被動噴氣式垂直軸風力機的製作方法

2023-05-10 02:30:16

專利名稱：被動噴氣式垂直軸風力機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種被動噴氣式垂直軸風力機，確切地說是在垂直軸風力機的某
部件或葉片上的適當位置和方向，通過一系列裝置產生噴氣推力以提高風力機的氣動性能，屬於風力機設計、製造和應用領域。
背景技術：
風能是潔淨的可再生能源中最有前途、最現實、發展最快且相對成熟的一個。作為利用風能的風力機，制約其發展的主要因素是風電的成本和售價居高不下。因此，就風能利用的出路而言，顯著提高風力機的功率係數是大幅度降低風力發電成本的最根本、最有效的措施。 —直以來，市場上風力機的主導機型為水平軸風力機(HAWT)，其技術已經相當成熟，要在此基礎上再進一步顯著提高風力機的性能是十分困難的。 一般來說，水平軸風力機的功率係數Cp值只能達到貝茲極限(0. 593)的80%，即0. 45 0. 50左右，而目前報導的垂直軸風力機的Cp值一般還要低10 15% ，這也許就是人們更青睞水平軸風力機的原因。垂直軸風力機的主要缺點是自啟動性能差及空氣動力學性能較低。至於改善垂直軸風力機的自啟動性能問題，人們進行了大量研究，如採用變槳距技術、採用帶彎度的翼型或採用可變葉片形狀，如襟翼技術等，已經基本解決了這個問題；而提高其性能的問題人們也已經進行了許多研究，但比起水平軸風力機的研究要少得多。1992年報導Sandia34m垂直軸風力機的實驗Cp值達到O. 409，這已經與水平軸風力機的性能相差不多了。而只是在近幾年，由於垂直軸風力機(VAWT)本身相對於水平軸的諸多優勢，人們開始對其進行較深入的研究，特別是在西歐和美國，目前生產的垂直軸風力機主要是中、小機型。 儘管水平軸風力機仍是目前市場上的主流機型，佔有市場95%的份額，但是垂直軸風力機與其相比，有著突出的優勢，主要是由於結構相對簡單(如沒有對風機構等)及葉片製造和維修等比較容易而帶來的低成本優勢。可以預料，垂直軸風力機在性能上且不說超越，只要可以與水平軸風力機性能相當，則可能擁有與水平軸風力機爭奪市場的競爭力！因此是否能夠顯著提高垂直軸風力機的性能就成為這種可能能否實現的關鍵。[0005] 近年來，改善垂直軸風力機性能的新技術不斷出現。由於垂直軸風力機在一周的旋轉中，翼型的攻角隨時在變化，時大時小，時正時負，故而當初人們就認定了對稱翼型，並逐漸發展成為一種習慣，且一直沿用至今。但是所有對稱翼型的空氣動力學性能(升阻比)都很低，因此極大限制了垂直軸風力機的氣動性能的提高，這也許就是垂直軸風力機性能所以較低的重要原因。近年來人們開始關注具有良好性能的帶彎度翼型在垂直軸風力機中的應用；有人對NACA0018和同等厚度的NACA-4位數翼型，如NACA2418， NACA4418和NACA6418以及同等厚度的NACA6-系列翼型進行了比較研究，發現帶彎度的翼型都明顯提高了風力機的氣動性能，其提高幅度在10%以上。 另外，1980年，Migliore等提出了虛擬彎度的概念，即垂直軸風力機的葉片在圓形軌跡上運行，因為葉片旋轉產生的"頭風(headwind)"是在圓弧軌跡的切線方向，而不是傳統假設的與翼型弦線平行的方向。 一項美國專利(US20080256795A1)指出，翼型的中弧線應該與其旋轉時轉過的圓形軌跡重合，這樣才能體現它的真實攻角，性能才會更好。該專利還給出了其研究結果，指出按照這種概念進行翼型改造的風力機比對應的NACA0021翼型原型風力機的輸出功率最大提高57. 1%，而在整個工作風速範圍內平均提高31. 9% ![0007] 也有如水平軸風力機一樣，在垂直軸風力機外面加上先收縮而後擴張的擴散器而明顯提高風力機的輸出功率，這實際上是提高了流過風力機的風速；但是這增加了整個系統的複雜性和重量，而且很難調整風力機使其對風，因而對於大型風力機使用價值不大。當然，在翼型的吸力面適當位置加漩渦發生器(V.G.)也可以提高風力機的性能。