CN101918707A - 具有垂直转轴的风力涡轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的转子具有至少两个与轮毂(1)连接的水平支撑(2)，其端部为转子叶片(3)，具有对称且凹凸的空气动力外形，翼弦长度(b1、b2)和外形厚度同翼端(3a、3b)逐渐减小。转子叶片(3)的上翼片(3a)和下翼片(3b)由中心区域(3c)向外径向偏离。两个翼端(3a、3b)外形的翼弦(b2)的长度与中心区域(3c)的翼弦长度(b1)大致与其位置相对于转子转动轴的半径成反比。下翼片(3b)的偏离角可以大于下翼片(3a)的偏离角或者下翼片(3b)的长度可以大于上翼片(3a)的长度。转子的这种构造使风能功耗在翼片长度上的强度均一，并且在支撑上大体只产生张应力，而颤振危害基本上得以消除。

Description

具有垂直转轴的风力涡轮转子
技术领域
本发明涉及一种具有垂直转轴的风力涡轮转子，通过利用达里厄原理(Darrieus’principle)将风能转化为旋转运动的机械能的涡轮机。
背景技术
具有垂直转轴的涡轮转子的技术方案，例如，参见美国专利第4264279号和4430044号的说明书，其中描述的涡轮转子具有至少两个与驱动轴的轮毂连接的水平支撑臂，水平支撑臂的端部垂直安装有转子叶片。
转子叶片大都具有空气动学的对称外形并在其高度方向的中心处与支撑臂连接，并将叶片分为上、下两个翼片。在受风压驱使而产生的转子运动中，除了产生驱动作用的气动力外，还存在离心力。这两种力都作用于两个翼片的质量中心处。在叶片旋转运动轨迹的中部，上述作用力的方向相同，导致翼片的纵向变形和叶片与支撑臂连接区域产生弯曲应力。在圆弧的另一半风向一侧，存在相反的作用力。
出现的脉动荷载的变化，包括极性变化，都对涡轮的磨损和设备效率产生严重的负面作用。已知的解决方案包括将附加元件埋入转子结构中以加强翼片的强度。例如，这种元件可以是英国专利GB2175350中描述的横拉杆，或是如德国专利DE3626917中描述的附加支撑。加强元件的使用增加了气动阻力，降低了涡轮效率，特别是如果这些元件中包含了锐角结构，增加了容积湍流。离心力的负作用导致转子长度上的可变外形的部分减少，同时翼弦的长度和外形的厚度向翼片端部方向减少。该技术方案和其他方案应用于EP0046370号专利说明书中描述的转子中。在以上对此类转子的工作情况和技术问题的简要描述中，有必要指出气动力作用在上、下翼片时的多变性和对自激气动弹性振动的结构敏感性，即，处于高速周围气流下翼片的振颤。该区域的特性可能常常会使翼片较低高程处的风速明显降低。
发明内容
本发明的目换在于设计出一种结构简单的转子，具有刚度高和耐久性好、气动阻力低和风压力到转轴驱动力转换效率高的特点。
在本发明中，与以上揭示的技术方案类似，转子涉及至少两个与轮毂连接的水平支撑。具有对称的或凹凸且翼弦长度和外形厚度向翼端逐渐变细的空气动力外形的翼片牢固地固定于支撑的端部。本发明的关键在于转子叶片的上翼和下翼相对于转动轴线向中心区域径向向外偏离一定角度。同时，双翼端部的外形翼弦长度和中心区域的翼弦长度大致与其相对于转轴的位置的半径成反比。
使用具有偏离且异形翼片的转子，提供了沿翼片长度和阻力中心区域强度稳定的风能功耗。通过翼片质量中心向支撑靠近的方式取得翼片外层的按压张力的平衡与降低。拉伸张力通常产生于支撑。叶片对偏离翼片的自由振动频率高于平直叶片的振动频率。这一促进结果在阵风时特别见效。中心区域和翼片末端处多样化的空气迎角消除了振颤危险。
本发明的实施例的另一目的在于消除转子上部和下部出现不同风速造成的影响。
为了这一目的，转子中下翼片的偏离角应大于上翼片的偏离角。建议的角度差范围为1°-5°。
下翼片长于上翼片的设计方案也具是有利的。推荐的差值范围为2-15％。
根据本发明，转子中推荐使用具有对称空气动力学外形并水平放置的翼弦，并且与轮毂的连接是纵轴穿过外形的惯性中心切入转轴。
考虑到转子在不同风速下以可能的最高效率工作，使用已知的迎角设定点将驱动叶片与支撑连接，使之能够在-2°至+3°的范围内调节。
附图说明
为了透彻理解本发明，附图中给出了转子的示意图。附图简要说明如下：
图1：具有偏离翼片的转子的立体图；图2：侧视图；图3：由图2中X方向的翼片的视图；图4：另一翼片长度不同并且上、下翼片偏离角不同的转子的视图；图5：图4中Y-Y线的转子剖视图。
具体实施方式
转子固定在垂直置于第四风力涡轮机塔上的驱动轴轮毂1上。两个具有对称风力动力学外形的水平支撑固定在轮毂上。
支撑的外形翼弦是水平的，并且穿过外形刚度中心的的纵轴穿过转子的转动轴。转子叶片3固定在支撑譬2的端部，叶片通过其自身长度中心区域3c与支撑2连接。转子叶片3的上翼片3a和下翼片3b具有相同的长度，两个翼片都在径向上向外偏离，并且相对于转轴的夹角β1＝β2。上翼片3a和下翼片3b的截面具有对称的或凹凸的空气动力学外形，其翼弦长度由b1向b2向翼端方向逐渐减小，外形厚度由c1向c2向翼端方向逐渐减少。翼端3a、3b的外形的翼弦长度和中心区域3c处的翼弦长度b1与他们所在位置相对于转动轴线的半径R1、R2成反比，其关系表达式为：b1/b2＝R2/R1。当地貌特征适用于这种尺寸与形状关系时，风能功耗沿翼片整个长度是稳定的，同时，没翼片气流的速度合量T1、T2的风迎角α1、α2减小。如图3所示，翼片上标记为“1cm”的特定基本表面应按下式产生相同的气动力：
Y＝Cy×S×ρ×V2/2
式中
Cy-表示由空气动力学外形的形状确定的因子
S-翼片基本表面的场
P-空气密度
V-气流速度
中心区域3c附近的乘积Cy×S高于翼片端部的乘积。阵风时，风迎角α可能会超过临界值。
根据本发明，在转子中，风迎角由中心区域3c中的α1向翼片端部3a、3b处的α2连续减小，从而导致临界值超出仍然沿翼片增加。翼片之后的湍流区的发展过程是持续的，不会导致平直翼片转子涡轮机中出现的涡轮脉动或塔4和支撑2的振动。
当假定涡轮动力得到保持时，翼片3a、3b的向外偏离能够使支撑2适当缩短，从而降低了涡轮机的气动阻力。
由上翼片3a和下翼片3b平衡后的风能功耗的转子如图4所示，风速极度多样化的地貌条件取决于地面标高之上的高度。下翼片3b和上翼片3a上的气动力的不同增加了不利的支撑扭矩。
使下翼片3b的偏离角β2大于上翼片3a的偏离角就可以确保气动力的平衡，使翼片长度相等l1＝l2。偏离度的增加影响翼片的圆周速度并取决于地形阻尼气动外形。在偏离角相同β1＝β2的情况下上翼片3a和下翼片3b也可以取得负载平衡，但下翼片3b的长度l2的长度长于上翼片3a的长度，例如10％。
本发明中描述的转子原型揭示出，通过不同的迎角γ实现不同风速W下中心区域翼弦3c与正切的运动轨迹之间的最大能量变换效率。例如，风速W＝6米/秒时，迎角＝-2°，当W＝9.5米/秒时，γ＝0°，风速W＝11米/秒时，γ＝+2°。本发明的转子装备有现有的技术方案埋入支撑2，使迎角γ在涡轮机运行期间得以改变。

