CN108412687A - 一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法、风帆及风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其包括如下步骤：(1)设置至少一组截面呈翼型形状的翼型风帆主体；(2)在所述翼型风帆内部，设置有空气射流通道；(3)在所述“Y”字型空气射流通道上，设置一流量调节闸门；(4)调节阀门，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。本发明还公开了一种实施上述方法的翼型风帆，以及采用该风帆的垂直轴风机，增大了翼帆捕风面积并提高了翼帆的风能利用率。

Description

一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法、风帆及风机
技术领域
本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法、风帆及风机。
背景技术
垂直轴风力发电机的出现解决了水平轴风力发电机在物理结构上的缺陷，然而如何增加捕风面积和提高风能利用率仍然是驱动风电进一步发展的核心问题。
现有的带有翼型风帆的垂直轴风机在可旋转运动的环形运转平台上布置有多个翼型风帆叶片，可实现从各个角度捕捉风能，增加了捕风面积。
传统翼型结构的风帆具有很好的捕风能力，但不能克服其迎风阻力。而冲压喷气式翼型风帆，不仅保持了翼型风帆能大面积捕风的特点，其风帆的头部进气道组、翼面气道阵列组的设计，还有效地降低了翼型风帆的迎风阻力，并将其阻力合力导向为向风帆头部前进的合力，大大增强了翼型风帆的捕风能力。
请参见附图1，现有技术中的冲压喷气式翼型风帆，是采用了喷气式机翼的工作原理。良好的机翼应该能产生很大的升力和很小的阻力，并有足够的强度和刚性，不容易变形而且容易控制。决定机翼产生升力大小的因素很多，与机翼面积、速度等直接有关，不过这些因素往往不能够或不便于改变，如空气密度不能改变；机翼两积、通常受到物理限制；所处环境中的空气来流的速度不受控制。因此，要增大升力只能通过增大升力系数来实现。在减小机翼阻力方面也是这样，主要是设法减小机翼产生的阻力系数。决定机翼升力系数及阻力系数的是机翼截面形状(即翼型)、机翼平面形状和当时的迎角。好的翼型能够在同样的迎角下有较大的升力系数和较小的阻力系数，这两种系数的比值(称升阻比)可达到18以上。
由于翼型风帆在前缘迎风时风能利用率最大，风帆以其他角度迎风时风能利用率有所降低，但是这种翼型风帆在不同风速和风向攻角下无法作出适应性调整，所以其整体的风能利用率较低。
中国发明ZL 201080047198.9，公开了一种水浮风帆风力发电机，其通过设置翼面气道阵列组的设计，提高升阻比，其是在水浮运转平台之上设置的多个冲压喷气式翼型风帆，是水浮风帆风力发电机捕风获取风能的载体。每一冲压喷气式翼形风帆都包括风帆头部、风帆尾部、位于风帆头部3的头部进气道组、分别位于风帆两个翼面的翼面气道阵列组。其中，头部进气道组是由分布于风帆头部的系列进气道口组成；翼面气道阵列组是分别由分布于风帆的两个翼面的系列翼面多极气道口组成。上述系列的头部进气道口、翼面多级气道口在冲压喷气式翼型风帆的内部形成射流气道。均匀分布在水浮运转平台上的系列冲压喷气式翼形风帆，在各个不同方向的水平圆周运动中，对风的不同迎角都有良好的向前运动的合力导向。
但是，上述现有技术均无法解决如下问题：
1、不能使单个翼型风帆根据所处风场中气流的风向、风速、风力大小，同步进行自适应调整射流道的导流能力，以获得最大的升阻比、以及形成最佳的周向运动的合力；
2、不能通过每个翼型风帆的射流通道截面形状、数量配合，根据其所处风场中气流情况，各自对其射流通道进行自适应性调节，以获得最大的升阻比、以及形成最佳周向运动的合力；
3、射流通道的自适应调节需要依据一定的规律性控制，才能获得最大的升阻比、以及形成最佳周向运动的合力；
