CN102748207A

CN102748207A - 垂直轴风力发电机的叶片及叶轮

Info

Publication number: CN102748207A
Application number: CN2012102870715A
Authority: CN
Inventors: 赵立华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种带辅翼、结构简单、可微风启动、运行稳定、无噪声的H型垂直轴风力发电机叶片及叶轮。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，提高风力发电机的稳定性和效率；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。此构形叶片及叶轮结构简洁，美观，制作工艺简单，更适于产品的制造推广。

Description

垂直轴风力发电机的叶片及叶轮

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种带辅翼、结构简单、可微风启动、运行稳定、无噪声的H型垂直轴风力发电机叶片及叶轮。

背景技术

风力发电机分为水平轴和垂直轴两种，H型叶轮是垂直轴风力发电机的常见形式，具有结构简单、安装维护方便、可接受任意方向来风、噪音低的特点。直叶片叶轮由于结构原因，存在低风速启动困难，高速运行稳定性差的缺陷。叶轮工作时，因流过叶片的逆风面和顺风面的风速不同，气流作用于两面的压力不同，存在压力差，在此压力差的作用下，气流会越过叶片端部，由压力高的一面向压力低的另一面流动，在叶片端部附近产生涡旋气流，见图1。此涡旋气流一方面增加叶片运行的阻力，影响叶轮的稳定性；另一方面也会在叶片端部附近产生压力损失，使叶片受到的升力减小，降低了风能利用效率。同时，H型叶轮的叶片所受离心力作用随叶轮转速的加快而增加，增大了叶片的弯曲应力，也使叶轮的稳定性变差。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明在H型叶轮直翼型叶片上增加辅翼，提出一种结构简单，可微风启动，能增加风力机运行稳定性，提高风能利用效率的垂直轴风力发电机的叶片及叶轮。

为达到上述目的，本发明的垂直轴风力发电机的叶片由主翼和辅翼构成。主翼为叶片的中间直线段部分，其横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），其所有横截面前缘点A、后缘点B连接弦的中点轨迹为平行于轮轴中心线的直线段，是叶片的主要构成部分，见图2、图3、图6、图7。

辅翼是指主翼辅助增加的部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰），该圆弧所在的平面与轮轴中心线共面。

辅翼直线段外形由横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）的上弦曲面外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼直线段上、下端横截面最高、最低点C的内曲面（含平面）所围成；辅翼段叶片上、下对称配置，见图2、图3；辅翼过渡弯曲段与主翼段外形均匀连接成一体、构成完整叶片。

轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图7。叶片的主翼和上、下辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A与后缘点B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，见图5、图6。

为达到上述目的，由本发明的叶片制作的垂直轴风力发电机叶轮，包括复数枚叶片、轮轴和支持臂。叶片横截面为翼型的流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），外形为上下对称。叶片通过支持臂与轮轴固定连接，支持臂为叶片与轮轴的固定连接件，见图7。

主翼为叶片的中间直线段部分，其横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），其所有横截面前缘点A、后缘点B连接弦的中点轨迹为平行于轮轴中心线的直线段，是叶片的主要构成部分，见图2、图3、图6。

辅翼是指主翼辅助增加的部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰），该圆弧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，如图7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的旋涡气流，减小叶片上、下端部的压力损失，从而增加叶轮的动力扭矩，有效地解决了风能利用率降低的问题，亦能同时提高叶轮运行的稳定性。

如图6所示，为叶轮旋转至任意位置时的受力情况分析。叶片随叶轮绕轮轴中心线作旋转运动时，气流流过叶片时产生动力，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

的分力为叶片的旋转运动动力（沿圆周切线方向的分力）。

叶片辅翼段的受力分析原理与上述相同，上、下辅翼横截面为翼型，由于辅翼过渡弯曲段向轮轴侧弯曲（圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰）），辅翼段的升力可分解为沿圆周切线方向的切向分力和指向圆心方向的径向分力，切向分力增加了作用于叶轮的转动驱动力，使叶轮叶片在获得原直线翼转动驱动力的同时，又增加了部分转动驱动力，从而实现叶轮低风速启动。径向分力与离心力方向相反，减小了叶片旋转时的离心力，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。

进一步地，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。

进一步地，此结构的叶片及制成的叶轮结构简洁，外形美观、大方，制作工艺简单，更适合于产品的制造并进一步推广和应用。

附图说明

图1为垂直轴风力发电机直叶片端部压力损失示意图。

图2为本发明辅翼轴测投影示意图（轮轴侧内面为平面）。

图3为本发明过叶片横截面弦中点轨迹的断面示意图。

图4 为本发明主视投影示意图。

图5为本发明俯视投影示意图。

图6为本发明叶轮D－D截断面及受力分析示意图。

图7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-翼型横截面前缘点；B-翼型横截面后缘点；C-辅翼最高、最低点。图2、图3、图6中叶片横截面、断面以实心形式绘制，本发明亦包含叶片空心结构形式。

