CN101283182A - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种设计水平轴风力涡轮机转子的方法。该方法将促动盘分析与叶栅风扇的设计方法结合起来以限定叶片特征，所述特征包括叶片的形状和大小，从而使得能以最低转速从气体中获取最大量的能量。还披露了一种风力涡轮机的制造方法和根据该方法设计的涡轮机。

Description

风力涡轮机

技术领域

本发明大体上涉及风力涡轮机。具体地，本发明涉及小型、低速、水平轴风力涡轮机。

背景技术

随着对全球气候变暖的关注，利用风力发电已引起人们越来越多的兴趣。为了这个目的，而非农业目的，最近几十年研制的风力涡轮机总体上造得非常庞大、复杂和昂贵。“高速”型的现代水平轴风力涡轮机，如用于大规模发电的那种，一般包括两个或三个直径为100米或更大的螺旋桨式叶片。这种涡轮机的叶尖速比通常在7.0左右。

相反，小型“低速”涡轮机也得到了发展，而且这些涡轮机通常包括更多数量的较小型叶片。Cobden在美国专利第4415306号和澳大利亚专利第563265号中披露了这种涡轮机的一种示例(下文中称为科布登涡轮机)。这种科布登涡轮机在制造方面远不及一般的高速发电涡轮机复杂和昂贵，但是它的效率也差很多。

风力涡轮机可得到的理论最大输出功率由下式确定

${\mathrm{Power}}_{\mathrm{MAX}}=C_P\mathrm{\ρ}{\mathrm{AV}}_A^3---\left(a\right)$

其中，性能系数是

C_P＝16/27或0.59左右。

高速运行是希望产生最大功率，即性能系数接近理论最大值。然而，在高风速时，必须使用复杂的限速机构以防止涡轮机自毁。这种机构可以转动或者卷收全部或部分叶片以便减少对风能的捕获。

另一方面，科布登涡轮机转动非常缓慢，仅有大约0.6的叶尖速比。其在运行过程中非常安静，而且固定叶片的结构简单。其不需要复杂的控制机构来防止超速，但其性能受到了限制。

因此，本发明的一个目的是提供一种小型、低速风力涡轮机，该涡轮机高效、便宜并且坚固。

在上下文中，术语“小型”应该理解为表示涡轮机转子的直径小于大约10米。术语“低速”表示转子的转速小于每分钟大约400转，而术语“高效”表示涡轮机的输出功率接近理论最大值。

设计风力涡轮机有几种已知的方法。以下简要说明由Wilson[1995]描述的这些方法中的其中两种。

1、促动盘理论。水平轴风力涡轮机(HAWT)的最简单模型是：其涡轮机转子由从风力中获取能量的促动盘代替。当风力在逆风侧冲击促动盘时，那里的压力上升，并且风力从盘转向离开，引起盘下游的较大尾流。促动盘理论把越过盘时的压力降与尾流尺寸的变化和能从风中获取的能量联系在一起。Rankine[1865]，R.Froude[1889]和W.Froude[1878]是促动盘理论，尤其是关于船舶螺旋桨设计的促动盘理论的早期开创者。他们的理论不包括尾流旋转的影响，该影响后来由Joukowski[1918]加入。后来，Glauert[1935]发展了对最佳HAWT转子的简单促动盘分析。促动盘理论符合上述涡轮机最大功率的方程式(a)，然而，没有进一步设计理论的情况下促动盘理论不符合转子几何学。Wilson[1995]披露了一种运用叶片元素理论来达到此目的的方法，他的方法与本发明所运用的方法有些类似。

2、薄片理论，或改良的叶片元素理论。如Wilson所述：

“叶片元素理论”是Froude[1878]提出的，后来被Drzewiecki[1892]进一步发展。叶片元素理论的方法与动量原理的方法相反，因为它关注的是由流体运动导致叶片产生的力。现代转子理论是从旋转叶片产生自由涡流的概念发展起来的。这些涡流限定了滑流并产生诱导速度。……已经发现薄片理论方法适用于风力机械性能的分析。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种设计水平轴风力涡轮机的方法。该方法将促动盘分析与叶栅风扇的设计方法结合起来以限定叶片特征，所述叶片特征包括叶片的形状和大小，从而使得能以最低转速从气体中获取最大量的能量。

本发明的另一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机的转子。该转子具有毂和多个从毂处放射状延伸出来的长形叶片。这些叶片形成的形状使得运行过程中，在任何选定的沿着叶片长度方向的径向位置上，沿叶片旋转方向离开叶片的气体切向分速度C_U与转子的上游轴向风速V_A相除的比率由下式确定：

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}$

其中λ是选定径向位置处的局部速比，并由下式确定：

$\mathrm{\λ}=\frac{U}{V_A}$

其中U是选定径向位置处的叶片圆周速度。

在优选实施方式中，在选定径向位置处，叶片弦长c由下式确定：

c＝s×S

其中

s是叶片的间距，并由下式确定

$s=\frac{2\mathrm{\πr}}{Z}$

其中r是选定径向位置处的半径，Z是叶片的个数，并且，其中

S是密实度，并由下式确定：

$S=\frac{2\cos \left({\mathrm{\β}}_m\right)(C_U/V_A)}{\left(\frac{2}{3}\right)(C_L-C_D\tan \left({\mathrm{\β}}_m\right))}$

