本发明属于风力机领域，涉及一种阻力式风力机叶片结构。具体的说是一种基于流体力学设计的带有导流槽结构的阻力式风力机叶片。其优势在于这种设计的风力机叶片虽然只能获得较低的叶尖速比，但其对风能的利用率相对较高。导流式风力机叶片结构能应用于水平轴风力机或是应用于垂直轴风力机。当其应用于水平轴风力机时，能够在较低叶尖速比前提下获得较高的风能利用率。当其应用于垂直轴风力机时，叶片的正面和反面均设有导流槽结构，能有效解决垂直轴风力机叶轮旋转至下游区域时，叶片在翻转180度角后做负功的问题。
背景技术：
风力机设备按照转轴相对位置的不同可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。按照对风力的利用方面进行分类可大致分为阻力式风力机和升力式风力机。
传统风力机领域主要研发方向为水平轴升力式风力机结构。其特征为高叶尖速比，高转速，高风能利用系数。但是，升力式风力机存在一些问题导致他们并不像水力发电、太阳能之类的其他绿色可再生能源那样被所有人接受。升力式风力机对风力环境要求较为苛刻，如果风况不理想，建设风力机很可能入不敷出。而适合安装风力机的地区相对较少，这些区域被称为“风场”。对于“风场”之外的大多数环境，目前主流思想是不宜发展风力机。
同时，高叶尖速比风力机并不像低叶尖速比风力机那样对环境友好。高叶尖速比风力机在运行过程中会产生一定程度的噪音(包含高频噪音和低频噪音)，这导致很多人拒绝在生活区附近安装风力机。并且因为叶轮转速较高，鸟类（尤其是候鸟）在经过这些风力机的叶轮范围时会被叶片杀死。从大量有关风能利用的社会调查文献中可以看到，高转速风力机存在着产生噪音(包含高频噪音和低频噪音)、伤害鸟类、影响生态环境等问题。甚至有一定数量的风力机因此而被停用或拆除[1][2]。
升力型风力机叶尖速比一般为3至8，而阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6[3]。也就是说阻力型风力机叶轮转速相对较低。这代表阻力型风机拥有较低的转速、对材料强度要求更低、几乎没有噪音（阻力型风力机运行时产生的声音并不会比等高的树木被风吹时产生的声音分贝数更高）、不会伤害鸟类（低转速风力机叶轮转速较慢，鸟类能够从容躲避风力机叶片）等优势。在风力机领域，阻力型风力机才是真正意义上的绿色环保无污染新能源（噪声污染是国际承认的主要污染之一）。
传统的阻力型风力机主要有平板式阻力型风力机、风杯式阻力型风力机和扩压式风轮机（diffuseraugmentedwindturbines简称dawt）。其中，扩压式风轮机也称为扩散放大器风力机、浓缩风能型风力机、聚能型风力发电装置等。其主要特征为在传统风力机外部安装扩散器（又称导流罩）。它能使风轮下游区域产生负压,形成抽吸作用，由浓缩后的风能驱动叶轮，继而驱动动力装置[4][5][6][7]。
有资料显示，平板式阻力型垂直轴风力机对风能的利用率约为25%，水平轴风力机（10-100kw）对风能的利用率约为30%-45%。浓缩型风力机能够达到52%（贝兹极限约为59.3%）。贝兹（betz）理论是当今人类发展风力机技术的基石。贝兹理论认为，当气流通过风轮（理想的风轮）时，因为速度下降，流线必须扩散。利用动量理论，风轮上游和下游的压力不同，但在整个风轮区间上是一个常量。
