CN109944737A - 一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法，叶片内部设有Y型进气通道，其分为一主两副，主进气通道与叶片弦长相平行，主进气通道外端口位于叶片前缘，两副进气通道外端口分别位于叶片吸力面和压力面上，两副进气通道外端口处分别粘贴有鳃膜，鳃膜根部朝向叶片前缘侧，鳃膜头部朝向叶片后缘侧；叶片制作方法为：选取并测量升力型垂直轴风力机叶片弦长和展长；选取一尾鲤鱼并取下鲤鱼一条鱼鳃，将鱼鳃从圆弧型修整成直线型；整理鱼鳃内表面的鳃毛以扩大鳃毛间距；通过激光三维扫描技术获取鱼鳃数字模型，将鱼鳃数字模型导入计算机；调整数字模型比例，3D雕刻制造设定数量的鳃膜，将制造好的鳃膜粘贴到叶片吸力面和压力面的两副进气通道外端口。

Description

一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展，能源的需求也在不断增加，尤其是进入21世纪以来，煤炭、石油的价格持续上涨，消耗急剧增加，传统能源已经远远不能满足当今社会的发展需要。而风能、太阳能、水能等可再生能源开始走进人们的视野，其中风能则以储量大、分布广、开发门槛低、利用率高的特点，成为了目前世界能源结构中的重要组成部分。

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，空气流速越高则动能越大，风能的大小决定于风速和空气的密度，而全球的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能约为2×10⁷MW，这比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风力发电是风能利用的一种形式，风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，它利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电的经济效益日益提高，发电厂建设周期短，装机规模灵活，而且占地面积少，其中的塔架与监控、变电建筑仅占风电场的1％的土地，其余场地可供农、牧、林使用。

目前，垂直轴风力机有三种利用风能的形式：第一，升力型垂直轴风力机，其是目前应用比较广的，因为可以有更高的风能利用系数，同类型的升力型水平轴风力机已经广泛应用，但是作为升力型垂直轴风力机，由于叶片周期性运动，叶片只有在与来流呈正攻角的范围内才能做正功，才能为叶轮提供旋转动力，但在叶片圆周运动中叶片正攻角的范围是很小的，所能提供的升力有限，因此升力型垂直轴风力机的发电效率较低；第二，阻力型垂直轴风力机，是垂直轴风力机常用的形式，因其启动风速小，叶片结构简单，被广泛应用，但是其旋转阻力较大，转速不高，尖速比较小，发电效率也较低；第三，升阻混合型垂直轴风力机，其结合了升力型和阻力型各自的优点，但在尖速比较大的情况下，其阻力单元会成为整个风力机的阻力，导致升阻混合型垂直轴风力机的发电效率也不高。

因此，为了使阻力减小就需要把边界层的发展控制在最小的限度内，并设法防止发生分离，而流线型的采用以及扩压器最适宜扩散角的选择等都是建立在这个观点上的，特别是在翼型的设计中更是如此，例如把叶片最厚的位置向后挪动，使叶片吸力面的压力梯度尽可能地变小，这时边界层会更加稳定且容易保持层流，层流边界层的壁面剪切应力较湍流的小，所以形成了阻力比较小的翼型(层流翼型)。

但是，通过对边界层以外的主流流动控制来防止边界层发展和分离的方式，实施过程始终比较繁琐和复杂，如果可以在不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制，将极大的简化实施过程，同时提高垂直轴风力发电机的风能利用率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法，可以在不改变主流状态而通过直接改变气流方向来实现流动控制，本发明的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当垂直轴风力机安装了本发明的叶片后，可以有效提高垂直轴风力机的风能利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片，在叶片内部加工设置有截面形状为Y型的进气通道，进气通道包括主进气通道、第一副进气通道和第二副进气通道，主进气通道与叶片的弦长方向相平行，主进气通道的外端通道口位于叶片的前缘顶端表面上；所述第一副进气通道和第二副进气通道构成Y型进气通道的两条支臂，第一副进气通道的内端通道口与主进气通道内端通道口相连通，第一副进气通道的外端通道口位于叶片的压力面上，且第一副进气通道的外端通道口与叶片的最大厚度处相邻；所述第二副进气通道的内端通道口与主进气通道的内端通道口相连通，第二副进气通道的外端通道口位于叶片的吸力面上，且第二副进气通道的外端通道口与叶片的最大厚度处相邻；在所述第一副进气通道的外端通道口粘接有第一鳃膜，第一鳃膜根部朝向叶片前缘侧，第一鳃膜头部朝向叶片后缘侧；在所述第二副进气通道的外端通道口粘接有第二鳃膜，第二鳃膜根部朝向叶片前缘侧，第二鳃膜头部朝向叶片后缘侧。

