CN112272736A - 水平轴转子 - Google Patents

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CN112272736A CN201980039074.7A CN201980039074A CN112272736A CN 112272736 A CN112272736 A CN 112272736A CN 201980039074 A CN201980039074 A CN 201980039074A CN 112272736 A CN112272736 A CN 112272736A
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Abstract

本发明的目的是提供一种适用于风力涡轮机或水力涡轮机的水平轴转子，该水平轴转子具有叶片，该叶片具有较高的风接收效率、抗断裂性能和高旋转效率。一种水平轴转子(1)，其中，水平轴转子(1)包括面向径向方向固定到轮毂(2)的周向表面的多个叶片(3)，每个叶片(3)是在主视时弦长从基端部分(4A)到叶片端(3G)逐渐增大的升力型，从叶片(3)的径向中间部分(3A)开始的远侧部分是向前弯曲部分(5)，向前弯曲部分的前向尖端的前端面(5A)是在主视时前缘(5F)较厚的升力型。

Description

水平轴转子
技术领域
本发明涉及一种水平轴转子，即使通过产生较大的升力而有较强的离心力作用，风力涡轮机叶片的断裂风险也较小，而且即使在低风速下也可以进行高效的旋转。
背景技术
螺旋桨型水平轴风力涡轮机在例如专利文献1中公开。在该风力涡轮机中，水平转子轴从机舱突出，该机舱由支撑柱可枢转地支撑，并且多个叶片朝径向方向固定在转子上，该转子固定在水平转子轴的尖端。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开No.2013-189970
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1公开的发明中，叶片整体上具有相同的厚度，并且从尖端到基端的弦长相同，此外，尖端简单地向前弯曲。该风力涡轮机优选地作为风车旋转，但是当风力涡轮机连接至发电机时，磁体的齿槽转矩作用在发电机上，使得旋转力极大地减小，该风力涡轮机对于发电机来说实用性较差。
特别地，叶片为平板形状，使得难以充分施加柯恩达效应(Coanda effect)。特别是在大型风力涡轮机中，如果发电效率不高，则仅成本负担会较大且实用性变差。
大型风力涡轮机的叶片容易被旋转离心力和风压破坏，并且如果增加刚度，则叶片变重并且旋转效率降低，并且在低风速下，难以启动并且实用性变差。
鉴于这样的情况，本发明的目的在于提供一种具有优异的风接收性能、不易断裂且具有高旋转效率的叶片，并且提供一种装有该叶片的适用于风力涡轮机和水力涡轮机的水平轴转子。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明采取了以下技术手段。
(1)一种水平轴转子，该水平轴转子包括轮毂和面向径向方向且固定到轮毂的周向表面的多个叶片，其中每个叶片是在主视时弦长从基端部分到叶片端逐渐增大的升力型，从叶片的径向中间部分开始的远侧部分是向前弯曲部分，向前弯曲部分的前向尖端的前端面是在主视时前缘较厚的升力型。
(2)根据上述(1)所述的水平轴转子，其中，向前弯曲部分的前向尖端的前端面是在主视时前缘较厚的升力型，并且前端面的前缘和后缘位于同一旋转轨道上。
(3)根据上述(1)或(2)所述的水平轴转子，其中，在侧视水平轴转子的叶片时，向前弯曲部分在弯曲内表面上的曲率半径大于在弯曲外表面上的曲率半径。
