CN101509464B - 提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法及装置，当自然风进入总是迎风的下风向安装的进气装置，再穿过空心的支撑杆，并从装于其外端的排气装置或叶片中的推力喷管以与风力机旋转的反方向喷出，产生额外的推动风力机旋转的力矩，完全无须消耗额外动力。这种方法既显著提高了风力机的输出功率，又降低了其起动风速，扩大其工作范围，因此明显降低了发电成本。本发明属于风力机设计、制造和应用领域。

Description

提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法及装置
技术领域
本发明涉及一种通过被动喷气方法提高其性能的垂直轴风力机，确切地说是在垂直轴风力机的某部件或叶片上的适当位置和方向产生喷气推力以提高风力机的气动性能的方法，属于风力机设计、制造和应用领域。
背景技术
风能是洁净的可再生能源中最有前途、最现实、发展最快且相对成熟的一个。作为利用风能的风力机，制约其发展的主要因素是风电的成本和售价居高不下。因此，就风能利用的出路而言，显著提高风力机的功率系数是大幅度降低风力发电成本的最根本、最有效的措施。
一直以来，市场上风力机的主导机型为水平轴风力机(HAWT)，其技术已经相当成熟，要在此基础上再进一步显著提高风力机的性能是十分困难的。一般来说，水平轴风力机的功率系数Cp值只能达到贝兹极限(0.593)的80％，即0.45～0.50左右，而目前报道的垂直轴风力机的Cp值一般还要低10～15％，这也许就是人们更青睐水平轴风力机的原因。垂直轴风力机的主要缺点是自启动性能差及空气动力学性能较低。至于改善垂直轴风力机的自启动性能问题，人们进行了大量研究，如采用变桨距技术、采用带弯度的翼型或采用可变叶片形状，如襟翼技术等，已经基本解决了这个问题；而提高其性能的问题人们也已经进行了许多研究，但比起水平轴风力机的研究要少得多。1992年报道Sandia34m垂直轴风力机的实验Cp值达到0.409，这已经与水平轴风力机的性能相差不多了。而只是在近几年，由于垂直轴风力机(VAWT)本身相对于水平轴的诸多优势，人们开始对其进行较深入的研究，特别是在西欧和美国，目前生产的垂直轴风力机主要是中、小机型。
尽管水平轴风力机仍是目前市场上的主流机型，占有市场95％的份额，但是垂直轴风力机与其相比，有着突出的优势，主要是由于结构相对简单(如没有对风机构等)及叶片制造和维修等比较容易而带来的低成本优势。可以预料，垂直轴风力机在性能上且不说超越，只要可以与水平轴风力机性能相当，则可能拥有与水平轴风力机争夺市场的竞争力！因此是否能够显著提高垂直轴风力机的性能就成为这种可能能否实现的关键。
近年来，改善垂直轴风力机性能的新技术不断出现。由于垂直轴风力机在一周的旋转中，翼型的攻角随时在变化，时大时小，时正时负，故而当初人们就认定了对称翼型，并逐渐发展成为一种习惯，且一直沿用至今。但是所有对称翼型的空气动力学性能(升阻比)都很低，因此极大限制了垂直轴风力机的气动性能的提高，这也许就是垂直轴风力机性能所以较低的重要原因。近年来人们开始关注具有良好性能的带弯度翼型在垂直轴风力机中的应用；有人对NACA0018和同等厚度的NACA-4位数翼型，如NACA2418，NACA4418和NACA6418以及同等厚度的NACA6-系列翼型进行了比较研究，发现带弯度的翼型都明显提高了风力机的气动性能，其提高幅度在10％以上。
另外，1980年，Migliore等提出了虚拟弯度的概念，即垂直轴风力机的叶片在圆形轨迹上运行，因为叶片旋转产生的“头风(headwind)”是在圆弧轨迹的切线方向，而不是传统假设的与翼型弦线平行的方向。一项美国专利(US20080256795A1)指出，翼型的中弧线应该与其旋转时转过的圆形轨迹重合，这样才能体现它的真实攻角，性能才会更好。该专利还给出了其研究结果，指出按照这种概念进行翼型改造的风力机比对应的NACA0021翼型原型风力机的输出功率最大提高57.1％，而在整个工作风速范围内平均提高31.9％！
也有如水平轴风力机一样，在垂直轴风力机外面加上先收缩而后扩张的扩散器而明显提高风力机的输出功率，这实际上是提高了流过风力机的风速；但是这增加了整个系统的复杂性和重量，而且很难调整风力机使其对风，因而对于大型风力机使用价值不大。当然，在翼型的吸力面适当位置加漩涡发生器(V.G.)也可以提高风力机的性能。
2003年，本发明专利申请人就在“一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法”(CN03134065.2)中提出了一种无须额外消耗动力的“被动”喷气方法，实验结果证明，这不仅降低了风力机的起动风速，扩大了风力机的有效工作范围，而且在风力机的正常运转情况下明显提高了其做功能力。在中国专利申请CN200410021580.9(一种垂直轴风力机的进气机构)中已经提到了垂直轴风力机利用喷气提高其性能的问题，但是它所指的是利用一种辅助设备——鼓风机给风力机送气并产生喷气，试图用少量的能量付出换取更大的能量收益，因而是一种主动喷气方法，它需要消耗额外的能量。