Claims (7)

1.一种具有垂直转轴的风力涡轮转子，与一轮毂连接，至少两个水平支撑的端部设置转子叶片，该转子叶片高度方向的中部与所述支撑的端部刚性连接，并且该叶片的横向截面具有对称的或凹凸的空气动力学外形，转子叶片端部翼弦和外形厚度减少，其特征在于，转子叶片(3)上翼片(3a)和下翼片(3b)在径向上向中心区域(3c)外偏离，形成趋向转子转动轴线的偏离角(β1、β2)，两个翼端(3a、3b)处的外形翼弦长度(b2)和中心区域(3c)处的翼弦长度(b1)与翼弦位置相对于转子转动轴线的半么(R1、R2)大致成反比。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于下翼片(3b)的偏离角(β2)大于上翼片(3a)的偏离角(β1)。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于下翼片(3b)的偏离角(β2)大于上翼片(3a)的偏离角(β1)1°至5°。
4.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于下翼片(3b)的偏离角(β2)大于上翼片(3a)的偏离角(β1)。
5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于下翼片(3b)的长度(l1)大于上翼片(3a)的偏离角(l2)2至15％。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于具有对称的空气动力外形的支撑(2)具有水平放置的翼弦并且所述支撑的纵轴穿过外形硬度中心并与转子转动轴线交叉。
7.根据权利要求1或6所述的转子，其特征在于所述转子叶片(3)通过设定失速攻角(y)与支撑(2)连接，使其能够在-2°至+3°的范围之间变化。
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