其中

β_m是气流相对于叶片的平均角，并由下式确定

tan(β_m)＝0.5(tan(β₁)+tan(β₂))

其中

β₁是相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定：

$\tan \left({\mathrm{\β}}_1\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{\frac{2}{3}}$

β₂是相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定：

$\tan \left({\mathrm{\β}}_2\right)=\frac{3(\mathrm{\λ}+C_U/V_A)}{2}$

其中C_L是升力系数，并由下式确定：

C_L＝C_Lh+f×(C_Lt-C_Lh)

并且，C_D是曳力系数，并由下式确定：

C_D＝C_Dh+f×(C_Dt-C_Dh)

其中

C_Lh是在毂处的选定叶片升力系数

C_Lt是在叶尖处的选定叶片升力系数

C_Dh是在毂处的选定叶片曳力系数

C_Dt是在叶尖处的选定叶片曳力系数

f是选定径向位置处的半径百分率，并且f在毂处等于0，在叶尖处等于1。

优选地，各叶片是弯板翼型，且在选定径向位置处，翼型的中心线弯曲角θ由下式确定：

$\mathrm{\θ}=\frac{(C_L-A_1\×i-C_1)}{B_1}$

其中A₁，B₁和C₁是下列常数

A₁＝0.0089deg^-1

B₁＝0.0191deg^-1

C₁＝0.0562

而i是气体冲向叶片的入射角且由下式确定

i＝i_h+f×(i_t-i_h)

其中

i_h是叶片毂处的选定入射角

i_t是叶尖处的选定入射角。

采用简单的弯板翼型的优点在于它们造价低，从而使结构简单并且坚固的涡轮机的造价低。有利的是，翼型的中心线弯曲角θ从叶尖处的10-15度变为毂处的25-30度。

在选定径向位置处，从涡轮机转动轴开始的叶片弦的安装角ξ优选地由下式确定

ξ＝β₁+i。

有利地，安装角ξ从毂处的60度左右变为叶尖处的80度左右。

在优选实施方式中毂具有相对大的直径。优选的，毂的直径为在叶尖处测量的转子直径的40％和50％之间，且是实心的以防止空气越过毂。因而毂起着迫使更多气体从叶片越过的作用，这样可以从风中获取更多的能量。有利的是，毂的直径是转子直径的45％。

本发明的另一个方面是提供一种确定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，涡轮机包括具有毂和多个从毂放射状延伸出来的长形叶片的转子。该方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值

叶片数                Z

毂直径                D_h

叶尖直径              D_t

叶尖速比              λ_t

远上游风速            V_A

b)沿着叶片长度方向选定径向位置；

c)基于选定的设计参数值计算选定径向位置处的局部速比λ；

d)运用下式计算沿叶片旋转方向离开叶片的气体切向分速度C_u与转子的上游轴向风速V_A相除的比率：

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}$

e)根据比率C_u/V_A，计算选定径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和从涡轮机转动轴开始的叶片弦的安装角ξ；以及

f)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(e)以计算该替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而沿着叶片的长度方向限定叶片特征。

优选地，该方法包括进一步的步骤，为设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(f)，以优化叶片特征从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

更具体地，本发明的另一方面是提供一种限定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从毂放射状延伸出来的长形叶片的转子。该方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值：

叶片数                      Z

毂直径                      D_h

叶尖处直径                  D_t

叶尖处速比                  λ_t

远上游风速                  V_A

叶片毂处叶片升力系数        C_Lh

叶尖处叶片升力系数          C_Lt

叶片毂处叶片曳力系数        C_Dh

叶尖处叶片曳力系数          C_Dt

叶片毂处入射角              i_h

叶尖处入射角                i_t

b)在λ_t、V_A和D_t的基础上计算叶片转速N

c)计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f，

其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于1；

d)根据f、D_t和D_h计算选定径向位置处的半径r；

e)在Z的基础上计算叶片间距；

f)在N的基础上计算选定径向位置处的叶片速度U；

g)在U和V_A的基础上计算局部速比λ

h)运用下式计算沿叶片旋转方向离开转子的无量纲气体切向分速度比率C_u/V_A

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}$

i)计算相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₁

j)计算相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₂

k)根据β₁和β₂计算相对于叶片的气流的平均角β_m

l)根据f、C_Lh和C_Lt计算升力系数C_L

m)根据f、C_Dh和C_Dt计算曳力系数C_D

n)根据β_m、C_u/V_A、C_L和C_D计算所需的密实度S

o)基于S和s计算所需的叶片弦长c

p)基于f、i_h和i_t计算气体冲向叶片的入射角i

q)在C_L的基础上计算中心线弯曲角θ

r)在β₁和i的基础上计算从涡轮机轴开始的叶片弦的安装角ξ

s)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而限定沿着叶片长度方向的叶片特征。

再一次，该方法优选地包括进一步步骤如下，为设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s)，以优化叶片特征从而使得以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

