发明技术领域：新能源 当今世界常规能源日趋短缺，供应紧张情况下，国外对于新能源-风能的开发和利用越来越重视《2000年的中国研究资料》文献（中国电机工程学会编19集1984年7月出版）报导。国外积极发展风力发电，主要国家有美国、加拿大、西德、意大利、瑞典、英国、法国、苏联和新西兰等国。
目前国外已投入运行的风力发电机组都是铁塔式风力机组。风力机直接承受风力发电，因为风力是随时间和季节气候不断变化。塔式风力机要保持运行稳定性，提高安全可靠性和降低发电成本，并随机组容量不断增大。就面临了一系列不易解决的困难，因而本发明“烟筒-风涡力机”就是为了解决上述难题便应运而生了。
“烟筒-风涡力机”作为一种无污染的新能源，它与各国所报导的塔式风力机有许多不同之处，其最大特点是：它具有设计，制作，施工容易，运行稳定，可靠性高，维护检修方便，在与塔式风力机叶片长度（米）和铁塔高度（米）等条件相同情况下。在同等级风力作用时，它比常规塔式风力机出力大十倍，而且在微风里“烟筒-风涡力机”可照常运转发电。
在设计“烟筒-风涡力机”烟筒进风洞的位置时，考虑每一个进风洞均分别相差120°，使烟筒池面部份形成三个对称相角差为120°进风洞。进风洞尺寸应根据风涡力机容量决定。
风涡力机组安装在烟筒进风洞管道出口（喷咀）上端。不管来自任何方向风量都按超前滞后的角度对准风涡力机叶片作功。作完功后的风量从风涡力机叶轮边缘端部沿着另一对称台阶相角差互为120°出风洞通向三个烟筒（高度相等）排向大气。完成一次进风量和出风量的全过程，如此不断循环推动风涡力机作功。
三个高度相等烟筒位置安装于引风堤上，每个出风洞口管道分别对准角度相同的烟筒联接为一整体。
在每个进风洞两侧均设有引风堤，来自任何方向，进风量都被水平两侧引风堤和进风洞顶端圆抛物面引风板搜集汇集成“狭谷效应”。加速了进风洞风量速度，从而增大风涡力机出力。若果在任一瞬间或持续短时间里同时出现两个以上的风速时，更能体现引风堤搜集风能的效率。
设计中还考虑到进风洞管道，进口与出口不等截面和有意识地缩短了进口与出口管道间距离（米）。使进风洞进口与出口截面之比形成3∶1。这样做的结果是让风涡力机叶片直接获得2～2.8倍风速（米/秒），提高风涡力机出力。这是本设计第一次提出了“狭谷效应”的理论，通过引风堤来实现。加上变截面喷咀的应用。两者有机结合在一等位中心线上。一前一后。按照设计意图来自任何方向进风量速度，沿着引风堤汇集进入风洞。经交截面管道速度再次递升，保证了“烟筒-风涡力机”出力大幅度增加。这是本设计特点。
发电机，交速器安装在风涡力机上端（二层楼）风涡力机通过中心主轴联结在一层亦即风涡力机在空气室，发电机变速器在二层控制室，运行维护方便，风涡力机只与空气接触，无腐蚀之虑，安全可靠，施工安装方便。易于为现场人员接受。
风涡力机组装于烟筒小室内，因而从技术经济观点带来了下列积极效果：
A、风涡力机组装于烟筒小室内，发电机组（包括变速器等）即可采用常规发电机来代替，不需要制造特殊风力机组设备，从而大幅度地降低设备成本，这就意味着发电成本降低。
B、风涡力机组装于烟筒小室内，无疑使机组运行可靠性、安全、设备无腐蚀侵袭、寿命提高、机组检修维护方便、故障率减少，相对出力小时数增加。成本降低。
C、风涡力机组装于烟筒小室内，容量增大不受设备材料和调节系统限制。塔式风力机容量增大后随之而来的是金属材料和控制技术复杂不易解决。加之运行维护检修困难，设备寿命降低，故障率增多，为了解决上述矛盾，不断增加技术防护措施。结果导致机组单位造价增高，单位金属重量加大，外形几何尺寸越来越大，铁塔不断升高。迄今为止，常规塔式风力机进展缓慢也是上述重要原因之一。
