CN108050001A - 一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，包括主叶片，主叶片的一端设有第一翼梢小翼，主叶片的另一端设有第二翼梢小翼，第一翼梢小翼与第二翼梢小翼对称分布在主叶片的两端，第一翼梢小翼与主叶片之间的外倾角和后掠角均为25°‑35°，第二翼梢小翼与主叶片之间的外倾角和后掠角均为25°‑35°，主叶片与第一翼梢小翼之间及所述主叶片与第二翼梢小翼之间均设有缓冲段。本发明通过将叶片的前缘设计成正弦曲线分布的形状以及在叶片上、下两端设置翼梢小翼，有效延迟叶片的失速攻角，并且削弱了翼尖处的叶尖涡，减少了诱导阻力，改善了叶片的水动力性能。

Description

一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片

技术领域

本发明属于流体机械设备技术领域，具体涉及一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片。

背景技术

达里厄潮流能水轮机是一种简易的潮汐能捕获装置，其将水能转化为旋转机械能。达里厄潮流能水轮机具有结构和工艺简单，可以方便实现自主生产制造等优点，但目前该类型的潮流能水轮机主要使用常规直叶片，常规直叶片存在进入失速攻角区早，叶片的高升阻比攻角范围小的缺点，因此，如何延迟叶片的失速攻角，确保叶片在较大迎角范围内仍保持较大的升力是目前研究人员都所关心的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，能够有效延迟叶片的失速攻角，并且削弱了翼尖处的叶尖涡，减少了诱导阻力，改善叶片的水动力性能。

本发明所采用的技术方案是：一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，包括主叶片，主叶片的一端设有第一翼梢小翼，主叶片的另一端设有第二翼梢小翼，第一翼梢小翼与第二翼梢小翼对称分布在主叶片的两端，第一翼梢小翼与主叶片之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，第二翼梢小翼与主叶片之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，主叶片与第一翼梢小翼之间及主叶片与第二翼梢小翼之间均设有缓冲段。

本发明的特点还在于：

主叶片的前缘为波浪状，前缘波浪状的凹凸轮廓线满足周期性的正弦函数其幅值A＝0.03b₀，波长λ＝0.12b₀，其中b₀为标准叶素弦长；主叶片的后缘尾部为直列排布，主叶片的中段无扭角。

第一翼梢小翼的尖削比为0.6，第一翼梢小翼的翼展长为主叶片翼展长的75％，第二翼梢小翼的尖削比为0.6，第一翼梢小翼的翼展长为主叶片翼展长的75％。

主叶片与第一翼梢小翼之间及主叶片与第二翼梢小翼之间均设有缓冲段。

缓冲段为外倾角为10°-15°的直叶片，缓冲段的长度为主叶片翼展长的0.5倍。

主叶片为有机玻璃切割加工而成。

本发明的有益效果是：通过将叶片的前缘设计成正弦曲线分布的形状以及在叶片上、下两端设置翼梢小翼，有效延迟叶片的失速攻角，并且削弱了翼尖处的叶尖涡，减少了诱导阻力，改善了叶片的水动力性能。

附图说明

图1是本发明一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片的主视图；

图2是本发明一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片的结构示意图。

图中，1.第一翼梢小翼，2.主叶片，3.第二翼梢小翼，4.缓冲段。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，如图1及图2所示，包括主叶片2，主叶片2的一端设有第一翼梢小翼1，主叶片2的另一端设有第二翼梢小翼3，第一翼梢小翼1与第二翼梢小翼3对称分布在主叶片2的两端，第一翼梢小翼1与主叶片2之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，第二翼梢小翼3与主叶片2之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，主叶片2与第一翼梢小翼1之间及所述主叶片2与第二翼梢小翼3之间均设有缓冲段4。

主叶片2的前缘为波浪状，前缘波浪状的凹凸轮廓线满足周期性的正弦函数其幅值A＝0.03b₀，波长λ＝0.12b₀，其中b₀为标准叶素弦长；前缘波浪状的凸起部最高点叶素最大弦长为b₀+A，前缘波浪状的凹部最低点叶素最小弦长为b₀-A，主叶片2上其他任意位置的剖面弦长范围为b₀-A～b₀+A，主叶片2后缘尾部为直列排布，主叶片2的中段无扭角。

第一翼梢小翼1的尖削比为0.6，第一翼梢小翼1的翼展长为主叶片2翼展长的75％，第二翼梢小翼3的尖削比为0.6，第二翼梢小翼3的翼展长为主叶片2翼展长的75％。

主叶片2与第一翼梢小翼1之间及主叶片2与第二翼梢小翼3之间均设有缓冲段4。

缓冲段4为外倾角为10°-15°的直叶片，缓冲段4的长度为主叶片2翼展长的0.5倍。

主叶片2为有机玻璃切割加工而成。

实施例

如图1及图2所示，本实施例中叶片的各个截面叶素均选用NACA 0018翼型，单个叶片由主叶片2、第一翼梢小翼1、第二翼梢小翼3和缓冲段4组成；第一翼梢小翼1与第二翼梢小翼3对称分布在主叶片2的两端所述第一翼梢小翼1与主叶片2之间的外倾角和后掠角均为30°，第二翼梢小翼3与主叶片2之间的外倾角和后掠角均为30°。

