CN102345558A - 风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片及加工方法，叶片为螺旋型结构，旋转角为180°，高径比h/d为1.2，叶片材料为铝合金实心结构，叶片水平截面形状与美国标准航空翼型NACA4418相同或近似，叶片两端部分别加工通孔，用于与风力机固定圆盘连接。本发明克服了垂直轴风力机能量脉动和启动死角的缺点，解决了垂直轴风力发电机不适用于风力资源欠丰富的城市和人口稠密地区风况复杂的问题，解决了垂直轴风力机能量脉动和启动死角的问题；解决了螺旋型叶片复杂曲面加工的问题，将大幅提升我国风能利用比例，推动风电行业的发展。

Description

风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片及加工方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片的加工方法。
背景技术
垂直轴风电发电机主要分为四种：Savonius型、Darrieus型、H型和涡轮型。Savonius型属于阻力型风力机，启动转矩大，低风速时对风能捕捉能力好，但风能利用率低，而因其风能转换效率不高，很少用；Darrieus型属于升力型风力机，效率较高但自启动能力差，且叶片加工非常复杂；H型是Darrieus型风力机基础上发展起来的机型，自启动能力好，结构简单，是目前垂直轴风力发电机使用最多的机型，但其要求启动风速高，在居民区因风速低，风况复杂常处于停机状态或不稳定工作状态(如能量脉动和启动死角等)；涡轮型则对空气密度较低的环境适应性好。因此对于风力资源欠丰富的村镇和高楼林立风况复杂的城市地区，上述类型垂直轴风力发电机不太适用，需要进行结构改进和性能优化。实用新型专利201020112299.7将S型叶片适当变形与螺旋形叶片组合使用，未能说明螺旋形叶片的具体结构，风能利用情况不明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工方便、使用性能好的风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片及加工方法。
本发明的技术解决方案是：
一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片，其特征是：叶片为螺旋型结构，旋转角为180°，高径比h/d为1.2，叶片材料为铝合金实心结构，叶片水平截面形状与美国标准航空翼型NACA4418相同或近似，叶片两端部分别加工通孔，用于与风力机固定圆盘连接。
一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片的加工方法，其特征是：包括下列步骤：
(1)将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；
(2)将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到；
(3)将若干楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成平行四边形铝板；
(4)用卷板机将铝板卷曲成半圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径；
(5)将卷曲后的铝条拆开，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状，即为一只螺旋叶片。
一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片的加工方法，其特征是：包括下列步骤：
(1)将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；
(2)将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到；
(3)将若干斜楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成矩形铝板；
(4)用卷板机将铝板卷曲成圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径；
(5)将卷曲后的铝条拆开，沿圆筒轴线方向牵引铝条的两端至高径比h/d＝2.4；
(6)将铝条截断成高度相等的两部分，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状，即为两只螺旋叶片。
本发明克服了垂直轴风力机能量脉动和启动死角的缺点，解决了垂直轴风力发电机不适用于风力资源欠丰富的城市和人口稠密地区风况复杂的问题，解决了垂直轴风力机能量脉动和启动死角的问题；解决了螺旋型叶片复杂曲面加工的问题，将大幅提升我国风能利用比例，推动风电行业的发展。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为使用本发明叶片的垂直轴螺旋型风力机结构示意图；
图2为垂直轴螺旋型风力机上下圆盘支架俯视图；
图3为本发明叶片主视图；
图4为本发明叶片俯视图；
图5为本发明叶片展开图；
图6本发明叶片剖面图；
图7为本发明卷曲后叶片剖面图；
图8为本发明打磨后叶片剖面图；
图9为垂直轴螺旋型风力机工作原理图。
具体实施方式
以三片叶片为例，见附图1。本发明的垂直轴螺旋型风力机包括基础平台1，在基础平台中央上方焊接立柱21，立柱21上部相距h距离分别装配两个轴承51，52，两轴承外圈与轴承套22配合，轴承套22与上下圆盘支架31，32以螺钉进行固定，3个叶片4端部分别固定于上下圆盘支31，32，叶片4围绕立柱21周向均匀分布，构成风轮。风轮实现风能的吸收和转换。
基础平台1可以是钢筋混凝土平台，可以是钢板，也可以是钢架结构。施工时要求基础平台1的上表面与水平面平行。
立柱21采用无缝钢管或实心钢棒料，底端与基础平台1焊接，立柱21与基础平台1连接处焊接6-8片加强筋以稳固立柱21。施工时要求立柱21与水平面垂直。立柱21上端加工轴承配合面和定位面以安装轴承，立柱21与轴承51，52的配合采用过渡配合。
轴承22两端加工轴承配合面和定位面以安装轴承51，52，并与轴承有过渡配合关系。轴承套22材料为无缝钢管。
圆盘支架31，32与轴承套22以螺钉固结。为减小风力机转动惯量，提高风力机整机机械性能，圆盘支架31，32采用中空结构只剩外围一圈和三根加强筋，见附图2。圆盘支架31，32材料为不锈钢或45#钢。装配叶片4时保证上下圆盘加强筋错开60°，见附图2。
螺旋型叶片4以美国航空标准翼型NACA4418为基础，共3片。叶片4采用实心结构，材料为铝合金，叶片4的主视图见附图3，俯视图见附图4。叶片4的外切圆柱直径为d，高为h，叶片4的高径比h/d取1.2。叶片4的旋转角为180°。
叶片4的展开图和剖视图见附图5、图6。图中α由高径比h/d＝1.2可以计算得
剖面A-A为延叶片4轴线的剖切面，剖面B-B为平行于水平面的的剖切面。风力机升力是以B-B剖面为基准计算的。根据美国航空标准翼型NACA4418曲线，可取B-B剖面外形尺寸比例如图B-B剖面所示。
叶片4制作方法如下：
方法一：将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到，见附图6中A-A剖面图，铝合金条长度计算公式为：
L = ( πd 2 ) 2 + h 2 ;
由于卷制过程中叶片材料厚度基本不变，故斜楔形厚度与B-B剖面给出的厚度一致；由于A-A剖面与B-B剖面有α角投影关系，因此A-A剖面图的斜楔形长度计算公式分别为l1＝17bgcosα和l3＝6bgcosα。将若干楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成平行四边形铝板；然后用卷板机将铝板卷曲成半圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径，即可保证每个叶片的旋转角为180°；将卷曲后的铝条拆开，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状(附图7所示外形)，最终形成的水平剖面如附图8所示的形状即可，即为一只螺旋叶片。
方法二：将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到；将若干斜楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成矩形铝板；用卷板机将铝板卷曲成圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径；将卷曲后的铝条拆开，沿圆筒轴线方向牵引铝条的两端至高径比h/d＝2.4；将铝条截断成高度相等的两部分，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状(附图7所示外形)，最终形成的水平剖面如附图8所示的形状即可，即为两只螺旋叶片。
叶片4端部与上下圆盘支架31，32以螺钉连接。
在工作时，风以一定方向和一定速度吹到螺旋型风轮上，按空气动力学的原理，风轮上任一平行于水平面的截面上均会有3个位置受到风的作用，见附图8。由于叶片4的横截面尺寸远远小于风轮直径尺寸，因此叶片4所受的阻力远远小于升力，故叶片每一截面所受合力延风轮径向和切向分解后，切向风力总是使叶片顺时针旋转。每个叶片从下圆盘支架32到上圆盘支架31延立柱21轴线方向积分，积分区间长度为h，就可得到每个叶片的转力力矩，将3个叶片的转力力矩叠加就得到风力机总的转动力矩。由于叶片旋转角为180°，且叶片数目至少2片，故在风力不变情况下，风轮一周上形成的切向力偶不变，因此风轮转速n恒定不变，不会出现波动。
若在立柱上安装传动机构和发电机，就可以将风力机捕获的风能转化为电能。

