CN102893022A - 具有自启动能力的竖直轴线风力涡轮机 - Google Patents

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CN102893022A CN2010800630186A CN201080063018A CN102893022A CN 102893022 A CN102893022 A CN 102893022A CN 2010800630186 A CN2010800630186 A CN 2010800630186A CN 201080063018 A CN201080063018 A CN 201080063018A CN 102893022 A CN102893022 A CN 102893022A
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

竖直轴线风力涡轮机和竖直轴线风力涡轮机组件包括旋转体和多个叶片。横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括内曲面线、外曲面线和弦线。外曲面线包括第一部分、过渡部分和第二部分。第二部分在纵向方向上长于第一部分与过渡部分的组合长度。第二部分平均厚度小于第一部分平均厚度的一半。过渡部分厚度的平均变化率的大小是第一部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍,以及是第二部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍。

Description

具有自启动能力的竖直轴线风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种动力系统。更具体地,本发明涉及一种竖直轴线风力动力系统。
背景技术
可与发电机一同用以发电的风力涡轮机包括水平轴线风力涡轮机(HAWT)和竖直轴线风力涡轮机(VAWT)。两种类型的风力涡轮机都用来将来自风的动能转化成机械能。
发明内容
本发明第一方面的一个实施方案是一种竖直轴线风力涡轮机,该竖直轴线风力涡轮机包括:旋转体,其能够用来绕旋转轴线旋转;以及,多个叶片,其联结至旋转体以使旋转体绕旋转轴线旋转,该多个叶片中的每个叶片都包括前缘和后缘。横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括:朝向旋转体的内曲面线;背向旋转体的外曲面线;内曲面线和外曲面线的位于横截面的第一纵向末端处的第一会合部,在该第一会合部处,前缘与横截面相交;内曲面线和外曲面线的位于横截面的第二纵向末端处的第二会合部,在该第二会合部处,后缘与横截面相交,该第二纵向末端与第一纵向末端纵向相对;弦线,其在纵向方向上直接从第一会合部延伸到第二会合部;以及,横向轴线,其基本垂直于纵向方向,并在横向方向上从内中间点处的内曲面线延伸到外中间点处的外曲面线。
内曲面线限定从第一会合部到第二会合部的内曲面路径方向,外曲面线限定从第一会合部到第二会合部的外曲面路径方向。
在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向与外曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量。在沿内曲面线的任意点处,内曲面路径方向与内曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量。在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向的第一分量为正。
外曲面线包括从第一会合部延伸到外中间点的第一部分、从外中间点延伸到过渡点的过渡部分、以及从过渡点延伸到第二会合部的第二部分。第二部分在纵向方向上长于第一部分与过渡部分在纵向方向上的组合长度;第二部分平均厚度小于第一部分平均厚度的一半,第一部分平均厚度、第二部分平均厚度和过渡部分平均厚度在横向方向上从外曲面线到内曲面线测得;并且,过渡部分厚度的平均变化率的大小是第一部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍,以及是第二部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍。