更具体地，本发明的另一方面是提供一种限定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，其中各个叶片是具有圆弧截面的弯板翼型。该方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值：

叶片数                        Z

毂直径                        D_h

叶尖处直径                    D_t

叶尖处速比                    λ_t

远上游风速                    V_A

叶片毂处叶片升力系数          C_Lh

叶尖处叶片升力系数            C_Lt

叶片毂处叶片曳力系数          C_Dh

叶尖处叶片曳力系数            C_Dt

叶片毂处入射角                i_h

叶尖处入射角                  i_t

b)运用下式计算叶片转速N

$N=\frac{60{\mathrm{\λ}}_t{V}_A}{{\mathrm{\πD}}_t}$

c)计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f，其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于1；

d)运用下式计算选定径向位置处的半径r

r＝R_h+f×(R_t-R_h)

其中

R_h是毂处的转子半径，并且

R_t是叶尖处的转子半径；

e)运用下式计算叶片间距s；

$s=\frac{2\mathrm{\πr}}{Z}$

f)运用下式计算选定径向位置处的叶片速度U；

$U=\frac{2\mathrm{\πrN}}{60}$

g)运用下式计算局部速比λ

$\mathrm{\λ}=\frac{U}{V_A}$

h)用下式计算沿叶片旋转方向离开转子的无量纲气体切向分速度比率C_u/V_A

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}$

i)由下式计算相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₁

$\tan \left({\mathrm{\β}}_1\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{\frac{2}{3}}$

j)由下式计算相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₂

$\tan \left({\mathrm{\β}}_2\right)=\frac{3(\mathrm{\λ}+C_U/V_A)}{2}$

k)由下式计算相对于叶片的气流的平均角β_m

tan(β_m)＝0.5(tan(β₁)+tan(β₂))

l)运用下式计算升力系数C_L

C_L＝C_Lh+f×(C_Lt-C_Lh)

m)运用下式计算曳力系数C_D

C_D＝C_Dh+f×(C_Dt-C_Dh)

n)由下式计算所需的密实度S

$S=\frac{2\cos \left({\mathrm{\β}}_m\right)(C_U/V_A)}{\left(\frac{2}{3}\right)(C_L-C_D\tan \left({\mathrm{\β}}_m\right))}$

o)由下式计算所需的叶片弦长c

c＝s×S

p)运用下式计算气体冲向叶片的入射角i

i＝i_h+f×(i_t-i_h)

q)运用下式计算圆弧叶片的中心线弯曲角θ

$\mathrm{\θ}=\frac{(C_L-A_1\×i-C_1)}{B_1}$

其中A₁、B₁和C₁是如下常数

A₁＝0.0089deg^-1

B₁＝0.0191deg^-1

C₁＝0.0562

r)运用下式计算从涡轮机轴开始的叶片弦的安装角ξ

ξ＝β₁+i

s)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算在替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而沿着叶片长度方向限定叶片特征。

再一次，该方法优选地包括进一步步骤如下，为设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s)，以优化叶片特征从而使得以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

本发明的又一方面是提供一种制造水平轴风力涡轮机的转子的方法，该转子具有毂和多个从毂放射状延伸出来的长形叶片。该方法包括以下步骤：

根据任意一种以上方法限定叶片特征；以及

制造转子，转子包括具有上述限定特征的叶片。

本发明又一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机的转子。该转子包括具有由上述方法之一限定的特征的叶片。

本发明又一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机，该涡轮机包括具有毂和多个从毂处放射状延伸出来的长形叶片的转子。该叶片具有由上述方法之一限定的特征。

附图说明

现在参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。可以理解，该实施方式仅仅是作为示例给出的，而且本发明不限于该示例。在图中：

图1显示的是根据本发明优选实施方式的风力涡轮机的立体图；

图2显示的是图1中所示转子在切向平面上的速度向量的示意图；

图3显示的是根据本发明方法的优选实施方式的风力涡轮机设计计算的示例；以及

图4显示的是根据本发明优选实施方式制造的涡轮机模型的测试性能。

具体实施方式

参照附图，图1显示的是根据本发明优选实施方式设计的水平轴风力涡轮机的转子10。该转子10包括毂12和多个从毂12放射状延伸出来的叶片14。该叶片14形成的形状使得在运转过程中，在沿着叶片长度方向的任意选定的径向位置处，沿叶片旋转方向离开叶片的气体切向分速度C_U与转子的上游轴向风速V_A相除的比率由下式确定：

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}$

其中λ是选定径向位置处的局部速比，其由下式确定

$\mathrm{\λ}=\frac{U}{V_A}$

其中U是选定径向位置处的叶片圆周速度。

下面对确定叶片形状以达到该要求的过程进行详细说明。该过程的优选形式，仅仅作为示例给出，是专门用于小型、低速、高效的风力涡轮机的设计。该过程的各种变化对于风力涡轮机设计领域的技术人员来说是显而易见的。

