CN106536921B - 用以提取风能和流体动力的涡轮机转子 - Google Patents

用以提取风能和流体动力的涡轮机转子 Download PDF

Info

Publication number
CN106536921B
CN106536921B CN201580013173.XA CN201580013173A CN106536921B CN 106536921 B CN106536921 B CN 106536921B CN 201580013173 A CN201580013173 A CN 201580013173A CN 106536921 B CN106536921 B CN 106536921B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fin
rotor
frame
rotor according
affixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201580013173.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106536921A (zh
Inventor
兴国·丹尼斯·朱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CN106536921A publication Critical patent/CN106536921A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106536921B publication Critical patent/CN106536921B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/16—Air or water being indistinctly used as working fluid, i.e. the machine can work equally with air or water without any modification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/302—Segmented or sectional blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

风力涡轮机的转子，具有一片或多片双翼风力翼片。每一双翼片包括第一翼片和紧貼著第一翼片的第二翼片，使得第一翼片与第二翼片在转子的旋转过程中相辅相成，產生空气动力作用。在整个旋转过程中，第一翼片的攻击角是近乎零度的。

Description

用以提取风能和流体动力的涡轮机转子
技术领域
本摘要所提及的概念,涉及可从风和其他流体提取能量的转子装置。本概念适用于水平和垂直风力涡轮机，亦可用在飞机，水翼船和其它诸多设备。
背景技术
风力涡轮机被广泛的用于发电。风力涡轮机的机件包括，转子，发电机，和一个把转子和发电机连接起来的变速箱。转子可从流经的风力提取能量。转子可配备一片，或多片风力翼片。翼片与流经的气流发生空气动力作用，使得转子转动。转子的扭力经变速箱传授予发电机。变速箱通常把转速适当的提高，俾发电机有效的操作。据变速箱的带动，发电机的转子在磁场高速旋转发电。
转子是配有风力翼片的。风力翼片的一端是附着涡轮机壳，并从机壳中心向外延伸，使翼片在垂直的平面旋转。这种构造，被称为水平(横向)风力涡轮机，或HAWT，因其旋转轴线是横向的，与地面平行的。现时的HAWT比垂直的风力涡轮机或VAWT，较受欢迎，尤其是在大型的商业风电场。目前的HAWT涡轮机的能源转换效率比同等规模的VAWT为高。但一般的HAWT比VAWT较重，在汹涌风的情况下，也没有VAWT那么好操作。另外，HAWT的输出也受风吹的方向所影响，而HAWT的成本也比VAWT的昂贵。
VAWT的转子是配备着风力翼片的，翼片通常是朝垂直方向延伸，使得转子绕着垂直于地面的轴线旋转。VAWT的运作，不受风吹的方向所影响，在湍流和不稳定风的条件下，仍可照常操作。VAWT在应用上的尺寸，较为细小，以适应社区诸多禁止高空安装风机的规划和条例。高空能令转子有稳定的风力。
VAWT的转子，也可被视为cyclogyro的一种。Cyclogyro的转子，在坚固的框架上，装上多块垂直风力翼片。每一翼片都是以相等的距离，绕着垂直于地面的框架轴线旋转。理论上，这类的VAWT，其效率，应比同等规模的HAWT为高。大多数cyclogyro转子的片尖速度在3与7之间的比率运转。但其最高效率，亦只能在很窄的操作范围内出现。此外，大多数VAWT的转子，包括cyclogyro，在2或更低的片尖速比率操作时，就会遇到剧烈的失速。剧烈的失速会招致振动和降低输出。
发明内容
从流体提取能量的转子部件包括，框架，以及一块安装在框架上，相对于框架旋转的第一翼片。转子还具备一块固定于框架上而紧贴着第一翼片的第二翼片，使第二片与第一翼片产生空气动力作用。
从流体提取能量的转子部件包括，框架，以及一块安装在框架上的第一翼片。第一翼片与流体之间的互动产生一股”向下冲力”。转子还具备一块固定于框架上而紧贴着第一翼片的第二翼片，使第二翼片的部分顶表面受到”向下冲力”的影响。
