风力涡轮机以及使用风力涡轮机导向流体流的方法.pdf

本发明涉及一种风力涡轮机以及一种使用风力涡轮机导向流体流的方法。该风力涡轮机包括：框架，该框架包括环形上导向装置和环形基部导向装置；以及环形转子组件，该转子组件包围中央空间，所述转子组件包括多个转子轮叶，每个转子轮叶在所述上导向装置和所述基部导向装置之间保持就位。

权利要求书
1.  一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：
框架，该框架包括环形上导向装置和环形基部导向装置；以及
环形转子组件，该转子组件包围中央空间，所述转子组件包括多个转子轮叶，每个转子轮叶在所述上导向装置和所述基部导向装置之间保持就位。

2.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述上导向装置和所述基部导向装置中的至少一个包括导轨。

3.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括把所述中央空间夹在中间的覆盖物。

4.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个转子轮叶在所述转子组件内相对彼此固定就位。

5.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中每个转子轮叶利用泡沫芯部和环氧复合基质外涂层构成。

6.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括同步器，所述同步器用于使每个转子轮叶的两端部的转速同步。

7.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括遮蔽件，该遮蔽件在使用过程中用于引导流体流在与所述转子组件相同的方向上在所述中央空间内基本循环。

8.  根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件被布置成在使用中：
将所述流体流从所述中央空间导出；
阻止所述流体流在所述中央空间内的流体保持区域处离开所述中央空间，而使所述流体流撞击在所述轮叶组件上；以及
在所述流体流离开所述中央空间时，促进所述流体流在流体排出区域处撞击在所述轮叶组件上。

9.  根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件包括内导向阵列，该内导向阵列被所述转子组件同心地围绕。

10.  根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件进一步包括同心地围绕所述转子组件的外导向阵列。

11.  根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中所述内导向阵列包括多个百叶窗式板条的组件，所述多个百叶窗式板条被布置成使得：
所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的一些板条在使用过程中被关闭，以阻止所述流体流在所述流体保持区域处离开所述中央空间；并且
所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的其他一些板条成角度，以促进所述流体流在所述流体排出区域处离开所述中央空间。

12.  根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中所述外导向阵列包括多个百叶窗式板条的组件，所述多个百叶窗式板条被布置成使得：
所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的一些板条被关闭，以阻止所述流体流借助所述轮叶组件而在所述流体保持区域处离开所述中央空间；并且
所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的其他一些板条成角度，以促进所述流体流在所述流体进入区域处撞击在所述轮叶组件上。

13.  根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中每个板条的角度都是可变的。

14.  根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中每个板条的角度都是可变的。

15.  根据权利要求1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括发电机。

16.  一种使用根据权利要求1的风力涡轮机导向流体流的方法，该方法包括：
引导所述流体流在所述中央空间内沿着基本圆形方向从流体进入区域行进到第一流体保持区域、流体排出区域、第二流体保持区域并返回所述流体进入区域，其中：
阻止流体在所述第一流体保持区域处离开所述中央空间；
所述流体的全部或部分在所述流体排出区域处离开所述中央空间；
阻止任何剩余流体在所述第二流体保持区域处离开所述中央空间；并且
使所述任何剩余流体返回到所述流体进入区域。