该设计过程是个迭代过程。为了简化该过程，发明人发现把设计方程式(如下所述)制成一个Excel^TM电子数据表会方便很多，这样能够使转子叶片的整个设计自动计算。

图2显示的是水平轴风力涡轮机转子在切向平面上的速度向量的示意图。各叶片的形状由沿着叶片长度方向的各位置或各高度处的安装角ξ，叶片弦长c和叶片中心线弯曲角θ确定。

选择如下所列的多个设计参数。然后通过电子数据表自动计算转子叶片的整个设计，并检查是否达到要求。这些要求是指适当的叶片安装角、叶片弦长和从毂到叶尖的各叶片位置处的叶片拱度。修改设计参数直到达到要求。发明人把适当的叶片安装角限定为在毂处60度左右到叶尖处80度左右。在考虑到叶片太小而会太刚性，或者叶片太大太重而会使成本较高并且使转子叶片产生的离心力太大的基础上来估计出适当的叶片弦长。适当的叶片拱度是叶尖处10-15度左右，毂处25-30度左右。

设计参数

设计参数                  符号

叶片数                    Z

毂直径                    D_h

叶尖直径                  D_t

叶尖速比                  λ_t

远上游风速                V_A

叶片毂处叶片升力系数      C_Lh

叶尖处叶片升力系数        C_Lt

叶片毂处叶片曳力系数      C_Dh

叶尖处叶片曳力系数        C_Dt

叶片毂处入射角            i_h

叶尖处入射角              i_t

设计常数

对于简单的弯板翼型：

在下式中，A₁＝0.0089deg^-1  B₁＝0.0191deg^-1  C₁＝0.0562

C_L＝A₁xi+B₁xθ+C₁          (1)

设计方程式和程序

1、首先运用下式计算叶片转速N

$N=\frac{60{\mathrm{\λ}}_t{V}_A}{\mathrm{\π}{D}_t}---\left(2\right)$

2、半径百分率f在0(毂处)到1(叶尖处)的范围内选择。然后该半径由下式确定

r＝R_h+f×(R_t-R_h)            (3)

3、接着运用下式计算叶片间距s

$s=\frac{2\mathrm{\πr}}{Z}---\left(4\right)$

4、随后，选定半径处的叶片速度U由下式确定

$U=\frac{2\mathrm{\πrN}}{60}---\left(5\right)$

5、局部速比λ由下式确定

$\mathrm{\λ}=\frac{U}{V_A}---\left(6\right)$

6、离开转子的无量纲切向分速度比率C_u/V_A由下式确定

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\λ}}---\left(7\right)$

7、相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₁由下式确定

$\tan \left({\mathrm{\β}}_1\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{\frac{2}{3}}---\left(8\right)$

8、相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角β₂由下式确定

$\tan \left({\mathrm{\β}}_2\right)=\frac{3(\mathrm{\λ}+C_U/V_A)}{2}---\left(9\right)$

9、气流相对叶片的平均角β_m由下式确定

tan(β_m)＝0.5(tan(β₁)+tan(β₂))           (10)

10、选定升力系数C_L由下式确定

C_L＝C_Lh+f×(C_Lt-C_Lh)          (11)

11、选定曳力系数C_D由下式确定

C_D＝C_Dh+f×(C_Dt-C_Dh)          (12)

12、然后，所需密实度S由下式计算

$S=\frac{2\cos \left({\mathrm{\β}}_m\right)(C_U/V_A)}{\left(\frac{2}{3}\right)(C_L-C_D\tan \left({\mathrm{\β}}_m\right))}---\left(13\right)$

13、接着，所需叶片弦长c由下式计算

c＝s×S                       (14)

14、气体冲向叶片的入射角i由下式确定

i＝i_h+f×(i_t-i_h)              (15)

15、圆弧叶片的中心线弯曲角θ由下式确定

$\mathrm{\θ}=\frac{(C_L-A_1\×i-C_1)}{B_1}---\left(16\right)$

16、从涡轮机轴开始的叶片弦安装角ξ由下式确定

ξ＝β₁+i                     (17)

17、相对于叶片的气体速度W由下式确定

$W=\left(\frac{2}{3}\right)\left(\frac{V_A}{\cos \left({\mathrm{\β}}_m\right)}\right)---\left(18\right)$

18、叶片雷诺数Re由下式确定

$\mathrm{Re}=\frac{W\×c}{v}---\left(19\right)$

19、叶片圆弧的半径r_bc由下式确定

$r_{\mathrm{bc}}=\frac{0.5\×c}{\sin (0.5\×\mathrm{\θ})}---\left(20\right)$

图3显示的是一个电子数据表，其给出了设计参数示例和有关设计过程优选形式的一般计算。

包含本发明实质的前述特征是如下的设计分析。

根据促动盘理论(轴向动量分析)，在最大涡轮机效率点，

V_AD＝2/3V_A                   (21)

