带套筒立式风力涡轮发电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种带套筒立式风力涡轮发电装置，该装置包括圆锥形底板、喇叭底罩、竖直圆筒、套筒、导向叶栅和风力涡轮发电机组六部分。流体从由喇叭底罩和圆锥形底板构成的环形通道进入装置，在套筒内浓缩整流，并经导向叶栅改变流向，推动涡轮机旋转发电，通过汇集风能、改变流场、形成抽吸，使装置达到叶轮启动风速低、低风速输出功率大、风能利用率高的效果，提高风力发电效率。本实用新型的显著特点是结构简单，自动化程度高，发电连续稳定效率高，不受风向影响，即使在低风速下也能实现正常运行，与同尺寸常规涡轮发电机组相比，该装置不但能改变气流流场，提高气流密度、流速、风能利用系数和运行稳定性，还可使系统效率提高近2倍。
【专利说明】带套筒立式风力涡轮发电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种带套筒立式风力涡轮发电装置，它属于流体发电领域。具体地说是改变常规卧式风力涡轮发电技术，依照太阳能热气流电站系统模型衍生出立式风力涡轮发电装置，有效结合风力机扩散放大器技术，在风力涡轮发电机组外安装具有特殊形状的套筒，并在涡轮叶轮前增设导向叶栅，通过汇集风能、改变流场、形成抽吸提高对流体能量的利用率，该装置不受风向影响，即使在低风速下也能实现正常运行，效率高且应用范围广。
【背景技术】
[0002]风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大，全球的风能约为2.74X 19MW,其中可利用的风能为2X 17MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能很早就被人们利用，如利用风车抽水、磨面等，而现在人们更感兴趣的是如何利用风能发电。风力发电的原理是将风的动能转变为机械动能，再把机械能转化为电能。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置，这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多，但当时的发电量较低，大都在5kW以下。据了解，目前国外已生产出15、40、45、100和225kW的风力发电机。
[0003]作为风力发电技术中将风的动能转变为机械能的重要部件、能量转化的中枢环节，涡轮发电机组结构的设计和效率的提高是必须要解决的。风力发电系统中所采用的涡轮是压力型的，主要是利用流动的动能推动叶轮转动，输出轴功，并有一定的静压能量得以利用，被转换成涡轮机的旋转机械能输出。目前对于风力发电系统中涡轮发电机组的研究一般都是基于理论的分析和推导，假设涡轮发电机组以一个适当的效率值工作，而实际中涡轮发电机组能否达到系统研究者的要求值需要深入研究。此外，风力发电效率受外界环境因素(如风向、风速等)影响较大，当流体风速过低时，几乎无法发电。如想提高对风能的利用率一般会选择加大叶片尺寸，这样不但会增加系统成本，运行稳定性也受到影响。为了提高风能利用率，人们在风力涡轮发电机组前加装了一个锥形聚风筒，以提高吹到叶片上的风速。该方法虽然提高了对风能的利用率，但没有考虑到排风部分效率问题，故整体效果仍不太理想。
[0004]早在20世纪50年代，英国、日本、以色列、美国和荷兰等国就有学者提出了把扩散器应用于风力润轮机的设想，其中以英国Lilley and Rainbird于1956年在格连菲尔德大学提出的扩散器理论为代表，但具体的试验研究要到后来的Forman才得以进行。比较系统地开展风力机扩散器理论研究的学者是Van Holten (1976)，在此理论的基础上一些学者又开展了数值计算方面的研究。通过研究发现，在涡轮发电机组外增设扩散器可有效提高气流密度、流速、稳定性和风能利用系数等，这为提高风力发电系统效率又开辟一条新的研究方向。
[0005]中国专利94244155.9提出一种浓缩流体能型发电装置，该装置由外罩、发电机及叶片构成。发电机固定在外罩中间，外罩为夹层结构，其前端为锥形，中间段为圆柱形，后端的椎体上开有若干小孔，可使夹层内的流体加速流出。虽然该装置不但能在进口处聚合流体的能量，而且在扩散部分的效率也可以大大提高，但该套装置为卧式风力发电，受风向限制，且因使用夹套式扩散器而造成复杂的结构，带来成本高、制作困难等问题，很难应用到生产实践中，开发立式风力涡轮发电装置并选择合适形状的套筒恰可以弥补以上不足。
[0006]针对以上所述内容，提出一种带套筒立式风力涡轮发电装置，它属于流体发电领域。依照太阳能热气流电站系统模型衍生出立式风力涡轮发电装置，有效结合风力机扩散放大器技术，在风力涡轮发电机组外安装具有特殊形状的套筒，并在涡轮叶轮前增设导向叶栅，通过汇集风能、改变流场、形成抽吸提高对流体能量的利用率，该装置不受风向影响，即使在低风速下也能实现正常运行，效率高且应用范围广。
实用新型内容
[0007]本实用新型提供了一种带套筒立式风力涡轮发电装置，它结构简单，自动化程度高，容易操作，效率高。改变涡轮发电机组轴向，构建流体通道，汇集风能、改变流场、形成抽吸，使装置达到叶轮启动风速低、低风速下输出功率大、风能利用率高的效果，有效提高风力发电效率，并且在节能减排等方面做出实际贡献，推动循环经济的可持续发展和低碳经济、绿色经济的长足发展。