在可用于本发明第一方面的叶片的一个变体中,外曲面线的过渡部分与弦线相交。
在叶片的另一变体中,在外中间点处的过渡部分厚度大于第一部分、第二部分和过渡部分中的任一个在沿外曲面线的不同于外中间点的任意点处的厚度。
叶片的另一变体包括如下这样的外中间点处的过渡部分厚度,该外中间点处的过渡部分厚度大于过渡点处的过渡部分厚度的两倍。
在叶片的还一变体中,第一部分在纵向方向上长于过渡部分在纵向方向上的长度。
在叶片的另一变体中,第二部分在纵向方向上的长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的三倍。
在又一变体中,叶片的总长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的四倍,叶片的总长度在纵向方向上在内曲面线和外曲面线的第一会合部和第二会合部之间测得。
叶片的再一变体包括如下这样的叶片在纵向方向上的总长度,该总长度大于外中间点处的过渡部分厚度的五倍。
在本发明第一方面的一实施方案中,该多个叶片中的每个叶片包括带有碳增强的肋材和圆材的泡沫芯,该芯被覆以碳纤维。
本发明第一方面的另一实施方案还包括与旋转体机械连通的发电机。
本发明第一方面的又一实施方案是竖直轴线风力涡轮机,该竖直轴线风力涡轮机包括:旋转体,其能够用来绕旋转轴线旋转;以及,多个叶片,其联结至旋转体以使旋转体旋转。该多个叶片中的每个叶片包括具有基本对称的部分和非对称部分的翼型体,该非对称部分具有以缺口部分为边界的外曲面。横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括:位于横截面的第一纵向末端处的第一端点、位于横截面的第二纵向末端处的第二端点、从第一纵向末端延伸到第二纵向末端的弦线、基本垂直于弦线的横向方向、内曲面线、外曲面线、缺口长度和缺口深度。
在该实施方案中,在每个叶片的横截面的整个基本对称的部分上,外曲面线与弦线之间的横向距离的平均大小在内曲面线与弦线之间的横向距离的平均大小的90%和110%之间。基本对称的部分的长度包括大于弦线长度的十分之一的长度,基本对称的部分的长度平行于弦线测得。该多个叶片中的每个叶片的外曲面表面背向旋转体。在每个叶片的横截面的整个非对称部分上,从弦线到内曲面线的第一偏移的平均值大于从弦线到外曲面线的第二偏移的平均值的三倍,第一偏移朝着旋转轴线为正,第二偏移背向旋转轴线为正。在沿弦线的任意点处,在横向方向上沿内曲面线有且仅有一个对应点,在横向方向上沿外曲面线有且仅有一个对应点。缺口长度包括大于横截面总长度的70%的长度。缺口深度包括大于翼型体最大厚度的60%且小于翼型体最大厚度的80%的深度。
本发明第二方面的一实施方案针对一种组件,该组件包括本发明第一方面的各部件。另外,多个叶片中的每个叶片包括联结器,该联结器用于将该叶片联结到旋转体,使得内曲面线朝向旋转体,外曲面线背向旋转体。
在本发明第二方面的另一实施方案中,联结器阻止以外曲面线朝向旋转体且内曲面线背向旋转体的方式将多个叶片中的每个叶片联结到旋转体。
针对第一方面描述的相同的叶片变体可用于本发明的第二方面,并且第一方面的实施方案同等地适用于第二方面。
附图说明
为了更好地理解本文中描述的系统和竖直轴线风力涡轮机,以及为了更清楚地说明可以如何实现它们,将以示例的方式参照附图,附图中:
图1是根据本发明一个实施方案的竖直轴线风力涡轮机的立体图;
图2是依照图1的实施方案的第一变体的叶片的剖视图,示出了叶片的轮廓;
图3是依照图1的实施方案的第二变体的叶片的剖视图,示出了叶片的轮廓;
图4是平行于与竖直轴线相垂直的旋转平面截取的截面的、图1的竖直轴线风力涡轮机的剖视图,表示风力涡轮机的下半部;
图5是在图1的竖直轴线风力涡轮机的旋转体的顶端处的叶片和转子臂的交叉部的孤立的放大图;
图6是在图1的竖直轴线风力涡轮机的旋转体的上端处的转子毂和多个转子臂的交叉部的孤立的放大图;
图7是在图1的竖直轴线风力涡轮机的旋转体的下端处的转子毂和多个转子臂的交叉部的孤立的放大图;