用于产生电力的装置包括；一个发电机和一部从流体提取能量的转子。转子的框架与发电机联接着,予以扭力，产生电力。转子在其框架上，安装着一块相对于框架可自动旋转的第一翼片。转子还包括，一块固定于框架而紧贴着第一翼片的第二翼片，使第二翼片在流体的驱动下与第一翼片产生空气动力作用。
附图简述
本文对每一实体的讲解，将参照以下附图的描述，每一号码即代表图案中的每一机件：
图1是垂直风力涡轮机的透视图；
图2是图1垂直风力涡轮机转子的顶视图；
图3是图1，2中的第一翼片和第二翼片的顶视图；
图4是图1-3中的第一翼片的部分剖切图；
图5是图1-4中所显示的第一翼片和第二翼片在各种逆时针操作位置的顶视图；
图6是图1-5中所显示的第一翼片在操作过程中受各种力量影响的透视图；
图7是图1-6中所显示的第一翼片和第二翼片的各种设计和操作特性的图表；
图8是图1-2中所显示的转子的各种操作参数表格。
图9是单一翼片的常规流场；
图10是图9中所显示的单一翼片的常规循环流的描绘。循环流是围绕着风力翼片旋转的；
图11是图1-6中所显示的第一翼片和第二翼片的循环流描绘；
图12是图9-10中所显示的单一翼片的常规流场的进一步描绘；
图13是图1-6和11中所显示的第一翼片和第二翼片所预测流场的进一步描绘；
图14是第一翼片和第二翼片的正，顶面图；
图15是图14中所显示的第一翼片和第二翼片的预测流场；
图16是图14-15中所显示的第一翼片和第二翼片的各种设计和操作特性表格；
图17是图1-6中所显示的垂直风力转子的顶面图。
具体实施方式
是发明的概念，可参考附图的描述。附图不是按比例绘制的，只限于图解是发明的概念。其中几个领域的描述，是参照一些项目的应用作为示范。我们须理解，概念中的一些细节，相互关系和应用方法的阐述，是用于让人们对本发明有一个完整的理解。对本概念稍有认识的人也会意识到，本发明，是可以在缺少其中一个或多个细节,甚至配合其他方法来实施的。在其它实例中的结构或操作，我们没有详细的讲解，以避免模糊本发明的概念。本发明并不局限于上述示范或操作的次序。此外，本文所提出的示范或操作，也无需照足本发明的概念而进行的。
图1描述了风力涡轮机100。风力涡轮机100包括一个垂直转子102。风力涡轮机100还包括发电机102和变速箱104。变速箱104是联接着转子102和发电机103，并且传递转子102所产生的扭力到发电机103。变速箱104将转子102的转速提高，使得发电机103比转子102具有更高的转速。发电机103根据提高的转速产生电力。本文所述的“发电机”，包括产生直流电或交流电的发电机组。
转子102的速度是固定的，装备包括三套双翼型翼片105。本发明所采用的固定速度转子，仅是一种示范而已。本概念也适用于可变速的转子。
每套双翼型翼片105的纵方向，是采用坐标”Y”的垂直方向。”X”，”y”和“z”的坐标方向如图1所示。关于“垂直”和“水平”的坐标定性，可参考图1。上述坐标，仅是一种示范而已，绝无意局限本概念的空间。
转子102还包括一个竖直的主轴106，一个底轴盘107，和一个顶轴盘108。底轴盘107用合适的方法固定于主轴106。底轴盘107与主轴106的结构，是可釆用其他的形式。
转子102还包括三条上臂或支柱110a和三条下臂或支柱110b，如图1,2所示。每条下臂110b的内端，用合适的装置被固定于底轴盘107。底轴盘107和下臂110b的结构，是可釆用其他的选项。下臂110b从底轴盘107向外延伸，如图1所示。所有下臂110b均以等距隔开，使得相邻下臂110b之间的角度为120°。
每条上臂110a的内端，用合适的装置被固定于顶轴盘108。顶轴盘108和上臂110a的结构，是可釆用其他的选项。上臂110a从顶轴盘108向外延伸，如图1,2所示。每条上臂110a是与每条下臂110b垂直对准的，即是，上臂是处于下臂的正上方。所有上臂110a均以等距隔开，使得相邻上臂110a之间的角度为120°。双翼型翼片105，被安装在上臂110a和下臂110b之间。每一双翼型翼片105，同样以等距隔开，使得相邻双翼型翼片105之间的角度为120°。
转子102还包括三条支撑轴122。每一支撑轴122以垂直方向，从下臂110b向上臂110a延伸，如图1所示。每条支撑轴122的下端，用合适的装置固定于下臂110b的外端。每条支撑轴122的上端，用合适的装置固定于上臂110a的外端。顶轴盘108，底轴盘107，上臂110a，下臂110b与支撑轴122配合形成一个坚固的”鸟笼”型框架128，用以支撑双翼型翼片105，并传递扭力予发电机103。
每套双翼型翼片105包括第一翼片130和紧贴着第一翼片的第二翼片或主翼片132。如图1-3，5，11和13所示。每一第二翼片132是紧贴着其第一翼片的。由于第一翼片130和第二翼片132是处于特定的位置，当第一翼片130跟随着转子102旋转的时候，其产生的循环流，就会与第二翼片132的循环流，相互影响。此等影响，导致第一翼片130的表面，与底部的压力分布加剧失衡。同样的，第二翼片132的表面，与底部的压力分布也会加剧失衡。此等现象，除了提高第一翼片130和第二翼片132所产生的升力，也会加强转子102的扭力。
双翼型翼片105的三块第一翼片130是一模一样的。除非另述，本文的每一块第一翼片130是一样的。第一翼片130包括一个坚固的支架142，及包裹着支架的薄膜144，如图4所示。薄膜144可以使用铝片，环氧树脂，或其它材料制造。
第一翼片130被连接到相关的支撑轴122，使得第一翼片130，如图1所示，以垂直的方向(y)往上延伸。支撑轴122是固定于第一翼片的一个坑洞内。支撑轴122是垂直向上穿过第一翼片130的，如图4所示。支撑轴122的纵向轴线点，与第一翼片130的重心点是重叠的。第一翼片130的重心点是以“CG“为代号。