4、没有考虑如何布设单个翼型风帆的数量、位置，并使每个翼型风帆进行自适应性调节，使多个风帆组成的整个风机，达到最佳周向运动的合力。
因此，如何使每个翼型风帆，根据所处风场中的方向和风速，通过对自身结构做出同步、灵活的适应性调整，获得最大的升阻比，进而获得最佳的圆周运动导向合力，使风能利用率达到最大，仍然需要进行深入的研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺不足，提供一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法及翼型风帆，具有在不同风速下通过调节闸门开启程度以提高翼型风帆的风能利用率以及攻角发生变化利用风对翼型风帆的升力和阻力来提高其动力特性的特点。
本发明要解决的技术问题还包括，提供一种由多个风帆组成的风机，由每个自因应风速变化的升阻力，从而达到最佳周向运动合力。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)设置至少一组截面呈翼型形状的翼型风帆主体，该主体设有上弧面A、下弧面B；
(2)在所述翼型风帆内部，水平设置有至少一个或多个用来提高其动力特性、横截面呈“Y”字型的单侧导通型空气射流通道；该“Y”字型流道的进气口设置在风帆主体的前缘，两个出气口设置在风帆主体的上弧面A上；所述进气口中心线与出气口中心线之间的夹角为45°～60°；
(3)在所述“Y”字型空气射流通道上，设置一因应风向、风速并自控开闭截面的流量调节闸门；
(4)所述的调节阀门，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化来提高其动力特性，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。
所述步骤(3)的流量调节闸门为单向阀门，其设置在在空气射流道进气开口处，仅能向所述空气射流通道内侧方向打开；且该阀门的“Y”字型空气射流通道的进气口处；在该阀门内侧面上，设有一自适应、自复位的开闭控制装置，根据风速变化自适应过程函数控制所述闸门的开启截面的大小，该自适应过程函数是：
X＝F/(a*cos45°) (3)
F＝Sv2ρ (4)
式中：
X——闸门沿流道内开启的距离；
F——气流作用在闸门上的力；
S——闸门截面积；
v——气流流速；
ρ——气流密度。
所述的自适应、自复位的开闭控制装置，是液压支撑杆或包绕有金属弹簧的弹簧支撑杆；所述液压支撑杆或弹簧支撑杆设置于所述空气射流道内，两端分别采用一T型接头将其连接在所述闸门及所述流道内壁上。
所述步骤(2)中，形成所述的射流通道的进、出气口的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度。
步骤(4)具体还包括：
(41)当所述翼型风帆前缘迎风时，气流与所述翼型风帆的攻角为0°，当所述翼型风帆处于低于所述闸门的开启额定风速的低风速环境下，所述闸门完全闭合，来流在所述翼型风帆前缘分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面，最大程度上保持翼型结构产生升力的特性，有助于所述翼型风帆在低风速环境下启动；
(42)当所述翼型风帆前缘迎风、且来流的风速大于设定的调节风速值时则开启，自动调节空气射流通道内的空气流速、流量，使来流在所述翼型风帆前缘分流为三股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面、经过所述闸门进入所述“Y”字型空气射流通道；该股气流进入所述“Y”字型空气射流通道后分别从两个所述出气口排出，对所述翼型风帆产生反推力的效果；同时，流经上弧面A、下弧面B面的两股气流对所述翼型风帆产生升力，叠加上反推力的作用，同时驱动所述翼型风帆向其前缘运动。