说明书风力涡轮机以及使用风力涡轮机导向流体流的方法
本发明申请是申请号为201080067816.6(PCT申请号为PCT/SG2010/000314)、发明名称为“竖轴涡轮机”、申请日为2010年8月26日的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种动力产生设备和方法，具体地说，本发明涉及但不限于利用来自自然和/或可再生流体能源的能量转换成电力、扭矩或其他有用的动力形式的绿色能量技术，诸如风力涡轮机或发电机。更具体地，本发明涉及一种风力涡轮机以及一种使用风力涡轮机导向流体流的方法。
背景技术
自从古代就已经利用风能来给机器提供动力。从那时起，利用更绿色和可再生源(诸如风力)产生动力的需要已经变得越来越急迫，并且为了产生电力而研发了风力涡轮机。尽管如此，就商业角度来说，风电很少获得成功，这是因为风力的供应随着时间和地理而具有可变性。通常，在恒定高风速区域中运行的风力涡轮机往往在商业上更可行，但是这样的场所很少。
为了在不同的场所和应用中使用已经研发了不同的风力涡轮机设计。例如，根据风向轮叶的叶片是否围绕水平或竖直布置的轴的轴线旋转而可以将风力涡轮机分类。水平轴风力涡轮机(HAWT)由于它们往往更高效而获得了更为普遍的应用：这是由于叶片旋转方向与风力流动方向垂直，使得它们在旋转期间通过整个周期来接收能量。它们也遭受一些缺点，特别是在塔和叶片的舷弧高度、尺寸和重量，这使得安装、操作和维护都极其昂贵。它们还需要仔细地定位在风力中，在风力速度和方向发生变化的情况下它们可能无法很好地工作。这种风力涡轮机在视觉上以及对任何野生动植物、对无线电信号的传输还具有潜在破坏。
竖轴风力涡轮机(VAWT)固有地效率较低，这是由于叶片在其被向前“吹动”的旋转周期期间的仅一部分从风力接收能量。对于该循环的大量剩余部分，叶片在基本 迎着风力流动方向的方向上旋转。这可以与其中风能通过叶片在其整个周期中都被捕获的HAWT形成对照。下面将对此进行更详细的描述；这里，只要说当转子叶片经历其周期时由于转子叶片行进到风中时的阻力而使得从风力捕获的大部分能量通常都损失了就已足够。尽管如此，VAWT具有能够从低速和变化更大的速度的风中收获动力的优点。它们往往更小更轻，并且能够以更低的高度布置，从而使得显著性、安装和维护成本降低。这允许在更多种地方使用VAWT。
由于VAWT在其他方面的有利特性，已经努力改进VAWT的效率。举例来说，US2007/0241567描述了使用导向件将风偏压或引导到转子叶片上，无论风向如何，这都增强了涡轮机在各种地方的使用。由法国的GualIndustrie以“StatoEolien”的名义出售的可商业获得的VAWT(http://www.gual-statoeolien.com/English/defaultang.html)包括类似的导向装置。尽管这有助于增加可用风力对转子叶片的作用，但总体输出效率仍然较差，这是因为在叶片周期的稍后阶段期间当叶片克服风力沿着原路返回时由叶片捕获的风能稍后被“放弃”。如可能预见的，这是严重影响涡轮机发电效率的因素，特别是在采用VAWT的低风速地区，在这些地区任何这种损失都会被特别敏锐地感觉到。
提高风力涡轮机特别是VAWT的效率将是令人期望的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于导向与转子一起使用的流体流的导向设备，该转子包括环形径向轮叶组件，该环形径向轮叶组件包围借助于该轮叶组件而被封闭保护的中央空间并且被布置成围绕竖直轴旋转，该导向设备包括遮蔽件，该遮蔽件在使用过程中用于引导流体沿着与转子相同的方向在所述中央空间内基本围绕所述竖直轴循环。
