无轴式水平轴线风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及机械工程领域，尤其涉及无轴式水平轴线风力涡轮机。


背景技术：

2.在不依赖风场或风场弱的国家，诸如从通风系统排出的空气之类的非自然风源代表了用于发电的高潜力风力资源。非自然风源的示例有从农场的通风系统、制造工厂的冷却器和居住区域的空调冷凝器排出的空气。当以自然风为基准时，从这些通风系统排出的空气的风速具有所需的稳定性和强度。在距排放点5cm的距离处测量的风速范围为5m/s至10m/s。
3.一般来说，常规水平轴线风力涡轮机主要由叶片、轴和发生器组成。常规水平轴线风力涡轮机设计成利用自然风发电。水平轴线风力涡轮机的轴与风的方向平行。涡轮机叶片组装在轴上，并垂直于风的运动。涡轮机叶片是吸收风并将动能转化为机械能以将力传递给轴的零件。然后，轴产生扭力来使发生器旋转来发电。
4.尽管如此，传统风力涡轮机存在如下局限性：由于排出的空气倒流回通风系统而导致传统风力涡轮机往往对通风系统的效率产生负面影响，以及传统风力涡轮机不方便被安装或装配到有限可用区域中的通风系统，特别是在城市环境中的通风系统。传统风力涡轮机需要安装在距离通风系统的风发生器至少2米(m)处，以满足通风系统的标准要求。另外，当通风扇的电机安装在靠近通风系统的风发生器时，会消耗更多的电流。这会直接影响整个系统的能源成本。传统风力涡轮机的电力输出受到发生器的尺寸和涡轮机叶片的直径的限制。传统水平轴线风力涡轮机的涡轮机叶片的直径必须大于发生器的尺寸，以产生扭力来驱动发生器的轴。所以，传统水平轴线风力涡轮机不能被广泛使用，因为利用从通风系统排出的空气发电不是一种划算的解决方案。
5.许多发明人已提出了利用通风系统的排出空气发电的想法，但是没有明确的解决方案来解决水平轴线风力涡轮机的限制，诸如公开为wo2017/20054a1、us6365985b1、wo2011/153012a1、wo2012/149347a2、us2012/0280503a1、us005512788a、jp2010185445a、us8939724b2和us2011/0293419a1的专利。上述专利是基于传统水平轴线风力涡轮机利用通风系统发电的方法设计的，并且需要涡轮机和通风机之间的安装距离处于从20厘米(cm)到1.5米(m)的不同范围，这使得涡轮机不便于安装或装配到有限可用区域中的通风系统，特别是在城市环境中的通风系统。因此，有必要将传统方法和新方法整合到风力涡轮机的创新设计和成本效益中，该风力涡轮机可以利用从工业领域、私营企业和城市地区的通风系统排出的空气发电，以实现能源的可持续发展。


技术实现要素：

6.本发明涉及用于利用流体的流动发电的无轴式水平轴线风力涡轮机。无轴式水平轴线风力涡轮机的主要部件由定子和转子组成。定子的主要部件由一组铜线圈组成，这些铜线圈沿定子框架的圆形周缘安装并以星形连接(三相)电路电连接。转子的主要部件由至
少一组涡轮机叶片、滚轮和磁体组组成。涡轮机叶片具有优化的涡轮机叶片保持件的钝角(θ
t
)和涡轮机叶片保持件与涡轮机叶片之间的旋转角(θr)，以在无轴式水平轴线风力涡轮机的中部形成形状像喷嘴的敞开通道。装配在转子框架上的滚轮用于在排出空气的气流流过叶片组时允许转子旋转并进行定位控制以被保持在定子框架中。每个磁体组由磁体和磁体保持件组成。它们附接到转子框架。当转子的磁体组旋转穿过固定在定子框架上的线圈组时，无轴式水平轴线风力涡轮机可以发电。
7.shwt的原理是利用人造流体流动、诸如通风系统的废气、来发电；以使当利用废气时对通风系统的性能的不利影响最小；以及能够在有限空间中实施。此外，保持从系统的流体通风的效率以满足设计标准。流体流动流发生器的能源成本与未安装无轴式涡轮机的系统没有区别。而且，无轴式水平轴线涡轮机具有比带有相同转子直径的传统水平轴线涡轮机产生更多电力输出的高潜力。无轴式涡轮机能够应用于任何流体流动流诸如自然风、从通风系统排出的空气、通过机械动力单元或重力作用通过管道排出的液体等。
附图说明
8.在此，仅以示例的方式、参考随附附图来描述本发明，其中:
9.图1以立体图示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的零件的一个示例。
10.图2示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的定子和转子的一个示例。
