一种叶尾喷气式垂直轴风力机制造技术

本发明专利技术涉及风力发电行业，特别是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，所述垂直轴和叶片支撑杆中开设有相通的喷气管，所述叶片垂直向设有气道、水平向平行设有若干根喷气孔，所述喷气孔设于叶片的对称中轴线上，并通向叶片尾缘，所述喷气管、气道、喷气孔均相互连通、形成气流道，所述风力机外置有气泵，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。本发明专利技术的叶尾喷气式垂直轴风力机，通过主动控制叶片尾部产生喷射气流，形成反向推力，对风力机正向做功，在风力机运行范围内提高风力机升阻比，提高风力机的功率系数，并使发电效率维持在稳定的水平上。

A Vertical Axis Wind Turbine with Blade Tail Jet

The invention relates to the wind power industry, in particular to a blade tail jet vertical axis wind turbine. There are vertical axis, blade support rod and blade. The vertical axis and blade support rod are provided with a connecting air duct. The blade is vertically provided with air duct and horizontally parallel with several air vents. The air vent is located on the symmetrical central axis of the blade and leads to the trailing edge of the blade. The air duct, air duct and air vent are interconnected and form an air duct. There is an air pump outside the machine. The air outlet of the air pump is connected with the vertical axis of the jet pipe. The high-pressure air is ejected from the bottom to the top through the air vent of the blade to form the jet air. The blade tail jet vertical axis wind turbine of the present invention can actively control the jet airflow generated at the blade tail to form reverse thrust, do positive work on the wind turbine, improve the lift-drag ratio of the wind turbine within the operation range of the wind turbine, improve the power coefficient of the wind turbine, and maintain the power generation efficiency at a stable level.

