CN101684772A - 一种文丘里管效应的风力机转子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个笼型回转体转子，具体而言是设计了一种文丘里效应管的风力机转子。安装在叶片安装座上的全部叶片共同包络形成一个以回转体笼型涡轮，该笼型涡轮从结构上可分为，处于迎风端的头部，处于出风端的尾部，以及处于所述头部和尾部中间段由叶片包络构成的气流压缩部，所述气流压缩部的回转直径从所述头部到尾部之间实质上呈逐渐增大趋势，所述笼型涡轮在旋转过程中形成了一个动态的文丘里管(venturi tube)，随动旋转的所述叶片构成了其可透风的轮廓管壁，气流从叶片之间的窗口穿过，以及来流风在从该轮廓管壁的外部空间向内部空间穿越的过程中对所述叶片做功，从而实现能量的传递。

Description

一种文丘里管效应的风力机转子

技术领域

本发明涉及一种风力机的转子系统，特别是涉及一种文丘里管效应(Venturi-tube effect)的风力机转子。

背景技术

对风力发动机技术领域而言，相关技术工作者始终面临着许多挑战，例如：如何提高风能的利用效率，尤其是如何在特定的扫风面积里获得尽可能高的风能利用效率；如何使得风力机的外形体积更为紧凑；如何使得风力机的运行更为安全；如何降低风力机的噪声污染等等，这些始终是摆在风力机行业的一个共同技术难关。

现有的公知、公用的三叶水平轴风力机是一种普及程度最高、最有代表性的风力机，但它同时还具有一些自身的不足之处，如：平均风能利用系数较低，虽然按照贝茨极限理论，它的最高值是0.593，然而，这是永远达不到的，现有最先进技术水平指标约为0.4，但这是在风速约为12米/秒的理想风速，以及尖速比为接近5的条件下等多种条件同时达到最佳的情形下才获得的数据，在复杂多变的实际运行过程中，它的效率是远远达低于0.4这样的水准的；另外，三叶水平轴的一个缺陷是水平轴风轮的尖速比一般在4～7左右，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音，同时，很多鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免，所以一些国家开始限制甚至禁止实用这种风力机；再者，水平轴风力机运行时风轮的旋转速度很高，在风力很大的时候巨大的离心力经常会造成转子解体损毁，“飞车”伤人事故，也就是说，它们安全性能不是十分理想，在城市屋顶高楼等处都不适合安装，这也限制了它的使用空间；以上等等原因说明，风力机必须进行不断的创新、不断提升以更加适合用户的需求。

然而，就已经公开的各种技术路线，无论是水平轴原理的风力机还是垂直轴原理的风力机，上述问题都不能找到真正理想的解决方案。

以下根据相关知识背景和背景技术进行说明。本说明书中多处用到“伯努利原理”、“文丘里管效应”、“叶片翼型”、“尖速比”、“尖速比与风能转换效率的关系”、“风能捕获效率”等多个名词以及相关知识和原理，这些知识和原理是空气动力学领域和风力发电领域里的基础概念和常识性知识，本说明书不作详细展开论述。经典的文献有《流体力学》(《FluidMechanics》，作者：Frank M.White，出版社：清华大学出版社，原出版社：McGraw-Hill)；《风工程与工业空气动力学》(贺德馨等编著，国防工业出版社)；《工程流体力学》(作者：李文科；中国科学技术大学出版社)，《风能技术(Wind Energy Handbook)》(Tony Burton等著，科学工业出版社出版)等。

发明内容

本发明目要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种简介高效尤其是可以利用文丘里管效应的转子系统，能够提高风能的利用效率，尤其是如何在特定的扫风面积里获得尽可能高的风能利用效率；能够使得风力机的外形体积更为紧凑；能够使得风力机的运行更为安全；如何降低风力机的噪声污染等等。

根据空气动力学有关“伯努利原理”尤其是“文丘里管效应”的常识性原理，我们知道：运动或者流动的速度增加会导致流体压力的降低，文丘里效应管利用的是伯努利原理就是流体的流速越大压力越小，文丘里效应管的原理是当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动。文丘里效应管的原理是构建一个压缩流场，把气流“由粗变细”，以加快气体流速，流速加快必然会出现流体压力下降的情形，使气体在文丘里效应管出口的后侧形成一个“真空”区。当这个真空区靠近工件时会对周围的风产生一定的吸引作用。

