CN107476935B - 垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置，所述垂直轴风力叶片的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓为第一NACA四位数系列对称翼型的一部分，所述外侧轮廓具有第一开口，所述截面的内侧轮廓向内弯曲以形成风斗；所述垂直轴风轮包括风轮轴，以及围绕所述风轮轴的轴线均匀设置的两个或两个以上的如以上所述的垂直轴风力叶片；所述垂直轴风力发电装置包括发电机以及如以上所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的风轮轴连接。当风吹至垂直轴风力叶片时，垂直轴风力叶片的风斗可以直接把气流转化为动能，而加速流过风力叶片的外侧轮廓的弧面上的气流可以形成负压以提高风力叶片的转速和扭矩。

Description

垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置。
背景技术
风力发电机按照转轴相对位置关系的不同可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，水平轴风力发电机是目前较为普遍的风力发电装置，但近年来，垂直轴风力发电机也发展迅速，应用日益广泛。风力叶片是垂直轴风力发电机的关键部件，风力叶片的形状会直接影响到垂直轴风力发电机的启动性能和风能利用效率。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高效率的垂直轴风力叶片。
根据本发明的垂直轴风力叶片的一实施例，所述垂直轴风力叶片的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓为对称翼型的一部分，所述外侧轮廓具有第一开口，所述截面的内侧轮廓向内弯曲以形成风斗。
根据本发明的垂直轴风力叶片的一实施例，所述对称翼型为第一NACA四位数系列对称翼型，所述第一NACA四位数系列对称翼型由以下方程限定：
Figure BDA0001412877480000011
其中：t为第一NACA四位数系列对称翼型的厚度，c为弦长。
根据本发明的垂直轴风力叶片的一实施例，所述内侧轮廓为经过修正的第二NACA四位数系列对称翼型的一部分，所述第二NACA四位数系列对称翼型的一部分具有第二开口，所述经过修正的第二NACA四位数系列对称翼型由以下方程限定：
Figure BDA0001412877480000021
其中：
Figure BDA0001412877480000022
(x3，y3)为所述第二开口的终点坐标，w1是第一开口的宽度，w2是第二开口的宽度，t′是第二NACA四位数系列对称翼型的厚度。
根据本发明的垂直轴风力叶片的一实施例，所述第一开口的弧线长度为所述第一NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％，所述第二开口的弧线长度为所述第二NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％。
根据本发明的垂直轴风力叶片的一实施例，所述外侧轮廓和内侧轮廓之间形成内腔夹层，所述内腔夹层具有加强结构，所述加强结构为网格状加强结构或由肋板和肋构成的加强结构。
本发明的另一目的是提供一种垂直轴风轮。
根据本发明的垂直轴风轮的一实施例，所述垂直风轮包括风轮轴，以及围绕所述风轮轴的轴线均匀设置的两个或两个以上的如以上所述的垂直轴风力叶片。
根据本发明的垂直轴风轮的一实施例，所述垂直轴风轮包括连接至所述风轮轴的上端盖和下端盖，所述垂直轴风力叶片为三个，所述垂直轴风力叶片的上端和下端分别与所述上端盖和下端盖连接。
根据本发明的垂直轴风轮的一实施例，所述垂直轴风力叶片的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓的弦线与所述垂直轴风轮的径向方向的夹角为0～120度。
根据本发明的垂直轴风轮的一实施例，当风吹向垂直轴风轮时，处于迎风面的风力叶片的风斗直接把吹来的气流转化为动能，其余气流吹至另外两个风力叶片，加速流经另外两个风力叶片的弧面上的气流形成负压以增加风力叶片的转速和扭矩。
本发明的又一目的是提供一种垂直风力发电装置。
根据本发明的垂直轴风力发电装置的一实施例，所述垂直轴风力发电装置包括发电机以及如以上所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的风轮轴连接。
