CN102661239B - 一种高效利用风能的多翼集流叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效利用风能的多翼集流叶片，它包括至少两个翼和至少一个相邻翼之间形成的域，通过对每个所述翼和所述域的形状设计，使相邻的所述翼对流过其间所述域的流体产生一种集流效应，所述域是其前面相邻翼的后凹面与后面相邻翼的前凸面之间形成的空间，并且所述相邻翼的后凹面、前凸面是朝向上偏前方向；通过设置所述相邻翼之间的相对方位以增强所述集流效应，增大流过所述域的流体的动能而提高所述域后面相邻翼的升力，从而提高由所述翼和所述域组成的整体多翼叶片的风能利用系数。上述高效利用风能的多翼集流叶片，充分利用了伯努利（Bernoullieffect）效应，设计更趋合理。
Description
技术领域
本发明属于风力机(亦称风车或风机)技术领域，具体涉及一种能够高效利用风能的风力机叶片。
背景技术
叶片的风能利用系数(表示为Cp，又称风能利用效率)是叶片性能的体现，叶片的Cp与空气流过叶片翼型产生的升力有关，而翼型产生的升力由构造翼型流线型的形状确定，因此叶片的Cp性能由其构成的翼型形状确定。提高叶片的Cp是研发高性能风电技术中最根本的技术。现有的风力发电产品的叶片均是单翼片，翼片的翼型有飞机用的NACA系列，风轮叶片专用的SERI系列、NREL系列、RISΦ-A系列、GOE系列和FFA-W系列等。由这些翼型构成的单翼叶片由于自身没有集流效应，不能提高风能利用效率，这也是造成单翼叶片在中低风速范围性能欠佳的原因之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与单翼叶片相比具有相对高Cp的多翼集流叶片。
本发明描述中使用的相关术语释义：
翼型(aerofoil)是指由符合某种空气动力学特性的流线型曲线构成的二维形状。例如，沿机翼之展向的每一个垂向切面都被称为翼型。翼型有种类和大小之分，例如NACA4412和NACA0015是两个翼型、也是两种翼型，两个不同弦长的NACA4412是两个翼型、但是一种翼型。
翼片(airfoil)是指由符合某种空气动力学特性的流线型曲面构成的三维形状。例如，机翼、翼型在空间排布的包络面形成的三维体。由一个翼型形成的翼片是等宽的、一种翼型形成的翼片不定是等宽的。
叶片(blade)是指风力机吸收风能的基本单元，若干该单元均匀分布在轮毂的圆周上。本发明中所述的叶片是指由至少两个翼片构成的叶片, 它仍然是风力机吸收风能的基本单元。
在二维空间里，翼片映现为翼型，因此在三维空间里描述的翼片，在二维空间里就应该描述为翼型。为避开描述上的羁绊，翼片和翼型均简称翼，在三维空间里指翼片、在二维空间里指翼型。
方位是指相邻翼之间的相对方向与位置。
域是相邻翼之间形成的流体流动空间的简称。
本发明多翼集流叶片的表示方法：
字母G代表多翼集流叶片、数字n(n≥2)代表翼的数目、数字i(i=1,2,……,n)代表头部起始的第i个翼的编号、字母f代表两个翼之间的域，ni代表n个翼中的第i个翼、fij代表第i个翼与第j个翼之间的域。例如， G3代表由翼31、域f12、翼32、域f23和翼33构成的三翼集流叶片，Gn代表由翼n1、域f12、翼n2、……、翼ni、域fij、翼nj、……、翼n(n-1)、域f(n-1)n和翼nn构成的多翼集流叶片。
本发明的目的可以通过采取以下技术方案来实现：
一种高效利用风能的多翼集流叶片，它包括至少两个翼和至少一个相邻翼之间形成的域，通过对每个所述翼和所述域的形状设计，使相邻的所述翼对流过其间所述域的流体产生一种集流效应，所述域是其前面相邻翼的后凹面与后面相邻翼的前凸面之间形成的空间，并且所述的相邻翼后凹面、前凸面是朝向上偏前方向；通过设置所述相邻翼之间的相对方位以增强所述集流效应，增大流过所述域的流体的动能而提高所述域后面相邻翼的升力，从而提高由所述翼和所述域组成的整体多翼叶片的风能利用系数。
