CN109854444B - 一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，涉及风力发电机，属于发电、变电或配电的技术领域。该风力机包括转轴、支架、仿生叶片，转轴通过支架与仿生叶片相连，转轴底部安装在地面的底座上，仿生叶片是正投影为横置V字形叶片俯视投影为弧形叶片的三维变结构叶片。V字形叶片仿生雁群飞行队伍，弧形叶片与叶片轨迹圆重合，具有三角翼特性的V字形叶片在背风面产生分离涡进而产生涡致升力，通过设计改进叶片外形来提高升阻比，提高升力型立轴风力机效率，改善叶片转矩特性，提高了风能利用系数。

Description

一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机

技术领域

本发明公开了一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，涉及垂直轴风力发电机，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

风力机主要有两种，一种为水平轴风力机，一种为垂直轴风力机。水平轴风力机叶片一般采用多种翼型，然后，对叶片进行拉伸扭转、变安装角、变厚度等设计，结构设计比较复杂。相比水平轴风力机，垂直轴风力机叶片采用一种翼型，叶片结构相对比较简单，设计较简单，成本低，而且还具有易维护等优点，但现有垂直轴风力机的叶片大多采用直叶片和弯曲叶片，因此，垂直轴风力机叶片的升阻比较小且具有较大的动态失速问题，阻力大。上述问题使得现有升力式垂直轴风力机风能利用效率较低，进而导致升力式垂直轴风力机的应用不普遍。

现有升力式垂直轴风力机的叶片结构主要有H形、Y形、◇形、△形和φ形，也有螺旋H形。前四种归类为直叶片，后两种（φ形和螺旋H形）为弯叶片型。直叶片由于叶片结构规整在迎风时具有较大的阻力系数，但容易发生失速的问题，增加气动压差阻力。φ形叶片采用弯叶片承受拉应力以规避直叶片弯曲应力不足的缺陷，但φ型叶片因正对有效风速阻力较大，容易产生失速的问题。螺旋H形叶片通过对H形叶片进行旋转扭曲使得每一个方位角都有叶素存在，解决了叶片旋转过程中的动态不平衡问题，但仍未解决风阻系数大的问题。上述直叶片以及弯叶片存在负转矩区域，对风能利用率不高，转矩特性有待改善可见，垂直轴风力机叶片风阻系数大、失速等问题仍然没有被解决，转矩特性有待改善。本申请旨在提出一种基于雁群飞行原理的仿生叶片以降低风阻系数、叶片失速特性对风能利用率的影响。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，提升了叶片升阻比，改善了转矩特性，提高了风能利用效率，解决了垂直轴风力机叶片风阻系数大、失速等问题仍然没有被解决以及转矩特性有待改善的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，主要包括：转轴、支架、两个翼型为风力机翼型的仿生叶片，关于转轴轴对称分布的两个仿生叶片与固定在转轴上的支架相连，转轴底部安装在地面的底座上，底座为发电系统。仿生叶片具有三维变结构特性，从上俯视为围绕转轴环绕的具有一定弧度的叶片且各叶素到转轴中心的距离相等，正视和后视为横置的V字形等弦长叶片。V字形等弦长叶片可分为叶片尖端、叶片段和叶片叶端三部分，叶片尖端位于V字形叶片的中间位置，叶片叶端位于两叶片段的末端，叶片段呈V字形横置且上下两部分叶片以尖端位置翼型弦线对称，正视图为“<”或“>”形，V字形叶片尖端夹角为120°，V字形叶片的外沿构成翼型前缘。

相比于现有的升力式垂直轴风力机叶片而言：横置V字形叶片可以大幅度降低叶片的风阻力系数，从而降低叶片阻力，能够达到增升减阻的效果；V字形叶片不再过多地体现翼型自身的失速特性，更多地体现出三角翼整体涡分离特性，反而带来可观的涡致升力，即，V字形叶片解决了风阻力系数大及叶片失速这两个问题，增加叶片升阻比，增加了垂直轴风力机吸收的风能。同时，弧形叶片结构也解决了原有风力机叶片转动中的负转矩问题，使升力式垂直轴风力机的风能利用效率大大提高。由于海流能水轮机的结构与风力机的结构相似，因此，本发明设计的仿生叶片同样可以为潮流能水轮机领域的类似问题提供解决方案。