(4)根据上述(1)至(3)中的任一项所述的水平轴转子，其中，在侧视向前弯曲部分时，与前向尖端的前端面的基端处的轴线中心线平行的部分的厚度为叶片的最大厚度部分。
(5)根据上述(1)至(4)中的任一项所述的水平轴转子，其中，向前弯曲部分的前向尖端处的前端面在侧视时与轴线中心线正交，后缘在俯视时相对于旋转方向朝后表面方向比前缘更倾斜。
(6)根据上述(1)至(5)中的任一项所述的水平轴转子，其中，向前弯曲部分的前向尖端处的前端面的最大厚度被设定为基部的基端部分的厚度的大约50％，并且前端面的前部为较厚的升力型。
(7)根据上述(1)至(6)中的任一项所述的水平轴转子，其中，叶片的基部的后表面在侧视时与轴线中心线正交，并且基部的前表面从基端部分到叶片的径向中间部分朝后表面方向逐渐倾斜。
发明的效果
根据本发明，可以实现以下效果。
在上述(1)所述的发明中，每个叶片是在主视时弦长从基端部分到叶片端逐渐增大的升力型，并且从叶片的径向中间部分开始的远侧部分是向前弯曲部分，使得当叶片受到来自前方的气流时，撞击具有较长的弦长的向前弯曲部分的流体从叶片端方向朝叶片的径向中间部分方向被高速聚集于向前弯曲部分的弯曲内表面，并且从径向中间部分的后缘向斜后方通过，并且作为反应，使叶片朝旋转方向转动。
在上述(2)中描述的发明中，向前弯曲部分的前向尖端的前端面是在主视时前缘较厚的升力型，并且前端面的前缘和后缘位于同一旋转轨道上，使得随着叶片的旋转而沿着叶片的外周表面通过的流体由于柯恩达效应而变得高速并在旋转轨道上向后通过，并且作为反应叶片在旋转轨道上向前运动。特别地，前向尖端的前端面附近的部分具有最大厚度，使得高速流通过叶片，并且作为反应叶片由于柯恩达效应高速旋转。
在上述(3)中描述的发明中，在侧视水平轴转子的叶片时，向前弯曲部分在弯曲内表面上的曲率半径大于在弯曲外表面上的曲率半径，使得当叶片端朝上时截面的厚度可以增加，随着旋转在该部分处由于柯恩达效应引起的流速的增加产生负压，周围的大气压立即冲向负压的部分，并且由于气压差叶片朝旋转方向运动。
在上述(4)中描述的发明中，在侧视向前弯曲部分时，与前向尖端的前端面的基端处的轴线中心线平行的部分的厚度为叶片的最大厚度，使得通过表面的气流由于柯恩达效应而变成高速流，高速流的流体压力降低，撞击弯曲内表面的流体朝叶片端移动，并且旋转效率通过大量流体的通过而提高。
在上面的(5)中描述的发明中，向前弯曲部分的前向尖端处的前端面在侧视时与轴线中心线正交，并且后缘在俯视时相对于旋转方向朝后表面方向比前缘更倾斜，使得沿着前向尖端的前端面的流体随着叶片的旋转朝后缘方向通过，作为反应，叶片朝旋转方向运动。
在上述(6)所述的发明中，向前弯曲部分的前向尖端处的前端面的最大厚度被设定为基部的基端部分的厚度的大约50％，并且前端面的前部为较厚的升力型，使得即使在叶片端部处也由于柯恩达效应而产生高速流，并且提高了旋转效率。
在以上(7)中描述的发明中，叶片的基部的后表面在侧视时与轴线中心线正交，并且基部的前表面从基端部分到叶片的径向中间部分朝后表面方向逐渐倾斜，使得撞击叶片的基部的前表面的流体随着叶片的旋转而朝向前弯曲部的弯曲内表面移动，在于旋转方向上推动弯曲内表面的同时，大量的流体从后缘朝向外方向通过，由于柯恩达效应而产生高速流，并且作为反应使叶片高速旋转。
附图说明
图1是根据本发明的水平轴转子的主视图。
图2是沿着图1中的线II-II截取的垂直截面图。
图3是沿着图1中的线III-III截取的截面图。
图4是沿着图1中的线IV-IV截取的截面图。
图5是沿着图1中的线V-V截取的截面图。
图6是沿着图1中的线VI-VI截取的截面图。