所述的翼为n个，由n个翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)和n-1个由翼ni与翼nj之间的域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)构成多翼叶片Gn，通过所述n个翼ni和所述n-1个翼ni与翼nj之间的所述域fij的形状设计、以及所述n-1个翼ni与翼nj之间相对方位的设置，所述域fij是翼ni的后凹面与翼nj的前凸面之间形成的空间，并且所述后凹面、前凸面是朝向上偏前方向；使所述翼ni将通过所述域fij的流体聚集流向所述翼nj上表面的切线方向，给所述翼nj上表面的边界层提供更大的流体动能，来减小层流分离而使所述翼nj的升力增大，从而提高了所述多翼叶片Gn的风能利用系数Cp；通过调制所述翼ni与所述翼nj之间的相对方位，控制所述翼nj的升力值，进而控制所述多翼叶片Gn的功率。
所述的翼为n个，排头的翼n1界定为集流翼C，其余的翼ni(i=2,……,n)构成子叶片Dm(m=n-1)，集流域F是集流翼C与子叶片Dm之间的域，它由集流翼C的下表面和子叶片Dm前缘上部之间的空间形成，由集流翼C、集流域F和子叶片Dm(m=n-1)构成多翼叶片Gndm，其中所述子叶片Dm由m个翼mi(m=n-1≥1、i=1,2,……,m)和m-1个翼mi与翼mj之间的域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m-1)构成，通过所述集流翼C形状设计、m个所述翼mi形状设计和所述集流域F和m-1个翼mi与翼mj之间的所述域fij的形状设计，以及所述集流翼C与翼m1之间的相对方位、翼mi与翼mj之间的相对方位设置，所述域fij是所述翼mi的后凹面与所述翼mj的前凸面之间形成的空间，并且所述后凹面、前凸面是朝向上偏前方向，使集流翼C将通过集流域F的流体聚集流向翼m1上表面的切线方向、翼mi将通过域fij的流体聚集流向翼mj上表面的切线方向，给翼mi上表面的边界层提供更大的流体动能，来减小层流分离而使翼mi的升力增大，从而提高了叶片Gndm的风能利用系数Cp；通过调制集流翼C相对于翼m1所处的方位、翼mi相对于翼mj所处的方位，控制翼mi的升力值，进而控制叶片Gndm的功率。
以某种单翼A的形状作为所述多翼叶片Gn或Gndm的外轮廓，其效果是能减小叶片Gn的阻力。
以某种单翼B的形状作为所述多翼叶片Gndm中的子叶片Dm的外轮廓，其效果是能减小子叶片Dm(m≥2)的阻力。
本发明提供的上述高效利用风能的多翼集流叶片，充分利用了伯努利（Bernoulli effect）效应，设计更趋合理，该叶片能够对流过所述域的流体产生集流效应，从而提高所述多翼叶片的风能利用系数Cp。
附图说明
图1a、图1b、图1c分别是本发明双翼、三翼和四翼集流叶片G2、G3和G4的一种构形示意图。
图2a、图2b、图2c、图2d分别是本发明双翼、三翼、四翼和五翼集流叶片G2d1、G3d2、G4d3和G5d4的一种构形示意图。
图3是本发明多翼集流叶片Gn的构型通式示意图。
图4是本发明多翼集流叶片Gndm的构型通式示意图。
图5a、图5b、图5c分别是本发明由某种翼A构造集流叶片G2、G3和G4外轮廓的一种构形示意图。
图6a是本发明叶片G2d1的一种构形示意图，其中子叶片D1为单翼子叶片。图6b、图6c、图6d分别是本发明以图6a中子叶片D1为翼B构造子叶片D2、D3和D4外轮廓的的集流叶片G3d2、G4d3和G5d4中的一种构形示意图。
图7是图6a中Ψ1的放大图、是本发明集流叶片G2d1调制集流翼C相对于翼11 (即子叶片D1)所处方位的一种示意图。
图8是图5a和图6b中Ψ2的放大图、是本发明集流叶片G2和叶片G3d2中子叶片D2调制翼21相对于翼22所处方位的一种示意图。
图9是图5b和图6c中Ψ3的放大图、是本发明叶片G3和叶片G4d3中子叶片D3调制翼32相对于翼33所处方位的一种示意图。
