CN101779037A - 风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从移动的流体中获取能量的涡轮机叶片(10)和涡轮机叶片配置(5)。一种Savonius型转子组件结合了涡轮机叶片(10)和/或涡轮机叶片配置(5)，其中叶片(10、10’)可扭曲以基本形成螺旋。叶片(10、10’)的横截面形状可呈现翼面，且可不对称。在一些实施例中，横截面形状在各叶片(10、10’)长度方向保持基本恒定。使用所述叶片(10)和叶片配置(5)的涡轮机可自启动，且整个旋转路径中扭力图较为平稳。叶片(10、10’)和叶片配置(5)可通过提升和拖曳力从移动流体中获取能量。

Description

风力涡轮机叶片

相关申请

本申请要求享有2007年6月13日提交的美国临时专利申请第60/943,623号的优先权，其全文通过引用结合于此。

背景技术

本公开所处领域一般涉及风力涡轮机及涡轮叶片设计。整个说明书中使用了术语“风力涡轮机”。但该术语“风力涡轮机”并不限于风力运转的涡轮机，而包括通过任何移动流体旋转的涡轮机。

随着对全球变暖的日益关注以及动力需求的增大，人们越来越重视清洁能源的生成。风机已被使用了数百年，近来又成为人们为提高效率、适用性和耐久性而加倍关注的主题。

现代风力涡轮机，尤其是类似飞机螺旋桨的大型水平轴涡轮机，基于机翼的设计原理，以提高由风力获得的动力量。大型水平轴风力涡轮机在和风时有效运转，且有效捕获能量，即相对较高比例的流体能量被转化为机械能、或电能、或两者。但，为有效捕获风力能量，水平轴风力涡轮机所需叶片长度介于约20至70米之间，这又需要大片土地进行安装。因其尺寸较大，高度可达100米以上的水平轴风力涡轮机，机械上较为复杂，另外长叶片容易速度高、应力大，且有时会破裂、折断，因而靠近居民区运转时较为危险。

Savonius型涡轮机是一种机械上较为简单的风力涡轮机设计类型。Savonius型涡轮机具有两个或两个以上的长叶片，绕水平或竖直准直的轴旋转。例如，美国专利第7,132,760号说明了一种Savonius型风力涡轮机，其中轴可竖直或水平准直。与飞机螺旋桨从轮轴辐射出的叶片不同，Savonius型涡轮机叶片的排列使得各叶片的长轴一般沿叶片旋转轴延伸。

Savonius型风力涡轮机始于纯粹的拖机，即仅由弯曲长叶片上的差动拖曳力运转。当风遇到Savonius型叶片组时，风在一叶片凹入侧产生的“深拉”效果产生的拖曳力大于风在另一叶片凸出侧产生的影响。“深拉”的风产生较大拖曳力，使得叶片组旋转，也用于利用风力，虽然效率较低。

与大型水平轴风力涡轮机相比，Savonius型风力涡轮机相对较小，机械上较简易，可在较广范围风速下运转，例如但不限于1至4米每秒——及更强的风，如45米每秒或更高。因而Savonius型风力涡轮机适于在居民区内、附近及偏远位置使用。

已有改进传统Savonius型风力涡轮机的尝试。例如，美国专利第5,494,407号公开了横截面先弯后直的非扭转叶片。美国专利第4,784,568号公开了横截面类似轻型飞机机翼横截面的非扭转叶片。美国专利出版第2007/0104582公开了计算机优化以提高′568号专利所述叶片扭力输出的复杂弯曲横截面的非扭转叶片。尽管各非扭转叶片设计试图提高由风力获取的动力量，但它们都表现出差动风载，造成脉动扭力。

差动风载是因各非扭转叶片的整个长度随叶片组件旋转而在风中移入移出造成的。即旋转时各叶片移经四个不同位置。这些不同位置是(1)产生增益扭力或“深拉”的阻力的风路的充分侧向位置、(2)叶片边沿风向且从风中基本移出的背风位置、(3)产生反抗扭力的阻力的风路的充分侧向位置、以及(4)叶片边沿风向且基本移入风中的迎风位置。旋转时，叶片上的差动风载引入额外振动和应力于叶片自身和支承转子组件的轴承等风力涡轮机部件。额外振动和应力降低了涡轮机的效率和耐久性——常常导致转子轴承断裂。