通过不仅管理气流到涡轮机内的进入，而且还管理气流在所述涡轮机内的运动以及气流从所述涡轮机的退出，能够在VAWT内减少所产生的湍流和阻力的水平，特别是在背离来风的正面高压冲击的区域内。使气流在与转子运动相同的方向上循环，通过引导气流流过径向转子布置内的中央空间的不同区域，有助于减小产生逆着期望转子方向的背向力的阻力水平。在另外的实施方式中，以气流推动在转子的轮叶上的方式将气流从所述转子和涡轮机导出，从而两次从风获得能量：一次在迎风侧(当空 气流入涡轮机时)以及当空气退出涡轮机时。
根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机系统，该风力涡轮机系统包括转子，该转子包括围绕中央空间的环形径向轮叶组件，并被布置成围绕竖直轴旋转，该转子操作地连接至本发明的导向设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种导向与转子一起使用的流体流的方法，该转子包括环形径向轮叶组件，该环形径向轮叶组件包围借助于该轮叶组件而被封闭保护的中央空间并且被布置成围绕竖直轴旋转，该方法包括引导流体在与转子相同的方向上在所述中央空间内基本围绕所述竖直轴循环。
本发明包括如下技术方案：
1.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：
框架，该框架包括环形上导向装置和环形基部导向装置；以及
环形转子组件，该转子组件包围中央空间，所述转子组件包括多个转子轮叶，每个转子轮叶在所述上导向装置和所述基部导向装置之间保持就位。
2.根据技术方案1所述的风力涡轮机，其中所述上导向装置和所述基部导向装置中的至少一个包括导轨。
3.根据技术方案1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括把所述中央空间夹在中间的覆盖物。
4.根据技术方案1所述的风力涡轮机，其中每个转子轮叶在所述转子组件内相对彼此固定就位。
5.根据技术方案1所述的风力涡轮机，其中每个转子轮叶利用泡沫芯部和环氧复合基质外涂层构成。
6.根据技术方案1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括同步器，所述同步器用于使每个转子轮叶的两端部的转速同步。
7.根据技术方案1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括遮蔽件，该遮蔽件在使用过程中用于引导流体流在与所述转子组件相同的方向上在所述中央空间内基本循环。
8.根据技术方案7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件被布置成在使用中：
将所述流体流从所述中央空间导出；
阻止所述流体流在所述中央空间内的流体保持区域处离开所述中央空间，而使所 述流体流撞击在所述轮叶组件上；以及
在所述流体流离开所述中央空间时，促进所述流体流在流体排出区域处撞击在所述轮叶组件上。
9.根据技术方案7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件包括内导向阵列，该内导向阵列被所述转子组件同心地围绕。
10.根据技术方案7所述的风力涡轮机，其中所述遮蔽件进一步包括同心地围绕所述转子组件的外导向阵列。
11.根据技术方案9所述的风力涡轮机，其中所述内导向阵列包括多个百叶窗式板条的组件，所述多个百叶窗式板条被布置成使得：
所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的一些板条在使用过程中被关闭，以阻止所述流体流在所述流体保持区域处离开所述中央空间；并且
所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的其他一些板条成角度，以促进所述流体流在所述流体排出区域处离开所述中央空间。
