CN110878736A - 一种水平轴尾流扩散式风力机技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了“一种水平轴尾流扩散式风力机技术”的相关原理以及技术解决方案；贝茨定律（Betz' Law）是风力发电领域的基础理论，但在公知文献中，只有贝兹理论的推导过程，没有任何实验验证过贝兹理论假定的“理想风轮”在现实环境中的具体数据；贝兹理论极限值为59.3%，但是通过具体实验发现，现实环境中实际测量的数据结果与贝兹理论不符；如附图所示，理想风轮在贝茨定律中假定的流场与现实环境中气流流场的表现截然不同；为了降低风力机的启动风速，为了提高风力机的风能利用率，基于牛顿第二定律完成了本发明；通过具体实验发现，本发明极大的降低了风力机的启动风速，提高了风力机的风能利用率。

Description

一种水平轴尾流扩散式风力机技术

技术领域

本发明属于风能利用领域，具体的说是一种利用特殊设计的阻力式风力机叶轮结构生成扩散式尾流流场，利用叶轮前方与叶轮后方的气压压差加速气流流动，进而驱动叶轮旋转后带动设备做功的技术。风力机是指包含风力发电、风力提水、风力研磨、风力驱动水体增氧、风力驱动压缩机等诸多直接或间接利用风能的相关技术。

背景技术

风力发电技术是一种绿色环保可再生的新能源技术。在当今世界上，只要提到风力发电，几乎所有人的脑中都会浮现出由3个细长叶片组成的风力发电机结构。这种由3个细长叶片组成的风力发电机被称之为水平轴升力式风力发电机，他的设计理论基础源自贝兹理论（Betz' Law）。

贝兹理论是由若干条贝兹假设推导而来，但在研究中发现，贝兹假设中的多项假设并不符合现实环境中的客观自然规律，甚至与事实相悖。在贝兹理论中，叶轮范围内被视为一个拥有边界的流管，而现实中的风力机叶轮处于一个开放式的环境。贝兹理论仅注意到叶轮范围内的气流，而忽略了叶轮范围外的气流对风力机的影响。

在贝兹理论中假设，风力发电机的理想叶轮是由无限多的叶片组成的。那么在现实环境中就代表贝兹理论假设的风力发电机叶轮（理想风轮）实际上是一个实心圆盘。在贝兹理论中假定，这个实心圆盘不会对风力（气流）产生阻力，气流会穿过这个实心圆盘，然后把一部分动能留在圆盘上用来驱动圆盘旋转。

但是，现实环境中，如果叶轮是实心圆盘，那么必然会阻挡气流的前进方向，导致风向和风力发生变化。

参考附图01与附图02；

附图01是贝兹理论中假想的风力发电机“理想风轮”气流流场图；

附图02是在现实环境中模拟“理想风轮”结构制成的风力发电机叶轮气流流场图。

通过附图01与附图02的对比可以发现，贝兹理论假设的理想风轮与现实环境中的“理想风轮”在自然环境下会表现出截然不同的结果，因此可以证明贝兹理论不符合现实环境客观自然规律。

贝兹理论最主要的谬误就是忽略了风力发电机叶片对气流产生的阻力，以及阻力对气流所造成的影响。如果风力发电机叶轮结构符合贝兹理论中提出的理想风轮结构，那么气流流场必然如附图02中所示，从叶轮外侧绕行。

在后续实验中发现，错误的假定了气流流场后，会使风力发电机叶轮在后续表现中的计算结果会产生巨大的误差。尤其是在现实环境中复原了贝兹理论假设的理想风轮后，通过实验测得数据与贝兹理论推导的数据存在巨大差异。

贝兹理论是基于贝兹假设推导而来，但是当贝兹假设并不符合客观自然规律时，或者说不符合现实环境时，由不符合客观自然规律的假设推导出来的结论必然无法得出符合客观现实规律的正确结果。

当今世界上常见的小三叶风力发电机（水平轴升力式风力发电机）实际上是现实风力环境与贝兹理论之间的妥协的结果。或者说，是为了让风力发电机符合贝兹理论，将风力发电机叶轮削足适履，改造成一种能够符合贝兹理论的结构。其主要目的为“保证气流在在通过叶轮过程中不被叶轮阻挡”，防止当叶轮高速旋转时，前方叶片的扰流影响到后方叶片。