第一翼片130是经过轴承136，或其他装置而被联结到相关的支撑轴122，使得第一翼片130可以支撑轴122为轴心，自由转动，如图4所示。第一翼片130的旋转轴线是以垂直方向延伸，并与第一翼片130的重心点重叠。第一翼片130另设有角度机制(未显示)，以此限制第一翼片130的转动范围在+15°至-5°之间(如图5所示)。这有助于增强双翼型翼片105的空气动力性能。
每块第二翼片132包括一个坚固的支架142(未显示)和包裹着支架的薄膜144。薄膜144可以使用铝片，环氧树脂，或其它材料制造。第二翼片132的相关轴152是固定于框架上。
第二翼片132分别安装在两条相关的横臂152，如图1,3所示。每条横臂152的第一端是用于固定其相关的第二翼片132。第二翼片132的纵向轴线是垂直于横臂152的。每条横臂152的第二端，是固定于支撑轴122，如图3所示。每条横臂152是以水平方向延伸。第二翼片132的纵向轴线就以垂直方向往上延伸。第二翼片132的安装是可釆用其他替代方案。
第二翼片132的长度，简称为弦”Cm”。Cm与第二翼片132的旋转切线之间的角度，又称为”俯仰角”,。第二翼片132的俯仰角，以代表。Cm和相对风速”R”(即入射到主翼片132的气流)之间的角度，在此称为”攻角”，以”αm”代表。第二翼片132的位置，相对于其上臂110a和下臂110b是固定的，也就是说，第二翼片132相对于其上臂110a和下臂110b是不旋转的。所以第二翼片132的俯仰角是固定在零度左右。如图5所示，双翼型翼片105的第二翼片132和第一翼片130正沿着其轨迹运行。此外，当转子102的尖速比，”λ”大约是4的时候，第二翼片132的攻角，αm就介于0°与15°之间。
第一翼片130的长度，简称为弦”Cf”，如图6所示。Cf与第一翼片130旋转切线之间的角度，又称为”俯仰角”，以代表。如前述，第一翼片130是能够自由转动的，使得其俯仰角随着运行不断改变。当转子102的尖速比，λ大约是4的时候俯仰角，就介于0°与15°之间。
第一翼片130的Cf和相对风速，R(即入射到前头翼片130的气流)之间的角度，在此称为攻角，以”αf”代表。如前述，在转子102的运作，第一翼片130是可自由转动的，使得其攻角αf维持在0°左右。
第一翼片130是对称的，即其弦Cf的两侧是对称的，如图6所示。在转子120运行的时候，作用在第一翼片130的空气动力，是集中于其压力中心，CP。这压力中心，是位于弦的三分之一点，亦即，沿着Cf而距离第一翼片鼻端三分之一的位置。由于第一翼片130的对称构造和第二翼片132所产生的循环流，在涡轮机的操作中，第一翼片130的压力中心，始终位于其Cf的三分之一的位置。
在转子102的旋转过程中，作用于第一翼片130的离心力，是均衡于其重心，CG这一点。所以，由离心力所产生的力矩，在重心这一点就等于零。作用于第一翼片130的空气动力也是均衡于其压力中心，CP这一点。因此，由空气动力所产生的力矩，在CP这一点也等于零。第一翼片130的设计特点，是让其重心CG与其压力中心CP重叠。因此，在转子102的操作中，作用于第一翼片旋转轴线的离心力和空气动力，是处于均衡的状态，亦即，第一翼片CP与CG位置重叠，力矩又等于零。
第一翼片130是能够调整其位置方向，这样，在转子102操作中，就可紧跟相对风速，R更改方向，从而使其攻角，αf保持在零度左右。这个特性，是基于，第一翼片130能够依着其重叠的重心与压力中心而自由打转，无任何力矩的影响及俱备对称的特点。
图5是描绘转子102的双翼型翼片105的各种位置。每一位置是以其方位角，Θ，以作表示。若转子102的速度，与风，V∞或自由气流的方向是平行的，其方位角是为零。方位角是以逆时钟方向增值的。若双翼型翼片105的速度，与风的方向是垂直的，其方位角则为90°或270°。若然，双翼型翼片105的速度，与风的方向是反平行的，其方位角为180°。
相对风速，Vr作用于双翼型翼片105的时候，在第一翼片130和第二翼片132之间就会发生压力差。压力差对第一翼片130和第二翼片132产生升力和阻力。升力和阻力可分解成切向力，Ft和垂直力，Fn。切向力Ft产生扭力，把双翼型翼片105推动旋转。三块双翼型翼片105的扭力，经変速箱104的减速而传至发电机103发电。垂直力，Fn对转子102产生负荷和振动。
流经每块双翼型翼片105的相对风速Vr，是根据其角位置而持续改变的。双翼型翼片105的雷诺系数也是根据其角位置而持续改变。如前述，由于第一翼片130可自由旋转，而改变其俯仰角使得每块第一翼片130的弦，Cf，在其旋转过程中不断与相对风速的方向对齐，使第一翼片130的攻击角，αf保持在零度左右。
借调节第一翼片130的俯仰角，而自我控制的空气动力***，有利于大幅提高双翼型翼片105的升力系数，Cl，和空气动力效率。这些，相较于固定俯仰角翼片来说，是有其优势的。较高的空气动力效率，导攻较强的扭力和较少的功率损耗。这种潜在优势，在转子的前面和背面尤其明显，即方位角θ，35°-135°和215°-315°之间，如图5所示。在这些位置上，升力，L有较大的切向分量。
第一翼片130俯仰角的调节，也有助于避免第一翼片项面的气流分离和涡流干扰。气流分离和涡流干扰能减少升力，并招致深动态失速。深动态失速是有其负面的效果，包括噪音，不必要的振动，减少输出，及影响转子的效率和寿命。
