CN107355341A - 一种升阻结合型垂直轴风力机 - Google Patents

一种升阻结合型垂直轴风力机 Download PDF

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吴池力
陈宇明
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张骏升
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Abstract

本发明公开了一种升阻结合型垂直轴风力机，包括轴杆、内旋转机构、外旋转机构、绕所述轴杆轴线方向转动的内叶片和外叶片；所述内叶片和所述外叶片均采用扭转型叶片，所述外叶片的各个横截面的形状和大小均一致；所述外叶片的弦线中点的径向与所述内叶片端部的径向的夹角为交错角；在风力机任意的横截面上，所述交错角的大小均一致；所述内叶片通过内旋转机构与所述轴杆旋转连接，所述外叶片通过外旋转机构与所述轴杆旋转连接。使用本发明的一种升阻结合型垂直轴风力机，能以较低的力矩启动，并拥有较高的风能利用率。

Description

一种升阻结合型垂直轴风力机
技术领域
本发明属于风力机技术领域，涉及一种升阻结合型垂直轴风力机。
背景技术
随着化石燃料的日渐消耗和对环境问题的不断重视，如何对可再生能源进行开发利用是世界各国的重要课题。其中，风能凭借其储量大、分布广泛和开发技术较为成熟等优点而成为可在再生能源版图中一个重要的组成部分。
风能的捕捉和利用主要通过风力机的风能接收装置，根据风力机的转轴相对于气流方向的布置可将风力机划分为水平轴风力机和垂直轴风力机。现有的垂直轴风力机主要有升力型、阻力型和升阻结合型三类。
升力型垂直轴风力机启动力矩小，要求启动风速比较大，在较低风速下难以启动。阻力型垂直轴风力机虽能在较低风速时提供较大启动力矩，但风速较高时其风能利用率较低。采用H型直叶片与S型半圆叶片的升阻结合型风机虽然在一定程度上解决了风机的自启动问题，但由于两类叶片最佳运行工况下叶尖速比的较大差异，低风速条件下升力叶片无法提供有效升力，并且增加了结构复杂度以及重量，使得其需要比单阻力型风力机更大的启动力矩，高风速条件下阻力叶片线速度慢于风速会产生较大的阻力，降低其风能利用率。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种升阻结合型垂直轴风力机，能以较低的力矩启动，并拥有较高的风能利用率。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
本发明所述一种升阻结合型垂直轴风力机，包括轴杆、内旋转机构、外旋转机构、绕所述轴杆轴线方向转动的内叶片和外叶片；
所述内叶片和所述外叶片均采用扭转型叶片，所述外叶片的各个横截面的形状和大小均一致；
所述外叶片的弦线中点的径向与所述内叶片端部的径向的夹角为交错角；在风力机任意的横截面上，所述交错角的大小均一致；
所述内叶片通过内旋转机构与所述轴杆旋转连接，所述外叶片通过外旋转机构与所述轴杆旋转连接。
进一步地，所述内叶片的形状为圆弧筒形，所述内叶片的上端与下端相扭转，所述内叶片横截面的形状为半圆弧形。
进一步地，所述外叶片的形状为细长的片状，且为螺旋围绕所述轴杆的C字形，所述外叶片的横截面的形状为非对称的翼型。
进一步地，所述内旋转机构包括绕所述轴杆轴线方向转动的套筒；
所述套筒与所述轴杆转动连接；所述内叶片安装在所述套筒上。
进一步地，所述外旋转机构包括绕所述轴杆轴线方向转动的支承盘和支承臂；
所述支承盘设在所述轴杆的上下两侧，并与所述轴杆转动连接；所述外叶片的两端通过所述支承臂安装在所述支承盘上。
进一步地，所述支承臂的形状为用于提供向上升力的翼片形。
进一步地，所述支承臂为带有弧度的翼片形；
所述弧度为用于提高向上升力的二次曲线。
进一步地，所述交错角为15°～45°。
进一步地，所述外叶片的垂直投影首尾相连，并连成一圆周。
进一步地，所述外叶片任意横截面的弦线与所述外叶片旋转轨迹的切线的夹角为-5°～5°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：风力机的外叶片采用扭转型的叶片，其设置了恰当的扭转角度，使得外叶片在各个角度的投影面积均相同，这样设置的外叶片不但增加了其风能的利用率，还降低了风力机对来流方向的依赖性，提高了其启动性能，使得风力机能以较低的力矩启动。
风力机的内叶片采用扭转型的叶片，可以降低其高速转动时产生的阻力，从而提高风力机整体的风能利用率；而且风力机的内叶片采用扭转型叶片，可以引导部分气流往叶片两端流动，减小叶片两端的翼梢涡，从而提高风力机的整体性能。