实践（实验）是检验真理的唯一标准。在知网中，以“贝兹理论 实验”为关键字进行检索，希望找到有关贝兹理论的实验佐证贝兹理论的推导过程。

但是很遗憾，从贝兹理论提出到如今已经一个世纪了，利用搜索引擎只找到大量的贝兹理论的推导过程，却一直无法找到利用实验证实贝兹理论的记录或文献。也就是说，一个世纪以来，在风力发电领域被奉为圭臬的贝兹理论实际上是一条未经过大量实验进行验证的定理。

为了验证贝兹理论的真实性和可靠性，特此设计了一次实验。

由于贝兹理论假定的理想风轮在现实中表现为一个实心圆盘，其结构不利于对风能的利用，于是特此设计了如附图03中所示的叶轮结构。附图03是叶轮正面照，附图04、05是叶轮侧面照。

本实验所设计的叶轮结构直径1米，由8片大叶片组成（附图03），从正面视图中可以看到，整个叶轮范围内气流会完全被遮挡，假定这个叶轮为贝兹理论中的理想风轮。

在贝兹理论中提及，基于牛顿第二定律，叶轮吸收的能量总量为V，叶轮前方的气流流速为进入风速v1，叶轮后方的气流流速为残余风速v2，用进入风速v1减去残余v2得到的结果就是风力发电机叶轮吸收的气流动能V。

利用手持式风速计可以直接测量得出进入风速v1和残余风速v2的具体数值。用v1减去v2，可以得出风力发电机叶轮吸收了多少气流动能V的具体数值。用V除以v2能够得出风力发电机叶轮的风能利用率。

如下表所示，在不同风级情况下，本实验所采用的大叶片风力发电机（理想风轮）的风速测量结果。

自然环境下风速	进入风速V1	残余风速V2	叶轮吸收风能V	风能利用率
					风速1.5米每秒	1.5米每秒	0.0米每秒	1.5米每秒	100%
风速2.5米每秒	2.5米每秒	0.1米每秒	2.4米每秒	96%
					风速3.5米每秒	3.5米每秒	0.2米每秒	3.3米每秒	94%
风速4.5米每秒	4.5米每秒	0.4米每秒	4.1米每秒	91%

注：因为自然风力的不稳定性，具体测量数据存在一定波动，上述数据为多次实测结果的均值。

通过上述实验测得实际数据可以计算出，附图03中的大叶片风力发电机的风能利用率高于贝兹理论提出的风能利用率极值59.3%，虽然测量结果可能存在一定误差，但差值大于30%已经不是简单一句误差所能解释的了。因此本实验可得出结论：基于贝兹理论设计的水平轴升力式风力发电机（小三叶风力发电机）叶轮结构与大叶片风力发电机叶轮结构在风能利用率上存在巨大差异。大叶片风力发电机叶轮拥有更大的发展潜力。

名词解释

叶轮：水平轴风力发电机是一种成熟的风能利用设备，其特征为由若干叶片组成的一轮状结构。本发明为水平轴阻力式风力机，风力机由若干叶片组成一叶轮。在本发明中，叶轮根据风力机具体情况选择不同设计。具体设计方案有1：由若干固定叶片组合成叶轮结构。2：由一体成型碟型叶片组成叶轮结构。3：由角度可变叶片组合成叶轮结构。

叶轮的前方与后方：“对风”功能是风力机的基本功能，当今水平轴风力机技术绝大多数都拥有对风功能。在风力机领域，水平轴风力机在工作时，气流垂直于叶轮旋转平面。此时，风力来向为叶轮的前方。风力穿过或绕过叶轮后，背离叶轮的方向为叶轮后方。

叶轮旋转方向：在风力发电领域往往采用风力驱动叶轮旋转，再由叶轮驱动发电机进行发电的方式。大多数情况下叶轮采用顺时针（或逆时针）旋转。在叶轮旋转过程中，叶片前进方向为前方，反向则为后方。

