专利名称：一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法
技术领域：
本发明涉及一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法。
背景技术：
为了解决能源的可持续发展问题，世界各国科学家进行了大量的研究。风能作为一种廉价的清洁、无污染的可再生能源成为其中最有发展前途的一种。现有的水平轴风力机，不论是单桨叶的还是多桨叶的，为了提高风能的利用程度，通常将桨叶的叶型设计成各种机翼剖面，即翼型形状的；为了降低成本，桨叶叶型也有弧形板形状的；桨叶形状有扭曲的，也有平直不扭曲的。其剖面有等截面的，也有从叶根到叶尖逐渐尖削的；桨叶的安装角(或桨距)有固定的，也有可变的；但无论哪一种，风力机的风能利用程度都不高，一般风能利用系数ξ＝0.40左右，更有理论上的贝兹(Betz)极限，即风力机的风能利用程度最大不会超过ξ＝0.593。当然这是在某些假定条件下推导出来的，例如假定风轮是理想的，没有轮毂和锥角，桨叶数目无限多且流过风轮扫掠面的气流均匀，空气不可压缩、且不计空气摩擦阻力等。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，采用最简单的、低成本的措施尽可能大地提高风力机的风能利用系数，从而大幅度降低风电成本，提高风力机的性价比。本发明适用于上述各种形状桨叶的水平轴风力机，在轮毂(1)或其附近部件(如桨叶)的迎风面或者背风面开适当大小的进气孔(2)，并将桨叶(3)作成密闭中空的，或者在内部或外部设置密闭的通气管道(4)，将水平轴风力机轮毂(1)附近的气流，经由轮毂(1)或其附近部件(如桨叶)上的进气孔(2)，引入桨叶(3)内部或外部的通气管道(4)，在接受风轮旋转所产生的离心力做功的能量之后，从桨尖以与风轮旋向u相反的切向或接近切向喷出，从而对风轮产生附加的推动力和推动力矩，使风力机的启动风速大大降低，风轮的做功能力也有大幅度的提高。如果在高风速或者高于切出风速时，则使气流从桨尖以与风轮旋向u相同的方向沿切向或接近切向喷出，则会对风轮产生一个制动力矩，从而保护风轮安全工作，并使得风轮的工作风速范围大大扩大。
本发明的优点是方法巧妙，结构简单，风力机的风能利用系数提高显著；风力机的启动风速大大降低；喷气方向变换后风轮的切出风速提高，因而风力机的安全工作风速范围大大扩大。这使得清洁的风能资源利用更充分，风力机的年发电量(或总能量输出)大大提高，因此发电成本显著降低。
图1为本发明的水平轴风力机的风轮结构示意图。
图2为图1中桨叶叶尖B处局部放大图。
图3为图2中的A-A剖视图。
图4为本发明的水平轴风力机风轮结构的另一种实施例。
图5为本发明的水平轴风力机风轮结构的又一种实施例。
图6为图5中的A向视图。
图7为本发明的风力机与对应的普通风力机风洞试验结果比较。
图中，1.风轮轮毂，2.进气孔，3.桨叶，4.通气管道，5.排气口，6.壁面，7.盖板，8.压力面，9.吸力面。
具体实施例方式参照图1，自然风从风轮轮毂1中的进气孔2进入各个桨叶3内部的通气管道4，由于高速旋转桨叶3所产生的离心力对桨叶中通气管道4内的空气加功而增加了其总机械能，然后这空气从桨叶尖部排气口5沿与风轮旋转方向u相反的方向，即切向或接近切向排出，如图3所示，对桨叶3产生附加的推动力和推动力矩。由于桨叶3尖部有同样翼型形状的盖板7封闭，桨叶3内通气管道4中的空气不会从排气口5沿径向排出。桨叶3内通气管道4的截面形状可以是圆形、椭圆形、矩形或其它不规则形状的，如图3所示，也可以是由空心叶片形成的，但不管通气管道4截面形状如何，首先必须保证管壁密闭而不漏气，并且为了减少气流的流动损失，其截面积从桨根到桨尖的变化都要均匀，不能有突变。
参照图2，桨叶尖部由翼型状的盖板7封闭，以迫使桨叶内部通气管道4中的气流从桨叶叶型的凹面，即压力面8经排气口5以与风轮旋转方向u相反的切向或接近切向喷出，排气口5可以与通气管道4等截面积，也可是收缩或扩张的。
参照图3，桨叶在尖部的安装角为β，由于排气口5的壁面6与风轮旋转方向u相切，通气管道4内部的气流被迫由切向排出，从而对风轮产生附加的推动力和推动力矩。如果将排气口5不仅可以背向压力面，而是制成也可以通过控制背向吸力面，且与旋向u同向排气，则在高速或高于通常的切出风速时，可以控制排气口沿u向或接近u向喷气，以产生制动力和制动力矩，从而扩大风力机的安全工作风速范围，更大地提高风力机的风能利用程度。
