自造旋渦自抽氣式風力的制造方法
【專利摘要】本發明為自造旋渦自抽氣式風力機，所屬流體力學領域。目前主流的風力機為升力型水平軸風力機，亦即風車，其理論效率極限為59.3％，由于摩擦等因素，其效率一般不超過40％，可見其效率很低。另外，阻力型或升力型垂直軸風力機，效率更低。本發明旨在解決目前風力機效率低的問題，突破效率極限。利用旋轉氣流中心附近速度低的特點，可以把旋轉氣流的動能大部分提取出來，再利用外界高速氣流把已接近靜止的氣體抽出，從而達到高效率的要求。本發明的理論極限效率為100％。考慮摩擦等因素，其效率可輕易超過70％。本發明高效地將風能轉化為機械能，可用于風力發電等。
【專利說明】自造旋渦自抽氣式風力機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種風力設備，是一種將風的動能高效轉換為機械能的設備。所屬流體力學領域。
【背景技術】
[0002]目前，風力機有水平軸和垂直軸兩種，其中水平軸風力機都是升力型的，俗稱風車。水平軸風力機雖然在風力發電領域得以廣泛應用，但仍存在著如下不足:
[0003]1、受風向影響。使用時需要不斷根據風向來調整風車方向，使用麻煩。利用風舵進行自行換向的話，會使設備結構大大復雜化。
[0004]2、能量利用效率很低。根據流體力學，可知風車的效率極限為59.3%，而實際應用中還存在著摩擦等因素；目前，風車的真實效率很難達到40%。
[0005]3、其轉軸容易被風沙磨蝕。由于風車的轉軸水平，容易讓沙粒進入，使轉軸磨蝕嚴重。
[0006]而目前的垂直軸風力機，雖然擺脫了風向的影響，但是其能量利用率比水平軸風力機的效率還要低。可見，我們亟需一種高效率的垂直軸風力機。
【發明內容】
[0007]在環境污染、能源危機等問題前，我們急需一種清潔的可再生能源。風能每年產生量豐富，而且清潔可再生，因此風能利用是解決能源危機的一可行途徑。
[0008]本發明就是在高效率風力機的需求下產生的。
[0009]風車之所以存在極限效率，是因為吸氣的同時必須排氣，而排氣流量與吸氣流量必定相等，因而排出的氣體會帶走一大部分動能，于是風車的效率必定存在一個上限。精確的流體力學計算表明，風車的極限效率僅為59.3%。
[0010]本發明利用高速氣流產生低壓區，使靜止或接近靜止的氣體在壓力梯度下自行排出，從而避免了排氣所帶走的動能。
[0011]本發明由兩部分組成:旋氣罩和轉子。其中旋氣罩用于將平直氣流引導成繞轉子的旋轉氣流，罩頂有夾風片，用于產生高速氣流。旋轉氣流推動轉子葉片迫使轉子轉動，動力由轉軸輸出。由于氣流不斷進入，從而使原來的邊緣氣流不斷向轉軸靠近。繞軸轉動半徑越小，線速度越小，從而靠近轉軸的氣流速度不斷減小，動能不斷傳給轉子，直到它接近轉子時，速度已接近于O。轉軸上方的罩頂有一空洞，空洞上方有高速氣流通過，根據流體力學知識可知此處氣壓很低。于是，轉軸附近的靜止氣體或接近靜止的氣體會不斷向上涌，從而完成排氣的過程。
[0012]其中葉片葉面的弧線設計(葉面呈弧狀或角狀，朝葉片運動方向凸出)，使得氣流對葉片的推力足夠大，而且即使氣流速度減小，也不會對葉片產生多大的阻礙力，葉片的弧線設計使得在排氣過程中，氣流會提供給葉片一個升力，該升力與葉片運動方向一致，從而使能量利用率更高，轉軸輸出力矩更大。
[0013]本發明具有以下優點:
[0014]1、效率高。
[0015]克服了排氣的困難，從而大大增加了能量利用率。其理論效率極限為100%，即使考慮摩擦等因素，其效率亦可輕易達到70%以上。
[0016]2、輸出力矩大。
[0017]由旋轉氣流提供正面推力，可得到較大的力矩(其力臂亦足夠長)。利用齒輪系可輕易提高轉速以供發電機等使用。
[0018]3、不受風向影響。
[0019]本發明呈旋轉對稱形狀，不論風向從水平哪個方向吹來，都會等效地推動轉子轉動。
[0020]4、轉軸可輕易避開風沙磨蝕。
