CN104653395A - 鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮 - Google Patents

鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮 Download PDF

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Abstract

鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，包括中心轴、上盖板和下底板，上盖板和下底板之间设有至少三个风叶，风叶一侧为内曲面，另一侧为外曲面，外曲面与上端面的交界线符合方程 ，内曲面与上端面的交界线符合方程，其中，x的取值范围是0~1。本发明的叶片参照鱼身和鱼尾形状，在风轮内部形成二次驱动空腔，使风轮兼顾升力型风轮运转速度高和阻力型风轮启动性能好的功能优势。

Description

鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮。
背景技术
风能是一种清洁、安全、再生绿色能源，取之不尽、用之不竭，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。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大类。水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行，是目前技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。垂直轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行，具有风轮机塔架结构简单、操作和维修方便、叶片制造成本低以及不需迎风装置等优点，可分为升力型风轮和阻力型风轮两大类型。典型的升力型风轮是达里厄式风力机，根据叶片的形状，达里厄式风机具有Φ型、△型、H型、Y型和◇型多种形式，具有转速高、旋转惯性大、结构简单等优点，但启动转矩小、启动性能较差。而典型的阻力型风轮则是萨布纽斯式风力机（S型风力机），具有结构简单、成本低、回转力矩大、启动性能好等优点，但转速和效率较低。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术中单纯升力型风轮启动性能差，阻力型风轮转速低的问题，提供一种由鲤鱼鱼身和鱼尾的轮廓线几何形状仿真而成风叶组成的垂直轴风轮，该仿生几何结构的风叶两侧运动的气流与鱼摆尾两侧运动水流一致，能够改变风力的运动状态，融合升力和阻力为一体。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，包括竖直设置的中心轴、平行设在中心轴两端的上盖板和下底板，所述的上盖板和下底板之间竖直设有至少三个呈曲面结构的风叶，且各风叶的弯曲旋向一致，所述风叶的一侧为内曲面，另一侧为外曲面，且内曲面与外曲面的边缘相接，风叶的上端面和下端面的垂直投影相重合，所述风叶的内曲面与外曲面靠近中心轴的一端向同一侧弯曲，并且风叶的厚度逐渐减小，所述外曲面与上端面的交界线符合方程                                               ，内曲面与上端面的交界线符合方程，其中，x的取值范围是0~1。
其中，各风叶位于同一横切面上的前缘点和后缘点分别处于同一圆周上，各风叶上下端面的两端分别设有螺纹孔；在同一平面上，两个螺纹孔的中心之间的直线距离与风叶的前缘点和后缘点之间的直线距离的比值为0.6~0.7。风叶的同一横切面中，风叶的最前端点称为前缘点，风叶的最后端点称为后缘点，即前缘点处于的圆周的直径大于后缘点处于的圆周的直径。
进一步的，风叶的前缘点和后缘点之间的连线与前缘点和中心轴中心点的连线之间的夹角为36~42°。
进一步的，风叶上端面和下端面之间的竖直高度H与各风叶前缘点所处的圆周的直径Dmax的比例为1~4。
进一步的，风叶的前缘点和后缘点之间的直线距离与各风叶前缘点处于的圆周的直径Dmax的比例值为0.1~0.5，即叶片在风轮旋转平面上的投影面积与风轮扫掠面积之比为0.1~0.5，能够减少风轮对风的阻力，避免吹到风叶上的风速减弱。
有益效果：（1）、本发明中，风叶的两端沿高度方向设有两个螺纹孔，通过螺钉分别与上盖板和下盖板以一定的安装角连接组成本发明的风轮，使得风轮在外来风力的作用下沿垂直轴周向运转，风叶上端面和下端面的外轮廓均通过参数方程限定，使风叶从前缘点到后缘点的方向依靠鲤鱼鱼身和鱼尾仿真而成，其中，鱼身部分即风叶内曲面和外曲面远离中心轴的部分，在一定的攻角下呈现出升力叶片风轮的特性；鱼尾部分即风叶内曲面和外曲面靠近中心轴的部分，呈现出阻力叶片风轮的特性，而数个风叶的鱼尾在风轮内部围成具有内腔二次驱动功能的内腔，鱼尾部分使流经鱼腹部的气流冲击相邻叶片的鱼腹部，从而增加了风轮的转速和输出转矩；
（2）、本发明提供一种仿生垂直轴风轮，其风轮的叶片参照鲤鱼鱼身和鱼尾的形状，与现有技术相比，本发明从叶片构成要素本身出发，融合升力和阻力功能为一体，使得风轮兼顾升力型风轮运转速度高和阻力型风轮启动性能好的功能优势，叶片尾部自然弯曲，在风轮内部形成二次驱动空腔，启动性能更好，效率更高；具有升力大和转速高的优点，且结构简单，运行可靠。
附图说明
图1为本发明中风轮的整体示意图；
图2为图1中去除上端盖后的俯视图；
图3为风叶的示意图；
图4为实施例1的风叶几何截面样本点连线图；
图5为鲤鱼摆尾模型；
图6为现有S型风轮风洞试验叶尖速比变化图；
图7为现有鱼脊线叶板升力风轮风洞试验叶尖速比变化图；
图8为本发明鱼摆尾型风轮风洞试验叶尖速比变化图；
图9为现有S型风轮风洞试验噪声变化图；
图10为现有鱼脊线叶板升力风轮风洞试验噪声变化图。
附图标记：1、中心轴，2、风叶，20、内曲面，21、外曲面，22、上端面，23、下端面，3、上盖板，4、下底板，5、前缘点，6、后缘点，7、螺纹孔。
具体实施方式
