CN102619697A

CN102619697A - 一种垂直轴风力发电机叶片及叶轮

Info

Publication number: CN102619697A
Application number: CN2012101131400A
Authority: CN
Inventors: 赵立华; 赵建华; 林荫; 柳明
Original assignee: 赵立华
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种能提高垂直轴风力发电机效率，运行稳定，无噪音的叶片及叶轮。本发明的垂直轴风力发电机叶片由主翼和辅翼构成，叶片横截面为翼型，辅翼向轮轴侧弯曲，上下对称设置并与主翼段连接构成叶片。上述弯曲结构叶片及采用该叶片制成的叶轮，叶片绕轮轴中心线旋转时，辅翼段能减小叶片的旋涡气流损失，提高风力发电机的效率；能增加叶片的转动力矩，实现叶轮的低风速启动运行；能减小叶片弯曲应力，叶片更轻，转速更快，增强叶轮运行的稳定性。叶片流线型外形，避免了与空气流的剧烈摩擦和切割，能消除风力发电机的噪声。

Description

一种垂直轴风力发电机叶片及叶轮

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种可微风启动、运行稳定、无噪声的垂直轴风力发电机的叶片及叶轮。

背景技术

风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。研究表明，与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有以下优越性：结构简单，风能利用率高，安装与维护方便，噪音低。但这种机型也存在启动力矩大，低风速启动困难，运行稳定性差的缺陷。公开号为CN1916397A的发明专利提出了一种垂直轴风力发电机的小翼装置解决上述问题，该专利公开的小翼装置采用薄片状的结构，装置结构简单，在叶轮旋转时可一定程度地缓解由于旋涡气流损失而使风能利用率降低的问题。但该小翼装置的横截面为非翼型结构，空气流相对流过小翼装置时对叶片不会产生升力作用；小翼装置非流线型的结构外形也加剧了叶轮旋转时与空气流的磨擦和切割作用，使风力发电机的运行噪声增大。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种能微风启动，运行稳定性好，无噪音且结构简单的垂直轴风力发电机叶片及叶轮。

为了达到上述目的，本发明的垂直轴风力发电机的叶片由主翼和辅翼构成，叶片横截面采用机翼流线型横截面外形，叶片外形为上下对称配置，见图1，图4，图5。

如图6所示，主翼为叶片的中间直线段部分，是构成叶片的主要部分；辅翼是指叶片主翼辅助增加的弯曲段，包括上、下辅翼，辅翼向轮轴侧弯曲，与主翼连接成一体构成叶片；轮轴是指垂直轴风力发电机的铅垂回转轴。

如图5所示，主翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一平行于轮轴中心线的直线段；上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段圆弧和与此段圆弧靠近轮轴侧端点连接的一段直线，圆弧段与直线段相切，圆弧段的圆心角为α，15⁰≤α≤75⁰；上、下辅翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹圆弧的另一端点分别与主翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹的直线段的上、下端点连接，直线段与圆弧段相切；上、下辅翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面。

如图4所示，主翼和上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点分别分布于圆心在轮轴中心线上的一系列水平截面圆的圆周上。

为了达到上述目的，本发明的垂直轴风力发电机叶轮，包括轮轴和复数个叶片，叶片通过支持臂与轮轴固定连接，叶片横截面机翼的流线型横截面外形，叶片外形为上下对称。

如图6所示，轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴；叶片包括主翼和辅翼，辅翼分为上、下辅翼，上、下辅翼与主翼连接成一体构成叶片；支持臂是指叶片与轮轴的固定连接件。

如图5，图6所示，主翼是指叶片的中间直线段部分，是构成叶片的主要部分；辅翼是指叶片主翼辅助增加的弯曲段，上、下辅翼向轮轴侧弯曲与主翼连接成一体；主翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段平行于轮轴中心线的直线；辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段圆弧和与此段圆弧靠近轮轴侧端点连接的一段直线，圆弧段与直线段相切，圆弧段的圆心角为α，15⁰≤α≤75⁰；上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹圆弧段的另一端点分别与主翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹的直线段的上、下端点连接，直线段与圆弧段相切；上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面。