改进Savonius型风力涡轮机的其它尝试使用了扭转叶片。转子组件旋转时，扭转叶片为风提供了基本恒定的表面区域，因而产生的脉冲扭力小于前述非扭转叶片。但扭转叶片沿其纵轴扭曲，因而加工较为复杂。许多扭转叶片是由平坦材料扭曲为螺旋状制成的。其它叶片具有沿纵轴引入扭曲前绕纵轴基本对称的弯曲横截面。美国专利第7,132,760号等一些装置包括Darius型机翼横截面叶片组和独立的扭转Savonius型叶片组。但是非扭矩叶片引入了脉冲扭力图以及伴随的振动，如上所述。

因此，本发明人已认识到需要具有改进功效叶片以及具有平稳扭力图的Savonius型风力涡轮机。

发明内容

下述说明旨在提供改进的风力涡轮机和涡轮机叶片设计。公开了特定优选实施例，通过更有效地利用风或其它移动流体的动力提供技术收益，同时保持不引入大量振动或应力于涡轮机部件的平稳扭力图。

通过以下优选实施例的详细说明并参照附图，本发明的其它方面和优点将是显而易见的。

通过以下优选实施例的详细说明并参照附图，本发明的其它方面和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是转子组件板表面处所剖的优选实施例的横剖视图。

图2是具有图1横剖视图所示叶片的风力涡轮机叶片结构的侧视透视图。

图3是叶片绕中心轴悬着90度时图2所示风力涡轮机叶片结构的侧视剖视图。

图4是图1所示叶片10横截面图的放大图。

具体实施方式

使用高效且具平稳扭力图的Savonius型涡轮机，下述实施例可处理并解决利用移动流体的动力所涉及的问题。本领域普通技术人员将认识到下述说明是示例性的，旨在说明优选实施例，而非限制本发明于所述实施例。根据以下说明，所述实施例及其它实施方式在使用风力或其它流体涡轮机时具有多种应用，也可按比例缩放并调整以适用于多种应用。

上述及其它需要可通过使用横截面不对称且沿叶片长度形成螺旋的风力涡轮机叶片克服。在特定实施例中，整个长度叶片的横截面形状保持一致。

一优选实施例通过固定两个叶片于两个转子板之间形成。各叶片横截面形状不对称，确定了前缘第一弯曲段，如凸曲线，具有第一半径。基本线性的中间段与第一段相切，也与后缘第二弯曲段相切。第二弯曲段的半径小于第一弯曲段的半径。端部至端部优选形成180度的纵向、基本螺旋状的扭曲，且前缘和后缘呈现基本螺旋的扭曲。各叶片前缘位于圆第一直径的相对端，各叶片后缘越过相同圆中等分且正交第一直径的第二直径处。各转子板中的沟槽与叶片横截面形状匹配，且在转子板相向推进时固定叶片到位。

现参照附图，图1示出了风力涡轮机叶片配置5，包括涡轮机叶片10、10’。转子板200表面处所剖风力涡轮机叶片10、10’的横截面示出了叶片10、10’的端部。尽管转子板200示为圆形，实施方式不限于圆形转子板，转子板200可为任何基本对称形状。图2和3示出了优选实施例中的两个转子板，但其他实施方式可使用仅一个转子板。

因各叶片10、10’具有螺旋扭曲，随叶片10、10’远离转子板200延伸，横截面形状旋转，并移经直径110和120。例如，随前缘21的曲线从转子板200伸至转子板300(图2)，前缘21旋转并移至转子板300(图2)上而不是转子板200上与前缘21’(图1)相同的位置。同样，后缘41旋转并移经直径110和120，使得后缘41位于转子板300(图2)上而不是转子板200上与后缘41’相同的位置。

风从风线500、501之间与600、601之间的方向，即基本沿边的方向，分别接近叶片10、10’时，遭遇叶片10、10’前缘21或21’的风产生提升扭力产生力。该提升扭力产生力是由于风以特定侵袭角度遭遇前缘21、21’时叶片10、10’的横截面形状成为翼面而产生的。改变该横截面形状，例如但不限于改变段20、20’和40、40’的曲率、前缘21、21’和后缘41、41’间距离、以及前缘21、21’和后缘41、41’间角度偏移(即前缘21、21’距直径110的距离与后缘41、41’距直径110的距离之差)，可改变产生提升扭力产生力的侵袭角。