如图1所示的一种鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，由风叶2与中心轴1通过上盖板3和下底板4固连构成。中心轴1竖直设置，上盖板3和下底板4平行连接在中心轴1的两端，上盖板3和下底板4之间竖直设有至少三个呈曲面结构的风叶2，实际可设置三个、五个或六个风叶，且各风叶2的弯曲旋向一致。如图1所示，上盖板3的中心部位安装有向心球轴承，下底板4的中心部位安装有向心推力圆柱轴承。上盖板3通过螺栓组件与中心轴1固定连接，下底板4的法兰盘和外转子永磁发电机则由另一组螺栓组件固定连接。
如图3所示的风叶2，风叶2的一侧为内曲面20，另一侧为外曲面21，为内曲面20和外曲面21的边缘相接，风叶2的内曲面20与外曲面21靠近中心轴的一端向同一侧弯曲，并且风叶2的厚度逐渐减小，风叶2的上端面22和下端面23的垂直投影相重合。其中，外曲面21与上端面22的交界线符合方程，内曲面20与上端面22的交界线符合方程，x的取值范围为0~1。其中，风叶的外曲面和内曲面的边缘轮廓曲线，可根据实际风叶弦长等比例缩放。
其中，如图2和图3所示，风叶2中最前端点称为前缘点5，最后端点称为后缘点6，各风叶位于同一横切面上的前缘点和后缘点分别处于同一圆周上，各风叶上下端面的两端分别设有螺纹孔；在同一平面上，两个螺纹孔的中心之间的直线距离与风叶的前缘点和后缘点之间的直线距离的比值为0.6~0.7。具体的，风叶的前缘点距离其最近位置的螺纹孔中心的直线距离占弦长的15%，风叶的前缘点距离另一螺纹孔中心的直线距离占弦长的75%，两个螺纹孔的中心位于风叶2的中弧线上。
如图2所示，风叶2上的螺纹孔通过螺钉与上盖板3和下底板4以一定的安装角连接，风叶2的前缘点和后缘点之间的连线与前缘点和中心轴中心点的连线之间的夹角为安装角，该安装角为36~42°，优选为40°。其余风叶等角度布局。
如图1和图2所示，风叶2上端面和下端面之间的竖直高度H与各风叶前缘点所处的圆周的直径Dmax的比例为1~4，优选为1~3。风叶2的前缘点和后缘点之间的直线距离为弦长L，风叶弦长截面积S1=H×L；风轮扫风面积S2=H×Dmax，S1/S2=0.1~0.5，即风叶2的前缘点和后缘点之间的直线距离与各风叶前缘点所处的圆周的直径Dmax的比例值为0.1~0.5。S1/S2的优选值为0.5。
实施例1
如图4所示的风叶几何截面样本点连线图由下表1的样本点按比例平滑连接而成。
表1 风叶几何截面样本点
如图4所示的风叶，由鱼身和鱼尾两部分仿真而成，其整体轮廓曲线由一组样本点平滑连接而成。本发明的叶片由图5所示的鱼摆尾模型仿真而成，前半部分鱼身部分在一定的攻角下呈现出升力叶片风轮的特性，后半部分鱼尾部分呈现出阻力叶片风轮的特性。鲤鱼摆尾现状，鲤鱼摆尾前半部两侧形状因凸度不同呈现出升力型风轮特性、鲤鱼摆尾后半部形状犹如镰刀状，摆尾部凹面处于风轮内腔迎风呈现出阻力型风轮特性。配置于风轮内腔的摆尾部凹面在迎风同时引导风流向下一个鱼摆尾叶片内侧而形成内腔二次风力驱动。与现有风轮叶片的凹凸面均为圆弧面的风机相比，圆弧面的实际升阻比较小，风电转换效率不足4%，风能利用率较低。本发明的整个风轮中，弯曲旋向一致的多个风叶的鱼尾部分在风轮内部围成空腔，使得风轮内部形成具有内腔二次驱动功能的内腔，起到导流的作用，使气流流向相邻的叶片，为风轮提供二次驱动能量；鱼尾部分使流经鱼腹部的气流冲击相邻叶片的鱼腹部，从而增加了风轮的转速和输出转矩，消除了反向起动力矩，力矩波动幅度也减少了很多，使风向对起动力矩的影响非常小，其动态特性也变得平滑，风力机的输出特性更加稳定。
在相同变频器频率下，对现有S型风轮、申请号为201010140707.4的垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮和本发明的鱼摆尾型风轮进行风洞试验，各风轮高度均为700mm，风轮直径为700mm，即高径比均为1.00；风叶弦长350mm，风叶安装角为40°。
一、记录叶尖速比数值变化规律：变频器频率为22.5Hz，在加载电流0.00、0.01、0.02……0.23、0.24、0.25分别对应26组测试数据，（1）、在电流为0.07的第八组S型风轮，检测风速为10.10m/s，输入功率为309.2W，检测转矩0.20N·m，检测转速为191.98r/min，输出功率为3.96W的情况下，如图6所示，S型风轮的叶尖速比达到最大值0.70，而对应的转换效率较低，为1.28%；（2）、在电流为0.07的第八组鱼脊线叶板升力风轮，检测风速为10.10m/s，输入功率为309.2W，检测转矩0.27N·m，检测转速为181.11r/min，输出功率为5.23W的情况下，如图7所示，鱼脊线叶板升力风轮的叶尖速比达到最大值0.66，而对应的转换效率较低，为1.69%；（3）、在电流为0.07的第八组鱼摆尾型风轮，检测风速为10.10m/s，输入功率为309.2W，检测转矩0.31N·m，检测转速为216.61r/min，输出功率为7.04W的情况下，如图8所示，鱼摆尾型风轮的叶尖速比为0.79，对应的转换效率为2.28%。由风洞试验测试记录可知，鱼摆尾型风轮的实际转换效率高于2.28%，最高可达5.25%，而鱼脊线叶板升力风轮的实际转换效率为1.60~3.84%，S型风轮的实际转换效率为1.24~4.63%。
二、记录噪声变化规律：变频器频率为0、5、10Hz，以及11~44Hz内以1Hz的规律递增，对应的风速分别为0.0、2.9、5.8、6.4、7.0、7.5、8.1、8.7、9.3、9.9、10.4、11.0、11.6、12.2、12.8、13.3、13.9、14.5、15.1、15.7、16.2、16.8、17.4、18.0、18.6、19.1、19.7、20.3、20.9、21.5、22.0、22.6、23.2、23.8、24.4、24.9、25.5m/s，（1）、S型风轮的噪声变化曲线如图9所示，其噪声处于上升趋势，在变频器频率为30~44Hz，其噪声均超过90dB；（2）、鱼脊线叶板升力风轮的噪声变化曲线如图10所示，其噪声处于上升趋势，在变频器频率为35~44Hz，其噪声均超过90dB。而在同等风洞试验中，鱼摆尾型风轮的噪声均低于同等测试条件下的S型风轮和鱼脊线叶板升力风轮，在保证转换效率的基础上，降低噪声，避免噪声污染。