因而越过盘的静态压力降是

$\mathrm{\Δp}=\frac{4}{9}\mathrm{\ρ}{V}_A^2---\left(22\right)$

现在，越过盘的总压力降ΔP由下式确定

$\mathrm{\ΔP}=p_1+0.5\mathrm{\ρ}{c}_1^2-p_2-0.5{\mathrm{\ρc}}_2^2$

所以替代静态压力降Δp和绝对速度c₁和c₂由下式确定

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{\Δp}+0.5\mathrm{\ρ}(V_{\mathrm{AD}}^2-(V_{\mathrm{AD}}^2+C_U^2))$

即

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{\Δp}-0.5{\mathrm{\ρC}}_U^2---\left(23\right)$

本发明的发明人意识到能够假设离开盘的切向分速度C_u小于V_A，即

$C_U^2<<V_A^2$

这允许方程式(23)发展成对于越过盘的总落差ΔH的如下方程式

$\mathrm{\&Delta;P}=\mathrm{\&rho;g\&Delta;H}=\mathrm{\&Delta;p}=\frac{4}{9}\mathrm{\&rho;}{V}_A^2$

从而

$\mathrm{\&Delta;H}=\frac{4}{9}\frac{V_A^2}{g}---\left(24\right)$

最后，运用涡轮机的标准欧拉方程，

gΔH＝C_U U            (25)

替代方程式(24)中的ΔH并重新整理导出方程式(7)，即

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9}\frac{V_A}{U}=\frac{4}{9\mathrm{\&lambda;}}---\left(26\right)$

然后由涡轮机叶栅性能的标准方程式导出方程式(13)

$C_L=2\frac{s}{c}\frac{C_U}{V_{\mathrm{AD}}}\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right)+C_D\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right)---\left(27\right)$

该目的是从风中获取最大量的能量。这种能量包括静态压力分量和速度分量。气流离开转子盘的速度分量包括沿转子轴方向的轴向分量V_AD，和沿叶片运动方向的转动分量C_U。

如上所述，根据促动盘理论，发现最大涡轮机效率要求气体的轴向速度V_AD在转子盘降低至远上游轴向速度V_A的三分之二。这就是方程式21。促动盘理论还确定最大涡轮机效率点是越过盘的静态压力降ΔP由方程式22中的关系限定之处。

由于气体穿过转子盘，所以气体方向变换引起转动分量C_U。当气体冲击叶片，该叶片沿一个方向被推动，而气体被推向相反的方向。因此，在气体穿过转子盘后，它沿着与叶片转动方向相反的方向旋转。该旋转气流中的能量就损失了。所以为了从风中获取最大量的速度能量，希望将切向速度分量C_U保持在最小。

本发明的发明人意识到由于风速在变化，所以转动分量C_U尽可能小很重要，转动分量C_U比轴向风速V_AD和V_A小更加重要。这个关于可变的轴向风速的比率是无量纲的。同时，如果C_U小于V_A，那么C_U ²将更小于V_A ²。这意味着方程式23的第二项相对于该方程式中的第一项而言变得无关紧要，并且可以被忽略。

实际上，发明人已经意识到，为了计算叶片特征，如果你希望切向分速度C_U小于轴向速度V_A，你可以假设它小。这就简化了后面计算叶片形状和大小的方程式。基于这种假设，根据本发明设计过程制造的涡轮机的特征在于叶片的形状符合方程式26中限定的关系(也就是方程式7)。

由于有两个要求相互矛盾，因此要进行折衷。一方面，切向分速度C_U应尽可能比轴向速度V_A(和V_AD)小以从速度分量中获取最大量的能量。这就需要叶片速度尽可能高，因为叶片转动越快，气体穿过转子盘时的转动越少，同时转动损失的能量也越少。这意味着高速运转比低速运转更有效。另一方面，叶片速度应该尽可能低，以使得带有便宜的固定叶片的转子能造得尽可能简单，且不会在疾风中飞散。

图3中电子数据表的21行包括C_U损失与落差ΔH相除的计算。这种损失在叶尖处最低(3.6％)，在毂处最高(19.4％)。该图是发明人在边监控边调整输入的设计参数(电子数据表的3到14行)的情况下作出的。修改这些设计参数直到叶片特征达到要求，该叶片特征包括叶片弦长、中心线弯曲角和安装角。

因而，能够看到，该设计过程采用促动盘理论来导出能从风中获取最大能量的条件。然后，整个设计过程用于找出最低效率运行速度以使得叶片上作用的机械力最小化，这样就避免了涡轮机采用在疾风时使用的卷收设备。

图4显示的是根据本发明设计的直径300mm的涡轮机模型与现有技术科布登涡轮机相对比的测试性能。可以看到本设计的性能系数(Cp)的最大值为0.44左右，这明显优于科布登涡轮机的0.14左右。还可以看到本设计运行得比科布登设计要快，它们的叶尖处速比分别是2.0和0.6。然而，它运转得比一般用于发电的大型、高速类型的风力涡轮机要慢很多，高速类型的风力涡轮机以叶尖速比7.0左右运行。