图7是沿着图1中的线VII-VII截取的截面图。
图8是沿着图1中的线VIII-VIII截取的截面图。
具体实施方式
将参考附图来描述根据本发明的实施例。尽管将针对风力涡轮机来描述实施例的水平轴转子1，但是本发明也可以应用于水力涡轮机。
在作为主视图的图1中，在根据本发明的水平轴转子1中，多个升力型叶片3(图1中示出5个叶片)朝径向方向以相等的间隔固定至轮毂2的外周表面。水平轴转子1是中等大小的转子，例如具有430cm的直径，叶片3的最大弦长为100cm，基端部分4A的弦长为约39cm。当水平轴转子1受到来自前方的风时，水平轴转子1逆时针旋转。此外，这些尺寸仅是示例。
图2是沿着图1中的线II-II截取的垂直截面图。朝前表面方向大幅弯曲的向前弯曲部分5形成在基部4的尖端处，基部4与轮毂2接触，以叶片3的径向中间部分3A为边界。在叶片3的前部形状中，弦长从基端部分4A到叶片端逐渐增大，并且旋转期间离心部分处的风接收面积增加。
基端部分4A的厚度例如为旋转半径的20％±2％，并且直到径向上的径向中间部分3A为止，后表面4C与轮毂2的轴线中心线G正交。
前表面4B从基端部分4A向径向中间部分3A逐渐向后倾斜，并且径向中间部分3A的厚度比基端部分4A的厚度稍薄。
在向前弯曲部分5中，在侧视时前向尖端处的前端面5A与轴线中心线G正交。从前端面5A的基端5B到径向中间部分3A的前表面是弯曲内表面5D。从前向尖端的前端面5A的尖端5C开始的后表面是直到径向中间部分3A为止的弯曲外表面5E。
弯曲内表面5D的曲率半径大于弯曲外表面5E的曲率半径，并且厚度从径向中间部分3A到尖端5C减小。然而，如图5至图8的截面中所示，向前弯曲部分5从图2中的径向中间部分3A朝叶片端方向逐渐变厚。
随着叶片3变厚，在旋转期间在叶片3的表面上发生的柯恩达效应变得更大，并且流速变得更快。在向前弯曲部分5中的图1的线VIII-VIII的截面附近，厚度较大且弦长较长，使得在该部分中速度变得最高，并且提高了叶片3在高速旋转期间的效率。
如图2和图8所示，向前弯曲部分5较厚，使得柯恩达效应较大并且产生高速流，并且即使风速降低，水平轴转子1的旋转也随着旋转通过柯恩达效应的持续而维持。
在图1中，叶片3的弦长为例如叶片端部处旋转半径的50％±5％，并且作为重复实验的结果，该值是优选的。该值朝基端部分4A的方向逐渐减小。从后缘3C(其为从轴线中心线G开始的旋转半径的20％)上IV-IV线位置处的切入点3D朝前缘3B方向，形成了切入部分3E并减小了弦长。切入部分3E的弦长为旋转半径的大约20％±2％。图1中的线III-III的截面如图3所示在基部4处为大致圆形，并且为圆柱状。
叶片3的前缘3B是从轴线中心线G朝尖端方向的大致直线，即从弯曲基点3F(其对应于图1中的旋转半径的80％)到基部4的基端部分4A，并且前缘3B是从弯曲基点3F到叶片端3G的凸曲面，并且前缘5F向前突出。
在图1中，向前弯曲部分5的前向尖端处的前端面5A的形状是升力型，其中图5至图8中所示的叶片3的截面的厚度逐渐减小，最大厚度为基部4中基端部分4A的大约50％，但是不限于此。如图2所示，叶片3的前端面5A与轴线中心线G正交。
如图1所示，向前弯曲部分5中的前向尖端的前端面5A的弦长从线VIII-VIII的截面朝着向心方向逐渐减小，并且前缘5F向前突出，另外，弯曲内表面5D从前缘5F到后缘5G朝后表面方向逐渐倾斜。
结果，图2中的前向尖端的前端面5A的基端5B处的厚度大于图8中的斜线部分的宽度，并且整个叶片3的旋转效率通过在该部分随着旋转由于柯恩达效应产生的高速旋转而提高。
