CN105020094A - 一种包含叶齿的s型垂直轴风力机风轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直轴S型风力机的专用风轮。目前的垂直轴S型风力机气动效率较低，与风能极限利用效率0.593有很大差距。为了解决以上问题，本发明提供了一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，包括两个完全相同、以风轮旋转中心对称布置的叶片，其特征在于：每个叶片由叶片内侧区域(1)、叶段(2)、叶孔(3)和叶齿(4)组成，所述叶孔(3)和叶齿(4)为多个，所述外侧区域(1)被叶孔(3)隔断成多个叶段(2)，叶段(2)和叶孔(3)交替布置，所述叶孔(3)和叶齿(4)的数量相同。发明提供的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮的风能利用效率更高，仅通过简单改进就能大幅提升性能，更加适合推广使用。

Description

一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮
技术领域
本发明涉及一种垂直轴S型风力机的专用风轮。
背景技术
垂直轴S型风力机由于结构简单、制造和维护成本低、不受风向限制、在小尖速比下的气动性能优于水平轴风力机风轮等优点，目前在城市公共照明、电信基站、高速公路等各种中小型风力发电系统中被广泛使用。但传统的垂直轴S型风力机风轮是由两个形状相同的半圆形叶片组成，风能利用效率通常低于0.15,与风能极限利用效率0.593有较大差距，制约了其进一步的推广使用。
围绕进一步提升垂直轴S型风轮气动性能的目标，国内外学者进行了一列研究，主要工作集中在优化风轮基本外形、添加辅助结构和设计混合型风轮系统等方面。M.H.Mohamed等人采用两个半圆形叶片方案，通过增加引导流板和优化布局，在尖速比小于1情况下将风能利用效率提升到接近0.18，此外还提出了一种优化叶片方案，在尖速比0.3～1.4的范围内，实现了风能利用效率的显著提升。Wen Tong Chong采用了多叶片结合上下向外扩张导流端板的设计方案，在尖速比为0.8时实现了最大气动效率为0.19。Burcin Deda Altan等人构造了一种封闭向前大幅扩张的流道，将气流引射到风轮前行叶片上，并减轻风轮后行叶片的负扭矩作用，在指定流向情况下实现了风轮气动性能的大幅度提升，但其结构相对复杂，且受风向限制。Biplab Kumar Debnath研究一种组合型垂直轴风力机风轮，其上部为三叶片Savonius风力机,下部是三叶片Darrieus风力机。美国专利提出的“Savonius wind turbine construction”专利号：US7762777和“Modified Savonius rotor”专利号：US7008171B1等都采用了优化风轮气动布局、增加各种阻流和导流设备等的改进思路，在特定的情况下都取得了一定的有益效果，但大部分结构过于复杂，难以在低成本推广使用。
综上所述，目前垂直轴S型风力机风轮的气动性能仍有较大改进空间，且随着分布式能源系统逐渐得到重视，将有更加广阔的应用前景。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
目前的垂直轴S型风力机气动效率较低，与风能极限利用效率0.593有很大差距。
2、技术方案： 
为了解决以上问题，本发明提供了一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，包括两个完全相同、以风轮旋转中心对称布置的叶片，每个叶片由叶片内侧区域1、叶段2、叶孔3和叶齿4组成，所述叶孔3和叶齿4为多个，所述外侧区域1被叶孔3隔断成多个叶段2，叶段2和 叶孔3交替布置，所述叶孔3和叶齿4的数量相同。
所述的叶孔3为3-4个。
所述的叶孔3宽度相同，用角度计量，以叶片圆心为基准，叶孔宽度为2～5°。
每个叶段2的宽度相同，每个叶段宽度θL用角度计量，以叶片圆心为基准，由下式求得： 式中，n为叶孔数量；θk为叶孔宽度。
所述叶齿4宽度用角度计量，以叶片圆心为基准，为2～4°；每个叶片上的叶齿与叶孔数量相同。
所述叶齿4紧贴并对齐在每个叶段2的最下端内壁面上，风轮弦线竖直放置为参考系，以风轮上叶片为说明对象，按从上到下计，最后一个叶段上没有叶齿附着。
所述叶齿4外形带有三角特征，叶齿4与叶片紧贴的曲边保持与附着壁面相同曲率，叶齿4向着风轮中心倾斜，叶齿4其余两边为直边，由两条辅助线确定，一条辅助线是叶齿曲边的下边界点与风轮旋转中心的连线，称为倾斜线；另一条辅助线由相邻叶孔的下边界点与叶片圆心相连，称为气流遮蔽线；两条辅助线存在交点，称为齿高点。
所述叶齿4的其余两边直边分别是曲边的上下两个边界点与齿高点连接形成。
所述两个叶片交叉重叠部分的弦向距离为单个叶片弦长的15％。
3、有益效果： 
与目前经典的垂直轴S型风力机风轮相比，本发明提供的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮的风能利用效率更高，仅通过简单改进就能大幅提升性能，更加适合推广使用。
附图说明
图1是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。
图2是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图。
图3是本发明包含四个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。
图4是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例来对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，包括两个完全相同、以风轮旋转中心O对称布置的叶片，每个叶片由叶片内侧区域1、叶段2、叶孔3和叶齿4组成，所述叶孔3和叶齿4为多个，所述外侧区域1被叶孔3隔断成多个叶段2，叶段2和叶孔3交替布置，所述叶孔3和叶齿4的数量相同。此结构保持了传统垂直轴S型风力机由两个半圆形 叶片以风轮旋转中心对称布置的基本布局，在每个叶片的外侧区域上保有多个叶孔3，以降低后行叶片的负扭矩作用，并增加叶齿4来减轻前行叶片的正扭矩损失，从整体上提高风轮的气动性能。
所述的叶孔3为3-4个。
所述的叶孔3宽度相同，用角度计量，以叶片圆心为基准，叶孔宽度为2～5°。
每个叶段2的宽度相同，每个叶段宽度θL用角度计量，以叶片圆心为基准，由下式求得： 式中，n为叶孔数量；θk为叶孔宽度。
叶齿宽度用角度计量，以叶片圆心为基准，取2～4°；每个叶片上的叶齿与叶孔数量相同。
以风轮弦线5竖直放置为参考系和风轮上叶片为说明对象，叶齿4紧贴并对齐在每个叶段的最下端内壁面上，按从上到下计，叶齿4仅黏贴在前n个叶段上，叶片最下面一个叶段2无叶齿4附着。叶齿4外形带有三角特征，叶齿4紧贴在叶片上的曲边保持与附着壁面相同曲率，叶齿4向着风轮中心倾斜，叶齿4其余两边为直线边由两条辅助线确定，一条辅助线是叶齿4曲边下边界点与风轮旋转中心点的连线，称为倾斜线6；另一条辅助线由相邻叶孔3的下边界点与叶片圆心O′相连，称为气流遮蔽线7；两条辅助线的交点，称为齿高点。叶齿4的其余两边分别是曲边的上下两个边界点与齿高点连接形成。叶齿4大小各不相同，都采用此方法逐个生成，基本规律是由上到下尺寸逐渐减小。由于叶齿4的高度是由气流遮蔽线7决定，可以有效阻挡作用在前行叶片作正扭矩的气流通过叶孔耗散损失。同时，叶齿4朝向旋转中心倾斜，能有效的将穿过后行叶片的气流通过叶齿的导流作用，经过中间的两个叶片交叉产生的流道，引入前行叶片，进一步产生更大的正扭矩，从整体上提高风轮的气动性能。
所述两个叶片交叉重叠部分的距离为单个叶片弦长的15％。
实施例一
参照图1，为本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。在此实施案例中，叶孔宽度θk为4°，叶齿宽度θL为2°。
参照图2，为本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图，图中的横坐标为尖速比λ，纵坐标为风能利用效率Cp，采用FLUENT软件计算获取。可以看出，本发明风轮由于三个叶孔和叶齿对气流的引流和阻挡作用，以及互相之间的良性耦合，使得本发明风轮的风能利用效率得到了大幅提高提升，相对于传统风轮，最大风的应用。
实施例2
参照图3，为本发明包含四个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。在此实施案例中，叶孔宽度θk为4°，叶齿宽度θL为2°。
参照图4，为本发明包含四个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图，图中的横坐标为尖速比λ，纵坐标为风能利用效率Cp，采用FLUENT软件计算获取。可以看出，本发明翼型的气动性能与实施例一的趋势吻合，气动性能得到了大幅提升，最大风能利用效率超过了0.2，同时其最佳性能出现的尖速比有所后延，说明本发明可以满足不同的应用需求。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (9)