经济比较表一
（表一）摘自《2000年的中国研究资料》第十九集，中国电机工程学会编，1984年7月出版。
普通一台国产200瓩发电机，其它条件情况相同它们的价格是：
1000转/分，出厂价格8000元（TZH-200型，兰州电机厂产）。
600转/分出厂价格13500元（TB-13-10型，重庆电机厂产）。
1500转/分，出厂价格15500元（T22X-200-4型，无锡第二电机厂产）。
若果将上述三种产品，取最高价格15500元，变速器取7500元，风涡力机（空气涡力机）最高价格21000元。合计风涡力机组设备总价为44000元，加上三座烟筒，三座引风堤及风涡力机组烟筒小室，总造价为184000元。单位造价，920元/瓩，与美国西屋公司生产200瓩塔式风力机相比，为“烟筒-风涡力机”总造价6.52倍，（若将美元按1.8元折算人民币，则为1∶12倍）。若与我国生产200瓩风力机相比为1∶3.8。明显地看出，烟筒风涡力机容量若再增大，单位造价还会降低，发电成本相应下降。
表二：“烟筒-风涡力机”总造价
经济分析：
（一）、计算综合造价和年运行费
Ⅰ、综合造价P：P＝I（1+ (a)/100 ）
式中I-主体设备投资：包括风涡力机组，烟筒，引风堤等。
a-不明显的附加费用比例系数，如基础工程，开挖工程电览沟等。取9.5（0.4KV电压等级）。
I＝18.4万元，P＝I（1+ (a)/100 ）＝18.4×1.095＝20.148万元
Ⅱ、年运行费C：
年运行费包括电能损耗价值及检修、维护、折旧费等。
C＝α△A+C1+C2
式中△A-电能损失瓩-小时，一年中考虑故障停电损失△A＝3×24×200＝14400瓩-小时。
△A＝1440元（α-电能损失折算系数，取0.1元/瓩-小时）
C1-检修维护费，取0.06P＝0.06×20.148
＝1.20888万元
C2-折旧费：取0.015P＝0.015×20.148＝0.3022万元
C＝α△A+C1+C2＝0.144+1.20888+0.3022
＝1.65508万元
Ⅲ、年产值T：
年平均运行日估计为200天，并考虑出力系数为0.85～0.95取K＝0.9则T＝200×24×200×0.9
＝8.64万元
Ⅳ、回收年限B
B＝ (P)/(T) ＝ 20.148/8.64 ＝2.332年，而2年另3个月即可回收全部投资。
本设计分两个步骤进行（ⅰ）只考虑有风日为200天风涡力机出力系数为0.9时，回收年限为2年3个月。
（ⅱ）设计中考虑了在干旱、沙漠、地带运行，并考虑利用太阳热力。仅增加2.5万元投资即可。则每年多发电日数增多，太阳能和风力同时并举，天数可增至320天。计算结果每年可收益138240元。
回收年限为B＝ 22.8855/13.84 ＝1.6554≈1.66年
即将太阳能投资加上，回收年限可缩短到1.66年。以上仅举一个200瓩机组来作例子对照。证明“烟筒-风涡力机”技技术指标与经济指标优势，证明技术可行，有经济效益。从发展方向看是具有生命力的。因为它容易实现，易于为人们乐于接受，投资小，收益高。机组越大，回收更快。
七、附图说明：
A、图中比例为1∶200，标高用米表示其它尺寸用毫米表示。
B、烟筒在60米以下均用红砖加钢筋砌筑，标号按设计要求。
C、风涡力机组烟筒小室、底层为风涡力机室，圆形引风堤抛物面板及进风管道均用钢筋混凝土现浇。