图8是图1的竖直轴线风力涡轮机的俯视图;
图9是图8的竖直轴线风力涡轮机沿剖面A-A的分解剖视图,其中省略了叶片;
图10是图1的竖直轴线风力涡轮机的分解图,其中省略了叶片。
具体实施方式
在一个实施方案中,如图1中以立体方式所示,VAWT 100包括三个翼型叶片105,这三个翼型叶片通过转子毂115和转子臂120附接到旋转体110。当来自风的空气遇到VAWT 100的叶片105时,叶片105的运动可导致旋转体110绕旋转轴线旋转。旋转体110可包括,但不限于,细长杆,旋转轴线可延伸贯穿该细长杆的中心。具有渐缩的端部的杆组件部件125和杆组件插入件130将一个转子毂115固定到旋转体110的上端。使用从发电机单元135竖直突出的渐缩的杆部件(在图8-10中标为910)和杆组件插入件130,将接近旋转体110的下端的转子毂115固定。VAWT 100可用来将来自风的动能转化成机械能。通过将旋转体110联结到发电机单元135,机械能可用来发电。
改良的叶片设计
在本发明一实施方案中使用的叶片的变体被设计为具有带前缘和后缘的翼型体。翼型体通常可被限定为任意如下的物体:当该物体被移动通过流体时,产生垂直于该物体的运动的力。用于本发明一实施方案中的一些叶片变体还可被限定为包括对称的翼面,该翼面被改良,使得叶片形成其一部分的涡轮可更容易地从固定位置致动。特别地,通过在原本是对称翼型叶片的部分中提供缺口部分(其横截面图在图2和3中总体用201指代),已将每个叶片105的外曲面线210由对称进行改良。
作为对外曲面进行改良的结果,叶片被制造为具有基本对称的部分和非对称部分。非对称部分是受外曲面改良影响的叶片部分。非对称部分可占叶片的大部分长度;但是,可以期望的是,包括合适长度的基本对称的部分以在涡轮旋转时在叶片的前缘处实现有利的空气动力学特性。在一个实施方案中,基本对称的部分占叶片长度的至少10%。下面更详细地描述叶片105。
图2示出了按照本发明一实施方案的叶片105的第一变体的剖视图。每个叶片105的剖面由以下项限定:内曲面线205;外曲面线210;内、外曲面线的第一会合部215——其对应于叶片的前缘与如图2中表示的叶片的剖面的交叉点;以及,内、外曲面线的第二会合部220——其对应于叶片的后缘与叶片的剖面的交叉点。第一会合部215也可表示为位于叶片的剖面的第一纵向末端的第一端点。类似地,第二会合部220也可表示为位于叶片的剖面的第二末端的第二端点。
弦线221是直接从第一会合部215延伸到第二会合部220的直线,在图2中被示为虚线。弦线221的长度是叶片105的剖面的总长度。沿弦线221从第一会合部215到第二会合部220的运动限定正纵向方向222。相反,沿弦线221从第二会合部220到第一会合部215的运动限定负纵向方向。横向方向223被限定为垂直于长度方向222。横向轴线224对应于内曲面线205上的内中间点226与外曲面线210上的外中间点240之间的横向路径。下文将更详细地讨论内中间点226和外中间点240。在横向方向223上从内曲面线205朝外曲面线210的运动被认为符号为正。相反,在横向方向223上从外曲面线210朝内曲面线205的运动被认为符号为负。
外曲面路径方向由沿外曲面线210从第一会合部215到第二会合部220的运动限定。沿外曲面线210的任意给定点处的外曲面路径方向对应于外曲面线210在该点处的切线的方向。类似地,内曲面路径方向由沿内曲面线205从第一会合部215到第二会合部220的运动限定;并且,沿内曲面线205的任意给定点处的内曲面路径方向对应于内曲面线205在该点处的切线的方向。限定外曲面路径方向和内曲面路径方向之一的每一切线可被分解为两个方向分量:在纵向方向222上延伸的第一分量;和,平行于横向轴线224延伸的第二分量。沿外曲面线210的任意点A的外曲面路径方向241——包括它的第一分量242和第二分量243——在图2中示出。点A处的外曲面路径方向241的第一分量242为正(即,在正纵向方向上延伸)。在本发明一实施方案中使用的叶片变体的外曲面线210被成形为使得对于沿外曲面线210的任意点,外曲面路径方向的第一分量为正。