发明内容
本发明的目的是弥补上述现有技术的不足，而通过被动喷气的空气动力学方法产生的对垂直轴风力机叶轮的推动力矩，提高其空气动力学性能，从而显著提高垂直轴风力机的功率系数或输出功率，而无需消耗额外的能量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：在风力机的垂直轴的上端，安装一个下风向的进气装置，使其随风旋转，随时“被动”接受自然风；自然风通过一个与进气装置连接的引气管进入空心的垂直轴，再通过连接这垂直轴与叶片的支撑杆上的输气管，最后从装在风力机外端的叶片上方的排气装置中的推力喷管喷出，或从叶片内部沿其纵向分布的推力喷管喷出，产生喷气推力；由于自然风进入支撑杆后，在从其内端向外端流动的过程中，风力机旋转的离心力给其进一步增加了能量，因此喷气喷出的速度就大于原来的自然风的速度，所以就产生了额外的推动力矩。这种“被动”的喷气方法，无需消耗额外的能量，即可显著提高风力机的输出功率并降低其启动风速。当风力机在需要停机时，可以关闭推力喷管，而开启排气装置上的反推力喷管，以便使风力机减速或停机。
本发明与现有技术相比根本的区别是，该方法是一种完全被动的喷气方法，完全靠“自然风”的作用对静止中或转动中的风力机产生一种“助推”作用，从而提前启动风力机并显著提高其气动性能，它完全不需要任何额外的能量供给。
本发明有效地解决了垂直轴风力机的自启动问题，降低了风力机的启动风速，并显著提高了其空气动力性能。风力机系统的结构简单，制造成本低，实施更方便，效果更稳定；风力机的功率系数大大提高，因而使得发电成本明显降低。
附图说明
图1为本发明的典型结构示意图。
图2a为本发明进气装置的一个实施例主视图。
图2b为图2a的左视图。
图3a为本发明进气装置的另一个实施例主视图。
图3b为图3a的左视图。
图4为本发明排气装置的一个实施例的示意图。
图5为本发明排气装置的另一个实施例的示意图。
图6为本发明的叶片支撑杆的剖面示意图。
图7为本发明的叶片支撑杆另一个实施例的剖面示意图。
图8为本发明的叶片喷气结构的示意图。
具体实施方式
实施例
参照图1，本发明中的风力机风轮由叶片50、叶片支撑杆40、垂直轴30、进气装置20以及排气装置60组成，进气装置20通过轴承70与垂直轴30套装，可随时对准风向；垂直轴30、支撑杆40、叶片50以及排气装置60都是中空的，作为气流通道，垂直轴30的管壁上有与支撑杆40的数目相同的孔，它们孔孔相通，并且可靠连接；排气装置60分别将叶片50与支撑杆40联结起来；支撑杆40上的孔与排气装置60上的孔相通，在风力机旋转的反方向上形成喷气64。自然风10吹动垂直轴风力机旋转做功。当自然风10进入进气装置20后，通过其上的孔进入中空的垂直轴30，再进入支撑杆40上的孔，然后流入排气装置60，再以喷气64喷出，形成喷气推力，以推动风轮做功。
参照图2a和2b，其中图2a为进气装置20的示意图，由进气导管21、引气管22、尾舵23及轴承70组成，进气装置20通过轴承70与垂直轴30连接，并使其可随风旋转。该进气装置20是下风向的，无需对风机构即可保证其随时迎风；为了减少进气装置20的阻力，其形状做成圆锥形的，尾舵23更进一步保证了进气装置20在风向变化时的稳定性。进气导管21是收缩型的，其横截面是圆形的。
参照图3a和3b，与图2a和2b所不同的是，该实施例中的进气装置120及其中的进气导管121不是圆锥形，而是方锥形的，进气导管121与引气管122圆滑过渡连接，以减少流动阻力；尾舵123更进一步保证了进气装置120在风向变化时的稳定性。进气装置120及进气导管121的横截面也可以是其它形状，如椭圆形、矩形或多边形的等。
参照图4，为本发明的排气装置的一个实施例的剖面示意图。为减少阻力，排气装置60是流线型的，包括输气口61、推力喷管62和反推力喷管63，推力喷管62和反推力喷管63的形状既可以是收缩型的，也可以是等截面的，其横截面可以是圆形的，也可以是其它形状的，如椭圆形、矩形或多边形的等；当风力机启动和正常工作时，开启推力喷管62；只当刹车时才开启反推力喷管63，同时关闭推力喷管62。输气口61与支撑杆40上的输气管41连通，当风力机工作时，自然风10从进气装置20的进气导管21进入，经输气管41进入排气装置60上的输气口61，再经推力喷管62，在风力机旋转方向的反方向形成喷气64喷出，推动风力机工作。当风力机需要减速或刹车时，推力喷管62关闭，同时反推力喷管63开启，产生反推力，使风力机减速或停车。