说明书附图1所示，是一种文丘里管物理模型示意，一个圆锥状的笼型回转体障碍物放在一个风速平稳的流场中时，流场就会发生这样的变化，一方面，气流会被该障碍物改变流动轨迹，顺着其轮廓外壁流动，显然，随着回转体障碍物直径的增加，风速不断增加，压力不断减小，直到流体离开该障碍物的影响区，其速度才会逐步恢复原来状况，压力才会重新升高的原来水平，如果障碍物不被移走，这种现象将一直持续；利用这一物理现象，本发明作了这样的设计——把上述圆锥状的笼型回转体障碍物换成一个由若干受风叶片包络组成的笼型涡轮，使来流从该涡轮的轴向吹过去，结果就会发生这样的情形：笼型涡轮首先会转动，风从叶片间的空隙处穿过，将部分能量传递给叶片，涡轮转子就会旋转地更快，叶片处的流体压力就会变得更低，根据伯努利原理和文丘里管效应，就会有外围的风被吸入到原来在涡轮转子静态时不可能达到的空间，所以，更多的能量被持续传递给笼型涡轮的叶片，转子就会旋转地更快，由于转子的半径相对三叶水平轴要小很多，切割气流的相对速度要小很多，于是这样就不仅到达了高效利用风能，而且同时有减小气流噪音，说明书附图2所示，就是对上述现象的原理性解释。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一个笼型回转体转子，具体而言是设计了一种文丘里效应管的风力机转子，该转子在正常工作情形下转子主轴与风向大致平行，它包括一个水平设置的主轴，围绕该主轴布置的复数个叶片，用于安装所述叶片的叶片安装架，以及它们之间的连接件和随动件，安装在所述叶片安装架上的全部叶片共同包络形成一个以所述主轴为回转轴心的笼型回转体，该笼型回转体即是所述转子的核心本体，它从结构上可分为处于迎风端的头部，处于出风端的尾部，以及处于两者中间段的叶片包络部，从所述头部到尾部之间的叶片包络部的回转直径实质上呈逐渐增大趋势，该叶片包络部的叶片在随同所述转子在旋转过程中，便自然形成了一个动态的文丘里管轮廓。在来流风吹拂下，它的轮廓壁与来流风的流场共同形成了一个文丘里效应的逐渐收缩的环状空间，一方面气流自然从叶片穿过而使得叶片不断吸收能量驱动转子转动，另一方面，上述动态的文丘里管的从上游往下游方面沿轮廓壁附近的流场的压力梯度逐渐减小而速度梯度逐渐增大，根据伯努利原理的作用，尤其是文丘里效应的，外围将有比不旋转情形下更大量的气流被吸入到管壁处并穿越管壁对叶片做功而获得更多的能量，这种效应持续作用，因而转子就会获得更高的风能利用系数。

更具体描述如下：

一种文丘里管效应(Venturi-tube effect)的风力机转子，它包括一个水平设置的主轴，围绕该主轴布置的复数个叶片，固定在所述主轴上并且用于安装所述叶片的叶片安装座，以及它们之间的连接件，其特征在于：安装在所述叶片安装座上的全部叶片共同包络形成一个以所述主轴为回转轴心的回转体笼型涡轮，该笼型涡轮从结构上可分为，处于迎风端的头部，处于出风端的尾部，以及处于所述头部和尾部中间段由叶片包络构成的气流压缩部，所述气流压缩部的回转直径从所述头部到尾部之间实质上呈逐渐增大趋势，所述笼型涡轮在旋转过程中形成了一个动态的文丘里管(venturi tube)，随动旋转的所述叶片构成了其可透风的轮廓管壁，气流从叶片之间的窗口穿过，以及来流风在从该轮廓管壁的外部空间向内部空间穿越的过程中对所述叶片做功，从而实现能量的传递。

后文说明书附图1是一种文丘里管效应原理示意图；

后文说明书附图2是本发明所述回转体涡轮转子形成的文丘里管效应涡轮转子的原理说明；

显然，圆锥状回转体障碍物，它的特点是头小尾大，气流受障碍物影响后形成的影响区的边界虚拟轮廓与圆锥型回转体阻碍物共同组成了一个特殊的文丘里管——一个环形锥回转体截面的一个文丘里管，气流被压缩、加速、减压等等过程一一发生(即：在A段被引如，B段被逐渐压缩，增速、减压；在B端后半部和C段将原有流场之外的一部分流体风能吸入；在笼型涡轮内部和D部进行膨胀、减速、增压)。