如图2中所示,外曲面线210的形状与内曲面线205的形状不同。继续参照图2,更详细地描述外曲面线210。外曲面线210被分成:第一部分225;过渡部分230;和,第二部分235。第一部分225从内、外曲面线在叶片的前缘215处的会合部延伸到外中间点240;过渡部分230从外中间点240延伸到过渡点245;第二部分235从过渡点245延伸到内、外曲面线在叶片105的后缘220处的会合部。
外曲面线210的第一部分225可以是内曲面线205相对于弦线221的镜像。换句话说,按照本发明一实施方案使用的一些叶片变体的第一部分225关于弦线对称。本领域技术人员将意识到,包括非对称的第一部分的叶片也可用于本发明的不同实施方案中。
图2的叶片变体是叶片105的一个实施例,其中外中间点240(即,外曲面线210上过渡部分230的开始点)位于外曲面线210上叶片最厚的位置。换句话说,叶片105的过渡部分230在外中间点240处的厚度大于叶片105在叶片105上的任意其它点处的厚度。本领域技术人员将意识到,外中间点240不必位于外曲面线210上叶片最厚的点处;而是,在本发明的一些实施方案中,外中间点240可以沿本应为外曲面线210的第一部分225的延伸的部分被定位为更接近第一会合部215,或者更接近第二会合部220。
现在继续参照图2描述过渡部分230。横跨该部分,叶片105在相对短的纵向距离上经历相对大的厚度减小。根据在本发明一个实施方案中使用的叶片变体,过渡部分230在外中间点240处的厚度(该厚度在横向方向223上从外中间点240到沿内曲面线205的标示为内中间点226的点测得)大于过渡部分230在过渡点245处的厚度(该厚度在横向方向223上从过渡点245到内曲面线205测得)的两倍。根据另一叶片变体,外曲面线210的第一部分225在纵向方向222上的长度(即,内、外曲面线在叶片的前缘215处的会合部与横向轴线224之间的距离)大于外曲面线210的过渡部分230在纵向方向222上的长度。
与外曲面线210的第二部分235(或叶片的尾端)相比,以及与叶片的总长度相比,过渡部分230相对短。根据在本发明一实施方案中使用的叶片变体,外曲面线210的第二部分235在纵向方向222上的长度可以大于外曲面线210的过渡部分230在纵向方向222上的长度的三倍。根据另一变体,叶片在纵向方向222上的总长度大于外曲面线210的过渡部分230在纵向方向上的长度的四倍。根据又一变体,外曲面线210的第二部分235在纵向方向222上的长度长于外曲面线210的第一部分225和过渡部分230在纵向方向222上的组合长度。在另一变体中,叶片的第二部分235和过渡部分230的组合长度——该组合对应于缺口部分201的缺口长度——占叶片总长度(或叶片剖面)的超过70%。
叶片的一些变体还可被描述为与其宽度相比是相对长的。例如,根据一些叶片变体,叶片105的总长度可以大于在外中间点240处测得的过渡部分230的厚度的五倍。
现在继续参照图2,进一步描述过渡部分230。横跨过渡部分230,叶片的外曲面线210的斜率经历其最急剧的变化,其中最大的瞬时斜率梯度出现在外中间点240处。在根据本发明一实施方案的叶片变体中,过渡部分厚度的平均变化率的大小是第一部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍和第二部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍。当沿过渡部分230从外中间点240移动到过渡点245时,外曲面线210的斜率变得平坦,接近内曲面线205在如下点处的斜率:该点在横向方向223上与外曲面线210的过渡点245对准。
本发明的各个实施方案可以包括具有直线过渡部分(即,由外中间点240和过渡点245之间的直线限定的过渡部分)的叶片,或具有以变化的弯曲度限定的过渡部分230的叶片。在过渡部分230可用弧表示的情况下,可获得期望的结果。图3的剖面图示出了根据本发明一实施方案的叶片105的第二变体。为清楚起见,用相同的参考标号标示图2和3的变体的相似特征。图2和3的变体之间的主要区别在于过渡部分230的弯曲度——图3中叶片变体的过渡部分230的弯曲度大于图2的叶片变体的过渡部分230的弯曲度。在本发明的一些实施方案中,外曲面线210的过渡部分230可以与弦线221相交。将意识到,在一些实施方案中,外曲面线210的过渡部分230可以不与弦线221相交。