11.图3示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的定子的一个示例的分解图。
12.图4示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的转子的一个示例的分解图。
13.图5示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的线圈组的零件的一个示例。
14.图6示出了线圈组在无轴式水平轴线风力涡轮机的定子结构上的安装方式的一个示例。
15.图7示出了用于无轴式水平轴线风力涡轮机的线圈组连接的以星形连接(三相)电路形式的电路连接的一个示例。
16.图8示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的叶片组的零件的一个示例。
17.图9示出了用于无轴式水平轴线风力涡轮机的叶片的一个示例的横截面图。
18.图10示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的滚轮组的零件的一个示例。
19.图11示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的一个示例的放大图。
20.图12示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的另一示例的放大图。
21.图13示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的零件的尺寸的比例的一个示例。
22.图14示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的零件和流体流动流发生器之间的尺寸比例的一个示例。
23.图15示出了在没有有限空间的安装问题的情况下，无轴式水平轴线风力涡轮机的安装方式的一个示例。
24.图16示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的安装定位的一个示例。
25.图17示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的安装方式的一个示例。
具体实施方式
26.图1和图2以立体图示出了根据本发明的用于利用流体的流动流发电的无轴式水
平轴线风力涡轮机的零件的示例，该无轴式水平轴线风力涡轮机包括定子(2)和转子(3)。
27.图3示出了根据本发明的用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机的定子(2)的一个示例的分解图，该定子(2)包括：
28.定子框架(4)，该定子框架(4)优选地由塑料、亚克力或铝制成，具有任意形状的多个薄板，该多个薄板包含有比转子(3)更大的圆形形状的孔口，具有间隙来帮助附接到转子框架(19)上的滚轮单元(14)的支撑滚轮(34)和承重滚轮(35)、帮助转子(3)在定子框架(4)内旋转，
29.其中，定子框架(4)具有绕孔口设置的多个塞孔，用于支撑多个线圈螺钉(10)，通过扭力使螺钉穿过定子框架(4)上的孔，从而将多个线圈组(23)附接到定子框架(4)；
30.线圈组(23)，根据图5，该线圈组(23)包含漆包导电线圈，该漆包导电线圈卷绕成空芯型(5)，为中间中空的方形线圈，其中，线圈组(23)包覆有防导电材料或者防化学反应材料(6)，该防导电材料或者防化学反应材料(6)由非导电和防腐树脂制成，以防止与包覆有空芯绝缘体的导电线圈(5)发生电反应或者化学反应，并且附接到多个l形线圈保持件(7)，其中，l形线圈保持件(7)的较短部分包含用于连结线圈组(23)与定子框架(4)的孔，并且l形线圈保持件(7)的较长部分包含用于连结包覆有空芯绝缘体的导电线圈(5)的多个孔，从而形成为将被安装在绕定子框架(4)的孔口的多个孔处的一线圈组(23)，