沿边的风也遭遇后缘41或41’，并产生与提升扭力产生力相反的拖曳扭力反抗力。因叶片10、10’的横截面形状，该提升扭力产生力强于该拖曳扭力反抗力，使得转子组件5沿箭头“R”所指方向顺时针转动。

风从风线500、600之间与501、601之间的方向，即基本侧向，分别接近叶片10、10’时，风遭遇前侧60或60’与后侧70或70’。基本杯形的前侧60、60’产生的拖曳扭力产生力多与基本凸起的后侧70、70’产生的拖曳扭力反抗力。前侧60、60’产生的较大的拖曳扭力产生力使得叶片10、10’沿箭头“R”所指方向转动转子组件5。

前述涉及扭力产生和扭力反抗力的说明显示，与风向无关，叶片10、10’的各竖直位置处，叶片10相对叶片10’的位置以及叶片10、10’的横截面形状提供了沿相同旋转方向“R”的旋转力。

参照图2和图3，叶片10、10’的基本螺旋扭曲优选旋转叶片一端约180度，使得前侧60或60’在叶片10或10’一端处面向一方向，且在叶片10、10’另一端处面向相反反向，例如如图2所示。基本螺旋扭曲也纵向偏移叶片10、10’的两端，使得从方向“V”(图1)看时，两个叶片10、10’形成基本“X”形(图2)。扭曲角度与叶片端部偏移可改变，例如，以适合不同数量的叶片、流体密度或主要流体速度。

参照图2，以风向沿方向“V”(图1)为例，显而易见，转子板200和300间不同竖直位置处，来自任一方向的风遭遇各叶片10、10’的角定向不同。因此转子板200和300间移动的流体同时冲击前侧60和60’，因为叶片10、10’优选扭曲180度。同样，很明显，来自任一方向的流体冲击后侧70、70’、前缘21、21’以及后缘41、41’。各表面和边缘60、60’、70、70’、21、21’、41和41’提供扭力产生力和扭力反抗力，基本如上所述。

参照图2和3，很明显，由于转子板200和300间，各叶片10、10’纵向旋转约180度，前侧60、60’、后侧70、70’、前缘21、21’和后缘41、41’始终以几乎相同量或比例遭遇来风。由于转子组件5沿方向“R”旋转时，遭遇来风的前侧60、60’、后侧70、70’、前缘21、21’和后缘41、41’的量或比例保持基本恒定，叶片10、10’产生的扭力产生和扭力反抗力的量保持基本恒定(假定流体流量相对恒定)。

扭力产生和扭力反抗力产生的位置在转子板200和300之间纵向变化。例如，假定风向为方向“V”(图1)，图2中叶片10、10’的端部产生的扭力产生拖曳力更多，而图3中叶片10’中部产生的扭力产生拖曳力更多。但是，由于(给定流速条件下)扭力产生力的量保持基本恒定，且由于提升和拖曳双力均有助于扭力产生力，纵向过渡相对较平稳，且不引入大幅振动于风力涡轮机。因为扭力产生力是提升和拖曳的共同结果，叶片10、10’也可有效用于利用移动流体的动力。

再次参照图1，示出了优选横截面。下述该横截面形状可进行修改，以适合预期流体速度和密度，包括但不限于曲率的修改，包括基本线性部分、前缘和后缘间的距离、前缘相对后缘的定位，例如。

叶片10的横截面配置为可在轻风和大风范围内不同风速下提供相对较强的提升分力。叶片10的横截面也配置为可提供较强“深拉”或“捕获”效果，以最大化拖曳扭力产生力的量，使得叶片组件5沿箭头“R”所指顺时针方向旋转。旋转方向可通过改变叶片10和10’的定向反转。应注意，叶片10和10’的横截面形状在优选实施例中是相同的。

