风力驱动式发电设备 【技术领域】
本发明涉及电力工程，尤其涉及用于将风能转换成电能或任何其它能并且能够用于工业、农业及其它经济分支的风力驱动式发电设备。
背景技术
已知的一种风力驱动式发电设备包括：圆环形进风壳体、以同轴关系布置在该进风壳体内的涡轮，以及与该涡轮以运动方式相联来用于转换机械能的机构(参见于1980年8月19日公布的国际分类号为F03D 1/04的美国专利No.4218 175)。
该已知设备的缺点在于：气流对涡轮叶片产生的影响不均匀，这一事实引起可变g负载，从而导致用于转换机械能的机构所产生的电流的参数不稳定；以及该设备由于未充分利用气流能量而效率相对较低。
就技术实质和可获得的技术成果来说，最接近的是如下风力驱动式发电设备，该风力驱动式发电设备包括环形进风壳体、同轴地布置在该进风壳体内的涡轮、与该涡轮以运动方式相联来用于转换机械能的机构，以及成形为圆形的外部壳体(参见于2005年2月10日公开的国际分类号为F03D 1/04的专利RF No.2261362)。
由于安装了起喷射器作用的圆形外部壳体，这会增加涡轮上的气流速度并因此提高风力驱动式发电设备的效率，所以该已知设备的构造部分地消除了上述风力驱动式发电设备的不足。被选为最相关的现有技术解决方案的该已知设备的缺点可以是：其运行可靠性相对较低。众所周知，风力驱动式发电设备在特定的气流速度范围内运行良好。在气流(阵风)的速度增加到超过计算范围的情况下，进入进风壳体的气流能量以及由外部壳体产生的排放均会相应增加，这一事实将导致涡轮的转速增加到高于计算值。所述涡轮转速的增加将导致与其以运动方式相联来用于转换机械能的机构的速度增加。因此，构成该设备的所述元件将在增大的负载下运行，这将总体上降低该设备的运行可靠性。并且，应当注意的是，在气流速度增加到超过设计范围时出现的可变g负载(g-load)将导致由机械能转换机构产生的能量参数(例如，电流)不稳定。
【发明内容】
本发明旨在处理以下任务：形成风力驱动式发电设备，通过自动调节供给到涡轮的能量量以保护设备免受气流速度的急剧增加来确保其可靠运行并使所产生的能量参数保持稳定。实现本发明可获得的技术成果在于：在气流速度增加到高于计算值时，借助于减小通过该涡轮的排放程度来稳定涡轮的转速。
解决了所设定的任务是由于：在包括圆形进风壳体、同轴地布置在该进风壳体内的涡轮、以运动方式与该涡轮相联以用于转换机械能的机构以及相对于该进风壳体偏心地安装的圆形外部壳体的风力驱动式发电设备中，偏心度不小于在外部壳体的内表面的最小截面处限定该内表面的圆的直径的0.01且不大于该直径的0.24。
此外，解决了所设定的任务是由于：所述外部壳体安装成能够在与进风壳体的纵向对称轴线垂直地平面内相对于进风壳体进行受限的运动以及固定在中间位置上。
此外，解决了所设定的任务是由于：其实现为带有用于改变外部壳体相对于进风壳体的偏心度的机构。
此外，解决了所设定的任务是由于：进风壳体和/或外部壳体的外表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面形成。
此外，解决了所设定的任务是由于：进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆锥体的侧表面形成。
此外，解决了所设定的任务是由于：进风壳体和/或外部壳体的内表面的至少一部分由回转圆柱体的侧表面形成。
【附图说明】
现在将参照示出本发明特定实施例的附图来详细描述本发明，在附图中：图1示出了风力驱动式发电设备；图2为沿着图1中的箭头A的视图；图3为风力驱动式发电设备的备选结构实施例；图4为用于改变外部壳体相对于进风壳体的偏心度的机构。
