CN101865074A - 一种水平轴风力发电机涵道装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水平轴风力发电机涵道装置，将其安装在水平轴风力发电机上，利用涵道内外表面的外型设计，合理安排了水平轴风力发电机周围的流场结构。该装置主要由设置于涵道内部的内流道和涵道外部的外流道组成，所述的外流道包括外部加速段(2)、外部过渡段(3)和外部减速段(4)，所述的内流道包括内部加速段(9)、内部过渡段(10)和内部减速段(11)，在内外流道之间，设有连接涵道内、外流道的抽吸通道(6)，抽吸通道(6)开启大小通过挡片的控制，所述的抽吸通道(6)为多条、均布在内外流道之间的壁面内。该装置根据涵道式风力发电机工况对抽吸装置进行控制，通过调节抽吸装置开启的大小，以此改善风力叶片的工作状况。

Description

一种水平轴风力发电机涵道装置
技术领域
本发明涉及一种水平轴风力发电机流场控制。
背景技术
目前，风力发电因其巨大的发展潜力越来越受到各个国家的重视和关注，其中水平轴风力发电机倍受青睐。然而该类型风力发电机的发电效率现在仍然较低，起动风速要求较高，工作时叶片气动噪音较大，特别是叶片长期暴露在户外特别容易受到雷电等自然因素的破坏。随着社会的进步和发展，节能环保的理念越来越深入人心，利用清洁的风力资源为动力成为社会完成节能减排目标的一个发展方向。因此，改善水平轴风力发电机的工作性能十分必要。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种水平轴风力发电机涵道装置，将该涵道装置安装在水平轴风力发电机上，利用涵道内外表面的外型设计，合理安排了水平轴风力发电机周围的流场结构，并通过其在内流道和外流道之间设置的抽吸通道，使内流道和外流道在一定程度上相互耦合，通过压差自主排除了由于加装涵道而产生的附面层，使水平轴风力发电机在一个相对稳定的流场中工作，有效地保护了叶片。该装置还增加了气流冲击叶片的速度，可以有效地改善水平轴风力发电机的工作状况，提高发电效率，降低了起动风速和工作噪音。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种水平轴风力发电机涵道装置，其安装在水平轴风力发电机8上，该涵道装置1主要由设置于涵道内部的内流道和涵道外部的外流道组成，所述的外流道包括外部加速段2、外部过渡段3和外部减速段4，所述的内流道包括内部加速段9、内部过渡段10和内部减速段11，在内外流道之间，设有连接涵道内、外流道的抽吸通道6，抽吸通道6开启大小通过挡片的控制，所述的抽吸通道6为多条、均布在内外流道之间的壁面内。
所述内流道中的内部加速段9、内部过渡段10和内部减速段11顺序连通，内部加速段9为一个收缩的管道，内部减速段11是一个扩张的管道，内部过渡段10为连接内部加速段9和内部减速段11的先收缩后扩张的一个过渡管道，并存在内流道的最小截面。
所述外流道中的外部加速段2、外部过渡段3和外部减速段4顺序连通，外流道壁面是一个向外凸起的光滑曲面，所述外部过渡段3位于凸起的最高点处，所述外部加速段2位于凸起最高点的前部，所述外部减速段4位于凸起最高点的后部。
所述抽吸通道6的进气口5设置在内部过渡段10，而抽吸通道排气口7则设置于外部过渡段3，所述抽吸通道进气口5和排气口7分别配合连接有挡片，通过挡片开启大小控制抽吸通道进气口5和排气口7的气流流量。
所述抽吸通道6以一定角度β倾斜水平轴线设置，β为10°-50°。
所述抽吸通道6的进气口5紧靠着内流道最小截面后侧，而其排气口7则紧靠着外流道过渡段最大半径处。
所述抽吸通道6为涵道内部的横截面呈长方形的内窄外宽的扇形管体，与扇形平面成一定角度设置有当量扩张角a，a为0.5°-10°。
所述涵道壁采用骨架式空心结构，长度c为叶片长度的200％-600％，内流道最小截面处到轴线的距离a为叶片长度的80％-95％，外流道最高点到轴线的距离b为叶片长度的110％-200％。
本发明采用以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