与高速风力涡轮机相比，可以看到根据本发明制造的涡轮机具有更宽的叶片和更多的叶片数。例如，发明人发现六个叶片优于三个。那些叶片可以由弯曲并扭曲至所需形状的金属片制成，该形状由叶片弦长、中心线弯曲角和安装角的计算值限定。

制造

根据上述过程设计的涡轮机可以采用传统制造技术来制造。例如，曲面翼型叶片可以采用电镀锡板来制造，该电镀锡板由滚扎成型并扭曲至所需的形状。同样的，涡轮机转子的其它部分可以采用传统技术来制造。适合采用的技术对于机械工程领域技术人员来说是显而易见的，这里不必详细说明。

优点

该设计过程的优选形式的优点和根据该过程制造的涡轮机的优点如下：

●实心毂捕获了在其它涡轮机中将会通过毂区域而损失的气体，并且该气体中的能量被涡轮机获取。

●设计方程式的促动盘理论成分使得叶片被设计得能从风中获取最大量的能量。

●叶片设计中对促动盘理论和迭代理论的结合运用制造出了以相对低速高效运行的涡轮机。这意味着涡轮机能抵挡高风速而不会转动太快以致于作用在叶片上的离心力毁坏涡轮机。反过来，这意味着可以使机构设计更简单，避免了昂贵复杂的自动“卷收”或叶尖空气动力制动装置。

可替代方案

虽然这里是对设计过程的优选形式和根据该设计过程制造的涡轮机进行了说明，但风力涡轮机设计领域技术人员可以理解，在不背离本发明基本原理的情况下可作出多种变更和修改。例如，可以采用全轮廓翼型截面的叶片代替通过将平板弯曲成圆弧状而制成的简单翼型。这会改变方程式(1)和(16)的形式，但这些变化仍体现了本发明设计过程的本质。

术语

符号  说明                                单位

A₁    弯板翼型的升力方程式中的常数        deg^-1

B₁    弯板翼型的升力方程式中的常数        deg^-1

c     弦长                                m

c₁    涡轮机盘的总上游速度                m.s^-1

c₂    涡轮机盘的总下游速度                m.s^-1

C₁    弯板翼型的升力方程式中的常数        -

C_D    局部曳力系数                        -

C_Dh   毂处曳力系数                        -

C_Dt   叶尖处曳力系数                      -

C_L    局部升力系数                        -

C_Lh   毂处升力系数                        -

C_Lt   叶尖处升力系数                      -

C_u    沿叶片速度U方向的气体切向分速度     m.s^-1

D_h    叶片毂处转子直径                    m

D_t    叶尖处转子直径                      m

f     百分率                              -

F_h    被毂堵塞的涡轮机正面的百分率        -

g     重力加速度                          9.8m.s^-2

i     气体冲向叶片的入射角                度

i_h    毂处的入射角                        度

i_t    叶尖处的入射角                      度

N     叶片转动速度                        rpm

p₁    涡轮机盘的上游静态压力              Pa

p₂    涡轮机盘的下游静态压力              Pa

r     半径                                m

r_bc   叶片圆弧的半径                      m

r_f    从毂处(0)到叶尖处(1)的半径百分率    -

Re    叶片的雷诺数                        -

R_h    叶片毂处转子半径                    m

R_t    叶尖处转子半径                      m

s     叶片间距                            m

S     密实度＝c/s                         -

U     叶片速度                            m.s^-1

V_A    远上游轴向风速                      m.s^-1

V_AD   转子盘处轴向风速                    m.s^-1

W     相对于叶片的气流速度                m.s^-1

W_h    切向差损/越过涡轮机的总落差         -

W_r    切向分速度/V_AD                      -

Z     叶片数                              -

θ    圆弧叶片的拱度                      度

λ    速比                                -

λ_t   尖端处速比                          -

β₁   上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角    度

β₂   离开涡轮机的气体和转子轴之间的夹角  度

β_m   平均气体夹角                        度

ρ    气体密度＝1.21                      kg.m^-3

ΔH   越过涡轮机盘的总落差                m

Δp   越过涡轮机盘的静态压力差            Pa

ΔP   越过涡轮机盘的总压力降              Pa

ν    气体的动粘滞度＝16x10^-6             m².s^-1

ξ    从涡轮机轴开始的叶片弦安装角        度

参考文献

Froude，R.，E.，[1889]Transactions(会刊)，Institute of NavalArchitects(INA造船学会)，Vol 30：p.390

Froude，W.，[1878]“On the Elementary Relation between Pitch，Slipand Propulsive Efficiency”(间距、滑移和推进效率之间的基本关联)，Transactions(会刊)，Institute of Naval Architects(INA造船学会)，Vol 19：pp.47-57

Glauert H.，[l935]Aerodynamic Theory(空气动力学原理)，W.F.Durand，ed.，Berlin：Julius Springer.

Joukowski，N.E.，[1918]Travanx du Bureau des Calculs et EssaisAeronautiques de l’Ecole Superiere Technique de Moscou

Rankine，W.J.M.，[1865]“On the Mechanical Principles of the Actionof Propellers”(推进器动作的机械原理)，Transactions(会刊)，Institute ofNaval Architects(INA造船学会)，Vol 6：pp.13-30.