叶轮内外：在本发明中，叶轮是一碟状结构。碟状结构的中心点（圆心）为叶轮中心，叶轮的最大周长线为叶轮外延。

叶轮的正面与背面：在本发明中，叶轮的迎风面为正面，叶轮的背风面为背面。

叶片首端与末端：在本发明中，叶轮由若干叶片组成。靠近叶轮中心部分为叶片首端，靠近叶轮外延部分为叶片末端。

气流分类：在本发明中，风力机所处范围内的气流（风速）并不能一概而论。有的区域气流流速快，有的区域气流流速慢。为了便于描述，特此对风力机范围内的气流进行分类；

参考附图06：风力机所处自然环境中风能（气流）未受叶轮影响正常流动时，为便于描述，称此类气流为一类气流；

当一类气流通过本发明所述风力机叶轮后由叶片间隙或叶片外延流出，此时的气流方向、气流流速、空气密度都发生了改变。为了便于描述，在本发明中称改变后的气流为二类气流；

当二类气流与一类气流相互干涉、混合并产生影响后，生成的气流（湍流），在本发明中称其为三类气流。

弯道环流：弯道环流原理，又称弯道环流水沙分流原理，常用于河流弯道水文分析。空气与水都属于牛顿流体，其中大多数计算公式都相通。在本发明中借用弯道环流原理为具体实施例2做理论支撑。

狭管效应：“狭管效应”也叫“峡谷效应”，就像峡谷里的风总比平原风猛烈一样，城市高楼间的狭窄地带的风力也特别强，容易造成灾害。狭管效应往往发生在气流由较宽敞区域进入较为狭窄区域，区域变窄导致气流流速加快，从而产生较为高速的气流。

螺旋形渐开线导流槽：早期，通过实验中观察到，在风力发电机叶片表面增加导流槽后，风力发电机的风能利用率明显增加。于是申请了专利“导流式风力机叶片结构（ZL2018102308354）”。但由于当时并没有完善的理论指导，以至于仅仅将导流槽作为风力发电机叶片上的一种附属装置。在后续研发中，进一步完善了导流槽技术与气流之间的关系，以及叶轮与流场之间的关系。在本发明中，于叶轮表面设有螺旋形渐开线导流槽，可以有效引导气流流向，利用风能驱动叶轮旋转。

发明内容

为了解决传统水平轴升力式风力机对风能利用率低下的问题，以及贝兹理论假定的理想风轮并不能有效利用风力的问题，本发明以贝兹理论假定的理想风轮为基础并对其进行改造和优化，最终完成本发明所述的一种水平轴尾流扩散式风力机技术。

传统风力机结构受贝兹理论影响，其设计的指导思想以“不影响气流通过性”和“提高叶尖速比”为重心。

而本发明的核心概念则是基于牛顿第二定律、牛顿第三定律、伯努力定理，利用气流与叶轮相互作用，将叶轮所在区域（包含叶轮范围内和叶轮范围外）的气流的动能转化为机械能，用于驱动机械结构做功。

与传统风力机相比，本发明着重于在叶轮后方生成扩散式尾流场。所谓扩散式尾流场是指本发明所述风力机结构会在叶轮后部产生扩散式流场。贝兹理论之所以认为风力机的风能利用率不可能超过59.3%就是因为，如果风力机叶轮吸收的气流动能超过59.3%以后，空气就会停滞在风力机叶轮后方，给后续气流造成阻力。但贝兹理论忽略了两点；

一是气流会绕过叶轮，如附图02所示，气流受到叶轮阻挡后会从叶轮外延绕行。

二是基于基于伯努力定理可知，在一个流体系统中，流速越快，流体产生的压力就越小。当气流从叶轮外延绕行时，气流通过的区域变窄会导致气流流速增加。当高速气流从叶轮外延绕行时，气流流速增加，气流的气压降低。高流速低气压气流会产生卡门涡街效应。卡门涡街效应会产生若干个连续的气流漩涡，这些气流漩涡会从叶轮后方带走一部分空气，并在叶轮后方生成一个负压区域。这个负压区域会使叶轮前方与叶轮后方产生压差，进而加剧气流驱动叶轮旋转的过程。压差的大小与当前风速成正比（附图06、附图07）。

本发明的核心概念是利用各种公知导流结构生成如附图07所示气流流场，使风力机叶轮后方尾流大范围扩散，从而杜绝因风力机吸收气流动能后，空气停滞在叶轮后部影响后续气流流速的问题。因为叶轮前方与叶轮后方的压差，会促使气流沿叶轮表面前进，驱动叶轮旋转。