【具体实施方式】
风力驱动式发电设备包括截面为流线型(例如翼的形式)的圆形进风壳体1。至少一个涡轮2以同轴关系设置在该进风壳体1内，即，涡轮2的纵向延伸的对称轴线布置在进风壳体1的纵向对称轴线3上。整流罩4可定位在涡轮2的上游并借助于悬臂(未示出)牢固地紧固在进风壳体1上。涡轮2与用于转换机械能的机构5以运动方式相联并且可安装在支承件(未示出)上，例如，该支承件为固定在地面上的柱体或固定到车辆上的底座的形式。涡轮2能与该支承件以枢转方式相连，以使设备沿任一方向顺风转动。例如，机械能转换机构5可构造和设计为发电机、液压泵或压缩机。例如，涡轮2与所述机构5的运动联接可执行为皮带驱动、螺旋桨轴或齿轮传动。机构5可设置在中心体6中。例如，进风壳体1借助于悬臂7与成形为圆形的外部壳体8相连。外部壳体8的截面可以是流线型的，例如成形为翼的形状。该设备可实现为具有设置在外部壳体8或中心体6上的风向标表面(未示出)，以便于将该设备定向为顺风的。外部壳体8相对于进风壳体1偏心(E)地设置，即，外部壳体8的纵向对称轴线9与进风壳体1的纵向轴线3平行地延伸且相对于该纵向轴线3偏移(距离E)。并且观察到了以下情况：偏心度(E)的值不小于在外部壳体8的内表面10的最小截面处限定该内表面10的圆的直径(D)的0.01且不大于该直径的0.24，即，0.01D≤E≤0.24D。当在空气动力试验台上进行研究时，通过实验获得了该设备的几何参数之间的所述关系。该设备的几何参数之间的所述关系范围的下限限定了偏心度的值，而附带条件为，气流速度超过其计算值的最大程度为大约25％。在所述偏心度的值脱离所述范围的下限值的情况下，外部壳体8相对于进风壳体1的移位在外部壳体8的入口处产生对气流的局部阻力，这会对设备的运行产生不利影响，并且相对于气流的额定速度降低了风力驱动式发电设备的效率。该装置的几何参数之间的所述关系范围的上限确定了提供气流速度超过其计算值的最大程度为大约200％的偏心度的值。在偏心度的值超出所述范围的上限值的情况下，外部壳体8相对于进风壳体1的移位实际上不在外部壳体的入口处产生对气流的局部阻力，因此，涡轮的转速不会由于该涡轮下游的排放程度减小而降低。考虑到与给定区域中的气流速度、该设备的几何特性及其它参数有关的统计数据来从所述偏心度值的范围内选择该偏心度的具体值。
该设备的结构实施例的一个变型提供了：外部壳体8安装成能够在与进风壳体1的纵向对称轴线3垂直的平面内相对于该进风壳体进行受限的运动以及固定在中间位置上。例如，能够通过将悬臂7制成伸缩的(图4)，即，由包括两个可纵向自由移动的部分来进行所述运动。为了将悬臂7的所述部分相对于彼此固定在中间位置上，它们可具有用以布置止挡件(未示出)的开口11。为了补偿外部壳体8相对于进风壳体1的间距的变化，悬臂7能够以可旋转方式安装在与进风壳体1的纵向对称轴线3垂直的平面内，为此，每个悬臂7的各部分的端部可以以枢转方式连接到对应的壳体上(未示出)。
风力驱动式发电设备的结构实施例的另一变型提供了：其实现为带有用于改变外部壳体8相对于进风壳体1的偏心度(E)的机构(未示出)。所述机构可以是使两个构件相对于彼此移动的任何常规机构。例如，外部壳体8相对于进风壳体1的偏心度(E)改变机构可构造和设计为容纳在至少一个悬臂7中的液压缸或气压缸的形式，其本体分别牢固地紧固在进风壳体1或外部壳体8上以及位于该外部壳体8或进风壳体1的杆上。