若然没有第一翼片俯仰角的调节***，流经竖直转子的气流就变得较为复杂。特别在顺风区，即方位角，Θ，180°-0°度的位置。当转子从逆风区进入顺风区的时候，相对风速度，Vr就减少60％左右，而翼片的攻击角亦降42％。基于这些波动，翼片的切向力和径向力也随着改变，因而翼片，涡轮机及其它部件受到就得承受循环式的负荷。除此外，上游区的风力流经翼片后，一旦去到下游区，已失去部分原可给下游区翼片的动量，又产生旋涡，撞击下游区的翼片。
进一步的分析亦说明，若没有第一翼片俯仰角的调节***，攻击角α，相对风速，Vr和动态压力等气动参数，将在逆风区(0°-180°)比顺风区(180°-360°)以更快的频率变更。当翼片在方位角90°和270°之间运转时，自由气流V∞的方向，同翼片速度的垂直分量方向是相反的，从而相互抵消，降低相对风速Vr。在方位角270°-90°，V∞的方向，同翼片速度的垂直分量方向是相同的，从而相互增加，提高相对风速Vr。此外，当尖速比“λ”小于4的时候，固定翼片的攻击角就会超过静态失速角，因而导致动态失速。
上述逆风区和顺风区操作上的差异，可使用第一翼片130俯仰角的调节***予以减低。对于较大的涡轮机，这些波动可通过尖速比，λ大约为3.0而进一步予以降低。转子102可利用中等的操作速度，防止翼片105途经顺风区的时候，遇着自己早前在逆风区所产生的乱流，或上游翼片的尾流。此外，转子的鸟笼式结构也免却了垂直中心轴的设立，从而避免了其尾流的影响。
有了稳定的风速，在逆风区所产生的力矩，如图5所示，方位角θ从0-180°，比在顺风区产生的力矩较大。第一翼片130能以其纵向轴自由旋转的特性，而调整方向，与相对风速Vr，保持大致为零的攻击角度。这有助于第一翼片130在逆风区和顺风区，大大的提取风力的能量。
因为第一翼片132的俯仰角，固定大致为零，第二翼片132的切线方向就与转子的旋转半径对齐，而每个第一翼片132的攻击角αm在其流经逆风区时，也大约为0-15°之间。第一翼片130与第翼二片132循环流的相互作用，也加剧了翼片表面和底部之间的不平衡压力分布，因而大幅提高了每一块第一翼片130和第二翼片132的升力，尤其是在逆风区。
当第一翼片130在顺风区操作时，即方位角Θ,180-0°，由于相关动量的流失和不稳定流所产生的现象,而引起第一翼片130的俯仰角波动于0-5°之间。这等操作特性有助于减少气流分离和第一翼片130及第二翼片132所散出的涡流。
在方位角，θ，0°及180°的时候，由第一翼片130和第二翼片132所产生的升力大约为零。此外，由第一翼片130和第二翼片132所产生的升力L，如图5所示，是会改变方向的。当翼片105流经方位角0°，180°的时候，第一翼片132的攻击角αm也从正值，改为负值，再而循环的从负值改为正值。
当双翼片105流经方位角，θ，为90°的时候，第一翼片130的俯仰角，大致为15°，而第二翼片132的攻击角，αm大约为-15°。双翼片105的速度矢量以及相对风速，Vr的方向，在这个位置上是相互垂直的，并以较大的切向力，把翼片105拉向前。当双翼片105流经方位角，θ，为0°和180°的时候，第一翼片130的俯仰角，大约为零，而第二翼片132的攻击角，αm亦为零。当双翼片105流经方位角，θ，为270°的时候，第一翼片130的俯仰角，大约为-5°，而第二翼片132的攻击角，αm大约为5°。如前述，第一翼片的俯仰角，是固定为零。由于第一翼片130可自由旋转以调整其俯仰角，在转子102的整个操作过程中，第一翼片攻击角保持近乎0°。
为了实现转子102有最佳的效能，得让第一翼片130和第二翼片132有较高的升力系数，Cl，和相对细小的阻力系数，Cd，而对标准的粗糙效应有较弱的反应。在设计优质翼片的时候，须注意固定的功率输出和尾流损耗的控制，这些操作参数，在可变速转子的应用上是耍考虑的。本发明，通过实验，测试和分析，已开发了有关第一翼片130和第二翼片132的一些潜在模式。其中一个模弐的细节，在表格7就转子102已有详细的描述。本人发现，此等设计的转子102，在预设的范围内，可以高效率，小阻力操作，亦无失速的现象。
表格7对转子102的描述，仅是示范和参孝的板本。最佳的设计，还要视乎应用的因素，如整体的大小尺寸，功率的输出，及可用的风力条件等等。较大的涡轮机(兆瓦)，有较大的旋转半径，因而，可以较高的尖速比λ运作。较高的尖速比，对于前头翼片130来说，意味着较小的俯仰角，较细的波动及较小的攻击角αm。
先前己证明，涡轮机的翼片厚度，亦即，翼片最厚的地方(”Tmax”)和翼弦的长度(”c”)的比率，至少得为18％才有一定的结构强度。较厚的翼片，较为坚固，有较小的阻力和较佳的功率曲线。如果翼片的厚度从18％提升至21％，其最大的功率系数是不会改变的。升力曲线斜率(”Clα”)是翼片的另一个重要系数，现列如下：
Clα＝1.8π(1+0.8tmax/C)≈2π
在本转子102的示范中，第一翼片130的厚度大约为21％，而第二翼片132的厚度大约为19％。这种厚度的翼片，较为容易制造，比一些薄的翼片，也较为耐用，不会变形。稍为加厚的第一翼片130和第二翼片132，其鼻尖的半径已略为加厚，有助于提高第一翼片130的最大升力系数(”Clmax“)，和减少阻力。我们也认为，这等设计还可调校第一翼片130的压力分布，而较圆滑的鼻尖会减少紊流和汽流分离的机会。
如前述，相对于其弦Cf，第一翼片130的两侧是对称的。一般对称翼片，虽然没有弧面翼片那么有效，然不足之处，可以用第二翼片的”向上冲力”去提高第一翼片的升力而予以抵消。在是设计，第二翼片132是有少量的弧度，约1.25％。现已确认，少量弧度能提高翼片105的效能，尤其在逆风区，但在顺风区，升力反而会减低。
