CN100353053C - 垂直轴式风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种垂直轴式风力涡轮机，其包括一可围绕纵向轴线转动的轴和多个机械地接合到该轴上的基本刚性的叶片，所述多个叶片中的每一个均包括具有上端和下端的细长主体，其中每个叶片的上端和下端均围绕纵向轴线彼此转动偏移，从而每个叶片均具有螺旋状的形式，每个叶片的细长主体的垂直于纵向轴线剖取的截面形成为翼型，该翼型具有前缘和后缘以及限定在该前缘与后缘之间的拱弧线，其特征在于，所述翼型为弧形形状，从而所述拱弧线沿着具有有限曲率半径R′的恒定曲率的线定位。

Description

垂直轴式风力涡轮机
技术领域
本发明涉及垂直轴式风力涡轮机(VAWT)，其通常但并不排它地用于发电。
背景技术
VAWT已经公知了许多年。在以Darrieus的名义的U.S.1,835,018中示出了一早期示例，其中涡轮机设有三个围绕一轴转动的叶片，该轴横向于驱动风力流布置。每个叶片均具有翼型形式的截面，当空气在上翼型表面和下翼型表面上经过时该截面产生动态升力。
在图1中示出了双叶片的VAWT如何工作的示意图。每个叶片10都构造为翼型，该翼型与其围绕轴2的转动轨迹半径相切地对齐。名义风速由箭头Wn表示，而上叶片10的瞬时速度由箭头v表示。在图1所示的位置中，叶片10穿过风运动，从而叶片经受的表观风速度沿着由箭头Wa所示的方向并具有由该箭头Wa所示的大小。由翼型截面叶片产生的升力垂直于表观风向Wa，并因此而沿着箭头L的方向作用。垂直于叶片转动半径作用的力L的分量用于使叶片10围绕轴2转动。产生的升力使轴转动，从而叶片10从当其穿过风Wn时有效地产生升力的位置交替运动到当叶片与风向Wn对齐时其“滑行”的位置。轴2的转动可用于以已知的方式发电。VAWT相比于水平轴式风力涡轮机具有的优点在于，它们不必定向在主风向中，而是不管风向如何都能够产生转动运动。然而，已经发现VAWT具有某些技术问题。
VAWT存在多个问题。首先，由于涡轮机以高转速转动时产生的离心力而可能在叶片中产生非常高的应力。其次，叶片以高转速切割穿过空气会由于在叶片顶端处流出的大涡流而导致不可接受的噪声水平。第三，由于叶片在与风向交叉与“滑行”之间交替，因此VAWT会从它们的升力表面产生不均匀的转矩。
以Goldberg的名义的U.S.5,405,246描述了一种垂直轴式风力涡轮机，该涡轮机包括两个或多个连接到转子塔架(rotor tower)上的细长叶片。每个叶片均被“扭曲”从而使得其下连接点相对于其上连接点有角度地偏移。每个叶片的定向都与轨迹半径相切，如图1a和1b所示。每个叶片的叶片截面长度公开为在每个叶片中点附近较短而在每个叶片的端部附近较长。叶片截面长度与叶片厚度之间的比例公开为在每个叶片的长度上不变。叶片的扭曲在一定程度上有助于使得由涡轮机在其旋转期间产生的转矩均匀，这是由于至少有一个叶片的一部分总是与风向交叉，因此整个涡轮机不会完全处于“滑行”状态。然而，已经发现，根据如下对本发明所做的描述能够改进在U.S.5,405,246中所描述涡轮机的设计，在应用于城市环境中所期望的相对紧凑的涡轮机中时尤为如此。
以Gorlov的名义的US2001/0001299描述了一种具有弧形翼型截面的VAWT，其中叶片的最外表面大致定向成沿着一圆定位，从而每个叶片的翼弦(连接翼型的前缘和后缘的直线)形成一圆弧的弦。已经发现，根据如下对本发明的描述能够改进在US2001/0001299中所描述的设计，在应用于城市环境中所期望的相对紧凑的涡轮机中时尤为如此。
发明内容
本发明的目的在于提出一种VAWT，其解决了至少一些上述问题，从而提供相比于已知VAWT更加有效和可接受的设计及性能。
本发明提供了一种垂直轴式风力涡轮机，其包括一可围绕纵向轴线转动的轴和机械地连接到该轴上的多个基本刚性的叶片，所述多个叶片中的每一个都包括具有上端和下端的细长主体，其中每个叶片的上端和下端都关于纵向轴线彼此转动地偏移，从而每个叶片都具有螺旋状的形式，每个叶片细长主体的垂直于纵向轴线剖取的截面形成为翼型，该翼型具有前缘和后缘以及限定在该前缘与后缘之间的拱弧线，其特征在于，翼型为弧形，从而拱弧线沿着具有有限曲率半径R′的恒定曲率的线定位。
优选地，每个叶片的拱弧线从纵向轴线的径向距离R沿着叶片的长度变化。
在一个实施例中，拱弧线的曲率半径R′沿着每个叶片的长度变化。
优选地，R′大于等于1.00R而小于等于1.12R。
R′可大致等于1.03R。或者，R′可等于R。
