CN106870277A - 高效利用低速流体的叶片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高效利用低速流体的叶片及其制造方法。该叶片具有流线形截面，截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成；该叶片由一组翼构件组成，翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，尾部翼件靠近后缘点，中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状。本发明能显著降低制造成本，并保持叶片性能，从而显著提升叶片的性价比。

Description

高效利用低速流体的叶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高效利用低速流体的叶片及其制造方法，适用于利用气流或水流的场合，属于叶片设计、构造技术领域，以及可再生能源、节能减排和环境保护技术的开发与设计领域。
背景技术
据申请人所知，叶片的风能利用系数(表示为Cp，又称风能利用效率)是其最主要的性能参数；叶片的Cp与空气流过叶片时其产生的升力/阻力比值(升阻比)有关，而升阻比由构造翼型流线型的形状确定，因此叶片的Cp性能由其构成的翼型形状确定。提高叶片的Cp是研发高性能风电技术中最根本的技术。
现在市场上所见升力型风力发电产品的叶片均由单翼片构成，单翼叶片存在的问题是低风速性能欠佳，推力型(又称阻力型)叶片存在的问题是Cp低。提高风力机的低风速性能是降低风力发电成本的关键因素之一。
申请人专注于降低风力发电成本的研究已有十余年，着力于垂直轴风力机的研发，并在叶片的翼型研究方面取得了突破性的研究成果，发明了LF系翼型(垂直轴风力机专用翼型，专利申请号201410178052.8申请公布号CN103939283A)和一种高效利用风能的多翼集流叶片(专利号201210152431.0授权公告号CN102661239B)，有效提高了叶片在低风速下的Cp。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种高效利用低速流体的叶片，通过对叶片结构的改进，提高叶片的性价比。
本发明的主要技术构思如下：发明人在现有研究成果的基础上进行了更加深入地实践研究后发现，现有集流叶片的头部翼片由于加工难度很大而导致制造成本过高，不利于提高叶片的性价比；有基于此，发明人经深入地实践研究后终于得出了能有效提高叶片性价比的技术方案。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
一种高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；其特征是，所述翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。
由于现有技术不存在任何相关启示，发明人只能在不断地实践中反复求索尝试，寻找既能降低制造成本、又不损失叶片性能的改进方案。发明人实践研究了很多种方案，虽然它们能规避集流叶片头部翼片加工难度大的问题，并降低制造成本，但是叶片的性能均有不同程度的下降，使产品丧失性能优势。在经过失败案例基础上的进一步实践研究后，发明人终于得出了上述结构，将呈弧形的片状件作为头部翼件，并按上述限定进行布置，既能降低制造成本(能降低20-50％)，又不损失叶片性能，进而显著提升了叶片的性价比。
上述结构中，头部翼件采用的弧形片状件，易于加工制造，且成本较低；同时，该弧形片状件的凸面与原先多翼集流叶片头部翼片的上表面形状相同或近似，使叶片截面的外轮廓形状几乎没有变化；而且，发明人在实践研究中发现，只有采用上述结构，才能在头部翼件与相邻翼构件之间的通气空间形状与原先相比发生了较大变化的情况下，基本保持叶片性能。
需要说明的是，本发明叶片和多翼集流叶片的Cp都是由叶片外表面(外轮廓)与内表面(通气空间)形状的气动性能共同确定，但两种叶片影响形状设计的条件是不同的，多翼集流叶片可在保持叶片的外轮廓形状不变的条件下，通过改变其组成翼片的形状来改变通气空间的形状，而本发明叶片中有片状翼构件(特别是构成叶片头部的头部翼件弧形片)，改变其通气空间形状必然随之要改变叶片的外轮廓形状，可见本发明叶片的设计难题是外轮廓形状与通气空间形状之间有关联性，以上技术方案正是发明人克服了这一难题后得出的。
为进一步提高叶片性能，发明人经进一步深入研究得出以下优选方案：
优选地，至少有一个中部翼件采用似“σ”形结构：
所述中部翼件为实心件或空心件；
当中部翼件为实心件时，所述中部翼件具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的后侧面、以及与叶片截面下轮廓重合的下侧面，后侧面上端与凸面上端相接，凸面上端还延伸有超出后侧面的板件，凸面下端经下侧面与后侧面下端相接，凸面上部及板件分别与叶片截面上轮廓重合；
当中部翼件为空心件时，所述中部翼件由第一、第二片状件构成，且第一、第二片状件一体成型或分别成型；第二片状件位于第一片状件的下方；所述第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第二片状件采用三段双折结构或双段单折结构；
三段双折结构：所述第二片状件分为上段、中段和下段；所述上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；所述中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
