斯效应引起的在转子 7的侧面上的压力差的额外增加。而且，中心轴可以具有朝内部打开的活板或 使得一部分流动空气进入的孔。柱体6的末端应随后容许空气流出(具有辐条 的结构)。

如图2所示，存在一种驱动布局，弗莱特纳转子7由固定齿轮8驱动，固 定齿轮8在运行期间被不可移动地阻挡住、与在弗莱特纳转子轴杆上的小齿轮 9协作。

如图2所示，中心轴6的动力供给通过齿轮10产生自至少一个弗莱特纳 转子7。如图2所示，涡轮机的启动在小电驱动器11的帮助下发生，小电驱 动器11通过减速齿轮12而与固定轮8连接、沿与旋转体的旋转相反的方向旋 转所述轮8，这通过不移动的旋转体而引起转子7的旋转。在实施方式的变形 中，电驱动器11还能通过自由轮机构仅旋转中心柱体6，这应在每个转子7 的侧面之间导致足以启动空转的风力涡轮机的压力差。在启动后，在运行期间， 固定轮8停止被驱动并且不旋转。

图3示出了驱动部件相对于基座1和下圆盘2的示例布置。驱动器11和 减速齿轮12位于不移动的基座1中。固定轮8位于轴17上，减速齿轮12的 齿轮16被安装在同一轴17上。轴17的一侧在基座1中被支撑在轴承中，而 第二侧在下圆盘2中被支撑在轴承中。如同中心柱体6的轴18一样，根据附 图，转子7的轴13被支撑在下圆盘2中的轴承中。

图4示出了单个构件的旋转方向的布局。所述装置还能在每个构件都沿与 布局中所示的方向相反的方向旋转时运行。

图5在顶视图中示出了内柱体6和其中一个转子7的示意图。如附图中所 示，作为旋转体旋转的结果，转子7随着风运动。气流流动到转子7的前表面 上并且围绕转子7沿所述表面扩散。例如，转子7顺时针旋转。若转子7沿相 反方向旋转，则下述现象出现在旋转体的另一侧上。在离转子7一定的距离处 设置内柱体6，内柱体6沿与转子7的旋转相反的方向旋转。转子7的表面和 内柱体6的表面之间、在垂直地连接它们的旋转轴线的线(z)上的距离(A) 确保了在转子7基本上随着风运动期间经过转子7的表面和内柱体6的、在线 (z)上的非层状气流。这里假定当转子7处于围绕旋转体的轴线大致从与风 向相切的线(t)到与风向垂直的线(p)环形移动的阶段时转子7随着风移动， 其中两条线都与旋转体的旋转轴线相交。在转子7的所述表面上空气的相对速 度比转子7的另一侧上的相对速度更高。在转子7和柱体6之间的空气流动是 更大湍流性质的并且由于来自转子7和内柱体6的叠加的湍流而受阻，因此此 处形成压力高于转子7的另一侧的区域，其中空气流动是更小湍流性质的或是 层状性质的。其结果是马格纳斯效应的增强，并且结果是更大举力的形成。在 垂直于风向的线之后，目前为止，通过下一个转子7覆盖转子7，而导致将转 子7操作为不再直接地受到风的作用。然而，在与风向相切的线(t)的另一 侧，在转子7和内柱体6之间形成了更均匀的空气层。

例如，用于产生电能的发电机可位于涡轮机的基座1内。基座1可以使用 嵌在其外周上的有齿圈而与下圆盘2连接，这在通用传动装置的帮助下将容许 将旋转体的旋转传递给发电机的轴。弗莱特纳转子7和中心柱体6可优选地由 被层压板覆盖的聚苯乙烯泡沫塑料制成。

旋转构件的示例速度可以如下：

-转子的旋转速度使得转子的圆周速度为涡轮机放置区域中的最大风速 的至少4倍。

-柱体的旋转速度使得柱体的圆周速度大致等于转子的圆周速度。

-旋转体的最大旋转速度使得由转子的运动产生的视风(apparent wind) 不会超过风速的一半。

内柱体6可以具有例如2m的直径，然而转子7的直径为1m并且内柱体 6和转子7的高度为5m。

在根据本发明的涡轮机的其他实施方式中，典型的风车塔可以被用作支撑 结构，以水平地、但与风向垂直地设置旋转体。在风车塔轴杆的远端可以设置 支撑轴承，其安装在与可旋转塔顶连接的延伸部分。而且，两个旋转体可以被 安装在塔的旋转部分的相对侧。

根据风力涡轮机的典型实施方式，其还可以使用用于根据风向设置风力涡 轮机(被水平设置)的机构、具有齿轮的发电机(可能的传动变化)以及进一 步的电力系统构件。

根据本领域，可以用任何其他方式解决构件的驱动和涡轮机的启动的全部 问题。例如，可以先通过多重行星齿轮而产生从旋转体到中心柱体上的能量传 递，然后进一步通过皮带传动而传递到弗莱特纳转子上。

垂直设置的涡轮机不需要用于将其根据风向设置的机构。