專利名稱：縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電裝置，特別是一種縮放型動靜葉透平級風力發(fā)電裝置。
背景技術：
風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。1993年到2003年的10年間，世界風力發(fā)電的年增長率達到29.7％。到2003年末，全球風電裝機容量達到4,030萬千瓦，風力發(fā)電量占到世界總電量的0.5％。其中歐洲總裝機容量為2,871萬千瓦，占世界風電裝機容量的73％。2003年德國風力發(fā)電累計裝機容量達到1,461萬千瓦，占全世界的1/3以上。2003年印度累計風力發(fā)電裝機容量也已達到213萬千瓦，排世界第5位，居發(fā)展中國家的首位。歐洲風能協(xié)會在近期的一份報告中，用詳實的數(shù)據(jù)和精辟的分析描述了未來世界風力發(fā)電的情景，并預計到2020年風力發(fā)電將占世界電力總量的12％。風能作為未來能源供應重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世界各國的普遍重視。
我國風能資源儲量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上離地面10米高度層的風能資源可開發(fā)量為2.53億千瓦；近海區(qū)域離海面10米高度層的風能儲量約為7.5億千瓦。從宏觀上看，我國具備大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電的資源條件。到2004年底，我國風力發(fā)電累計裝機容量達到76.4萬千瓦，國家發(fā)改委規(guī)劃2005年并網風電裝機將達到100萬千瓦，2010年達到300萬千瓦，2020年達到2,000萬千瓦。
由于風能資源的能量密度低，當代MW級主流風力機轉子直徑和塔高已超過百米、葉片重量已超過10噸、塔頂重量已超過百噸，材料強度、制造安裝能力幾乎已近極限。無論如何優(yōu)化設計葉片與自適應變漿距控制，都無法保證這種風力機漿葉在不同相位角時都處于最優(yōu)工況。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述根本性的問題而提供一種縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置。通過縮放噴管，收集較大范圍內的風能，在噴管內加速，使得較小尺寸的風力機實現(xiàn)大功率輸出。風力機采用導葉+動葉的方式，導葉不但改變了氣流方向，而且增大氣流速度，使得風對動葉片做更大的功，而動葉則選用沖動式葉片。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案一種縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，包括塔架、安裝在塔架頂端的風力透平動葉和由風力機驅動的發(fā)電機，其特征在于所述的風力透平級動葉安裝在一個縮放噴管內的喉部并與縮放噴管同軸，縮放噴管進口段和出口段為喇叭型擴口；風力透平動葉前裝有靜止的風力透平導葉。
上述的縮放噴管為軸對稱的縮放噴管，即沿著風向，截面積先逐漸變小，再逐漸變大。
上述的風力透平級動葉和導葉安裝在縮放噴管的喉部，風力透平級導葉直接與縮放噴管固定連接。
上述的風力透平導葉的出口幾何角α1＜50°。
上述的風力透平動葉采用沖動式葉片，該動葉片進出口幾何角β1＜80°，β2＜80°，且|β1-β2|≤65°。
上述的縮放噴管通過一個水平旋轉的滾動支承機構支承在塔架的頂部，實現(xiàn)自動對風。
上述的水平旋轉的滾動支承機構是單向推力球軸承、或雙向推力球軸承、或推力向心對稱球面滾子軸承。
本發(fā)明的原理如下對常規(guī)風速，一般在12m/s以內，當風速為u1時，圖2進口截面積為A1，喉部截面積為A2，風力機安裝在喉部截面處。假定流動無粘等熵，進出風力機的速度全為軸向(與同向u1)，對于常規(guī)風力機，由于速度較低，可以認為不可壓流動，但對于這種新型增速風機，由于速度可以增到相當大的程度，縮放噴管內的流動是可壓縮流動。
在收縮段，通流面積變小，速度增大，到達風力機時，速度已經被增大到c0后進入風力機導葉，導葉中，速度繼續(xù)增大，在導葉內，通流面積繼續(xù)減小，速度進一步增大，經過導葉后，出口氣流速度變?yōu)閏1，速度方向與葉輪旋轉面成α1的角度，不計流動損失，c1=c0sinα1,]]>當風輪轉動速度為u時，動葉進口相對速度變?yōu)閣1，相對角度為β1；對于動葉，w1的相對風速進口，經過動葉的折轉后，變?yōu)閣2的相對風速，相對出口角為β2，其絕對速度成為c2。
氣流對風力透平做功以后，進入擴張管道，在擴張管道內，通流面積漸漸變大，速度漸漸變小，壓力漸漸回升到大氣壓，因此，風力透平后帶有擴張管道，可以使風力透平出口位置上的壓力維持比較低的值(要是不帶擴張管道，風力透平出口就是大氣壓)，使得風力透平做功更大。