双段单折结构：所述第二片状件分为上段和下段；所述上段末端与第一片状件凹面固连或相贴合，或者所述上段与第一片状体之间留有空间；所述第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；当上段与第一片状体之间留有空间时，所述上段还经内面连接件与第一片状体凹面固连。
上述优选方案中，将至少一个中部翼件构造为类似“σ”形状的结构，可进一步提高叶片性能，使其高于原先叶片的性能，同时能降低加工难度，降低制造成本，从而进一步显著提升叶片的性价比。
优选地，在叶片截面中，所述通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口；所述通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。
该优选方案中，对相邻翼构件间的通气空间进行改进，可进一步提高叶片性能。
为进一步降低制造成本，发明人经进一步深入研究得出以下优选方案：
优选地，各中部翼件分别采用弧形结构、双片单折角形结构、似“S”形结构、似“C”形结构、类翼型结构之一；
弧形结构：所述中部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，且凸面靠近头部翼件，所述中部翼件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合，所述中部翼件的下端与叶片截面下轮廓重合；
双片单折角形结构：所述中部翼件分为上片和下片；所述上片和下片呈夹角布置，且该角的开口朝向该中部翼件的上前方；所述上片位于叶片截面上下轮廓之间、下片的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
似“S”形结构：所述中部翼件由上“C”形段和下“C”形段反向对接而成，所述上“C”形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述下“C”形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
似“C”形结构：所述中部翼件由上弧形段和下弧形段同向对接而成，上弧形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面上部与叶片截面上轮廓重合；所述下弧形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合；该似“C”形结构的开口朝向后缘点所在方向；
类翼型结构：所述中部翼件由第三、第四片状件构成，第四片状件位于第三片状件的下方；所述第三片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第三片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第三、第四片状件两者一体成型或分别成型；所述第四片状体采用双段单折结构，即第四片状体分为上段和下段，上段呈弧形、其凸面朝向第三片状体、且其上端与第三片状体凹面固连，所述下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第四片状体的上前方。
优选地，所述尾部翼件采用翼型结构、“鸭嘴”结构、“上翘鸭嘴”结构之一；
翼型结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方，第五片状体两端分别与第六片状体的对应末端固连；所述第五片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；所述第六片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合；
“鸭嘴”结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；所述第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；所述上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，所述下段与第六片状体内侧面贴合，所述下段位于上段远离后缘点的一侧；所述第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；所述第五片状体上段靠近后缘点的末端、下段靠近前缘点的末端分别与第六片状体的对应末端固连；
“上翘鸭嘴”结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；所述第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；所述上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，所述下段与第六片状体内侧面相贴合，所述下段位于上段远离后缘点的一侧；所述第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；所述第五片状体上段靠近后缘点的末端与第六片状体的对应末端固连；所述第六片状体远离后缘点的末端上翘、且位于第五片状件远离后缘点的一侧。
更优选地，若有第一片状体与第二片状体，则所述第一片状体与第二片状体下段的连接处内侧还设有加强件，或者，所述第一片状体与第二片状体下段经连接件固连；若有第五片状体与第六片状体，则所述尾部翼件的第五、第六片状件在其连接处内侧设有加强件，或者第五、第六片状件的相应末端经连接件固连，或者第五、第六片状件的中部经内面连接件固连。
以上优选方案中，中部、尾部翼件均由片状件构成，可以降低加工难度，并大幅降低制造成本，同时不会影响叶片性能，从而进一步提高叶片性价比。
此外，还可选择以下方案：