在本发明中，自然界风力（气流）接触本发明所述叶轮后流速和流向都会发生变化，为了便于描述，在此对风力机范围内的气流进行分类。

附图06为：在现实环境中，以贝兹理论假设的理想风轮为基础测得的流场图。

自然界中未受风力机影响的气流在本发明中称之为一类气流，在附图06中，以数字1表示。

当一类气流受风力机叶轮结构影响，流向、流速、气压等都发生改变。此类气流在本发明中称之为二类气流。二类气流主要表现为一类气流受叶轮影响后，沿叶轮表面扩散至叶轮外延，进而向叶轮后方前进。基于伯努力定理可知，在一个流体系统中，流速越快，流体产生的压力就越小。已知在本发明中，二类气流行程大于一类气流，在流量总量不变的前提下，二类气流流速必然会大于一类气流。二类气流流经叶轮外延向叶轮后方前进，因其自身气压较低，会从叶轮后方负压区域“夺取”一部分空气。

注：这里可能比较难以理解，建议同时观看伯努力定律实验视频。在两张纸条之间吹气，纸条会靠拢而不是分离。同理，当一类气流被叶轮阻挡，绕叶轮表面前进时，气流切面变小（参考附图14），叶轮前方与叶轮后方的空气流通总量不变，因此二类气流必然会产生加速。加速点（狭管区域）位于叶轮外延沿线（附图06中数字2的位置）。气流加速的力的来源并不仅限于叶轮范围内的空气压力（风力），也包含叶轮范围外的气流的动能（一类气流）。就好象伯努力实验中，用吹气的方式能够将瓶中的小球“吸”走是同样的道理。二类气流流经叶轮后方，会带走一部分叶轮后方负压区域（数字4）内的空气。

当二类气流通过叶轮后，会与一类气流相互影响，以类似卡门涡街的效应在叶轮后方形成扩散式尾流流场。一类气流与二类气流相互影响产生的气流在本发明中称之为三类气流。三类气流实质上是由一类气流裹挟二类气流而生成的气流。三类气流会与一类气流相互影响，流速会逐渐与一类气流持平，直至离开风力机范围。

基于卡门涡街现象的研究可知，对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率与绕流速度成正比，与圆柱体直径成反比。当漩涡不断增长，摆动加强，不稳定的对称旋涡破碎时，会形成周期性的交替脱落的卡门涡街。研究表明，卡门涡街大多数情况下是不稳定的。随着漩涡直径的不断增长，漩涡本身在一定距离内也逐渐呈扩散趋势。

传统卡门涡街现象的研究基于圆柱体绕流结构，而本发明则是由一旋转的叶轮结构组成。因此，本发明所述叶轮所形成的“卡门涡街”是一种环叶轮的立体结构。在设计本发明所述叶轮结构的时候要特别注意叶轮的外延结构，在叶轮外延或叶片末端设立喷气口（201）。这种设计有助于叶轮降低因翼尖涡流造成的诱导阻力，减少绕流产生的阻力。同时，喷气口可以约束气流喷射方向，能够使叶轮获得一个反作用力。

特别需要注意的是，在传统风力发电领域，计算风能利用率的范围往往局限于叶轮范围之内。而在本发明中，气流从叶轮范围外侧绕行而形成二类气流，这些二类气流会受叶轮范围外的一类气流影响，进而对叶轮尾流流场造成影响。叶轮尾流流场越大，负压区域就越大。因此在计算风能利用率的时候也需要将这部分风能的利用率加入考量。

如附图14所示。假定一风水平轴阻力式风力机叶轮半径2米，其叶轮表面积约为12.56平米。这一半径2米（直径4米）的风力机叶轮产生的2类气流范围约为0.5米，那么实际上一台阻力式风力机的叶轮对气流的影响范围如附图14所示，应为半径2+0.5米（直径5米），总面积19.625平方米。其中，叶轮范围外的，不受风力机叶轮影响，但会受到二类气流影响的一类气流面积约为7平米左右。这7平米左右的一类气流会将叶轮范围内12.56平米的受叶轮阻碍后失去动能的空气带走，而这部分气流的动能在贝兹理论中被完全忽视了。