在这种情况下，前向尖端的前端面5A与轴线中心线G正交，并且如图8所示，后缘5G而不是前缘5F朝弯曲外表面5E的方向倾斜6至12度，使得当从前方受到风时，叶片3朝前缘5F被推动，并且提高了旋转效率。
另外，前向尖端的前端面5A的前缘5F和后缘5G均位于同一旋转轨道T上，使得旋转期间的阻力较小。
在图1中叶片端部3G朝上的叶片3的截面中，如图3至图8所示，基部4大致为圆形，并且从前方受到的气流无阻力地通过切入部分3E。
在图4中，从轴线中心线G到后缘5G，其相对于旋转方向朝后表面4C的方向倾斜大约37度，并且当气流从前方撞击时，叶片3朝前缘3B的方向被推动以旋转。在图5中，从轴线中心线G到后缘5G，其相对于旋转方向朝后表面4C的方向倾斜例如大约30度，并且撞击基部4的前表面4B的气流朝基部4的后缘3C的方向移动，并且叶片3沿逆时针方向强烈地运动。
在图6中，从轴线中心线G到后缘5G，其相对于旋转方向朝后表面4C的方向倾斜例如大约26度，并且撞击向前弯曲部分5的弯曲内表面5D的气流朝向前弯曲部分5的后缘5G的方向移动，叶片3朝旋转方向运动。
如图7所示，从轴线中心线G到后缘5G，其相对于旋转方向朝后表面4C的方向倾斜例如大约23度，并且在图8中，从轴线中心线G到后缘5G，其相对于旋转方向朝后表面4C的方向倾斜大约25度。
撞击弯曲内表面5D的气流被聚集在图1中的线VI-VI的部分和从线VIII-VIII到线VII-VII的部分中，并沿向前弯曲部分5的后缘5G的方向移动，使得叶片3由于压力差朝旋转方向强烈地旋转。
即，在叶片3的基部4处，撞击图1中的前表面的气流沿着基部4的基端部分4A的方向从径向中间部分3A朝前表面4B上的后缘3C的外部通过，作为对柯恩达效应的反应，朝旋转方向拉动叶片3的作用增加。
如图3至图8所示，在前向尖端的前端面5A中，后缘5G相对于与轴线中心线G正交的旋转方向而朝后表面4C的方向比前缘5F更倾斜大约10度。
在向前弯曲部分5中，在图1中，前向尖端的前端面5A处的前缘5F和后缘5G位于旋转轨道T上，使得通过该周向表面的气流在旋转轨道T上向后通过，并且由于反应，叶片3在旋转轨道上沿逆时针方向被强烈地拉动，提高了旋转效率。
在图2中，聚集聚集气流，气流为从前向尖端处的前端面5A的基端5B滑动到朝叶片3的径向中间部分3A的方向的弯曲内表面5D的气流、以及从图1中的叶片3的径向中间部分3A的方向移动到线VII-VII的部分的气流，其中该聚集气流沿该部分中的叶片3的后缘5G的向外方向高速地通过，作为由于柯恩达效应的反应，使叶片3高速旋转。
在图2中，当箭头X所表示的气流撞击弯曲内表面5D时，在弯曲内表面5D上从点5B滑动到气流着陆点Q的气流的速度变得比从气流起始点P到气流着陆点Q(气压下降)的气流的速度更快，使得大量空气被聚集在气流着陆点Q的部分，并沿后缘5G的向外方向高速通过，作为反应，提高了叶片3的旋转效率。
撞击从叶片3的基部4的基端部分4A到叶片3的径向中间部分3A向后倾斜，并朝叶片端部通过的气流强烈地撞击向前弯曲部分5，使叶片3沿旋转方向旋转，并且从后缘5G朝外部通过。
向前弯曲部分5的径向长度例如是叶片3的旋转半径的大约50％，并且其前向尖端的前端面5A向前突出一长度，该长度对应于从基部4的后表面4C开始的长度方向的大约72％的长度。
该独特形状的第一特征具有以下功能：在弯曲内表面5D上受到的气流在图2中的气流着陆点Q的部分处被收集，并且该气流沿着后缘5G的向外方向通过。
另外，向前弯曲部分5的前缘5F的部分较厚，使得高效地产生了由于柯恩达效应的高速流，并且当高速流通过时，作为反应，叶片3由于压力差在旋转方向上被强烈地拉动，产生了高速旋转力。
在该叶片3中，从径向中间部分3A开始的尖端部分是向前弯曲的向前弯曲部分5，并且其弦长加长，使得旋转离心部分中的风接收面积变大，提高了旋转效率。