风力驱动式发电设备的结构实施例的一个变型提供了：进风壳体1的外表面12(图3)的至少一部分和/或外部壳体8的外表面13的一部分由回转圆柱体的侧表面形成。
该设备的结构实施例的另一变型提供了：进风壳体1的内表面14的至少一部分和/或外部壳体8的内表面10的至少一部分由回转圆锥体的侧表面形成。
进风壳体1的内表面14的至少一部分和/或外部壳体8的内表面10的至少一部分可由回转圆柱体的侧表面形成(未示出)。
风力驱动式发电设备以如下方式运行。
沿借助于风向标表面定向成顺风的设备的纵向对称轴线3移动的气流经由进风壳体1冲击涡轮2，从而使涡轮2旋转。由于涡轮2与机械能转换机构5以运动方式相联，故机械能转换机构5也开始运行，以便将所述气流的能量转换成所需类型的能量。同时，气流沿外部壳体8的内表面10和外表面13移动，从而通过在该设备的位于涡轮2下游的后部喷射来产生排放。气流在受到来自进风壳体1入口区段一侧和来自外部壳体8出口区段一侧的两种能通量的作用时达到最大速度，这一事实便于从气流中获取最大能量。
应当注意的是，外部壳体8的入口区段被成形为圆形，且其宽度在一个部分上减小。外部壳体8入口区段的宽度减小是将外部壳体8布置成与进风壳体1偏心(E)所需的。值(E)被选择为使得在气流为额定速度的情况下，外部壳体8入口区段的宽度减小不会对产生排放所涉及的气流的效率产生影响，即，风力驱动式发电设备将在从气流中获取最大能量的运行状态下工作。
当气流速度上升到高于计算值时(强阵风)，经由进风壳体1到达涡轮2的能通量的量增加了。并且，从外部壳体8出口区段一侧进入的第二能通量的量将会减少。产生排放所涉及的气流效率的所述下降归因于如下事实：在进入外部壳体8的气流速度增大到高于计算值的情况下，外部壳体8入口区段的面积减小起到了局部阻力的作用，该局部阻力减小了气流经由外部壳体8的通过速度，所述气流经由外部壳体8的所述通过速度的减小降低了所述流动对形成排放所产生的影响的效率。因此，在气流速度增大到高于计算值时，从进风壳体一侧进入涡轮2的能通量增加，而从外部壳体8出口区段一侧到达涡轮2的能通量减少。并且，在气流为额定速度以及气流速度明显增大的两种情况下，供给到涡轮2的总能通量的量都保持大致不变。还应当注意的是，在气流(风)速度进一步增大时，对到达外部壳体8的气流产生局部阻力的面积将增大，即，将进一步减小气流经由外部壳体8的通过速度。在气流速度进一步减小到计算值时，就发生了供给到该涡轮的能通量的逆向重新分配，即，经由进风壳体1供给到涡轮2的能量的量将减少，而通过利用外部壳体8喷射气流来供给到涡轮2的部分能量将增加。因此，在气流速度降低到其计算值的情况下，对气流产生局部阻力的面积将减小，直到外部壳体8相对于进风壳体1的移位(E)完全不对气流(在气流为额定速度的情况下)产生影响。在气流的速度变化期间，到达涡轮2的能通量由于其重新分配而自动调节，这允许涡轮2的输出轴的转速稳定，而不管环境状况如何变化(阵风)。涡轮在运行中的转速稳定性减小了设备零件上的峰值负载，因此总体上提高了该设备的可靠性和使用寿命。
例如，如果特定气候条件下的额定风速为6-7m/s并且将在外部壳体8的内表面10的最小截面处限定该内表面10的圆的直径(D)选择为3m，则外部壳体8相对于进风壳体1的偏心度(E)的值应当不小于0.03m且不大于0.72m。从与特定气候区域的最大风速特性相关的某一范围内选择具体的值(E)。例如，对于上述参数，如果气流的最大速度为9.0m/s，则值(E)应为大约0.05m，而如果气流的最大速度为14.0m/s，则值(E)应为大约0.65m。