具体的说就是：

首先，叶轮范围内的一类气流受叶轮阻挡，与叶轮发生碰撞，自身携带动能被叶轮吸收。基于牛顿第二定律，此时这些空气应该停滞在叶轮前方。（此时情况可参考附图06，叶轮范围内区域的流场图）。

但是，受尾流流场产生的负压区域影响，这些失去动能的空气会涌向叶轮后方或叶轮外延。

之所以这些失去动能的气流会流向叶轮后方或叶轮外延是因为叶轮前方与叶轮后方存在气压差。在自然界，空气总是会从气压高的区域流向气压低的区域。此类气流在本发明中称之为二类气流。二类气流的动能来源于叶轮前方与叶轮后方形成的压差。

此时叶轮范围之外的一类气流会与这些失去动能的空气相互影响，并将一部分动能转移到这些气流之上。同时，叶轮范围内的后续气流也会给予前方失去动能的气流一定的压力，使这些失去动能的空气再次拥有动能并进行加速，从而离开叶轮范围。

也就是说，贝兹理论认为的，叶轮范围内失去动能会形成阻力的空气，实际上会由叶轮范围外的气流（一类气流）带走。

本发明所述水平轴风力机是典型的水平轴阻力式风力机，其特征为利用完全阻碍风能（气流）流动获取气流本身动能。根据实验可知，这种风力机的优势在于其风能利用率高于水平轴升力式风力发电机。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

附图01是贝兹理论中假想的气流流场图；

附图02是在现实环境中，空气气流遇到贝兹理论假设的“理想风轮”后的气流流场图；

附图03是在现实环境中，基于贝兹理论假设，利用风车改造而成的接近理想风轮的风力机叶轮示意图的正视图；

附图04是附图03的斜视图；

附图05是附图03的侧视图；

附图06是在现实环境中，以贝兹理论假设的理想风轮为基础测得的流场图，为了对气流进行分类，特详细标明各类气流所对应的位置，其中数字1表示一类气流，数字2表示二类气流，数字3表示三类气流，数字4表示空气负压区域，数字100表示叶轮；

附图07是本发明所述的具体实施例2的叶轮结构扩散式尾流流场剖面图，其特征为二类气流与一类气流相交，产生三类气流。三类气流会形成卡门涡街或湍流，表现结果为较为宽广的尾流区域；

附图08是本发明所述风力机遭遇强风天气时，利用叶片变形的方式规避强风破坏的解决方案。具体的说就是叶轮以伞状结构构成，遭遇强风天气时如雨伞般收缩。其具体工作方式可参考发明专利“一种智能化风力发电机叶片结构（ZL2015104979881）”所述结构；

附图09是本发明所述风力机具体实施例1中所述风力机叶轮的叶片排列方式的结构图；

附图10是本发明所述风力机具体实施例1中所述风力机叶轮的叶片气流流向示意图；

附图11是本发明所述风力机具体实施例2中所述风力机叶轮的正视图；

附图12是本发明所述风力机具体实施例2中所述风力机叶轮的正视图的气流流向示意图；

附图13是本发明所述风力机具体实施例1中叶片的变形结构示意图；

附图14是本发明所述风力机叶轮范围内与叶轮范围外的正面示意图。其中标号100的灰色区域属于叶轮范围内区域。有数字2所在的区域为叶轮范围外，受二类气流影响的区域。数字1所在区域为未受风力机影响的自然风力环境区域。

附图标号说明：

1：一类气流；2：二类气流；3：三类气流；4：空气负压区域；100：叶轮；101：中轴；102：驱动装置；103：锁定结构；104：固定架；200：叶片；201：喷气口；205：螺旋渐开线导流槽。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述本发明的具体实施例。

风力机根据用途和功率，可以分为若干个种类。针对不同功效、不同用途、不同功率的风力机，也要采用不同的解决方案。

因为发现了贝兹理论的谬误之处，本发明将采用全新的设计理念。虽然某些设计方案与古老风车从外观上较为相似，但因采用了全新的设计理念，并且不同于当今学术界公知的风能利用技术，因此，本发明所述一种水平轴尾流扩散式风力机技术属于一项全新的风能利用技术。

