CN104214043B - 低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，包括主轴、升力型叶片、阻力型叶片和连杆，升力型叶片通过连杆与主轴连接并沿主轴周向均布，与其中升力型叶片相连接的上连杆截面为沿半径增大方向外侧截面大小大于内侧的翼型面，可随风轮的旋转产生向上的气动升力；升力型叶片与主轴之间设有阻力型叶片，阻力型叶片为上下两端封闭的柱面；阻力叶片数目为升力叶片一半或相同时，两种叶片共用上下连杆；两者数目不同时，另设上下连杆与主轴连接。本发明通过增加具有翼型面的上连杆，保持风轮中央空气压力，减小风轮系统对支撑面的压力；改善阻力型叶片叶型，优化气流组织结构，降低风机启动风速的同时，提高风机运行效率。

Description

低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机风轮，是一种升力型风轮和阻力型风轮相结合的复合式垂直轴风机风轮，属于风力发电技术领域。

背景技术

在煤和石油等化石能源日趋短缺、环境日益恶化的国际背景下，风能作为一种清洁无污染的可再生能源日益受到世界各国的广泛关注。风力发电技术的快速发展和风电装机容量的高速增长体现了众多国家的共识和行动。

目前世界上应用最为普遍的是水平轴风机，其技术相对成熟，生产批量大，已成为当今大型风机领域的主流机型。但随着分布式供能及风机小型化需求的上升，水平轴风机启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等先天性不足逐步暴露，并抑制了其进一步的开发应用。而具有结构相对简单、启动风速低，气动噪音小，受风性能更好的垂直轴风机，逐步步入人们的视野。

垂直轴风机主要分为阻力型垂直轴风机和升力型垂直轴风机两大类。阻力型垂直轴风机具有启动转矩大、启动风速低的优点，但气动效率较低；升力型垂直轴风机具有启动转矩小、启动风速较高的缺点，但气动效率也较高。若能将两种风机的优点结合起来，制造出兼具启动风速低，气动效率高两种优点的垂直轴风机明显有着更为优良的应用前景和竞争力。

为实现以上低速启动、高效运行的设计目的，目前通常将现有的升力型垂直轴风机风轮和阻力型垂直轴风机风轮简单叠加组合。升力型叶片处于外圈，阻力型叶片处于内圈对应位置，如专利(CN103527403A)所述。又或升力型垂直轴叶片处于下方，阻力型垂直轴叶片处于上方对应位置，如专利(CN201110152614.8)所述。这样的设计在利用阻力型垂直轴风机风轮启动风速低，降低组合式风轮启动风速的同时，却增加了不必要的结构重量，还有可能引起升力型叶片效率的降低。风轮系统为高速旋转部件，风轮系统自重的增大增加了对于底部支撑部件的压力，带来了转动部件额外的摩擦阻力(如轴承等)。这一方面增加了风机的磨损，降低了风机寿命；另一方面，阻碍风机的旋转，增加了风能利用的损耗。而当风速较高、风机正常运转时，升力型叶片做功占主要作用。升力型叶片对气流较为敏感，阻力型叶片的存在一定程度上会扰乱风轮中央气流流动，降低空气压力，引起升力型叶片气动效率的下降。此外，由于阻力型叶片与升力型叶片固连或采用超越离合器。当固连时，阻力型叶片受气流直接作用较小，更多的是升力型叶片带动阻力型叶片转动，这将在一定程度上拉低风机额定工况下的运行效率，消耗部分有用功。另外，专利(CN103527403A)中两片阻力型叶片的设计并不能完全保证消除启动时的死点。若风从正对阻力型叶片的侧面方向吹来，正对来流的叶片面积小，需要很大的风速，风机才能启动，甚至可能造成完全不能启动。尽管这种可能性很小，但不能忽视。

发明内容

本发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种低速启动高效的可提供向上气动升力的复合式垂直轴风机风轮系统，并通过改善阻力型叶片叶型，优化气流组织结构，提高风机额定工况运行效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明为一种低速启动高效的可提供向上气动升力的复合式垂直轴风机风轮系统，包括主轴、若干升力型叶片、阻力型叶片和连杆，所述连杆包括上连杆和下连杆，所述升力型叶片沿主轴周向均布，升力型叶片顶端通过上连杆与主轴连接，升力型叶片下部通过下连杆与主轴连接，升力型叶片与主轴之间设有阻力型叶片，阻力型叶片同样沿主轴周向均布，叶片凹面方向与升力型叶片尾缘同向。当阻力型叶片与升力型叶片数目相同或为其二分之一时，阻力型叶片安装在上连杆和下连杆上，即阻力型叶片与升力型叶片共用上下连杆；当阻力型叶片与升力型叶片数目不同时，另设上下连杆与主轴进行安装；所述上连杆的截面为可随风轮的旋转产生向上的气动升力的翼型面，该翼型面沿半径增大方向，外侧截面大于内侧；所述阻力型叶片为上下两端封闭的柱面。