交错角在各个横截面均保持一致，使得外叶片与内叶片在各个横截面的相位差一致，确保在一个旋转周期内外叶片与内叶片在各个横截面所受到的平均力矩也一致，避免了由于各横截面的力矩变化率不同而降低叶片有效驱动力，有效提高风力机的使用寿命和提高了风能的利用效率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明实施例提供的垂直轴风力机示意图；
图2是本发明实施例提供的内叶片俯视示意图；
图3是本发明实施例提供的外叶片俯视示意图；
图4是本发明实施例提供的支承臂正视示意图；
图5是本发明实施例提供的垂直轴风力机横截面示意图；
图6是本发明实施例提供的外叶片横截面示意图；
图7时本发明实施例提供的交错角为15°时内叶片与外叶片的力矩系数图；
图中：1-轴杆；2-内叶片；3-外叶片；4-套筒；5-支承盘；6-支承臂。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所述的一种升阻结合型垂直轴风力机，包括轴杆1、内旋转机构、外旋转机构、绕轴杆1轴线方向转动的内叶片2和外叶片3。
如图1-3所示，内叶片2的形状为圆弧筒形，内叶片2的上端与下端相扭转，内叶片2的横截面的形状为半圆弧形；外叶片3的形状为细长的片状，且呈螺旋围绕轴杆1的C字形，外叶片3的横截面的形状为非对称的翼型，是外叶片3的各个横截面的形状和大小均一致；内叶片2通过内旋转机构与轴杆1旋转连接，外叶片3通过外旋转机构与轴杆1旋转连接。采用这样设计的外叶片3在设置了恰当的扭转角度后，使得外叶片3在各个角度的投影面积均相同，这样设置的外叶片3不但增加了其风能的利用率，还降低了风力机对来流方向的依赖性，提高了其启动性能，使得风力机能以较低的力矩启动；采用这样设计的内叶片2，上端与下端相扭转，可以降低其高速转动时产生的阻力，从而提高风力机整体的风能利用率；而且采用这样设计的内叶片2，可以引导部分气流往叶片两端流动，减小叶片两端的附着涡，从而提高风力机的整体性能。
如图5所示，外叶片3的弦线为外叶片3横截面上，外叶片3首尾两端的连线；外叶片3的弦线中点的径向与内叶片2的径向的夹角为交错角α，作为一种实施例，在风力机的任意横截面上，外叶片3与内叶片2的交错角α的大小均一致，交错角α为15°～45°。外叶片3与内叶片2的交错角α在各个横截面均保持一致，使得外叶片3与内叶片2在各个横截面均保持一致的相位差，外叶片3与内叶片2在各个横截面均拥有一样的力矩，避免了由于各横截面的力矩不一致而导致叶片的变形和风能的浪费，有效提高风力机的使用寿命和提高了风能的利用效率。如图7所示，该图为外叶片3与内叶片2的交错角α为15°时，在各个方向上，外叶片3和内叶片2的力矩系数图；将外叶片3与内叶片2的交错角α为15°～45°时，使得风力机整体在很大的攻角范围内获得正方向的力矩，从而增强风轮整体的气动性能；外叶片3与内叶片2的交错角α根据风力机的叶片数、叶片的弦长和风机的直径等参数确定。
如图1所示，内旋转机构包括绕轴杆1轴线方向转动的套筒4，套筒4与轴杆1转动连接，内叶片2安装在套筒4上。在本实施例中，内旋转机构为套筒4，通过套筒4使得内叶片2能绕轴杆1旋转，使得内叶片2能捕抓和利用风能。
外旋转机构包括绕轴杆1轴线方向转动的支承盘5和支承臂6；支承盘5设在轴杆1的上下两侧，并与轴杆1转动连接；外叶片3的两端通过支承臂6安装在支承盘5上。在实施例中，外旋转机构为支承盘5和支撑臂6，外叶片3通过支承臂6与支承盘5连接，并绕轴杆1旋转，使得外叶片3能捕抓和利用风能。
支承臂6的形状为在风力机转动时提供向上升力的翼片形，所述翼片形的支承臂6还带有弧度，所述弧度为提高向上升力的二次曲线。支承臂6采用翼片形的结构，可以使得风力机在转动时能获得向上的升力，有效降低垂直轴风力机的轴承磨损，有利于延长其使用寿命；所述翼片形的支承臂6带有二次曲线状的弧度，有效增大其迎风的攻角范围，有利于提高其产生的向上的升力。
外叶片3的垂直投影首尾相连，并连成一圆周。作为一种实施例，如图3所示，外叶片3两端的横截面的弦线的中点的径向夹角β为120°，而且外叶片的数量为3，此时外叶片3的垂直投影首尾相连，并连成一圆周。采用多个垂直投影首尾相连并连成一圆周的外叶片3，,使得风力机整体的质量分布均匀，不但有利于降低风力机的启动力矩，还使得风力机在高速转动时能拥有良好的稳定性，有利于保证风力机高效稳定地运行。
如图6所示，外叶片3任意横截面的弦线与外叶片3的旋转轨迹的切线的夹角为γ为-5°～5°。所述γ的正负方向可以使用右手法则进行判定，右手四指从外叶片3的弦线指向外叶片3的旋转轨迹的切线，大拇指的指向上为正，大拇指的指向下为负。外叶片3的γ角在-5°～5°时，能取得较高的风能利用率，保证了风力机能高效稳定地运行。
本实施例所述一种升阻结合型垂直轴风力机的其它结构参见现有技术，在此不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：包括轴杆、内旋转机构、外旋转机构、绕所述轴杆轴线方向转动的内叶片和外叶片；
所述内叶片和所述外叶片均采用扭转型叶片，所述外叶片的各个横截面的形状和大小均一致；