参照图1和4，说明了优选横截面形状。图4示出了按比例绘制的叶片10。单位优选为米制，且优选以厘米表示，但图4是无单位比例，叶片10的尺寸可放大或缩小，可以多种单位表示，取决于使用叶片10的应用。优选横截面形状具有前缘第一弯曲段20。在优选实施例中，前缘第一弯曲段20是部分半径基本恒定的圆。在图1和4所示实施例中，第一弯曲段20具有无因次半径8.5单位。前缘第一弯曲段20具有前缘21，且与基本线性中间段30相切于弧与前缘21相对的端部。后缘第二弯曲部分40也优选为部分半径基本恒定的圆。在图1和4所示优选实施例中，第二弯曲段40具有无因次半径4.2单位。第二弯曲段40具有后缘41，且与基本线性中间段30相切于弧与后缘41相对的端部。前缘21和后缘41间沿直径110的线性距离为21.0单位。

图1-4所示优选叶片10、10’具有胜过先前风力涡轮机叶片设计的多种优势。优选叶片10、10’设计为可同时产生较强、较平稳提升扭力产生分力和较强、较平稳拖曳扭力产生分力以及较平稳的扭力反抗分力。扭力反抗分力在Savonius型涡轮机中是固有的，可以最小化，但不能消除。优选叶片10、10’可减少扭力反抗分力，例如但不限于减少后侧70、70’的拖曳系数。通过保持扭力反抗力相对平稳，特定实施例所引入的振动远少于先有的Savonius型涡轮机。较平稳的扭力产生和扭力反抗力可通过叶片10、10’的横截面形状、螺旋构造、一者相对另一者的位置或其他因素获得。

先有叶片设计试图最大化扭力或减少振动，但没有既最大化扭力又减少振动。图1-4所示优选叶片10、10’可通过不对称横截面形状设计获得提升优势。同时，叶片10、10’曲线简单，可制造为沿叶片10、10’长度方向基本螺旋的扭曲，同时基本保持沿叶片10、10’长度方向横截面形状相同。发明人认识到先有不对称叶片设计中横断横截面的曲线复杂，使其难以制造为非扭曲叶片，甚至更难沿纵轴形成螺旋或其它扭曲。先有不对称叶片设计中厚度可变，例如一端较厚，另一端较薄。本发明人认识到可变厚度也使得叶片更难制成螺旋。

参照图1和2，说明了优选叶片组件5。图1和2按比例绘制，且说明并不限制优选实施方式。单位优选为米制，且优选以厘米表示，但图1和图2使用无单位比例，且叶片10、10’的尺寸可放大或缩小，以多种单位表示，取决于使用叶片10、10’的应用。可使用多种不同尺寸和叶片位置，同时保持所述叶片横截面形状与叶片组件配置的益处。尽管所述优选实施例具有两个叶片10和10’，但可使用附加叶片，如三个或四个或更多作为其它实施方式的部件，附加叶片的角度偏移由叶片数量确定。

叶片组件5可具有第一转子板200和第二转子板300。转子板200、300经配置可保持叶片10、10’相互特定关系，以提供有效且平稳的风力涡轮机运转，同时允许叶片组件5开始旋转，无论风向如何。例如，匹配叶片10、10’横截面形状的沟槽(未示出)形成于各转子200、300内，以配合叶片10、10’各端。沟槽可形成为可完全横断转子200、300，或仅部分横断转子200、300。也可使用其它方式固定叶片10、10’到位，例如适当粘合剂或从转子200、300表面突起的小结构。转子板200和300优选由刚性、耐久材料制成，固定到位，并通过各种结构配置相向推进。

另一可选实施例(未示出)包括在转子板200、300间垂直延伸的轴杆(未示出)。轴杆增加了转子组件5的结构整体性，但影响叶片10、10’间的流体流量。在优选实施例中，轴杆小于叶片10、10’间的间隔，允许流体绕轴杆从一叶片流向另一叶片。在特定实施例中，靠近轴杆的前缘21、21’和后缘41、41’部分可连于轴杆，如使用翼片或连杆。在优选实施例中，没有轴杆，中心定位即靠近轴杆位置定位的前缘21、21’和后缘41、41’部分可相互连接，如使用翼片或连杆。