其中，阻力型叶片横截面包含第一弧线段和第二弧线段。第一弧线段是以主轴中心为圆心的圆弧段，一端伸出于连杆中心线所在垂直平面；第二弧线段为一S型曲线，一端与第一弧线段旋转方向前端点相接，该段为相对于阻力型叶片内面的内凹弧线，并与第一弧线段组成一曲边锐角；另一端为外凸弧线，终止于所在的连杆中心线所在垂直平面，且末端切线垂直于该平面。所述升力型叶片为3～6片；所述阻力型叶片位于以主轴中心线为起点至升力型叶片距离的1/3～2/3位置处，阻力型叶片的数目为3～6片。

所述第一弧线段一端伸出于连杆中心线所在垂直平面，第二弧线段一端终止于连杆中心线与主轴中心线所在的垂直平面；所述上连杆的翼型面截面弦线与水平面夹角介于-10°～30°之间。

所述上连杆的翼型面截面沿上连杆向升力型叶片方向，外侧截面大小大于内侧。

在本发明中，阻力型叶片为上下两端封闭的柱面，叶片凹面方向与升力型叶片尾缘同向。上连杆翼型面可直接采用升力型叶片翼面，也可以在成熟翼型的基础上进行改进设计，上连杆翼型截面弦线与水平面夹角介于-10°～30°之间。因沿旋转半径方向向外线速度不断增大，因此较大半径处截面大小大于较小半径处，以便充分利用较大的速度产生较大的气动升力。

三组具有翼型面及上连杆翼型面材料均选用轻质耐腐蚀材料，包括不饱和树脂、饱和树脂、碳纤维、轻质铝合金等，具有着耐腐蚀性能好、质量轻、强度高、绝热性能良好、易加工等优点，极薄的厚度即可满足设计强度要求，以减轻风轮质量。

有益效果：本发明的一种低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，具有以下优点：

1.科学有机地融合了阻力型垂直轴风机启动转矩大、启动风速低的优点和升力型垂直轴风机气动效率较高的特点，设计出兼具着启动风速低、气动效率高的复合式垂直轴风机风轮系统；

2.风轮系统正常运转后，通过上连杆翼型面的转动，产生向上的气动升力，该升力能够抵消风轮系统部分自重，从而减小支撑部件承受的压力及由此产生的摩擦阻力所带来的效率损失和磨损，提高风机的运行效率和寿命；此外，风速越大时，风机转速越高，摩擦阻力带来的效率损失和磨损越严重；与此同时，风机转速越高，上连杆翼型面产生的升力越大，对支撑部件压力越小，使得摩擦阻力变小，摩擦阻力带来的效率损失和磨损也越小，这对于降低风机在高转速下的效率损失和增加全周期寿命是极为有利的；

3.连杆翼型面在产生向上的气动升力的同时，还有着将翼面下气流向下压的趋势，有利于增加升力型叶片旋转时风轮中央空气压力，提高升力型叶片压力面压力，增加升力型叶片所产生的水平向气动升力，提高风轮利用风能效率；