在一个实施例中，所述叶片形状接近于扭转绳(troposkein)。
优选地，每个叶片的弦长沿着叶片的长度变化。在一个实施例中，每个叶片的弦长相对于每个叶片的中部而朝向上端和/或下端较短。
优选地，所述涡轮机还包括多个将叶片机械地连接到轴上的支柱。在一个实施例中，每个叶片都通过上支柱和下支柱连接到轴上。每个叶片的细长主体都可包括在叶片的上支柱与下支柱之间延伸的中部、在叶片上支柱上方延伸的上部和在叶片下支柱下方延伸的下部。每个叶片的上部都可限定上端，其中该上端是独立的。每个叶片的下部均可限定下端，该其中该下端是独立的。可选地，每个叶片的上端和下端距纵向轴线的径向距离小于支柱的长度。在另一个实施例中，上支柱连接到每个叶片的上端，下支柱连接到每个叶片的下端。
优选地，每个叶片在与支柱的连接处或附近的厚度与弦长比大于中部的厚度与弦长比。
在一个实施例中，与中部的厚度与弦长比相比，每个叶片的厚度与弦长比朝向细长主体的上端和/或下端增加。在另一个实施例中，每个叶片的厚度与弦长比沿着细长主体不变。
优选地，该涡轮机包括三个关于纵向轴线等间距的叶片。
在一个实施例中，该涡轮机在每个叶片与可转动轴之间还包括至少一个支柱，其中该支柱与叶片形成为单个部件。
在另一个实施例中，该涡轮机还包括至少一个跨越在每个叶片与可转动轴之间的盘状部件。优选地，所述至少一个盘状部件位于叶片的末端。
可选地，每个叶片均包括泡沫芯部和复合蒙皮。
本发明还提供了一种垂直轴式风力涡轮机，其包括一可围绕纵向轴线转动的轴和机械地接合到该轴上的多个基本刚性的叶片，该多个叶片中的每一个均包括具有上端和下端的细长主体，其中每个叶片的上端和下端关于纵向轴线彼此转动偏移，从而每个叶片都具有螺旋状的形式，每个叶片细长主体的垂直于纵向轴线剖取的截面形成为翼型，该翼型具有前缘和后缘以及限定在该前缘与后缘之间的翼弦线，其特征在于，每个叶片的翼弦线的长度相对于每个叶片的中部朝向上端和/或下端减少。
优选地，每个叶片的翼弦线的长度朝向至少每个叶片的顺风端减少。
附图说明
下面将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1为转动的VAWT的示意性平面图；
图1a为根据在U.S.5,405,246中所描述的现有技术的VAWT的叶片的示意性立体图；
图1b为图1a的叶片的示例性剖视图，表示其处于四个水平处的截面；
图2为根据本发明的VAWT的立体图；
图3a为图2的VAWT的叶片的一部分的示意性立体图；
图3b为图3a的叶片的示意性剖视图，表示其处于四个水平处的截面；
图4为贯穿图3a中所示的叶片的所述部分的剖视图；以及
图5为根据本发明的另一VAWT的叶片的示意性平面图。
具体实施方式
首先参照图2，本发明提供了具有可转动轴2的VAWT1，该轴2大致沿着纵向轴线7对齐。三个叶片10通过支柱3、4机械地接合到可转动轴2上。每个叶片10通过上支柱3和下支柱4而连接到可转动轴2上，上支柱3连接到可转动轴2上的上轮毂5，而下支柱4连接到可转动轴2上的下轮毂6。支柱3、4大致水平并垂直于纵向轴线7。
每个叶片10均包括细长主体11，该细长主体11围绕纵向轴线7扭曲成螺旋状的形式。因此，每个叶片10的上支柱3相对于下支柱4都围绕可转动轴2转动地偏移，如图2所示。叶片10的螺旋状的形式确保使得涡轮机1的转矩曲线(torque profile)平滑，这是由于三个叶片10中的至少一个叶片的一部分总是与环境风Wa交叉。由于涡轮机不易达到转矩峰值，平滑的转矩曲线也减少了涡轮机部件上的周期载荷。这降低了部件上的疲劳载荷。该设计也使得涡轮机1在低风速下表现出增强的性能特性。这使得本发明的涡轮机1尤其适于放置在城市环境中，在城市环境中气流速度可能由于建筑物和其它人为结构而降低和/或产生更多湍流。
每个叶片10的细长主体11都包括在上支柱3与下支柱4之间延伸的中部12、在上支柱3上方延伸的上部13和在下支柱4下方延伸的下部14。上部13向上延伸到独立的上顶端15。下部14向下延伸到也是独立的下顶端16。
每个叶片10的细长主体11从纵向轴线7的径向距离R沿着叶片10的长度变化，如图2所示以及如图3a和3b示意所示。优选地，叶片10形成扭转绳的形式。扭转绳是在每一端保持住并围绕通过每一端的轴线旋转的柔性部件所采取的形状。可以看出，中部12的径向距离R大于上部13或下部14的径向距离。以扭转绳形状形成叶片10确保在叶片中的由于离心力而引起的弯曲运动保持最小。
如图2所示，叶片10的上端15和下端16比该叶片10在与上支柱3和下支柱4的连接处更接近纵向轴线7。
