CN1343840A - 风速增速器以及带有风速增速器的风力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风速增速器以及带有风速增速器的风力机,其结构包括一个尺寸逐渐扩大的筒体,用薄壁材料制成,在筒体小头一侧约筒体长度的1/3处有一个转轴。在筒体中靠进口处装设风力机械,如风力发电机的驱动叶轮和发电机,或阻力型叶轮和它的输出轴。风从筒体的小头进入筒体,而从大头排出。当筒体出口面积为进口面积的二倍时,筒体入口的风速可增加30－50%左右,而进入筒体的风的功率可增加到2.1～3.3倍。因此筒体起到给自然风增速的作用。同时筒体能绕垂直轴旋转,使它在风力作用下始终自动对准风向。本发明可使风力机械减小尺寸、增加功率、延长年平均工作时间和使低风速地区有效利用风力资源。

Description

风速增速器以及带有风速增速器的风力机

技术领域：

本发明涉及一种属风速增速器以及带有风速增速器的风力机，特别涉及一种能提高风速，增加风力机械功率和使用效率的装置，属新能源技术领域。

背景技术：

能源问题是人类社会发展面临的最大问题之一，目前使用得最多的矿物能源如石油、煤和天然气，不仅造成严重的环境污染，而且正日渐枯竭。从人类社会的长远可持续发展的角度考虑，开发无污染的绿色能源是一项迫不容缓的任务。风能便是一种可再生，无污染的绿色能源。

人类利用风能作为动力，至少已有数百年历史，但至今风能的使用总量仍然很低，这与风能的特点有关。首先，风能的能量密度很低，要取得有一定实用价值的风能，需要相当庞大的风力机械；其次，风能不稳定，风力大小及方向可能随时改变，难以与能量需求相互匹配：第三，我国大部分地区平均风速较低，现有的风力机械难以工作或只能工作很短的时间。曾经有不少专利发明试图用各种方法来“浓集”风能，其中比较典型的有：“负压集能式风力发电方法及装置”(专利申请号89104348)，它是利用引射器或旋流器产生负压，用管道与风力透平的出口相联，以此来增大流过风力透平的风力；“浓缩流体型发电装置”(专利号ZL94244155.9)则用一个其流通截面先收缩后扩张、并具有夹层结构的“外罩”来“浓缩”风的能量；“集风式风力发电装置”(专利号ZL94230570.1)、“喇叭强力型风力发电机”(专利申请号91221168.7)和“一种能加大风力的风力发电装置”(专利申请号89105725.0)都是用一个喇叭形的装置聚集风力，空气从喇叭大口进入，从喇叭小口流出并推动发电装置。上述发明的共同问题是：都需要比风力发电机叶轮尺寸大得多的装置来聚集风力，装置的构造也比较复杂。

发明内容：

本发明的目的是设计一种风速增速器以及带有风速增速器的风力机，以提高风的能量密度，在相同功率输出下减小风力机械的迎风面积；在相同的尺寸下，提高风力机械的功率，以及增加风力机械年平均工作时间。装有风速增速器的风力机能在相当低的自然风速下工作，使目前尚无法利用风能的广大低风速地区使用风力机械。本发明风速增速器还能够利用风自身的力量始终自动地对准来风方向，以获得最大的风能。

本发明设计的风速增速器，包括主体和转轴，主体为一圆锥形、喇叭口形或方锥形的筒体，其中喇叭口形的型线为曲线，圆锥形、喇叭口形筒体的小端直径为d，大端直径为1.4-2d，长为1-4d；方锥形的小端边长为d，大端边长为1.4-2d，长度为1-4d，转轴置于靠近小端一侧、筒体长度的1/3处，转轴轴线与筒体轴线垂直。

上述风速增速器，还可以包括一个直段，直段长度为0.5-1.5d，直段与所述的筒体的小端相接，转轴置于直段下侧、直段和筒体总长的1/3处，转轴轴线与直段轴线垂直。

本发明设计的带有风速增速器的风力发电机，包括风速增速器、发电机、叶片和塔架，其中的风速增速器如上所述，风速增速器通过转轴安装在塔架上，发电机置于风速增速器内靠近小端的安装架上，叶片位于风速增速器的小端，并与发电机轴相连，

本发明设计的带有风速增速器的风力驱动器，包括风速增速器、一对伞齿轮、叶片和塔架，其中的风速增速器如上所述，风速增速器置于塔架上，一对伞齿轮置于风速增速器的靠近小端一侧，叶片位于风速增速器小端并与一对齿轮中的一根转轴相连，一对伞齿轮中的另一根转轴伸出风速增速器。