叶片10、10’的前缘21、21’位于虚圆100直径110的相对两端。直径110的尺寸可为40.0单位。后缘41、41’位于第二直径120的相对两端。第二直径120正交等分直径110。叶片10的横截面形状延伸于直径110的一侧。后缘41与叶片10横截面形状位于直径110的同一侧，更具体地，位于远离直径1101.5单位处。换言之，连接后缘41和前缘21的线与直径110形成的角度约为4度。叶片10’的横截面形状延伸于直径110的相对一侧。后缘41’与叶片10’横截面形状位于直径110的同一侧，更具体地，位于远离直径110 1.5单位处。根据设计考虑、运转条件和流体特征，如流速和密度，例如，后缘41、41’距直径110的距离可继续修改，更靠近或远离直径110，以按照需要改变叶片10、10’的翼面特征。

在其它实施例中，前缘21、21’与后缘41、41’可分别位于直径110相对两侧。

使用直径120作为参照，后缘41和41’相互重叠。重叠是以虚圆100的直径而言的，该直径在该优选实施例中为40.0单位。后缘41和41’相互重叠约5％至约15％。在图1所示实施例中，后缘41和41’相互重叠5％。叶片配置以及使用的叶片数量可根据主要风力条件和其它设计考虑改变。

叶片10、10’优选由轻型刚性材料构造。优选材料包括纤维毡或板，例如由玻璃或碳纤维制造，浸渍树脂，并形成于如丙稀腈-丁二烯-苯乙烯、其它塑料、泡沫或轻木等低密度刚性材料上。叶片10、10’也可由碳复合材料、塑料或高密度泡沫构造。铝或钛合金等轻型金属合金也可用于制造叶片10、10’。

根据特定实施例构造的叶片组件5使用叶片10、10’的长度大于叶片10、10’横截面的宽度，即前缘21、21’至后缘41、41’距离。在优选实施例中，叶片10、10’的横截面可基本一致，且叶片10、10’的厚度可基本一致。例如，叶片10、10’可为0.5至0.8单位厚。优选地，叶片10、10’尽可能薄。

根据特定实施例构造的叶片组件5的叶片长度与叶片尖至叶片尖直径(即前缘21至前缘21’)的比例大于目前的风力涡轮机。例如，图1-3所示实施例的叶片长度与叶片尖至叶片尖直径之比为4∶1。4∶1是优选比例，其它减少风力涡轮机“占地”的比例，例如但不限于2∶1、2.5∶1、3∶1、5∶1、8∶1或更大，属于优选实施方式的范围内。换言之，对于160厘米的叶片长度，先有风力涡轮机要求叶片尖之间距离为106.67厘米。相反，所述优选实施例所要求的叶片尖间距离小的多。例如，对于160厘米长的叶片10、10’，图1-3所示实施例前缘21和21’间仅要求40厘米。

与先有Savonius型涡轮机相比，通过如上所述增加叶片长度与叶片尖至叶片尖直径的比例，特定实施例从移动流体捕获的能量百分比更高，且“占地”小的多。根据优选实施例以及其它实施方式构造的风力涡轮机要求的空间小于先有风力涡轮机。根据优选实施例以及其它实施方式构造的风力涡轮机可置于先有风力涡轮机不适用的区域。与先有风力涡轮机相比，每单位面积或长度可放置更多根据优选实施例以及其它实施方式构造的风力涡轮机，因此增加了可利用移经该面积或长度的流体的动力总量。

已示出并说明了优选涡轮机叶片和叶片配置。尽管已示出并说明涡轮机叶片的具体实施方式和应用，对于本领域技术人员，很明显可做出其他修改、变更和改变而不背离上述发明原理。本发明旨在包括所有这些修改、变更和改变以及上述优选实施方式。

对于本领域技术人员，很明显对于上述实施方式的细节可做出多种改变而不背离本发明的根本原理。因此本发明的范围仅由下述权利要求确定。

Claims (15)

1.一种流体涡轮机叶片，包括：

长主体，横截面形状确定具有第一半径的前缘第一弯曲段、与第一弯曲段相切的基本线性中间段、以及具有小于第一半径的第二半径的后缘第二弯曲段，后缘第二弯曲段与基本线性中间段相切；