在贝兹（betz）理论中，空气被视连续的，不可压缩的理想流体。叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。但实际情况是：空气不但可以被压缩，而且易于被压缩。同时，大部分情况下空气不但不会垂直于叶片扫掠面，而且在大多数自然环境中会产生湍流。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种导流式风力机叶片结构。他能利用导流槽结构将空气中的湍流导向并梳理平稳，利用导流槽结构使经由叶片范围内的气流转向、压缩并在一定程度上模拟扩压式风轮机，从而高效利用经由叶轮范围内的风能，使风力机获得更好的气动性能[8][9][10][11]。
生活中，当我们用水龙头里的水冲洗勺子的凹面时，水流会顺着勺子的凹面四散。当我们将勺子换成v型槽结构的时候（v型槽凹面面对水流），水流会从v型槽的两端开口喷射而出。当我们将v型槽的一端封闭时，水流会集中到v型槽开口的一端喷出。v型槽会同时受到水流冲击的作用力和水流喷射的反作用力。其原理为持续的水流在惯性作用下首先冲击v型槽的槽壁，给槽壁一个作用力。后续水流和槽壁从不同方向挤压前面的水流导致水流从v型槽唯一的出口处涌出。水流涌出的时候，v型槽获得一个反作用力。
从上述例子可以看出，当v型槽的一端封闭时，流体涌入v型槽开口面后会从v型槽的另一端涌出。这一过程中，v型槽会获得两个力。这两个力的合力会直接作用到v型槽上。
同理可证，在等同条件下，如果风力机叶片上也安装有等比放大的v型槽（导流槽）结构时，气流（风力）亦会像上述例子中的水流一样从导流槽的出口涌出。从导流槽出口涌出的气流能够为叶片提供额外的，带有指向性的推力。
在本发明中，当风力机叶尖速比小于1时，叶轮转速小于风速。风力会持续推动气流进入导流槽，导流槽内的气流会持续从导流槽的出口涌出。如附图2所示，空气在连续的气流（风力）推动下涌入导流槽，受导流槽槽壁阻碍后，流向、流速均发生变化。此时导流槽内的空气密度高于外界自然环境中的空气密度。在风力机叶轮转速不变的前提下，导流槽内空气密度变化与气流流速（风速）成正比。
为了进一步提升导流槽出口气流的速度，在导流槽出口位置设一喷气口（收缩喷嘴），喷气口的作用一为提高喷射气流的速度，作用二为固定喷射气流的角度。已知流体在流量不变的前提下的流速越快，提供的推力就越大。上述设计能够为本发明所述叶片提供固定角度的推力。
此处设计喷气口结构参考了扩压式风轮机（diffuseraugmentedwindturbines）工作原理，当叶轮旋转向前移动时，叶片后部大气压较叶片前部大气压低。这导致收缩喷嘴喷射的气流流速进一步提高，为叶片提供额外的扭矩。
如附图1、附图2所示，当气流以图中箭头所示方向涌入导流槽后，受惯性作用影响，气流会从附图2所示的喷嘴位置喷出。附图1、附图2所示为单一导流槽气流流场简化图，图中用带有箭头的细线表示气流。为了提高气流（风力）的利用率，在本发明中采用多条导流槽并列的方式进行排布。附图3中表述了由若干条v型导流槽排布的叶片结构，当多条导流槽并行排布时，相邻的导流槽能够有效利用风力，防止气流从导流槽两侧逃逸。在实际应用中，叶片两端通过安装挡板的方式进一步提升对风能的利用率。
如附图6所示，水平轴风力机叶轮，叶片迎风面装有若干导流槽。叶轮以顺时针旋转，导流槽首端封闭并装有导风罩（导气罩），导流槽尾端装有喷口。当气流（风力）涌入导流槽后，在惯性作用和后续气流推力作用下，导流槽内的气流从喷口涌出。涌出的气流与外界气流方向（自然环境风向）相交叉，此时风机叶轮下游空气流场较传统风力机叶轮下游空气流场范围增大。喷气口喷射的气流以类似无叶风扇、气帘机等设备的工作原理，以气流替代传统扩压式风轮机（diffuseraugmentedwindturbines）导风罩结构，从而提高风轮范围内空气流速，继而提高风力机工作效率[14]。