31.其中，根据图6，多个线圈组(23)依次排列成圆形，并以星形(y)连接的三相电路电连接，该三相电路将所有线圈组(23)分成3组，其中，第一组(li)包含c1、c4、c7、c10、c13、c16、c19、c22、c25、c28、c31和c34的线圈组(23)，第二线圈组(l2)包含c2、c5、c8、c11、c14、c17、c20、c23、c26、c29、c32和c35的线圈组(23)，并且第三组(l3)包含c3、c6、c9、c12、c15、c18、c21、c24、c27、c30、c33和c36的线圈组(23)，其中，所有线圈组以如下方式相互连接：通过分别将第一线圈的一个端部连接到第二线圈的一个端部，将第二线圈的另一端部连接到第三线圈的一个端部，并且将第三线圈的另一端部连接到下一线圈的一个端部，直到到达每组的最后的线圈，从而以串联电路的形式将每个线圈的端部与端部连接在一起，并且然后通过将三组线圈组(23)的最后的线圈连接在一起并且将三组线圈组(23)的第一线圈连接在一起的方式将三组线圈组(23)连接在一起并且连接到控制单元(8)；
32.控制单元(8)，该控制单元(8)为盒子，控制单元(8)内包含电路板和电子设备，安装在定子框架(4)上，决定产生供使用的生产电力；以及
33.罩(9)，该罩(9)呈圆形形状，两端开口，用于支持流体的流动，其中，罩(9)的基部具有用于将罩与定子框架(4)连结的多个孔，罩的直径大于组装后的线圈组(23)的外周缘的直径，其中，罩被限定成防止定子(2)的零件可能发生的缺损，并且通过多个罩螺钉(11)和垫圈(12)附接到定子框架(4)，该垫圈(12)被限定成接收和分配螺钉的负载以及防止罩的孔可能发生的被螺钉的损坏。
34.图4示出了无轴式水平轴线风力涡轮机的转子(3)的零件的一个示例，该转子(3)包括：
35.叶片组(13)，该叶片组(13)具有多个叶片(24)，为如图9所示的任何形状，其中，叶片(24)的横截面形状为矩形(9a)、弧形(9b)、早期翼型(early airfoil)(9c)、晚期翼型(later airfoil)(9d)、克拉克“y”翼型(9e)、层流翼型(9f)、圆弧翼型(9i)或双楔翼型(9i)中的一种，叶片(24)被限定成与风相冲撞来旋转叶片，以将动能转化为机械能的方式来将
力传递到转子(3)，
36.优选地，叶片(24)由塑料、亚克力、铝或者包覆有金属的镀铝锌钢板制成，叶片(24)的厚度至少1毫米(mm)以维持叶片(24)的耐用性并且在被风吹击时不会扭曲和变形，
37.叶片(24)连接到叶片保持件(26)，叶片保持件(26)为中空圆柱形管，该中空圆柱形管在中空圆柱形管的表面上包含用于附接螺钉(27)的至少一个孔，叶片保持件(26)被限定成保持叶片附接轴(25)，该叶片附接轴(25)使叶片(24)可旋转地扭动以形成锐角(θr)(33)，从而使得源自流体流动流发生器(39)的流体(40)形成流动流来与叶片(24)冲撞并旋转转子(3)；
38.叶片附接轴(25)，该叶片附接轴(25)为较长的杆，该杆在一个端部处具有孔，叶片附接轴(25)可以可旋转地扭动以相对于转子附接轴(28)形成钝角(θ
t
)(32)，转子附接轴(28)为较短的杆，在一个端部处具有相对设置的两个孔来附接至螺钉(29)和螺母(30)，其中，在转子附接轴(28)的中空芯部处沿杆有多个孔以减轻负载、强化轴(28)并防止轴(28)在使用过程中可能发生的损坏，
39.其中，叶片(24)通过粘附材料(31)粘附到叶片保持件(26)上，粘附材料(31)为薄板，优选地选自高强度粘附剂，即万能胶、环氧树脂、硅胶或者亚克力胶，或者其他焊接材料，即铁、锌、铝或塑料，以及
40.其中，叶片附接轴(25)和叶片保持件(26)优选地由塑料、亚克力、金属或木材制成，以及
41.其中，叶片组(13)的零件能够被部分地制造并组装成叶片组，或者能够通过模制、铣削、切割、3d注塑或3d打印制造为一个工件；和
42.滚轮单元(14)，如图10所示，该滚轮单元(14)具有
43.多个支撑滚轮(34)，该支撑滚轮(34)在一个边缘处为具有倾斜外环表面的厚环以支撑两个轴，附接到多个承重滚轮(35)，该承重滚轮(35)优选地由天然橡胶或合成橡胶制成，从而帮助转子(3)在当旋转时不打滑的情况下在定子框架(4)内旋转；
44.滚珠轴承(36)，该滚珠轴承(36)附接到支撑滚轮(34)和承重滚轮，被限定成在转子(3)的旋转期间使滚轮单元(14)的摩擦和旋转刚度最小；和
45.滚轮轴(37)，该滚轮轴(37)为杆，在一个端部处附接到转子框架(19)的孔，并且被扭动以在另一端部处与支撑滚轮(34)、承重滚轮(35)和滚珠轴承(36)附接到转子框架(19)，并且使滚轮单元(14)旋转。