所述中部翼件、尾部翼件分别呈实心块状；在叶片截面中，中部翼件具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面、以及与叶片截面下轮廓重合的下侧面，凸面上端与凹面上端相接，凸面下端经下侧面与凹面下端相接，凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；在叶片截面中，尾部翼件具有上侧面和下侧面，上侧面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，下侧面与叶片截面下轮廓重合，上侧面的两端分别与下侧面的对应末端连接。
本发明还提供：
前述高效利用低速流体的叶片的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、选择加工原料；
第二步、针对不同加工原料，采用曲面模具或胎具成型、或者曲面辊轧成型将加工原料制成具有预定形状的片状件；所述曲面模具或胎具成型包括冲压成型、挤压成型、注压成型、压铸成型、胎模或拓模成型；
第三步、采用制得片状件构成头部翼件、中部翼件或尾部翼件。
优选地，第一步中，加工原料为具有延展性的轻质金属片材、轻质合金非片材材料、高分子材料、或纤维增强复合材料；
第二步中，当加工原料为轻质金属片材时，采用曲面辊轧成型或冲压成型；当加工原料为轻质合金非片材材料或高分子材料时，采用挤压成型、注压成型或压铸成型；当加工原料为纤维增强复合材料时，采用胎模或拓模成型、压铸成型。
此外，本发明还提供：将前述高效利用低速流体的叶片用作垂直轴风力机叶片、水平轴风力机叶片、水轮机叶片、汽轮机叶片、推进器叶片的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
由于市场上现役风电机组的叶片成本占整机的25％左右，降低叶片成本对降低风电机组成本具有非常重要的意义；通过改进翼件构造，采用片状件替代原先的翼片，可将原先叶片翼型的成型转化为片状件的成型，这样既将制造模具化整为零，减少了模具的尺度、加工难度和成本，还可应用辊轧、冲压、挤压等高效成型的制造工艺，从而显著降低叶片的制造成本，具体可降低20-50％(单机容量越大则降低幅度越大)。同时，本发明叶片的Cp在2-15m/s风速间的风速平均值不低于相同外轮廓的多翼集流叶片，叶片性能有保证，如此双管齐下，即显著提高了叶片的性价比。此外，本发明叶片可以分件制造，这使在风力机安置现场组装叶片成为可能，从而大幅降低大中型叶片的运输成本。
附图说明
图1至图6为本发明实施例1各叶片截面的示意图。
图7至图11为本发明实施例2各叶片截面的示意图。
图12为本发明叶片截面上的外轮廓包络线、吸力面Sup、压力面Slow示意图。
图13为本发明叶片截面上的通气空间示意图。
图14为本发明四种不同构造的叶片截面中，其外轮廓包络线形成的叶片吸力面Sup和压力面Slow的示意图。
图15、图16分别为本发明实施例3叶片截面按X、Y翼型规范设计叶片外轮廓的示意图。
图17至图24为本发明实施例3各叶片截面的示意图。
图25为本发明图7叶片、图22叶片、图21叶片、图3叶片的三维示意图。
图26是本发明实施例4的四种应用方式示意图。
图27是本发明实施例5对三种本发明叶片、一种三翼集流叶片和两种单翼型叶片的测试图。
图28是图27所示的六种叶片的功率曲线比较示意图。
图29至图32为本发明实施例7各叶片截面的示意图。
图33至图38为本发明实施例8各叶片截面的示意图。
图39至图44为本发明实施例9各叶片截面的示意图。
具体实施方式
本发明进行了大量的计算流体动力学仿真模拟和风洞试验，图1至图11、图17至图25所示的叶片是有代表性的实施例，在论述研究结果之前，先说明本发明叶片代号表示的含义，图示和描述叶片的一些相关术语和参量在本发明叶片上如何体现和量度。
本发明叶片由通式FW(n+m)nm表示，其中n表示呈片状的翼构件数量(包括：呈弧形片状的头部翼件，采用弧形结构、双片单折角形结构、似“S”形结构、似“C”形结构的中部翼件)，m表示呈曲面体或实心块状的翼构件数量(包括：采用似“σ”形结构、类翼型结构的中部翼件，采用翼型结构、“鸭嘴”结构、“上翘鸭嘴”结构的尾部翼件，呈实心块状的中部/尾部翼件)，(n+m)为n与m数值之和。此外，若要表示叶片外轮廓有具体规范翼型，则在上述通式后加上表示参照翼型的字母，如FW(n+m)nmL表示参照翼型是LF系翼型、FW(n+m)nmN表示参照翼型是NACA系翼型。
本发明叶片中，有些叶片的翼构件在构形上有逻辑性递推关系，这样的叶片可分为三类，针对各类的特点其表示式相应要反映各类的特点：在FW(n+m)nm中，当一类叶片的m或n为定数时，(n+m)数减这个定数能反映出构形上有逻辑递推性部件的数而无需再由具体数值来表示n或m，则可用一个字母原位替代n或m表示该种部件构形上有逻辑递推性。
具体而言，FW(1+m)1B表示的叶片由1个片状翼构件C1和m个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“σ”形结构的曲面体B，并在构形上有逻辑递推性，图9、图10、图21所示的FW31B，图20、图22、图23、图24依次所示的FW41B、FW51B和FW61B是这类叶片的实例。
FW(n+1)C1表示的叶片由n个片状翼构件C和1个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“C”形结构的片状翼构件C，并在构形上有逻辑递推性，图18所示的FW4C1是这类叶片的实例。
FW(n+1)S1表示的叶片由n个片状翼构件C和1个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“S”形结构的片状翼构件C，并在构形上有逻辑递推性，图7和图8依次所示的FW4S1和FW5S1是这类叶片的实施例。