参照图4，空气从风轮轮毂1背风面的进气孔2进入各个桨叶3内部的通气管道4，由于高速旋转桨叶3所产生的离心力对桨叶中通气管道4内的空气加功而增加了其总机械能，然后这空气从桨叶尖部排气口5沿与风轮旋转方向u相反的切向或接近切向排出，对桨叶3产生附加的推动力和推动力矩。由于桨叶3尖部有同样翼型形状的盖板7封闭，桨叶3内通气管道4中的空气不会沿径向从排气口5排出，排气口5可以与通气管道4等截面积，也可是收缩或扩张的。桨叶内部的通气管道4也可以由空心叶片自然形成，但其中径向不能有管道截面积突变。
参照图5、6，对于弧形板桨叶3，通气管道4在桨叶3的外部的压力面8一侧，也可在吸力面9一侧。空气从风轮轮毂1中的进气孔2(可以在迎风面或背风面)进入各个桨叶3外部的通气管道4，由于高速旋转桨叶3产生的离心力对通气管道4内的空气加功而增加了其总机械能，然后这空气从通气管道4在桨叶尖部的排气口5沿与风轮旋转方向u相反的切向或接近切向排出，对桨叶3产生附加的推动力和推动力矩。排气口5可以与通气管道4等截面积，也可是收缩或扩张的。图6为图5中的A向视图，可见，通气管道4是装在桨叶的凹面，即压力面8一侧的，但是通气管道4也可装在吸力面9一侧。
参照图7，为本发明的风力机与作为比较基准的、具有相同翼型的对应的普通风力机在风洞试验中的试验结果对比。从试验数据可见，由于本发明的桨尖喷气的突出效果，水平轴风力机的起动风速大大降低，而转速、输出功率以及风能利用系数大幅度提高，从而本发明的经济效益应当是相当显著的。
权利要求
1.一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于该方法适用于各种形状桨叶的水平轴风力机，在轮毂(1)或其附近部件开有进气孔(2)，并将桨叶(3)作成密闭中空的，或者在内部或外部设置密闭的通气管道(4)，将水平轴风力机轮毂(1)附近的气流，经由轮毂(1)或其附近部件上的进气孔(2)，引入桨叶(3)内部或外部的通气管道(4)，在接受风轮旋转所产生的离心力做功的能量之后，从桨尖以与风轮旋向u相反的切向或接近切向喷出，从而对风轮产生附加的推动力和推动力矩，使风力机的启动风速大大降低，风轮的做功能力也有大幅度的提高；如果在高风速或者高于切出风速时，则使气流从桨尖以与风轮旋向u相同的方向切向或接近切向喷出，则会对风轮产生一个制动力矩，从而保护风轮安全工作。
2.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于所述风力机桨叶，包括具有翼型剖面的桨叶、弧形板桨叶、扭曲桨叶或是不扭曲的桨叶，还包括等截面的桨叶、尖削的桨叶、单桨叶或者多桨叶。
3.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于低风速且需要产生推动力以提高风能利用系数时，叶尖处通气管道的排气口应背向压力面一侧，使排气方向为切向或接近切向，且与旋转方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于高风速或高于切出风速时为了保护风力机安全工作并增大工作风速范围需要产生制动力时，叶尖处通气管道的排气口应背向吸力面一侧，使排气方向为切向或接近切向，且与旋转方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于风力机轮毂(1)或其附近部件上的进气孔(2)可以开在迎风面，也可以开在背风面。
6.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于对于弧形板式桨叶，通气管道装在桨叶外部的压力面一侧或吸力面一侧。
7.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于排气口形状可以与通气管道截面积相同，也可以做成收缩或扩张的。
8.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于通气管道沿径向的截面变化应均匀，无截面积突变。
9.根据权利要求1所述的一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，其特征在于通气管道必须是密闭而不漏气的。
全文摘要
一种可提高水平轴风力机风能利用效率的桨尖喷气方法，将空气从通常的风轮轮毂或其附近部件上的进气孔吸入，所吸入的空气流过桨叶内部或外部的通气管道，由高速旋转的风轮产生的离心力加功后，再从桨叶叶尖的压力面一侧以与风轮旋转方向相反的切向喷出，因此产生额外的对风轮的推动力和旋转力矩。或以与风轮旋向相同的方向沿切向或接近切向喷出，对风轮产生一个制动力矩，从而保护风轮安全工作，并使得风轮的工作风速范围大大扩大。这种风力机比对应的任何性能的普通风力机的风能利用系数都有显著提高。
文档编号F03D1/06GK1529052SQ0313406
公开日2004年9月15日 申请日期2003年9月26日 优先权日2003年9月26日
发明者申振华, 申鸿烨 申请人:沈阳航空工业学院