1.一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，包括两个完全相同、以风轮旋转中心对称布置的叶片，其特征在于：每个叶片由叶片内侧区域(1)、叶段(2)、叶孔(3)和叶齿(4)组成，所述叶孔(3)和叶齿(4)为多个，所述外侧区域(1)被叶孔(3)隔断成多个叶段(2)，叶段(2)和叶孔(3)交替布置，所述叶孔(3)和叶齿(4)的数量相同。
2.如权利要求1所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述的叶孔(3)为3-4个。
3.如权利要求1或2所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述的叶孔(3)宽度相同，用角度计量，以叶片圆心为基准，叶孔宽度为2～5°。
4.如权利要求1或2所述包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：每个叶段(2)的宽度相同，每个叶段宽度θL用角度计量，以叶片圆心为基准，由下式求得： 式中，n为叶孔数量；θk为叶孔宽度。
5.如权利要求1或2所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述叶齿(4)宽度用角度计量，以叶片圆心为基准，为2～4°,每个叶片上的叶齿与叶孔数量相同。
6.如权利要求5所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述叶齿(4)紧贴并对齐在每个叶段(2)的最下端内壁面上，以风轮弦线竖直放置为参考系和风轮上叶片为说明对象，按从上到下计，最后一个叶段(2)上没有叶齿(4)附着。
7.如权利要求5所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述叶齿(4)外形带有三角特征，叶齿(4)与叶片紧贴的曲边保持与附着壁面相同曲率，叶齿(4)向着风轮中心倾斜，叶齿(4)其余两边为直边，由两条辅助线确定，一条辅助线是叶齿曲边的下边界点与风轮旋转中心的连线，称为倾斜线；另一条辅助线由相邻叶孔的下边界点与叶片圆心相连，称为气流遮蔽线；两条辅助线存在交点，称为齿高点。
8.如权利要求7所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述叶齿(4)的其余两边直边分别是曲边的上下两个边界点与齿高点连接形成。
9.如权利要求1或2所述的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，其特征在于：所述两个叶片交叉重叠部分的弦向距离为单个叶片弦长的15％。
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