(43)当所述翼型风帆后缘迎风时的气流与所述翼型风帆的攻角为180°时，来流在所述翼型风帆后缘分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面；流过上弧面A面的气流经过所述进气口，部分气流沿所述进气口进入所述“Y”字型空气射流通道；由于所述闸门具有单向可开性，仅能向所述“Y”字型空气射流通道内侧方向打开，所述“Y”字型空气射流通道内气流被所述闸门阻挡，相当于阻力型的风机叶片，气流具有的动能在所述闸门处转化为阻力；阻力方向指向所述翼型风帆前缘，驱动所述翼型风帆向其前缘运动。
实施前述自适应风速变化的升阻力调节方法的翼型风帆，其特征在于，其包括一截面呈翼型形状的翼型风帆主体，该主体设有上弧面A、下弧面B；所述翼型风帆主体由多组小翼型风帆通过垂直方向销连接方式拼接组成；在所述每组小翼型风帆内部，均水平设置有一个或多个用来提高其动力特性、横截面呈“Y”字型的单侧导通型空气射流通道；该“Y”字型流道的进气口设置在风帆主体的前缘，两个出气口设置在风帆主体的上弧面A上；所述进气口中心线与出气口中心线之间的夹角为45°～60°；在所述“Y”字型空气射流通道中，还设有一因应风向、风速并自控开闭截面的流量调节闸门；所述的调节阀门，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化来提高其动力特性，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。
所述的流量调节闸门为单向阀门，其设置在空气射流道进气开口处，仅能向所述空气射流通道内侧方向打开；且该阀门的“Y”字型空气射流通道的进气口处；在该阀门内侧面上，设有一自适应、自复位的开闭控制装置，根据风速变化自适应过程函数控制所述闸门的开启截面的大小，该自适应过程函数是：
X＝F/(a*cos45°) (3)
F＝Sv2ρ (4)
式中：
X——闸门沿流道内开启的距离；
F——气流作用在闸门上的力；
S——闸门截面积；
v——气流流速；
ρ——气流密度；
所述的自适应、自复位的开闭控制装置，是液压支撑杆或包绕有金属弹簧的弹簧支撑杆；所述液压支撑杆或弹簧支撑杆设置于所述空气射流道内，两端分别采用一T型接头将其连接在所述闸门及所述流道内壁上。
形成所述的射流通道的进、出气口的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度。
采用前述翼型风帆的垂直轴风机，其包括可旋转运动的环形运转平台，垂直于该平台平面沿环形均匀布设有多个所述翼型风帆叶片，其特征在于，为使垂直轴风机获得最佳的周向运动合力，翼型风帆叶片应满足以下条件：
(1)运转平台上布置的所述翼型风帆叶片数量为单数；以避免风机迎风时，气流从相邻两块叶片之间的间隙进入，由对角的间隙流出，气流对风机的周向运动形成阻力；
(2)结合运动特性和安全因素的考虑，所述翼型风帆叶片高度H和垂直轴风机运转平台半径R应满足：
0.8H≦R≦H (7)。
本发明提供的方法及翼型风帆、风机具有以下有益效果：
1.捕风面积大。所述单个翼型风帆受到攻角不同的风时均能通过气流对所述翼型风帆产生升力和阻力形成最大合力，驱动所述翼型风帆向其前缘运动；
2.风能利用率高。所述单个翼型风帆处于低于所述闸门的开启额定风速的低风速环境下，闸门完全闭合，最大程度上保持翼型的动力特性，更利于所述翼型风帆启动。其处于大于开启额定风速的环境下，液压支撑杆根据风力大小调节闸门的开启程度，气流流经所述”Y”字型空气射流通道并从出气口流出，产生反推力的效果，叠加上风对所述翼型风帆产生的升力，同时驱动其运动，处于不同风速下风能转化为所述翼型风帆的动能的转化率高。
3.由多个翼型风帆(总数为单数)作为叶片组成的垂直轴风机，可通过每个翼型风帆在风场中所处位置上获得的自适应的升力、阻力，获得最佳的周向运动合力。
附图说明
图1是现有技术中翼型风帆的横向剖面截面结构示意图；