若以所述n和m对应表示的部件数来分类叶片的应用容量，则1≤n≤3、1≤m≤3的叶片适于微、小型风力机，1≤n≤8、1≤m≤8的叶片适于小、中型风力机，1≤n≤18、1≤m≤18的叶片适于中、大型风力机，1≤n≤30、1≤m≤30的叶片适于大型风力机。
图12所示的虚线是一种叶片外轮廓的包络线，它以叶片的前缘点a和后缘点b为界形成这种叶片的吸力面(上表面)Sup和压力面(下表面)Slow并在图的上、下部分对应分开示出，a与b之间的距离ξ表示叶片的翼弦长度(简称弦长)。
图13示出一种叶片压力面一侧的进气口尺寸gen大于吸力面一侧的出气口尺寸gex，吸力面内侧的通气空间形状是向着出气口的方向逐渐变窄并将气流导向沿吸力面的切线方向流出。
图14示出本发明FW211、FW4S1、FW312、FW41B叶片以前缘点a和后缘点b为界形成虚线所示的吸力面Sup和压力面Slow。
直观起见，图25为图7的FW4S1叶片、图22的FW41B叶片、图21的FW31B叶片、图3的FW312叶片的三维示意图。
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，上轮廓为吸力面与截面的交界线；叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，下轮廓为压力面与截面的交界线。
该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，尾部翼件靠近后缘点，中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间。
头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，头部翼件的凸面背离后缘点。本实施例中，如图1至图6所示，头部翼件为弧形片状翼构件C1。
叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。
中部翼件采用弧形结构、双片单折角形结构、或呈实心块状；
弧形结构：中部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，且凸面靠近头部翼件，中部翼件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合，中部翼件的下端与叶片截面下轮廓重合。如图2、4、6所示，分别有1个中部翼件为弧形片状翼构件C2。
双片单折角形结构：中部翼件分为上片和下片；上片和下片呈夹角布置，且该角的开口朝向该中部翼件的上前方；上片位于叶片截面上下轮廓之间、下片的外侧面与叶片截面下轮廓重合。如图6所示，有1个中部翼件为角形翼构件C3。
呈实心块状：在叶片截面中，中部翼件具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面、以及与叶片截面下轮廓重合的下侧面，凸面上端与凹面上端相接，凸面下端经下侧面与凹面下端相接，凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合。如图3所示，有1个中部翼件为呈实心块状的翼构件A2；如图4所示，有1个中部翼件为呈实心块状的翼构件A3；如图5所示，有2个中部翼件为呈实心块状的翼构件A2和A3。
尾部翼件呈实心块状：在叶片截面中，尾部翼件具有上侧面和下侧面，上侧面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，下侧面与叶片截面下轮廓重合，上侧面的两端分别与下侧面的对应末端连接。如图1所示，尾部翼件为呈实心块状的翼构件A2；如图2、3所示，尾部翼件分别为呈实心块状的翼构件A3；如图4、5、6所示，尾部翼件分别为呈实心块状的翼构件A4。
结合图13所示，在叶片截面中，通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口(即gen>gex)；通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。
此外，图1叶片表示式为FW211，图2叶片表示式为FW321，图3叶片表示式为FW312，图4叶片表示式为FW422，图5叶片表示式为FW413，图6叶片表示式为FW431。
实施例2
如图7至图11所示，本实施例高效利用低速流体的叶片结构与实施例1基本相同，结构要点以及不同之处在于：
(1)头部翼件为弧形片状翼构件C1。
(2)中部翼件采用弧形结构、似“S”形结构、或似“σ”形结构；其中，
弧形结构如实施例1所述。如图7、8所示，分别有1个中部翼件为弧形片状翼构件C2。
似“S”形结构：中部翼件由上“C”形段和下“C”形段反向对接而成，上“C”形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；下“C”形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合。如图7所示，有1个中部翼件为似“S”形结构翼构件C3；如图8所示，有2个中部翼件为似“S”形结构翼构件C3、C4。
