CN106545466A - 一种阻力型垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻力型垂直轴风力机，包括中心竖直的转轴、两片大小形状相同的翼型叶片和上下两块圆形端板，两块圆形端板通过中心竖直的转轴形成一轴盘，两片翼型叶片的四个边与转轴中心在一条直线上，两片翼型叶片以此直线为对称轴对称固定在上下两块圆形端板中间，两片翼型叶片凹面相对，并有部分叶片正对，在转轴中心形成风道，用翼型叶片代替传统Savonius的半圆形叶片。对阻力型垂直轴风力发电机结构进行改进创新，采用改造后NACA系列翼型作为旋转叶片，以达到提高阻力型垂直轴风力发电机的自动启动性能与输出功率的目的。保证了垂直轴风力机结构简单、易于安装维护等其他优点，同时又改善了阻力型垂直轴风力机自动启动性能的不足。

Description

一种阻力型垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，特别涉及一种阻力型垂直轴风力机。

背景技术

在经济飞速发展的今天，能源供应问题突出，世界能源结构正在发生重大转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统的转变。因此，清洁的可再生能源备受各国青睐。与其他能源相比，风能在技术和成本上都具有较强的优势，是最理想的可再生清洁能源。风力发电的优越性归纳为三点：首先，在经济成本方面，建造风力发电厂的费用较水电厂火电厂或者核电站的建造费用低得多；第二，风力发电的运营除常规保养外，没有其他任何消耗和燃料成本；第三，风能是一种干净的可再生能源。风力发电既有效地利用了自然资源，又保护了自然环境，还解决了偏远地区人们的用电需求。因此，各国对于风能开发和利用项目的投资不断加大，风力发电行业呈现出前所未有的发展速度。

我国拥有丰富的风能资源，主要在西北、华北北部、东北及东南沿海地区。20世纪70年代末80年代初，我国自主开发研制批量生产的额定容量较小的风力发电机，在解决居住分散的农牧民和岛屿居民的用电方面有着重要意义。目前所使用的风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。相比于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有结构简单、易于安装回转力矩高、启动风速低的优点；阻力型垂直轴风力机还具备运行不受风向限制、气动噪音小等优点，使其能与城市建筑有效结合，利用建筑环境的风能，减少一次能源的消耗。然而，阻力型垂直轴风力发电机并没有太好的自动启动性能，同时输出功率也相对较低。

发明内容

本发明是针对阻力型垂直轴风力发电机存在的问题，提出了一种阻力型垂直轴风力机，对阻力型垂直轴风力发电机结构进行改进创新，采用改造后NACA系列翼型作为旋转叶片，以达到提高阻力型垂直轴风力发电机的自动启动性能与输出功率的目的。

本发明的技术方案为：一种阻力型垂直轴风力机，包括中心竖直的转轴、两片大小形状相同的翼型叶片和上下两块圆形端板，两块圆形端板通过中心竖直的转轴形成一轴盘，两片翼型叶片的四个边与转轴中心在一条直线上，两片翼型叶片以此直线为对称轴对称固定在上下两块圆形端板中间，两片翼型叶片凹面相对，并有部分叶片正对，在转轴中心形成风道，用翼型叶片代替传统Savonius的半圆形叶片。

所述翼型叶片由NACA系列翼型改造而来，是通过改变最大弯度m以及最大弯度位置p的值，得到最佳的翼型叶片，其中c是翼型的弦长，弦长到中弧面的最大距离为h，翼型叶片各个截面两个端点连成弧形成的面为中弧面，以弦长一端为原点0，其中x₀为对应的相对弯度的横坐标。

所述最佳的翼型叶片形状由最大弯度及其位置决定，根据以下方程求得：

其中x为其弦长(0，c)上任意一点，y_c表示点x处翼型厚度的一半，即中弧面到翼型表面的距离。

本发明的有益效果在于：本发明阻力型垂直轴风力机，保证了垂直轴风力机结构简单、易于安装维护等其他优点，同时又改善了阻力型垂直轴风力机自动启动性能的不足。

附图说明

图1为本发明阻力型垂直轴风力机俯视图；

图2为本发明阻力型垂直轴风力机立体结构图。

具体实施方式

如图1和2所示，阻力型垂直轴风力机包括中心竖直的转轴1、两片大小形状相同的翼型叶片2和上下两块圆形端板3。两块圆形端板通过中心竖直的转轴1形成一轴盘，两片翼型叶片的四个边与转轴1中心在一条直线上，两片翼型叶片2以此直线为对称轴对称固定在上下两块圆形端板3中间，两片翼型叶片凹面相对，并有部分叶片正对，在转轴1中心形成风道，翼型叶片2各个截面两个端点连成弧形成的面为中弧面4。

NACA翼型叶片的厚度、最大弯度及其位置均可以改变，他们共同决定叶片的形状，影响着风力机的输出功率、静态扭矩及其性能。

不同的NACA翼型具有不同的厚度，而其叶片形状由最大弯度及其位置决定，可根据以下方程求得：

其中，c是翼型的弦长，以弦长一端为原点0，x为其弦长(0，c)上任意一点，弦长到中弧面4的最大距离为h，m代表叶片最大弯度p代表最大弯度的相对位置其中x₀为对应的相对弯度的横坐标。y_c表示点x处翼型厚度的一半(中弧面到翼型表面的距离)。

通过改变最大弯度m以及最大弯度的相对位置p的值，对NACA系列翼型进行改造，使其轮廓外表面具有一定的弧度，当风吹向弧状翼型叶片时，会产生阻力差来驱动风力机的旋转，改变m和p的值，得到最佳的翼型叶片代替传统Savonius的半圆形叶片提高风力机效率，且其最佳范围：m在45％-55％之间，p在40％-60％之间。

下面以NACA0012翼型叶片为例进行优化改进，改进后的翼型叶片相对厚度为弦长的12％，最大弯度为50％，和最大弯度的相对位置为50％(翼型弦长的中点)。

Claims (3)

1.一种阻力型垂直轴风力机，其特征在于，包括中心竖直的转轴、两片大小形状相同的翼型叶片和上下两块圆形端板，两块圆形端板通过中心竖直的转轴形成一轴盘，两片翼型叶片的四个边与转轴中心在一条直线上，两片翼型叶片以此直线为对称轴对称固定在上下两块圆形端板中间，两片翼型叶片凹面相对，并有部分叶片正对，在转轴中心形成风道，用翼型叶片代替传统Savonius的半圆形叶片。

2.根据权利要求1所述阻力型垂直轴风力机，其特征在于，所述翼型叶片由NACA系列翼型改造而来，是通过改变最大弯度m以及最大弯度位置p的值，得到最佳的翼型叶片，其中c是翼型的弦长，弦长到中弧面的最大距离为h，翼型叶片各个截面两个端点连成弧形成的面为中弧面，以弦长一端为原点0，其中x₀为对应的相对弯度的横坐标。

3.根据权利要求2所述阻力型垂直轴风力机，其特征在于，所述最佳的翼型叶片形状由最大弯度及其位置决定，根据以下方程求得：

$y_c=\left\{\begin{array}{cc}\frac{m}{p^2}\left(2p\right(\frac{x}{c})-{\left(\frac{x}{c}\right)}^2),& 0\≤x\≤pc\\ \frac{m}{{(1-p)}^2}\left(\right(1-2p)+2p(\frac{x}{c})-{\left(\frac{x}{c}\right)}^2),& pc\≤x\≤c\end{array}\right.$

其中x为其弦长(0，c)上任意一点，y_c表示点x处翼型厚度的一半，即中弧面到翼型表面的距离。