具体实施例1：

附图03、附图04、附图05中所示风力机叶片结构是中国传统的风车结构，受贝兹理论影响，此类风车叶轮设计多用于玩具、观赏等用途。在公知文献中很少有将此种造型的阻力式叶轮结构用于风力机。受条件限制，为了验证贝兹理论谬误，在研究过程中以玩具风车改造成水平轴风力机用于实验测试。利用风速计测得，此风力机在自然风况下风能利用率高于90%，但是在具体实验中发现，气流很大一部分动能被作用在了风力机的支架上。通过研究发现，最主要的原因就是风力机叶片的角度不理想。

根据牛顿第三定律，相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，并总是作用在同一条直线上。

因此，理想的风力机叶片角度与风向应呈45度夹角。同时考虑到空气的粘性和摩擦力，应当采用具有弧线角度的叶片组成。

附图09是具体实施例1的叶片排列图，附图10是具体实施例1的叶片气流导向图。

从图中可以看出，由若干叶片组成的叶轮，叶轮前方的叶片间隙较大，叶轮后方的叶片间隙较小。当气流（风力）如附图10箭头所示，从叶轮正面进入叶轮范围内以后，因叶轮前方叶片间隙较大，气流受到阻力较小，气流可以较为容易的进入了叶轮范围。

如附图10所示，叶片间隙由宽至窄，并且出口角度也发生了改变。基于狭管效应，气流流速增加，并从叶轮后方冲出。当气流流经叶片缝隙时，因缝隙逐渐变窄导致气流流速增加。基于伯努力定律可知，气流流速变大，气压压强则相对变小。因此，叶轮后部的气流属于速度较高，压强较低的二类气流。同时，气流撞击叶轮上的叶片后，获得一个相反的力，气流方向发生改变，并以湍流方式从叶轮后部向外扩散。

注1：在本发明中，气流进入叶轮方向为叶轮前方。附图09，附图10为叶轮上的叶片排列方式。在附图10中，数字编号1的一类气流由叶轮前方进入。数字编号2的二类气流由叶轮后方和叶轮侧面流出。

注2：叶片角度为可调可变形结构，具体工作方式为：参考发明专利“一种智能化风力发电机叶片结构（ZL2015104979881）”与“一种智能化可自动变形的风力发电机技术（2016100970670）”所述风力机叶片结构变形方式采用的相关技术，由驱动装置驱动叶片张开或收缩。

注3：风力提水机虽然也是大叶片阻力式风力机结构，与本发明具体实施例1结构相似，但其因为受贝兹理论影响，设计叶片间隙较大，不足以满足狭管效应使空气气流加速的特征，也未在相关文献中发现有提及对风力机尾流进行主动扩散的相关介绍。因此，大叶片阻力式风力提水机并不影响本发明权属。

具体实施例2：

附图07是本发明所述叶轮剖面结构扩散式尾流流场图，其特征为利用喷气口（201）将叶轮表面的二类气流向外延“喷出”，形成类似空气幕的结构，尽可能扩张气流尾流流场直径。同时，利用喷气口对外喷气产生作用力后，会获得一个反作用力，使叶轮获得额外的驱动力。

基于此，在具体实施例2中，将若干叶片组合成一个完整的叶轮。在叶片与叶片之间不留缝隙，使气流只能沿叶轮表面向叶轮外延流动。

如附图11所示，在具体实施例2中，为了高效利用流经叶轮表面的气流，在本具体实施例2中需要在叶轮表面设置螺旋形渐开线导流槽结构（205），其目的为：

在叶轮旋转过程中，一类气流会撞击叶轮表面。因为气流撞击叶轮表面是持续的，所以在叶轮表面设螺旋形渐开线导流槽（205）就能起到疏导作用，将气流由叶轮表面的沿螺旋形渐开线导流槽疏导致叶轮外延，防止气流相互撞击形成内耗。同时，螺旋形渐开线导流槽还能起到驱动叶轮旋转的功效。

基于弯道环流原理，气流流经弯道时，气流质点做曲线运动产生惯性力（离心力）。在惯性力（离心力）的影响下，气流会将作用力作用于叶轮表面的螺旋形渐开线导流槽凹面槽壁，驱动叶轮旋转。