以气流代替扩压式风轮机扩散器结构的设计同样可用于高叶尖速比风力机叶片上，其工作方式与本发明所述导流槽式风力机原理相同。扩压式风轮机工作原理为，利用导风罩结构在风轮下游区域产生负压,形成抽吸作用，由浓缩后的风能驱动叶轮，继而驱动动力装置。而本发明所述导流槽结构如果应用于高速风力机叶片时，叶轮高速旋转能够带动空气高速流动，喷气口喷射的高压气流能够在风轮下游形成空气罩（空气幕）。与传统扩压式风轮机上的固定式导风罩相比，本发明所述利用气流制造的导风罩拥有成本低、重量轻等优势。
单纯的导流槽结构强度有限，为了提高风力机叶片强度需要在风力机叶片上安装桁架提升结构强度。如附图5所示，在导流槽的槽壁上安装立体桁架结构既可以保证导流槽本身的轻量化，又不会对气流的利用造成很大影响。其中0501为导流槽本身结构剖面图，0502为导流槽加装桁架后剖面图，0503为导流槽桁架结构图。
基于上述内容，可以制造出如附图6所示的水平轴风力机叶片结构。其拥有启动风速低、转速低、无噪音、对环境友好、不会伤害鸟类等优势。
在本发明中，v型槽的主要作用为引导气流方向，根据其作用可以称其为导流槽。导流槽可以是包含v型槽、u型槽在内的任意导流槽结构，导流槽结构根据自身的气动性能采用直线、非直线设计。采用直线设计的导流槽结构制造成本低、结构简单。采用非直线设计的导流槽结构制造成本高，结构复杂，但其气动性能要优于采用直线设计的导流槽结构。
导流槽的径宽比改变不影响本发明的权属范围。
本发明所述导流式风力机叶片结构的气动性能与传统的升力式风力机和传统的平板式阻力型风力机、风杯式风力机都大不相同。因此设计、计算本发明所述风力机叶片的气动性能时需要采用全新的设计方法。
因为考虑到本发明所述风力机转速较低，叶尖速比小于1，所以假定本发明所述风力机叶片为固定结构（不可旋转，不可移动）。利用fluent软件对该风力机的流场进行仿真分析，能够求得对转轴的力矩值，进而求得功率值以及风能利用系数[13]。
风力机设备按照转轴相对位置的不同可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。当风力机采用水平轴结构时，前述内容可以有效提高阻力式风力机对风能的利用率。当风力机采用垂直轴结构时，基于本发明所述的导流槽结构，能够提供一种全新的气动结构布局。
垂直轴风力机的运行方式为转轴与地面相对垂直，风力机驱动轴垂直于地面，风力机叶片呈水平式360度旋转。垂直轴风力机不需要进行对风，无论风向在任意方向均能有效利用风力。但是，传统阻力式垂直轴风力机大多采用平板式叶片结构或是风杯式叶片结构。这些设计最大的特征是风力机叶片绕中央驱动轴360度旋转。这种设计导致当阻力式风力机叶片旋转180度以后会做负功。这也是导致垂直轴风力机对风能利用率低下的重要原因之一[3]。
如附图3所示，如果将若干个v型导流槽以并行排列，最终能够得到一个完整的叶片结构。也就是说，如果采用若干个连续的导流槽并行排列，就能够获得一个正面与反面完全对称的风力机叶片结构。如图04所示，这种设计的垂直轴风力机叶片布局能够有效利用风力。从图中所示垂直轴风力机叶轮转动的4个方向的空气流场图能够看出，无论是风轮上游的叶片还是风轮下游的叶片，风力均会受导流槽结构影响，从叶片尾部喷出。附图5中所示桁架结构能够作为附图3所示叶片结构的支撑装置，最终能够得到一款类似波纹板结构的风力机叶片。
附图4所述空气流场图效果仅限于叶尖速比低于1的情况。当叶轮转速大于风速时，导流槽将不再提供推力。因此，基于导流式风力机叶片设计的风力机设备仅能提供低转速，大扭矩输出。当本发明需要用于驱动发电装置进行发电时，可选用变速箱对驱动轴提供的扭矩进行变速，进而驱动发电机进行发电。