图10是图5c和图6d中Ψ4的放大图、是本发明叶片G4和叶片G5d4中子叶片D4调制翼43相对于翼44所处方位的一种示意图。
图11a、图11b分别是本发明叶片Gndm调制集流翼C相对于子叶片Dm的翼m1所处方位和调制翼mi相对于翼mj所处方位的一种示意图。
图12是本发明叶片Gn调制翼ni相对于翼nj所处方位的一种示意图。
图13是本发明由叶片G2d1的子叶片D1形成的一种单翼叶片构形示意图。
图14a、图14b分别是本发明由某种翼B构造一种叶片G4d3中子叶片D3的外轮廓和由某种翼A构造叶片G4d3的外轮廓的一种构形示意图。
图14c是以图14b中Ω的放大图为例，说明按某种翼A的形状构造一种叶片G4d3的示意图。
图14d、图14e、图14f是一种分步骤构造叶片G4d3的示意图。
图15是本发明叶片G2d1、G3d2、G4d3和D1的Cp随转角θ变化的示意图。
图16是本发明叶片G2d1的计算流体动力学(CFD)的流场示意图。
图17是由本发明叶片G2d1形成的一种三维叶片示意图。
图18是由本发明叶片G2d1形成的另一种三维叶片示意图。
图19是由本发明叶片G3形成的一种三维叶片示意图。
图20是由本发明叶片G4形成的一种三维叶片示意图。
图21a、图21b是由本发明叶片G2d1形成的两种三维螺旋型叶片示意图。
图22a、图22b是由本发明叶片G2d1形成的两种三维Φ型叶片示意图。
具体实施方式
本发明提供的高效利用风能的多翼集流叶片，包括至少两个翼和至少一个相邻翼之间形成的域，通过对每个所述翼和所述域的形状设计，要能使相邻的所述翼对流过其间所述域的流体产生一种集流效应，并且通过设置所述相邻翼之间的相对方位以增强所述集流效应、增大流过所述域的流体的动能而提高所述域后面的所述翼的升力，从而提高整体所述多翼叶片的风能利用系数Cp；上述的多翼集流叶片的构造要点，一是设计的判据是构造形成的每个所述翼和所述域的形状必须能使流过所述域的流体流向所述域后面相邻翼上表面的切线方向，这样所述域的形状必须由其前面相邻翼的后凹面和后面相邻翼的前凸面之间的空间构成、并且所述后凹面和前凸面上部两者的共同特征是朝向上偏前方向的流线型曲线，所述域的形状与其两边相邻的所述翼的形状之间有相互的匹配性；二是所述相邻翼之间相对方位设置的判据是对流过所述域的流体产生的集流效应能最大程度地提高所述域后面相邻翼的升力。在空气动力学领域，翼的形状是由流线型曲线构成的，而流线型曲线没有对应的描述参量变化规律的数学函数解析表达式、只能用坐标点数值描述，由于本发明的所述翼和所述域的形状之间相互的匹配性是相对的，因此符合设计判据构造的所述翼和所述域的形状不具有唯一性，坐标点数值的描述方法不能概括本发明设计技术构造结果的全貌。在本发明所述翼和所述域的形状设计中，针对设计目标制定的上述两个判据是构造所述多翼集流叶片的关键技术，在所述两个判据的指引下，设计步骤是构造→成形→检测→分析→再构造→再成形→在检测→再分析→……→直到构造出风能利用系数Cp对转角θ的平均值为极大值<Cp>max对应的形状和方位为止，本发明构造了近百个所述多翼集流叶片，在10米/秒风速下，有十几个多翼集流叶片的<Cp>max 达到0.20～0.25、最大值Cpmax达到0.35～0.40，但它们所属的所述翼和所述域的形状以及所述相邻翼之间的相对方位是不同的。
所述的翼为n个，依次由翼n1、域f12、翼n2、……、翼ni、域fij、翼nj、……、翼n(n-1)、域f(n-1)n和翼nn构成叶片Gn，即由n个翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)和n-1个由翼ni与翼nj之间的域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)构成叶片Gn，通过所述n个翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)和所述n-1个翼ni与翼nj之间的所述域