优选的是，所述的文丘里效应的风力机转子，其所述笼型涡轮尾部的轴向空间实质上是敞开的，在该空间区域没有设置叶片，该处允许有叶片安装座的支撑件对叶片进行支撑。

优选的是，所述的笼型涡轮，其轴截面大致呈“V”字形，其型体轮廓大致呈羽毛球状，即它的轮廓母线是近似的直线。

优选的是，所述的笼型涡轮，其型体轮廓是轴截面大致呈“C”字形的形态，即它的轮廓母线是外凸的曲线弧。

优选的是，所述的笼型涡轮，在其尾部的轴向空间设置有排气叶片，承担排气风扇作用，用于将来自上游的残余气流向后抛离出所述笼型涡轮，从而使其产生持续的真空，促进气流顺畅流通。

一种文丘里管效应(Venturi-tube effect)的风力机转子，它包括一个水平设置的主轴，围绕该主轴布置的复数个叶片，固定在所述主轴上并且用于安装所述叶片的叶片安装座，以及它们之间的连接件，其特征在于：安装在所述叶片安装座上的全部叶片共同包络构成了一个以所述主轴为回转轴心的回转体笼型涡轮，该笼型涡轮的回转直径呈两头小中间大，它在旋转过程中形成了一个可透风的动态的文丘里管(venturi tube)，随动旋转的所述叶片构成其轮廓管壁，来流风在从该轮廓管壁的外部空间向内部空间穿越的过程中对所述叶片做功，从而实现能量的吸收与传递。

如前所述的笼型涡轮，可选方案之一是它的型体轮廓的轴截面大致呈Φ型。

如前所述的笼型涡轮，另一可选方案是它的型体轮廓的轴截面大致呈菱形。

如上文所述的笼型涡轮，它的头部和中部是由薄型板材裁剪成的受风叶片，该处叶片的平均宽度是板材厚度的12倍以上，而尾部板材的宽度不足厚度尺寸的12倍，其作用不是受风或排风，而是对所述处于头部或尾部的叶片起支撑作用。

如前所述的风力机转子，其特征在于：叶片安装座包括前置叶片安装座和后置叶片安装座，叶片的两端分别固定在所述两个安装架上。

上述的风力机转子的叶片的排列方式是沿纵向分布在所述笼型涡轮的外壁上；也可以是这样的方式，即风力机转子的叶片的排列方式是以螺旋形态分布在所述笼型涡轮外壁上。

如前所述的风力机转子的叶片，其叶片长度方向各横截面(即垂截面)可以是等截面的，也可以是变截面的；叶片横截面(即垂截面)可以大致呈矩形，也可以呈机翼型。

可优选的是上述的风力机转子的叶片，其特征在于：叶片为挠性易弯曲的柔性叶片，也可以是抵抗离心力变形的刚性叶片。

如前文所述的风力机转子的主轴，其特征在于：该轴是用传动元件连接为一个整体的分段组合轴，该传动元件只传动扭矩而不传递弯矩。

如前文所述的风力机转子的叶片，可由铝合金或复合材料挤出工艺制造。

本发明的优点在于：

通过文丘里管效应利用，尤其是设计了一种特殊的文丘里效应管原理的风力机转子增大了进风量和进风速度，根据伯努利原理可知，这样对转子的气动升就更大，有用功就增加，更为重要的是它因此可以降低启动风速的要求，容易地风速启动发电，所以为大幅度拓宽风力机可开发使用的速度范围和地域范围，为风力机的普及利用创造了便利条件；另外，这种转子的切风处的线速度较三叶水平轴风力机大为下降，所以气流摩擦噪声就大为减小，噪音污染因此得以改善；由于避免和减低了高线速度，所以对鸟类的危害也大幅度降低；由于叶片的安装方式采取双头连接，加之线速度降低，所以离心力作用危害也大为改观，安全性也因此而提高；

附图说明

图1是一种文丘里管效应原理示意图

图2是本发明所述回转体涡轮转子形成的文丘里管效应涡轮转子的原理说明

图3是本发明所述一种轴截面大致呈“V”字形的笼型涡轮转子

图4是本发明所述一种轴截面大致呈“C”字形的形态笼型涡轮转子

图5是本发明所述一种尾部具有排气叶片的回转体笼型涡轮转子

图6是本发明所述一种轴截面大致呈Φ型的涡轮转子

图7是本发明所述一种轴截面大致呈菱形的涡轮转子

图8和图9是本发明所述是叶片以螺旋形态分布在笼型涡轮外壁上的外形结构图

图10是本发明所述一种头部和中部是由薄型板材裁剪成的受风叶片尺寸关系说明图

图11是本发明所述叶片长度方向各横截面(即垂截面)的截面形状示意图

图12是本发明所述一种带刚性叶片的笼型涡轮转子的实施方案示意图

图13是本发明所述一种用传动元件连接为一个整体的分段组合轴

各附图中相关零件序号与名称对照如下：

1.气流受障碍物影响后形成的影响区的边界虚拟轮廓，该轮廓限定了气流向外扩散的最大范围空间；

2.圆锥状回转体障碍物，它的特点是头小尾大，气流受障碍物影响后形成的影响区的边界虚拟轮廓与圆锥型回转体阻碍物共同组成了一个特殊的文丘里管——一个环形锥回转体截面的一个文丘里管，气流被压缩、加速、减压等等过程一一发生(即：在A段被引如，B段被逐渐压缩，增速、减压；在B端后半部和C段将原有流场之外的一部分流体风能吸入；在笼型涡轮内部和D部进行膨胀、减速、增压)。