似“σ”形结构：中部翼件由第一、第二片状件构成，第二片状件位于第一片状件的下方；第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；第一、第二片状件两者一体成型或分别成型；第二片状件采用三段双折结构：第二片状件分为上段、中段和下段；上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出所述上段；上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合。如图9所示，有1个中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2，第一片状件为E2，第二片状件为E3，且E3的中段呈直线形或微带弧度的曲线形；如图10所示，有1个中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2，第一片状件为E3，第二片状件为E4，且E3和E4下段经连接件L2固连；如图11所示，有2个中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2、B3，翼构件B2的第一片状件为E3、第二片状件为E4，E3和E4下段经连接件L2固连，E4的中段为由至少两段直线和/或曲线构成的折线形，翼构件B3的第一片状件为E6、第二片状件为E7，E6和E7下段经连接件L5固连。
(3)尾部翼件采用翼型结构或呈实心块状；其中，
翼型结构：尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方，第五片状体两端分别与第六片状体的对应末端固连；第五片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；第六片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合。如图7所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B4，第五片状件为E4，第六片状件为E5；如图8所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B5，第五片状件为E5，第六片状件为E6；如图9所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B3，第五片状件由E4和E6连接而成，第六片状件由E5和E7连接而成，第五、第六片状件的中部经内面连接件N8固连；如图10所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B3，第五片状件为E6，第六片状件为E7，E6、E7的相应末端分别经连接件L5、L8固连
呈实心块状的结构如实施例1所述。如图11所示，尾部翼件为呈实心块状的翼构件A4。
此外，图7叶片表示式为FW4S1，图8叶片表示式为FW5S1，图9叶片表示式为FW31B，图10叶片表示式为FW31B，图11叶片表示式为FW413。实施例3
本实施例高效利用低速流体的叶片如图15至25所示。在叶片截面中，叶片外轮廓由前缘点、后缘点、上轮廓和下轮廓构成，图15和图16分别示出了以X翼型规范和Y翼型规范设计出叶片外轮廓形状的例子，叶片与翼型两者的前缘点a重合、而两者的后缘点b不重合，原因是叶片的后缘实际上做不到(也没必要)像翼型的那样尖。图17至图24所示的叶片是按这种构形方式设计的叶片外轮廓的实例。
本实施例叶片结构与实施例1基本相同，结构要点以及不同之处在于：
(1)头部翼件为弧形片状翼构件C1。
(2)中部翼件采用弧形结构、似“C”形结构、类翼型结构、或似“σ”形结构；其中，
弧形结构如实施例1所述。如图17所示，有1个中部翼件为弧形片状翼构件C2。
似“C”形结构：中部翼件由上弧形段和下弧形段同向对接而成，上弧形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面上部与叶片截面上轮廓重合；下弧形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合；该似“C”形结构的开口朝向后缘点所在方向。如图18所示，中部翼件为似“C”形结构翼构件C2和C3。
类翼型结构：中部翼件由第三、第四片状件构成，第四片状件位于第三片状件的下方；第三片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；第三片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；第三、第四片状件两者一体成型或分别成型；第四片状体采用双段单折结构，即第四片状体分为上段和下段，上段呈弧形、其凸面朝向第三片状体、且其上端与第三片状体凹面固连，下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合，上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第四片状体的上前方。如图19所示，中部翼件为类翼型结构翼构件B2，第三片状体为E2，第四片状体为E3。
似“σ”形结构有两种，第一种如实施例2所述。如图21所示，中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2，第一片状件为E2，第二片状件为E3，且E2和E3段连接处内侧还设有加强件N5。如图22所示，中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2、B3，翼构件B2的第一片状件为E2、第二片状件为E3，翼构件B3的第一片状件为E4、第二片状件为E5。如图23所示，中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2、B3、B4，翼构件B2的第一片状件为E2、第二片状件为E3，翼构件B3的第一片状件为E4、第二片状件为E5，翼构件B4的第一片状件为E6、第二片状件为E7。如图24所示，中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2、B3、B4、B5，翼构件B2的第一片状件为E2、第二片状件为E3，翼构件B3的第一片状件为E4、第二片状件为E5，翼构件B4的第一片状件为E6、第二片状件为E7，翼构件B5的第一片状件为E8、第二片状件为E9。