風場中的物體，總是趨向于流動阻力最小的狀態(tài)。對于圖1所示的縮放噴管，當噴管口正對著來風，即來風u1與A1面垂直時，流動阻力最小。如圖2，在塔架4的頂端，固定一個滾動支承結構6上，縮放噴管支承在該滾動支承結構上，可以水平旋轉。該水平旋轉的滾動支承結構可以是單向推力球軸承、雙向推力球軸承、推力向心對稱球面滾子軸承。實現(xiàn)自動對風。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的實質性突出特點和顯著的優(yōu)點本發(fā)明的風力透平級安裝在一個縮放噴管內，動葉前裝有導葉，動葉采用沖動式葉片，縮放噴管能收集較大范圍的風能并加速，導葉能改變氣流方向并加速，使動葉做功更大，因此，本發(fā)明的風力機功率大、效率高，可以突破傳統(tǒng)的風力發(fā)電的貝茨理論極限(0.59)，提高風能利用率，降低風力發(fā)電成本。


圖1本發(fā)明的縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置結構示意2縮放噴管型線示意3風力透平導葉與動葉及速度三角形圖具體實施方式
本發(fā)明的三個實施例詳述如下參見圖1、圖2和圖3，在基礎5上，固定塔架4，塔架4的頂部固定一個滾動支承結構7，該滾動支承結構采用單向推力球軸承，縮放噴管1，2支承在滾動支承結構7上，縮放噴管1，2的進口截面A1處直徑為5m，喉部A2處的直徑為1m，縮放噴管中剖面的弧線采用1段圓弧，圓弧曲率中心在流道外側，圓弧曲率半徑20m。風力透平級，由導葉8與動葉3組成，節(jié)圓半徑為0.8m，來流風速為1m/s，進出口角度、轉速、理想級效率及動葉的進出口角度為


這樣，由設計風速及節(jié)圓半徑，可以得到不同α1下最高理想效率時的風機轉速，動葉幾何角度等等，理想風能利用率遠高于傳統(tǒng)的59.3％的極限。當考慮粘性流動及動葉內壓力回升時，β2通常與β1不等，即動葉不是純沖動式的。
權利要求
1.一種縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，包括塔架(4)、安裝在塔架(4)頂端的風力透平動葉(3)和由風力機驅動的發(fā)電機(6)，其特征在于所述的風力透平級動葉(3)安裝在縮放噴管(1，2)內的喉部并與縮放噴管同軸，縮放噴管進口段(1)和出口段(2)為喇叭型擴口；風力透平動葉(3)前裝有靜止的風力透平導葉(8)。
2.根據(jù)權利要求1所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述的縮放噴管為軸對稱的縮放噴管，即沿著風向，截面積先逐漸變小，再逐漸變大。
3.根據(jù)權利要求1所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述的風力透平級動葉(3)和導葉(8)安裝在縮放噴管的喉部，風力透平級導葉(8)直接與縮放噴管固定連接。
4.根據(jù)權利要求1所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述風力透平導葉(8)的出口幾何角α1＜50°。
5.根據(jù)權利要求1所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述風力透平動葉(3)采用沖動式葉片，該動葉片進出口幾何角β1＜80°，β2＜80°，且|β1-β2|≤65°。
6.根據(jù)權利要求1所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述縮放噴管通過一個水平旋轉的滾動支承機構(7)支承在塔架(4)的頂部，實現(xiàn)自動對風。
7.根據(jù)權利要求6所述縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，其特征在于所述的水平旋轉的滾動支承機構是單向推力球軸承、或雙向推力球軸承、或推力向心對稱球面滾子軸承。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種縮放噴管動靜葉透平級風力發(fā)電裝置，包括塔架、安裝在塔架頂端的風力透平動葉和由風力機驅動的發(fā)電機，所述的風力透平級動葉安裝在縮放噴管內的喉部并與縮放噴管同軸，縮放噴管進口段和出口段為喇叭型擴口；風力透平動葉前裝有靜止的風力透平導葉。通過一個縮放噴管，收集較大范圍的風能并增速。風力透平級增加一個導葉，不但改變了氣流方向，而且增大氣流速度，動葉采用沖動式葉片，使得風對風力機動葉片做更大的功，可以突破傳統(tǒng)的風力發(fā)電的貝茨理論極限(0.59)，較大幅度地提高風能利用效率，降低風力發(fā)電成本。
文檔編號F03D9/00GK1746487SQ20051003051
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權日2005年10月14日
發(fā)明者黃典貴 申請人:上海大學