图2是本发明翼型风帆的整体外形结构及小组剖面示意图；
图3是本发明翼型风帆的截面俯视图；
图4是本发明翼型风帆中的液压支撑杆示意图；
图5是本发明翼型风帆前缘迎风时的气流流向示意图；
图6是本发明翼型风帆后缘迎风时的气流流向示意图；
图7是本发明翼型风帆和上弧面AC上弧面A低速翼型在攻角为0°、风速低于闸门开启额定风速时的压力云图；
图8是本发明翼型风帆和上弧面AC上弧面A低速翼型在攻角为0°、风速高于闸门开启额定风速时的压力云图；
图9是本发明翼型风帆和上弧面AC上弧面A低速翼型在攻角为180°、风速低于闸门开启额定风速时的压力云图；
图10是本发明翼型风帆和上弧面AC上弧面A低速翼型在攻角为180°、风速高于闸门开启额定风速时的压力云图。
其中，各部的标号表示如下：1、升阻力翼型风帆主体；2、主体前缘 3、主体后缘41、”Y”字型空气射流通道 42、进气口 43、出气口 44、液压支撑杆 45、闸门 46、杆槽 441、T形接头 442、活塞杆 443、液压缸
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的翼型风帆的自适应升阻力调节方法、翼型风帆及垂直轴风机，以下以具体实施方式对本发明进行详细说明：
请参见图2‐图10所示，本发明实施例提供的翼型风帆的自适应升阻力调节方法及翼型风帆，其中所述翼型风帆主体1的截面呈翼型形状的，翼型是NACA低速翼型，代号为NACA2413，即翼型最大相对弯度2％，最大弯度距离翼弦前缘的长度为40％左右的弦长，最大相对厚度为13％。
本实施例提供的一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其包括如下步骤：
(1)设置四组上下排列的截面呈翼型形状的翼型风帆主体1，该主体1设有上弧面A、下弧面B；
(2)在所述翼型风帆1内部，水平设置有多个用来提高其动力特性、横截面呈“Y”字型的单侧导通型空气射流通道41；该“Y”字型流道41的进气口设置在风帆主体1的前缘2，两个出气口43设置在风帆主体1的上弧面A上；所述进气口42中心线与出气口43中心线之间的夹角为45°～60°；即空气射流通道41为一弯折形通道；
步骤(2)中，形成所述的射流通道的进、出气口的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度；
(3)在所述“Y”字型空气射流通道41的内部通道上，设置一因应风向、风速并自控开闭截面的流量调节闸门45；
所述步骤(3)的流量调节闸门45为单向阀门，其设置在在空气射流道41的进气开口42或43处，仅能向所述空气射流通道41内侧方向打开；且该阀门45的“Y”字型空气射流通道41的进气口42处；在该阀门45内侧面上，设有一自适应、自复位的开闭控制装置，根据风速变化自适应过程函数控制所述闸门45的开启截面的大小，该自适应过程函数是：
X＝F/(a*cos45°) (3)
F＝Sv2ρ (4)
式中：
X——闸门沿流道内开启的距离；
F——气流作用在闸门上的力；
S——闸门截面积；
v——气流流速；
ρ——气流密度。
所述的自适应、自复位的开闭控制装置，是液压支撑杆44，其他实施例中也可以是包绕有金属弹簧的弹簧支撑杆；所述液压支撑杆或弹簧支撑杆44设置于所述空气射流道41内，两端分别采用一T型接头将其连接在所述闸门45及所述流道41内壁上。
(4)所述的调节阀门45，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门45开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道41内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化来提高其动力特性，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆1的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。