主叶片2前缘由若干凹凸结点连接成波浪状，具有一定的幅值和波长，前缘波浪状的凹凸轮廓线满足周期性正弦函数图像。主叶片2为32个正弦周期构成400mm的直叶片。后缘尾部为直列排布，主叶片2的中段无扭角。

上述的具体做法，如下：

步骤一：取主叶片2最顶端截面配置叶素NACA 0018作为基础叶素，取其弦长b为100mm，最顶端截面基础叶素的弦长为b₀的位置即是正弦曲线的平衡位置(kπ，0)；

步骤二：设主叶片2翼展方向为z方向，弦长方向为x方向，机翼厚度方向为y方向，将主叶片2单个周期沿翼展方向即z方向等分成24个截面，记为Z0、Z1、Z2、Z3、……Z23。Z0截面即为步骤一的基础叶素对应正弦曲线的平衡位置。取正弦曲线幅值A＝0.03b₀＝3mm，波长λ＝0.12b₀＝12mm。得到波浪状正弦函数

凸起部最高点是叶素最大弦长为b_max＝b₀+A＝103mm，凹部最低点是叶素最小弦长为b_min＝b₀-A＝97mm，其他任意位置的剖面弦长范围为b_max<b_z<b_min。按照如下参考公式分别计算出各个截面翼型的三维形状和坐标值。

bzi＝f(zi)+b₀

xi＝Zi+(bzi/b₀)x₀

yi＝(bzi/b₀)y₀

zi＝Zi

其中，x₀，y₀为基础叶片对应的坐标值。本实施例中选定b₀＝100mm。

步骤三：将各个截面的翼型通过曲线组的进行光滑连接，最终得到主叶片2的三维图。

第一翼梢小翼1和第二翼梢小翼3均为一个尖削比为0.6、翼展长为30mm的NACA0018的小翼片，小叶片叶尖部弦长为60mm，根部弦长为100mm；作为延伸中段主叶片体的添加小叶片；分别与主叶片2刚性连接，其中第一翼梢小翼1沿主叶片2翼展方向向下翘曲，而和第二翼梢小翼3沿主叶片2翼展方向向上翘曲。

主叶片2与第一翼梢小翼1之间及所述主叶片2与第二翼梢小翼3之间均设有缓冲段4；缓冲段4为长度为20mm，外倾角为15°的一小段直叶片。

主叶片2一体成型，选用厚度为5mm的有机玻璃切割加工。

第一翼梢小翼1及第二翼梢小翼3均与主叶片2通过缓冲段4连接，它们之间的连接均是具有给定弯曲角度的光滑刚性连接。

垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片在叶片展向中心位置通过焊接或通过螺钉紧固在支臂上，通过支臂与旋转主轴进行连接。从而组成新型的竖轴固定偏角式直叶达里厄潮流能水轮机。

本发明有如下优点：通过将叶片的前缘设计成正弦曲线分布的形状以及在叶片上、下两端设置翼梢小翼，有效延迟叶片的失速攻角，并且削弱了翼尖处的叶尖涡，减少了诱导阻力，提高升阻比，改善了叶片的水动力性能。

Claims (5)

1.一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，其特征在于，包括主叶片(2)，所述主叶片(2)的一端设有第一翼梢小翼(1)，所述主叶片(2)的另一端设有第二翼梢小翼(3)，所述第一翼梢小翼(1)与第二翼梢小翼(3)对称分布在主叶片(2)的两端，所述第一翼梢小翼(1)与主叶片(2)之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，所述第二翼梢小翼(3)与主叶片(2)之间的外倾角和后掠角均为25°-35°，所述主叶片(2)与第一翼梢小翼(1)之间及所述主叶片(2)与第二翼梢小翼(3)之间均设有缓冲段(4)。

2.如权利要求1所述的一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，其特征在于，所述主叶片(2)的前缘为波浪状，前缘波浪状的凹凸轮廓线满足周期性的正弦函数其幅值A＝0.03b₀，波长λ＝0.12b₀，其中b₀为标准叶素弦长；主叶片(2)的后缘尾部为直列排布，主叶片(2)的中段无扭角。

3.如权利要求1所述的一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，其特征在于，所述第一翼梢小翼(1)的尖削比为0.6，第一翼梢小翼(1)的翼展长为主叶片(2)翼展长的75％，所述第二翼梢小翼(2)的尖削比为0.6，第一翼梢小翼(1)的翼展长为主叶片(2)翼展长的75％。

4.如权利要求1所述的一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，其特征在于，所述缓冲段(4)为外倾角为10°-15°的直叶片，所述缓冲段(4)的长度为主叶片(2)翼展长的0.5倍。

5.如权利要求1所述的一种垂直轴潮流能水轮机的仿生叶片，其特征在于，所述主叶片(2)为有机玻璃切割加工而成。