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)的形状设计、以及所述n-1个翼ni与翼nj之间相对方位的设置，所述域fij由所述翼ni的后凹面和所述翼nj的前凸面上部之间的空间形成、并且所述翼ni的后凹面和所述翼nj的前凸面上部两者都是凸面朝向上偏前方向的流线型，使所述翼ni将通过所述域fij的流体聚集流向所述翼nj上表面的切线方向，给所述翼nj上表面的边界层提供更多的流体动能，来减小层流分离而使所述翼nj的升力增大，从而提高了所述叶片Gn的风能利用系数Cp；通过调制所述翼ni相对于所述翼nj所处的方位而能控制所述翼nj的升力值，进而就能控制所述叶片Gn的功率。可见，本发明的叶片Gn具有相对高的Cp性能和控制功率的功能，因此适应更宽的风速范围。
所述的翼为n个，排头的翼n1界定为集流翼C，其余的翼ni(i=2,……,n) 构成子叶片Dm(m=n-1)，集流域F是集流翼C与子叶片Dm之间的域、由集流翼C的下表面和子叶片Dm前缘上部之间的空间形成，由集流翼C、集流域F和子叶片Dm(m=n-1)构成叶片Gndm，其中的所述子叶片Dm由翼m1、域f12、翼m2、……、翼mi、域fij、翼mj、……、翼m(m-1)、域f(m-1)m和翼mm构成，即由m个翼mi(m=n-1≥1、i=1,2,……,m)和m-1个翼mi与翼mj之间的域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m)构成，通过所述集流翼C和m个所述翼mi(m=n-1≥1、i=1,2,…,m)以及所述集流域F和m-1个翼mi与翼mj之间的所述域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m-1)的形状设计、所述集流翼C和m个所述翼mi(m=n-1≥1、i=1,2,…,m)之间的相对方位设置，所述域fij由所述翼mi的后凹面和所述翼mj的前凸面之间的空间形成、并且所述翼mi的后凹面和所述翼mj的前凸面上部两者是凸面朝向上偏前方向的流线型，使集流翼C将通过集流域F的流体聚集流向翼m1上表面的切线方向、翼mi将通过域fij的流体聚集流向翼mj上表面的切线方向，给翼mj上表面的边界层提供更多的流体动能，来减小层流分离而导致翼mj的升力增大，从而提高了叶片Gndm的Cp；通过调制集流翼C相对于翼m1所处的方位、翼mi相对于翼mj所处的方位，而能控制翼翼m1、mj的升力值，进而就能控制叶片Gndm的功率，当m≥2时，子叶片Dm与所述叶片Gn的特征完全相同。
一种设计所述多翼集流叶片的方法,是以某种单翼A的形状为所述多翼集流叶片的外轮廓，在所述单翼A的上、下表面之间连接至少两条流线型曲线形成至少一个缝形空间，所述两条流线型曲线的凸面朝向上偏前的方向，并在所述两条流线型曲线与所述单翼A的上、下表面的结合部进行流畅性过度的流线型构造，再去掉流畅性构造后形成的所述两条流线型曲线之间的所述单翼A的部分，这样构成的缝形空间就是所述域的形状，所述域两边保留的所述单翼A的部分形成至少由两个闭合流线型曲线构成的形状，每个闭合的流线型曲线形状就是设计形成的每个所述翼；设计中，形状的判别标准是构造的每个所述翼和所述域的形状能使流过所述域的流体流向所述域后面的所述翼上表面的切线方向；所述域宽窄尺度的判别标准是对流过所述域的流体产生的集流效应能最大程度地提高所述域后面的所述翼的升力，从而提高整体所述多翼叶片的风能利用系数Cp。以某种单翼A的形状为所述多翼集流叶片的外轮廓形状的设计方法的效果是能减小多翼集流叶片的阻力。