如前面提到的,对于沿外曲面线210的任意点,外曲面路径方向的第一分量242(即,纵向分量)为正。因此,沿过渡部分230从外中间点240到过渡点245的运动总是产生正的第一分量242。外曲面路径方向的第一(即,纵向)分量242沿整个过渡部分230为正的实际含义是,外曲面线210不包括任何“露背(scooped-back)”部分的情况。换句话说,对于沿弦线的每个点,沿外曲面线在横向方向上有且仅有一个对应点。具有该设计的叶片变体105的优点是,避免了易于在叶片的“露背”部分中形成的湍流气穴。因此,根据本发明一实施方案的非露背叶片变体可以展现优秀的空气动力学特性。
继续参照图2,在外曲面线210的整个第二部分235(即,在过渡点245与内、外曲面线在后缘220处的会合部之间),叶片的外曲面线210的斜率保持相对恒定。因此,叶片的第二部分235的厚度也保持相对恒定。作为横跨叶片105的过渡部分230的相对大的厚度梯度的结果,叶片105的第二部分235的厚度与叶片105的第一部分225的厚度相比较小。根据本发明一实施方案的一个叶片变体可以包括平均厚度小于第一部分225平均厚度一半的第二部分235。
与横跨叶片变体的长度的相对厚度有关,缺口深度对应于外中间点240与过渡点到横向轴线的纵向投影248之间的横向距离。在根据本发明一实施方案的叶片变体中(过渡部分230始于叶片105的最大厚度处),叶片105的缺口部分201的缺口深度在叶片105的最大厚度的60%和80%之间。
在另一实施方案中,叶片的第一部分可以构成叶片的基本对称的部分,过渡部分和第二部分的组合可构成叶片的非对称部分。参照图2,当在从弦线朝旋转体110的方向上运动时,弦线221与内曲面线205之间的第一偏移被限定为正。类似地,当在从弦线背向旋转体110运动时,弦线221与外曲面线210之间的第二偏移被限定为正。横跨叶片的非对称部分(其中外曲面线210接近弦线221),第一偏移大于第二偏移。在一个实施方案中,在非对称部分上的第一偏移的平均值大于在非对称部分上的第二偏移的平均值的三倍。
叶片取向
现在参照图4描述叶片的物理取向。叶片105被安装在竖直轴线风力涡轮机100上,使得改良的外曲面210背向旋转体110。因此,内曲面205朝向旋转体。该取向的优点是,当叶片背向气流的方向取向时(即,当叶片105上的气流在接触前缘215之前接触叶片220的后缘时),该取向增加形阻力(form drag)。
改良的叶片105可允许涡轮机100克服惯性和转子阻力,且在相对低的风速下开始转动(即,启动)。这一直是基于翼面的(a.k.a.Darrieus)风力涡轮机的缺点:叶片上的气流由于叶片的运动而被矢量地添加到外部风力。该合成的气流在翼面上产生净力,该净力可被向内投射以一定距离通过涡轮轴,以提供一个正扭矩到杆,使得在涡轮机一直在旋转的方向上使涡轮机旋转。在一个典型的基于翼面的风力涡轮机中,当转子静止时,仅有的气流由于外部风力而产生,并且产生最小限度的净旋转力;即使风速相对高,转子也必须一直旋转以产生显著的扭矩。因而,该设计通常不会自启动。通过在翼面最宽点处对叶片105的外曲面210进行改良,得到的叶片可在启动时产生相对高的扭矩输出,然而在涡轮机的转速增加时仍可维持相对有效率的空气动力学特性。
叶片与转子臂之间的连接
用来在竖直轴线风力涡轮机运行期间将叶片保持在固定位置的联结器可以是转子臂120。图5示出了图1中虚线椭圆140内的元件的放大图,表示根据本发明一实施方案转子臂120与叶片105的机械联结的详细视图。每个转子臂120具有倾斜的前缘145和倾斜的后缘150,并且在转子臂的两个附接点中的一个处具有槽155。槽155允许在一俯仰角范围内安装不同尺寸的叶片。一旦叶片被定位以实现期望的俯仰角,它就被固定就位。在一个实施方案中,槽被配置为适应15度的俯仰容差用于调节目的,由此可安装叶片的最小俯仰角是朝中心杆6度。本领域技术人员将意识到,转子臂上的槽155可以被配置为适应变化范围的俯仰角。
每个叶片105在两个末端都包括两个螺纹连接点。每个连接点能够接收用来将转子臂120联结到叶片105的螺栓和垫圈组件。