支柱3、4沿着每个叶片10的细长主体11的部分连接是有利的，因为支柱为叶片10提供了更均匀的支撑。具体地，支柱3、4之间的最大跨度相比于支柱设置在叶片10的末端减小了，因此减少了细长主体11中的弯曲应力。然而，如果需要，支柱也可以定位在细长主体11的末端。
叶片截面形成为翼型，如图3b和4最清楚所示。翼型截面包括前缘17和后缘18。该截面还包括上翼型表面19和下翼型表面20，上翼型表面19为叶片10的离可转动轴2最远的表面，而下翼型表面20为叶片10最接近可转动轴2的表面。
可在翼型截面的前缘17与后缘18之间限定翼弦C。翼弦C为直线。也可在翼型截面的前缘17与后缘18之间限定弯曲的拱弧线L。如图3b和4最清晰所示，本发明叶片10的翼型截面形成为这样，即，前缘17与后缘18之间的拱弧线L不是直的而是弧形的，从而具有有限曲率半径的恒定曲率。换言之，每个叶片10的翼型截面都围绕一曲率中心“卷绕”。因此，拱弧线L并不位于翼型截面的翼弦上。在图2至图4所示的VAWT的实施例中，曲率中心与VAWT的纵向转动轴线7重合。换言之，拱弧线弯曲成顺着周线，翼型在其围绕轴线7转动时沿着该周线行进。结果是将使得叶片转动进入风中的转动最小。翼型截面的这种卷绕是有利的，尤其对于其中拱弧线长度L相对于VAWT的半径较大的涡轮机，设计特性对其中粘性空气动力效应会限制短长度拱弧线翼型的使用的小型涡轮机来说是重要的。
另外，翼型截面关于拱弧线L对称。即，沿着垂直于拱弧线(其为从轴线7的径向)剖取的整个翼型截面，在拱弧线L和上翼型表面19之间的距离(在图4中如T1所示)与拱弧线L和下翼型表面20之间的距离(在图4中如T2所示)相同。与现有设计相比，翼型截面的对称和卷绕的这种结合提高了VAWT的升力产生效率。这是因为由于在叶片截面穿过风时，叶片截面对风来说沿着其整个拱弧线对称而使得可用于转动VAWT的净驱动力最优化，从而在翼型截面围绕轴2转动时可长时间产生升力而获得的。相比之下，使用如U.S.5,405,246中所描述的切向对称的叶片由于叶片对风来说是不对称的而效率较低，这是由于在叶片转动时，叶片截面相对于风向有效地转动，因此不会保持对称。这种现象在VAWT的整体直径相对较小从而在叶片穿过风期间叶片截面的相对转动角度更为显著的情况下尤为明显。
如图4所示，翼型截面限定了截面厚度T。叶片10的厚度与弦长比优选沿着叶片的长度变化。在一个实施例中，厚度与弦长比在上端15和/或下端16处或附近比在中部12中大。特别是在叶片10为锥形从而拱弧线L朝向叶片端部减小的情况下是有利的，如下所述。在拱弧线减小时增加厚度与弦长比增加了风能够产生有效升力的迎角范围。
也可以在接近叶片10与上支柱3和下支柱4之间的连接处扩大厚度与弦长比。在此处，由于叶片10与纵向轴线的距离比中部12中点附近要近，因此相对风速减小。这使得风相对于叶片10的迎角产生明显变化。在此处增加叶片10的厚度与弦长比增加了叶片的升力系数从而增加了涡轮机1的驱动力。在这些点处增加的厚度与弦长比也有利地增加了叶片10在支柱3、4的连接点处的机械强度，由气流给予的机械载荷在此处被传递到转动轴2。
根据发明的又一方面，与中部12的拱弧线的长度相比，叶片10的拱弧线L的长度可朝向上顶端15和/或下顶端16减小。因此，拱弧线L的长度朝向各顶端逐渐减小，从而在叶片10围绕纵向轴线7卷绕时减少了翼型的拱弧线的长度。叶片的锥形有助于减少气动阻力并改善从后缘18的气流流出。锥形沿着叶片产生无数涡流的更为渐进、强度更小的流动，而不是产生单个或较少数量的大而强烈的涡流。这又减少了与涡轮机1的转动相关的噪音。该效果在叶片10的顺风端最为显著，该顺风端可以是叶片10的上端或下端，这取决于叶片的螺旋状形式的结构的方向。因此，叶片10可仅朝向叶片的顺风端为锥形。
在本发明的另一方面中，叶片10可与上支柱3和/或下支柱4以一体的方式形成。一体的叶片和翼梁单元可形成有由复合蒙皮覆盖的泡沫芯部。该蒙皮可以是例如碳纤维或玻璃纤维或这些材料的混合物。
在根据本发明涡轮机的一个示例中，设置了三个叶片10，每个都具有如图2所示的螺旋状的形式。叶片跨越3米的垂直高度。下表表示每个叶片的拱弧线、厚度及半径的相关尺寸。
 拱弧线长度L     厚度T   自轴线的半径
    上端  75mm     25mm   950mm
    叶片中心  200mm     50mm   1000mm
    下端  75mm     25mm   550mm
从表中可知，下端16比上端15沿径向更接近纵向轴线7。