d、互为对称120°的三个进风管道，施工前应按设计尺寸支木模，出口（喷咀）及进口管道距离短，应按设计强度质量进行养护。折模后应使整个管道内壁光滑，无风窝毛刺;要求（光滑）做法是：用石膏粉配填料抹平，管道，刷红丹打底层刷黑油漆一遍，提高光洁度。
e、风涡力机小室为空气室，室内墙壁应光滑，作法如同（d）条要求。在风涡力机水平部位上方，三个对称出风洞，应按设计尺寸要求抹光顶层楼板为现浇。上面为发电机变速器小室。主轴与楼板部份不应漏气包括主轴上下串动，不出现漏气孔洞。
f、发电机和变速器小室按一般厂房要求。除与风涡力机小室连接楼板为现浇外，小室屋顶盖板为予制屋面板，有一定坡度防热，防水，门窗根据地区气候差异要求处理。
g、引风堤用100＃红砖砌筑，高度沿圆形引风堤顶端向外延伸，两侧砌筑成孤形，用水泥砂浆抹平，最后用石膏填料找平以不出现麻点为准，然后刷一层红丹打底层再刷一层银色粉沫用以反射太阳热力。引风堤两侧地面做成黑色，用碳粒与水泥敷设在地平面，保持一定光滑度减小进风量摩擦，目的是利用太阳热力时能吸收有投射的热辐射的99%左右。因而黑体也是一个热辐射完全发射体。保证圆形罩下进气温度不断升高和集聚，向进风洞输送。
h、三个烟筒位置与风涡力机小室联结。从理论上讲距离愈近愈好，这样烟筒与出口风道联结最短，能量失最小。联结管道应抹平，管道顶部要求圆弧形。施工时应找平抹光，使管道畅通无阻。包括对应烟筒内部亦应光滑所有砖缝应抹平找平。出风管道应有一千分之（5～10）坡度。风涡力机小室出口为坡度起点。烟筒为最高点。有利于风量迅速地从小室排出。出风洞口截面积应大于进口（指管道喷咀）截面积比例为3∶1，这样可加速排气量，确保喷咀速度。
i、基础施工应按建筑施工规范要求进行。烟筒基础比风涡力机基础深，开挖基础时应注意不应互相影响。地震带施工应按有关规范要求处理验收。
j风涡力机安装和检修孔，可以设计在发电机小室，楼板现浇时予留圆孔。考虑设备能吊下组装尺寸为准，运行时检修孔应用铁盖板加橡皮垫层螺栓紧固不应漏气。
、烟筒基础在三个引风堤中心线上，引风堤沿着烟筒四周砌筑，烟筒尺寸系根据风涡力机容量决定，每个烟筒距地面一侧应留一检查孔。
l、进风洞尺寸主要依据风涡力机容量，进风量大小和年平均风速等多种因素确定，亦即根据不同地理位置，年风日多少等作为计算依据。
m、本设计为一综合性图，根据风涡力机容量确定施工图尺寸。
（八）、分析气体流动方程其中包含四个独立变量，三个空间尺度与时间。由于这些方程式求一般解时，遇到数学上的困难，通常引入简化假设来得到更为合适于数学分析的物理模型，通常是采用近似地-维流动。即所有流动参数在进风洞管道上的各个横截面上是相同的。可以把进气在进风洞管道内流动不同速度型。分为均匀速度型-维流。完全发展的湍流。（雷诺数Re＝DVρ/μ范围从104～105）和充分发展的层流。
在管道中出现层流速度型的方程如下：
u=umax(1- (y2)/(R2) )……（1）
完全发展的湍流速度型是根据实验得到的。
u＝umax（1- (y)/(R) ）……（2）
方程（2）即为幂律方程，该方程中的n值，由实验确定，对-维流，由于其速度型是均匀的，流动参数的计算应能精确地代表相应的实际流动的质量流率。动量和动能的全部实际数值。对进风洞圆管中完全发展的湍流流动，-维流近似是很精确的。设计考虑下列流动势;面积变化，壁面摩擦，传热等。此外进风洞流道的曲率半径必须大，以及流动参数分布型线，在每个流动截面上必须保持相似，因此，可以想象对弯管和管内出现层流向湍流过渡的流动。考虑三种不同情况下可压缩流体的管流。它们具有相同质量率m。