本发明提高风能利用率的原理为：

仿生原理：大自然中，雁群飞行时常排成V字形，通过V字型分布的队伍完成了迁徙，大雁的这种自然行为具有深奥的空气动力学原理。大雁V字形飞行队伍中，处于V字形尖端的头雁会在其身后形成一个低压区，V字形排列使得后边大雁充分利用低压区减少自身飞行的空气阻力，有科学家认为V字形夹角为120°的降阻效果较好。从气动力学原理而言，V字形结构在流场中受力与一字形所承受的气动阻力显然是不一样的。V字形结构仅有尖端为驻点，驻点流速为零，压强最大，产生的压差阻力也最大，但压差阻力仅集中在这一个点；尖端以外的其它部位，有部分流体顺着表面流动，不具有驻点特性，所以压差阻力降低。正因为如此，头雁承受着最大的风阻力，在大雁迁徙过程中，头雁会由成年大雁轮换，其目的一个是领头作用，另一个是进行轮换休整以免体力消耗太大。如果大雁成一字形排开飞行，那么每一只大雁都是一个流体驻点，每只大雁都承受很大的飞行阻力，这对于年幼甚至成年大雁的体力都是考验。大雁经过无数年的进化和发展，无意识地自然利用了这一科学规律。本发明的叶片正是仿生了雁群V字形排列飞行的自然行为，其队列角度为120°，故V字形叶片设计为夹角120°，顶点位于整个叶片中点位置。从叶片整体而言，当流体经过仿生叶片时，叶片只有尖端叶素前缘有驻点，承受较大压力；而现有叶片无论是直叶片还是弯叶片，叶片所有叶素前缘都有驻点，叶片表面形成一条驻点线，整个叶片前缘都承受驻点压力，风阻系数极大。相比传统叶片（H形，Y形，◇形，△形，和φ形，也有H叶片的螺旋形等）而言，仿生叶片驻点仅有一点，阻力系数极小，阻力极大降低。同时，如图8所示，叶素上翼面是低压区，靠后叶素利用靠前叶素产生的低压区使自身所受阻力变小，整体上而言，相比现有的垂直轴叶片结构，具有减少阻力的效果。

三角翼原理：叶片整体呈V字形结构，从整体而言其具有三角翼的特点。叶片由翼型构成，该仿生叶片了除具有升力翼型本身具有的升力特性外，整体还具有三角翼的特性。三角翼是一种平面形状的飞机机翼，在不可压缩流中，中小攻角下的三角翼前缘不再是附着流动而是在机翼前缘产生分离。从前缘产生的分离剪切层在机翼上表面两侧被卷起形成一对反向旋转的稳定的前缘涡，如图6所示，两侧的涡速度更大，在上翼面上产生了很大的负压，这个负压力方向与仿生叶片整体形成的面垂直，产生了升力分力和阻力分力，由于功角较小，所以产生的升力分力远大于阻力分力，这就是涡致升力。从图6可以看出，三角翼的涡主要聚焦在三角翼的两个侧沿，对三角翼的中间部位影响不大。本发明的仿生叶片时刻与相对来流具有一定迎角，如图7所示，V字的外形使得在背风面有两侧沿的前缘卷起的前缘涡，前缘涡附着在翼型表面且速度大进而产生很大的负压，得到可观的非线性涡升力。从图6和图7可以看出，涡主要分布在三角翼的两侧，正好是本发明V字形叶片的叶片段所在位置——涡致升力所施加的位置。

仿生叶片俯视为圆弧状叶片的设计原理：如图3所示，横置V字形叶片在俯视图成弧形分布，这保证了叶片在任何方位角都保持了叶片固有的攻角；如果V字形叶片投影的弧度不与叶片轨迹圆重合，那么，在叶片旋转的过程中，扫风面所形成的环状的外圆和内圆将分别由V字形叶片的尖端和两叶端分别形成，这意味着迎风面积在增大，阻力会增加。图4示意了5个方位的叶素，表示对于弧形叶片上的任意一个叶素，在俯视效果下，翼型的前缘点在一圆弧（如图中虚线所示）上，翼型弦线与圆弧为相切关系，切点为前缘点，翼型弦线与地面平行，①、②为所有叶素形成的包络线。

升力叶片发电原理：风吹过叶片，正常迎角下，如图8所示，翼型上表面流速更快，为吸力面呈低压，下表面流速慢，为压力面呈高压，由此产生如图5所示的垂直来流的升力以及沿着来流的阻力。升力使叶片转动，为正转矩，阻力阻碍叶片转动，为负转矩，合转矩使叶片转动并带动转轴，转轴传递的动能通过底座的发电系统转化为电能。

改善转矩特性原理：弧形除了使得叶片各叶素的转动半径相同外，还有改善叶片转矩特性的效果，仿生叶片转动时部分叶素的受力示意如图9所示，转动过程中叶片的位置角度在0º到360º间变化，叶片在转动至图9所示叶片叶端等绝大部分位置角度下受正转矩，而当两个叶片分别转动到270º与90º附近时，升力对于转轴的转动力臂几乎为0，升力的正转矩很小，叶片呈负转矩特性，这是降低风能利用系数的一个原因。本发明的仿生叶片在V字形的基础上做出的弧形涉及使得叶片上叶素分布在大范围的位置角度上而不是不集中于一个位置角度上，因此，在转动过程中，仿生叶片绝大部分叶素处于正转矩的位置角度上，只有少部分叶素处于270º与90º附近，叶片整体上不存在负转矩区域，相对于所有叶素均在相同位置角度上的直叶片等现有升力式垂直轴风力机叶片，提高了风能利用系数。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明公开了一种三维变结构的仿生叶片，具有正视/后视为仿生雁群飞行队伍的V字形叶片、俯视为与叶片轨迹圆重合的弧形叶片这两大特征，充分利用V字形排列顶点处形成的低压区，降低靠后叶素所受阻力，利用三角翼前缘分离的特性在V字形叶片背面形成涡致升力，达到增升减阻的效果，有效改善现有垂直轴风力机叶片风阻系数大的缺陷；俯视为与叶片轨迹圆重合的弧形叶片这一设计使叶片各叶素的转动半径一致且绝大部分叶素处于正转矩的位置角度上，避免了增大扫风面积而带来额外阻力，改善了叶片转动过程中的转矩特性，消除了负转矩区域，降低了负转矩区域对风能利用率的影响，有效提升风能利用率。