4.利用全新设计的阻力型叶片，在降低启动风速的同时，减小了对阻力型叶片与升力型叶片所夹圆环柱型空间内气流的扰动，优化气流组织结构，减小升力型叶片效率损失；

5.有效提高风机效率、降低启动风速、增加风机寿命，采用发明的新型风轮系统的垂直轴风机，相比于现有的复合式垂直轴风机在效率和使用寿命方面都将有较大程度的提升。

附图说明

图1为本发明风轮系统俯视图；

图2为本发明风轮系统结构示意图；

图3为本发明中上连杆翼型面截面示意图；

图4为本发明中阻力型叶片叶型截面示意图；

图5为本发明中六片升力型六片阻力型叶片布局俯视图；

图6为本发明中三片升力型叶片四片阻力型叶片布局结构示意图；

图7为本发明中阻力型叶片外侧面流场示意图；

图中有：阻力型叶片1；升力型叶片上部连接段2；升力型叶片3；主轴4；第一弧线段5；第二弧线段6；上连杆7；下连杆8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，一种低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，包括主轴4、若干升力型叶片3、阻力型叶片1和连杆，连杆包括上连杆7和下连杆8；升力型叶片3沿主轴4周向均布，升力型叶片3顶端通过上连杆7与主轴4连接，升力型叶片3下部通过下连杆8与主轴4连接，升力型叶片3与主轴4之间设有阻力型叶片1，阻力型叶片1同样沿主轴4周向均布，当阻力型叶片1与升力型叶片3数目相同或为其二分之一时，阻力型叶片1与升力型叶片3共用上连杆7和下连杆8，当阻力型叶片1与升力型叶片3数目不同时，另设上下连杆与主轴4相连进行安装。上连杆7截面为翼型面，可随风轮的旋转产生向上的气动升力，该翼型面沿半径增大方向、外侧截面大小大于内侧。

本实施例中，阻力型叶片1为上下两端封闭的等径柱面，截面不变、沿高度方向也不扭曲，阻力型叶片1横截面包含第一弧线段5和第二弧线段6，第一弧线段5是以主轴4中心为圆心的圆弧段，一端伸出于连杆中心线所在垂直平面；第二弧线段6为一S型曲线，一端与第一弧线段5旋转方向前端点相接，该段为相对于阻力型叶片内面的内凹弧线，并与第一弧线段5组成一曲边锐角。另一端为外凸弧线，终止于所在的连杆中心线与主轴4中心线所在的垂直平面，且末端切线垂直于该平面。

本实施例中，升力型叶片3为3～6片，阻力型叶片1为3～6片，升力型叶片3沿主轴4周向均布。例如，当三片升力型叶片沿主轴周向均匀布置，各叶片间间隔120°。升力型叶片3顶端通过上连杆7与主轴4连接，下端通过下连杆8与主轴4连接，升力型叶片3采用竖直等径的空心H型叶片，截面不变也不扭曲，形状简单、制造成本低。在升力型叶片3与主轴4之间设有阻力型叶片1，阻力型叶片1位于距以主轴4中心线为起点至升力型叶片3距离的1/3-2/3位置处。具有翼型面的上连杆7安装位置采用两种方向，一是伸出于升力型叶片3顶端之上，以避免升力型叶片3转动时对连杆翼型面的干扰(如对来流的阻挡、旋转带来的风轮中央旋流降低连杆翼型面产生的向上的气动升力等)，第二种位于升力型叶片顶端，以取得对风轮中央气流较好的封闭效果；而下部的普通下连杆8安装位置位于升力型叶片3高度之内，接近叶片底部位置，以便对风轮中央较高压力的气流进行封闭，以保持风轮中央的空气压力，提高风轮效率。

连杆翼型面可直接采用升力型叶片3翼面，也可以在这些成熟的翼型的基础上进行改进设计，连杆翼型截面弦线与水平面夹角介于-10°至30°之间。沿旋转半径方向向外线速度不断增大，因此沿着半径方向向外方向截面大小应大于内侧，以便充分利用较大的速度产生较大的气动升力。此外，出于结构受力的需要，每一空心的连杆翼型面均固连在用于受力的金属支撑杆上。

本发明的低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统在实际运行中，当风速较小时，利用阻力型叶片1启动转矩大、启动风速低的特点，在较低的风速下提供较大的驱动力，驱动风轮旋转，实现风轮在低风或微风条件下的启动，带动升力型叶片3和上连杆7翼型面转动。此时，风轮的转速较低，上连杆7翼型面所产生的向上的气动升力较小，同样压力所引起的摩擦阻力等对风机造成的磨损和效率损失相对而言也是较小。

