发明内容

传统水平轴升力式风力机存在着低风速环境下表现不佳等问题。为了解决上述问题，在确定了贝茨理论中假定的理想风轮流场与现实环境中的理想风轮流场表现完全不同后，本发明基于贝茨理论中提出的理想风轮概念重新设计了风力机叶轮结构。

在贝茨理论中提及，“理想风轮”叶片无限多，这代表理想风轮能够“完全阻拦”叶轮范围内气流的流动并改变气流流向，那么可以称这种由“理想风轮”概念发展出来的风力机为“全阻流式风力机”。根据贝茨理论，如果理想风轮能够100%的利用叶轮范围内气流产生的动能，那么失去动能后的空气会停滞在叶轮后方，给后续气流带来阻力。之所以会得出上述结论，是因为贝茨理论忽略了叶轮对气流的影响，也忽略了叶轮范围外的气流对风力机的影响。

如图6所示，假定当气流遇到叶轮（理想风轮）后，气流动能被叶轮完全吸收，因此气流停滞在叶轮表面。但是，由于叶轮迎风面与背风面存在压差阻力，这就造成叶轮的迎风面与背风面存在压力差。我们知道，在自然环境下，空气会自发的从气压较高区域流向气压较低的区域。因此，这些失去动能的空气会在压差作用下自发的向叶轮背风面流动。

相关知识可以参考《我所理解的流体力学》一书，第六章粘性剪切流动第6.7.1节（169页）流动阻力相关内容。

如图4所示，上述失去动能的空气从叶轮外沿流出时，气流所在的位置已经从受叶轮影响的气流范围转移至未受叶轮影响的气流范围（数字2所示区域）。以叶轮边界为投影，这些失去动能的空气已经离开了叶轮范围，与叶轮范围外的空气混合，被叶轮范围外的未受叶轮影响（未被叶轮吸收动能）的气流裹挟，离开叶轮范围。

如图6所示，气流离开叶轮范围后，与叶轮范围外的气流相互混合，在叶轮范围外的气流的裹挟下离开叶轮范围。

在贝茨理论中，叶轮范围内的“所有气流”均被视为理想流体，流体不受叶轮影响，其流速与流向不变。这样做虽然可以简化方程计算难度，但是显然不符合客观自然规律。如图6所示，当气流遇到叶轮阻挡后，气流的流向和流速必然会发生改变。而贝茨理论在推导过程中显然忽略了这些改变以及这些改变所带来的后果。

在本发明中，为了更加准确的描述叶轮（理想风轮）对气流的影响，特此对气流进行分类：

自然环境中风能（气流）未受叶轮影响正常流动时，为便于描述，称此类气流为一类气流；

当一类气流撞击叶轮表面，气流对叶轮施加一个轴向作用力。因为叶轮固定在塔架上，叶轮自身的轴向静力合力（也称结构强度）大于气流对叶轮轴向施加的作用力，因此叶轮会对撞击叶轮的气流施加一个连续的反作用力导致气流停滞。但因风能（气流）是连续的，后续气流会对前方气流持续施加轴向作用力，而叶轮会对气流施加连续的反作用力，两个力会挤压气流，导致气流会从叶轮表面向叶轮外沿（沿一类气流径向）流动，这些受到挤压的气流通过本发明所述风力机叶轮（理想风轮）后，由叶轮外沿流出。此时的气流方向、气流流速、空气密度都发生了改变，为了便于描述，在本发明中称改变后的气流为二类气流；

当二类气流离开叶轮范围并与叶轮范围外的一类气流相互干涉、混合并产生影响后，生成的气流，在本发明中称其为三类气流，三类气流在导流翼片影响下生成扩散式尾流流场。

根据实验可知，在风力机工作过程中，一类气流、二类气流、三类气流的气流流速、气流流向、空气密度等都存在一定的差异，如果像贝茨理论中那样将这些完全不同的气流一概而论是不合理的，不科学的。

叶轮结构的特征是叶轮直径越大，周长越大，叶轮面积越大。例如叶轮直径1米时，叶轮周长约为3.1米，叶轮直径2米时，叶轮周长约为6.3米。因此，失去动能的二类气流从叶轮范围外逸散，实际上获得了更大的可扩散空间。同时，叶轮旋转的离心力也会对气流的逸散造成影响。