第二种似“σ”形结构与实施例2所述基本相同，不同之处在于：第二片状件采用双段单折结构：第二片状件分为上段和下段；上段与第一片状体之间留有空间，上段还经内面连接件与第一片状体凹面固连，且第一片状件上端延伸超出所述上段；上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合。如图20所示，中部翼件为似“σ”形结构翼构件B2、B3，翼构件B2的第一片状件为E2、第二片状件为E3、且E3上段经内面连接件N9与E2凹面固连、E2和E3下段连接处内侧还设有加强件N8，翼构件B3的第一片状件为E4、第二片状件为E5、且E5上段经内面连接件N11与E4凹面固连、E4和E5下段连接处内侧还设有加强件N10。
(3)尾部翼件采用翼型结构、“鸭嘴”结构、或“上翘鸭嘴”结构；其中，
翼型结构如实施例2所述。如图18所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B4，第五片状件为E4，第六片状件为E5。如图20所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B4，第五片状件为E6，第六片状件为E7，E6和E7在其连接处内侧设有加强件N12。如图21所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B3，第五片状件为E4，第六片状件为E5，E4和E5在其连接处内侧设有加强件N7、N8。如图22所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B4，第五片状件为E6，第六片状件为E7。如图23所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B5，第五片状件为E8，第六片状件为E9。如图24所示，尾部翼件采用翼型结构翼构件B6，第五片状件为E10，第六片状件为E11。
“鸭嘴”结构：尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，下段与第六片状体内侧面贴合，下段位于上段远离后缘点的一侧；第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；第五片状体上段靠近后缘点的末端、下段靠近前缘点的末端分别与第六片状体的对应末端固连。如图17所示，尾部翼件采用“鸭嘴”结构翼构件B3，第五片状件为E3，第六片状件为E4。
“上翘鸭嘴”结构：尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，下段与第六片状体内侧面相贴合，下段位于上段远离后缘点的一侧；第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；第五片状体上段靠近后缘点的末端与第六片状体的对应末端固连；第六片状体远离后缘点的末端上翘、且位于第五片状件远离后缘点的一侧。如图19所示，尾部翼件采用“上翘鸭嘴”结构翼构件B3，第五片状件为E4，第六片状件为E5。
此外，图17叶片表示式为FW321，图18叶片表示式为FW4C1，图19叶片表示式为FW312，图20叶片表示式为FW41H，图21叶片表示式为FW31B，图22叶片表示式为FW41B，图23叶片表示式为FW51B，图24叶片表示式为FW61B。
需要说明的是，除X翼型外形和Y翼型外形之外，叶片外轮廓可采用的形状还可以是LF系翼型外形、NACA系翼型外形、GOE系翼型外形、以及其它自行设计的翼型外形。
实施例4
如图26所示，本实施例以三叶片风轮为例，可以四种形式在风轮上应用本发明叶片，其中三种是垂直轴的H型、Φ型和螺旋型，叶片弦长沿展向是不变的；一种是水平轴的，叶片弦长沿风轮半径向外是逐渐变小的，O表示风轮旋转轴线。
此外，本发明叶片也可用作推进器的叶片，例如船用推进器的叶片，等；还可用作水轮机叶片或汽轮机叶片。
实施例5
本实施例采用六种叶片，分别安装在实施例4的垂直轴的H型风轮上，测量的功率随风速变化值，并拟合出功率曲线，各叶片的曲线图如图27所示，图28为图27中各曲线图的比较图。
六种叶片分别为：以一种LF翼型为叶片外轮廓规范翼型设计的三种本发明FW41BL、FW31BL、FW312L叶片，一种三翼集流叶片G3d2L，作为前述四种叶片外轮廓规范翼型的LF翼型叶片，具有与前述LF翼型相同翼型参数c、xc和t的NACA翼型叶片。
图27所示结果表明，本发明的FW41BL的切入风速Wi是1.5m/s，FW31BL、FW312L和G3d2L叶片的Wi是2m/s，而LF叶片和NACA叶片的Wi依次是3.5m/s和4m/s。
图28所示的比较结果可见，功率曲线按从大到小的顺序列出依次是FW41BL叶片、G3d2L叶片、FW312L叶片、FW31BL叶片、LF叶片、NACA叶片。
表1列出从这六种叶片安装在同一种高效风轮上测得在风速Wi-13m/s范围的风能利用系数Cp随风速变化的平均值切入风速Wi和在Wi风速时的从起转至达到平衡转速的加速时长T。
表1、六种叶片在同一种高效风轮上测量所得的Cp随风速变化的平均值
除NACA叶片外，其他五种叶片均具有相近的外形或外轮廓形状，有通气空间的叶片性能均比LF叶片的好，说明通气空间的构形是提高性能的主要因素，它们之间的性能差别主要由通气空间的数量和形状的不同所致；NACA叶片性能最低，说明针对飞行器设计的航空翼型不适合在垂直轴风力机上使用。
总体平均而言，本发明叶片的不低于G3d2L叶片，但本发明叶片的成本比G3d2L这类集流叶片要降低至少20％，性价比更高。
实施例6
本实施例为之前实施例叶片的制造方法，包括：
