CN110094293B - 一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电行业，特别是一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机。包括垂直轴、叶片支撑杆和叶片，所述叶片中设有如下结构的气体加速流道：所述叶片前缘开设有抽吸孔，尾缘开设有喷射孔，叶片中轴线上开设有连接抽吸孔和喷射孔的气道，所述气道内设有气泵，气体在气泵的抽吸作用下从抽吸孔进入气道，形成抽吸气流，从喷射孔喷出，形成向叶片尾部的喷射气流。本发明的技术方案能够同时在叶片前缘抽吸气体和将气体从叶片尾缘喷出，产生增压的抽吸气流和喷射气流，抽吸气流能够控制垂直轴风力机周期性大分离非定常流动，喷射气流能够产生反向推力，对风力机正向做功，大幅提高风力机升阻比和风力机的功率。

Description

一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及风力发电行业，特别是一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机。
背景技术
我国的风能资源丰富，具有大规模开发可利用的前景。2017年，我国累计及年新增装 机总容量均排名世界第一，在全球累计新增装机容量排名前十的国家中，我国新增装机容 量占比高达37％。
风力发电机包括水平轴风力机和垂直轴风力机，水平轴风力机的旋转轴与地面水平， 通常具有对风装置，旋转轴能随风向改变而转动。垂直轴风力机的旋转轴垂直于地面或者 气流的方向，风向改变的时候无需对风，相对于水平轴风力机来说，不仅使结构设计简化， 而且也减少了风轮对风时的陀螺力。然而，垂直轴风力机的轮毂高度和转子直径受限于风 力机结构、气动载荷、控制舱大小、运输安装及叶片材料等各方面的约束，均不能超过一 定的尺寸。故提升风力机扭矩和风能利用率，从而提高风力机单机效率，仍是大容量现代 风力机设计及研究的热点。
目前，针对风力机分离与失速的流动控制技术主要可以分为主动控制和被动控制两大 类。主动控制技术主要有边界层吹吸气、等离子体激励、振动膜片等等；被动控制技术主 要有涡发生器、襟翼、表面凹坑、锯齿形前尾缘、前缘小圆柱等。这些控制方法都还存在着一些问题，未能解决工程上风力机在不同时间和空间尺度的大气影响下，较大运行工况范围产生的流动分离与失速问题，这些问题还需进一步深入研究。
公布号为CN109653944A的发明专利，公开了一种叶尾喷气式垂直轴风力机，包括垂 直轴、叶片支撑杆和叶片，垂直轴和叶片支撑杆中开设有相通的喷气管，叶片垂直向设有 气道、水平向平行设有若干根喷气孔，喷气孔设于叶片的对称中轴线上，并通向叶片尾缘， 喷气管、气道、喷气孔均相互连通、形成气流道，风力机外置有气泵，气泵的出风口连接垂直轴的喷气管，高压气流由下至上经叶片的喷气孔喷出，形成喷射气流。本发明通过主动控制叶片尾部产生喷射气流，形成反向推力，在风力机运行范围内提高风力机升阻比，提高风力机的发电效率。
但是现有技术的垂直轴风力机需要对垂直轴、叶片支撑杆和叶片等部位均进行改造， 包括在垂直轴和叶片支撑杆中开设喷气管、在叶片中开设气道和喷气孔，在风力机外部增 加气泵等等。而且，风力机为了具有较高水平的发电效率，其垂直轴通常较高，叶片支撑 杆通常半径较长，对以上部位进行改造的成本高昂，改造工程量大，过程较为复杂。另一方面，单单通过从叶片尾部产生喷射气流，形成反向推力的方法来增加风力机升阻比的作用力有限，对风力机发电效率的正向影响力有限。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，能够同 时在叶片前缘抽吸气体和将气体从叶片尾缘喷出，产生增压的抽吸气流和喷射气流，抽吸 气流能够控制垂直轴风力机周期性大分离非定常流动，喷射气流能够产生反向推力，对风 力机正向做功，大幅提高风力机升阻比和风力机的功率。
本发明的技术方案为：
一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，包括垂直轴、叶片支撑杆和叶片，所 述叶片中设有如下结构的气体加速流道：所述叶片前缘开设有抽吸孔，尾缘开设有喷射孔， 叶片中轴线上开设有连接抽吸孔和喷射孔的气道，所述气道内设有气泵，气体在气泵的抽 吸作用下从抽吸孔进入气道，形成抽吸气流，从喷射孔喷出，形成向叶片尾部的喷射气流。