[0008]为了达到解决上述技术方案的目的，本实用新型的技术方案是一种带套筒立式风力涡轮发电装置，该装置主要包括圆锥形底板、喇叭底罩、竖直圆筒、套筒、导向叶栅和风力涡轮发电机组六部分，由太阳能热气流发电系统模型衍生而来，并有效结合风力机扩散放大器技术。喇叭底罩与安装在下面的圆锥形底板形成具有一定间隙的环形空腔，喇叭底罩上接竖直圆筒，三者围成的空间区域构成流体通道；竖直圆筒内安装特殊形状的套筒(前端收缩管，中间中央流管和后端扩散管)，套筒中间部分自下而上依次安装导向叶栅和风力涡轮发电机组。流体由环形空腔进入装置，经套筒前端收缩管部分浓缩，然后在中间中央流管进行整流，均匀化后的流体经过导向叶栅改变流动方向，沿叶片流线方向冲刷叶轮，推动涡轮机旋转发电，最后流体在后端扩散管部分产生负压，形成抽吸作用，让更多的空气通过涡轮机，产生更大的功率。
[0009]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的圆锥形底板、喇叭底罩、竖直圆筒和套筒均由钢化玻璃制造，因风力发电系统中涡轮发电机组较大，且喇叭底罩和套筒为渐变尺寸结构，整体制作较困难，故将喇叭底罩以及套筒的前端收缩管和后端扩散管分别做成4块相同的1/4圆弧，相邻板材通过胶合连接。
[0010]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的套筒为静部件，安装在喇叭底罩和竖直圆筒连接处，其结构分为前端收缩管，中间中央流管和后端扩散管，常用套筒为渐缩渐扩直壁型、渐缩渐扩前侧流线型和渐缩渐扩前后流线型三种，本专利中选用渐缩渐扩前后流线型。气流先在前端收缩管部分浓缩，然后在中间中央流管进行整流，均匀化后推动叶轮旋转发电，最后流体在后端扩散管部分产生负压，形成抽吸作用。套筒的这种结构有效地克服了自然风风能密度低和风场不稳定的弱点，实现了稀薄风能聚合利用的目的，提高了热气流风力发电机的效率和可靠性。
[0011]在本实用新型中还具有以下技术特征:导向叶栅和风力涡轮机发电机组均安装在套筒的中央流管部分，且导向叶栅在风力涡轮机发电机组之前。导向叶栅外径等于中央流管内径，风力涡轮发电机组叶片与中央流管存在小间隙。
[0012]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的风力涡轮发电机组选用四叶片轴流式，叶片翼型、扭转角和安装角根据系统发电功率确定。kw级太阳能热气流发电系统采用NACA系列翼型即可获得较高的效率和经济效益，如果系统在较大的质量流量下长期运行，可选用Fx翼型；扭转角在10?15°之间选取，使得最佳效率和整体效率都比较高；安装角度在14°附近可得到最大输出功率。
[0013]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的风力涡轮发电机组叶片采用拜耳材料科技Baydur聚氨酯系统的自结皮泡沫，该材料可满足强度和轻质设计的严格研究。
[0014]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的导向叶栅为普通碳钢，四叶片轴流式，其叶片翼型、扭转角和安装角与风力涡轮发电机组相同。导向叶栅使来流以合适的角度导入涡轮，减少气流垂直叶片旋转平面进入涡轮机时产生的撞击损失，同时，导向叶栅还增大了气流对叶片切线方向的作用力，从而增大叶片得到的转矩，输出功率随之增大。
[0015]本实用新型由太阳能热气流发电系统模型衍生而来，并有效结合风力机扩散放大器技术，通过增设导向叶栅和套筒，改变系统内热气流流场，提高热气流密度、流速、风能利用系数和运行稳定性，使系统效率提高近2倍，即便在较小的流体能下也能使发电机正常运行。本实用新型结构简单，自动化程度高，容易操作，运行和维护成本低，发电连续稳定效率高，并且可以在节能减排等方面做出实际的贡献，扩大风力发电系统的实际应用。
[0016]基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于:
[0017]①.本实用新型利用清洁的可再生能源一风能实现发电，不需要使用其他燃料，也不会产生辐射或空气污染，是一项清洁环保的发电技术，在节能减排等方面做出实际的
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[0018]②.本实用新型结构简单，仅在原有风力涡轮发电机组的基础上加设两个静部件(导向叶栅和套筒)，运行和维护成本低，发电连续稳定效率高，扩大了风力发电系统的实际应用；
[0019]③.本实用新型不受风向限制，圆锥形底板和喇叭底罩构成的环形空腔可吸入各个方向的流体，并改变流体流向，且套筒后端扩散管部分形成的抽吸作用可增加汇入装置的空气流量，即使在低风速下也可实现发电；
[0020]④.本实用新型在涡轮机动叶片前增设静止的导向叶栅，将来流以合适的角度导入涡轮，减少气流垂直叶片旋转平面进入涡轮机时产生的撞击损失，同时，导向叶栅还增大了气流对叶片切线方向的作用力，从而增大叶片得到的转矩，输出功率随之增大。导向叶栅在仅改变涡轮机内部流场的情况下增加了涡轮机的做功能力，提高了涡轮机的效率，增加了系统的经济效益，但对于导向叶栅的叶片数目、叶型、扭转角度和安装位置都还有待于进一步研究；
[0021]⑤.本实用新型采用风力机扩散放大器技术，在传统风力涡轮发电机组外部安装特殊形状的静止套筒，通过汇集风能、改变流场、形成抽吸，使装置达到叶轮启动风速低、低风速下输出功率大、风能利用率高的效果，有效提高风力发电效率。与同等尺寸的常规涡轮机相比，安装套筒可提高热气流密度、流速、稳定性和风能利用系数等。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细地描述.
