自调整气能涡轮机 发明的背景
近几个世纪以来，为了提高气能转换机--尤其是涉及利用作为最原始能源之自然风的气能转换机的转换效率与耐久性，已经做了许多尝试。除了在那些不易获得大量能源产品的遥远地区以外，至今大部分类型的动力输出都已被气体、煤炭、石油、水力发电和核系统的能源生产蒙上了阴影(overshadow)。近年来，在美国，尤其在加利福尼亚州，除了在很大的程度上由于以前税收津贴以及维持法律条文规定外，风力农场还部分地因为技术的进步而迅速地扩大。
在加利福尼亚州使用的现代的风能涡轮机在取消税收津贴时在经济上就开始动摇，并且它还受到多变的飓风以及失职者的维修保养计划的固有缺陷的影响。
当本发明用于压力转换涡轮机时，能够提供高转换效率、低维修保养要求，并使困扰现代系统的风特性的弱点减到最小。
发明的技术领域
由诸如风之类地自然流体运转的现代涡轮机通常需要解决非恒定速度或者超出设计极限的速度的问题。本发明包括一径流式转子，该转子包括一基本轴向的入气口以及位于呈圆周分布的叶片间以及辅助风门口间的排气口，以及控制流体动力和/或释放过流的装置。
现有技术
总的来说，现有技术中的风能涡轮机具有两种形式，即(1)具有径向延伸浆叶的涡轮机，其叶片具有水平转轴，以及(2)具有垂直转轴的涡轮机，该涡轮机具有绕着轴线呈圆周间隔的垂直方向的叶片。也存在诸如Darrieus转子涡轮机之类的混合(hybrid)涡轮机，该Darrieus转子涡轮机具有一垂直轴和叶片，该叶片同时具有类似于从沿着转轴的间隔点延伸的弓形的蛋搅拌器的形状的叶片形式的垂直和水平方向矢量。
本发明的一个目的在于提供一种能够高效率地将气体动能转换至有用的用途的气能涡轮机装置，当配有大范围速度调整装置时，该效率胜过其它已知的大部分的风能转换装置。
本发明的另一个目的在于提供一种成本低、经久耐用的机器，该机器不受不利的风力条件的影响，并且很少需要维修保养。
本发明的又一个目的在于提供一种甚至在强风或者暴风中仍能进行风能转换而无需通常在这些情况下必须全部关闭的装置。
除了本发明可在极端强风中运行之外，本发明的一个特点在于它适宜于做成对气流呈流线型，从而可使其运转噪音要比采用会产生顶端涡流的开启式旋叶所产生的噪音少。
尤其是，本发明使用了1988年11月1日公布的本人的美国专利第4,781,523号中所揭示类型的径流式风能涡轮机，以及使用了其它的风能转换器，其中，通入该装置的驱动部件中的气流适于被旁路掉。
发明的概述
本发明应用了一种径流式转子，该转子具有一基本水平的转轴，一轴向入气口和位于大量的间隔并排的纵向迎风叶片间的排气口，该叶片具有基本平行于转子的转轴延伸的主要定向件。此外，在与入气口侧相对的转子的后侧上配有多个辅助排气口，每个排气口由铰接的弹簧片或者风门片相对于气流密封，该弹簧片或者风门片在转子静止时是闭合的，但当转子转动而有预定强度的气流流经排气口时，该弹簧片或者风门片会全开启。另外，各风门片可通过附装着的均衡块(flyweight)或者配重(counter weight)以这种方式任意地平衡，以便允许在所选的远离其铰接枢轴位置上风门片组件的重力合成中心的移动。配重被做成其位置可调节以便得到所要的重力中心位置，这可把配重做成滑动定位以使其更接近于铰接枢转轴，从而对预定的过压作相应调节。通过将配重定位在接近于铰接枢转轴的位置上或者将它从其支承物上拆除来将配重的效能减至最小，上述的任一种情况会在风门片上产生偏置(biasing)作用，此作用的大小基本取决于风门片的重量和施加在风门片上的铰接弹簧负荷。