所述的通道鳃膜式垂直轴风力机叶片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取升力型垂直轴风力机叶片，测量出升力型垂直轴风力机叶片的弦长和展长；

步骤二：选取一尾鲤鱼，取下鲤鱼的一条鱼鳃，将鱼鳃从圆弧型修整成直线型；

步骤三：整理鱼鳃内表面的鳃毛，每剔除一根鳃毛就保留一根与之相邻的鳃毛，以扩大鳃毛间距；

步骤四：通过激光三维扫描技术获取鱼鳃的数字模型，并将鱼鳃的数字模型导入计算机；

步骤五：根据步骤一中获取的升力型垂直轴风力机叶片的展长，调整鱼鳃数字模型的比例，使鳞片数字模型的长度等于升力型垂直轴风力机叶片的展长的50％～90％；

步骤六：将3D雕刻机接入计算机，通过计算机将鱼鳃数字模型导入3D雕刻机，利用3D雕刻机制造出设定数量的鳃膜，鳃膜的材质为皮质或塑料；

步骤七：在叶片压力面的第一副进气通道外端通道口以及叶片吸力面的第二副进气通道外端通道口处粘接上制造好的鳃膜。

本发明的有益效果：

本发明的通道鳃膜式垂直轴风力机叶片及制作方法，可以在不改变主流状态而通过直接改变气流方向来实现流动控制，本发明的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得；通过在叶片内部设置截面形状为Y型的进气通道，气流可以从主进气通道进入，并通过两条副进气通道从叶片压力面和吸力面流出，由于两条副进气通道的通道口处粘接有鳃膜，一方面，鳃膜能够在气流作用下振动，而且鳃膜表面的鳃毛会随风摆动，可以有效牵制主流在叶片表面的流动，进一步又混合了主流与通道喷出的气流，从而改变了叶片边界层流动，增强了气流在叶片上的附着能力，降低了逆压梯度，从而延迟了叶片吸力面气流的分离，同时还加大了叶片失速攻角，并且增加了叶片做正功角度；另一方面，叶片迎风旋转时，气流直接打到叶片前缘，造成叶片前缘的压力较高，气流会从前缘的主进气通道进入叶片，此时也会影响叶片外部流场，从而改变了原来叶片前缘的气流流动，使流线不受前缘点高压的压迫，流线更加顺畅且阻力更小，当气流从叶片压力面和吸力面流出后，受到鳃膜的导流作用，不但会增加鳃膜的振动和摆动，而且气流会顺着流向从叶片后缘喷出，将带动叶片外主流的流动，也会增加气流抗逆压的能力，同时喷出的气流也增加了叶片的动力，减少了叶片前缘的压力，因而也提高了叶片的做功能力，最终提高了风能利用率。

附图说明

图1为本发明的一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图(鳃膜覆盖在副进气通道)；

图3为图1中A-A剖视图(鳃膜在气流作用下被吹起)；

图中，1—叶片，2—主进气通道，3—第一副进气通道，4—第二副进气通道，5—第一鳃膜，6—第二鳃膜。

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1～3所示，一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片，在叶片1内部加工设置有截面形状为Y型的进气通道，进气通道包括主进气通道2、第一副进气通道3和第二副进气通道4，主进气通道2与叶片1的弦长方向相平行，主进气通道2的外端通道口位于叶片1的前缘顶端表面上；所述第一副进气通道3和第二副进气通道4构成Y型进气通道的两条支臂，第一副进气通道3的内端通道口与主进气通道2的内端通道口相连通，第一副进气通道3的外端通道口位于叶片1的压力面上，且第一副进气通道3的外端通道口与叶片1的最大厚度处相邻；所述第二副进气通道4的内端通道口与主进气通道2的内端通道口相连通，第二副进气通道4的外端通道口位于叶片1的吸力面上，且第二副进气通道4的外端通道口与叶片1的最大厚度处相邻；在所述第一副进气通道3的外端通道口粘接有第一鳃膜5，第一鳃膜5根部朝向叶片1前缘侧，第一鳃膜5头部朝向叶片1后缘侧；在所述第二副进气通道4的外端通道口粘接有第二鳃膜6，第二鳃膜6根部朝向叶片1前缘侧，第二鳃膜6头部朝向叶片1后缘侧。

所述的通道鳃膜式垂直轴风力机叶片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取升力型垂直轴风力机叶片，测量出升力型垂直轴风力机叶片的弦长和展长；