[0021]轉軸附近的風速較低，沙粒無力在此隨風漂浮。沙粒必定在距離轉軸某一段距離處落下，因此，只要在此圓周上設一沙溝，便可把落下的沙粒收集起來，定期清理即可避免風沙對風力機的侵損。
[0022]5、空間利用更充分。
[0023]本發明雖然占地面積較大，但是可輕易向上空拓展成多層結構，建成風力樓，更有效地利用高空的高速氣流。第二層以上的風力機可以有上下兩個排氣空洞，排氣更充分。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0024]圖1 (a)為本發明的正視圖(水平視圖)。
[0025]圖1(b)為本發明的旋氣罩中部的水平截圖。
[0026]圖2為旋氣罩罩頂的俯視圖。
[0027]圖3(a)為轉子的俯視圖。
[0028]圖3(b)為轉子轉軸和兩片葉片的立體圖。
【具體實施方式】
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[0029]下面通過實施例來說明本發明的【具體實施方式】。
[0030]平直風流吹向本風力機，經導風片(3)的作用形成繞轉子的旋渦氣流。旋渦氣流推動葉片(X)運動,從而使轉子轉動。
[0031]氣流不斷涌入旋氣罩，舊氣流由于動能不斷傳給葉片，速度不斷減小，在新氣流的擁擠下，舊氣流越來越靠近轉軸(8)，速度越來越小。
[0032]平直風流通過罩頂的夾風片(5)，在罩頂中間部位的排氣空洞(6)上形成極高速的氣流，在這里壓強很低。轉軸附近的低速氣體在壓力梯度下不斷涌出排氣空洞。
[0033]轉子葉片(7)的葉面呈弧狀或角狀，其弧狀(角狀)朝葉片運動方向凸出。這種設計使得旋轉氣流速度比葉片速度大時，氣流能提供給葉片較大的推力；當旋轉氣流速度比葉片速度小時，氣流不會對葉片產生多大的阻力。同時，在排氣過程中，向上涌的氣流會提供一個方向與葉片運動方向相同的升力給葉片，這樣使能量利用更充分，轉軸輸出力矩更大。
[0034]如果忽略離心效應，本風力機的背風面不會吸氣也不會漏氣。考慮離心效應的話，其背風面會產生一小程度的漏氣。因此，導風片尾端要設計得朝旋轉方向盡量平緩，使漏氣盡量小。
[0035]排氣空洞的抽氣流量盡量大，以使轉軸附近形成低壓區，這樣可以提供一個向心力給旋轉氣流，減少背風面的漏氣。同時，轉軸附近的低壓可加大進氣的風速，而風力機的功率與風速的三次方成正比，于是這樣可以大大提高風力機功率。
[0036]在風沙嚴重的地區，可在離轉軸一段距離上設一沙溝，用于收集在此落下的沙粒，并定期對其進行清理，這樣可以避免風沙對轉軸及葉片的磨蝕。
【權利要求】
1.一種自造旋渦自抽氣的風力機，由圓柱形旋氣罩、豎直軸的轉子兩部分組成，其特征在于:轉子置于旋氣罩中，風流進入旋氣罩后形成一股繞轉子轉動的旋渦氣流，推動轉子葉片迫使轉子轉動，動力由轉軸輸出；旋氣罩罩頂風速極大，把轉子轉軸附近的低速氣流抽出。
2.如權利要求1所述的自造旋渦自抽氣風力機，其特征在于:旋氣罩罩頂呈弧狀彎曲向上，罩頂最高處有一個連通著旋氣罩內部的空洞，罩頂上裝有多片夾風片，夾風片片面垂直水平面，所有夾風片從空洞旁邊呈放射狀延伸至罩頂邊緣，夾風片用于提高空洞上方的氣流速度。
3.如權利要求1所述的自造旋渦自抽氣風力機，其特征在于:旋氣罩罩頂與罩底之間裝有多片導風片，用于使平直氣流成為繞轉子轉動的旋渦風流，其中導風片呈旋轉對稱分布。
4.如權利要求1所述的自造旋渦自抽氣風力機，其特征在于:轉子的轉軸呈豎直方向，轉子裝有多片葉片，所有葉片從轉子處連接出，在與轉軸垂直的平面上呈放射狀延伸出一段距離，葉片的葉面平行轉軸。
5.如權利要求1所述的自造旋渦自抽氣風力機，其特征在于:轉子葉片的葉面呈弧狀或角狀，朝葉片運動方向凸出。
【文檔編號】F03D1/04GK104196675SQ201310606138
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】李松 申請人:李松