1.本发明所述水平轴风力发电机涵道装置，将水平轴风力发电机包裹在涵道内流道内，利用涵道内外表面的气动设计，合理安排了水平轴风力发电机周围的流场结构，并在涵道内流道和外流道之间设置了抽吸装置，且该装置开启大小由一控制装置进行控制，且该控制装置根据水平轴风力发电机的工况对抽吸装置开启的大小进行调节，将内流道前部扩张段发展的低能附面层排除，而保留高能气流对叶片做功。此时抽吸通道因涵道内流道和外流道之间的自然压差建立内部流动，使来流经内部过渡段，分为主流和次流，其中，主流通过内部减速段，而次流通过该抽吸装置形成抽吸气流，使内流道和外流道在一定程度上相互耦合，并将工作噪音控制在涵道内部，提高了涵道风力发电机工作的静音性能；
2.所述内流道通过内部加速段增加气流冲击叶片的动能，降低了风力发电机的起动风速。通过内部减速段增加内流道出口气流的压力使得内流道出口处的压力与外界压力相当，使水平轴风力发电机工作在一个相对稳定的压力场中，涵道装置的主要尺寸a、b、c与具体工况有关；
3.所述抽吸装置为开设于内流道和外流道之间的抽吸通道，即抽吸通道从内部过渡段至外部过渡段，则抽吸通道将内流道前体收缩段发展的低能附面层能够通过抽吸通道排到外流道，故一方面减少了进入内通道叶片截面处的边界层气流，提高了该处流场的品质，另一方面使内流道和外流道建立了一定的气动耦合，改善了整体流场结构。因此，为使本发明所述抽吸通道起到良好的抽吸作用，该抽吸通道进气口紧靠内流道最大压力处附近的设置，该抽吸通道出气口紧靠外流道最小压力处附近的设置；
4.所述抽吸通道以一定角度β与水平线倾斜设置，则抽吸通道附近的流体通过进气口流入抽吸通道后，总压损失不会很大，还保持一定的速度，直至流出抽吸通道。β的具体设计值与水平轴风力发电机的额定发电量和工作环境有关。
5.所述抽吸通道以一定当量扩张角a设置，降低了气流流经抽吸通道的阻力，保证气流在一定压差的情况下能较顺利的通过抽吸通道不会出现堵塞现象。a的具体设计值与水平轴风力发电机的额定发电量和工作环境有关。
6.所述涵道装置采用骨架式空心结构，减少了重量提高了材料利用率。
附图说明
图1是本发明的一种水平轴风力发电机涵道装置结构示意图
图2是本发明的一种水平轴风力发电机涵道装置的剖视图
图3是本发明的一种水平轴风力发电机涵道装置的抽吸通道局部原理图
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明所述的水平轴风力发电机涵道装置，是将涵道装置1安装在水平轴风力发电机8上，包括设置于涵道内部的内流道，涵道外部的外流道和设置于涵道内部连接内流道和外流道的抽吸装置以及控制抽吸装置开启大小的控制装置。所述内流道包括顺序连通的内部加速段9、内部过渡段10和内部减速段11。所述外流道包括顺序连通的外部加速段2，外部过渡段3，外部减速段4。
通过内流道的型面设计使得气流在流经涵道时，内流道气流先加速后减速，增加了气流冲击叶片的动能，并且缓慢提高叶片截面后部的压力，一方面防止内流道的附面层分离，另一方面使内流道出口气流均匀并与外界压力相当有效的降低水平轴风力发电机的工作噪音。同时通过外流道的型面设计，使外流道气流也是先加速后加速，并且使外流道外部过渡段3的压力低于内流道前体过渡段10的压力，使抽吸装置进气口5和抽吸装置出气口7之间形成自然压差。
所述控制装置根据水平轴风力发电机的工况对抽吸装置开启的大小进行调节，即当来流风速大小变化时，控制装置发出指令调节抽吸装置进气口和出气口，使涵道内流道发展的附面层能够充分彻底的排除。来流经过内部过渡段10后，分为主流和次流，其中，主流通过内部减速段11，而次流通过该抽吸装置形成抽吸气流，使内流道和外流道在一定程度上形成相互的气动耦合，改善整体的流场结构。
如图3所示，抽吸通道为贯穿内部过渡段10和外部过渡段3的抽吸通道6。所述抽吸装置进气口5设置在内部过渡段10，而抽吸装置出气口7设置在外部过渡段3。为使抽吸通道6的抽吸效果更好，该抽吸装置进气口5和抽吸装置出气口7的开设位置要保证对所有来流速度都能在抽吸通道内形成有利的压力差，使附面层能够顺利的排出。
所述抽吸通道进气口5和抽吸通道出气口7分别配合连接有挡片，所述挡片与控制装置输出端连接，从而实现控制装置对抽吸通道6的控制，即当来流风速增大时，控制装置发出指令增大抽吸通道进气口和抽吸通道出气口的大小，使涵道内流道发展的附面层能够充分彻底的排除，即当来流风速减小时，控制装置发出指令减小抽吸通道进气口和抽吸通道出气口的大小，防止将主流高能气流被排出影响水平轴风力发电机效率。