本发明的垂直风力叶片的外侧轮廓采用NACA四位数系列对称翼型，内侧轮廓向内弯曲形成风斗，当风吹至风力叶片时，风斗可以直接把气流转化为动能，而加速流过风力叶片的外侧轮廓的弧面上的气流可以形成负压以提高风力叶片的转速和扭矩。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的垂直轴风力叶片的一实施例的截面示意图；
图2是本发明的垂直轴风轮的一实施例的立体示意图；
图3是图2所述的垂直轴风轮的结构示意图；
图4是图2所示的垂直轴风轮的风力叶片的示意图；
图5是图2所示的垂直轴风轮的截面示意图；
图6是NACA四位数系列对称翼型的示意图；
图7是图2所示的垂直轴风轮在风力作用下的模拟示意图；
图8是本发明的垂直轴风力叶片的另一实施例的截面示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面详细描述本发明的垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置的实施例，这些实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的垂直轴风力叶片、风轮及风力发电装置的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“上端”、“下端”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中所述的NACA翼型是美国国家航空咨询委员会(NACA)开发的一系列翼型。每个翼型的代号由“NACA”这四个字母与一串数字组成，将这串数字所描述的几何参数代入特定方程中即可得到翼型的精确形状。
如图1所示，为本发明的垂直轴风力叶片一实施例的截面示意图，该截面为垂直轴风力叶片的垂直于垂直轴的截面。该垂直轴风力叶片100的截面具有外侧轮廓110和内侧轮廓120，外侧轮廓110具有第一开口111，外侧轮廓110为NACA四位数系列对称翼型的一部分，即外侧轮廓110为NACA四位数系列翼型中的对称翼型的一部分，内侧轮廓120向内侧弯曲以形成风斗130。本发明的垂直轴风力叶片100可以由强度较高的轻质合金材料或复合材料制成，或者由轻质合金材料和复合材料制成，例如铝合金等常用材料。为了提高垂直轴风力叶片100的强度，可以在外侧轮廓110和内侧轮廓120之间的形成的内腔夹层140中设置网格状加强结构141，以增强垂直轴风力叶片100的整体强度。该网格状加强结构141优选三角形网格，但并不局限于三角形网格，也可以是四边形、五边形等其他多变形或其他形状的网格。在图8所示的垂直轴风力叶片的另一实施例的截面示意图中，垂直轴风力叶片100的外侧轮廓110和内侧轮廓120之间形成的内腔夹层140的加强结构由肋板142和肋143构成，肋板142一边与外侧轮廓110连接，另一边与内侧轮廓120连接，肋143则可以形成在外侧轮廓110的内侧或内侧轮廓120的内侧，肋板142和肋143的存在可以增强整个垂直轴风力叶片100的强度。
参看图5，在本发明的垂直轴风力叶片的一实施例中，外侧轮廓110，即图中的曲线a，NACA四位数系列翼型中的对称翼型的一部分，其形状有以下方程限定：
Figure BDA0001412877480000041
其中：t为该对称翼型的厚度，c为弦长。
曲线a，即外侧轮廓110，具有第一开口p，第一开口p的弧线长度为所该NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％。参看图6，为NACA四位数系列对称翼型的示意图，上弧线即该对称翼型的上半部分曲线。
参看图5，在本发明的垂直轴风力叶片的一实施例中，内侧轮廓120，即图中的曲线b，为经过修正的NACA四位数系列对称翼型的一部分，其由曲线b’经过修正后得到，由旋转和缩放以便与开口w1和w2匹配，使得两个对应的开口端端重合。b’是未经修正过的NACA四位数系列对称翼型的一部分，具有第二开口p’，该经过修正的第二NACA四位数系列对称翼型，即曲线b，由以下方程限定：
Figure BDA0001412877480000051
其中：
Figure BDA0001412877480000052
为第二开口p’的终点坐标，w1是第一开口p的宽度，w2是第二开口p’的宽度，t′是NACA四位数系列对称翼型的厚度，即曲线b’对应的NACA四位数系列对称翼型的厚度。第二开口p’的弧线长度为NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％。
需要理解的是，上述具体的曲线方程仅仅是示意性的，而不是限制性的，本发明的垂直轴风力叶片的外侧轮廓和内侧轮廓的曲线可以是其他的对称翼型的一部分，而不局限于上述具体的方程，也不局限于NACA四位数系列对称翼型。