[0008] 2003年，本實用新型專利申請人就在"一種可提高水平軸風力機風能利用效率的槳尖噴氣方法"(CN03134065. 2)中提出了一種無須額外消耗動力的"被動"噴氣方法，實驗結果證明，這不僅降低了風力機的起動風速，擴大了風力機的有效工作範圍，而且在風力機的正常運轉情況下明顯提高了其做功能力。在中國專利申請CN200410021580. 9(—種垂直軸風力機的進氣機構)中已經提到了垂直軸風力機利用噴氣提高其性能的問題，但是它所指的是利用一種輔助設備——鼓風機給風力機送氣並產生噴氣，試圖用少量的能量付出換取更大的能量收益，因而是一種主動噴氣方法，它需要消耗額外的能量。

發明內容本實用新型的目的是彌補上述現有技術的不足，通過本裝置實現被動噴氣以提高垂直軸風力機葉輪的推動力矩，提高其空氣動力學性能，從而顯著提高垂直軸風力機的功率係數或輸出功率，而無需消耗額外的能量。 本實用新型的目的是通過下述技術方案實現的被動噴氣式垂直軸風力機，包括葉片、葉片支撐杆、垂直軸、進氣裝置以及排氣裝置。在風力機的垂直軸的上端，安裝一個下風向的進氣裝置，使其隨風旋轉，隨時"被動"接受自然風；自然風通過一個與進氣裝置連接的引氣管進入空心的垂直軸，再通過連接這垂直軸與葉片的支撐杆上的輸氣管，最後從裝在風力機外端的葉片上方的排氣裝置中的推力噴管噴出，或從葉片內部沿其縱向分布的推力噴管噴出，產生噴氣推力；由於自然風進入支撐杆後，在從其內端向外端流動的過程中，風力機旋轉的離心力給其進一步增加了能量，因此噴氣噴出的速度就大於原來的自然風的速度，所以就產生了額外的推動力矩。由於這種裝置實現了"被動"噴氣，所以無需消耗額外的能量，即可顯著提高風力機的輸出功率並降低其啟動風速。當風力機在需要停機時，可以關閉推力噴管，而開啟排氣裝置上的反推力噴管，以便使風力機減速或停機。本實用新型的進氣裝置是圓錐形的或方錐形的，其上裝有尾舵，可以隨風繞垂直軸旋轉，保證進氣裝置隨時迎風；進氣裝置的進氣導管是收縮型管道，其橫截面是圓形、橢圓形、矩形或多邊形的。所述排氣裝置是流線型的，其中有推力噴管及反推力噴管，其通道形狀既可以是收縮型的，也可以是等截面的，擴張型或收縮-擴張型的，而其橫截面可以是圓形、橢圓形、矩形或多邊形的。也可以在葉片上製作推力噴管，其數目取決於葉片的長度尺寸L和弦長C，但一般控制所有推力噴管沿葉片縱向的總長度在(0. 2 0. 5)L之間，而推力噴管的縫寬一般控制在葉片弦長C的0. 3% 2. 0%之間。本實用新型的支撐杆的橫截面是翼型或流線型的，其上有輸氣管和沿徑向分布的推力噴管，輸氣管與推力噴管連通。 本實用新型與現有技術相比根本的區別是，被動噴氣式風力機實現了完全的"被動"噴氣，完全靠"自然風"的作用對靜止中或轉動中的風力機產生一種"助推"作用，從而
提前啟動風力機並顯著提高其氣動性能，它完全不需要任何額外的能量供給。 本實用新型有效地解決了垂直軸風力機的自啟動問題，降低了風力機的啟動風
速，並顯著提高了其空氣動力性能。風力機系統的結構簡單，製造成本低，實施更方便，效果
更穩定；風力機的功率係數大大提高，因而使得發電成本明顯降低。

圖1為本實用新型的典型結構示意圖。圖2a為本實用新型進氣裝置的一個實施例主視圖。圖2b為圖2a的左視圖。圖3a為本實用新型進氣裝置的另一個實施例主視圖。圖3b為圖3a的左視圖。圖4為本實用新型排氣裝置的一個實施例的示意圖。圖5為本實用新型排氣裝置的另一個實施例的示意圖。圖6為本實用新型的葉片支撐杆的剖面示意圖。圖7為本實用新型的葉片支撐杆另一個實施例的剖面示意圖。圖8為本實用新型的葉片噴氣結構的示意圖。