第一步、选择加工原料；加工原料为具有延展性的轻质金属片材(包括但不限于铝板、铝合金板)、轻质合金非片材材料(包括但不限于铝合金、铝镁合金)、高分子材料(包括但不限于聚碳酸酯、聚氨酯、ABS)、或纤维增强复合材料(包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、卡夫尼克纤维复合材料)。
第二步、针对不同加工原料，采用曲面模具或胎具成型、或者曲面辊轧成型将加工原料制成具有预定形状的片状件；曲面模具或胎具成型包括冲压成型、挤压成型、注压成型、压铸成型、胎模或拓模成型；
具体而言，当加工原料为轻质金属片材时，采用曲面辊轧成型或冲压成型；当加工原料为轻质合金非片材材料或高分子材料时，采用挤压成型、注压成型或压铸成型；当加工原料为纤维增强复合材料时，采用胎模或拓模成型、压铸成型。
第三步、采用制得片状件构成头部翼件、中部翼件或尾部翼件。
实施例7
如图29至图32所示，本实施例高效利用低速流体叶片的中部翼件和尾部翼件均采用实心件结构(或呈实心块状)，且中部翼件采用似“σ”形结构。
在各图中，翼构件C1为头部翼件。翼构件A2至A6分别为中部翼件或尾部翼件。
图29叶片表示式为FW31B，图30叶片表示式为FW41B，图31叶片表示式为FW51B，图32叶片表示式为FW61B。
实施例8
如图33至图38所示，本实施例高效利用低速流体叶片的中部翼件和尾部翼件均采用空心结构，由挤压成型方法制造而成。其中，中部翼件为似“σ”形结构的空心件，且第一、第二片状件一体成型，第二片状件采用双段单折结构。
在各图中，翼构件C1为头部翼件。翼构件D2至D6分别为中部翼件或尾部翼件。
图33叶片表示式为FW211，图34叶片表示式为FW312，图35叶片表示式为FW31B，图36叶片表示式为FW41B，图37叶片表示式为FW51B，图38叶片表示式为FW61B。
实施例9
如图39至图44所示，本实施例高效利用低速流体叶片的中部翼件和尾部翼件均采用空心结构，由钣金加压力成型方法对单个片状件加工而成。其中，中部翼件为似“σ”形结构的空心件，且第一与第二片状件的前端彼此固连为一体成型，第二片状件采用三段双折结构或双段单折结构。
在各图中，翼构件C1为头部翼件。翼构件K2至K6分别为中部翼件或尾部翼件。
图39叶片表示式为FW211，图40叶片表示式为FW312，图41叶片表示式为FW31B，图42叶片表示式为FW41B，图43叶片表示式为FW51B，图44叶片表示式为FW61B。

Claims (10)

1.一种高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；其特征是，所述翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。
2.根据权利要求1所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，至少有一个中部翼件采用似“σ”形结构：
所述中部翼件为实心件或空心件；
当中部翼件为实心件时，所述中部翼件具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的后侧面、以及与叶片截面下轮廓重合的下侧面，后侧面上端与凸面上端相接，凸面上端还延伸有超出后侧面的板件，凸面下端经下侧面与后侧面下端相接，凸面上部及板件分别与叶片截面上轮廓重合；
当中部翼件为空心件时，所述中部翼件由第一、第二片状件构成，且第一、第二片状件一体成型或分别成型；第二片状件位于第一片状件的下方；所述第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第二片状件采用三段双折结构或双段单折结构；
三段双折结构：所述第二片状件分为上段、中段和下段；所述上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；所述中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
双段单折结构：所述第二片状件分为上段和下段；所述上段末端与第一片状件凹面固连或相贴合，或者所述上段与第一片状体之间留有空间；所述第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；当上段与第一片状体之间留有空间时，所述上段还经内面连接件与第一片状体凹面固连。
3.根据权利要求1所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，在叶片截面中，所述通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口；所述通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。
4.根据权利要求1所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，各中部翼件分别采用弧形结构、双片单折角形结构、似“S”形结构、似“C”形结构、类翼型结构之一；
弧形结构：所述中部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，且凸面靠近头部翼件，所述中部翼件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合，所述中部翼件的下端与叶片截面下轮廓重合；
双片单折角形结构：所述中部翼件分为上片和下片；所述上片和下片呈夹角布置，且该角的开口朝向该中部翼件的上前方；所述上片位于叶片截面上下轮廓之间、下片的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