随着风速的上升，升力型叶片3做功逐渐占据主导地位。升力型叶片3具有较高的风能利用效率，同时合理的气动设计使得阻力型叶片1对升力型叶片3干扰较少，保证了整个风机在额定风速下较高的运转效能，以实现低速启动、高效运转的设计目的。阻力型叶片1以主轴4中心为圆心的第一弧线段5，旋转时弧线上任一点将沿着同一半径转动，将阻力型叶片1内外流场分隔开，尽量减小阻力型叶片1旋转时对于外侧流场的干扰，减小对升力型叶片3的扰动。第二弧线段6沿旋转方向前端与第一弧线段5构成一曲边锐角，旋转时切开锐角尖端两侧气流，减小空气阻力。同时第二弧线段6相对于阻力型叶片内面的内凹的弧线有利于引导空气沿第二弧线段6表面迅速流向内侧空间，减小空气阻力，加快排空阻力型叶片1前方空气。S型的第二弧线段6，后半段弧线为外凸曲线，末端点切向垂直于主轴4中心线与所在连杆的中心线所在的垂直平面，即垂直于由主轴中心线引出的半径，这样的设计有利于使得阻力型叶片1相对于主轴4内侧外表面末端气流方向尽可能与阻力型叶片1与主轴4围成的圆柱空间内相对来流方向相同，以减小尾迹区，减小阻力损失。此外，第一弧线段5顺来流方向尾端长度略长于第二弧线段6同样能起到限制气流向阻力型叶片1外侧流动的作用，如图7所示。通过这样的一系列气动设计，尽可能的将阻力型叶片1对风轮中央的气流扰动限制在阻力型叶片1与主轴4间的空间内，减小对阻力型叶片1外侧气流的干扰，减小气流扰动引起的升力型叶片3气动效率损失。

与此同时，随着转速的上升，具有翼型面的上连杆7转动时一方面会产生向上的气动升力，这组与转速正相关的气动升力能抵消风轮系统的部分重量，减小支撑部件承受的压力，降低压力带来的的摩擦阻力引起的效率损失和磨损，在一定程度上提高风机的运行效率和寿命。另一方面，上连杆7翼型面在产生向上的气动升力的同时，还具有着将翼面下气流向下压的趋势。增加升力型叶片3旋转时所围成的圆筒状空间气体压力，带来升力型叶片3压力面压力的上升，提升升力型叶片3水平向气动升力，进一步增加风轮利用风能的效率。

如图5～6所示，本发明中阻力型叶片1与升力型叶片3的安装方式如下：

当阻力型叶片1与升力型叶片3数目相同或为其二分之一时，例如六片升力型叶片3和六片阻力型叶片1，那么阻力型叶片1与升力型叶片3共用上下连杆进行安装，如图5所示；当阻力型叶片1与升力型叶片3数目不同时，例如，三片升力型叶片3和四片阻力型叶片1，则另设上下连杆与主轴4相连进行安装；如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，其特征在于：包括主轴(4)、若干升力型叶片(3)、若干阻力型叶片(1)和若干连杆，所述连杆包括上连杆(7)和下连杆(8)，所述升力型叶片(3)沿主轴(4)周向均布，升力型叶片(3)顶端通过上连杆(7)与主轴(4)连接，升力型叶片(3)下部通过下连杆(8)与主轴(4)连接，升力型叶片(3)与主轴(4)之间设有阻力型叶片(1)，阻力型叶片(1)同样沿主轴(4)周向均布，当阻力型叶片(1)与升力型叶片(3)数目相同或当阻力型叶片(1)数目为升力型叶片(3)二分之一时，阻力型叶片(1)安装在上连杆(7)和下连杆(8)上；当阻力型叶片(1)与升力型叶片(3)数目不同时，另设上下连杆与主轴(4)相连进行安装阻力型叶片(1)；所述上连杆(7)的截面为可随风轮的旋转产生向上的气动升力的翼型面，该翼型面沿半径增大方向、外侧截面大小大于内侧截面大小；所述阻力型叶片(1)为上下两端封闭的柱面；所述阻力型叶片(1)的横截面包含第一弧线段(5)、第二弧线段(6)，所述第一弧线段(5)是以主轴(4)中心为圆心的圆弧段，其一端伸出于连杆中心线所在的垂直平面，该垂直平面同时为主轴中心线所在的平面；第二弧线段(6)为一S型曲线，一端与第一弧线段(5)旋转方向前端点相接，与第一弧线段(5)旋转方向前端点相接的这一端为相对于阻力型叶片(1)内面的内凹弧线，另一端为外凸弧线，终止于连杆中心线所在的垂直平面，且外凸弧线的末端切线垂直于该垂直平面；所述升力型叶片(3)为3～6片。

2.根据权利要求1所述的低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，其特征在于：所述阻力型叶片(1)位于以主轴(4)中心线为起点至升力型叶片(3)距离的1/3～2/3位置处，阻力型叶片(1)的数目为3～6片。

3.根据权利要求1所述的低速启动高效的可提供升力的复合式垂直轴风机风轮系统，其特征在于：所述上连杆(7)的翼型面截面弦线与水平面夹角介于-10°～30°之间。