如前述，当尖速比，λ是4的时候，第一翼片130是在俯仰角0°-15°的范围内转动。具体地说，在逆风区，第一翼片130的俯仰角是在0°-15°之间持续改変，亦即，第一翼片从方位角0°移动到180°的时候，如图5所示。在顺风区，第一翼片从方位角180°移动到0°，第一翼片的俯仰角就从0°转为-5°左右。
众所周知，単一翼片在攻角度4-10°的范围内，有最佳的升力与阻力系数比例，(Cl/Cd)。如此推之，在翼片105运作中，第二翼片132的攻击角，αm若能局限于0-15°之间，亦可产生有利的整体升力与阻力系数比例。此外，我们也相信在此范围内，转子能产生强大的扭矩，启动自身的旋转。
第二翼片132的固定俯仰角，亦可用简単的方法，使其自由转动，用以调校第二翼片132的俯仰角不多于3°。此等设计，将使第二翼片132途经方位角0°和180°的时候，得到有用的推力。
转子102的尖速比，λ，是代表翼片尖的速度与风，或自由汽流的速度，V∞的比值。本转子102的操作条件，是尖速比λ＝4，风速＝8公尺/秒。图8顕示了，在每秒大于/小于8公尺的相对风速V∞，转子102的各种尖速比。
流经转子102的三维汽流，对转子的尾流会施加一种旋转力。这旋转力会减低有用的风力，从而减少了从风力提取的机械能量。因此，转子102的功率系数(“Cp”)是小于理论的最大发电系数16/27，(又称为贝兹极限)。转子102最大的功率输出是取决于转子的旋转动能与空气的平移动能的比值。这比值，又取决于转子翼片的切向速度“ω·R”与自由汽流的速度，V∞的比值，亦即，λ(尖速比)。
最理想的尖速比(λopt)现列如下:
λopt≈4π/n
其中n＝翼片的数量。
一般Cyclogyro尖速比，λ的运作范围是3-7。Darrieus型号的转子，若以其最佳的尖速比5，来操作，其功率系数Cp大约为0.4。因而，欲得到最大的功率，转子102就得在其最佳尖速比λopt的范围内操作。由于转子102有三块翼片105，其最理想的尖速比应在3-5之间。在是设计，转子102的实心值σ，为中等的10-20％。是代表翼片的总面积与转子圆盘总面积的比率。转子的实心值若是20％，其最佳功率Cp的出现，应在于尖速比3.5–4.0之间。由于尖速比对功率Cp有正面的影响，尖速比可用于校正和改善转子在某些风速的操作，和控制噪音和减少转子102所产生的负扭力。尖速比对第二翼片132攻击角的幅度也有所影响。若尖速比小于3，第二翼片132的攻击角就会超越其静态失速角(14°-16°)，而产生不稳定的汽流，导致动态失速和失去升力。
如前述，第一翼片130和第二翼片132的循环流之间的相互作用，是会加剧翼片表面和底部间的不平衡压力分布，因而提高翼片所产生的升力。其效应，兹解释如下。
流体在流经物体时所施加的空气动力，可分为在物休表面的压力P和摩擦力τ的分布。压力P和摩擦力τ在整个物体表面所产生的净效应，是施加于物体的总空气动力R和力矩M。如图6所示，总空气动力R和力矩M又可分为切线力，和轴向或垂直力。
图9所示的流场，是描述不能压缩流体，流经传统翼片20的流线场。图中的曲线C，可代表围绕着翼片的任何曲线。翼片若然产生升力，那么围绕着曲线C的翼片速度的线积分，亦即，翼片的循环流，就有其一定的有限徝。
循环流＝速度的线积分
循环流理论中的升力，是解释翼片如何产生升力的数学表述。用计算循环流的方式，来确定翼片的平均升力，比以计算翼片表面的压力分布，来得容易简単。该方程式是专用于计算翼片的循环流。有了循环流Г，就可根据Kutta-Joukowski的理论，推算出翼片每一长度单位的升力(L')，其方程式如下：L'＝ρ∞V∞Г，其中ρ∞＝空气密度，V∞＝风速。
Kutta-Joukowski的理论说明，在二维空间的翼片，其长度单位的升力，是与翼片的循环流成正比。图10所示，是与单一翼片20有关的向上冲力和向下冲力。图12，是描绘与单一翼片20有关的空气流场。当单一翼片以一定的攻击角α，面对相对风速Vr时，基于流经翼片的空气有一定的粘度，一个旋转效应就以循环流的方式出现。循环流遇着风(自由流)就会产生升力。如图13所示，由于翼片有了循环流，迎面而来的风，在迫近翼片时，就会向上旋转，改変方向，绕过翼片。这个风向的改変，在接近翼片20之前，业已开始，使得原流经翼片下方的部分气流，改为流经翼片顶部。这就是向上冲力效应。同样的，当气流飘到翼片尾端，就会向下旋转，远离翼片。这就是向下冲力效应。向上冲力和向下冲力的结果，就是一股围绕着翼片20的常驻结合涡流。结合涡流会加快风流经翼片顶部的速度，亦会减慢其流经翼片底部的速度，而产生升力。
转子102的第一翼片130和第二翼片132是以特定的位置，彼此接近的。这使得，第一翼片130的循环流，与第二翼片132的循环流发生积极的作用，如图11示意。由于第一翼片和第二翼片有其相对的定位，其循环流的相互作用，足以增强第一翼片鼻端前的向上冲力。这额外的向上冲力，会加强流经第一翼片顶面的空气流量及速度，因而提高了第一翼片的升力。此外，当上述两个循环流旋转至第一翼片130和第二翼片132底部的时候，其逆方向的冲力将抵消自由气流的速度，使得该处的自由气流速度进一步的减慢，而加剧了两个翼片表面和底部间的不平衡压力分布，大大的提高了翼片所产生的升力。
图13是描绘，第一翼片130和第二翼片132的流场预测。第一翼片130是以2°的攻击角α操作的，其升力系数Cl约为0.243。如图13所显示，第一翼片130底部的部分位置，是位于第二翼片132的向上冲力的流经范围。同样的，第二翼片顶面的部分位置，也位于第一翼片130的向下冲力的流经范围。
