CN104879272B - 具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，包括弯曲叶片，弯曲叶片运转到不同的方位角，在来流方向能够得到不同的基迭线，并且，基迭线平滑过渡，在升力区叶片展开达到最大半径，形成直叶片；在反升力区叶片收缩弯曲，形成troposkien形状。本发明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，有效提高垂直轴风力机的效率。

Description

具有新型可变基迭线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，涉及一种具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片。

背景技术

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的能量转换分配关系，要是能够提高升力区的做功能力而降低反升力区的阻力，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，采用该些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。许多文献对于垂直轴风力机的叶片优化都是基于Troposkien形状，弯曲应力对于大型风力机显得尤为重要，这能够延长叶片的工作寿命。而考虑到新型材料的发展，同时针对小型风力机，应变强度的考虑变的次要，而风力机的工作效率显得更加现实，因此，风力机叶片有必要在不同的旋转方位作出不同的调整以适应叶片的做功需求。中国专利CN 101852180A对弯曲叶片作出了基迭线的调整，在转动时形成凸型，静止时形成凹形，该种叶片利于提升自启动的转动力矩，但是，其仍然没能解决叶片在转动过程中的能量分配关系。

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新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，本发明能够提升垂直轴风力机的输出力矩，降低自启动的风速要求，达到更宽的运转风速范围，在叶片强度允许的范围内实现垂直轴风力机的能量转换效率的提高。

根据本发明的一个方面，提供一种具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，包括弯曲叶片，弯曲叶片运转到不同的方位角，在来流方向能够得到不同的基迭线，并且，基迭线平滑过渡，在升力区弯曲叶片展开达到最大半径，形成直叶片；在反升力区弯曲叶片收缩弯曲，形成troposkien形状。

优选地，弯曲叶片采用柔性材料制成。

优选地，基迭线包括上、下端点，基迭线的上、下端点在同一个垂直位置。

优选地，弯曲叶片的横截面为翼型，且采用升力翼型，沿着基迭线平滑拉伸。

优选地，弯曲叶片的高度为1～50米。

本发明的垂直轴风力机叶片具有一定的柔性，且叶片横截面为升力翼型，能够在旋转到不同的方位角时投影到气流来流方向可以呈现不同的基迭线形状，最大化叶片各个部分对风能转化的利用效率。相对于传统的弯曲型垂直轴风力机叶片，本发明能够有效地提高垂直轴风力机的运行效率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片能够在旋转到不同的方位角时投影到气流来流方向呈现不同的基迭线形状，使用本发明的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还能够提高叶片在低攻角情况下的升力，降低在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，有效提高垂直轴风力机的效率。

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为垂直轴风力机单叶片方位角与输出力矩关系示意图；

图2为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片的基迭线在升力区与反升力区形状示意图；

图3为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片在反升力区运作示意图；

图4为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片在升力区运作示意图；

图5为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片的横截面示意图；

图6为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片呈troposkien型基迭线时的结构示意图；

图7为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片由troposkien型基迭线向直线型基迭线变化的结构示意图；

图8为本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片呈直线型型基迭线时的结构示意图。

图9为本发明实施例的具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片的组装示意图；

图10为图9的组装结构的俯视图。

图中：1为直线型基迭线，2为troposkien型基迭线，11为叶片，21为支撑臂，31为旋转轴。

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5，一种具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，包括弯曲叶片，弯曲叶片运转到不同的方位角，在来流方向能够得到不同的基迭线，并且，基迭线平滑过渡，在升力区弯曲叶片展开达到最大半径，形成直叶片；在反升力区弯曲叶片收缩弯曲，形成troposkien形状。

图1展示了传统垂直轴风力机单叶片在旋转一周各个方位角的能量转化关系，本发明叶片能够针对于此作出基迭线优化。如图2所示，叶片的基迭线在升力区变换为直线并达到最大半径，在负升力区变换为troposkien弯曲型，具体地，基迭线是指翼型的中心点沿着叶片展向方向的连线，基迭线包括上、下端点，本发明中基迭线的上、下端点在同一个垂直位置。翼型是指叶片横截面的流线型外形，如图5所示，本发明的翼型采用升力翼型，沿着基迭线平滑拉伸，具有流线型外形。当空气流过此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。

