CN109812381A - 一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机 - Google Patents

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朱建勇
庄林学
李国文
张瑞清
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Abstract

一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，包括发电机、横臂支撑杆、塔杆及局部后掠叶片；发电机竖直安装在塔杆顶部，横臂支撑杆一端与发电机相连，横臂支撑杆另一端与局部后掠叶片相连；局部后掠叶片包括直叶片段和后掠叶片段，后掠叶片段对称分布在直叶片段上下两端；横臂支撑杆连接在直叶片段的展向中心处；局部后掠叶片的直叶片段和后掠叶片段的横截面形状相同，均采用翼型；在局部后掠叶片的展向方向上，局部后掠叶片的投影长度设为H1，所述直叶片段的半长度设为H2，且H2:H1＝1％～49％；后掠叶片段的后掠角设为β，且β＝1°～89°；局部后掠叶片的数量为1～99；当升力型垂直轴风力机采用局部后掠叶片后，气动效率和年平均发电量均得到明显提升。

Description

一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机
技术领域
本发明属于垂直轴风力机技术领域，特别是涉及一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机。
背景技术
目前，能源紧缺和环境污染是已经成为威胁人类发展的两大主要问题，积极开发和利用新能源则是缓解上述问题的有效途径之一。风能作为一种可再生无污染的清洁能源，经过几十年的发展，风电技术现已成为发展和应用最成熟的技术之一。风力机是利用风能的主要设备，将风能转换为机械能，进而通过发电机将机械能转换为电能，而风力机气动特性的优劣直接影响风力机的输出功率及发电效率。升力型风力机是依靠风力机叶片升力做功的风力机，主要结构型式包括水平轴风力机和垂直轴H型风力机，升力型风力机转速较快，在较高的尖速比下具有较高的风能利用系数，目前在分布式发电领域已得到较为广泛应用。垂直轴H型风力机是典型的升力型垂直轴风力机，其结构特点是由多个直叶片竖直围绕着旋转轴做功进而发电。
随着分布式发电的迅猛发展，小型风力机因其结构尺寸小、安装灵活等优点越来越得到重视。然而，由于分布式发电的风场异于大规模集中式发电的优质风场，分布式发电的风场环境通常具有低平均风速、大湍流度以及强非定常性等气动特征。在这样的风场环境下，升力型风力机的风能利用系数普遍较低。
为了提高小型升力型风力机的气动效率，目前普遍从风力机叶片采用的翼型、风力机的气动外形参数优化、发电机的选择等各个方面开展了研究。然而，单纯地从这几个方面进行优化很难大幅度地提高现有风力机的气动效率。为了提高小型升力型风力机的气动效率，必须突破现有小型风力机常规叶片的气动外形设计。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，突破了常规升力型垂直轴风力机直叶片的设计理念，其采用的局部后掠叶片具有新颖的气动外形布局，与传统的直叶片相比，气动效率和年平均发电量均得到明显提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，包括发电机、横臂支撑杆、塔杆及局部后掠叶片；所述发电机竖直安装在塔杆顶部，横臂支撑杆一端与发电机相连，横臂支撑杆另一端与局部后掠叶片相连；所述局部后掠叶片包括直叶片段和后掠叶片段，后掠叶片段对称分布在直叶片段上下两端；所述横臂支撑杆连接在直叶片段的展向中心处。
所述局部后掠叶片的直叶片段和后掠叶片段的横截面形状相同，均采用翼型。
在所述局部后掠叶片的展向方向上，局部后掠叶片的投影长度设为H1，所述直叶片段的半长度设为H2，且H2:H1＝1％～49％。
所述后掠叶片段的后掠角设为β，且β＝1°～89°。
所述局部后掠叶片的数量为1～99。
本发明的有益效果：
本发明的采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，突破了常规升力型垂直轴风力机直叶片的设计理念，其采用的局部后掠叶片具有新颖的气动外形布局，与传统的直叶片相比，气动效率和年平均发电量均得到明显提升。
附图说明
图1为本发明的一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机的结构示意图；
图2为本发明的局部后掠叶片的结构示意图；
图中，1—发电机，2—横臂支撑杆，3—塔杆，4—局部后掠叶片，5—直叶片段，6—后掠叶片段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，包括发电机1、横臂支撑杆2、塔杆3及局部后掠叶片4；所述发电机1竖直安装在塔杆3顶部，横臂支撑杆2一端与发电机1相连，横臂支撑杆2另一端与局部后掠叶片4相连；所述局部后掠叶片4包括直叶片段5和后掠叶片段6，后掠叶片段6对称分布在直叶片段5上下两端；所述横臂支撑杆2连接在直叶片段5的展向中心处。
所述局部后掠叶片4的直叶片段5和后掠叶片段6的横截面形状相同，均采用NACA0015翼型。
在所述局部后掠叶片4的展向方向上，局部后掠叶片4的投影长度设为H1，所述直叶片段5的半长度设为H2，且H2:H1＝36％。
所述后掠叶片段6的后掠角设为β，且β＝45°。
所述局部后掠叶片4的数量为3。
风力机的气动效率可以通过风能利用系数随着尖速比的变化曲线进行评价，其中，风能利用系数的计算公式为Cp＝2PM/ρAV3，尖速比的计算公式为λ＝wR/V，式中，PM＝2πnM/60，CP为风能利用系数，PM为风轮机械功率，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，V为来流风速，λ为尖速比，w为风轮旋转角度速，R为风轮旋转半径，n为风轮转速，M为风轮轴扭矩。
当升力型垂直轴风力机采用局部后掠叶片4时，可以在风力机扫掠面积不变的前提下增大叶片长度和面积，使得风力机叶片的做功面积增大；在风力机旋转过程中，后掠叶片段6的旋转线速度可以分解成两部分，第一部分为沿着叶片弦长的弦向速度，第二部分为沿着叶片展向的展向速度，其中的展向速度能够有效控制叶片表面的边界层流动和叶片尖端的流动损失，从而提高风力机的气动效率；在风力机旋转过程中，直叶片段5无需进行速度分解，能够依旧保持较大的弦向速度，进而保持较强的做功能力。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，其特征在于：包括发电机、横臂支撑杆、塔杆及局部后掠叶片；所述发电机竖直安装在塔杆顶部，横臂支撑杆一端与发电机相连，横臂支撑杆另一端与局部后掠叶片相连；所述局部后掠叶片包括直叶片段和后掠叶片段，后掠叶片段对称分布在直叶片段上下两端；所述横臂支撑杆连接在直叶片段的展向中心处。
2.根据权利要求1所述的一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，其特征在于：所述局部后掠叶片的直叶片段和后掠叶片段的横截面形状相同，均采用翼型。
3.根据权利要求1所述的一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，其特征在于：在所述局部后掠叶片的展向方向上，局部后掠叶片的投影长度设为H1，所述直叶片段的半长度设为H2，且H2:H1＝1％～49％。
4.根据权利要求1所述的一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，其特征在于：所述后掠叶片段的后掠角设为β，且β＝1°～89°。
5.根据权利要求1所述的一种采用局部后掠叶片的升力型垂直轴风力机，其特征在于：所述局部后掠叶片的数量为1～99。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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