12.根据技术方案10所述的风力涡轮机，其中所述外导向阵列包括多个百叶窗式板条的组件，所述多个百叶窗式板条被布置成使得：
所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的一些板条被关闭，以阻止所述流体流借助所述轮叶组件而在所述流体保持区域处离开所述中央空间；并且
所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中的其他一些板条成角度，以促进所述流体流在所述流体进入区域处撞击在所述轮叶组件上。
13.根据技术方案11所述的风力涡轮机，其中所述内导向阵列的所述多个百叶窗式板条中每个板条的角度都是可变的。
14.根据技术方案12所述的风力涡轮机，其中所述外导向阵列的所述多个百叶窗式板条中每个板条的角度都是可变的。
15.根据技术方案1所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括发电机。
16.一种使用根据技术方案1的风力涡轮机导向流体流的方法，该方法包括：
引导所述流体流在所述中央空间内沿着基本圆形方向从流体进入区域行进到第一流体保持区域、流体排出区域、第二流体保持区域并返回所述流体进入区域，其中：
阻止流体在所述第一流体保持区域处离开所述中央空间；
所述流体的全部或部分在所述流体排出区域处离开所述中央空间；
阻止任何剩余流体在所述第二流体保持区域处离开所述中央空间；并且
使所述任何剩余流体返回到所述流体进入区域。
附图说明
现在将参照附图仅以示例方式描述本发明的优选实施方式，其中：
图1是本发明的风力涡轮机的一个实施方式的示意性平面图；
图2是风力涡轮机的侧视图；
图3A、图3B和图3C是在风力涡轮机中使用的转子轮叶和导向板条的示意图；
图4示出了风力涡轮机的操作；
图5详细地示出了风力涡轮机在进入区域中的操作；
图6A和图6B详细地示出了风力涡轮机在边界区域中的操作；
图7详细地示出了风力涡轮机在排出区域中的操作；
图8A和图8B是风力涡轮机的单个实施和阵列实施的示意图；
具体实施方式
图1是竖轴风力涡轮机2的俯视图，该涡轮机2被布置成围绕竖直轴4旋转，以用来利用风(W)能产生可用的扭矩，包括电力。如本领域技术人员将认识到的，术语“竖轴风力涡轮机”(VAWT)主要用来将这种类型的涡轮机与水平轴涡轮机区分开来。本发明的涡轮机旋转所围绕的轴不需要是精确竖直的，只要使得涡轮机叶片或轮叶在使用过程中在基本水平方向上旋转即可。如上所述，VAWT能够在更低风速下操作，并且可以预见到本发明的涡轮机能够利用与5km/h一样低的风速产生有用的结果。
如能够在附图中看到的，该涡轮机包括围绕中央区段或空间18的三个环状叶片或轮叶阵列。这三个环状阵列基本上彼此同心并与中央轴4同心。
外环10和内环14是呈现定子形式的空气导向组件，它们引导并控制气流朝向、进入、通过、退出转子组件6。
环状转子组件是三个环中的中间环。如所公知的，由流体流在转子轮叶上的推力导致的转子运动产生扭矩，该扭矩能够被用来驱动例如发电机(未示出)使泵、砂轮等工作。在所示的实施方式中，转子由均从轴4基本径向向外延伸的多个轮叶8构成。转子轮叶竖直地位于涡轮机内，并且在平面图中，每个轮叶都成一角度从而从轴的真 实半径略微偏移。轮叶可以另选地包括布置成真实半径构造的笔直叶片，但是优选它们例如是图3A中所示类型的不对称翼面。轮叶包括位于迎风侧的凹入表面26，该凹入表面允许将风初始“捕捉住”，然后允许风从该弯曲表面流走，以便增加从可用风力中提取能量时的效率。如所公知的，在使用期间，更高压迎风侧上的推动作用与由低压背风侧的吸力作用的组合致使轮叶运动并产生升力。
在一个示例性实施方式中，18m长(或者当放置在涡轮机内时18m高)的不对称转子具有大约1.2m的弦(从上方看)以及位于中间区段中的0.2m的最大厚度，该厚度朝向各端逐渐减小。轮叶的确切最佳轮廓取决于涡轮机的总体尺寸和构造以及其余部件，其余部件又基于每个地点的具体情况以及期望的性能和产出针对每个涡轮机来确定。