上述结构的垂直轴风力发电机叶片以及采用上述结构的垂直轴风力发电机叶片制成的叶轮，叶片的上、下辅翼向轮轴侧弯曲延长，如图1，图5所示。此构形设置能避免叶轮旋转时由于叶片逆风面和顺风面存在的压力差而产生旋涡气流，解决因旋涡气流损失使风能利用率降低的问题。

如图4所示，分析了叶片及叶轮工作时的受力情况。为风速，

为叶轮转动角速度，

为叶片旋转运动的切向速度。辅翼横截面为翼型，气流流过辅翼时产生动力

，此动力分解为沿气流流过叶片时的相对速度

方向上的阻力

和垂直于气流相对速度方向的升力，阻力

作用于叶轮，形成对叶轮的正面压力；升力

一方面为叶片的旋转运动增加动力（沿圆周切线方向的分力），实现叶轮低风速启动运行；另一方面克服因叶片旋转运动产生的离心力作用（沿径向分力），减小叶片所受的弯矩，进而减小叶片所受的弯曲应力，使叶片更轻，转速更快，运行更稳定。

进一步地，如图1，图6所示，叶片流线型的外形设计（包括辅翼段），避免了叶轮旋转时叶片与空气流剧烈摩擦和切割作用，消除了叶轮旋转时的噪声。

附图说明

图1为本发明的叶片辅翼示意图。

图2为本发明叶轮主视投影示意图。

图3为本发明叶轮俯视投影示意图。

图4为本发明叶轮C－C断面及受力分析示意图。

图5为本发明过叶片横截面弦中点轨迹的断面示意图。

图6为本发明叶轮轴测投影示意图。

1-上辅翼；2-主翼；3-下辅翼；4-轮轴；5-支持臂；A-翼型前缘点；B-翼型后缘点。图4和图5中叶片横截断面以实心断面绘制，本发明也包括叶片的空心结构形式。

实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明的垂直轴风力发电机叶片及叶轮作进一步详细说明。

如图4所示，本发明垂直轴风力发电机的叶片横截面为翼型，本发明所指的翼型是指机翼的流线型横截面，当空气流过此种横截面外形的叶片时，叶片获得的升力分布为鸟翼状，升力可以为叶轮的旋转提供动力，本发明的叶片横截面可以为任意翼型，本实施例采用如下坐标描述的对称翼型，（1.0000，0.00158），（0.9500，0.01008），（0.9000，0.01810），（0.8000，0.03279），（0.7000，0.04580），（0.6000，0.05704），（0.5000，0.06617），（0.4000，0.07254），（0.3000，0.07502），（0.2500，0.07427），（0.2000，0.07172），（0.1500，0.06682），（0.1000，0.05853），（0.0750，0.05250），（0.0500，0.04443），（0.0250，0.03268），（0.0125，0.02367），（0.0000，0.0000），（0.0125，-0.02367），（0.0250，-0.03268），（0.0500，-0.04443），（0.0750，-0.05250），（0.1000，-0.05853），（0.1500，-0.06682），（0.2000，-0.07172），（0.2500，-0.07427），（0.3000，-0.07502），（0.4000，-0.07254），（0.5000，-0.06617），（0.6000，-0.05704），（0.7000，-0.04580），（0.8000，-0.03279），（0.9000，-0.01810），（0.9500，-0.01008），（1.0000，-0.00158）。

如图1，图4所示，横截面前缘点A与后缘点B之间的连线弦中点分别分布在圆心在轮轴回转轴线上的一系列水平平行的截面圆圆周上，截面圆直径的大小随圆心在回转轴线上的位置变化而变化，圆周分布于主翼段的截面圆半径最大，为420mm；圆周分布于辅翼段的截面圆随圆心向叶尖的变动而半径逐渐减小，圆心至翼尖时截面圆半径最小，为360mm。上、下辅翼向轮轴侧弯曲，弯曲半径为55mm，弯曲段圆弧所对圆心角为45^o，并有10mm的直线延长段，叶尖部为半圆外形，此种构形设置能避免叶片逆风面和顺风面之间压力差作用下的空气流动形成的旋涡气流，使发电效率最高，稳定性最好。

如图4所示，为叶轮旋转时的受力情况分析。上、下辅翼横截面为翼型，叶片随叶轮绕轮轴中心线作旋转运动时，气流流过辅翼时产生动力，此动力分解为沿气流流过叶片时的相对速度