Wilson，Robert E.，[1995]Aerodynamic Behaviour of Wind Turbines(风轮机的空气动力学性能)，chapter 5.，Wind Turbine Technology(风轮机技术)，Spera，David A.，ASME Press(美国机械工程师协会刊物)，NewYork.

Claims (19)

1、一种水平轴风力涡轮机的转子，所述转子具有毂和多个从所述毂处放射状延伸出来的长形叶片，所述叶片形成的形状使得在运行过程中，沿着所述叶片长度方向在任意选定的径向位置上，沿所述叶片旋转方向离开所述叶片的气体切向分速度C_U与所述转子的上游轴向风速V_A相除的比率由下式确定：

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\&lambda;}}$

其中λ是所述选定径向位置处的局部速比，并由下式确定：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{U}{V_A}$

其中U是所述选定径向位置处的圆周叶片速度。

2、如权利要求1所述的转子，其中，在所述选定径向位置处，叶片弦长c由下式确定：

c＝s×S

其中

s是所述叶片的间距，并由下式确定

$s=\frac{2\mathrm{\&pi;r}}{Z}$

其中r是所述选定径向位置处的半径，Z是所述叶片的个数，并且，其中

S是密实度，并由下式确定：

$S=\frac{2\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right)(C_U/V_A)}{\left(\frac{2}{3}\right)(C_L-C_D\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right))}$

其中

β_m是气流相对于所述叶片的平均角，并由下式确定

tan(β_m)＝0.5(tan(β₁)+tan(β₂))

其中

β₁是相对于所述叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定：

$\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\frac{2}{3}}$

β₂是相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定：

$\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)=\frac{3(\mathrm{\&lambda;}+C_U/V_A)}{2}$

其中C_L是升力系数，并由下式确定：

C_L＝C_Lh+f×(C_Lt-C_Lh)

并且，C_D是曳力系数，并由下式确定：

C_D＝C_Dh+f×(C_Dt-C_Dh)

其中

C_Lh是在所述毂处的选定叶片升力系数

C_Lt是在所述叶尖处的选定叶片升力系数

C_Dh是在所述毂处的选定叶片曳力系数

C_Dt是在所述叶尖处的选定叶片曳力系数

f是所述选定径向位置处的半径百分率，并且f在毂处等于0，在叶尖处等于1。

3、如权利要求2所述的转子，其中，各叶片是弯板翼型，且在所述选定径向位置处，所述翼型的中心线弯曲角θ由下式确定：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{(C_L-A_1\&times;i-C_1)}{B_1}$

其中A₁，B₁和C₁是下列常数

A₁＝0.0089deg^-1

B₁＝0.0191deg^-1

C₁＝0.0562

而i是气体冲向叶片的入射角且由下式确定

i＝i_h+f×(i_t-i_h)

其中

i_h是叶片毂处的选定入射角

i_t是叶尖处的选定入射角。

4、如权利要求3所述的转子，其中，在所述选定径向位置处，从所述涡轮机转动轴开始的所述叶片弦的安装角ξ由下式确定

ξ＝β₁+i。

5、如权利要求4所述的转子，其中，所述安装角ξ从所述毂处的60度左右变为所述叶尖处的80度左右。

6、如权利要求3所述的转子，其中，所述翼型的中心线弯曲角θ从所述叶尖处的10～15度变为所述毂处的25～30度。

7、如前述权利要求中的任一项所述的转子，其中，所述毂的直径为在所述叶尖处测量的所述转子直径的40％和50％之间，并且所述毂是实心的以防止空气穿过毂。

8、如权利要求5所述的转子，其中，所述毂的直径是所述转子直径的45％左右。

9、一种水平轴风力涡轮机，包括如前述权利要求中的任一项所述的转子。

10、一种大致上如参照附图所述的风力涡轮机。

11、一种确定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，所述涡轮机包括具有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，所述方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值

叶片数              Z

毂直径              D_h

叶尖直径            D_t

叶尖速比            λ_t

远上游风速          V_A

b)沿着所述叶片长度方向选定径向位置；

c)基于选定的设计参数值计算所述选定径向位置处的局部速比λ；

d)运用下式计算沿叶片旋转方向离开所述叶片的气体切向分速度C_u与所述转子的上游轴向风速V_A相除的比率：

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\&lambda;}}$

e)根据比率C_u/V_A，计算所述选定径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和从所述涡轮机转动轴开始的叶片弦的安装角ξ；以及

f)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(e)以计算该替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而沿着所述叶片的长度方向限定所述叶片特征。

12、如权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：

g)为所述设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(f)，以优化所述叶片特征从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

13、一种限定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，该方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值：