所述的翼为n个，依次由翼n1、域f12、翼n2、……、翼ni、域fij、翼nj、……、翼n(n-1)、域f(n-1)n和翼nn构成叶片Gn，即由n个翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)和n-1个由翼ni与翼nj之间的域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)构成叶片Gn，以某种单翼A的形状为所述叶片Gn的外轮廓，在所述单翼A的上、下表面之间连接2(n-1)条其凸面朝向上偏前方向的流线型曲线形成n-1个缝形空间，并在形成每个所述缝形空间的两条流线型曲线与所述单翼A上、下表面的各两个结合部进行流畅性过度的流线型构造，再去掉流畅性构造后形成的n-1个缝形空间内的所述单翼A的部分，这样构成的空间就是n-1个所述域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)的形状，n-1个所述域fij两边保留的所述单翼A的部分形成n个由闭合流线型曲线构成的形状，就是设计形成的n个所述翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)，设计所述翼ni和所述域fij形状的判别标准以及所述域fij宽窄尺度的判别标准是所述翼ni将通过所述域fij的流体聚集流向所述翼nj上表面的切线方向，给所述翼nj上表面的边界层提供更多的流体动能，来减小层流分离而使所述翼nj的升力增大，从而提高了所述叶片Gn的风能利用系数Cp。
用同样的设计方法，以某种单翼B的形状为所述叶片Gndm中的子叶片Dm的外轮廓，构造子叶片Dm的m个所述翼mi(m≥2、i=1,……,m)和m-1个所述域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m-1)的形状和所述的方位。
用同样的设计方法，即以某种单翼A的形状为所述叶片Gndm的外轮廓，又以某种单翼B的形状为所述叶片Gndm中的子叶片Dm的外轮廓，构造集流翼C和子叶片Dm的m个所述翼mi(m≥2、i=1,……,m)和m-1个所述域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m-1)的形状和所述的方位。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1a、图1b、图1c所示的双翼G2、三翼G3和四翼G4集流叶片，它们分别包括两个翼21、22，三个翼31、32、33和四个翼41、42、43、44，相邻翼之间的域分别为f12，f12、f23及f12、f23、f34，每个翼的形状设计、翼之间彼此的流线型匹配和相对方位的设置，须能对流过相邻翼之间域的流体产生一种集流效应，增大流过所述域流体的动能而提高所述域后面的所述翼的升力，从而提高整体叶片的风能利用系数。
如图2a、图2b、图2c、图2d所示的双翼G2d1、三翼G3d2、四翼G4d3和五翼G5d4集流叶片，排头的翼C具有特殊性，无论是几翼集流叶片，排头的翼C形状特征都是相同的，只起集流作用，自身的升力不能提高。而其余的翼担当叶片的动力翼角色，它们和相邻翼之间的域形成与图1中对应叶片有相同特征的子叶片D2、D3 和D4，还包括子叶片为一翼D1的情况。集流翼C与子叶片D1、 D2、 D3 、D4之间的域命名为集流域F。此处将子叶片D变为d强调了此类叶片仍然是本发明多翼集流叶片的一种。叶片中的集流翼C仅起集流作用，这给起动力翼作用的子叶片Dm有更大弦长的空间。
图3和图4分别是本发明叶片Gn和叶片Gndm的示意图，其中虚线形状代表由“……”表示的诸翼和翼之间域构成部分形成的轮廓、并不代表某个翼的形状，“叶片Gn由翼n1、域f12、翼n2、……、翼ni、域fij、翼nj、……、翼n(n-1)、域f(n-1)n和翼nn构成”和“叶片Gndm是由集流翼C、集流翼C与子叶片之间的域F、子叶片Dm(m=n-1)由翼m1、域f12、翼m2、……、翼mi、域fij、翼mj、……、翼m(m-1)、域f(m-1)m和翼mm构成”的通用表述对应的通用意义上的示意图，叶片Gndm是一种有更大Cp的叶片Gn。