导流翼片间隙喷出的气流的射流的流速较高，基于伯努力原理可知，流速越快，流体压强越小。因此，导流翼片间隙的射流会将叶轮外沿的空气裹挟到远离叶轮范围的地区，相关原理与无叶风扇原理类似。

传统风力机结构受贝茨理论影响，其设计的指导思想以“不影响气流通过性”和“提高叶尖速比”为重心。而本发明的核心概念则是基于牛顿运动定律、伯努力定理、杠杆效应，利用气流与叶轮相互作用，将叶轮所在区域（包含叶轮范围内和叶轮范围外）的气流的动能转化为机械能，用于驱动机械结构做功。

在《我所理解的流体力学》一书，第六章粘性剪切流动6.7.1节（第177页）中，附图注明了几种典型结构在常见雷诺数下的阻力系数。其中与理想风轮结构相似的“零厚度圆板”的阻力系数约为1.17（与实验结果相符），但是与其相比，反半球壳结构的阻力系数能够达到1.42。由此可以发现，反半球壳结构能够获得更大的阻力系数，这也就意味着这一结构的风能利用率更高。但是反半球壳结构并不能直接利用风能，如常见的风杯式风速计就采用若干个反半球壳结构组成叶轮，如果没有正确的理论指导，这种杯式风速计是无法继续进行发展的。

理清了理想风轮结构与风能利用的关系，找到了正确的理论指导，就可以着手设计确实可行的微风风力机叶轮结构了。

基于上述理论推导，本发明所述风力机应由类似“理想风轮”的叶轮结构与若干导流翼片两部分组成。导流翼片可以放置在理想风轮叶轮之上，也可以相对独立。

类似“理想风轮”的叶轮结构能够阻隔叶轮范围内流经的所有气流的流动路线，强迫叶轮范围内的一类气流改变前进路线，并提高气流流速，生成二类气流。

叶轮生成的二类气流本身并不能直接为叶轮提供动能。此时需要在叶轮迎风面、叶轮外沿增加导流装置，利用改变气流路径的方式来获得气流动能。早期研究中，我通过在叶轮表面增加导流槽结构来获得气流的动能并申请了专利“导流式风力机叶片结构（ZL2018102308354）”。

在后续研究中，我发现贝茨理论中提出的理想风轮概念不符合客观自然规律，在实验中多次观测到类似理想风轮的叶轮结构的残余风速为零，因此我申请了专利“一种水平轴尾流扩散式风力机技术（ZL2019113146521）”。

以上述技术为基础，通过大量实验后，我发现螺旋渐开线导流槽结构在现实环境中存在一些弊端。螺旋渐开线导流槽虽然能够有效利用二类气流，但如果处于冻雨、大雪、冰雹等天气环境下，导流槽内部会出现积雪问题，这会大幅增加叶轮自身的重量，当叶轮高速旋转时会对叶轮重心、叶轮结构等造成大量不利影响。同时，在叶轮表面设置螺旋渐开线导流槽还存在制作成本相对较高，对叶轮强度要求较高，叶轮重量增幅较大，后期维护难度较大等诸多问题。

为了解决上述问题，我将螺旋渐开线导流槽结构优化为若干可变形的导流翼片，利用导流翼片吸收叶轮（理想风轮）表面的二类气流所拥有的动能。当遭遇雨雪天气时，可以利用导流翼片的变形功能解决雨雪天气对叶轮的影响。

更重要的是，通过实验发现，如果将导流翼片以环绕叶轮外沿形式排布，并在导流翼片之间留下一定间隙，间隙总面积小于叶轮迎风面总面积，则基于伯努利定律可知，二类气流会被加速。

如图7所示风力机叶轮三视图，在理想风轮的外沿设置若干导流翼片，并在导流翼片间设有若干缝隙，当叶轮迎风面来流进入叶轮凹面时，气流会受挤压从导流翼片的间隙流出。因为风轮迎风面的总面积大于导流翼片间隙，根据伯努利定理可知，气流流出导流翼片间隙的流速会增加。

基于“边界层分离”概念，为了使气流迅速离开叶轮范围，导流翼片位于叶轮后方的区域需要延伸出一定长度的辅助翼片。

高速流出导流翼片间隙的气流会形成射流，并给予叶轮一个反作用力，推动叶轮旋转。

本发明所采用的理想风轮结构，其优势在于：

首先，与传统风力机相比，气流会从叶轮外沿扩散，并在叶轮后方形成扩散式尾流流场。所 谓扩散式尾流场是指本发明所述风力机结构会在叶轮后部产生扩散式流场。贝茨理论之所以认为风力机的风能利用率不可能超过59.3%就是因为，如果风力机叶轮吸收的气流动能超过59.3%以后，空气就会停滞在风力机叶轮后方，给后续气流造成阻力。但贝茨理论忽略了气流会绕过叶轮的可能性，如图6所示，气流受到叶轮阻挡后会从叶轮外延绕行。当气流从叶轮范围外沿绕行时，从叶轮范围内失去动能的流体会被叶轮范围外的一类气流裹挟，从而离开叶轮范围。在叶轮范围外的一类气流将会与叶轮范围内失去动能的二类气流共享其所拥有的动能并形成三类气流。因此这些失去动能的二类气流其并不会停滞，也不会对后续气流造成阻力。

其次，风力机叶轮的中轴（101）位于叶轮的中心（圆心），传统风力机叶轮结构（小三叶风力机叶轮），气流直线穿过叶轮，其产生的动能并不能集中起来（参考叶素理论）。而本发明所述风力机叶轮结构会导致叶轮范围内的“所有气流”从叶轮外沿流走，从其结构上来说，叶轮结构实际上是一个轮轴结构。已知轮轴是一个以轴心为支点，半径为杆的杠杆系统。所以，轮轴能够改变扭力的力矩，从而达到改变扭力的大小的目的。因此，本发明所述风力机叶轮实质上能够对低速风能的扭矩进行了放大。

风能本质上是一种大面积的，低密度的范围性能源。现实环境中的风力机的叶轮，直径无论多大，叶轮范围内的每一平方厘米，每一秒钟都能够受到风力对叶轮施加的作用力。传统的风力发电机过分的追求叶轮转速，追求叶尖速比导致忽略了低转速大扭矩同样能够驱动风力发电机做功。例如技术较为成熟的风力提水机技术，就是利用低转速大扭矩风力叶轮结构来进行工作的。本发明所述叶轮结构（理想风轮）将叶轮范围内的气流的动能集中起来后，利用轮轴将这些低密度的动能产生的扭矩进行放大，可以获得大扭矩低转速的动力输出。

本发明所述风力机叶轮结构能够将叶轮范围内的气流集中到叶轮外沿，并提高叶轮范围内的气流流速，从而实现高效利用叶轮范围内的风能的目的。根据实验可知，本发明所述风力机在低风速环境下表现更好。

如权利要求2所述，在本发明中，导流翼片的角度可变：

如图8所示，当风速较低时，导流翼片与叶轮呈90度。此时导流翼片竖起，将叶轮变成一个内凹容器，导流翼片之间存在缝隙。缝隙面积小于叶轮迎风面总面积，基于伯努利定律可知，气流流速增加。

如图9所示，当风速较高时，导流翼片受风力影响变形为弧面结构，叶轮范围内的二类气流集中到叶轮外沿，从导流翼片间隙“挤出”，驱动叶轮高速旋转。在实验中发现，导流翼片变形为弧形结构后，翼片间隙产生的射流能够为叶轮带来更大扭矩，具体测试结果显示，此时风力机叶轮表现极佳。

如图10所示，当风速极高时，导流翼片完全展开，导流翼片间的缝隙也随之扩大，过量气流可以直接通过叶轮外沿逃逸。同时，叶轮高速旋转形成的离心力会给叶轮结构提供额外的张力。如同杂技表演中的“转手绢”一样，叶轮高速旋转产生的离心力能够为叶轮带了额外的支撑强度，抵抗强风对风力机叶轮造成的影响。

当风力机叶轮遭遇雨雪天气时，导流翼片主动展开有助于杜绝雨雪积存在导流翼片缝隙的问题，防止雨雪为叶轮带来额外的负担和重心偏移等问题。

导流翼片变形范围不限于垂直变形角度，根据设计需要也能够采用其他角度进行变形，其主要目的为通过导流翼片变形来调整气流流向，改变叶轮的风能利用率，在必要时也可以自动排除因雨雪天气对叶轮造成的影响。

采用不同角度、不同外观、不同方式对导流翼片变形不影响本发明权属。

与传统水平轴升力式风力发电机相比，本发明所述风力机叶轮体积更大，如果采用传统玻璃钢、铝合金等刚性材质制造风力发电机叶轮必然会导致叶轮自重大幅度增加。为了有效降低风力机叶轮自重，提高叶轮强度，本发明所述风力机叶轮采用张拉整体式结构设计，利用桁架、拉绳、蒙皮等结构制造本发明所述风力机叶轮结构。

张拉整体式结构是一种利用支撑杆与拉绳支撑起立体空间的技术。其特征为以桁架作为支撑结构，利用拉绳和蒙皮进行牵引，从而组成一个立体结构。常见的折叠伞就是典型的张拉整体式结构。

如图11所示，本发明所述理想风轮结构迎风面采用整体张拉结构，利用叶轮中轴和桁架为支撑（桁架与叶轮结构相融合），利用牵引绳索提供拉力，用以保证叶轮整体结构的稳定性。

根据设计需求，叶轮面积越大，牵引绳索的数量需求就越多。叶轮本身呈对称结构，利用牵引绳可以将叶轮迎风面所承受的压力分解。基于角动量守恒原理，叶轮高速旋转能够起到类似陀螺仪的作用，辅助叶轮保持平衡。叶轮旋转过程中产生的离心力会为叶轮提供额外的张力，抵抗强风对叶轮造成的影响。

虽然采用张拉结构设计的伞状风力机叶轮能够抵抗30米每秒的风速，但如果遭遇50米每秒的飓风，对风力机依然会造成毁灭性的后果。如前文所述，本发明所述叶轮结构采用桁架、绳索以及蒙皮结构组成。从风力机叶轮结构的构成可以看出，本发明所述风力机叶轮结构与折叠雨伞结构非常类似。风力机叶轮中轴结构与雨伞的伞柄类似，风力机的桁架与雨伞的伞架类似，风力机叶轮的蒙皮结构与雨伞的伞布类似。如果想在飓风中保证风力机不被损毁，可以采用专利“一种微风风力发电机叶片结构（ZL201510478505.3）”所述结构。当飓风来袭时，风力机蒙皮如专利“一种微风风力发电机叶片结构（ZL201510478505.3）”所述脱离桁架，采用类似旗帜的方式随风飘扬。飓风过后，蒙皮结构恢复与伞架之间的连接，继续有效利用风力。

名词解释

叶轮：水平轴风力发电机是一种成熟的风能利用设备，其特征为由若干叶片组成的一轮状结构。在本发明中所述叶轮是基于贝茨理论中提出的假想的“理想风轮”结构发展而来。如贝茨理论中所述，理想风轮的叶轮范围内叶片是无限多的，叶轮实质上是一个实心圆盘。这一实心圆盘宜采用完整的实心圆盘结构，但考虑到技术施工难度，在必要时也可以选用由若干翼片组成的圆盘结构或是由张拉结构与蒙皮组成的叶轮结构。

轮轴：顾名思义是由“轮”和“轴”组成的系统。该系统能绕共轴线旋转，相当于以轴心为支点，半径为杆的杠杆系统。所以，轮轴能够改变扭力的力矩，从而达到改变扭力的大小的目的。

叶轮的前方与后方：“对风”功能是近代风力机的基本功能，当今水平轴风力机绝大多数都拥有对风功能。在风力机领域，水平轴风力机在工作时，气流垂直于叶轮旋转平面。此时，风力来向为叶轮的前方。风力穿过或绕过叶轮后，背离叶轮的方向为叶轮后方。

叶轮旋转方向：在风力发电领域往往采用风力驱动叶轮旋转，再由叶轮驱动发电机进行发电的方式。大多数情况下叶轮采用顺时针（或逆时针）旋转。在叶轮旋转过程中，叶片前进方向为前方，反向则为后方。

叶轮轴向与径向：在贝茨理论中，风力发电机所处自然环境被假设为一气流流管结构，并以叶轮直径为流管管径。而本发明中发现，叶轮所能影响的气流流场范围包含叶轮范围内和叶轮范围外，因此将流管直径扩大至“所有受叶轮影响的气流范围，包含叶轮范围内和叶轮范围外”。因此，本发明所述流管轴向与流管径向与贝茨理论相同。本发明所述流管与贝茨理论所述流管的区别在于流管范围是否包含叶轮范围外受叶轮影响的气流流场。

叶轮内外：在本发明中，叶轮是一碟状结构。碟状结构的中心点（圆心）为叶轮中心，叶轮的最大周长线为叶轮外沿。

叶轮的正面与背面：在本发明中，叶轮的迎风面为正面，叶轮的背风面为背面。

叶片首端与末端：在本发明中，叶轮能够由若干叶片组成。靠近叶轮中心部分为叶片首端，靠近叶轮外沿部分为叶片末端。

气流分类：在贝茨理论中，叶轮范围内的气流被视为一个恒定均值，这是不科学的。在本发明中，风力机所处范围内的气流（风力）的流向和流速并不能一概而论。有的区域气流流速快，有的区域气流流速慢，有的气流与叶轮平面相交，有的气流沿叶轮表面前进。为了便于描述，特此对风力机范围内的气流进行大致分类；

参考图6：风力机所处自然环境中风能（气流）未受叶轮影响正常流动时，为便于描述，称此类气流为一类气流（图中用数字1表示）；

当一类气流撞击叶轮表面时，气流对叶轮施加一个作用力，因为叶轮固定在塔架上，叶轮自身的强度大于气流对叶轮施加的作用力，因此叶轮会对撞击叶轮的气流施加一个反作用力，因风能（气流）是连续的，后续气流会对前方气流施加作用力，而叶轮会对气流施加反作用力，两个力会挤压前期的气流，导致气流从叶轮表面向叶轮外沿流动，这些受到挤压的气流通过本发明所述的导流翼片组成的螺旋渐开线导流槽后，由叶片间隙或叶片外沿流出，此时的气流方向、气流流速、空气密度都发生了改变，为了便于描述，在本发明中称改变后的气流为二类气流（图中用数字2表示）；

当二类气流与一类气流相互干涉、混合并产生影响后，生成的气流（湍流），在本发明中称其为三类气流（图中用数字3表示）。

弯道环流：弯道环流原理，又称弯道环流水沙分流原理，常用于河流弯道水文分析。空气与水都属于牛顿流体，其中大多数计算公式都相通。当流体遇到弯道时，流体自身惯性力会转移到形成弯道的弯道壁上。

狭管效应：“狭管效应”也叫“峡谷效应”，就像峡谷里的风总比平原风猛烈一样，城市高楼间的狭窄地带的风力也特别强，容易造成灾害。狭管效应往往发生在气流由较宽敞区域进入较为狭窄区域，区域变窄导致气流流速加快，从而产生较为高速的气流。狭管效应属于伯努利定理的具体表现实例。

螺旋形渐开线导流槽：早期，通过实验中观察到，在风力发电机叶片表面增加导流槽后，风力发电机的风能利用率明显增加。发明人因此申请了专利“导流式风力机叶片结构（ZL2018102308354）”。但由于当时并没有完善的理论指导，以至于仅仅将导流槽作为风力发电机叶片上的一种附属装置。在后续研发中，进一步完善了导流槽技术与气流之间的关系，以及叶轮与流场之间的关系。在本发明中，将早期的螺旋形渐开线导流槽优化为若干角度可变的导流翼片结构，解决了螺旋形渐开线导流槽内在雨雪天气容易积存雨雪导致叶轮重心偏移的问题。

导流翼片：本发明所述风力机的“理想风轮”结构是基于贝茨理论中，贝茨假设提出的理想风轮概念发展而来。理想风轮实际上是一个实心圆盘，能够将叶轮范围内的气流完全遮蔽。这导致理想风轮范围内的气流只能从叶轮外沿绕行。为了有效利用这些气流，在叶轮上设置若干导流翼片结构。导流翼片通过阻挡二类气流的正常流动获得二类气流自身的动能并将动能转移到叶轮结构上，用以驱动叶轮旋转，进而推动设备做功。

二次流：流体力学中，二次流的概念如下定义：假如沿一边界的流动因受到横向压力的作用，产生了平行于边界的偏移，则靠近边界的流体层由于速度较小，就比离边界较远的流体层偏移得厉害，这就导致了叠加于主流之上的二次流。因此，当气流直接撞击到叶轮（理想风轮）表面后，气流被叶轮阻挡停滞。但受后续气流的作用力和叶轮的反作用力导致这些失去动能的气体继续移动并形成二次流。因叶轮受风力影响持续旋转，并且叶轮前方与后方存在压差，这导致这些停滞的气流形成二次流。

张拉整体式结构：所谓张拉整体结构是指“一组连续或不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。”其特征为采用极少材料支撑起大范围立体空间结构。