本发明设计的带有风速增速器的风力驱动器的另一种结构是，包括带有直段的风速增速器、S型叶轮和叶片转动轴，其中的风速增速器包括主体、转轴和直段，直段主体和筒体的小端相接，转轴置于直段下侧、直段和筒体总长的1/3处，转轴轴线与直段轴线垂直。S型叶轮置于风速增速器的矩形直段内，S型叶轮的转轴伸出风速增速器。

本发明设计的风速增速器及其风力机，风从筒体的小头进入筒体，而从大头排出。当筒体出口面积为进口面积的二倍时，筒体入口的风速可增加30-50％左右，而进入筒体的风的功率可增加到2.1-3.3倍。因此筒体起到给自然风增速的作用。同时筒体能绕垂直轴旋转，使它在风力作用下始终自动对准风向。本发明可使风力机械减小尺寸、增加功率、延长年平均工作时间和使低风速地区有效利用风力资源。

流过迎风面积为A的、速度为V的风，它所具有的功率P可以用下式表达： $P=\frac{1}{2}\mathrm{A\ρ}{V}^3$ 式中ρ为空气密度。由上式可知，风力机械的功率与它的迎风面积A成正比、与风速V的三次方成正比。增加风速可以获得比增加面积大得多的效益。

附图说明：

图1是本发明设计的风速增速器的结构示意图。

图2和图3是风速增速器的另外两种结构形式。

图4是本发明设计的带有风速增速器的风力发电机的结构示意图。

图5、图6和图7是本发明设计的带有风速增速器的风力驱动器的三种不同的结构示意图。

图1～图7中，1是筒体，2是来风方向，3是转轴，4是直段，5、6、7、8是各示意点，9是来风，10是风力发电机的驱动叶片，11是发电机，12是发电机安装架，13是风速增速器筒体，15是塔架，16是一对伞齿轮，17是转轴，18是S型叶轮，19是风速增速器筒体，20是叶片的转动轴，21是导流挡板。

具体实施方式：

下面结合附图来说明本发明的构造及原理。风速增速器的主体是一个流通截面积逐渐扩大的筒体，用薄壁材料制成。筒体可以呈圆锥形、方锥形或喇叭口形(型线为曲线)，或带有直段的圆锥形、方锥形和喇叭口形(型线为曲线)。图1表示的是圆锥形或方锥形筒体的一个实例。图中1为筒体，2为来风方向，小头直径或边长为d，大头直径或边长为1.414d(出口面积为进口面积的2倍)，筒体长度为1～3d，在距离小头约1/3筒体长度的地方有一个转轴，使筒体能绕垂直轴转动。风从小头进入筒体，然后从大头排出。与没有筒体时相比，此时进入小头的空气体积或风速可以增加30-50％左右。现用附图2简要地说明它的原理：当风从小头进入筒体之后，由于流通面积逐渐扩大，因而流速逐步下降(出口处流速降低到进口风速的50％)，静压逐渐升高，因而在筒体出口截面上，5点处的压力要高于6点处压力，使得有更多气体排出筒体。而在进口截面上，由于筒壁的阻挡作用，7点处的压力要高于8点处，使得有更多的空气进入筒体。对此也可以作如下理解：当顺着风向放置了一个筒体之后，风的流道便一分为二，筒体之内为一个流道，筒体之外为另一个流道，两个流道成并联状态；若筒体是等截面的，则对风的流动不产生影响(忽略壁面磨擦阻力)，筒内筒外风速相等，说明两个流道的阻力相等；当筒体截面由小渐大时，筒内流道越走越宽广，使得这个流道的阻力下降，而筒外流道受筒壁的阻挡，流通截面缩小，阻力增加；在两个流道并联的情况下，阻力下降的流道必然流量增加。模型实验证明，对于附图1形状的圆锥形筒体，当长度为d时进口处风速可提高28％，长度为2d时提高42％，长度为3d时提高49％。由于风的能量与风速的三次方成正比，因而进入筒体的风的能量分别提高到原来的2.1、2.8和3.3倍。图3带有直段的风速增速器。