46.根据图4，在转子框架(19)的两侧上、在转子框架的孔处至少安装三组滚轮单元(14)，其中，转子框架(19)为具有中空芯部的环，以接收从通风系统(41)通风的流体的流动流，并且流体能够流过无轴式涡轮机以在不流回流体流动流发生器(39)的情况下利用流体的流动流发电，
47.其中，转子框架(19)具有用于安装滚轮单元(14)的多个孔，通过多个滚轮螺母(22)和插穿转子框架(19)上的孔的滚轮轴(37)安装滚轮单元(14)，滚轮单元(14)被限定成控制整个转子(3)在定子框架(4)的框架内旋转；
48.其中，多个叶片组(13)通过在作为流体流动流的外部位置的一侧上的、被插入到转子框架(19)的孔的多个转子附接轴(28)并且通过在另一侧上的叶片附接螺母(21)，沿转子框架(19)的半径同样地布置并对齐；和
49.多个磁体(15)，该磁体(15)为矩形杆，被限定成产生与线圈相交的磁力线以产生感应电动势(emf)，被安装在与磁体的数量相同的多个磁性拾取金属板(16)上，该磁性拾取金属板(16)包覆有厚度等于或者大于磁体(15)的厚度的防锈剂或漆，并且附接在中空磁性附接框架(17)的外周缘处，该中空磁性附接框架(17)利用多个l形转子框架的保持件(18)与转子框架(19)连接，其中，较短部分包含用于通过多个螺钉(20)连结转子框架(19)的孔，并且较长部分包含用于通过粘附材料在中空磁性附接框架(17)的内周缘处连结中空磁性附接框架(17)的多个孔；
50.其中，磁体(15)被附接到框架(17)和转子框架保持件(19)，圆周地运动穿过安装在定子框架(4)上的线圈组(23)，从而产生供使用的电力，其中，磁性拾取金属板(16)起到将磁体(15)的磁力线反射以流入线圈组(23)的侧部的作用，以增加作用在线圈组(23)上的磁场强度并产生更多的电力。
51.用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机，其特征在于：
52.叶片(24)可以可旋转地扭动，以在叶片附接轴(25)与转子附接轴(28)之间形成钝角(θ
t
)(32)，并且在叶片(24)和叶片附接轴(25)之间形成锐角(θr)(33)，从而使得叶片弯曲到与流体流动的方向相同的外部位置；以及
53.叶片(24)具有给定的长度，从而形成空间(38)，空间(38)的直径dh是涡轮机的直径d
t
的至少四分之一，根据图13，流体(40)的流动流是利用通风系统(41)来流通的，以如图14所示的在不流回流体流动流发生器(39)的情况下利用流体流动到外部位置并且驱动转子(3)旋转而发电。
54.用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机能够应用于任何流体流动流，诸如自然风，带有风扇的通风系统排出的空气或者通过机械动力单元或重力作用等通过管道排出的液体，该带有风扇的通风系统排出的空气是将流体流动从一个位置通风到另一位置的动力源。
55.图15示出了在没有有限空间的安装问题的情况下，用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机的安装方式的一个示例。此外，根据本发明，具有较小尺寸的无轴式水平轴线风力涡轮机能够放置在较大涡轮机的旁边，以便接收从较大涡轮机(41)流通的流体流动气流，该流体流动气流作为动力源来驱动转子(3)进一步发电。
56.图16示出了根据本发明的用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机的安装位置的一个示例，其中，涡轮机能够安装在从流体流动流发生器(39)如图16a所示的在水平轴线上通风的流体流动的方向上，或者如图16b所示的在竖直轴线上自下而上通风的流体流动的方向上，或者如图16c所示的在竖直轴线上自上而下通风的流体流动的方向上，其中，无轴式水平轴线风力涡轮机和流体流动流发生器(39)的叶片之间的距离(g)为2毫米(mm)或大于2毫米。
57.图17示出了根据本发明的用于利用流体的流动流发电的无轴式水平轴线风力涡轮机的安装方式的一个示例，其中，如图17a所示，涡轮机能够利用涡轮机保持件(42)被安装成直接附接到流体流动流发生器(39)，或者，如图17b所示，涡轮机能够安装在与流体流动流发生器独立地分开的地板上的安装基部(43)上或者抵靠与流体流动流发生器独立地分开的壁(44)安装。