如上文论及的,安装时,叶片的取向使得内曲面205朝向转子体110,外曲面210背向转子体110。在一个实施方案中,转子臂被构造为阻止以外曲面210朝向转子体110且内曲面205背向转子体110的方式连接叶片105。
转子体与转子臂之间的连接(使用转子毂)
图6和7分别示出了图1中虚线椭圆160和170内的元件的放大图,表示根据本发明一实施方案用来将转子臂120分别联结到转子体110的上端和下端的转子毂115的详细视图。
参照图9和10,在本发明一实施方案中,转子毂115用来将多个转子臂120联结到转子体110。每个转子毂115适于与渐缩的杆组件部件配对。位于转子体110上端的转子毂115与一个具有渐缩的端部的杆组件部件125配对(mate),位于转子体110下端的转子毂115与一个具有从发电机单元135突出的渐缩的端部的杆组件部件910配对。
转子毂115和渐缩的杆组件部件125、910可被制造为包括一个将渐缩的杆组件部件125、910固定在转子毂115内的装置。这样的装置的示例包括使用销子/销座组合、使用定位螺钉、使用在所述部件中的每个上的配对的阳/阴螺纹部分。本领域技术人员将意识到,用于将渐缩的杆组件部件125、910固定在其相应的转子毂内的装置不限于上文列出的示例。
两个杆组件部件125、910都适于与杆组件插入件130联结,该杆组件插入件130又适于联结到旋转体110的两个末端之一。杆组件部件125、910和杆组件插入件130被制造为包括将杆组件插入件130固定在杆组件部件125、910内的装置。这样的装置的示例包括,但不限于,上文提到的那些用于将渐缩的杆组件部件125、910固定在转子毂115内的装置示例。杆组件插入件130可用粘合剂和一系列铆钉(图中未示出)联结到旋转体110。
每个转子毂115适于接收三个转子臂120,并包括多个孔,这多个孔与贯穿转子臂的整个厚度形成的相同数量的孔排齐。当转子臂120被转子毂115接收且转子毂的多个孔与转子臂的孔对准时,可将螺母、螺栓和垫圈组件165与这多个孔中的每个结合使用,以将转子毂115和转子臂120紧固在一起。
材料
如上文所述,本发明各实施方案的一个优点是,VAWT 100重量轻。现在将讨论构成各个部件的材料。
在本发明一示例性实施方案中,转子体110包括碳纤维管。每个转子毂115完全由碳纤维构造。每个转子臂120包括覆有三层碳纤维的轻木木芯。每个叶片105包括既具有碳增强肋材又具有碳增强圆材的泡沫芯。然后,泡沫芯的外层覆有两层碳纤维。旋转体的碳纤维管、转子毂、转子臂、以及覆盖叶片的泡沫芯的外层的碳纤维层均用环氧树脂浸渍。
将重量轻的材料诸如碳纤维用于根据本发明多个不同实施方案的竖直轴线风力涡轮机的大多数部件有助于降低竖直轴线风力涡轮机的总重量,从而降低启动涡轮机的旋转所必需的风速。本领域技术人员将意识到,也可通过将具有与碳纤维类似的强度的替代的重量轻的材料用于根据本发明多个不同实施方案的涡轮机100的多个部件,来实现期望的结果。
将意识到,根据本发明实施方案的竖直轴线风力涡轮机的部件可以完全组装被出售,或者可以待由最终用户组装的单独部件被出售。
将意识到,尽管出于说明的目的在本文中描述了本发明的具体实施方案,但可作出各种改变而不偏离本发明的实质和范围。因此,保护范围仅由接下来的权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种竖直轴线风力涡轮机,包括:
旋转体,其能够用来绕旋转轴线旋转;以及,
多个叶片,其联结至旋转体以使旋转体绕旋转轴线旋转,该多个叶片中的每个叶片包括前缘和后缘,其中横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括:
朝向旋转体的内曲面线;
背向旋转体的外曲面线;
内曲面线和外曲面线的位于横截面的第一纵向末端处的第一会合部,在该第一会合部处,前缘与横截面相交;
内曲面线和外曲面线的位于横截面的第二纵向末端处的第二会合部,在该第二会合部处,后缘与横截面相交,该第二纵向末端与第一纵向末端纵向相对;
弦线,其在纵向方向上直接从第一会合部延伸到第二会合部;以及,
横向轴线,其基本垂直于纵向方向,并在横向方向上从内中间点处的内曲面线延伸到外中间点处的外曲面线;