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6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外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）。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适合于制作垂直轴风力发电机的翼型，本实施例采用如下坐标描述的翼型：（1.00000，0.00000），（0.99893，0.00039），（0.99572，0.00156），（0.99039，0.00349），（0.98296，0.00610），（0.97347，0.00932），（0.96194，0.01303），（0.94844，0.01716），（0.93301，0.02166），（0.91573，0.02652），（0.89668，0.03171），（0.87592，0.03717），（0.85355，0.04283），（0.82967，0.04863），（0.80438，0.05453），（0.77779，0.06048），（0.75000，0.06642），（0.72114，0.07227），（0.69134，0.07795），（0.66072，0.08341），（0.62941，0.08858），（0.59755，0.09341），（0.56526，0.09785），（0.53270，0.10185），（0.50000，0.10538），（0.46730，0.10837），（0.43474，0.11076），（0.40245，0.11248），（0.37059，0.11345），（0.33928，0.11361），（0.30866，0.11294），（0.27886，0.11141），（0.25000，0.10903），（0.22221，0.10584），（0.19562，0.10190），（0.17033，0.09726），（0.14645，0.09195），（0.12408，0.08607），（0.10332，0.07970），（0.08427，0.07283），（0.06699，0.06541），（0.05156，0.05753），（0.03806，0.04937），（0.02653，0.04118），（0.01704，0.03303），（0.00961，0.02489），（0.00428，0.01654），（0.00107，0.00825），（0.00000，0.00075），（0.00107，-0.00566），（0.00428，-0.01102），（0.00961，-0.01590），（0.01704，-0.02061），（0.02653，-0.02502），（0.03806，-0.02915），（0.05156，-0.03281），（0.06699，-0.03582），（0.08427，-0.03817），（0.10332，-0.03991），（0.12408，-0.04106），（0.14645，-0.04166），（0.17033，-0.04177），（0.19562，-0.04147），（0.22221，-0.04078），（0.25000，-0.03974），（0.27886，-0.03845），（0.30866，-0.03700），（0.33928，-0.03547），（0.37059，-0.03390），（0.40245，-0.03229），（0.43474，-0.03063），（0.46730，-0.02891），（0.50000，-0.02713），（0.53270，-0.02529），（0.56526，-0.02340），（0.59755，-0.02149），（0.62941，-0.01958），（0.66072，-0.01772），（0.69134，-0.01596），（0.72114，-0.01430），（0.75000，-0.01277），（0.77779，-0.01136），（0.80438，-0.01006），（0.82967，-0.00886），（0.85355，-0.00775），（0.87592，-0.00674），（0.89668，-0.00583），（0.91573，-0.00502），（0.93301，-0.00431），（0.94844，-0.00364），（0.96194，-0.00297），（0.97347，-0.00227），（0.98296，-0.00156），（0.99039，-0.00092），（0.99572，-0.00042），（0.99893，-0.00011），（1.00000，0.00000）。

如图5，图6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不同位置而变化，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330mm。上、下辅翼向轮轴侧弯曲，弯曲半径为20mm，弯曲段圆弧所对圆心角为45^o，并有65mm的直线延长段，此直线段辅翼由翼型的上弦外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼上、下端横截面最高、最低点C的平面所围成，至叶尖部为曲线轮廓外形，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，运行稳定性最好。

如图6所示，为叶轮旋转至任意位置时的受力情况分析。叶片随叶轮绕轮轴中心线作旋转运动时，气流流过叶片时产生动力

，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

的分力为叶片的旋转运动动力（沿圆周切线方向的分力）。

叶片辅翼段的受力分析原理与上述相同，上、下辅翼横截面为翼型，由于辅翼过渡弯曲段向轮轴侧弯曲（圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰）），辅翼段的升力可分解为沿圆周切线方向的切向分力和指向圆心方向的径向分力，切向分力增加了作用于叶轮的转动驱动力，可实现叶轮低风速启动运行；径向分力与离心力方向相反，减小了叶片旋转运动产生的离心力作用，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7所示所示，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7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。此结构的叶片及制成的叶轮结构简洁、美观、制作工艺简单，更适于产品的制造及进一步推广。

如图7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。

本发明专利不局限于上述的具体实施例，凡授权的专业技术人员利用本专利的技术原理及结构，设计、制作风力发电机叶片及叶轮，不论其具体尺寸、形状、材料、设计手段、制作工艺等做何种改变，均视为在本发明专利的保护范围之内。

Claims

1.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，主翼与辅翼外形均匀连接构成叶片，叶片外形上下对称。

2.如权利要求l所述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，主翼横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一平行于轮轴中心线的直线段，是构成叶片的主体部分。

3.如权利要求1、权利要求2所述垂直轴风力发电机叶片，其特征为：所述翼型指横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），见图6。

4.如权利要求l所述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部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰）；辅翼直线段外形由横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）的上弦外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼上、下端最高、最低点C的内曲面（含平面）所围成；辅翼段叶片上、下对称配置，见图2、图3、图7；辅翼过渡弯曲段与主翼段外形均匀连接成一体、构成完整叶片：所述轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图7。

5.如权利要求1、权利要求4所述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A、后缘点B间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面；所述主翼和上、下辅翼横截面前缘点A、后缘点B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，见图5、图6。

6.垂直轴风力发电机叶轮，包括轮轴和复数枚叶片，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。

7.如权利要求6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，主翼是指叶片的中间直线段部分，主翼横截面前缘点与后缘点问连接弦的中点轨迹为一平行于轮轴中心线的直线段；所述辅翼是指主翼辅助增加的部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰）；辅翼直线段外形由横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）的上弦外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼上、下端最高、最低点C的内曲面（含平面）所围成；辅翼段叶片上、下对称配置，见图2、图3、图7；辅翼过渡弯曲段与主翼段外形均匀连接成一体、构成完整叶片；所述轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图7。

8.如权利要求6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；所述翼型指机翼的流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），见图6。

9. 如权利要求6、权利要求7所述垂直轴风力发电机叶轮，其特征为：所述上、下辅翼段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹所在的平面与轮轴中心线共面；所述主翼和上、下辅翼横截面前缘点A、后缘点B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。