图2示出了涡轮机(只有其外导向组件10可见)的侧视图，该涡轮机被保持在诸如空间框架之类的架构内，该架构包括上支撑件20、基部支撑件22以及可选的柱24，以便在必要时将该单元上升到风的路径中。在图8A和图8B中能够看到保持在该空间框架内的涡轮机的另外视图，其中能够看到容纳涡轮机部件的架构的截面具有鼓状结构。该空间框架可以由钢筋混凝土和钢材支撑，在该示例性实施方式中，为了适合于容纳以上参照尺寸的转子，该空间框架可以具有大约35m宽的总体直径以及大约20米的高度。
转子轮叶在一对环形托架或导向轨之间在每个端部处保持就位，所述一对环形托架或导向轨分别附装至空间框架的上支撑件和基部支撑件。导向轨防止轮叶在运动过程中滑动脱位。轮叶本身可以在每个端部都附装至环形轨道，在使用过程中，轮叶在相应的托架中行进，这确保所有轮叶作为单个单元旋转。然而，在以上讨论的尺寸的一个实施中，将难以在单个组件中制造、运输和安装转子。在这种情况下，一个或更多个转子轮叶可以设置有一段轨道，在安装过程中，可以将该段轨道螺栓连接在一起。本领域技术人员将意识到，可采用各种另选方案将转子轮叶定位在涡轮机内。例如，可以将转子轮叶在每个端部都固定至围绕轴旋转的盘，这消除对于导向轨或轨道的需要。为了减小转子组件的重量和惯性，轮叶可以利用泡沫芯部和环氧复合基质外涂层构成，该环氧复合基质外涂层可以进行碳增强。
转子轮叶在转子组件内具有大体固定的位置，不过它们可以可选和优选地设置有摇摆毂组件，摇摆毂组件使得转子轮叶能够在破坏性大风的情况下采取减小的间距， 以防止对轮叶造成损坏或减少对轮叶的损坏。每个转子轮叶的位置相对于彼此是固定的，不过轮叶之间的距离和每个轮叶的尺寸可以根据涡轮机的期望性能和产出而改变。
该涡轮机进一步且优选包括用于改善性能的同步器。已经发现，转子轮叶在每个端部处能够以不同速度旋转。这至少部分因为转子的下部操作地联接至传动装置以驱动发电机，而上部没有承载负载。如可以预见到的，转子在使用过程中将受到应变，并且在极端情况下可能扭曲或断裂。所述同步器可以采取各种形式，但是一种方案将是在轮叶的顶端处设置类似的负载，例如，该同步器采取相同传动装置的形式，这种相同传动装置将使得转子轮叶的两端的旋转速度一致。
现在回到导向组件阵列，外导向组件10和内导向组件14的叶片或轮叶在该说明书中被称为板条或网板(分别为12和16)，以便于对它们进行描述，并将它们与转子组件的轮叶8区分开来。在这里讨论的实施方式中，板条像百叶窗一样布置，从而当它们采取“关闭”位置时，板条的边缘或者几乎或者实际接触或重叠，从而防止或至少阻碍空气通过。该导向组件的主要作用是使得转子能够将从给定的气流量提取的可用能量最大化，同时寻求显著地降低当气流从关闭的中央空间并通过转子轮叶排出时引起的摩擦量和阻力。尽管单独通过每个导向组件就部分地获得了期望的效果，但是两组组件的操作加强了彼此，从而最佳的设置将涉及到使用彼此协同工作的两个组件。
如在附图中可以看到，导向组件10和14的板条被布置成使得转子组件的一些部件向其周围敞开，而其他部分被板条封闭，从而基本上将转子轮叶(以及其中的中央空间)从它们周围环境(位于涡轮机外部)遮蔽。
在操作过程中，对于给定风向来说，内导向定子和外导向定子的板条的布置都保持不变。为了适应不同的风向，可以重新调整每个导向阵列的板条的角度，以使得板条采取指向新风向的相同配置。另选地，导向环阵列(保持图中所示且如下讨论的板条配置)可以相对于转子组件手动地旋转至其新位置，要不然如果可行的话(例如在较小的涡轮机中)可以将整个涡轮机翻转。然而，假定所提出的涡轮机尺寸，可以将导向组件重新配置过程机动化以获得相对于新风向的板条配置，但更小的转子轮叶的板条可以通过手工来调节。组件内的板条位置的改变可以手动进行，要不然可以使用感测系统以自动地响应风向、风速等的改变(风向、风速等的改变将需要导向板条角度重新配置)。