[0023]图1是本实用新型的带套筒立式风力涡轮发电装置主视图；
[0024]图2是本实用新型的带套筒立式风力涡轮发电装置俯视图；
[0025]1.圆锥形底板2.喇叭底罩3.竖直圆筒4.套筒4-1.收缩管4_2.中央流管4-3.扩散管5.导向叶栅6.风力涡轮发电机组7.叶轮
【具体实施方式】
[0026]本实用新型的带套筒立式风力涡轮发电装置包括喇叭底罩2和安装在下面的圆锥形底板1，喇叭底罩2上接竖直圆筒3，竖直圆筒3内安装特殊形状的套筒4，套筒4中间部分自下而上依次安装导向叶栅5和风力涡轮发电机组6，其中套筒4分为前端收缩管4-1，中间中央流管4-2和后端扩散管4-3。
[0027]本实用新型所涉及之装置中的喇叭底罩2与安装在下面的圆锥形底板I形成环形空腔，喇叭底罩2上接竖直圆筒3，三者围成的空间区域构成流体通道，流体由环形空腔进入装置，经套筒4前端收缩管4-1部分浓缩，然后在中间中央流管4-2进行整流，均匀化后的流体经过导向叶栅5改变流动方向，沿叶片流线方向冲刷叶轮7，推动涡轮发电机组6旋转发电，最后流体在后端扩散管4-3部分产生负压，形成抽吸作用，让更多的空气通过涡轮机，产生更大的功率。
[0028]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种带套筒立式风力涡轮发电装置，该装置主要包括圆锥形底板、喇叭底罩、竖直圆筒、套筒、导向叶栅和风力涡轮发电机组六部分，由太阳能热气流发电系统模型衍生而来，并有效结合风力机扩散放大器技术；喇叭底罩与安装在下面的圆锥形底板形成具有一定间隙的环形空腔，喇叭底罩上接竖直圆筒，三者围成的空间区域构成流体通道；竖直圆筒内安装特殊形状的套筒，套筒中间部分自下而上依次安装导向叶栅和风力涡轮发电机组；流体由环形空腔进入装置，经套筒前端收缩管部分浓缩，然后在中间中央流管进行整流，均匀化后的流体经过导向叶栅改变流动方向，沿叶片流线方向冲刷叶轮，推动涡轮机旋转发电，最后流体在后端扩散管部分产生负压，形成抽吸作用，让更多的空气通过涡轮机，产生更大的功率；该装置不受风向影响，即使在低风速下也能实现正常运行，与同等尺寸的常规涡轮发电机组相比，该装置不但可以改变气流流场，提高气流密度、流速、风能利用系数和运行稳定性，还可使系统效率提高近2倍。
2.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:所述的圆锥形底板、喇叭底罩、竖直圆筒和套筒均由钢化玻璃制造。
3.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:所述的套筒安装在喇叭底罩和竖直圆筒连接处，其结构分为前端收缩管，中间中央流管和后端扩散管，其整体结构为渐缩渐扩前后流线型。
4.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:导向叶栅和风力涡轮发电机组均安装在套筒的中央流管部分且导向叶栅在风力涡轮机发电机组之前，导向叶栅外径等于中央流管内径，风力涡轮发电机组叶片与中央流管存在小间隙。
5.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:所述的风力涡轮发电机组选用四叶片轴流式叶轮，叶片翼型、扭转角和安装角根据系统发电功率确定。
6.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:所述的风力涡轮发电机组叶片采用拜耳材料科技Baydur聚氨酯系统的自结皮泡沫。
7.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:所述的导向叶栅为普通碳钢，四叶片轴流式，其叶片翼型、扭转角和安装角与风力涡轮发电机组相同。
8.根据权利要求1所述的带套筒立式风力涡轮发电装置，其特征在于:气流在套筒段被浓缩整流，并在套筒出口端产生负压，形成抽吸作用。
【文档编号】F03D9/00GK204113546SQ201420457229
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】李庆领, 辛旋 申请人:青岛科技大学