Claims (3)

1. 一种风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片，其特征是：叶片为螺旋型结构，旋转角为180°，高径比h/d为1.2，叶片材料为铝合金实心结构，叶片水平截面形状与美国标准航空翼型NACA4418相同或近似，叶片两端部分别加工通孔，用于与风力机固定圆盘连接。
2. 一种权利要求1所述的风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片的加工方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；
（2）将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到；
（3）将若干楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成平行四边形铝板；
（4）用卷板机将铝板卷曲成半圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径；
（5）将卷曲后的铝条拆开，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状，即为一只螺旋叶片。
3. 一种权利要求1所述的风力发电的螺旋型垂直轴风力机叶片的加工方法，其特征是：包括下列步骤：
（1）将铝合金板斜向切割成条状，倾斜角度α由螺旋型叶片高度和弦长计算得到；
（2）将铝条加工成横截面为楔形，楔形截面的长、宽及楔角由NACA4418转换计算得到；
（3）将若干斜楔形铝条紧密平行排列，各铝条端部焊接或采用其他方法固接成矩形铝板；
（4）用卷板机将铝板卷曲成圆筒形，其卷曲半径为所需螺旋叶片的旋转半径；
（5）将卷曲后的铝条拆开，沿圆筒轴线方向牵引铝条的两端至高径比h/d=2.4；
（6）将铝条截断成高度相等的两部分，将棱角稍加打磨至NACA4418截面形状，即为两只螺旋叶片。
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