具體實施方式實施例 參照圖l，本實用新型中的風力機風輪由葉片50、葉片支撐杆40、垂直軸30、進氣裝置20以及排氣裝置60組成。進氣裝置20安裝在垂直軸30的下風方向，並通過軸承70與垂直軸30套裝，使其可自由隨風旋轉，以便隨時"被動"接受自然風10。垂直軸30、支撐杆40、葉片50以及排氣裝置60都是中空的，作為氣流通道，垂直軸30的管壁上有與支撐杆40的數目相同的孔，它們孔孔相通，並且可靠連接；排氣裝置60分別將葉片50與支撐杆40聯結起來；支撐杆40上的孔與排氣裝置60上的孔相通，在風力機旋轉的反方向上形成噴氣。自然風吹動垂直軸風力機旋轉做功。當自然風進入進氣裝置20後，通過其上的孔進入中空的垂直軸30，再進入支撐杆40上的輸氣管41，見圖6、7，然後流入排氣裝置60，再以噴氣從推力噴管62噴出，見圖6、7，或從葉片50上的推力噴管52噴出，見圖8，形成噴氣推力，以推動風輪做功，它無需消耗額外的能量，即可顯著提高風力機的輸出功率並降低其啟動風速。 參照圖2a和2b，其中圖2a為進氣裝置20的示意圖，由進氣導管21、引氣管22、尾舵23及軸承70組成，進氣裝置20通過軸承70與垂直軸30連接，並使其可隨風旋轉。該進氣裝置20是下風向的，無需對風機構即可保證其隨時迎風；為了減少進氣裝置20的阻力，其形狀做成圓錐形的，尾舵23更進一步保證了進氣裝置20在風向變化時的穩定性。進氣導管21是收縮型的，其橫截面是圓形的。 參照圖3a和3b，與圖2a和2b所不同的是，該實施例中的進氣裝置120及其中的進氣導管121不是圓錐形，而是方錐形的，進氣導管121與引氣管122圓滑過渡連接，以減少流動阻力；尾舵123更進一步保證了進氣裝置120在風向變化時的穩定性。進氣裝置120
5及進氣導管121的橫截面也可以是其它形狀，如橢圓形、矩形或多邊形的等。[0027] 參照圖4，為本實用新型的排氣裝置的一個實施例的剖面示意圖。為減少阻力，排氣裝置60是流線型的，包括輸氣口 61、推力噴管62和反推力噴管63，推力噴管62和反推力噴管63的形狀既可以是收縮型的，也可以是等截面的，其橫截面可以是圓形的，也可以是其它形狀的，如橢圓形、矩形或多邊形的等；當風力機啟動和正常工作時，開啟推力噴管62 ;只當剎車時才開啟反推力噴管63，同時關閉推力噴管62。輸氣口 61與支撐杆40上的輸氣管41連通，當風力機工作時，自然風從進氣裝置20的進氣導管21進入，經輸氣管41進入排氣裝置60上的輸氣口 61，再經推力噴管62，在風力機旋轉方向的反方向形成噴氣噴出，推動風力機工作。當風力機需要減速或剎車時，推力噴管62關閉，同時反推力噴管63開啟，產生反推力，使風力機減速或停車。 參照圖5，為本實用新型噴氣裝置的另一個實施例的剖面示意圖。為減少阻力，排氣裝置60是流線型的，包括輸氣口 61、推力噴管62和反推力噴管63，與圖4所不同的是，排氣裝置60的推力噴管62的形狀是收縮_擴張型的，或擴張型的；其橫截面可以是圓形的，也可以是其它形狀的，如橢圓形、矩形或多邊形的等；當風力機啟動和正常工作時，開啟推力噴管62 ;只當剎車時才開啟反推力噴管63，同時關閉推力噴管62。輸氣口 61與支撐杆40上的輸氣管41連通，當風力機工作時，自然風從進氣裝置20的進氣導管21進入，經輸氣管41進入排氣裝置60上的輸氣口 61，再經推力噴管62，在風力機旋轉方向的反方向形成噴氣噴出，推動風力機工作。當風力機需要減速或剎車時，推力噴管62關閉，同時反推力噴管63開啟，產生反推力，使風力機減速或停車。 參照圖6和圖1，為風力機的葉片支撐杆40，用於固定葉片並傳力，呈翼型或其它流線型，內部有輸氣管41，內端固定於垂直軸30上，並與其上對應的孔連通；外端可以與排氣裝置60聯結，產生噴氣推力；也可以直接與葉片50聯結，並通過沿其上分布的推力噴管52產生推力。 參照圖7，為風力機的葉片支撐杆40的另一個實施例，呈翼型或其它流線型，其內部有一個輸氣管41和與之連通的推力噴管42，以產生噴氣，通過支撐杆40上沿徑向分布的推力噴管42在風力機旋轉方向上產生推力，提高風力機的轉動力矩。 參照圖8、圖l和圖2a，為本實用新型的葉片噴氣結構，它是本實用新型的另一種噴氣結構。葉片50包括前緣53、尾緣55、輸氣管51及推力噴管52。參見圖1及圖2，當自然風進入進氣裝置20後，通過其上的引氣管22進入中空的垂直軸30，再進入支撐杆40上的輸氣管41，然後流入葉片50中的輸氣管51，再通過沿葉片50縱向分布的多個推力噴管52 (它實際上是使容許流體通過的一條縫)，以噴氣從葉片尾緣向後噴出，形成噴氣推力，以推動風輪做功。推力噴管52的數目取決於葉片50的長度尺寸L和弦長C，控制所有推力噴管沿葉片縱向的總長度在(0. 2 0. 5)L，而推力噴管52的縫寬控制在葉片弦長C的0. 3% 2. 0%之間。 經風洞實驗已初步證明，本實用新型的風力機模型不僅降低了對應的原型風力機的起動風速，而且顯著提高了其輸出功率。 儘管本實用新型是針對升力型垂直軸風力機而提出的，但是它的設計思想同樣適用於阻力型垂直軸風力機等。