外导向组件10主要用来通过控制空气进入涡轮机来调整流向并流入涡轮机的空气，并且通过控制空气从涡轮机排出而使得空气另一方面能够以减小的湍流从涡轮机排出。在该实施方式中，外导向组件的板条可以包括分别如图3B和图3C中所示的笔直或弯曲的定子。其相对较薄以使得对风力的阻碍最小，并因此优选制造成为尽可能薄、光滑且短的表面。由于这提高了转子效率，因此它们布置成非常接近(例如，如果可行的话，以毫米的量级布置)转子轮叶的后边缘。板条可以由钢或铝制成。尽管对于给定风向来说在涡轮机的操作过程中板条往往不运动，但是优选使它们是可运动的，以便允许对它们进行重新配置，以便例如对不同的风向都起作用。这还允许对容许进入蜗轮的空气量进行控制，以便应对较高风速或较低风速，并且在极端情况下(例如，在将损坏设备的台风或沙尘暴的情况下，在这种情况下，必须将涡轮机关闭)，可以在周围将所有板条完全关闭，从而防止任何空气吹入涡轮机。虽然如此，使用上述的摇摆毂转子轮叶仍将有益于在大风情况下保护昂贵的转子轮叶，因为相比于外导向组件的板条关闭，它们可能对这种否则将是灾难性的情形作出响应。
因此，在气流进入方面，将涡轮机的迎风侧上的外导向组件的板条布置成使得如果必要的话，通过改变风向以最优化气流“撞击”在转子轮叶上的角度，来将尽可能多的气流“捕捉住”并引导到涡轮机中到达转子叶片。例如，从图1中可以看出，位于七点钟位置的轮叶处于完全打开位置，并且定位成将否则可能围绕涡轮机行进的气流“铲”到涡轮机中以将该气流“馈送”到转子叶片并向前推动它们以沿着由箭头“X”所示的顺时针方向旋转。这样，涡轮机的收获风的表面的有效作用面积在涡轮机的迎风侧上被显著地扩大到了7点钟位置和12点钟位置之间的区域。
在涡轮机的背风侧上，板条也定位在敞开位置。它们的角度被布置成使得退出涡轮机的空气再次被引导成在转子运动方向“X”上行进。这确保了从涡轮机出来的气流不会中断转子组件在顺时针方向上的连续旋转而使其前进变慢。在涡轮机的正交于风向的两侧上，外导向板条被基本关闭或遮蔽。在这里讨论的示例中，通过将板条关闭而实现遮蔽；设置其他遮蔽装置也在本发明的范围内，例如采取延伸需要封闭的区段的长度的单个屏障的形式，这例如可以配置在较小的涡轮机中，其中导向环阵列可以相对于转子组件运动。下面将结合图4来讨论在使用过程中外导向排列中的板条总体布置的效果和工作。
在该示例性实施方式中，外导向轮叶在每个端部处均附装至空间框架的上支撑件 和基部支撑件。
现在转到内导向组件14，这些板条16也被布置成产生向涡轮机周围环境敞开或关闭的区段或区域。内导向组件的主要功能是在空气进入涡轮机之后对中央空间内的气流进行引导和控制，从而有助于减少不利地影响转子组件的转动及其总体效率的湍流量以及阻力和摩擦损失。
与外导向组件的板条一样，内定子板条也采取薄片材的形式，这些薄片材优选沿着其长度被倒角。它们还可以具有向机翼的可动前边缘一样的小弦，从而允许每个板条能够围绕自身轴线彼此独立地运动。该柔性在操作过程中允许气流以最佳角度与转子轮叶的前边缘进行接触。内板条可以由金属或纤维玻璃环氧复合材料制成。它们也被布置非常接近转子轮叶的后边缘，以便使转子效率更高。
总的来说，内组件的板条16以如下方式布置，即：像外导向组件的板条一样，使其在迎风侧和背风侧上均敞开，同时在位于与风向正交的侧面上的其他两个截面中基本封闭。另外，每个内导向板条的精确角度被定位成促进气流在与转子行进方向相同的方向上围绕涡轮机轴线在中央空间中循环，如下面将结合图4进一步描述的。
由内导向环阵列限定的中央空间18沿着横向于涡轮机的竖直轴的平面基本上但非全部地被覆盖物(未示出，但是其可以采取圆盘等形式)封闭。所述覆盖物布置在空间框架的上支撑结构20和基部支撑结构22内，从而它们以仍然允许转子轮叶自由运动的方式将中间空间“夹在中间”。它们也可以被看作是涡轮机的顶部和底部。在一非常大的实施中，可以将支柱或柱杆穿过涡轮机的中央轴线放置，以帮助支起该顶部；然而，这对于本发明的操作来说并不是必须的。