如图13所示，在第一翼片130上方的流线是紧密相隔的。相反的，在其下方的流线却是开阔的隔开。这说明一个较大的不平衡流速(伯努利效应)和压力分布正发生在第一翼片130的顶面和底部，亦意味着第一翼片130有巨大的升力。在此等条件下运作的第一翼片，与预测中的较大升力系数2.217是十分吻合的。
相对而言，如图12所示，在常规翼片20的流场,其上方和下方的流线，是以等距相隔。这意味着翼片20的上方和下方，并无不平衡的压力分布，翼片也没有任何升力。
据此，我们认为，单一翼片20的升力，与第一翼片130及第二翼片132相结合而产生的升力的巨大差异，是由于上述两个循环流之间的相互作用而发生的。
据Kutta的定律，当自由流飘到单一翼片20尾端的时候，就得回复到其自由流的条件。有了第二翼片132的循环流，此等条件就不适用于转子102的第一翼片130。由于第一翼片130的尾端有一个紧跟着的第二翼片132的循环流，该处气流的速度，也只须回复到第二翼片132顶面气流的同样速度。上述顶面气流的速度是高于自由气流的速度的，这也就说明，第一翼片130的尾端速度是会高过其没有第二翼片132辅肋下的速度。较高的速度会提高第一翼片130的升力，减少气流的分离机会及失速的负面影响。
第一翼片130和第二翼片132两个循环流之间的相互作用，也会促使第二翼片132的滞流点朝着第二翼片的顶面向上移动，如图13所示。滞流点的向上移动，容许第二翼片132以较大的攻击角操作而不致失速，并可提高升力。
第二翼片132的向上升力，可使第一翼片130的滞流点朝着翼片的底部向下移动，如图13所示。滞流点位置的变化，会加强第一翼片130顶面的气流量和速度。此外，由于第一翼片130和第二翼片132的循环流是朝着同一方向相互加强，流经第一翼片130顶面的气流量和速度，就比没有第二翼片132辅助的为高。基于这等效应，第一翼片130的顶面，是属于一个高速气流区域，比在没有第二翼片132的情况下，有较高的升力。
本文的概念，亦可应用于各种横向风力涡轮机。图14是横向风力涡轮机转子200的正视图。转子200包括三块固定，等距相隔的双翼片202，亦即，第一翼片204是不会转动，而第二翼片206也是固定的。如图14和16所示，第一翼片204的俯仰角是固定的0°，使得其攻击角在转子200旋转过程中也为0°。如图14所示，第二翼片206的攻击角大约在11°-14°之间。第一翼片204和主翼片206分别安装在一个y形的支撑轴214上。每个支撑轴214分别固定于中心处的机毂212。
图16是转子200的一个示范性结构和操作表格。当转子200以尖端速度比大约为4而操作的时候，第一翼片204的攻击角α是为零，第一翼片204的俯仰角亦为零。第二翼片206的攻击角αm就介乎11°和14°之间。第二翼片206的俯仰角也介乎11°和14°之间。图15显示流经第一翼片204和第二翼片206的预测流场，其效果类似于第一翼片130和第二翼片132的运作。
在别的设计中，第二翼片132是可以自由旋转的。如图17所描述，通过调整第二翼片132的偏心点，第二翼片可在其角位置-3°和+3°之间转动，而第一翼片130的角位置同时在+15°和-5°之间转动，这有类似于转子102的运作。基于此等设计，在方位角0°的时候，第二翼片132的攻击角约为-3°，而在方位角180°的时候，其攻击角约为+3°。由于在这两个位置上的攻击角并非为零度，第二翼片132将产生一定的切向力和扭力，把第二翼片132推向前。其结果是，这等设计下的转子，不只能自动启动，也给第一翼片在顺风区和逆风区，提供额外的弧形，相对于那些安装上固定第二翼片132的转子，有更高的升力系数和效率。
本文所描述的概念只限于一些示范性的风力涡轮机。是概念也可应用于其它类型的翼片如飞机机翼，直升机叶片，水翼船等等。较高的升力系数概念，若能在飞机机翼实现和应用就可降低燃料的消耗，并能让飞机以较低的速度起飞和降落，随之而来的，就是飞行较为安全和可缩短跑道。

Claims (19)

1.一种用于从移动流体提取能量的转子，其中包括：
框架；
双翼型翼片，包括：
第一翼片，其安装在框架的外周上而相对于框架和第一支撑轴可自由转动；和
第二翼片，其固定于框架的外周上而沿着第一翼片的轨迹紧接着刚好位于第一翼片后方，使得第二翼片在流体中与第一翼片发生空气动力学作用。
2.根据权利要求1所述的转子，其中框架包括：
第一轴盘；第一横臂的第一末端是固定于第一轴盘；第一支撑轴的第一末端是固定于第一横栏的第二末端；
第一翼片是安装在第一支撑轴，并以此为中心而自由旋转。
3.根据权利要求2所述的转子，其中包括：框架另有第二轴盘和第二横臂，
第二横臂的第一末端是固定于第二轴盘；及第一支撑轴的第二末端是固定于第二横臂。
4.根据权利要求3所述的转子:
其框架另包括；
第三横臂的第一末端是固定于第一轴盘；
第四横臂的第一末端是固定于第二轴盘；
第五横臂的第一末端是固定于第一轴盘；
第六横臂的第一末端是固定于第二轴盘；
第二支撑轴的第一末端是固定于第三横臂的第二末端，而其第二末端是固定于第四横臂的第二末端；
第三支撑轴的第一末端是固定于第五横臂的第二末端，而其第二末端是固定于第六横臂的第二末端；
此外，转子还包括:
安装在框架的外周且以框架和第二支撑轴为中心可自由旋转的第三翼片；
固定于框架的外周上而刚好在第三翼片后方的第四翼片，使得第四翼片在流体中与第三翼片发生气动力学作用；