步骤(4)具体还包括：
(41)当所述翼型风帆前缘2迎风时，气流与所述翼型风帆1的攻角为0°，当所述翼型风帆1处于低于所述闸门45的开启额定风速的低风速环境下，所述闸门45完全闭合，来流在所述翼型风帆前缘2分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面，最大程度上保持翼型结构产生升力的特性，有助于所述翼型风帆1在低风速环境下启动；
(42)当所述翼型风帆前缘2迎风、且来流的风速大于设定的调节风速值时则开启，自动调节空气射流通道41内的空气流速、流量，使来流在所述翼型风帆前缘2分流为三股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面、经过所述闸门45进入所述“Y”字型空气射流通道41；该股气流进入所述“Y”字型空气射流通道41后分别从两个所述出气口43排出，对所述翼型风帆1产生反推力的效果；同时，流经上弧面A、下弧面B面的两股气流对所述翼型风帆1产生升力，叠加上反推力的作用，同时驱动所述翼型风帆1向其前缘运动；
(43)当所述翼型风帆后缘3迎风时的气流与所述翼型风帆1的攻角为180°时，来流在所述翼型风帆后缘3分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面；流过上弧面A面的气流经过所述进气口42，部分气流沿所述进气口42进入所述“Y”字型空气射流通道41；所述闸门45具有单向可开性，仅能向所述“Y”字型空气射流通道41内侧方向打开，所述“Y”字型空气射流通道41内气流被所述闸门45阻挡，相当于阻力型的风机叶片，气流具有的动能在所述闸门45处转化为阻力；阻力方向指向所述翼型风帆前缘2，驱动所述翼型风帆1向其前缘2运动。
本发明实施例提供的自因应风速变化、实施上述自适应升阻力调节方法升阻力的翼型风帆1，如图2所示，其中所述翼型风帆主体1由四组小翼型风帆1通过垂直方向销连接方式拼接组成，方便加工、拆卸以及安装；该主体1设有上弧面A、下弧面B；其他实施例中，可以根据需要，具体层叠的小翼型风帆1的组数；
所述”Y”字型空气射流通道41，是由设于所述翼型风帆前缘2的进气口42、设于上弧面A侧(即所述翼型风帆前缘迎风时负压区侧)的出气口43以及连接进气口和出气口的流道41组成；
较佳地，每组小翼型风帆均设置有所述进气口42、出气口43，进气口42与出气口43中心线之间的夹角为45°～60°，出气口43可设置2～4个。若所述气口42、43的尺寸过大，会降低翼型风帆1产生升力的能力；若所述气口42、43的尺寸过小，对动力特性的提高又不明显。因此，所述各进出气口42、43的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度。
所述小翼型风帆1加工设置于其内部的”Y”字型空气射流通道41时，可以风帆的中弧面为分割线，将其一分为二、使用设备进行加工出流道41，再将两部分通过销连接方式拼接成一组完整的所述”Y”字型空气射流通道41；
所述闸门45被设置于所述”Y”字型空气射流通道的进气口42处，所述闸门45形状与所述翼型风帆前缘2弧度吻合，所述闸门45关闭的情况下，所述翼型风帆1整体呈完整的翼型。所述闸门45也可为平板状。所述闸门45与所述流道41内壁以铰链方式连接，且铰接轴设置在进气口42的底面上；
其中，所述液压支撑杆44设置于所述流道41内壁的杆槽46内，采用T型接头441分别将所述液压支撑杆44固定于所述流道内壁的杆槽46以及所述闸门45上。选择所述液压支撑杆44的活塞杆442行程，应满足所述闸门45关闭的情况下所述液压支撑杆44被拉伸达到最大行程，以实现所述闸门45的单向可开性。选择所述液压支撑杆的液压缸443缸长，应满足液压缸被完全设置于所述杆槽46内，以实现所述闸门45能完全开启。其他实施例中，液压支撑杆44也可以采用弹簧支撑杆、弹性橡胶支撑杆等能够自行因应风速变化并自行复位的装置。
