CN104863792B - 具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，弯曲叶片沿展向方向各部分翼型之间具有不同的扭角，以顺时针为正方向，叶片展向各横截面的扭角在0°～25°之间。该弯曲叶片主要应用于达里尔风力机，其型线有troposkien形、抛物线形或直线—圆弧—直线形。本发明具有能够降低失速效应，提供更高的瞬时力矩，实现风力机在低风速下的自启动，有效提高垂直轴风力机的运行效率的有益效果。

Description

具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片，具体地，涉及一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片。

背景技术

目前世界能源的紧缺和环境的恶化促使人们更多地转向了能源丰富的风能。而要开发风能，风力机的设计和优化是各方面关注的重点。

风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种。而相关研究表明，相比于水平轴风力机，垂直轴风力机不依赖于风向，不需要偏航设备，更加紧凑，结构简单，维护方便，更易于小型化和安装在城市和偏远山区。

阻力型垂直轴风力机的运行转速不高，效率也低，目前运行中比较阻力型垂直轴风力机能够得到更高效率的是升力型垂直轴风力机。升力型直叶片垂直轴风力机的叶片加工简单，并且也有很不错的能量转换效率，但是其不能够自启动，需要加装电机，这就增加了设备的复杂性。传统的达里尔垂直轴风力机使用了弯曲叶片，降低了自启动的难度。但是囿于垂直轴风力机固有的缺陷，其在运转时叶片有很大的方位角是处于大攻角的状态下，这就引起了动态失速的问题，即是在负升力和负推力的作用下的，这就无疑降低了风力机的运行效率和输出扭矩，得不到水平轴风力机的效率。因此，为了充分地利用风能的推力效应和升力效应，提高垂直轴风力机从风中获得的能量，提高风能利用效率，最关键的问题就是叶片在不同的方位角时与风向的攻角问题，要是能够调节到适合的夹角，垂直轴风力机的风能利用效率必然能够得到提高。

目前的达里尔风力机的弯曲叶片基迭线有Troposkien型、抛物线型和悬链型以及直线—圆弧—直线改进型，采用该基迭线的弯曲叶片是为了能够减少在运行时弯曲应力，troposkien型叶片是最优的叶片形状，尽管旋转时离心力很大，叶片只受拉应力，因此应力很小，高速下桨叶也不会损坏。抛物线形和直线—圆弧—直线形都能够很好地近似troposkien形，并且叶片的加工更加容易。弯曲应力在大型风力机中显得尤为重要，这能够延长叶片的工作寿命，但这并不等于这是能量转化效率最优的。许多文献针对垂直轴风力机的叶片优化都是基于Troposkien形状，但却没有考虑扭角的因素，没有很好的解决叶片在大攻角情况下的动态失速问题。当弯曲叶片旋转到一定的方位角，由于速度型较小，相对于叶片的赤道段，其上下端部的攻角要大得多，这就使得叶片的上下端部更容易进入失速状态，降低了赤道部分的做功能力，不能够最大化叶片的能量转化效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片。

根据本发明的一个方面，提供一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，包括：弯曲叶片，弯曲叶片沿展向方向各部分翼型之间具有不同的扭角，以顺时针为正方向，叶片展向各横截面的扭角在0°～25°之间。

优选地，弯曲叶片的型线为troposkien形、抛物线形或直线—圆弧—直线形。

优选地，型线的上、下端点在同一平面上。

优选地，翼型采用升力翼型，沿型线平滑拉伸。

优选地，弯曲叶片的高度为1～100米。

本发明的垂直轴风力机弯曲叶片具有一定的扭角，沿着展向方向叶片的扭转角度不一样，在来流气流的作用下，使得叶片上下端部的攻角与叶片中部趋于一致，改善叶片端部的失速，最大化叶片的能量转换效率。

本发明相对于传统的弯曲型垂直轴风力机叶片，其能够有效地提高垂直轴风力机的运行效率。本发明的垂直轴风力机叶片的型线是troposkien形或者抛物线形或者直线—圆弧—直线形，在叶片展向方向带有一定的扭角，叶片是扭曲的，叶片横截面采用升力翼型。采用本发明上述结构弯曲叶片组成的垂直轴风力机转子工作时，在保证强度的同时能够降低叶片在传统达里尔风力机高攻角情况下的动态失速效应，进而提供更高的瞬时力矩，有利于输出扭矩的提升，实现风力机在低风速下的自启动，降低升力型垂直轴风力机启动的运行条件，保证了能够在更宽的风速范围内提供有效地输出力矩，提高垂直轴风力机的效率。因此，与现有技术相比，本发明具有能够降低失速效应，提供更高的瞬时力矩，实现风力机在低风速下的自启动，有效提高垂直轴风力机的运行效率的有益效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片的侧视图；

