CN101509466A - 带有多段组合式导流叶片的导风轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有多段组合式导流叶片的导风轮，由上下风轮盖板及其间沿周向等距排列的导流叶片组成。导风轮与风轮在叶高方向的尺度相等；导风轮的进口直径为风轮进口直径的2～3倍、出口直径为0.1～0.2倍的风轮风叶弦长与风轮进口直径之和；导风轮上的导流叶片的进口角度为90°、出口角度比对应风轮风叶进口角度小0°～5°。导流叶片为直叶片形式，其叶片数目为对应风轮风叶数目减去一后的1.5～2.5倍。本发明的导风轮具有风能收集性强、流动损失小、导流性能高、加工工艺简单等优点，与对应的风轮组合即可构成具有高效风能利用效率的导流型垂直轴风力机。

Description

带有多段组合式导流叶片的导风轮

技术领域

本发明涉及一种用于导流型垂直轴风力机的导风轮，尤其是一种具有多段组合式导流叶片，为垂直轴风力机实现高效的风能利用率的导风轮。

背景技术

风力机是风力发电系统的动力源，它将风能转化为机械能，进而推动发电机发电。风力机按结构形式大体上分为水平轴和垂直轴两种。水平轴风力机发展较完善，由于其具有较高的效率而作为当今主流的风力机类型得到了广泛的应用。然而由于水平轴风力机安装难度高、投资成本大且不便移动等缺点，它的使用目前往往主要限于并网发电中，而对于一些小型离网型发电系统中，目前使用最为广泛的仍是垂直轴风力机。

图1所示的是现有的垂直轴风力机平面示意图，它仅由风叶1.、旋转轴2构成单个风轮，虽结构简单，但效率明显低于相同尺寸的水平轴风力机。一个主要原因是当来流冲击风轮时，在其迎风面的一侧受到的是有效的推力，而在另一侧受到的是风的阻力，上述两种力的合力是推动风轮旋转作功的真正有效动力。由于迎风面上一侧风阻的存在，显著降低了垂直轴风轮的有效受风性能。因此，只要降低该侧上风阻，即有望能提高垂直轴风力机的效率。

中国发明专利公开了一种“垂直轴风力机的风轮装置”，申请号：200710007899.X，申请日：2007.01.22，将对称的部分圆面对称弯曲构成的曲面作为风轮的叶片，以数量四个或四个以上这样的叶片，用叶片的两个锐角在同一根风轮轴上顺序均布地固定连接在一起，构成一个外观近似南瓜的风轮，但是此装置的不足之处在于无法降低风叶的吸力面因受来流的直接冲击所造成的不利于风轮有效转动的阻力矩。中国实用新型专利公开了“一种垂直轴风力机风轮装置”，申请号：200720149499.8，申请日：2007.06.06，转动轴垂直于大地水平面设立，多个均匀分布的弧形风叶竖向固定在转动轴上，可以控制开度的半圆柱风力调节闸门设置在风叶转动的外圆周上并可以沿圆周滑动。半圆柱风力调节闸门可随风向而改变其位置以调节风叶的受风面积，当它转动到位于转动轴一侧的迎风方向上，遮挡了整个受风叶片受风面的一半时，风能的利用达到了最大值，在风轮机叶片转动覆盖的有效受风区域内，风能利用率最高极限可达50％；当它遮挡了整个受风叶片受风面时，风叶不受风，相当于关闭了风轮，但是此装置的不足之处在于加入调节闸门虽然起到一定的节能效果但是初期投入费用与运行费用较高。

上述各专利所提出的垂直风轮均是通过优化风叶结构来实现其效率的提高，但这些结构实施复杂，一次性投入大。一种简单而能有效地克服垂直轴风力机的固有缺点的垂直轴风力机称为导流型垂直轴风力机，它是在原垂直轴风力机风轮的外围增加一个起导流作用导风轮。导风轮的阻流作用可以大大降低来流对风轮一侧迎风面上的风阻力，从而有效提高了来流对风轮的推动力。此外，导风轮也起着加速与导流的作用，能将来流尽可能均匀地导入风轮中，使之更有效地推动风轮旋转作功。上述两方面的原因使导流型垂直轴风力机的风能利用效率较由单风轮构成的垂直轴风力机有了明显提高。但是，当气流流过导风轮后，其有效机械能也会产生额外的损失，因此良好的导风轮结构与导流叶片的型线有助于降低其对来流机械能的耗散，从而有望更进一步提高整个导流型垂直轴风力机的整体运行效率。

发明内容

本发明是要提供一种带有多段组合式导流叶片的导风轮，其目的在于优化导风轮及其导流叶片的结构，使之能有效地收集来流风能、更好地降低其对来流机械能的耗散、充分地加速来流以推动风轮旋转作功；使用本导风轮的导流型垂直轴风力机能有效避免常规垂直轴风力机中导风轮结构不合理、导风轮与风轮间气动性能不匹配等缺点，实现良好的运行效能。

本发明的技术方案是：一种带有多段组合式导流叶片的导风轮，由上下风轮盖板及其间沿周向等距排列的导流叶片组成，其特点是：导风轮与风轮在叶高方向的尺度相等；导风轮的进口直径为风轮进口直径的2～3倍、出口直径为0.1～0.2倍的风轮风叶弦长与风轮进口直径之和；导风轮上的导流叶片的进口角度为90°、出口角度比对应风轮风叶进口角度小0°～5°。