当将风门片组件的重力中心定位在远离铰接枢轴的位置上时，在某个气流动力和转速的动态组合上，离心力和气流将把各风门片从其排气口相应的密封位置移开。当想要的风门片确定时，通过调节配重或者拆除配重可使风门片基本与气流相对应。
倘若流速连续增大，动压与静压迫使风门片进一步地开启辅助排气口，而与重力中心的力为零或负值无关。诸如遇到暴风之类的极端气流条件将维持风门片在其移动的极限位置上，为了释放最大的过流而将排气口全开启。总的来说，这些特点将保护设备免遭风暴的损坏，并甚至在原本需要关闭设备的强风条件下仍能够连续发电并进行转速(R.P.M.)控制。
倘若需要更进一步的保护，诸如当设备在已知有飓风的地区会受到极端强风时，从涡轮机释放气流可由配备的旁路装置来实现，该旁路装置将使转子叶片的倾角在风门片移至一开启的位置之前先变化到预选强风速时的一个更被动(passive)的角度位置。风门片和转子叶片可选择由诸如绳索或者推杆之类的一种装置来任意地互连，以使风门片和一片或多片叶片以相互协调的方式移动至与风速变化相匹配的不同的预选倾角。
本发明的一个目的在于提供一种能够高效率地将气体动能转换至有用的用途的气能涡轮机装置，当配有大范围速度调整装置时，该效率胜过其它已知的大部分的风能转换装置。
本发明的另一个目的在于提供一种成本低、经久耐用的机器，该机器不受不利的风力条件的影响，并且很少需要维修保养。
作为本发明的特征的本发明的其它目的与特点将在下面尤其是所附的权利要求中来阐述。然而，参照下面与附图相结合的描述最能理解本发明的组成内容、结构方式以及进一步的目的与特点，这些附图如下：
附图简介
图1是本发明风动涡轮机转子组件的后视图；
图2是图1所示的风动涡轮机转子组件的侧视图；
图3是图1所示的风动涡轮机转子局部剖开的前视图；
图4是图3所示转子的剖开部分的放大图；
图5是图4所示的转子部分沿线5-5剖切的剖视图；
图6是表示装有对气压或转速被动响应设备的本发明一实施例的单个叶片的视图；
图7是图1所示转子的另一实施例的局部放大视图，其中，风门片由推杆互连，风门片的位置由推杆来与转子的可调节叶片的倾角相配合；以及
图8是图7所示转子部分的侧视图。
较佳实施例的描述
现在开始更详细地描述附图，图1是本发明装有风门片10的径流式风动涡轮机转子9的壳体的后壁视图。所示的六片风门片10的每一片由呈圆周分布在后壁外缘附近的铰链11枢轴支承。具有铰接作用的扭转杆/铰接杆12由支架13支承。风门片10在一圆形底板上枢转以提供一靠近转子的轴中心的开口。均衡块14如图所示位于每片风门片10径向向内的开口顶端的附近。风门片10相对于铰接轴气流(air)的转动使位于扭转杆一端的外侧臂42随之转动。由于这种由风吹入涡轮而引起的转动，扭转杆12由径向向外的延伸臂43阻挡其转动，该延伸臂靠在转子9的壁上，扭转杆的转动会施加一扭转平衡力来抵消使风门片10开启的气流负荷。
图2是图1所示的本发明的侧视图，其中有一个很大的“X”符号15，它表示的是被转子叶片16所占的部位，转子叶片在图3、图4和图5中表示得更清楚了。空白处17表示风门片10与它们相关的扭转臂铰接组件的部位。
图3是图1所示的本发明的一个实施例的前视图，其中具有被剖开的用以表示三片转子叶片16和它们的支承梁19的迎风进流环(entry ring)18的部分。同时还表示了用来将风门片10与叶片16以绳索23的绳索导向轮24的形式互连的结构；图4中更清楚地表示出风门片的转动与叶片倾角的变化是匹配的。