其中
i)内曲面线限定从第一会合部到第二会合部的内曲面路径方向,外曲面线限定从第一会合部到第二会合部的外曲面路径方向;
ii)在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向与外曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量;
iii)在沿内曲面线的任意点处,内曲面路径方向与内曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量;
iv)在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向的第一分量为正;
v)外曲面线包括从第一会合部延伸到外中间点的第一部分、从外中间点延伸到过渡点的过渡、以及从过渡点延伸到第二会合部的第二部分;
vi)第二部分在纵向方向上长于第一部分与过渡部分在纵向方向上的组合长度;
vii)第二部分平均厚度小于第一部分平均厚度的一半,第一部分平均厚度、第二部分平均厚度和过渡部分平均厚度在横向方向上从外曲面线到内曲面线测得;
viii)过渡部分厚度的平均变化率的大小是第一部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍,以及是第二部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍。
2.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中外曲面线的过渡部分与弦线相交。
3.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中在外中间点处的过渡部分厚度大于第一部分、第二部分和过渡部分中的任一个在沿外曲面线的不同于外中间点的任意点处的厚度。
4.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中在外中间点处的过渡部分厚度大于在过渡点处的过渡部分厚度的两倍。
5.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中第一部分在纵向方向上长于过渡部分在纵向方向上的长度。
6.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中第二部分在纵向方向上的长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的三倍。
7.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中叶片的总长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的四倍,叶片的总长度在纵向方向上在内曲面线和外曲面线的第一会合部和第二会合部之间测得。
8.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中叶片在纵向方向上的总长度大于在外中间点处的过渡部分厚度的五倍。
9.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,其中该多个叶片中的每个叶片包括带有碳增强的肋材和圆材的泡沫芯,该芯被覆以碳纤维。
10.如权利要求1所述的竖直轴线风力涡轮机,还包括与旋转体机械连通的发电机。
11.一种用于将来自风的动能转化成机械能的组件,包括:
旋转体,其能够用来绕旋转轴线旋转;以及,
多个叶片,其能够联结至旋转体以使旋转体绕旋转轴线旋转,该多个叶片中的每个叶片包括前缘和后缘,其中横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括:
内曲面线;
外曲面线;
内曲面线和外曲面线的位于横截面的第一纵向末端处的第一会合部,在该第一会合部处,前缘与横截面相交;
内曲面线和外曲面线的位于横截面的第二纵向末端处的第二会合部,在该第二会合部处,后缘与横截面相交,该第二纵向末端与第一纵向末端纵向相对;
弦线,其在纵向方向上直接从第一会合部延伸到第二会合部;以及,