所述抽吸通道6以一定角度β倾斜水平线设置，从而使抽吸通道附近的流体通过进气口流入抽吸通道后，总压损失不会很大，还保持一定的速度，直至流出抽吸通道。所述抽吸通道6以一定当量扩张角a设置，降低了气流流经抽吸通道的阻力，保证气流在一定压差的情况下能较顺利的通过抽吸通道不会出现堵塞现象。
参阅图1，所述抽吸通道6为连同内外流道之间的涵道内部的扇形管体，其横截面呈长方形，纵截面为由内向外逐渐变宽的扇形管体，所述的当量扩张角a参阅图3，是指与扇形平面构成的角度，a为0.5°-10°。
对于叶片长度为1m～2m，额定风速为9m-12m/s的水平轴风力发电机。a＝80％～90％(blade)、b＝110％～130％(blade)、c＝200％～400％(blade)、a＝0.5°～3°、β＝10°～20°效果较好。
对于叶片长度为3m～5m，额定风速为15m-20m/s的水平轴风力发电机。a＝85％-95％(blade)、b＝120％～140％(blade)、c＝300％～500％(blade)、a＝1°～5°、β＝15°～25°效果较好。

Claims (8)

1.一种水平轴风力发电机涵道装置，其安装在水平轴风力发电机(8)上，该涵道装置(1)主要由设置于涵道内部的内流道和涵道外部的外流道组成，其特征在于，所述的外流道包括外部加速段(2)、外部过渡段(3)和外部减速段(4)，所述的内流道包括内部加速段(9)、内部过渡段(10)和内部减速段(11)，在内外流道之间，设有连接涵道内、外流道的抽吸通道(6)，抽吸通道(6)开启大小通过挡片的控制，所述的抽吸通道(6)为多条、均布在内外流道之间的壁面内。
2.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述内流道中的内部加速段(9)、内部过渡段(10)和内部减速段(11)顺序连通，内部加速段(9)为一个收缩的管道，内部减速段(11)是一个扩张的管道，内部过渡段(10)为连接内部加速段(9)和内部减速段(11)的先收缩后扩张的一个过渡管道，并存在内流道的最小截面。
3.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述外流道中的外部加速段(2)、外部过渡段(3)和外部减速段(4)顺序连通，外流道壁面是一个向外凸起的光滑曲面，所述外部过渡段(3)位于凸起的最高点处，所述外部加速段(2)位于凸起最高点的前部，所述外部减速段(4)位于凸起最高点的后部。
4.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述抽吸通道(6)的进气口(5)设置在内部过渡段(10)，而抽吸通道排气口(7)则设置于外部过渡段(3)，所述抽吸通道进气口(5)和排气口(7)分别配合连接有挡片，通过挡片开启大小控制抽吸通道进气口(5)和排气口(7)的气流流量。
5.根据权利要求4所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述抽吸通道(6)以一定角度β倾斜水平轴线设置，β为10°-50°。
6.根据权利要求4所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述抽吸通道(6)的进气口(5)紧靠着内流道最小截面后侧，而其排气口(7)则紧靠着外流道过渡段最大半径处。
7.根据权利要求4所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述抽吸通道(6)为涵道内部的横截面呈长方形的内窄外宽的扇形管体，与扇形平面成一定角度设置有当量扩张角a，a为0.5°-10°。
8.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机涵道装置，其特征在于，所述涵道壁采用骨架式空心结构，长度c为叶片长度的200％-600％，内流道最小截面处到轴线的距离a为叶片长度的80％-95％，外流道最高点到轴线的距离b为叶片长度的110％-200％。
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