在本发明中，权利要求1所述：在风力机每一个叶片上设置若干导流槽，导流槽为一敞口式凹槽结构，由u型或是v型结构构成槽壁，导流槽凹面面对来风方向，来风（气流）通过导流槽的凹面涌入导流槽的槽体内部，受导流槽槽体结构影响，顺导流槽流动；这段内容是本发明的核心思想，其本质上是利用导流槽的结构使来风（气流）转向。传统风力机，无论是升力式风力机还是阻力式风力机，大多采用源自飞行器的翼型结构。而本发明通过参考相关文献[8][11]，利用沟槽面湍流减阻技术，为风力机叶片增设导流槽结构，从而提高风力机叶片对风能的利用系数。
导流槽设置于风力机叶片上，导流槽设置方向与叶片旋转方向相一致，为了便于描述，在本发明中风力机叶轮旋转的方向为前方，导流槽顺槽体设有首端、尾端，导流槽首端与叶片旋转方向的前方系同一方向；如附图6所示，图中风力机叶轮顺时针旋转，每一个叶片上设有若干个导流槽结构。此时叶片旋转的方向为前方，导流槽首端与叶片前方方向一致。气流从导流槽开口处进入，从导流槽尾端喷出。
导流槽首端设有导风罩（导气罩）是指，当叶尖速比小于1时，为了防止气流从导流槽首端涌出，利用导风罩阻挡导流槽首端。同时，为了降低叶轮旋转的空气阻力，在导流槽首端设有导风罩（导气罩）。导风罩根据风力机叶片翼型可以选择由若干个相对独立的导风罩结构组成，或是选择将若干个导风罩整合为一体式结构。
导流槽尾端为敞开式结构，风力（气流）经由导流槽后从尾端喷出；
在导流槽尾端设有喷气口；是指如前文所述，气流会从导流槽尾部喷出。为了获得理想的尾流形态，为了提高风力的利用率，可以选择在导流槽尾部加装喷气口。众所周知，流体在流量不变的前提下，管道直径越小则流速越快。风力受导流槽影响，导流槽内的气压相较外界气压会相对增高，较高气压的气流通过喷口喷出能够为叶片带来额外的推力。
本发明所述导流槽结构能够设置于水平轴风力机叶片之上，也能够设置于垂直轴风力机叶片之上，但水平轴风力机与垂直轴风力机叶轮的气动布局并不相同。水平轴风力机叶片上的导流槽设计与垂直轴风力机叶片上的导流槽设计不能一概而论，具体技术方案需要根据风力机所处自然环境、风况、建造目的、建造成本来决定。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：
附图1为导流槽径向截面空气流场图，其中数字3表示导流槽槽体结构。带有箭头的细线为空气流动方向，细线密度越高的区域空气密度越大。
附图2为导流槽轴向截面空气流场图，其中数字3表示导流槽、数字4表示导风罩、数字5表示喷气口。
附图1与附图2为单一导流槽空气流场结构示意图。当气流如图中所示涌入导流槽开口一端后，受导流槽结构影响，顺导流槽槽体流动。此时因风力机叶尖速比小于1，风速大于风力机叶轮转速导致后续气流将导流槽内的空气压缩。压缩后的空气从喷气口5喷出，为叶轮提供额外推力。
附图3为多个导流槽并列组成的结构示意图，其中附图301所示为多个导流槽并列结构的侧视剖面图，附图302所示为多个导流槽结构的俯视图。
附图4为垂直轴风力机空气流场示意图。图中数字1为叶片（叶片前端为导风罩，后端为导流槽和喷气口，图中为叶片俯视结构示意图），叶片中央环形箭头为风力机叶轮旋转方向，图中带有箭头的直线为风力流向。
附图5为叶片桁架结构示意图，其中501为叶片侧视剖面图，502为叶片桁架结构剖面图，503为桁架立体结构图。
附图6为水平轴风力机叶片结构示意图，其中数字表示为：桁架2、导流槽3、导风罩4、喷气口5。
具体实施方式：
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1:以阻力式水平轴风力机为例。如附图6所示，一阻力式水平轴风力机，在风力机每一个叶片上设置若干导流槽，导流槽为一敞口式凹槽结构，由u型或是v型结构构成槽壁，导流槽凹面面对来风方向，来风（气流）通过导流槽的凹面涌入导流槽的槽体内部，受导流槽槽体结构影响，顺导流槽流动。导流槽设置于风力机叶片上，导流槽设置方向与叶片旋转方向相一致，为了便于描述，在本发明中风力机叶轮旋转的方向为前方，导流槽顺槽体设有首端、尾端，导流槽首端与叶片旋转方向的前方系同一方向。导流槽首端设有导风罩（导气罩）。导流槽尾端设有设喷气口，风力（气流）经由导流槽后从喷气口喷出。