图5、图6所示的本发明实施例与图1和图2所示的本发明实施例之间的不同在于：图5所示叶片的外轮廓按某种翼A形状构造，图6所示叶片中的子叶片外轮廓按某种翼B形状构造，在m=1时，子叶片D1是单翼叶片，子叶片D1的翼型作为所述翼B的一种选择，其中某种翼A、某种翼B可以是现有的某种翼型，也可以是未来性能更佳的某种翼型。而图1和图2所示叶片的构造没有这种外轮廓的要求，其阻力相对大于外轮廓有翼的形状规范构造叶片的。
图7、图8、图9和图10分别依次显示图5和图6所示的所述叶片的Ψ1、Ψ2、Ψ3和Ψ4部位的放大图。图6a所示叶片G2d1由集流翼C和翼11(即子叶片D1)构成，当调制集流翼C相对于翼11所处方位时(图7中的虚线所示)，就能改变流过集流域F流体的通量和流速、继而改变流到翼11上表面流体的动能和流向，致使翼11上表面的层流分离和翼11的升力值出现变化，因而能调制G2d1的Cp，达到控制功率的目的。同理，在图5a和图6b所示叶片G2和G3d2中，调制翼21相对于翼22所处的方位(图8中的虚线所示)，就能改变流过域f12流体的通量和流速、继而改变流到翼22上表面流体的动能和流向，致使翼22上表面的层流分离和翼22的升力值出现变化，因而能调制G2和G3d2的Cp，达到控制功率的目的。在图5b和图6c所示叶片G3和G4d3中，调制翼32相对于翼33所处的方位(图9中的虚线所示)，就能改变流过域f23流体的通量和流速、继而改变流到翼33上表面流体的动能和流向，致使翼33上表面的层流分离和翼33的升力值出现变化，因而能调制G3和G4d3的Cp，达到控制功率的目的。在图5c和图6d所示叶片G4和G5d4中，调制翼43相对于翼44所处的方位(图10中的虚线所示)，就能改变流过域f34流体的通量和流速、继而改变流到翼44上表面流体的动能和流向，致使翼44上表面的层流分离和翼44的升力值出现变化，因而能调制G4和G5d4的Cp，达到控制功率的目的。用同样的方法，调制集流翼C相对于翼21、翼31、翼41所处方位、调制翼31相对于翼32所处方位、调制翼41相对于翼42所处方位和调制翼42相对于翼43所处方位时，均能以上述对翼11、翼22、翼33和翼44产生作用的机理，同样达到控制功率的目的。
图11a、图11b和图12分别示出对叶片Gndm和叶片Gn调制方位的通用意义上的示意图，调制集流翼C相对于翼m1所处方位的变化由图11a中的虚线所示、调制翼mi相对于翼mj所处方位的变化由图11b中的虚线所示、调制翼ni相对于翼nj所处方位的变化由图12中的虚线所示。
如图13所示的是用于对比的单翼叶片D1。
图14a、图14b所示子叶片D3和叶片G4d3两者的外轮廓分别按某种翼B形状和按某种翼A形状构造。
图14c是在图14b中Ω的放大图中，以所述翼A的形状为构造G4d3的外轮廓，在所述单翼A的上、下表面之间连接2(4-1)=6条由虚线所示的凸面朝向上偏前方向的流线型曲线形成了3个由横线阴影区域所示的缝形空间，在形成的每个横线阴影区域两边的流线型曲线与所述翼A上、下表面的结合部进行流畅性过度的流线型构造，又形成了由斜线阴影区域所示的部分，去掉由横线和斜线阴影区域内的所述翼A的部分形成的3个空间，从所述翼A的前缘起始，依次就是图14b所示的集流域F、子叶片D3的域f12和域f23的形状，保留的所述翼A的部分依次就是图14b所示的集流翼C、子叶片D3的翼31、翼32和翼33的形状。上述横线阴影区域的形状构造的要点是确定形成域中流体的流向符合构形的判据，斜线阴影区域是多次构造成形的，即集流翼C的下表面、翼31的前凸面和后凹面、翼32的前凸面和后凹面以及翼33的前凸面是多次构造成形的，最终形成的所述集流翼C、子叶片D3的翼31和翼32将通过所述集流域F、子叶片D3的域f12和域f23中流过的流体聚集流向所述翼31、翼32和翼33上表面的切线方向，所述集流域F、子叶片D3的域f12和域f23宽窄尺度或它们相邻翼之间相对方位是在与图16所示相邻翼之间类似的区域中流体有显著的集流效应；这样给所述子叶片D3的翼31、翼32和翼33上表面的边界层提供更多的流体动能，来减小层流分离而使所述翼31、翼32和翼33的升力增大，最终确定的叶片G4d3构形是一系列构造的集流翼C、子叶片D3的翼31、翼32和翼33及其相对方位中对应叶片G4d3的风能利用系数Cp对转角θ的平均值为极大值<Cp>max的形状和方位。