参看图2至图5，为本发明的垂直轴风轮的一实施例的示意图，该垂直轴风轮200包括风轮轴210、220，以及围绕所述风轮轴210、220的轴线均匀设置的三个的垂直轴风力叶片100a、100b、100c，风轮轴210与上端盖230连接，垂直轴风力叶片100a、100b、100c的上端分别与上端盖230连接，垂直轴风力叶片100a、100b、100c的下端分别与下端盖240连接，下端盖240与风轮轴220连接。垂直轴风力叶片100a、100b、100c的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓的弦线与垂直轴风轮200的径向方向的夹角θ为0～120度。
需要理解的是，本发明的垂直轴风轮200的风力叶片并不局限于三个，可以是两个或其他数目。
参看图7，当风吹向垂直轴风轮200时，处于迎风面的风力叶片的风斗直接把吹来的气流转化为动能，当气流绕过第一块风力叶片后，流到第二块及第三块风力叶片的弧线上，加速流经第二块和第三块风力叶片的气流，提供升力，该升力与风力叶片的向心力产生作用，增加整个垂直轴风轮的转动扭力和速度，由此提高垂直轴风轮的效率。
除上述垂直轴风力叶片和垂直轴风轮之外，本发明还提供了一种垂直轴风力发电装置，包括发电机以及如以上所述的垂直轴风轮，其中，发电机的转轴与垂直轴风轮的风轮轴连接。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些落入于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种垂直轴风力叶片，其特征在于，所述垂直轴风力叶片的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓为对称翼型的一部分，所述外侧轮廓具有第一开口，所述截面的内侧轮廓向内弯曲以形成风斗，所述对称翼型为第一NACA四位数系列对称翼型，所述第一NACA四位数系列对称翼型由以下方程限定：
Figure FDA0002214861750000011
其中：t为第一NACA四位数系列对称翼型的厚度，c为弦长，所述内侧轮廓为经过修正的第二NACA四位数系列对称翼型的一部分，所述第二NACA四位数系列对称翼型的一部分具有第二开口，所述经过修正的第二NACA四位数系列对称翼型由以下方程限定：
Figure FDA0002214861750000012
其中：
Figure FDA0002214861750000013
(x3,y3)为所述第二开口的终点坐标，w1是第一开口的宽度，w2是第二开口的宽度，t′是第二NACA四位数系列对称翼型的厚度。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力叶片，其特征在于，所述第一开口的弧线长度为所述第一NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％，所述第二开口的弧线长度为所述第二NACA四位数系列对称翼型的上弧线的长度的10％～90％。
3.根据权利要求1所述的垂直轴风力叶片，其特征在于，所述外侧轮廓和内侧轮廓之间形成内腔夹层，所述内腔夹层具有加强结构，所述加强结构为网格状加强结构或由肋板和肋构成的加强结构。
4.一种垂直轴风轮，其特征在于，包括风轮轴，以及围绕所述风轮轴的轴线均匀设置的两个或多于两个如权利要求1至3任一项所述的垂直轴风力叶片。
5.根据权利要求4所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述垂直轴风轮包括连接至所述风轮轴的上端盖和下端盖，所述垂直轴风力叶片为三个，所述垂直轴风力叶片的上端和下端分别与所述上端盖和下端盖连接。
6.根据权利要求5所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述垂直轴风力叶片的与垂直轴相垂直的截面的外侧轮廓的弦线与所述垂直轴风轮的径向方向的夹角为0～120度。
7.根据权利要求5所述的垂直轴风轮，其特征在于，当风吹向垂直轴风轮时，处于迎风面的风力叶片的风斗直接把吹来的气流转化为动能，其余气流吹至另外两个风力叶片，加速流经另外两个风力叶片的弧面上的气流形成负压以增加风力叶片的转速和扭矩。
8.一种垂直轴风力发电装置，其特征在于，包括发电机以及如权利要求4至7任一项所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的风轮轴连接。
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