似“S”形结构：所述中部翼件由上“C”形段和下“C”形段反向对接而成，所述上“C”形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述下“C”形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合；
似“C”形结构：所述中部翼件由上弧形段和下弧形段同向对接而成，上弧形段的凸面靠近头部翼件、且该凸面上部与叶片截面上轮廓重合；所述下弧形段下部的外侧面与叶片截面下轮廓重合；该似“C”形结构的开口朝向后缘点所在方向；
类翼型结构：所述中部翼件由第三、第四片状件构成，第四片状件位于第三片状件的下方；所述第三片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第三片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第三、第四片状件两者一体成型或分别成型；所述第四片状体采用双段单折结构，即第四片状体分为上段和下段，上段呈弧形、其凸面朝向第三片状体、且其上端与第三片状体凹面固连，所述下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第四片状体的上前方。
5.根据权利要求1所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，所述尾部翼件采用翼型结构、“鸭嘴”结构、“上翘鸭嘴”结构之一；
翼型结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方，第五片状体两端分别与第六片状体的对应末端固连；所述第五片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；所述第六片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合；
“鸭嘴”结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；所述第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；所述上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，所述下段与第六片状体内侧面贴合，所述下段位于上段远离后缘点的一侧；所述第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；所述第五片状体上段靠近后缘点的末端、下段靠近前缘点的末端分别与第六片状体的对应末端固连；
“上翘鸭嘴”结构：所述尾部翼件由第五、第六片状件构成，第六片状件位于第五片状件的下方；所述第五片状体采用两段一折结构，即第五片状体分为上段和下段，所述上段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第五片状体的上前方；所述上段呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，所述下段与第六片状体内侧面相贴合，所述下段位于上段远离后缘点的一侧；所述第六片状体外侧面的部分或全部与叶片截面下轮廓重合；所述第五片状体上段靠近后缘点的末端与第六片状体的对应末端固连；所述第六片状体远离后缘点的末端上翘、且位于第五片状件远离后缘点的一侧。
6.根据权利要求2或5所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，若有第一片状体与第二片状体，则所述第一片状体与第二片状体下段的连接处内侧还设有加强件，或者，所述第一片状体与第二片状体下段经连接件固连；若有第五片状体与第六片状体，则所述尾部翼件的第五、第六片状件在其连接处内侧设有加强件，或者第五、第六片状件的相应末端经连接件固连，或者第五、第六片状件的中部经内面连接件固连。
7.根据权利要求1或3所述高效利用低速流体的叶片，其特征是，所述中部翼件、尾部翼件分别呈实心块状；在叶片截面中，中部翼件具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面、以及与叶片截面下轮廓重合的下侧面，凸面上端与凹面上端相接，凸面下端经下侧面与凹面下端相接，凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；在叶片截面中，尾部翼件具有上侧面和下侧面，上侧面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合，下侧面与叶片截面下轮廓重合，上侧面的两端分别与下侧面的对应末端连接。
8.权利要求1至7任一项所述高效利用低速流体的叶片的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、选择加工原料；
第二步、针对不同加工原料，采用曲面模具或胎具成型、或者曲面辊轧成型将加工原料制成具有预定形状的片状件；所述曲面模具或胎具成型包括冲压成型、挤压成型、注压成型、压铸成型、胎模或拓模成型；
第三步、采用制得片状件构成头部翼件、中部翼件或尾部翼件。
9.根据权利要求8所述高效利用低速流体的叶片的制造方法，其特征是，第一步中，加工原料为具有延展性的轻质金属片材、轻质合金非片材材料、高分子材料、或纤维增强复合材料；
第二步中，当加工原料为轻质金属片材时，采用曲面辊轧成型或冲压成型；当加工原料为轻质合金非片材材料或高分子材料时，采用挤压成型、注压成型或压铸成型；当加工原料为纤维增强复合材料时，采用胎模或拓模成型、压铸成型。
10.将权利要求1至7任一项所述高效利用低速流体的叶片用作垂直轴风力机叶片、水平轴风力机叶片、水轮机叶片、汽轮机叶片、推进器叶片的用途。
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