方向上的阻力

和垂直于气流相对速度方向的升力

，阻力

作用于叶轮，形成对叶轮的正面压力；升力

一方面为叶片的旋转运动增加动力（沿圆周切线方向的分力），实现叶轮低风速启动运行；另一方面克服因叶片旋转运动产生的离心力作用（沿径向分力），减小了叶片所受的弯矩，进而减小了叶片的弯曲应力，使叶片更轻，转速更快，运行更稳定。

如图1，图5，图6所示，叶片流线型的外形设计，避免了叶轮旋转运转时对空气流的剧烈摩擦和切割作用，消除了噪声。

如图2，图3，图6所示，本发明的垂直轴风力发电机叶轮由轮轴和复数个叶片构成，图示为三片叶片（不限于三片）和轮轴4构成，六根支持臂5将三片叶片与轮轴4固定连接，构成叶轮的三片叶片沿叶轮的圆周方向均匀布置，叶片横截面前缘点A与后缘点B之间的连接弦中点轨迹所在平面过轮轴中心线，三片叶片的回转中心线与轮轴的中心线重合，这样的设置可使阻力矩最小，叶片获得的动力扭矩最大。

如图6所示，叶片安装时需保证每片叶片均按照同一旋转方向安装。

本发明专利不只限于上述具体的实施例，凡利用上述原理和结构制作垂直轴风力发电机叶片及叶轮，不论对其尺寸及比例做出任何改变，均视为包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims

1.一种垂直轴风力发电机叶片，包括主翼和辅翼，其特征为：所述叶片横截面为翼型，主翼与辅翼连接构成叶片，叶片外形上下对称。

2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述翼型指机翼的流线型横截面外形。

3.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述主翼是指叶片的中间直线段部分，是构成叶片的主要部分。

4.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述辅翼是指叶片主翼辅助增加的弯曲段，包括上、下辅翼，辅翼向轮轴侧弯曲并与主翼连接成一体。

5.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴。

6.如权利要求1和3所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述主翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一平行于轮轴中心线的直线段。

7.如权利要求1和4所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段圆弧和与此段圆弧靠近轮轴侧端点连接的一段直线，圆弧段与直线段相切，圆弧段的圆心角为α，15⁰≤α≤75⁰。

8.如权利要求1和4所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述上、下辅翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹圆弧的另一端点分别与主翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹的直线段的上、下端点连接，直线段与圆弧段相切。

9.如权利要求1和4所述上、下辅翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面。

10.如权利要求1和3和4所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述主翼和上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点分别分布于圆心在轮轴中心线上的一系列水平截面圆的圆周上。

11.一种垂直轴风力发电机叶轮，包括轮轴和复数个叶片，叶片通过支持臂与轮轴固定连接，其特征为：所述叶片横截面为翼型，叶片外形上下对称。

12.如权利要求11所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴。

13.如权利要求11所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述叶片包括主翼和辅翼，辅翼包括上、下辅翼，上、下辅翼与主翼连接成一体构成叶片。

14.如权利要求11所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述支持臂为叶片与轮轴的固定连接件。

15.如权利要求11所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述翼型指机翼的流线型横截面外形。

16.如权利要求11和13所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：主翼是指叶片的中间直线段部分，是构成叶片的主要部分。

17.如权利要求11和13所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述辅翼是指叶片主翼辅助增加的弯曲段，上、下辅翼向轮轴侧弯曲并与主翼连接成一体。

18.如权利要求11和13和16所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述主翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段平行于轮轴中心线的直线。

19.如权利要求11和13和17所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹为一段圆弧和与此段圆弧靠近轮轴侧端点连接的一段直线，圆弧段与直线段相切，圆弧段的圆心角为α，15⁰≤α≤75⁰。

20.如权利要求11和13和17所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹圆弧段的另一端点分别与主翼段横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹的直线段的上、下端点连接，直线段与圆弧段相切。

21.如权利要求11和13和17所述的垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面。

22.如权利要求11和13和16和17所述的垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述主翼和上、下辅翼横截面前缘点与后缘点间连接弦的中点分别分布于圆心在轮轴中心线上的一系列水平截面圆的圆周上。