叶片数                  Z

毂直径                  D_h

叶尖处直径              D_t

叶尖处速比              λ_t

远上游风速              V_A

叶片毂处叶片升力系数    C_Lh

叶尖处叶片升力系数      C_Lt

叶片毂处叶片曳力系数    C_Dh

叶尖处叶片曳力系数      C_Dt

叶片毂处入射角          i_h

叶尖处入射角            i_t

b)在λ_t、V_A和D_t的基础上计算叶片转速N

c)计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f，其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于1；

d)根据f、D_t和D_h计算所述选定径向位置处的半径r；

e)在Z的基础上计算叶片间距；

f)在N的基础上计算所述选定径向位置处的叶片速度U；

g)在U和V_A的基础上计算局部速比λ

h)运用下式计算沿所述叶片旋转方向离开所述转子的无量纲气体切向分速度比率C_u/V_A

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\&lambda;}}$

i)计算相对于所述叶片流动的上游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角β₁

j)计算相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角β₂

k)根据β₁和β₂计算相对于叶片的气流的平均角β_m

l)根据f、C_Lh和C_Lt计算升力系数C_L

m)根据f、C_Dh和C_Dt计算曳力系数C_D

n)根据β_m、C_u/V_A、C_L和C_D计算所需的密实度S

o)基于S和s计算所需的叶片弦长c

p)基于f、i_h和i_t计算气体冲向所述叶片的入射角i

q)在C_L的基础上计算中心线弯曲角θ

r)在β₁和i的基础上计算从所述涡轮机轴开始的叶片弦的安装角ξ

s)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算所述替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而限定沿着叶片长度方向的叶片特征。

14、如权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：

t)为所述设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s)，以优化所述叶片特征，从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

15、一种限定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，其中各个所述叶片是具有圆弧截面的弯板翼型，该方法包括以下步骤：

a)为下列设计参数中的至少一个选定值：

叶片数                  Z

毂直径                  D_h

叶尖处直径              D_t

叶尖处速比              λ_t

远上游风速              V_A

叶片毂处叶片升力系数    C_Lh

叶尖处叶片升力系数      C_Lt

叶片毂处叶片曳力系数    C_Dh

叶尖处叶片曳力系数      C_Dt

叶片毂处入射角          i_h

叶尖处入射角            i_t

b)运用下式计算叶片转速  N

$N=\frac{{60\mathrm{\&lambda;}}_t{V}_A}{{\mathrm{\&pi;D}}_t}$

c)计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f，其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于1；

d)运用下式计算所述选定径向位置处的半径r

r＝R_h+f×(R_t-R_h)

其中

R_h是毂处的转子半径，并且

R_t是叶尖处的转子半径；

e)运用下式计算叶片间距s；

$s=\frac{2\mathrm{\&pi;r}}{Z}$

f)运用下式计算所述选定径向位置处的叶片速度U；

$U=\frac{2\mathrm{\&pi;rN}}{60}$

g)运用下式计算局部速比λ

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{U}{V_A}$

h)用下式计算沿叶片旋转方向离开所述转子的无量纲气体切向分速度比率C_u/V_A

$\frac{C_U}{V_A}=\frac{4}{9\mathrm{\&lambda;}}$

i)由下式计算相对于所述叶片流动的上游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角β₁

$\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_1\right)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\frac{2}{3}}$

j)由下式计算相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角β₂

$\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_2\right)=\frac{3(\mathrm{\&lambda;}+C_U/V_A)}{2}$

k)由下式计算相对于所述叶片的气流的平均角β_m

tan(β_m)＝0.5(tan(β₁)+tan(β₂))

l)运用下式计算升力系数C_L

C_L＝C_Lh+f×(C_Lt-C_Lh)

m)运用下式计算曳力系数C_D

C_D＝C_Dh+f×(C_Dt-C_Dh)

n)由下式计算所需的密实度S

$S=\frac{2\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right)(C_U/V_A)}{\left(\frac{2}{3}\right)(C_L-C_D\tan \left({\mathrm{\&beta;}}_m\right))}$

o)由下式计算所需的叶片弦长c

c＝s×S

p)运用下式计算气体冲向叶片的入射角i

i＝i_h+f×(i_t-i_h)

q)运用下式计算圆弧叶片的中心线弯曲角θ

$\mathrm{\&theta;}=\frac{(C_L-A_1\&times;i-C_1)}{B_1}$

其中A₁、B₁和C₁是如下常数

A₁＝0.0089deg^-1

B₁＝0.0191deg^-1

C₁＝0.0562

r)运用下式计算从所述涡轮机轴开始的叶片弦的安装角ξ

ξ＝β₁+i

s)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算在所述替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角θ和安装角ξ，从而沿着叶片长度方向限定所述叶片特征。

16、如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：

t)为所述设计参数中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s)，以优化叶片特征，从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。

17、一种制造水平轴风力涡轮机的转子的方法，该转子具有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片，该方法包括以下步骤：

根据权利要求11到16中任一所述的方法限定叶片特征；以及

制造转子，所述转子包括具有所述限定特征的叶片。

18、一种水平轴风力涡轮机的转子，所述转子包括具有由权利要求11到16中任一项所述的方法所限定的特征的叶片。

19、一种水平轴风力涡轮机，包括具有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，所述叶片具有由权利要求11到16中任一项所述的方法所限定的特征。

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