Claims (5)

1.鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，包括竖直设置的中心轴（1）、平行设在中心轴（1）两端的上盖板（3）和下底板（4），所述的上盖板（3）和下底板（4）之间竖直设有至少三个呈曲面结构的风叶（2），且各风叶（2）的弯曲旋向一致，所述风叶（2）的一侧为内曲面（20），另一侧为外曲面（21），且内曲面（20）与外曲面（21）的边缘相接，风叶（2）的上端面（22）和下端面（23）的垂直投影相重合，其特征在于：所述风叶（2）的内曲面（20）与外曲面（21）靠近中心轴的一端向同一侧弯曲，并且风叶（2）的厚度逐渐减小，所述外曲面（21）与上端面（22）的交界线符合方程                                               ，内曲面（20）与上端面（22）的交界线符合方程，其中，x的取值范围是0~1。
2.根据权利要求1所述的鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：各风叶位于同一横切面上的前缘点和后缘点分别处于同一圆周上，各风叶上下端面的两端分别设有螺纹孔；在同一平面上，两个螺纹孔的中心之间的直线距离与风叶的前缘点和后缘点之间的直线距离的比值为0.6~0.7。
3.根据权利要求2所述的鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风叶（2）的前缘点和后缘点之间的连线与前缘点和中心轴中心点的连线之间的夹角为36~42°。
4.根据权利要求2所述的鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风叶（2）上端面和下端面之间的竖直高度H与各风叶前缘点所处的圆周的直径Dmax的比例为1~4。
5.根据权利要求4所述的鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风叶（2）的前缘点和后缘点之间的直线距离与各风叶前缘点所处的圆周的直径Dmax的比例值为0.1~0.5。
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Application publication date: 20150527

Assignee: Beicun mould manufacturing (Kaifeng) Co., Ltd

Assignor: Henan University of Science and Technology

Contract record no.: X2019980000428

Denomination of invention: Fish tailing type lift-drag fusion vertical-axis wind wheel

Granted publication date: 20170711

License type: Common License

Record date: 20191101