[发明专利]一种叶尾喷气式垂直轴风力机

说明书

本发明涉及风力发电行业，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。

技术领域

本发明涉及风力发电行业，特别是一种叶尾喷气式垂直轴风力机。

背景技术

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的发明专利，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。

发明内容

针对以上不足，本发明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。

本发明的技术方案为：

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。