图4表示风力发电机在风速增速器中安装的情况。图中9为来风，10为风力发电机的驱动叶片，11为发电机，12为发电机安装架，13为风速增速器筒体，14为风速增速器的旋转轴，15为塔架。风速增速器筒体及其内部的风力发电机组作为一个整体可以绕轴14转动。转轴位置靠近进口端，轴线离进口处的距离约为筒体长度的1/3。这种结构可以保证它在风力作用下始终自动对准风向。发电机安装架用薄板制成，并具有尽可能小的迎风面积，转轴14应该足够坚固而且灵活，不致被强风损坏。

如果需要将叶轮的转动传递到地面，可以使用附图5所示的装置。图中用一对伞齿轮16改变转动的方向，并通过转轴17将转动传送到地面。通过改变伞齿轮的直径和齿数，可以改变转动比，使转动加快或减慢。若使用阻力型叶轮，不用伞齿轮就可将转动传到地面。见附图5，18是S型叶轮，19是风速增速器筒体，20是叶片的转动轴。在附图5中，叶片的转动轴线与风速增速器的转动轴线是重合的。图6所示的风速增速器筒体与附图3稍有不同，它的几何形状不再是简单的圆锥体，而是由方锥形和它前面的直段两部分组成，矩形直段部分用来安装阻力型叶片，方锥形部分用来增大风速，而且在直段进口端，在叶轮逆风运动的一侧装有导流挡板21，以便减小叶轮逆风侧的阻力并将这部分风力引向叶轮的顺风运动一侧。直段长度为0.5-1.5d，直段与所述的筒体的小端相接，转轴置于直段下侧、直段和筒体总长的1/3处，转轴轴线与直段垂直。

Claims (5)

1、一种风速增速器，其特征在于该风速增速器包括主体和转轴，主体为一圆锥形、喇叭口形或方锥形的筒体，其中喇叭口形的型线为曲线，圆锥形、喇叭口形筒体的小端直径为d，大端直径为1.4-2d，长为1-4d；方锥形的小端边长为d，大端边长为1.4-2d，长度为1-4d，转轴置于靠近小端一侧、筒体长度的1/3处，转轴轴线与筒体轴线垂直。

2、如权利要求1所述的风速增速器，其特征在于还包括一个直段，直段长度为0.5-1.5d，直段与所述的筒体的小端相接，转轴置于直段下侧、直段和筒体总长的1/3处，转轴轴线与直段轴线垂直。

3、一种带有风速增速器的风力发电机，其特征在于，该发电机包括风速增速器、发电机、叶片和塔架；所述的风速增速器包括主体和转轴，主体为一圆锥形或喇叭口形筒体，其中喇叭口形的型线为曲线，圆锥形、喇叭口形筒体的小端直径为d，大端直径为1.4-2d，长为1-4d；转轴置于靠近小端一侧、筒体长度的1/3处，转轴轴线与筒体轴线垂直；所述的风速增速器通过转轴安装在塔架上，所述的发电机置于风速增速器内靠近小端的安装架上，叶片位于风速增速器的小端，并与发电机轴相连，

4、一种带有风速增速器的风力驱动器，其特征在于，该驱动器包括风速增速器、一对伞齿轮、叶片和塔架；所述的风速增速器包括主体和转轴，主体为一圆锥形或喇叭口形的筒体，其中喇叭口形的型线为曲线，圆锥形、喇叭口形筒体的小端直径为d，大端直径为1.4-2d，长为1-4d；转轴置于靠近小端一侧、筒体长度的1/3处，转轴轴线与筒体轴线垂直；所述的风速增速器置于塔架上，一对伞齿轮置于风速增速器的靠近小端一侧，叶片位于风速增速器小端并与一对齿轮中的一根转轴相连，一对伞齿轮中的另一根转轴伸出风速增速器。

5、一种带有风速增速器的风力驱动器，其特征在于，该驱动器包括带有直段的风速增速器、S型叶轮和叶片转动轴；所述的风速增速器包括主体、转轴和直段，主体为一圆锥形、喇叭口形或方锥形的筒体，其中喇叭口形的型线为曲线，圆锥形、喇叭口形筒体的小端直径为d，大端直径为1.4-2d，长为1-4d；方锥形的小端边长为d，大端边长为1.4-2d，长度为1-4d；所述的直段长度为0.5-1.5d，直段与所述的筒体的小端相接，转轴置于直段下侧、直段和筒体总长的1/3处，转轴轴线与直段轴线垂直；所述的S型叶轮置于风速增速器的矩形直段内，S型叶轮的转轴伸出风速增速器。

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