特别要注意一点，附图11与附图12是具体应用实施例2的正视图，是叶轮正面的结构视图。此面为迎风面，迎风面的每一平方厘米在叶轮工作时都会受到气流的冲击。因此，螺旋形渐开线导流槽虽然以叶轮中心为原点向外扩展，宽度越来越大，深度也越来越大，但是在迎风面受到的气流压力也会越来越多。

因此，螺旋形渐开线导流槽内的气流不但不会因为导流槽变宽而降低流速，还会因为导流槽迎风面开口面积越来越大，导致导流槽内注入更多气流而提高流速。

附图12为具体实施例2叶轮正视图的气流流向图。因为风力机所处环境不同、制造材料不同、应用区域风况不同，所以其中螺旋形渐开线导流槽的密度、深度、构型都需要因地制宜进行调整。因此，螺旋形渐开线导流槽的密度、深度、构型的调整并不影响本发明权属。

在螺旋形渐开线导流槽末端，为了进一步提高气流流速，设有若干角度可调的喷气口（201）。其目的为根据外界风速调整尾流流场范围，从而达到更好利用风力驱动叶轮旋转的目的。气流喷气口的方向与叶轮旋转方向相反。基于牛顿第三定律可以得知，在喷气口喷出气流的时候，叶轮会受到一个反作用力作用于自身，驱动叶轮旋转。

虽然上面已经详细描述了本发明的实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的的精神和范围内。

Claims (4)

1.一种水平轴尾流扩散式风力机技术，其特征在于：

一种水平轴阻力式风力机结构，其利用叶轮阻碍自然环境中气流（风力）的正常移动轨迹，使气流本身携带的动能转移到叶轮表面；

当气流撞击叶轮正面后，根据牛顿第二定律，气流受叶轮影响失去动能，叶轮受气流影响得到动能；

在开放的自然环境中，当叶轮局部阻碍气流正常前进路径后，叶轮前方（迎风面）气压会上升，叶轮后方（背风面）气压会下降，这会导致叶轮前方与叶轮后方产生气压压差；

在气压压差作用下，叶轮前方的空气会绕过叶轮或叶片结构，并将自身动能转移到叶轮以及叶片结构上，从而产生二类气流；

叶轮范围外的气流（一类气流）并未直接受到叶轮影响，正常前行，当这些未受叶轮影响的一类气流接触二类气流时，二类气流会受上述一类气流裹挟并继续前进，形成三类气流；

为了在叶轮后方形成稳定的负压气流流场，叶轮与风向相垂直；

未受叶轮影响的叶轮范围外的一类气流与二类气流相接触后产生混流，这些混流裹挟并带走二类气流，叶轮结构以扩大尾流流场范围、增加尾流流速为主要目的；

所述风力机包括：叶轮（100）、中轴（101）、驱动装置（102）、锁定结构（103）、固定架（104）、叶片（200）、喷气口（201）螺旋形渐开线导流槽（205）。

2.根据权利要求1所述一种水平轴尾流扩散式风力机，其特征在于，所述叶片（200）结构排列方式为，以密集并行排列方式进行排列，叶片之间的隙特征为：靠近叶轮前方的间隙较宽阔，靠近叶轮后方的间隙较为狭窄，气流流经叶片间隙后基于狭管效应导致叶片间隙间的气流加速；基于伯努力原理，加速后的气流气压较低流速较高，能够迅速从叶轮后方和叶轮外延离开叶轮范围离开，并形成负压区域。

3.根据权利要求1所述一种水平轴尾流扩散式风力机，其特征在于，所述叶轮（100）为一个无间隙整体盘式结构，在叶轮表面设有螺旋形渐开线导流槽（205），在叶轮外延设喷气口（201），气流流经螺旋形渐开线导流槽，基于弯道环流原理，气流流动产生的惯性力推动叶轮旋转，在叶轮外延，气流从喷气口（201）喷出，致使叶轮获得一个反作用力。

4.根据权利要求1所述一种水平轴尾流扩散式风力机，其特征在于，所述喷气口（201）喷出气流的方向与叶轮旋转方向相反，喷气口角度可调；风力机根据具体风况调整喷气口（201）角度，从而获得理想的尾流流场；喷气口（201）能够在本发明所述叶轮外延形成气幕，扩展叶轮尾流范围，增大二类气流影响区域。

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