图4是图3的剖开部分的放大图，此剖开部分表示当相应的互连风门片10转动时，各叶片16是如何枢轴地支承在叶片可绕其枢转的杆形梁或者管形梁19上的。每根枢轴梁19由一组轮辐20中的相应的径向延伸的轮辐来依次支承。轮辐组中的辅助轮辐安装成与其相邻的各对风门片之间的间隙相匹配并遮盖此间隙。辅助轮辐的安装是为了起风门片支座(seat)的作用以阻挡闭合的风门片与轮辐20之间的气流。当转子静止时，风门片10是常闭的，并且风门片被做成在转子9达到预定的气压大小和/或者预定转速前一直保持闭合状态。通过叶片枢轴的适当定位和叶片翼型设计可将叶片的气动力中心22安置在其支承梁的前面，这将在处于预定气流速度中的叶片上产生一逆时针升力矩。此力矩通过包括固定在叶片16的导边上的绳索23的绳索系统、绕过导向轮24、然后如图5所示连续地绕过导向轮25和26直至其相应的风门片10上的连接件27将叶片的外力传递给它们的风门片10。于是，作用在叶片16上的气动力负荷与扭转杆12的偏置作用相平衡以提供一个与气流的流速和转子的转速相匹配的其相应的风门片10的开启工作状态。
在所选的预定气压时，风门片10被迫在其与轮辐20所形成的出口上开启其气流密封接触，从而允许从转子通入空气。这样依次减小了在径流转子内的静压，并由此减小了处于强风下的转子原本会产生的驱动转矩。另一方面，在转子转动期间，风门片10的强气流转动通过连接的绳索23传递给与其相关的相应叶片16以增大叶片的倾角。这样增大了叶片16之间的间隙，该间隙还可从转子的内部再进一步排出空气，并减小内部的静压。
叶片16的倾角急升(steeper)也可减小转子9因风速加大而逐渐连续增高的转速。与此同时，离心力作用在均衡块14上以开启加强作用的风门片，以便在风足够大的时候，风门片10最终移至与叶片16的最大倾角位置29相对应的完全开启的位置28。开启的风门片10的上述极限位置和羽状叶片16的作用在于减小转子负荷、水塔架支座阻力负荷以及减小相对于风速的转速。
图6所示为本发明的一个实施例，其中被动响应叶片30与风门片10不是互连的，但它是自连而成羽状摆动的。在这个实施例中，叶片30的气动力中心31是被翼型设计成位于梁19的后部。气动力负荷顺时针转动叶片，该叶片的转动是由固定于转子9并连接至叶片30的导边附近的弹簧32来限制的。制动件33限制了叶片30的逆时针转动。配置均衡块34是为了确保与叶片的下侧相平衡，由于转子转动的离心力作用在均衡块上而起到增大气动力负荷的作用。由于叶片的倾角增大且因叶片30的攻角逐渐变小而气动力减小的原因，作用在均衡块34上的离心力逐渐变得更显著。于是，当风速和/或转子9的转速增大时，叶片的倾角最终达到如图中长划虚线所示标号为35的叶片30极限位置，从而导致转子上的负荷减小。可认识到的是通过将叶片倾角反过来后，由曲线矢量箭头所表示的转子的旋转方向也是可相反。
图7和图8所示为本发明的另一实施例，其中配备用于将风门片36连至叶片53的、在其端头具有诸如滚珠接合或球窝接合的可调接头的杆或棒的刚性连接件系统，该可调接头在图8中由位于杆或棒的端头上的未编号的圆来表示。举一单个风门片的例子，从风门片36延伸的互连杆37由连杆38和39连接至从叶片53的每端经过位于转子52后壁中的弧形槽41伸出的棒40。当风门片36开启时，各叶片53绕着靠近叶片的导边的连接枢轴梁45转动以增大极限倾角。当风门片36升至图8中所示的虚线位置47时，叶片位于如图所示的虚线位置46上。由一对铰接支架49支承的扭转弹簧48在低风速时抵着转子52的排气口51将风门片36保持在闭合状态。取决于风门片的重量和所需的转子52的设计性能，可在风门片36上选配一配重50。