【技术实现步骤摘要】
一种叶尾喷气式垂直轴风力机
本专利技术涉及风力发电行业，特别是一种叶尾喷气式垂直轴风力机。
技术介绍
风能作为一种丰富、环境友好的可再生清洁能源，能够改善我国长期以燃煤为主要能源供给的单一能源结构。根据全球风能协会(GWEC)的统计报告，2016年，由于风能的利用，全球CO2排放量减少了63亿吨，近20年来全球累计风能装机容量及全球每年新增风机装机容量都获得了迅猛的增长。随着现代风电机组向着更大容量的趋势发展，风电机组呈大型化发展趋势。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，还需进一步深入研究。申请号为200910010823.1的专利技术专利，公开了一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法及装置，该装置包括进气装置和排气装置，当自然风进入总是迎风的、下风向安装的进气装置，再穿过空心的支撑杆，并从装于其外端的排气装置或叶片中的推力喷管以与风力机旋转的反方向喷出，产生额外的推动风力机旋转的力矩，完全无须消耗额外动力。该装置属于被动控制，产生的力矩完全取决于自然状况和天气因素，无法将风力机的功率系数控制在稳定的水平上，无法保证持续稳定的电力输出。清华曹树良等(机械工程学报，2011，Vol.47,No.10，113-118)对理想风力机功率系数推导得出，理想风力机功率系数仅与风力机最大升阻比和叶尖速比有关。当风力机叶尖速比和升阻比都趋于无穷大时，理想风力机功率系数即趋近于贝茨极限。叶尖速比受限于叶片气动和惯性载荷以及叶型等方面，不能无限增大。在给定范围的尖速比下，功率系数随翼型的升阻比增大而提高。
技术实现思路
针对以上不足，本专利技术提供了一种叶尾喷气式垂直轴风力机，属于主动控制类型，通过叶尾喷气产生反推力以提高风力机升阻比和力矩，提高风力机发电效率，并使发电效率维持在稳定的水平上。本专利技术的技术方案为：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，所述垂直轴和叶片支撑杆中开设有相通的喷气管，所述叶片垂直向设有气道、水平向平行设有若干根喷气孔，所述喷气孔设于叶片的对称中轴线上，并通向叶片尾缘，所述喷气管、气道、喷气孔均相互连通、形成气流道，所述风力机外置有气泵，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。所述喷射气流的射流动量系数，即射流动量和流过翼型的自由来流平均动量的比值，为0.005-0.06。所述喷射气流的展向高度h，即最上层喷气孔上沿到最下层喷气孔下沿的高度，占叶片整体高度的80％-100％。在叶片旋转的整个运行周期加喷射气流。所述气道和喷气孔可设于一个或多个叶片上。本专利技术通过垂直轴风力机内部设置喷气管和气道，在叶片尾部设置喷气孔，在风力机外部连接气泵，加压的气体自下而上、从叶片尾部喷出，形成向后的高速喷射气流。喷射气流对叶片产生方向相反的推力，此推力方向指向叶片头部，即与叶片运动方向相同，该推力与叶片所受到的阻力部分相抵，从而减小叶片所受阻力，提高翼型的升阻比。由于喷射孔设于叶片的对称中轴线上，故喷射气流方向也沿中轴线的延长线方向，与叶片的旋转半径相垂直，此推力在叶片的旋转过程中形成力矩，对风力机正向做功。其次，由于尾部的高速喷射气流，使得叶片尾部处气流与理想无分离流线方向一致，额外带来康达效应，携带叶尾处气流，增加了“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，从而提高风力机发电效率。附图说明图1为本专利技术叶尾喷气式垂直轴风力机立体图；图2为本专利技术叶尾喷气式垂直轴风力机俯视图；图3为本专利技术叶尾喷气式垂直轴风力机正视剖视图；图4为本专利技术叶片透视图；图5为本专利技术叶尾喷射气流放大图；图6为本专利技术叶片受到的作用力图；图7为现有垂直轴风力机和本专利技术叶尾喷气式垂直轴风力机的功率系数随尖速比变化对比图；图8为本专利技术叶尾喷气式垂直轴风力机的功率系数与射流动量系数关系曲线图。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。参考图1-图5，本专利技术的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，垂直轴10和叶片支撑杆20中开设有相通的喷气管11，叶片30垂直向设有气道31、水平向平行设有若干根喷气孔32，喷气孔32设于叶片30的对称中轴线上，并通向叶片30尾缘，喷气管11、气道31、喷气孔32均相互连通、形成气流道。风力机外置有气泵40，气泵40的出风口连接垂直轴10的喷气管11，气泵40产生的高压气流由下至上经叶片30的气道31、从喷气孔32喷出，形成喷射气流33。气道31和喷气孔32可设于一个或多个叶片30上，在本实施例中，三个叶片30均设有气道31和喷气孔32。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。由于高速喷射气流33带来的康达效应，喷射气流33的展向高度h，即最上层喷气孔32上沿到最下层喷气孔32下沿的高度，应尽可能接近风力机的整体叶片高度，考虑实际气道31和喷气孔32的结构，展向高度h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，在叶片30旋转的整个运行周期加喷射气流33，也可根据实际情况，对叶片30在一定相位角范围内加喷射气流33，以达到最佳的控制效果。如图6所示，施加喷射气流33前，在叶片30的重心点O处，风力所形成的阻力D，和旋转升力L的合力为F，其方向与叶片30的运动方向相反，在该相位角时叶片30所受的力矩为负，做负功。施加喷射气流33后，由于喷射气流33产生的反方向的推力Fj，F和Fj的合力为F’，该力与叶片30运动方向相同，使叶片30所受的力矩变为正，做正功。参考图7，为了验证本专利技术的效果，专利技术人对未加喷气式的现有垂直轴风力机和本专利技术的叶尾喷气式垂直轴风力机进行了数值模拟，用于模拟的垂直轴风力机参数如表1所示：表1：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7所示，通过对比数值模拟的风力机功率系数，可以看出，加喷射气流后的风力机与未加喷射气流的风力机相比，在叶尖速比为1.44时，功率系数增加了75％，在最佳叶尖速比2.64时，功率系数增加了22％。为保证喷射气流33能够产足够推力，同时避免从气泵40到喷气孔32过程中喷射气流33的损失过大，射流动量系数，即射流动量和流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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，所述垂直轴(10)和叶片支撑杆(20)中开设有相通的喷气管(11)，所述叶片(30)垂直向设有气道(31)、水平向平行设有若干根喷气孔(32)，所述喷气孔(32)设于叶片(30)的对称中轴线上，并通向叶片(30)尾缘，所述喷气管(11)、气道(31)、喷气孔(32)均相互连通、形成气流道，所述风力机外置有气泵(40)，气泵(40)的出风口连接垂直轴(10)的喷气管(11)，高压气流由下至上经叶片(30)的喷气孔(32)喷出，形成喷射气流(33)。

【技术特征摘要】
1.一种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，所述垂直轴(10)和叶片支撑杆(20)中开设有相通的喷气管(11)，所述叶片(30)垂直向设有气道(31)、水平向平行设有若干根喷气孔(32)，所述喷气孔(32)设于叶片(30)的对称中轴线上，并通向叶片(30)尾缘，所述喷气管(11)、气道(31)、喷气孔(32)均相互连通、形成气流道，所述风力机外置有气泵(40)，气泵(40)的出风口连接垂直轴(10)的喷气管(11)，高压气流由下至上经叶片(30)的喷气孔(32)喷出，形成喷射气流(33)。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：孙槿静，黄典贵，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31