长主体第一端和长主体第二端，其中长主体第二端与长主体第一端角度纵向偏移，使得长主体确定螺旋部分，且其中

横截面形状沿长主体长度方向保持基本恒定。

2.根据权利要求1的叶片，其中前缘第一弯曲段是具有第一基本恒定半径的圆的部分，且后缘第二弯曲段是具有不同于第一基本恒定半径的第二基本恒定半径的圆的部分。

3.根据权利要求1或2的叶片，其中叶片厚度介于0.5至0.8之间，单位与测量叶片其它尺寸的单位相同。

4.一种流体涡轮机叶片配置，包括：

转子板，具有刚性连于转子板的第一叶片和第二叶片，第一叶片和第二叶片远离转子板延伸；

具有长主体的第一叶片，横截面形状确定具有第一半径的第一弯曲段上的前缘、与第一弯曲段相切的基本线性中间段、具有不同于第一半径的第二半径的第二弯曲段上的后缘，第二弯曲段与基本线性中间段相切、以及第一端和第二端，其中第二端与第一端角度纵向偏移，使得长主体确定螺旋部分；以及

具有长主体的第二叶片，横截面形状确定具有第一半径的第一弯曲段上的前缘、与第一弯曲段相切的基本线性中间段、具有不同于第一半径的第二半径的第二弯曲段上的后缘，第二弯曲段与基本线性中间段相切、以及第一端和第二端，其中第二端与第一端角度纵向偏移，使得长主体确定螺旋部分。

5.根据权利要求4的叶片配置，其中在连于转子板的第一和第二叶片一端：

第一叶片前缘和第二叶片前缘位于圆的第一直径的相对两端；

第一叶片位于第一直径的第一侧；

第二叶片位于第一直径的相对一侧；

第一叶片后缘位于距第一直径一距离处；且

第二叶片后缘位于距第一直径一距离处。

6.根据权利要求5的叶片配置，其中连接第一叶片后缘和第一叶片前缘的线与第一直径形成约4度的角；且

连接第二叶片后缘和第二叶片前缘的线与第一直径形成约4度的角。

7.根据权利要求4的叶片配置，其中第一叶片前缘位于正交等分第一直径的第二直径一侧，且第一叶片后缘位于第二直径相对一侧；且

第二叶片前缘与第一叶片后缘位于第二直径同一侧，且第二叶片后缘与第一叶片前缘位于第二直径同一侧，使得第一叶片后缘和第二叶片后缘相互重叠。

8.根据权利要求7的叶片配置，其中第一叶片后缘和第二叶片后缘相互重叠第一叶片前缘和第二叶片前缘间距离的5％至15％。

9.根据权利要求4至8中任一权利要求的叶片配置，其中第一叶片和第二叶片的长度大于第一叶片前缘和第二叶片前缘间距离的1.5倍。

10.根据权利要求4至8中任一权利要求的叶片配置，其中中心定位的第一叶片前缘至少部分与中心定位的第二叶片后缘的至少部分相连；且

中心定位的第一叶片后缘至少部分与中心定位的第二叶片前缘至少部分相连。

11.根据权利要求4至8中任一权利要求的叶片配置，进一步包括刚性连于远离第一转子板的第一和第二叶端部片的第二转子板、以及延伸于第一和第二转子板之间的轴杆，其中轴杆小于第一叶片后缘和第二叶片后缘间的间隔。

12.根据权利要求11的叶片配置，其中中心定位的第一叶片前缘至少部分与轴杆至少部分相连；

中心定位的第一叶片后缘至少部分与轴杆至少部分相连；

中心定位的第二叶片前缘至少部分与轴杆至少部分相连；且

中心定位的第二叶片后缘至少部分与轴杆至少部分相连。

13.根据权利要求4的叶片配置，其中在连于转子板的第一和第二叶片一端：

第一叶片前缘和第二叶片前缘位于圆的第一直径的相对两端；

第一叶片后缘位于与大部分第一叶片相对的第一直径一侧且距第一直径一距离；且

第二叶片后缘位于与大部分第二叶片相对的第一直径一侧且距第一直径一距离。

14.根据权利要求4至8和13中任一权利要求的叶片配置，其中第一叶片和第二叶片配置并设置为在相对恒定的流体流量下可产生基本恒定量的扭力产生力和基本恒定量的扭力反抗力。

15.一种流体涡轮机的叶片配置，包括：

使用提升和拖曳力保持第一扭力产生装置以从流动流体获取能量、并使用提升和拖曳力保持第二扭力产生装置以从流动流体获取能量的装置。

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