所述抽吸孔有两个，对称设置于叶片中轴线的两侧。
所述抽吸孔设置于距离叶片前缘5％-20％弦长处，并垂直于开孔处的叶片表面。
所述气道中抽吸气流的动量系数，即抽吸气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比 值为0.005-0.06。
所述气道中喷射气流的动量系数，即喷射气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比 值为0.005-0.06。
所述抽吸气流和喷射气流的展向高度占叶片整体高度的80％-100％。
在叶片旋转的整个运行周期或部分运行周期加载抽吸气流和喷射气流。
所述气体加速流道设置于一个或多个叶片中。
本发明通过在垂直轴风力机的叶片前缘开设抽吸孔，在叶片尾缘开设喷射孔，叶片中 轴线上开设连接抽吸孔和喷射孔的气道，设置于气道上的气泵将气体从抽吸孔吸入，从喷 射孔喷出，在叶片前端和尾端分别形成高速的抽吸气流和喷射气流。叶片前端的抽吸气流 能够吸除叶片表面边界层低能流体，抑制周期性大分离非定常流动，提高叶片升力。叶片 后端的喷射气流能产生与叶片运行方向相反的反推力，该反推力与叶片所受阻力部分相抵， 减小叶片所受阻力，提高翼型的升阻比。以上两者相互结合，在风力机运行范围内大幅提 高风力机的升阻比，提高发电效率。
本发明的技术方案仅需对风力机的叶片部分进行改造，改造的工程量小，过程较为简 单，改造成本低，产生的经济效益成倍增加。
附图说明
图1为本发明垂直轴风力机的立体图；
图2为本发明垂直轴风力机的俯视图；
图3为本发明的叶片剖视放大图；
图4为本发明和现有技术的垂直轴风力机的功率系数随叶尖速比的变化对比曲线图；
图5为本发明和现有技术的垂直轴风力机在不同相位角的瞬时功率系数变化对比图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分 地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1-图3，本发明的联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，包括垂直轴10、 叶片支撑杆20和叶片30，叶片30中设有如下结构的气体加速流道300：叶片30前缘开设有抽吸孔31，尾缘开设有喷射孔32，叶片30中轴线上开设有连接抽吸孔31和喷射孔32 的气道33，气道33内设有气泵34，气体在气泵34的抽吸作用下从抽吸孔31进入气道33， 形在抽吸气流35，从喷射孔32喷出，形成向叶片30尾部的喷射气流36。
为了保持抽吸力量的均衡性，抽吸孔31有两个，对称设置于叶片30中轴线的两侧。抽吸孔31设置于距离叶片30前缘5％-20％弦长处，并垂直于开孔处的叶片30表面。叶片 30附近的气流在气泵34的抽吸作用下形成抽吸气流35，从叶片30前缘垂直与开孔处叶片 30表面进入叶片30，受到的阻力最小，抽吸气流35能吸除叶片表面边界层低能流体，抑 制周期性大分离非定常流动，提高叶片升力。
进入叶片30的抽吸气流35从叶尾喷射孔32喷出，形成高速的喷射气流36，由于气道 33沿叶片30的中轴线设置，喷射气流36方向沿中轴线的延长线方向，与叶片30的旋转方向相反，与叶片30的旋转半径相垂直，形成反向推力，对风力机正向做功。并额外带来康 达效应，携带叶尾处气流，增加了气流环量，对叶片尾部的分离流动有一定的抑制作用， 加强流动控制效果，从而增大风力机力矩，提高风力机发电效率。
如图2所示，左边箭头为风力方向W，水平向右，风力机旋转方向R为逆时针方向。由于高速气流带来的康达效应，气体加速流道300在叶片30中的高度，即抽吸气流35和 喷射气流36的展向高度，应尽可能接近叶片30的整体高度，展向高度占叶片30整体高度 的80％-100％。根据垂直轴风力机的叶片30在各相位角时的流场情况，可以在叶片30旋转 的整个运行周期加载抽吸气流35和喷射气流36，也可根据实际情况，对叶片30在一定相 位角范围内加抽吸气流35和喷射气流36，以达到最佳的控制效果。同时，可根据需要，将 气体加速流道300设置于一个或多个叶片30中，在本实施例中，三个叶片30均设有气体 加速流道300。