權利要求一種被動噴氣式垂直軸風力機，由葉片(50)、葉片支撐杆(40)、垂直軸(30)、進氣裝置(20)以及排氣裝置(60)組成，其特徵在於由下風向安裝的進氣裝置(20)，被動接受自然風(10)，通過支撐杆(40)上的輸氣管(41)，從排氣裝置(60)的推力噴管(62)噴出，或從葉片(50)上的推力噴管(52)噴出。
2. 根據權利要求1所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於進氣裝置(20)是圓錐形的或方錐形的，其上裝有尾舵(23)，可以隨風繞垂直軸(30)旋轉。
3. 根據權利要求1所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於進氣裝置(20)的進氣導管(21)是收縮型管道，其橫截面是圓形、橢圓形、矩形或多邊形的。
4. 根據權利要求l所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於排氣裝置(60)是流線型的，其中有推力噴管(62)，其形狀既可以是收縮型的，也可以是等截面的，擴張型或收縮-擴張型的。
5. 根據權利要求5所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於推力噴管(62)的橫截面可以是圓形、橢圓形、矩形或多邊形的。
6. 根據權利要求l所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於排氣裝置(60)是流線型的，其上有反推力噴管(63)，其形狀既可以是收縮型的，也可以是等截面的、擴張型或收縮-擴張型的。
7. 根據權利要求7所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於排氣裝置(60)反推力噴管(63)的橫截面可以是圓形、橢圓形、矩形或多邊形的。
8. 根據權利要求l所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於葉片(50)上的推力噴管(52)的數目取決於葉片(50)的長度尺寸L和弦長C，但一般控制所有推力噴管沿葉片縱向的總長度在(0.2 0.5)L之間，而推力噴管(52)的縫寬一般控制在葉片弦長C的0. 3% 2. 0%之間。
9. 根據權利要求l所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於支撐杆(40)的橫截面是翼型或流線型的，其上有輸氣管(41)。
10. 根據權利要求9所述的一種被動噴氣式垂直軸風力機，其特徵在於支撐杆(40)中有輸氣管(41)，沿徑向分布的推力噴管(42)與之連通。
專利摘要一種被動噴氣式垂直軸風力機，屬於風力機設計、製造和應用領域。它包括葉片、葉片支撐杆、垂直軸、進氣裝置以及排氣裝置。當自然風進入總是迎風的下風向安裝的進氣裝置，再穿過空心的支撐杆，進入裝在支撐杆的外端與葉片之間的內有推力噴管的排氣裝置，或進入直接與支撐杆連接的內有推力噴管的葉片，再從其上的推力噴管以與風力機旋轉的反方向噴出，產生額外的推動風力機旋轉的力矩，完全無須消耗額外動力。這種被動噴氣式垂直軸風力機的輸出功率更大，起動風速更低，工作範圍更寬，因此明顯降低了發電成本。
文檔編號F03D3/06GK201535228SQ20092001232
公開日2010年7月28日 申請日期2009年3月22日 優先權日2009年3月22日
發明者申振華 申請人:申振華