本发明所提供的自因应风速变化的升阻力翼型风帆1，在不同风向、不同风速下通过调节所述闸门45开启程度、使不同流量的部分气流通过通道41，以提高翼型风帆1的风能利用率，以及攻角发生变化，提高风对翼型风1的升力和阻力，来提高其动力特性。
如图4所示，所述翼型风帆前缘2迎风时的气流流向示意图，此时风与所述翼型风帆1的攻角为0°。若所述翼型风帆1处于低于所述闸门45的开启额定风速的低风速环境下，所述闸门45完全闭合，所述翼型风帆1呈普通翼型结构，来流在所述翼型风帆前缘2分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面，最大程度上保持翼型结构原本产生升力的特性，有助于所述翼型风帆1在低风速环境下启动。另外，所述翼型风帆1处于高于所述额定风速的环境下，所述液压支撑杆44根据风力大小调节所述闸门45的开启程度，所述闸门45处于开启状态，来流在所述翼型风帆前缘2分流为三股气流，除了流经上弧面A、下弧面B面外，还经过所述闸门45进入所述”Y”字型空气射流通道41。该股气流进入所述”Y”字型空气射流通道41后分别从两个所述出气口43排出，对所述翼型风帆1产生反推力的效果。流经上弧面A、下弧面B面的两股气流对所述翼型风帆1产生升力，叠加上反推力的作用，同时驱动所述翼型风帆1向其前缘运动。
如图5所示，所述翼型风帆后缘3迎风时的气流流向示意图，此时风与所述翼型风帆1的攻角为180°。来流在所述翼型风帆后缘3分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面。流过上弧面A面的气流经过所述进气口42，部分气流沿所述进气口42进入所述”Y”字型空气射流通道41。由于所述闸门45具有单向可开性，仅能向所述”Y”字型空气射流通道41内打开。因此，所述”Y”字型空气射流通道41内气流被所述闸门45阻挡，相当于阻力型的风机叶片，气流具有的动能在所述闸门45处转化为阻力。阻力指向所述翼型风帆前缘2，驱动所述翼型风帆1向其前缘运动。
一种采用上述翼型风帆1的垂直轴风机，自适应风速变化的升阻力翼型风帆，其包括可旋转运动的环形运转平台，垂直于该平台平面沿环形均匀布设有多个所述翼型风1叶片。基于上述的翼型风帆1(即图4所示上弧面A、下弧面B侧均有出气口)的垂直轴风机，为使垂直轴风机获得最佳的周向运动合力，翼型风帆1叶片应满足以下条件：
(1)运转平台上布置的所述翼型风帆1叶片数量为单数。假若均匀布置双数个数的翼型风帆叶片，叶片必然是两两对角排列，使得相邻两块叶片之间的间隙与对角的间隙形成直通的开放流道。风机迎风时，气流从相邻两块叶片之间的间隙进入，由对角的间隙流出，气流对风机的周向运动形成阻力。布置单数个数的翼型风机1叶片则可以避免这种情况；
(2)结合运动特性和安全因素的考虑，所述翼型风帆1叶片高度H和垂直轴风机运转平台半径R应满足：
0.8H≦R≦H (7)
本发明实施例利用电风机充当风源，模拟上述垂直轴风机在正常工作环境下的受风情况，进行了多组关于流道41的气孔42、43开闭对翼型风帆1动力特性的影响的对比性实验。以下为该实验所采集数据：
注：夹角为风源中心和风机中心所连轴线与来流所成角度
由实验数据表明，所述实验在低风速的环境下进行，在所述实验条件两种来流环境下，⑥前孔及下弧面B侧孔闭合即内部流道形状与本发明所述”Y”字型空气射流通道41形状吻合，测得的综合平均转速为4.96rpm/min，在各组中转速较高，即其动力特性较好。
本发明实施例所述的自因应风速变化的升阻力翼型风帆1，按上述实施方式建模，采用计算流体力学方法对其进行模拟研究，与N上弧面AC上弧面A低速翼型(下称YX01)作对比，以验证所述翼型风帆1的动力特性。根据模拟结果进行以下分析：