安装在框架的外周上且以框架和第三支撑轴为中心可自由旋转的第五翼片；
固定于框架的外周上而刚好在第五翼片后方的第六翼片，使得第六翼片在流体中与第五翼片发生气动力学作用。
5.根据权利要求4所述的转子，包括：第一，第二和第三支撑轴都是位于框架的外周。
6.根据权利要求4所述的转子，包括：第一，第二和第三支撑轴都是以相等的角度分隔开。
7.根据权利要求1所述的转子，包括：以应对移动的流体，第一翼片的操作能产生第一循环流；由于第二翼片刚好在第一翼片后方，所以第二翼片的至少一部分是处于第一循环流的场内；以应对移动的流体，第二翼片的操作能产生第二循环流；由于第一翼片刚好在第二翼片前方，所以第一翼片的至少一部分是处于第二循环流的场内。
8.根据权利要求7所述的转子，包括：第二翼片的顶表面至少一部分是处于第一循环流的场内。
9.根据权利要求8所述的转子，包括：第一翼片尾端的至少一部分是处于第二循环流的场内。
10.根据权利要求1所述的转子，包括：以应对移动的流体，第一翼片的操作能产生第一循环流；面对流体的移动，第二翼片的操作能产生第二循环流；第一和第二的循环流的一部分是交叠的。
11.根据权利要求1所述的转子，包括:以应对移动的流体，转子是会转动的，而在转子转动的过程中，第一翼片的攻击角是接近零度。
12.根据权利要求11所述的转子，包括:第一翼片的重心和压力中心是重叠的。
13.根据权利要求11所述的转子，包括:第一翼片是对称的结构。
14.根据权利要求1所述的转子，包括:以应对移动的流体，第一翼片是会产生向下冲力，而第二翼片的至少一部分是位于上述的向下冲力。
15.根据权利要求14所述的转子，包括:以应对移动的流体，第二翼片是会产生向上冲力，而第一翼片的至少一部分是位于上述的向上冲力。
16.根据权利要求1所述的转子，包括:上述的转子，是垂直轴线的转子；其框架的旋转轴线和每块第一和第二翼片的纵向轴线以相同的方向延伸。
17.一种从流体提取能量的转子，包括:
框架；
双翼型翼片，包括：
第一翼片，其联接到框架的外周上，第一翼片相对于框架可自由转动，在操作中，第一翼片的翼片与相对移动的流体产生向下冲力；
第二翼片，其固定于框架的外周上而沿着第一翼片的轨迹刚好位于第一翼片后方，使得第二翼片顶表面的至少一部分是位于第一翼片的向下冲力。
18.根据权利要求17所述的转子，包括:在操作中，第二翼片的翼片与相对移动的流体能产生向上冲力；第一翼片尾端的至少一部分是位于第二翼片的向上冲力。
19.一种用于产生电力的设备，包括：发电装置，和能从移动流体提取能量的转子，转子包括：
与发电机联接的框架，框架对发电机提供扭矩，产生电力；
双翼型翼片，包括：
第一翼片，安装在框架的外周上而相对于框架和第一支撑轴可自由转动；
第二翼片，其固定于框架的外周上而沿着第一翼片的轨迹紧接着刚好位于第一翼片后方，使得第二翼片在流体中与第一翼片发生空气动力作用。
CN201580013173.XA 2014-01-09 2015-01-09 用以提取风能和流体动力的涡轮机转子 Active CN106536921B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/151,060 US20150192105A1 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Rotors for extracting energy from wind and hydrokinetic sources
US14/151,060 2014-01-09
PCT/US2015/010805 WO2015106091A1 (en) 2014-01-09 2015-01-09 Rotors for extracting energy from wind and hydrokinetic sources

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106536921A CN106536921A (zh) 2017-03-22
CN106536921B true CN106536921B (zh) 2019-10-01

Family

ID=53494797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580013173.XA Active CN106536921B (zh) 2014-01-09 2015-01-09 用以提取风能和流体动力的涡轮机转子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20150192105A1 (zh)
CN (1) CN106536921B (zh)
WO (1) WO2015106091A1 (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9989033B2 (en) * 2013-03-15 2018-06-05 George J. Syrovy Horizontal axis wind or water turbine with forked or multi-blade upper segments
ITBO20150063A1 (it) * 2015-02-13 2016-08-13 Energietiche S R L Turbina per generatore eolico ad asse verticale.