这种布置防止或阻碍空气在与涡轮机的竖直轴平行的方向上进入中央空间或从中央空间逃逸，从而强迫空气经由转子轮叶和导向组件板条10、14之间的空间仅在基本水平的方向上流动到封闭的中央空间和从该封闭的中间空间流出。本领域技术人员将意识到，仅需要覆盖物来覆盖中央空间以实现封闭效果，但是应意识到优选这些覆盖物还能够覆盖转子组件以及导向阵列以便容易组装和维护；完全覆盖还可以帮助防止空气从中央空间泄漏。这些覆盖物还可以由轻质材料或任何其他材料制成，并且可以采取任何构造，只要其能够阻碍或防止空气从中央空间泄漏或进入该中央空间即可。
图4是图1和图2中所示的涡轮机的实施方式的操作的图。在该图中，中央空间18示出为被分成四个区域：
●“进入区域”(7点钟位置和12点钟位置之间的区域“A”)；
●第一“边界区域”(12点钟位置和2点钟位置之间的区域“B”)；
●“排出区域”(2点钟位置和5点钟位置之间的区域“C”)；以及
●第二“边界区域”(5点钟位置和7点钟位置之间的区域“D”)。
在该附图中，风W被示出为从左吹向右，并且涡轮机的期望旋转方向沿着顺时针方向“X”。涡轮机的迎风侧是压力比背风侧高的区域。
在进入区域“A”中，涡轮机外部的风被外导向组件14的板条16“收集”并被导向转子6的轮叶8。因为在进入区域中(特别是在9点钟位置左右)外板条的敞开径向构造，风能够直接流动到转子的轮叶，如图4和图5中更详细地所示。在没有使用外导向组件的传统VAWT中，可以预见到，风将仅仅在位于9点钟位置和12点钟位置之间的区域中有用地撞击在转子轮叶上。然而，通过使用外导向定子，否则可能围绕涡轮机流动而损失的气流转而被捕获并被“铲”(通过改变气流方向“X”)到涡轮机内，以在期望方向“X”上推动转子轮叶。这有助于增加作用在转子上的推力，并有助于总体上增加涡轮机的效率。
如上所述，VAWT中的大多数可用风能都是在迎风侧上提取的，在该迎风侧上，气流直接推动在轮叶上。在传统的VAWT设置中，在任何其他区域处都没有力推动在轮叶上，从而在“返回行程”中，转子组件特别容易受到阻力的影响。在风力大于该阻力的情况下，获得能够用于驱动发电机的净正力。在驱动力等于或小于阻力的情况下，没有能量可被获取。因此，使阻力对系统的影响最小化十分重要。
在气流已经被引导在转子轮叶上之后，气流流入中央空间中，如由箭头“W”所示。在传统的涡轮机中，没有对气流从涡轮机的退出进行管理，从而在中央空间内和/或转子轮叶周围积累呈现空气涡旋形式的湍流。这有助于在系统内产生摩擦和阻力，这会不利地影响转子在期望方向上的连续旋转，特别是在转子组件的“返回行程”上。如果阻力等于或超过作用在转子轮叶上的推动力，则不会产生有用扭矩来转动发电机或进行其他工作。
根据该示例性实施的本发明的内导向轮叶通过管理中央空间内的气流而解决该问题。具体地说，空气被引导在中央空间内以在与转子轮叶的期望旋转方向“X”相同的方向上围绕涡轮机的中央轴线循环(即以基本圆形的、全部或部分的弓形或弯曲的方式行进)。以这种方式管理气流减少在中央空间内建立的湍流的水平，并且具有使 得空气以在转子行进的期望方向上赋予驱动力的角度在涡轮机的背风侧上撞击在转子轮叶上的附加好处。总体来说，这是通过根据气流在涡轮机内的各种区域处行进所沿的期望方向围绕内导向组件的圆周以变化角度定位内导向组件的板条来实现的。这样，中央空间内的空气可以根据其所在区域而被选择性地引导向转子轮叶并穿过该转子轮叶，或者被遮挡开。