附图说明

图1为本发明公开的垂直轴风力机的示意简图。

图2为垂直轴风力机的正视图。

图3为垂直轴风力机的俯视图。

图4为叶片几个不同方位下的叶素位置的示意图。

图5为翼型速度三角形的示意图。

图6为三角翼前缘分离的示意图。

图7为仿生叶片背风面分离涡的示意图。

图8为风力机翼型流场的示意图。

图9为仿生叶片转动时部分叶素的受力示意简图。

图中标号说明：1、仿生叶片，2、转轴，3、支架，4、叶片尖端，5、叶片段，6、叶片叶端。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的升力式风力机如图1所示，包括：仿生叶片1、转轴2、支架3，其中，仿生叶片1分为叶片尖端4、叶片段5、叶片叶端6三部分。支架3固定在转轴上，沿转轴3对称分布的两个仿生叶片1分别接在支架3的两端，转轴底部安装在地面的底座上，底座为发电系统，仿生叶片1吸收风能时，叶片尖端4带着叶片段5和叶片叶端6转动，通过支架3带动转轴2转动，转轴2传递的动能通过底座的发电系统转化为电能。

如图2所示，仿生叶片的正视/后视图呈横置V字形。由于V字形的外沿构成翼型的前缘，因此，在风吹过仿生叶片1时，正常迎角下，翼型上表面流速更快，为吸力面，呈低压；下表面流速慢，为压力面，呈高压，如图8所示。由此产生垂直来流的升力与沿着来流的阻力，如图5所示。升力对转轴2产生的转动力矩使仿生叶片1由叶片尖端4带动向后部方向转动，产生正转矩；阻力对转轴2产生的转动力矩阻碍该转动，为负转矩。在大部分方位角下面，正力矩大于负力矩，所以，叶片尖端4带着叶片段5和叶片叶端6旋转，如图1和图3所示，仿生叶片1成逆时针旋转。

如图3所示，横置V字形叶片在俯视图中成弧形分布，这保证了叶片在任何方位角都保持了叶片固有的攻角，且叶片整体的移动轨迹仍然形成一个圆形，迎风面积最佳，保证了叶片整体的效果。

如图6和图7所示，来流在大攻角下经过仿生叶片1时，在前缘即V字形外沿缘卷起分离涡，两侧分离涡的位置和结构与三角翼的位置和结构一致，在叶片表面产生可观的非线性涡升力，即三角翼涡致升力，实现了将单个翼型的分离转换成了整个叶片的涡致升力。

如图7所示，来流经过仿生叶片1前缘即V字形外沿时，在叶片尖端4会形成驻点，驻点处流速为零，压强最大，而尖端以外其它前缘部分有流体流过，不具有驻点特性，相比现有的直叶片等垂直轴风力叶片而言，压差阻力减小，仿生叶片1所受阻力降低。

转动过程中，仿生叶片1中各个位置角度的叶素受力特性不一样，如图9所示，在叶片尖端4即270º与90º附近的叶素，升力绕转轴的转动力臂几乎为0，升力产生的正转矩极小，此时，仿生叶片1呈负转矩特性，而叶片叶端6等大部分叶素的位置角度处于升力的正转矩影响区域。整体上，仿生叶片1的合转矩为正，使得叶片尖端4带着叶片段5和叶片叶端6的转动，消除了现有升力式垂直轴风力机叶片的负转矩区域，提高了风能利用效率。

Claims (3)

1.一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，其特征在于，包括：两个具有三维变结构的仿生叶片、转轴及固定在转轴上的支架，所述仿生叶片仿生了雁群V字形排列飞行的自然行为，每个仿生叶片的正视图为横置的V字形叶片，所述V字形叶片包括作为叶片前缘点的叶片尖端以及从叶片尖端延伸的两叶片段，两叶片段关于翼型弦线对称分布呈V字形横置且具有一夹角，两个横置的V字形叶片沿转轴对称分布后固定在支架的一侧，两个V字形叶片的俯视图为与叶片轨迹圆重合的弧形叶片，弧形叶片的所有叶素到转轴中心的距离相等；来流在大攻角下经过仿生叶片时在前缘即V字形外沿缘卷起分离涡，两侧分离涡的位置和结构与三角翼的位置和结构一致，在叶片表面产生非线性涡升力；来流经过仿生叶片前缘即V字形外沿时，在叶片尖端形成驻点，驻点处流速为零且压强最大，而尖端以外其它前缘部分有流体流过但不具有驻点特性。

2.根据权利要求1所述一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，其特征在于，所述夹角为120°。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述一种基于仿生学叶片的升力式垂直轴风力机，其特征在于，所述V字形叶片为V字形等弦长叶片。

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