所述外叶片的弦线中点的径向与所述内叶片端部的径向的夹角为交错角；在风力机任意的横截面上，所述交错角的大小均一致；
所述内叶片通过内旋转机构与所述轴杆旋转连接，所述外叶片通过外旋转机构与所述轴杆旋转连接。
2.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述内叶片的形状为圆弧筒形，所述内叶片的上端与下端相扭转，所述内叶片横截面的形状为半圆弧形。
3.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述外叶片的形状为细长的片状，且为螺旋围绕所述轴杆的C字形，所述外叶片的横截面的形状为非对称的翼型。
4.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述内旋转机构包括绕所述轴杆轴线方向转动的套筒；
所述套筒与所述轴杆转动连接；所述内叶片安装在所述套筒上。
5.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述外旋转机构包括绕所述轴杆轴线方向转动的支承盘和支承臂；
所述支承盘设在所述轴杆的上下两侧，并与所述轴杆转动连接；所述外叶片的两端通过所述支承臂安装在所述支承盘上。
6.根据权利要求5所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述支承臂的形状为用于提供向上升力的翼片形。
7.根据权利要求6所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述支承臂为带有弧度的翼片形；
所述弧度为用于提高向上升力的二次曲线。
8.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述交错角为15°～45°。
9.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述外叶片的垂直投影首尾相连，并连成一圆周。
10.根据权利要求1所述一种升阻结合型垂直轴风力机，其特征在于：所述外叶片任意横截面的弦线与所述外叶片旋转轨迹的切线的夹角为-5°～5°。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109854444A (zh) * 2019-03-22 2019-06-07 河海大学 一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWM428996U (en) * 2011-12-22 2012-05-11 Chih-Houng Yang Vertical axis composite blade structure
CN203476602U (zh) * 2013-07-08 2014-03-12 广州市香港科大霍英东研究院 一种小型组合式垂直轴风力机
US20160076514A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-17 Uraban Green Energy, INC. Turbine Blade
CN207080315U (zh) * 2017-08-16 2018-03-09 广州市香港科大霍英东研究院 一种升阻结合型垂直轴风力机

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWM428996U (en) * 2011-12-22 2012-05-11 Chih-Houng Yang Vertical axis composite blade structure
US20160076514A1 (en) * 2013-05-03 2016-03-17 Uraban Green Energy, INC. Turbine Blade
CN203476602U (zh) * 2013-07-08 2014-03-12 广州市香港科大霍英东研究院 一种小型组合式垂直轴风力机
CN207080315U (zh) * 2017-08-16 2018-03-09 广州市香港科大霍英东研究院 一种升阻结合型垂直轴风力机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
傅秀聪等: "交错角与半径比对组合型垂直轴风轮影响仿真" *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109854444A (zh) * 2019-03-22 2019-06-07 河海大学 一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机

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