[实用新型]一种提高风机捕风效率的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于风机发电领域，尤其涉及到一种提高风机捕风效率的装置，突破了风机捕风效率的贝兹极限。

背景技术

风机是指将风能转化为电能的装置，主要包括风轮、齿轮箱、发电机、控制系统、塔架等部件。其中风轮是风电机组最重要的部件，主要由叶片和轮毂组成。叶片在气流作用下能产生气动力使风轮旋转，再通过齿轮箱增速或直接驱动发电机产生电能。因此，叶片的捕风效率直接影响到风机发电效率。近年来，随着风电产业的迅猛发展，对风电叶片设计的要求逐渐提高，尤其是对捕风效率都有了更高的要求。

通常情况下，当风通过涡轮机，几乎有一半的空气被迫停留在叶片周围，而不是通过它们，这些风中的能量就丢失了。传统的风力涡轮机最多只能利用59.3%的风能，这个值被称为贝兹极限。目前提高捕风效率的技术大都集中在采用更高升阻比的新翼型，如改型的NACA63系列，或者采用从叶尖到叶跟的全翼型结构，但是其捕风效率均低于贝兹极限0.593。也有采用风道设计的技术，但是其原理主要是通过改变风向和多级串联转子的方法，其效率的提高均不能突破贝兹极限。目前大部分风机优化后的最大捕风效率大都在0.47-0.51之间，有必要对现有技术进行改进，提高风机捕风效率，使其突破贝兹极限0.593。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本实用新型公开了一种提高风机捕风效率的装置，使风机捕风效率突破贝兹极限0.593的限制，主要适用于小型叶片的垂直轴式风力发电机。

为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种提高风机捕风效率的装置，其特征在于：包括环形扩压管和扩压管支撑结构，所述扩压管安装在风机的风轮外周，所述环形扩压管截面为翼型。

进一步地，所述环形扩压管的截面翼型为任意升力翼型。

进一步地，所述环形扩压管喉部面积与扩压管出口面积比值为1∶1.5~3。

进一步地，所述扩压管支撑结构安装在风机塔筒之上。

本实用新型的有益效果在于：结构简单，安装方便，可以采用架设独立的支撑结构，也可以将其安装在风机塔架上；通过在风机外周加装任意升力翼型的环形扩压管即可实现发明目的，可以大量应用在小型叶片的垂直轴式风力发电机领域。

附图说明

图1本实用新型实施例安装示意图；

图2带扩压管和不带扩压管的风机捕风效率随推力系数变化图；

图中附图标记如下：1-环形扩压管；2-风轮；3-塔架；4-扩压管支撑结构。

具体实施方式

本实用新型的原理是通过将风机放置于带翼型截面的环形扩压管中，利用翼型截面产生升力，也就是等效成环形涡，该环形涡通过Biot-Savart定律将产生一个诱导速度，从而增加通过风机扫风面积的质量流量，可以把捕风效率提高到0.80以上，超过贝兹极限0.593。

理论推导验证和CFD计算（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）验证过程如下：

如图1所示，风轮平面内的轴向速度以                                                表示，表示放大系数，定义为与的比值，即。对扩压管中的风轮进行一维分析可以得到带扩压管的风机的功率系数，也就是捕风效率的表达式：

其中为推力系数。

对于不带扩压管的风机，捕风效率为：

                    

                    其中为轴向诱导因子

由上面两个式子可得，

而带扩压管的风机的质量流量与不带扩压管的风机的质量流量存在如下关系：

                      

 从而可得：

这就表明，带扩压管与不带扩压管的风机的捕风效率之比正比于它们的质量流量之比，这就为捕风效率突破贝兹极限提供了理论上的可能性。

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实用新型包括环形扩压管1和相应的支撑结构4，将叶轮2放置于环形扩压管1内，扩压管出口面积与扩压管喉部面积比值不能过大，以避免空气流过扩压管内时产生逆压梯度。经过试验测试，喉部面积与扩压管出口面积比值为1∶1.5~3，喉部为扩压管最窄小的部位，出口是喇叭口的最末端。