1.如图7所示，处于低于闸门45开启额定风速的环境下，所述翼型风帆1边界附近的压力、流速情况与YX01基本一致。因此在闸门45闭合的情况下，所述翼型风帆1迎风时产生升力的能力与YX01相近，能最大程度保持翼型的动力特性；
2.如图8所示，处于高于闸门45开启额定风速的环境下，所述翼型风帆闸门45打开，气流可以从所述进气口42通过所述”Y”字型空气射流通道41，减小了翼型前缘2的高压区面积，即所述翼型风帆前缘2迎风时产生的阻力比YX01小；
3.如图9、图10所示，无论风速条件如何，所述翼型风帆1的所述”Y”字型空气射流通道41内压力都远高于所述翼型风帆前缘2的压力，即气流进入所述”Y”字型空气射流通道41被单向可开的所述闸门45阻挡，相当于阻力型的风机叶片，气流的动能在闸门45处转化为阻力，驱动所述翼型风帆1向其前缘2运动，而YX01则无法产生相同的阻力。
综合以上对模拟结果的分析，本发明既利用了YX01前缘2迎风时产生升力大的优点，又结合利用了升力和阻力驱动自身运动，因此本发明的动力特性明显好于YX01。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)设置至少一组截面呈翼型形状的翼型风帆主体，该主体设有上弧面A、下弧面B；
(2)在所述翼型风帆内部，水平设置有至少一个或多个用来提高其动力特性、横截面呈“Y”字型的单侧导通型空气射流通道；该“Y”字型流道的进气口设置在风帆主体的前缘，两个出气口设置在风帆主体的上弧面A上；所述进气口中心线与出气口中心线之间的夹角为45°～60°；
(3)在所述“Y”字型空气射流通道上，设置一因应风向、风速并自控开闭截面的流量调节闸门；
(4)所述的调节阀门，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化来提高其动力特性，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。
2.根据权利要求1所述的翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，所述步骤(3)的流量调节闸门为单向阀门，其设置在在空气射流道进气开口处，仅能向所述空气射流通道内侧方向打开；且该阀门的“Y”字型空气射流通道的进气口处；在该阀门内侧面上，设有一自适应、自复位的开闭控制装置，根据风速变化自适应过程函数控制所述闸门的开启截面的大小，该自适应过程函数是：
X＝F/(a*cos45°) (3)
F＝Sv2ρ (4)
式中：
X——闸门沿流道内开启的距离；
F——气流作用在闸门上的力；
S——闸门截面积；
v——气流流速；
ρ——气流密度。
3.根据权利要求2所述的翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，所述的自适应、自复位的开闭控制装置，是液压支撑杆或包绕有金属弹簧的弹簧支撑杆；所述液压支撑杆或弹簧支撑杆设置于所述空气射流道内，两端分别采用一T型接头将其连接在所述闸门及所述流道内壁上。
4.根据权利要求1所述的翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，
所述步骤(2)中，形成所述的射流通道的进、出气口的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度。
5.根据权利要求1的翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，步骤(4)具体还包括：
(41)当所述翼型风帆前缘迎风时，气流与所述翼型风帆的攻角为0°，当所述翼型风帆处于低于所述闸门的开启额定风速的低风速环境下，所述闸门完全闭合，来流在所述翼型风帆前缘分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面，最大程度上保持翼型结构产生升力的特性，有助于所述翼型风帆在低风速环境下启动；