如图1所示，垂直轴风力机在90°左右方位角1的时候能够达到最高的输出力矩，此时正如图2的1号基迭线即直线型基迭线1和图4所示，叶片达到最大的半径，叶片基迭线也接近直线，类似于直叶片，此时叶片达到最大的线速度，从而降低了来流风的攻角，提升了叶片的有效工作方位角范围，最重要的是这种状态下能够最大地利用风能，能量转换效率以及输出力矩都大大提高；再参照图1，在180°方位角附近和270～360°方位角范围可以看到，在来流风的作用下叶片得到一个与转向方向相反的力，叶片主要是在做负功，此时，如图2的2号基迭线即troposkien型基迭线和图3所示，叶片会主动转变成troposkien的形状，减少叶片的弯曲应力，而同时叶片的扫略面积减小了，能够积极地降低叶片受到的负动力的影响。周而复始，可变基迭线对于由本发明叶片组成的垂直轴风力机的性能有很大的提高。

由于本发明的弯曲叶片基迭线需要在直线与troposkien型线之间频繁转变，这就对叶片的材料提出了很大的要求。该材料必须具有足够的柔性，同时叶片材料也需要采用强度合适的材料，本发明弯曲叶片采用柔性材料制成，且柔性材料为在保证强度的主材料基础上加入柔性增强材料的复合材料。

一般地，垂直轴风力机由2到3个叶片组成，叶片11与支撑臂21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6、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，弯曲叶片与转子连接，每片叶片均按照同一旋转方向安装，支撑臂为可伸缩的机械结构，一端与旋转轴31相连接，一端与叶片相连接，其内部的结构能够实现在不同的方位角智能地伸缩成不同的长度(如图6、图7所示)以实现叶片在不同的方位角达到不同的基迭线。

具体地，本发明的弯曲叶片的高度为1～50米，组成的风力机的直径可达到1米到100米。

本发明具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片能够在旋转到不同的方位角时投影到气流来流方向呈现不同的基迭线形状，提升了垂直轴风力机的输出力矩，降低了自启动的风速要求，达到了更宽的运转风速范围，实现了在叶片强度允许的范围内垂直轴风力机的能量转换效率的提高。

本发明的弯曲叶片能够根据运转到的不同方位角主动改变叶片基迭线形状，最大化叶片的能量转换效率。由于强度的限制，本发明十分有利于小型垂直轴风力机的应用，有利于能够满足强度要求的小型垂直轴风力机的性能提高，但是同样的特点在叶片强度允许的情况下对大型风力机来说也是有利的。

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 (5)

1.一种具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，包括弯曲叶片、旋转轴以及支撑臂，每片叶片均按照同一旋转方向安装，支撑臂为可伸缩的机械结构，支撑臂一端与旋转轴相连接，一端与叶片相连接，支撑臂在不同的方位角伸缩成不同的长度以实现叶片运转到不同的方位角，在来流方向能够得到不同的基迭线，并且，所述基迭线平滑过渡，在升力区弯曲叶片展开达到最大半径，形成直叶片；在反升力区弯曲叶片收缩弯曲，形成troposkien形状。

2.根据权利要求1所述的具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，所述弯曲叶片采用柔性材料制成。

3.根据权利要求1所述的具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，所述基迭线包括上、下端点，所述基迭线的上、下端点在同一个垂直位置。

4.根据权利要求1所述的具有新型可变基迭线的垂直轴风力机弯曲叶片，其特征在于，所述弯曲叶片的横截面为翼型，且采用升力翼型，沿着基迭线平滑拉伸。

5.根据权利要求1所述的具有新型可变基迭线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1～50米。