根据定常-维流的质量守恒，所得到的方程称为连续方程，积分形式的质量守恒定律如下：
∫μρtdy+∫AρVdA＝（）……（3）
（图-1）通过流管定常流
对定常流，方程（3）第一项为零，参看图-1，它表示通过流管的流动。令A1和A2表示进口和出口面积。V1和V2表示面积A1和A2上的平均速度，ρ1和ρ2表示相应的流体密度值，将方程（3）应用于A1和A2，得
∫A2ρ V ·d A+∫A1ρ V ·d A = 0]]>……（4）
积分方程（4）给出下列通过流管的质量流率方程
＝ρ1A1V1＝ρ2A2V2＝ρAV＝常数……（5）
方程（5）适用于任何流体的-维定常流。
在不可压缩液体的流动情况下，或者气体处于低速时，密度变化可以忽略，密度ρ＝常数。进而若流道内不存在阻碍物，则阻力项D＝0，对这种情况，下列方程
dn+ρvdv+ρgdz+ (ρv2)/2 ( (4fdx)/(d) )+ (δD)/(A) =O……（6）
得 (n2)/(ρ) + (V22)/2 +gz2+∫12]]>(V22)/2 ( (4fdx)/(d) )= (n1)/(ρ) + (V12)/2 +gz1=K…（7）
方程中的积分项代表壁面摩擦效应引起的损失，该被积函数中所有的参数都是正的，因此由摩擦效应产生的损失值随着流道长度X增加而增大。为求上述项的积分，V、f、和X之间关系必须知道。通常，不采用经验数据该积分是无法确定的。
方程（7）右边部份，如果讨论不可压缩流体的无粘度定常流，或气体在密度的变化可忽略（例如低亚声速气流）的情况下，由于ρ＝常数，它适用于无摩擦的定常-维流，并且仅沿一条给定的流线保持常数。
现在来讨论作用于流动的流体上的外力，若流体在管道内没有阻碍物，忽略彻体力的影响，则作用于流体上的力仅有：（A）作用于进口和出口面积A1和A2上的压力。（B）管道内表面对流体的反作用力。可以写出流动情况的流量方程来表示。
F表面＝∫AV（ρVdA）……（8）
利用压力是压缩的这一点，这样，作用于流体的外力为
-π1（n1A1）-π2（n2A2）+R……（ⅰ）
式中n1和n2分别是A1和A2上的单位法向量。流体动量变化为：
（n2V2）-（-n1V1）……（ⅱ）
注意V2的方向是（-n1）、把方程（ⅰ）和（ⅱ）代入方程（8）并对R求解，得
R＝n2（P2A2+V2）+n1（P1A1+V1）……（9）
方程（9）给出管道对流体的作用力。把R的方向反过来就是流体给管道的作用力。
因为V具有力的量纲常称之为气流有效力。和式（nA+V）常称为气流推力。令表示这个气流推力;因此
f≡pA+A……（10）
方程（9）指出作用于流体上的净外力R等于进口和出口横截面上气流推力的矢量和。因此
R＝n2f2+n1f1……（11）
作用于管道上的力有在相反方向作用的内力R，约束外力F（如果有的话）。以及作用在进口和出口横截面的投影面积上的不平衡的外界压力，把这些力加在一起，得
F-R+n2n2A2+n1n1A1＝0 （ⅲ）
用方程（11）中的R代入，得
F＝n2（f2-n0A2）+n1（f1-n0A1）……（12）
若定义f′为
f′≡fn0A＝（n-n0）A+V……（13）
则方程（12）变为
F＝n2f′2+n1f1′……（14）
换句话说，当一个管道处在一个均匀外界压力场中，保持管道静止所需要的净作用力的计算与管道作用在流体上净内力的计算相似，只需用表压力代替绝对压力即可。
以上为对烟筒风洞进，出风管道定常-维流计算理论依据。