步骤二：选取一尾鲤鱼，取下鲤鱼的一条鱼鳃，将鱼鳃从圆弧型修整成直线型；

步骤三：整理鱼鳃内表面的鳃毛，每剔除一根鳃毛就保留一根与之相邻的鳃毛，以扩大鳃毛间距；

步骤四：通过激光三维扫描技术获取鱼鳃的数字模型，并将鱼鳃的数字模型导入计算机；

步骤五：根据步骤一中获取的升力型垂直轴风力机叶片的展长，调整鱼鳃数字模型的比例，使鳞片数字模型的长度等于升力型垂直轴风力机叶片的展长的50％～90％；

步骤六：将3D雕刻机接入计算机，通过计算机将鱼鳃数字模型导入3D雕刻机，利用3D雕刻机制造出设定数量的鳃膜，鳃膜的材质为皮质或塑料；

步骤七：在叶片1压力面的第一副进气通道3通道口以及叶片1吸力面的第二副进气通道4通道口处粘接上制造好的鳃膜。

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型NACA0018，按照选取的翼型制作两组叶片，每组内的叶片数量均为四个；第一组叶片为传统叶片，第二组叶片为本发明的通道鳃膜式垂直轴风力机叶片，两组叶片均为木质结构，叶片弦长为100mm，叶片展长为500mm。

上述准备工作结束后，分别将两组叶片组装到垂直轴风力试验机上，先对安装有传统叶片的垂直轴风力试验机进行试验。在试验过程中，传统叶片进行工作时，叶片与空气来流相遇后，需要依靠叶片本身的升力在旋转圆周切向分力来产生动力，只有在叶片正攻角范围内，叶片才能提供动力，做正功角度小，风力机启动风速大，启动后用转速仪测量转速，转速不高，而且在一定角度时，风力机处于死角位置，风机不能启动，此时决定了在传统叶片下，垂直轴风力试验机的风能利用率不高。

接下来，对安装有本发明叶片的垂直轴轴风力试验机进行试验。在试验过程中，气流从叶片前缘的主进气通道进入叶处片内部，并从副进气通道喷出，鳃膜随之进行振动和摆动，增加了叶片表面气流能量，叶片做正功角度增大。经实际测算，在同一风速下，与传统叶片相比，安装有本发明叶片的垂直轴轴风力试验机的风轮转速提高了近40％。因此，当垂直轴轴风力试验机安装了本发明的叶片后，能够进一步提高垂直轴风力试验机的风能利用率。

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 (2)

1.一种通道鳃膜式垂直轴风力机叶片，其特征在于：在叶片内部加工设置有截面形状为Y型的进气通道，进气通道包括主进气通道、第一副进气通道和第二副进气通道，主进气通道与叶片的弦长方向相平行，主进气通道的外端通道口位于叶片的前缘顶端表面上；所述第一副进气通道和第二副进气通道构成Y型进气通道的两条支臂，第一副进气通道的内端通道口与主进气通道内端通道口相连通，第一副进气通道的外端通道口位于叶片的压力面上，且第一副进气通道的外端通道口与叶片的最大厚度处相邻；所述第二副进气通道的内端通道口与主进气通道的内端通道口相连通，第二副进气通道的外端通道口位于叶片的吸力面上，且第二副进气通道的外端通道口与叶片的最大厚度处相邻；在所述第一副进气通道的外端通道口粘接有第一鳃膜，第一鳃膜根部朝向叶片前缘侧，第一鳃膜头部朝向叶片后缘侧；在所述第二副进气通道的外端通道口粘接有第二鳃膜，第二鳃膜根部朝向叶片前缘侧，第二鳃膜头部朝向叶片后缘侧。

2.权利要求1所述的通道鳃膜式垂直轴风力机叶片的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：选取升力型垂直轴风力机叶片，测量出升力型垂直轴风力机叶片的弦长和展长；

步骤二：选取一尾鲤鱼，取下鲤鱼的一条鱼鳃，将鱼鳃从圆弧型修整成直线型；

步骤三：整理鱼鳃内表面的鳃毛，每剔除一根鳃毛就保留一根与之相邻的鳃毛，以扩大鳃毛间距；

步骤四：通过激光三维扫描技术获取鱼鳃的数字模型，并将鱼鳃的数字模型导入计算机；

步骤五：根据步骤一中获取的升力型垂直轴风力机叶片的展长，调整鱼鳃数字模型的比例，使鳞片数字模型的长度等于升力型垂直轴风力机叶片的展长的50％～90％；

步骤六：将3D雕刻机接入计算机，通过计算机将鱼鳃数字模型导入3D雕刻机，利用3D雕刻机制造出设定数量的鳃膜，鳃膜的材质为皮质或塑料；

步骤七：在叶片压力面的第一副进气通道外端通道口以及叶片吸力面的第二副进气通道外端通道口处粘接上制造好的鳃膜。