US10316824B2 (en) * 2015-05-07 2019-06-11 Scharf Energy LLC Camber changing and low drag wing for vertical axis wind turbine
US11933323B2 (en) * 2015-07-23 2024-03-19 Onesubsea Ip Uk Limited Short impeller for a turbomachine
US10436176B2 (en) * 2015-08-17 2019-10-08 Charles Grigg Vertical axis wind turbine with configurable airfoils
US10208733B2 (en) * 2016-07-19 2019-02-19 Michael L Barrows Tandem tip-joined rotor blade and hub coupling for passive pitch angle control
US20180363624A1 (en) * 2017-06-14 2018-12-20 Arken S.P.A. Wind turbine with pairs of blades to deflect airflow
CN110892152A (zh) * 2017-06-30 2020-03-17 敏捷风力发电有限公司 具有经调节的叶尖速比特性的立式风力发电设备以及其安装套件和其运行方法
RU2705531C1 (ru) * 2019-04-30 2019-11-07 Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР "СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА" Ротор вертикально-осевой ветряной установки
CN111121285B (zh) * 2019-12-31 2021-04-02 南京比尔森热力技术工程有限公司 一种新型热水供应设备
IT202200019614A1 (it) * 2022-09-23 2024-03-23 Gevi S R L Turbina eolica ad asse verticale

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3300083A1 (de) * 1983-01-04 1984-07-26 Erich Herter Turbine zur umsetzung von insbesondere windenergie
US5256034A (en) * 1991-04-19 1993-10-26 Sultzbaugh John S Variable pitch propeller for use in conjunction with a vertical axis wind turbine
DE69828082T2 (de) * 1998-09-28 2005-12-22 Ha, Siu Kwong Regen, wind, wellen und solarenergie 4 in 1 stromgewinnung
US20080134685A1 (en) * 2006-12-07 2008-06-12 Ronald Scott Bunker Gas turbine guide vanes with tandem airfoils and fuel injection and method of use
US7993096B2 (en) * 2009-07-24 2011-08-09 Tom Heid Wind turbine with adjustable airfoils
US20110064576A1 (en) * 2009-09-17 2011-03-17 Tianshu Liu Wind Oscillator for Power Generation
US20110194938A1 (en) * 2010-02-11 2011-08-11 Livingston Troy W Segmented wind turbine airfoil/blade
US8016544B1 (en) * 2010-03-08 2011-09-13 Nguyen Huy T Vertical windmill
KR101218256B1 (ko) * 2010-09-30 2013-01-03 정기한 수직축 터빈 및 이를 구비하는 양방향 적층식 수직축 터빈

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015106091A1 (en) 2015-07-16
US20150192105A1 (en) 2015-07-09
CN106536921A (zh) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106536921B (zh) 用以提取风能和流体动力的涡轮机转子
EP3282120B1 (en) Wind turbine blade, wind turbine rotor, wind turbine power generating apparatus, and method of mounting vortex generator
Magnusson Near-wake behaviour of wind turbines
Tangler Insight into wind turbine stall and post‐stall aerodynamics
Somoano et al. The dead band in the performance of cross-flow turbines: Effects of Reynolds number and blade pitch
CN108138747B (zh) 确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法
CN109441719B (zh) 一种薄膜自激励振动式垂直轴风力机叶片
Li et al. Study on aerodynamic performance of a straight-bladed VAWT using a wind-gathering device with polyline hexagonal pyramid shape
CN1719023B (zh) 阻力和升力复合风动力装置
Reddy et al. Experimental study on influence of aspect ratio and auxiliary blade profile on the performance of H-Type Darrieus wind rotor
CN106321347A (zh) 一种风力机涡流发生器
Sun et al. Review of numerical and experimental studies on flow characteristics around a straight-bladed vertical axis wind turbine and its performance enhancement strategies
US8322035B2 (en) Vertical axis wind turbine and method of installing blades therein
Duran Computer-aided design of horizontal-axis wind turbine blades
CN103410665B (zh) 一种带有失速调节的风力发电机组
Ebert et al. The near wake of a model horizontal-axis wind turbine at runaway
JP6800030B2 (ja) 翼及びそれを用いた風車
CN201521400U (zh) 基于导叶和升力叶片的立轴风车装置
CN103291539A (zh) 一种叶片摆翼的设计方法和一种带叶片摆翼的h型立轴风力机
CN106837683B (zh) 迎风面的出流切线倾角的最优值确定方法
JP2011106420A (ja) ハイブリット型マグナス風車
김종현 Experimental study on the flow around a vertical axis wind turbine and its control using tubercles
Tsalicoglou et al. Rans computations of wind turbine near-wake aerodynamics in uniform and yawed inflow
van Bussel History of Aerodynamic Modelling
JP6628011B1 (ja) 垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant