探析龙卷风风轮设计

与涡流发生器相结合的风力机被称为龙卷风风力机。图11-3所示为龙卷风风力机的基本机理。该风力机带有风道，其目的是通过一个给定风能收集面，收集速度为v1的风能之后，使筒内空气的流动速度提高。

图11-3　龙卷风风力机

被加速的空气通过筒内螺旋线装置的引导，形成如龙卷风一样的强烈涡流，而在涡流的核心，虽然气流的切向速度为0。但该处形成一个相对于环境的较低负压力。在压差Δp的作用下，装置底部空气经由导流器进入涡流核心，形成垂直向上的风速，推动安装于立轴上的叶轮旋转，对外输出能量。做功之后的涡流核心气流以其剩余动能的大部分用于克服重力及转化为压力能，并与核心外的气流混合，最终从装置顶部排向周围环境。

以2、3分别表示叶轮进出口的状态，忽略叶轮进出口处气流温度的变化及其高度势能的差别，以S2表示进口气流流通面积，则叶轮的输出功率为

如果以Δp表示环境压力与叶轮进口处压力之差，η表示该压差能量转化为叶轮有效功的效率，表示叶轮进口气流的体积流量，则式（11-7）可改写为另一形式，即

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图11-2清楚地表明了强烈湍流产生后，装置内某高度横截面上从轴心到筒壁处气流压力、轴向速度以及涡流切向速度的变化情况。

由于风力机风能利用系数CP的计算定义以垂直于风速的横断面积为基准，所以，“龙卷风”风力机的风能利用系数为

式中 ρ——环境空气密度；

υ1——风速；

H——进风筒高度；

D——进风筒直径。

对于很小的“龙卷风”风力机模型，因涡流核心区域极小，模型机的风能利用系数最大只达到0.065；而对于大型机，涡流核心的轴向速度约为进入风筒气流切向速度的7～8倍，其风能利用系数可达0.3～0.59。