一种分别构造叶片G4d3所属翼和域的设计方法由图14d、图14e、图14f所示，图14d所示的第一步是以单翼A为外轮廓，构造出对应<Cp>max1的叶片G2d1′的集流翼C、集流域F和子叶片D1′的形状和方位；图14e所示的第二步是以确定的子叶片D1′为外轮廓(类似图6b的翼B)构造子叶片D2′的翼21′、域f12和翼22′，它们与第一步确定的集流翼C和集流域F配合构造出对应<Cp>max2的叶片G3d2′中子叶片D2′的翼21′、域f12和翼22′的形状和方位；图14f所示的第三步是以翼22′为外轮廓构造子叶片D3的翼32、域f23和翼33，它们与第一步确定的集流翼C和集流域F、第二步确定的翼21′和域f12配合构造出对应<Cp>max的叶片G4d3，翼21′就是确定的翼31。这种分步逐个构造翼和域方法的优点是利于分析形状和方位与性能之间的关系。
如图15、图16所示，以图6所示的双翼、三翼和四翼集流叶片G2d1、G3d2 G4d3以及图13所示的用于对比的单翼叶片D1为实施例，进行了大量的计算流体动力学仿真模拟和试验，研究结果表明上述的多翼集流叶片的Cp相比同弦长单翼叶片D1有显著提高，特别是在中低风速区间其Cp有大幅的提高。由图15所示，叶片D1、G2d1、G3d2和G4d3的Cp依次提高、并且Cp的最大值随叶片构成翼的数量增加移向大转角θ角的方向。由图16所示，集流域F内的流线密度加大、颜色变亮(表示流速变快)并延续到下游翼上表面的一段长度上；这个现象体现了集流翼C将集流域F内流体的动能提高、并导向下游翼上表面的切线方向。综合图15和图16所示的研究结果，说明在本发明设计的多翼叶片构形中，构成叶片的各翼之间，相对流体流动的方向而言，上游翼对下游翼有聚集流体和导向流动方向、并给下游翼提供更大动能流体的作用，致使下游翼上表面的层流分离出现在更大转角处而提高了下游翼的升力。这就在理论上解释了图15所示的现象，证明了上述的上游翼与下游翼配合能对流体生产一种集流效应。因此，本发明的叶片起名为多翼集流叶片。
图17、图18、图21a、21b和图22a、图22b是本发明叶片G2d1的三维叶片示意图，图19和图20分别是本发明叶片G3和叶片G4的三维叶片示意图。图17、图19和图20所示的叶片能应用作为像“H”形、“Y”形、“Δ”形和“◇”形样式的立轴(又称垂直轴)风力机的叶片；图21a所示叶片的凹面朝外、图21b所示叶片的凹面朝内，它们能应用作为像螺旋形样式的立轴风力机的叶片；图22a所示叶片的凹面朝内、图22b所示叶片的凹面朝外，它们能应用作为像“Φ”形样式的立轴风力机的叶片；图18所示的叶片能应用作为水平轴风力机的叶片。
以上仅列举了本发明的三种叶片的应用，对本发明叶片Gn和叶片Gndm，当取n或m为不同值时，能形成的叶片种类很多，都能应用到包括上述风力机类型在内的众多风力机类型上。综合考虑风力机功率和叶片的制造、运输和安装成本等因素，所述n或m的取值范围优选2≤n≤30、1≤m≤29，原则上，在16≤n≤30、15≤m≤29的范围时，本发明的叶片较适于担当大功率风力机的叶片；在6≤n≤15、5≤m≤14的范围时，本发明的叶片较适于担当大中功率风力机的叶片；在4≤n≤10、3≤m≤9的范围时，本发明的叶片适于担当中功率风力机的叶片；当在2≤n≤5、1≤m≤4的范围时，本发明的叶片适于担当小功率及其以下功率风力机的叶片。这也体现本发明叶片有性价比的选择性优势。
Claims (10)