图2为本发明具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片的叶片扭角展向分布示意图；

图3为本发明具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片的右视图；

图4为图3的B-B剖面的速度分析图；

图5为图3的A-A剖面的速度分析图；

图6为本发明具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片的横截面示意图；

图7为本发明实施例的具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片的组装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图6，一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，该弯曲叶片沿展向方向各部分翼型之间具有不同的扭角，并且平滑过渡，构成一个完整的叶片，以顺时针为正方向，叶片展向各横截面的扭角在0°～25°之间。

扭角是相对于叶片赤道位置而言，叶片其他横截面上的叶型与赤道叶型的夹角即为扭角；型线是翼型的中心点沿着叶片展向方向的连线；翼型是指叶片横截面的流线型外形。

具体地，本发明弯曲叶片的型线为troposkien形或抛物线形或直线—圆弧—直线形，型线的上、下端点在同一平面，并安装在风力机旋转轴上。其中，troposkien形是指型线跟跳绳运动时绳子形成的曲线一样。抛物线形是指型线是由抛物线形成的。直线—圆弧—直线形是指型线的中部形状是一个圆弧，而其上下两端是由直线与圆弧连接构成的。

具体地，如图6所示，本发明弯曲叶片的翼型采用升力翼型，翼型沿型线平滑拉伸，当空气流过次横截面外形的叶片时，叶片获得升力和周向的切力，升力能够维持叶片的旋转，而周向的切力就构成了风力机对外输出的力矩。

请同时参阅图2至图5，图2展示了本发明的垂直轴风力机叶片的展向扭角分布图从赤道向两边的叶片扭角逐渐增大。相对地，传统的垂直轴风力机叶片在一定的风速下，由于叶片上下两端的旋转线速度要比赤道的小，其攻角α_B都要比赤道叶片攻角α_A大，更早的进入了失速状态。而如图4、图5所示，其分别展示了本发明弯曲叶片A和B剖面的速度分析图，当叶片横截面带有一定的扭角以后，由于叶片的旋转能够补偿叶片旋转线速度的不足，叶片端部的运行攻角更加趋向于赤道攻角，可见之于α_B有了明显的减小，相比于传统叶片其攻角得到了改善，减小了失速的工作范围，可见由本发明叶片组成的垂直轴风力机的性能有很大的提高。

具体地，如图4、图5所示，A-A面为高纬度面，由于他的转速更低，因此风速相对于其转速的W比B-B面的W更加斜，因此，由图4、图5可以看出：高纬度的攻角会比低纬度的攻角要大，本发明在高纬度的位子有一个扭角(即将B的方向扭到A的方向)来迎合大攻角，这时可以看到，攻角由α_B减少到α_B’，从而降低失速的可能性。

一般地，垂直轴风力机由2到3个叶片组成，叶片与支撑臂连接，安装在旋转轴的一个同心圆中，叶片安装时需保证每片叶片均按照同一旋转方向安装。如图7所示，其为本发明叶片的一种安装实施例示意图。垂直轴风力机包括3个弯曲叶片，弯曲叶片与支撑臂连接，支撑臂一端与旋转轴相连接，一端与叶片相连接，每片叶片均按照同一旋转方向安装。

具体地，本发明的弯曲叶片的高度为1～100米，组成的风力机的直径达到1米到200米。

本发明由于采用troposkien形或者抛物线形或者直线—圆弧—直线形型线，该些型线形状都能够很好的减少叶片在运转过程中的弯曲应力，因此，本发明能够很好的应用于大型的垂直轴风力当中，达到更高的效率，而小型的垂直轴风力机同样能够提升其输出效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，包括弯曲叶片，所述弯曲叶片沿展向方向各部分翼型之间具有不同的扭角，以顺时针为正方向，叶片展向各横截面的扭角在0°～25°之间；

所述弯曲叶片的型线的上、下端点在同一平面上；

所述弯曲叶片的型线为troposkien形、抛物线形或直线—圆弧—直线形。

2.根据权利要求1所述的具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，所述翼型采用升力翼型，沿型线平滑拉伸。

3.根据权利要求1所述的具有扭角的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，所述弯曲叶片的高度为1～100米。