参照图5，为本发明喷气装置的另一个实施例的剖面示意图。为减少阻力，排气装置60是流线型的，包括输气口61、推力喷管62和反推力喷管63，与图4所不同的是，排气装置60的推力喷管62的形状是收缩-扩张型的，或扩张型的；其横截面可以是圆形的，也可以是其它形状的，如椭圆形、矩形或多边形的等；当风力机启动和正常工作时，开启推力喷管62；只当刹车时才开启反推力喷管63，同时关闭推力喷管62。输气口61与支撑杆40上的输气管41连通，当风力机工作时，自然风10从进气装置20的进气导管21进入，经输气管41进入排气装置60上的输气口61，再经推力喷管62，在风力机旋转方向的反方向形成喷气64喷出，推动风力机工作。当风力机需要减速或刹车时，推力喷管62关闭，同时反推力喷管63开启，产生反推力，使风力机减速或停车。
参照图6和图1，为风力机的叶片支撑杆40，用于固定叶片并传力，呈翼型或其它流线型，内部有输气管41，内端固定于垂直轴30上，并与其上对应的孔连通；外端可以与排气装置60联结，产生喷气推力；也可以直接与叶片50联结，并通过沿其上分布的推力喷管52产生推力。
参照图7，为风力机的叶片支撑杆40的另一个实施例，呈翼型或其它流线型，其内部有一个输气管41和与之连通的推力喷管42，以产生喷气44，通过支撑杆40上沿径向分布的推力喷管42在风力机旋转方向上产生推力，提高风力机的转动力矩。
参照图8、图1和图2a，为本发明的叶片喷气结构，它是本发明的另一种喷气方式。叶片50包括前缘53、尾缘55、输气管51及推力喷管52。参见图1及图2，当自然风10进入进气装置20后，通过其上的引气管22进入中空的垂直轴30，再进入支撑杆40上的输气管41，然后流入叶片50中的输气管51，再通过沿叶片50纵向分布的多个推力喷管52(它实际上是使容许流体通过的一条缝)，以喷气54从叶片尾缘向后喷出，形成喷气推力，以推动风轮做功。推力喷管52的数目取决于叶片50的长度尺寸L和弦长C，控制所有推力喷管沿叶片纵向的总长度在(0.2～0.5)L，而推力喷管52的缝宽控制在叶片弦长C的0.3％～2.0％之间。
经风洞实验已初步证明，本发明的风力机模型不仅降低了对应的原型风力机的起动风速，而且显著提高了其输出功率。
尽管本发明是针对升力型垂直轴风力机而提出的，但是它的设计思想同样适用于阻力型垂直轴风力机等。

Claims (8)

1.一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，该装置包括叶片(50)、叶片支撑杆(40)、垂直轴(30)、进气装置(20)以及排气装置(60)，由下风向安装的进气装置(20)，被动接受自然风(10)，通过支撑杆(40)上的输气管(41)，从排气装置(60)的推力喷管
(62)喷出，或从叶片(50)上的第二推力喷管(52)喷出，产生喷气推力，无需消耗额外的能量，即可显著提高风力机的输出功率并降低其启动风速，其特征在于：进气装置(20)是圆锥形的或方锥形的，其上装有尾舵(23)，可以随风绕垂直轴(30)旋转，保证随时迎风。
2.根据权利要求1所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：进气装置(20)的进气导管(21)是收缩型管道，其横截面是圆形、椭圆形或多边形的。
3.根据权利要求1所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：排气装置(60)是流线型的，其中有推力喷管(62)，推力喷管(62)其形状是收缩型的、等截面的、扩张型或收缩-扩张型的。
4.根据权利要求3所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：推力喷管(62)的横截面是圆形、椭圆形或多边形的。
5.根据权利要求1所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：排气装置(60)是流线型的，其上有反推力喷管(63)，反推力喷管(63)其形状是收缩型的、等截面的、扩张型或收缩-扩张型的。
6.根据权利要求5所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：排气装置(60)的反推力喷管(63)的横截面是圆形、椭圆形或多边形的。
7.根据权利要求1所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：支撑杆(40)的横截面是流线型的。
8.根据权利要求7所述的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气装置，其特征在于：支撑杆(40)中有输气管(41)，沿径向分布的第三推力喷管(42)与之连通。
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