3.是回转体笼型涡轮，

3i笼型涡轮的头部，

3ii笼型回转体的叶片包络部的叶片以及相邻叶片构成的窗口；

3iii是笼型涡轮的尾部；

4.转子主轴；

5.叶片支撑座；

6.叶片；

7.尾部排气叶片；

18.联轴器；

19.转子支撑轴座；

20.转子支撑叉架；

具体实施方式

以下结合附图及实施例对发明作进一步详细描述：

如图3所示是一种较佳实施例，它具有大致呈“V”字形的轴截面，该笼型涡轮转子外形类似羽毛球。

如图4所示是一种较佳实施例，它具有大致呈“C”字形的轴截面，该笼型涡轮转子外形类梨型。

如图5所示是一种优选实施例，特征是在其尾部设置有排气叶片，它与主轴同步刚性连接，随主轴的旋转而旋转，由于该风扇的作用，可以将笼型涡轮中间部分的残余气流驱赶出去，保持持续的真空度。

如图6所示所示是一种轴截面大致呈Φ型的涡轮转子。

如图7是本发明所述一种轴截面大致呈菱形的涡轮转子。

如图8，9所示是上述的风力机转子的叶片的排列方式是以螺旋形态分布在所述笼型涡轮外壁上，叶片螺旋状排列的优点在于：扫风过程没有阶跃脉冲效应，更容易启动，而其这样避免了声音频率共振，更有利于降低气流噪音。

图10是一种较佳实施例中，叶片的实施方案，该方案中叶片为板材裁剪成形工艺制造而成，它的头部和中部是由薄型板材裁剪成的受风叶片，该处叶片的平均宽度是板材厚度的12倍以上，而尾部板材的宽度不足厚度尺寸的12倍，其作用不是受风或排风，而是对所述处于头部或尾部的叶片起支撑作用。

图11是叶片的轴截面的可行的四种实施方案，这四种方案中机翼型方案具有最好的气动性能，其它三种在高风速条件下气动性能良好，但在低风速条件下启动时缺乏良好升力，但它的制造方便，经济性能理想。

图12是本发明所述一种带刚性叶片的笼型涡轮转子的实施例方案，刚性的机翼型截面叶片无疑拥有良好的启动升力，和良好的捕风效率。

图13是本发明所述一种用传动元件连接为一个整体的分段组合轴，为了避免某些情形下因为主轴过长而发生的长度方向延伸、轴的弯曲变形过大等情形对系统的危害，本发明所述的主轴也可以不是一个刚性的整体，而是一个多段轴组合体，各段之间用联轴器等连接起来，这样的具体实施方式也属于本发明总体构思范围之内的一种特殊实施例，并不构成对本发明的创造性突破。

除了用空气动力学原理的分析之外，实际中的大量实验也充分证明：按照本发明各个思路实施的各项方案都有良好的性能，例如对比同等扫风面积的三叶水平轴风力机和本发明构思下的风力机，在风速5米/秒风速时，新发明方案所获得的机械轴功率较老方案高出17-26％；使用本发明构思的技术后，气动噪声降低到了2-4个分贝；其机械振动方面也有良好的表现，其在11米/秒的风速条件下的振动好于前者在8米/秒前提下产生的振动。如果对新风力机进行优化设计后，相关性能仍有提升空间。

通过以上实施例和一定的实验可以表明：按本发明构思的风力机具有更好的捕风效能，在单位正投影面积的受风范围内可获得更高的风能捕获能量，可用功率有较大增加，更为重要的是它因此可以降低启动风速的要求，容易地风速启动发电，所以为大幅度拓宽风力机可开发使用的速度范围和地域范围，为风力机的普及利用创造了便利条件；另外，这种转子的切风处的线速度较三叶水平轴风力机大为下降，所以气流摩擦噪声就大为减小，噪音污染因此得以改善；由于避免和减低了高线速度，所以对鸟类的危害也大幅度降低；由于叶片的安装方式采取双头连接，加之线速度降低，所以离心力作用危害也大为改观，安全性也因此而提高。