横向轴线,其基本垂直于纵向方向,并在横向方向上从内中间点处的内曲面线延伸到外中间点处的外曲面线;
其中
i)该多个叶片中的每个叶片包括联结器,该联结器用于将该叶片联结到旋转体,使得内曲面线朝向旋转体,外曲面线背向旋转体;
ii)内曲面线限定从第一会合部到第二会合部的内曲面路径方向,外曲面线限定从第一会合部到第二会合部的外曲面路径方向;
iii)在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向与外曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量;
iv)在沿内曲面线的任意点处,内曲面路径方向与内曲面线相切,并包括在纵向方向上延伸的第一分量和在横向方向上延伸的第二分量;
v)在沿外曲面线的任意点处,外曲面路径方向的第一分量为正;
vi)外曲面线包括从第一会合部延伸到外中间点的第一部分、从外中间点延伸到过渡点的过渡部分、以及从过渡点延伸到第二会合部的第二部分;
vii)第二部分在纵向方向上长于第一部分与过渡部分的组合长度;
viii)第二部分平均厚度小于第一部分平均厚度的一半,第一部分平均厚度、第二部分平均厚度和过渡部分平均厚度在横向方向上从外曲面线到内曲面线测得;
ix)过渡部分厚度的平均变化率的大小是第一部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍,以及是第二部分厚度的平均变化率的大小的至少两倍。
12.如权利要求11所述的组件,其中所述联结器阻止以外曲面线朝向旋转体且内曲面线背向旋转体的方式将多个叶片中的每个叶片联结到旋转体。
13.如权利要求11所述的组件,其中外曲面线的过渡部分与弦线相交。
14.如权利要求11所述的组件,其中在外中间点处的过渡部分厚度大于第一部分、第二部分和过渡部分中的任一个在沿外曲面线的不同于外中间点的任意点处的厚度。
15.如权利要求11所述的组件,其中在外中间点处的过渡部分厚度大于在过渡点处的过渡部分厚度的两倍。
16.如权利要求11所述的组件,其中第一部分在纵向方向上长于过渡部分在纵向方向上的长度。
17.如权利要求11所述的组件,其中第二部分在纵向方向上的长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的三倍。
18.如权利要求11所述的组件,其中叶片的总长度大于过渡部分在纵向方向上的长度的四倍,叶片的总长度在纵向方向上在内曲面线和外曲面线的第一会合部和第二会合部之间测得。
19.如权利要求11所述的组件,还包括适于与旋转体机械连通的发电机。
20.一种竖直轴线风力涡轮机,包括:
旋转体,其能够用来绕旋转轴线旋转;以及,
多个叶片,其联结至旋转体以使旋转体旋转,其中该多个叶片中的每个叶片包括具有基本对称的部分和非对称部分的翼型体,该非对称部分具有以缺口部分为边界的外曲面,其中横向于旋转轴线通过该多个叶片中的每个叶片的横截面包括:位于横截面的第一纵向末端处的第一端点、位于横截面的第二纵向末端处的第二端点、从第一纵向末端延伸到第二纵向末端的弦线、基本垂直于弦线的横向方向、内曲面线、外曲面线、缺口长度和缺口深度,
其中
i)在每个叶片的横截面的整个基本对称的部分上,外曲面线与弦线之间的横向距离的平均大小在内曲面线与弦线之间的横向距离的平均大小的90%和110%之间;
ii)基本对称的部分的长度包括大于弦线长度的十分之一的长度,基本对称的部分的长度平行于弦线测得;
iii)该多个叶片中的每个叶片的外曲面表面背向旋转体;
iv)在每个叶片的横截面的整个非对称部分上,从弦线到内曲面线的第一偏移的平均值大于从弦线到外曲面线的第二偏移的平均值的三倍,第一偏移朝着旋转轴线为正,第二偏移背向旋转轴线为正;
v)在沿弦线的任意点处,在横向方向上沿内曲面线有且仅有一个对应点,并且横向方向上沿外曲面线有且仅有一个对应点;
vi)缺口长度包括大于横截面的总长度的70%的长度;
vii)缺口深度包括大于翼型体的最大厚度的60%且小于翼型体的最大厚度的80%的深度。
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