图5示出了根据本发明VAWT的另一实施例。在该实施例中，叶片再次被卷绕，从而拱弧线L具有恒定曲率，但是在该情况下，曲率半径R′不必等于叶片从纵向转动轴线7的半径距离R。已经发现，由于VAWT叶片的转动与主风的相互作用的效应，因此通过改变曲率半径R′可获得提高效率的VAWT。
如果考虑叶片上的风力的作用会发现，空气在叶片上方运动的速度随着叶片转动而变化。当叶片运动进入来临风时，空气速度被有效地增加。当其与风一起向回运动时，有效速度降低。该速度可确定为q的函数，q为涡轮机相对于风向的角度。空气在涡轮机上方的速度限定为Wa
Wa＝f{v，Wn，q}＝Wn*sqrt(TSR^2+1-2.TSR.cos(90-q))
其中Wn为主风速度，v为叶片的前进速度，q为叶片相对于风向的角度，如图5所示。
以上描述了涡轮机叶片，该叶片因为其外形围绕曲率半径R卷绕而有效地对称。对于该叶片，R为叶片的角速度及其前进速度的函数。
R＝v/w
图5的修改后的叶片的前进速度等于Wa，而角速度保持为w。
因此，现在用于对称叶片所需的半径：
R′＝Wa/w
Wa随着叶片转动进入风和转动离开风而改变，因此被认为对称的半径也改变。由于改变用于围绕涡轮机不同位置的翼型的形状并不容易，因此基于使涡轮机转动的功率曲线来优化叶片形状。为前进速度和表观迎角的函数的功率在涡轮机叶片垂直于风向通过时达到峰值。此时，速度Wa＝Wn*sqrt(TSR+1)。因此在峰值功率输出时的等效对称半径为：
R′＝Wa/w
＝Wn*sqrt(TSR^2+1)/(v/R)
＝Wa*R*sqrt(TSR^2+1)/(Wn*TSR)
＝R*sqrt(TSR^2+1)/TSR
其中TSR为叶片的定义为v/Wn的顶端速度比。
假定典型TSR为4，则半径R′为1.03*R。这说明对于峰值输出，比涡轮机的转动半径大3％的半径将具有接近对称的性能，从而平衡逆风和顺风的功率峰值。
显然，叶片截面从纵向轴线7的实际距离R沿着叶片的长度变化，拱弧线L的优化曲率半径R′也沿着叶片的长度变化。因此，翼型拱弧线的曲率尽管在各叶片截面处不变，但沿着叶片的长度对于截面改变。
在不脱离所附权利要求范围的情况下可对本发明的涡轮机进行各种修改。具体地，可使用少于3个叶片10或多于三个叶片10。叶片10可形成除了扭转绳之外的其它形状。例如，叶片可位于围绕纵向轴线的直圆柱体上。叶片10可与支柱3、4分开形成然后与其组装在一起。叶片10可通过多于两个的支柱而连接在轴2上。具体地，可在上支柱3与下支柱4之间使用第三支柱。第三支柱可定位在叶片10的长度的中点处。叶片10可不包括独立的顶端。而且上支柱3和下支柱4可在叶片10的末端处连接到叶片10上。
支柱3、4可由圆形盘代替，该圆形盘跨越在可转动轴2与叶片10之间并且可围绕该轴转动。该盘可定位在叶片10的上末端和下末端。或者，叶片10可延伸超过盘的位置。与支柱相比，使用盘可增强气流。优选地，盘的上表面和下表面都为平面。或者，可设置环形部件，该环形部件跨越在叶片10之间并具有跨越在叶片与可转动轴之间的轮辐状支柱。

Claims (26)

1、一种垂直轴式风力涡轮机，其包括一可围绕纵向轴线转动的轴和多个机械地接合到该轴上的基本刚性的叶片，所述多个叶片中的每一个均包括具有上端和下端的细长主体，其中每个叶片的上端和下端均围绕纵向轴线彼此转动偏移，从而每个叶片均具有螺旋状的形式，每个叶片的细长主体的垂直于纵向轴线剖取的截面形成为翼型，该翼型具有前缘和后缘以及限定在该前缘与后缘之间的拱弧线，其特征在于，所述翼型为弧形形状，从而所述拱弧线沿着具有有限曲率半径R′的恒定曲率的线定位。
2、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的拱弧线与纵向轴线的径向距离R沿着该叶片的长度变化。
3、如权利要求2所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，所述拱弧线的曲率半径R′沿着每个叶片的长度变化。
4、如权利要求2或3所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，1.00R＜＝R′  ＜＝1.12R。
5、如权利要求4所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，R′大致等于1.03R。
6、如权利要求4所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，R′等于R。