尽管本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (17)

1.一种文丘里管效应(Venturi-tube effect)的风力机转子，它包括一个水平设置的主轴，围绕该主轴布置的复数个叶片，固定在所述主轴上并且用于安装所述叶片的叶片安装座，以及它们之间的连接件，其特征在于：

安装在所述叶片安装座上的全部叶片共同包络形成一个以所述主轴为回转轴心的回转体笼型涡轮，该笼型涡轮从结构上可分为，处于迎风端的头部，处于出风端的尾部，以及处于所述头部和尾部中间段由叶片包络构成的气流压缩部，所述气流压缩部的回转直径从所述头部到尾部之间实质上呈逐渐增大趋势，

所述笼型涡轮在旋转过程中形成了一个动态的文丘里管(venturi tube)，随动旋转的所述叶片构成了其可透风的轮廓管壁，气流从叶片之间的窗口穿过，以及

来流风在从该轮廓管壁的外部空间向内部空间穿越的过程中对所述叶片做功，从而实现能量的传递。

2.如权利要求1所述的一种文丘里效应的风力机转子，其特征在于：所述笼型涡轮尾部的轴向空间实质上是敞开的，在该空间区域没有设置叶片，该处允许有叶片安装座的支撑件对叶片进行支撑。

3.如权利要求1所述的笼型涡轮，其特征在于：其轴截面大致呈“V”字形，其型体轮廓大致呈羽毛球状，即它的轮廓母线是近似的直线。

4.如权利要求1所述的笼型涡轮，其特征在于：该笼型涡轮的型体轮廓是轴截面大致呈“C”字形的形态，即它的轮廓母线是外凸的曲线弧。

5.如权利要求1所述的笼型涡轮，其特征在于：在所述笼型涡轮尾部的轴向空间设置有排气叶片，承担排气风扇作用，用于将来自上游的残余气流向后抛离出所述笼型涡轮，从而使其产生持续的真空，促进气流顺畅流通。

6.一种文丘里管效应(Venturi-tube effect)的风力机转子，它包括一个水平设置的主轴，围绕该主轴布置的复数个叶片，固定在所述主轴上并且用于安装所述叶片的叶片安装座，以及它们之间的连接件，其特征在于：安装在所述叶片安装座上的全部叶片共同包络构成了一个以所述主轴为回转轴心的回转体笼型涡轮，该笼型涡轮的回转直径呈两头小中间大，它在旋转过程中形成了一个可透风的动态的文丘里管(venturi tube)，随动旋转的所述叶片构成其轮廓管壁，来流风在从该轮廓管壁的外部空间向内部空间穿越的过程中对所述叶片做功，从而实现能量的吸收与传递。

7.如权利要求6所述的笼型涡轮，其特征在于：它的型体轮廓的轴截面大致呈Φ型。

8.如权利要求6所述的笼型涡轮，其特征在于：它的型体轮廓的轴截面大致呈菱形。

9.如权利要求1或6所述的笼型涡轮，其特征在于：它的头部和中部是由薄型板材裁剪成的受风叶片，该处叶片的平均宽度是板材厚度的12倍以上，而尾部板材的宽度不足厚度尺寸的12倍，其作用不是受风或排风，而是对所述处于头部或尾部的叶片起支撑作用。

10.如权利要求1或6所述的风力机转子，其特征在于：叶片安装座包括前置叶片安装座和后置叶片安装座，叶片的两端分别固定在所述两个安装架上。

11.如权利要求1或6所述的风力机转子，其特征在于：所述叶片的排列方式是沿纵向分布在所述笼型涡轮的外壁上。

12.如权利要求1或6所述的风力机转子，其特征在于：所述叶片的排列方式是以螺旋形态分布在所述笼型涡轮外壁上。

13.如权利要求1或6所述的风力机转子的叶片，其特征在于：叶片长度方向各横截面(即垂截面)可以是等截面的，也可以是变截面的。

14.如权利要求1或6所述的风力机转子的叶片，其特征在于：叶片横截面(即垂截面)大致呈矩形，也可以呈机翼型。

15.如权利要求1或6所述的风力机转子的叶片，其特征在于：叶片为挠性易弯曲的柔性叶片，也可以是抵抗离心力变形的刚性叶片。

16.如权利要求1或6所述的风力机转子的主轴，其特征在于：该轴是用传动元件连接为一个整体的分段组合轴，该传动元件只传动扭矩而不传递弯矩。

17.如权利要求1或6所述的风力机转子的叶片，其特征在于：叶片由铝合金或复合材料挤出工艺制造。

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