从前方撞击弯曲内表面5D的气流在弯曲内表面5D处变得高速并在向前弯曲部分5的中心部分被收集，并且大量的加速气流从后缘5G朝外部通过，使得作为反应，使叶片3高速旋转。
另外，向前弯曲部分5的前缘5F的部分较厚，使得沿着叶片3的表面移动的气流由于柯恩达效应而高速通过，作为反应，提高了叶片3的旋转效率。
向前弯曲部分5具有较长的弦长并且比基部4更向前突出，使得其可以有效地接收来自斜后方的气流，并且即使改变气流方向，叶片3也可以继续旋转而不降低转速。
此外，在较厚的向前弯曲部分5中，通过表面的气流的流速增大，使得前部处的压力减小，后部处的气流返回原来位置，并且压力增大。因此，旋转力不会急剧下降，旋转继续，并且维持高旋转转矩。
本发明的水平轴转子1可以应用为从直径大约5cm的小尺寸到直径为10m以上的大尺寸，并且适用于风力涡轮机和水力涡轮机。
工业适用性
从叶片长度的中心向前弯曲的向前弯曲部分不会引起叶片端部失速，使得提高了旋转效率。此外，本发明的水平轴转子1具有较厚的前向弯曲部分，使得其由于柯恩达效应而具有高旋转效率且具有高刚性，并且被用于风力发电机和水力发电机中。
附图标记说明
1 水平轴转子
2 轮毂
3 叶片
3A 径向中间部分
3B 前缘
3C 后缘
3D 切入点
3E 切入部分
3F 弯曲基点
3G 叶片端
4 基部
4A 基端部分
4B 前表面
4C 后表面
5 向前弯曲部分
5A 前端面
5B 基端
5C 尖端
5D 弯曲内表面
5E 弯曲外表面
5F 前缘
5G 后缘
E 中心线
G 轴线中心线
P 气流起始点
Q 气流着陆点

Claims (7)

1.一种水平轴转子，所述水平轴转子包括轮毂和面向径向方向且固定到所述轮毂的周向表面的多个叶片，其中每个叶片是在主视时弦长从基端部分到叶片端逐渐增大的升力型，从所述叶片的径向中间部分开始的远侧部分是向前弯曲部分，所述向前弯曲部分的前向尖端的前端面是在主视时前缘较厚的升力型。
2.根据权利要求1所述的水平轴转子，其特征在于，所述向前弯曲部分的前向尖端的前端面是在主视时前缘较厚的升力型，并且所述前端面的所述前缘和后缘位于同一旋转轨道上。
3.根据权利要求1或2所述的水平轴转子，其特征在于，在侧视所述水平轴转子的所述叶片时，所述向前弯曲部分在弯曲内表面上的曲率半径大于在弯曲外表面上的曲率半径。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的水平轴转子，其特征在于，在侧视所述向前弯曲部分时，所述前向尖端的前端面的基端处的与轴线中心线平行的部分的厚度为所述叶片的最大厚度部分。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的水平轴转子，其特征在于，所述向前弯曲部分的前向尖端处的前端面在侧视时与轴线中心线正交，后缘在俯视时相对于旋转方向朝后表面方向比前缘更倾斜。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的水平轴转子，其特征在于，所述向前弯曲部分的前向尖端处的前端面的最大厚度被设定为基部的基端部分的厚度的大约50％，并且所述前端面的前部为较厚的升力型。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的水平轴转子，其特征在于，所述叶片的基部的后表面在侧视时与轴线中心线正交，并且所述基部的前表面从所述基端部分到所述叶片的所述径向中间部分朝后表面方向逐渐倾斜。
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