为保证抽吸气流35和喷射气流36具有足够的吸力和推力，气道33中抽吸气流35的动量系数，即抽吸气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比值为0.005-0.06。气道33中喷射气流36的动量系数，即喷射气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比值为 0.005-0.06。前缘抽吸和尾部射流动量系数的计算公式如下：
Figure BDA0002050576090000041
其中
Figure BDA0002050576090000042
为抽吸气流35或喷射气流36质量流量，Vj为抽吸或射流速度，ρ∞和V∞为自由来 流密度和速度，S为风力机过流面积。
为了验证本发明的效果，发明人对未加载联合喷气式的现有垂直轴风力机和本发明的垂 直轴风力机进行了功率系数的数值模拟，用于模拟的垂直轴风力机各项参数如表1所示：
表1：
Figure BDA0002050576090000043
表1中，叶尖速比是风力机叶片尖端线速度与风速之比，是用来表述风力机性能的重 要参数。如图4所示，通过对比数值模拟的风力机功率系数，可以看出，联合前缘抽吸及叶尾喷气式风力机与现有风力机相比，在叶尖速比TSR为2.04时，功率系数Cp增加了218％，在最佳叶尖速比TSR为2.64时，功率系数Cp增加了39％。如图5所示，本发明的 垂直轴风力机的瞬时功率系数在其运行相位角内均较现有技术的垂直轴风力机有所提高， 并且在较大运行相位角范围内瞬时功率系数均超过了贝兹极限。
本发明的垂直轴风力机将抽吸气流35和喷射气流36相互结合，在风力机运行范围内 大幅提高风力机升阻比，提高风力机的功率系数，其功率系数水平均较现有技术的风力机 成倍提高，使发电效率维持在稳定且较高的水平上。另一方面，本发明的技术方案仅需对 风力机的叶片部分进行改造，改造的工程量小，过程较为简单，改造成本低，产生的经济效益成倍增加。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人 员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，包括垂直轴(10)、叶片支撑杆(20)和叶片(30)，其特征在于，所述叶片(30)中设有如下结构的气体加速流道(300)：所述叶片(30)前缘开设有抽吸孔(31)，尾缘开设有喷射孔(32)，叶片(30)中轴线上开设有连接抽吸孔(31)和喷射孔(32)的气道(33)，所述气道(33)内设有气泵(34)，气体在气泵(34)的抽吸作用下从抽吸孔(31)进入气道(33)，形成抽吸气流(35)，从喷射孔(32)喷出，形成向叶片(30)尾部的喷射气流(36)，所述气道(33)中抽吸气流(35)的动量系数，即抽吸气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比值为0.005-0.06，所述气道(33)中喷射气流(36)的动量系数，即喷射气动量和流过翼型的自由来流平均动量的比值为0.005-0.06，所述抽吸孔(31)设置于距离叶片(30)前缘5％-20％弦长处，并垂直于开孔处的叶片(30)表面。
2.根据权利要求1所述的联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，其特征在于，所述抽吸孔(31)有两个，对称设置于叶片(30)中轴线的两侧。
3.根据权利要求1所述的联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，其特征在于，所述抽吸气流(35)和喷射气流(36)的展向高度占叶片(30)整体高度的80％-100％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，其特征在于，在叶片(30)旋转的整个运行周期或部分运行周期加载抽吸气流(35)和喷射气流(36)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的联合前缘抽吸和叶尾喷气式垂直轴风力机，其特征在于，所述气体加速流道(300)设置于一个或多个叶片(30)中。
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