初始进入中央空间内的进入区域中的所有空气都被朝向如由箭头“W”所示的第一边界区域沿着顺时针方向引导。如从图5中的两个导向组件的板条与转子轮叶之间的相互作用的详细图示可以看出的，在敞开位置，位于进入区域“A”中的内引导组件的板条基本上在与外导向组件的板条相同的方向上成角度布置。气流W被从涡轮机的外部引导通过外导向板条12之间的间隙而以期望角度撞击在转子轮叶8上。穿过转子组件的气流通过内定子组件的板条被引导到第一边界区域B，而不是被允许以不受控制的方式进入中央空间以围绕涡轮机寻找自身路径并最终从涡轮机出来。
如在图4和图6A中可以看到，位于第一边界区域“B”处的内导向组件和外导向组件的板条都是关闭或几乎关闭的，从而少许或没有空气能够从中央空间流到转子轮叶。将该区段隔离减小了背向力在轮叶上的冲击，该冲击将打断转子的连续光滑运动。板条在该区域中的取向还用于促进气流改变方向，并且运动到位于涡轮机的背风侧的作为排出区域“C”的下一个区域。
在图4至图7中所示的空气排出区域“C”中，内导向组件和外导向组件的板条均敞开并且朝向第二边界区域“D”取向，这促进了空气沿着与转子轮叶行进方向相同的方向上流动。在进入涡轮机之后将降低的气流速度通过在涡轮机的背风侧(在大约3点钟的位置处)位于该涡轮机外侧的低压区域的抽吸作用而特别地在该区域中重新获得。该区域中的内导向组件的板条被特别是以一定角度倾斜，以促进退出的空气以期望迎角接触转子轮叶的前边缘，从而在排出区域中的轮叶上施加推力。这有利地利用否则将逆着转子行进方向施加背压的排出空气作为作用在转子轮叶上的正推力的第二源良好地作用在涡轮机的背风侧上。
可以预见到，进入中央空间的大量气流将从排出区域“C”离开腔室。留下的空气通过第二边界区域“D”(在该区域中，两个导向组件的板条都被构造成用来防止或阻碍空气退出中央空间)继续在方向“X”上围绕涡轮机的中央轴线循环。导向组件的该板条配置类似于第一边界区域中的布置，如图6B中更详细地所示。图4示出了一种 布置，其中位于更接近排出区域的区域中的那些内导向板条处于基本关闭位置。更接近进入区域的板条处于更为敞开的位置，因为它们成角度以允许从涡轮机外部从左到右行进的新鲜气流能够进入进入区域，同时克服在中央空间内沿着相反方向、从右向左或逆时针方向行进的循环气流而成一角度。这促进中央空间内的气流改变方向，从而其再次进入进入区域以与新的气流混合，新的气流将以上述方式在中央空间内经历循环。
总之，导向组件10、14被构造成致使或促进气流：
●在进入区域附近以期望迎角撞击在转子上；
●在第一边界区域中改变方向从而通过不在该区域退出涡轮机而降低阻力；
●在排出区域附近以期望迎角撞击在转子上；以及
●在第二边界区域中改变方向从而通过不在该区域退出涡轮机而降低阻力；
如上所述，通过内导向组件和外导向组件的彼此结合的操作能够获得最大优点。然而，通过使利用其中一个组件的程度大于另一个可以获得其中一些优点(主要采取降低涡轮机内的阻力的形式)。例如，仅使用内导向组件(以上述方式构造)可以具有这种效果。另选地，与内定子一起使用的其所有板条经相同地成角(即具有非遮蔽区段)的外导向组件也可以用来实现降低阻力。另一个另选方式是布置具有可动板条的内导向组件，这将有助于改善中央空间内的湍流。
如以上图2所示，涡轮机可以容纳在作为单个独立单元的诸如空间框架之类的架构内。图8A是这种单元的另一个图示，图8B示出了可以堆叠或排列在彼此之上的包括类似涡轮机阵列的涡轮机实施。在用来布置多个涡轮机的情况下，对于该架构(具体是支柱)来说优选的是由钢制成，从而能够以模块化方式按照需要增加附加的单元。
将意识到的是，所述涡轮机并不限于仅仅与风力或气流一起使用。这里的描述能够通过必要修改(这种修改保持在本发明构思的范围内)利用任何流体流(包括液体，例如海水或河水)来操作。
可以对涡轮机单元进行其他修改和增加，以改进其使用性能，诸如用于以防止板条和轮叶遭受侵入者(人类或动物)侵入的网的配件、用于清洁和维护目的的行走平台等。
本领域技术人员将意识到，可以改变零件的尺寸、取向、位置和构造以及用于构成所述设备的部件和零件的材料，这些都将在本发明构思的范围内。