如附图1、附图2所示，来风迎面冲击叶片。因风力为持续流体，后续风力（气流）会持续冲击风力机叶片。在本发明中，因叶尖速比小于1导致风速大于叶轮转速，继而导致后续气流会将前方气流压缩至导流槽内部。在叶轮转速不变的前提下，环境风速越高，气流压缩比例越大。压缩空气经由导流槽尾端涌出，受喷气口约束进一步提高喷气口空气流速。最终，本发明所述风力机叶片上的每个喷气口在风力作用下会为叶片提供额外扭矩。同时，喷气口拥有固定的角度，这导致风力机叶片设计者能够预先规划风力机尾流流场。在贝兹（betz）理论中，风力机尾流流场变化仅符合气流自然扩散曲线，但当风力机设计者能够自行规划风力机尾流流场角度、范围时，风力机对风能的利用率就将进一步提高。如文献[4][5][6][7]所述，扩压式风轮机（diffuseraugmentedwindturbines）导流罩结构能够有效提升风能利用率，而本发明中应用风力机叶片尾流能够在一定程度上利用空气人为制造一个动态的，由气流组成的导流罩结构。由气流组成的导流罩（空气罩）能够使风力机尾流流场扩散，降低尾流流场空气压强，进而提高风力机叶轮范围内空气的流速。
在本实例中，为了确保风力机叶轮转速低于风速，叶轮与活塞机构相连接。参考风力提水机结构原理，利用控制活塞管道内气、液流量的方式能够有效控制风力机叶轮转速。
本实例中，能量转换过程分为两个步骤：
步骤1.风力——叶轮旋转——若干个活塞——驱动气体或液体流动；
步骤2.气体——压缩——高压储气罐——压缩空气驱动发电机——发电；
步骤2.液体——抽水——灌溉、人畜饮用、工业用水、水体增氧、污水净化等；
步骤2.液体——蓄水装置——水力发电装置——发电；
上述能量转换过程根据不同应用需求可进行不同搭配。
实施例2：本实施例与实施例1的区别在于实施例1为水平轴风力机结构，而本实施例为垂直轴风力机结构。如附图4所示流场图，垂直轴风力机结构叶轮与地面平行旋转，风力流经叶轮范围时对叶轮做功。叶轮中每一个叶片都如附图301所示，叶片正反两面气动结构相同。气流无论是从叶片正面还是从叶片反面对叶片做功，最后都会从叶片后方的喷嘴处向叶片后方喷出。叶片方向定义为，叶轮旋转的方向为前方，与之相对应的方向为后方。以上述叶片结构构成的垂直轴风力机无论在叶轮上游还是在叶轮下游都能有效利用风力，有效的缓解了传统风杯式风力机在旋转180度以后做负功的问题。
实施例3：本实施例与实施例1、实施例2的区别在于实施例1、实施例2为低速风力机，而本实施例为高速风力机。在本实施例中，以传统水平轴高速风力机为基础，在风力机叶片叶尖部位安装导流槽结构。传统水平轴升力式风力机气流扩散曲线为平滑扩散曲线，当风力机叶尖装有导流槽结构和喷气口结构后，高速旋转的叶片将气流向风轮外延喷射。参考无叶风扇工作原理，风力机叶尖喷气口高速喷射气流后能够在风轮下游建立一个动态空气幕，以空气幕为基础形成扩压式风轮机结构，进而高效利用风力。
工作原理：传统风力机无论是升力式风力机还是阻力式风力机，叶片设计大多采用平直设计。本发明基于沟槽面减阻技术，为风力机叶片有效利用风力提供一种全新的应用方式[8][9][10][11]。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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