1.一种高效利用风能的多翼集流叶片，其特征是它是利用伯努利效应设计而成，包括至少两个翼和至少一个相邻翼之间形成的域，通过对每个所述翼和所述域的形状设计，使相邻的所述翼对流过其间所述域的流体产生一种集流效应，所述域的形状由其前面相邻翼的后凹面和后面相邻翼的前凸面之间的空间构成、并且所述后凹面和前凸面上部两者的共同特征是朝向上偏前方向的流线型曲线，所述域是流入端宽、流出端窄的通道构形；所述域的前面相邻翼将通过该域的流体聚集流向其后面相邻翼上表面的切线方向，所述域的形状与其两边相邻的所述翼的形状之间有相互的匹配性；所述相邻翼之间相对方位设置的判据是对流过所述域的流体产生的集流效应能最大程度地提高所述域后面相邻翼的升力，通过设置所述相邻翼之间的相对方位以增强所述集流效应，增大流过所述域的流体的动能而提高所述域后面相邻翼的升力，从而提高由所述翼和所述域组成的整体多翼集流叶片的风能利用系数；所述翼和所述域的形状设计中，设计步骤是构造→成形→检测→分析→再构造→再成形→在检测→再分析，如此循环直到构造出风能利用系数Cp对转角θ的平均值为极大值对应的形状和方位为止。
2.根据权利要求1所述的多翼集流叶片，其特征是所述的翼为n个，由n个翼ni(n≥2、i=1,2,……,n)和n-1个由翼ni与翼nj之间的域fij(j=i+1≤n、i=1,2,……,n-1)构成多翼叶片Gn，通过所述n个翼ni和所述n-1个翼ni与翼nj之间的所述域fij的形状设计、以及所述n-1个翼ni与翼nj之间相对方位的设置，所述域fij是翼ni的后凹面与翼nj的前凸面之间形成的空间，并且所述相邻翼的后凹面、前凸面是朝向上偏前方向；使所述翼ni将通过所述域fij的流体聚集流向所述翼nj上表面的切线方向，给所述翼nj上表面的边界层提供更大的流体动能，来减小层流分离而使所述翼nj的升力增大，从而提高了所述多翼叶片Gn的风能利用系数Cp；通过调制所述翼ni与所述翼nj之间的相对方位，控制所述翼nj的升力值，进而控制所述多翼叶片Gn的功率。
3.根据权利要求1所述的多翼集流叶片，其特征是所述的翼为n个，排头的翼n1界定为集流翼C，其余的翼ni(i=2,……,n)构成子叶片Dm(m=n-1)，集流域F是集流翼C与子叶片Dm之间的域，它由集流翼C的下表面和子叶片Dm前缘上部之间的空间形成，由集流翼C、集流域F和子叶片Dm(m=n-1)构成多翼叶片Gndm，其中所述子叶片Dm由m个翼mi(m=n-1≥1、i=1,2,……,m)和m-1个翼mi与翼mj之间的域fij(j=i+1≤m、i=1,2,……,m-1)构成，通过所述集流翼C形状设计、m个所述翼mi形状设计和所述集流域F和m-1个翼mi与翼mj之间的所述域fij的形状设计，以及所述集流翼C与翼m1之间的相对方位、翼mi与翼mj之间的相对方位设置，所述域fij是所述翼mi的后凹面与所述翼mj的前凸面之间形成的空间，并且所述相邻翼的后凹面、前凸面是朝向上偏前方向，使集流翼C将通过集流域F的流体聚集流向翼m1上表面的切线方向、翼mi将通过域fij的流体聚集流向翼mj上表面的切线方向，给翼mj上表面的边界层提供更大的流体动能，来减小层流分离而使翼mj的升力增大，从而提高了叶片Gndm的风能利用系数Cp；通过调制集流翼C相对于翼m1所处的方位、翼mi相对于翼mj所处的方位，控制翼mj的升力值，进而控制叶片Gndm的功率。
4.根据权利要求2或3所述的多翼集流叶片，其特征是以某种单翼A的形状作为所述多翼叶片Gn或Gndm的外轮廓。
5.根据权利要求3所述的多翼集流叶片，其特征是以某种单翼B的形状作为所述多翼叶片Gndm中的子叶片Dm的外轮廓。
6.根据权利要求2或4所述的多翼集流叶片，其特征是所述多翼叶片Gn中的所述n个翼的取值范围为2≤n≤30。
7.根据权利要求6所述的多翼集流叶片，其特征是所述多翼叶片Gn中的所述n个翼的取值范围为2≤n≤5。
8.根据权利要求3至5任一所述的多翼集流叶片，其特征是所述多翼叶片Gndm中的所述n个翼的取值范围为2≤n≤5、1≤m≤4。
9.根据权利要求3至5任一所述的多翼集流叶片，其特征是所述多翼叶片Gndm中的所述n个翼的取值范围为6≤n≤15、5≤m≤14。
10.根据权利要求3至5任一所述的多翼集流叶片，其特征是所述多翼叶片Gndm中的所述n个翼的取值范围为16≤n≤30、15≤m≤29。
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