在运行中，风门片36是弹簧偏置使之最初在预定的气压时开启，但是当转子旋转时，转子组件及风门片的转动离心力协助风门片的进一步开启。强风的能量释放由作用在风门片组件上以起到限制强风的作用的限速器的作用的离心力来实现的。换句话说，当出现强风时，该强风首先抵制弹簧用以保持风门片的闭合状态的偏置作用，但当旋转起来时，作用在各风门片组件上的旋转离心力进一步开启风门片，并消除原本会使旋转速度增加的风的附近作用。于是，在流经风门片的强风的释放与风门片36的旋转离心力之间建立了一种平衡。那就是，由于由空气流经风门片36的旁路而不流经叶片16引起的转子转速的减小而风门片与配重组件的离心力也就减小，从而产生了转速调整。
除了这种用于速度调节的空气流经风门片36的旁路之外，叶片53可做成位置可自动调整以调节流经它们之间的空气数量。在这方面，通过诸如弹簧偏置各羽状叶片可建立不同的转子转速时在其间空气释放程度不同的预定模式。即，通过叶片自动的羽状摆动可以减弱原本会引起转子的高速旋转的较强风力的影响。
于是，可采用三种机械装置以调整强风下转子转速。这些同时或依次起作用的机械装置即为可开启的风门片、羽状叶片和可定位的配重。为释放空气而开启位于转子后部的风门片36会引起叶片53同时发生羽状摆动，或者一片在另一片之前运行工作，或者都取决于与各相关的弹簧的拉力来调节涡轮机的转速。在这方面，叶片与风门片可通过根据特定的使用地区中的气候变动情况选用部件的调整来设定，当风速增加时，叶片的羽状摆动将发生在风门片开始开启之前或者之后，或者与风门片的开启同时发生，或者不是风门片就是叶片在对方开始开启之前首先开启至它们的最大开启位置。
风门片可设置成通过配有安装在每片风门片36的背部的配重50来起到对转子转速作反应的作用。风门片36与配重50组件的旋转离心力可设置成按照配重50和它们相应的风门片36的位置来确定的转速模式来开启风门片36。在这方面，每块配重50可以其在各风门片36上的位置，也可以其从风门片的背部凸出的程度来调整，还可以它们相对于风门片的枢轴线的高度位置来调整。当风门片在转子转动期间移开时，配重绕风门片铰链的力臂增大，并且它们绕转子轴线旋转的旋转半径也增大了。从而，可选择并调整作用在与配重相组合在一起的风门片36上的偏置弹簧，以便施加一随转子转速的变化成非线性的力以避免风门片瞬间的全开启，并且不再需要一极小的转速来使其恢复闭合。由此，风门片36和与其相关的配重50组件(mass)的离心力变化表现为其排出空气的效能高低，用以调节转子52的转速。因此，可以根据试验和偏差调整以及均衡块14的定位所确定的结果来建立所需要的运行模式。
在其它的情况下，诸如在可预测地区经常会发生的是较低的最大风力时，可拆除安装在风门片上的配重，单单是各风门片上的弹簧48的偏置作用就足以提供必要的调节范围以使风门片在将遇到的最强风力下全开启。
鉴于上述，可以理解的是，本公开发明在其概括原理的大范围中进行许多改变。因此，在揭示并描述特定的较佳实施例的同时，还要通过附加的权利要求来涵盖所有在本发明的实质精神与范围中的多种变化。