导流叶片为直叶片形式，其叶片数目为对应风轮风叶数目减去一后的1.5～2.5倍。导流叶片5的中弧线10由两条直线段以及分别与之相切的进口径向段、中间过渡段、出口导流段三部分圆弧段所构成的光滑曲线而成。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.这种由多段组合式导流叶片所构成的导风轮，具有比现有导风轮风能收集性强、流动损失小、导流性能高等优点；

2.多段组合式导流叶片的成型方法虽包含了黄金分割原理、气体动力学原理等优化设计思想，但其具体实现过程非常方便，加工工艺简单；

3.本导风轮的结构设计与对应风轮的结构参数实现了优化匹配，有助于提高导流型垂直轴风力机的整体效能。

附图说明

图1是现有单个风轮构成的垂直轴风力机平面示意图；

图2是本发明的导风轮的主视图；

图3是本发明及相应风轮所构成的导流型垂直轴风力机平面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明的带有多段组合式导流叶片的导风轮，如图2、3所示：包括上下盖板4和由进口径向段7、中间光滑过渡段8、出口导流段9这三部分组合成的中弧线10所决定的导流叶片5所构成。

导风轮主要由上、下风轮盖板4及其间沿周向等距排列的多段组合式导流叶片5组成；导风轮与风轮在叶高方向的尺度相等；导风轮的进口直径11为风轮进口直径13的2～3倍、出口直径12为0.1～0.2倍的风轮风叶弦长与风轮进口直径之和；导风轮上的导流叶片5的进口角度19为90°(即纯径向)、出口角度16比对应风轮风叶进口角度19小0°～5°。导流叶片5的叶高6与对应风轮叶高相同、其叶片5个数是对应风轮风叶个数减一后的1.5倍到2.5倍(取整数)；

导流叶片5采用直叶片形式，其叶片5具体型线完全决定于其叶片中弧线的形状。导流叶片5的中弧线10由两条直线段以及分别与之相切的圆弧段这三部分组合而成，它们依次被称为：进口径向段7、中间光滑过渡段8、出口导流段9。该中弧线的具体成型方法描述如下(各字母所在位置参照图2)：

在导风轮出口所在圆弧12上任取一点A，过点A作比风轮上风叶进口角度小0°～5°角的直线，并与导风轮进口所在圆弧交于点B(即线段AB与风叶旋转方向的相反圆周方向的夹角比风叶进口角度小0°～5°)。取线段AB的黄金分割点点C(即线段AC与线段BC的长度之比为0.618)，过点C作与圆周方向成90°角的直线，并交导风轮进口所在圆弧于点D。过线段CD的中点E作其垂线，并与∠ACD的角平分线相交于点F。以点F为圆心，以线段FE的长度为半径，过点E作劣弧，并与线段AC相切于点G。则曲线DEGA即是导流叶片所须的中弧线。其中，线段DE即为进口径向段7、相切的圆弧EG为中间光滑过渡段8、线段为出口导流段9。

当中弧线10按上述方法成型后，即可以此为骨架线，生成沿其具有一定厚度分布的机翼型导流叶片或厚度均匀分布、造型简单的板式导流叶片。

来流首先由进口径向段7被收集，通过中间光滑过渡段8逐步改变流动方向，以有效防止流动分离，经过出口导流段9的导流与加速作用后流入风轮，推动风叶旋转。这种结构不仅能减少来流机械能在导风轮中的额外耗散，而且能使来流经加速后更有力地冲击左侧风叶的压力面17。同时该结构又显著降低了右侧风叶的吸力面18因受来流的直接冲击所造成的不利于风轮有效转动的阻力矩，从而整个风轮的风能利用效率得到大幅提高。该导风轮本质上是个二维结构，它除了具有风能收集性强、流动损失小、导流性能高等优点外，还具有结构简单、加工便捷等优点，若将它用于导流型垂直轴风力机上，则能显著提高垂直轴风力机的整体效能。

Claims (3)

1.一种带有多段组合式导流叶片的导风轮，由上下风轮盖板(4)及其间沿周向等距排列的导流叶片(5)组成，其特征在于：所述导风轮与风轮在叶高方向的尺度相等；导风轮的进口直径(11)为风轮进口直径(13)的2～3倍、出口直径(12)为0.1～0.2倍的风轮风叶弦长与风轮进口直径之和；导风轮上的导流叶片(5)的进口角度(19)为90°、出口角度(16)比对应风轮风叶进口角度(19)小0°～5°。

2.根据权利要求1所述的带有多段组合式导流叶片的导风轮，其特征在于：所述导流叶片(5)为直叶片形式，其叶片(5)数目为对应风轮风叶数目减去一后的1.5～2.5倍。

3.根据权利要求1或2所述的带有多段组合式导流叶片的导风轮，其特征在于：所述导流叶片(5)的中弧线(10)由两条直线段以及分别与之相切的进口径向段(7)、中间过渡段(8)、出口导流段(9)三部分圆弧段所构成的光滑曲线而成。

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