7、如权利要求2所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，所述叶片形状近似为扭转绳。
8、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的弦长沿着该叶片的长度变化。
9、如权利要求8所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的弦长相对于每个叶片的中部朝向上端和/或下端变短。
10、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，还包括将所述叶片机械地连接到所述轴上的多个支柱。
11、如权利要求10所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片都通过上支柱和下支柱连接到所述轴上。
12、如权利要求11所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的细长主体均包括在该叶片的上支柱与下支柱之间延伸的中部、在该叶片的上支柱上方延伸的上部以及在该叶片的下支柱下方延伸的下部。
13、如权利要求12所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的上部限定了所述上端，其中该上端为独立的。
14、如权利要求12或13所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的下部限定了所述下端，其中该下端为独立的。
15、如权利要求13所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的上端和下端与纵向轴线的径向距离小于所述支柱的长度。
16、如权利要求11所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，所述上支柱连接到每个叶片的上端，且所述下支柱连接到每个叶片的下端。
17、如权利要求10所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，与中部的厚度弦长比相比，每个叶片的厚度与弦长比在与支柱的连接处或附近较大。
18、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，与中部的厚度与弦长比相比，每个叶片的厚度与弦长比朝向细长主体的上端和/或下端增大。
19、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的厚度与弦长比沿着所述细长主体不变。
20、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，该涡轮机包括三个围绕纵向轴线等间距的叶片。
21、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，在每个叶片与可转动轴之间还包括至少一个支柱，其中该支柱与所述叶片形成为单个部件。
22、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，还包括至少一个盘状部件，该盘状部件跨越在每个叶片与可转动轴之间。
23、如权利要求22所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个盘状部件位于所述叶片的末端。
24、如权利要求1所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片都包括泡沫芯部和复合蒙皮。
25、一种垂直轴式风力涡轮机，其包括一可围绕纵向轴线转动的轴和多个机械地接合到该轴上的基本刚性的叶片，所述多个叶片中的每一个都包括具有上端和下端的细长主体，其中每个叶片的上端和下端围绕纵向轴线彼此转动偏移，从而每个叶片都具有螺旋状的形式，每个叶片的细长主体的垂直于纵向轴线剖取的截面形成为翼型，该翼型具有前缘和后缘以及限定在该前缘与后缘之间的拱弧线，其特征在于，每个叶片的拱弧线长度相对于每个叶片的中部朝向上端和/或下端减小。
26、如权利要求25所述的垂直轴式风力涡轮机，其特征在于，每个叶片的所述拱弧线的长度朝向至少每个叶片的顺风端减小。
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