(42)当所述翼型风帆前缘迎风、且来流的风速大于设定的调节风速值时则开启，自动调节空气射流通道内的空气流速、流量，使来流在所述翼型风帆前缘分流为三股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面、经过所述闸门进入所述“Y”字型空气射流通道；该股气流进入所述“Y”字型空气射流通道后分别从两个所述出气口排出，对所述翼型风帆产生反推力的效果；同时，流经上弧面A、下弧面B面的两股气流对所述翼型风帆产生升力，叠加上反推力的作用，同时驱动所述翼型风帆向其前缘运动。
6.根据权利要求1所述的翼型风帆的自适应升阻力调节方法，其特征在于，步骤(4)具体还包括：
(43)当所述翼型风帆后缘迎风时的气流与所述翼型风帆的攻角为180°时，来流在所述翼型风帆后缘分流为两股气流，分别流经上弧面A、下弧面B面；流过上弧面A面的气流经过所述进气口，部分气流沿所述进气口进入所述“Y”字型空气射流通道；所述闸门具有单向可开性，仅能向所述“Y”字型空气射流通道内侧方向打开，所述“Y”字型空气射流通道内气流被所述闸门阻挡，相当于阻力型的风机叶片，气流具有的动能在所述闸门处转化为阻力；阻力方向指向所述翼型风帆前缘，驱动所述翼型风帆向其前缘运动。
7.实施权利要求1～6之一所述自适应升阻力调节方法的翼型风帆，其特征在于，其包括一截面呈翼型形状的翼型风帆主体，该主体设有上弧面A、下弧面B；所述翼型风帆主体由多组小翼型风帆通过垂直方向销连接方式拼接组成；在所述每组小翼型风帆内部，均水平设置有一个或多个用来提高其动力特性、横截面呈“Y”字型的单侧导通型空气射流通道；该“Y”字型流道的进气口设置在风帆主体的前缘，两个出气口设置在风帆主体的上弧面A上；所述进气口中心线与出气口中心线之间的夹角为45°～60°；在所述“Y”字型空气射流通道中，还设有一因应风向、风速并自控开闭截面的流量调节闸门；所述的调节阀门，根据风帆来流的不同风向和风速，对应地自行调节闸门开启程度、开闭截面大小，以调节空气射流通道内的空气流量和流速，使攻角相应发生变化来提高其动力特性，从而在风速变化时自动调节对翼型风帆的升力和阻力，以获得最大的升阻比，并形成最佳周向运动的合力，提高风能利用率。
8.根据权利要求7所述的翼型风帆，其特征在于，
所述的流量调节闸门为单向阀门，其设置在空气射流道进气开口处，仅能向所述空气射流通道内侧方向打开；且该阀门的“Y”字型空气射流通道的进气口处；在该阀门内侧面上，设有一自适应、自复位的开闭控制装置，根据风速变化自适应过程函数控制所述闸门的开启截面的大小，该自适应过程函数是：
X＝F/(a*cos45°) (3)
F＝Sv2ρ (4)
式中：
X——闸门沿流道内开启的距离；
F——气流作用在闸门上的力；
S——闸门截面积；
v——气流流速；
ρ——气流密度；
所述的自适应、自复位的开闭控制装置，是液压支撑杆或包绕有金属弹簧的弹簧支撑杆；所述液压支撑杆或弹簧支撑杆设置于所述空气射流道内，两端分别采用一T型接头将其连接在所述闸门及所述流道内壁上。
9.根据权利要求7所述的翼型风帆，其特征在于，形成所述的射流通道的进、出气口的开口高度h和开口宽度L应满足：
式中：
H——翼型风帆叶片的高度；
c——翼型风帆的最大厚度。
10.一种采用权利要求7～9之一所述翼型风帆的垂直轴风机，其包括可旋转运动的环形运转平台，垂直于该平台平面沿环形均匀布设有多个所述翼型风帆叶片，其特征在于，为使垂直轴风机获得最佳的周向运动合力，翼型风帆叶片应满足以下条件：
(1)运转平台上布置的所述翼型风帆叶片数量为单数；以避免风机迎风时，气流从相邻两块叶片之间的间隙进入，由对角的间隙流出，气流对风机的周向运动形成阻力；
(2)结合运动特性和安全因素的考虑，所述翼型风帆叶片高度H和垂直轴风机运转平台半径R应满足：
0.8H≦R≦H (7)。
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