CN206707918U - 波浪形尾缘叶片及h型立轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种波浪形尾缘叶片及H型立轴风力发电机，中心轴顶端通过轮毂连接N个支撑臂，各个支撑臂之间夹角角度相同，支撑臂连接N个叶片；N为自然数且2≤N≤6；该叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10。该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；其中，h＝αc，e＝w＝2βH。本实用新型没有改变叶片的翼型和增加叶片的制造成本，通过对叶片尾缘的改进，提高了H型立轴风力发电机在非设计工况下的气动性能，拓宽了该类型风力发电机的工况范围，使之能够捕获更多风能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机，特别是一种改良叶片的H型立轴风力发电机。
背景技术
现代风力发电机主要有水平轴风力发电机和立轴风力发电机两种，水平轴风力发电机是主流机型。立轴风力发电机与水平轴风力发电机相比主要有下列潜在优势：(1)无需偏航装置，可以吸收任何方向来风的能量；(2)立轴风力发电机的发电系统和增速系统位于地面，在安装和维修上立轴风力发电机更具优势；(3)立轴风力发电机工作时产生的噪音低于同功率的水平轴风力发电机；(4)整体结构上，立轴风力发电机比水平轴风力发电机简单。因此，立轴风力发电机作为离网运行的风能转换设备，可广泛应用于通讯基站、边远山区农村以及城市风能利用。
立轴风力发电机又可分为两类型：一类是利用空气阻力做功(阻力型)，典型的结构是Savonius型风力发电机。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，启动转矩较大但转速慢，风能利用率较低，用于发电缺乏竞争力，多应用于带动水泵抽水等低转速的场合；另一类是利用叶片翼型的升力做功(升力型)，比较典型的是H型立轴风力发电机。升力型立轴风力发电机较阻力型风力发电机的风能利用率高，适合做发电设备。
由于风速、负载等因素发生变化，H型立轴风力发电机无法一直工作在设计工况，即最佳尖速比下。因此，要使风力发电机转化更多的风能，必须提高其在非最佳尖速比时的输出功率。探索新型H型立轴风力发电机叶片，对拓宽其工况范围和捕获更多风能具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题即在提供一种效率更高的波浪形尾缘叶片以及使用该波浪形尾缘叶片的H型立轴风力发电机。
本实用新型所采用的技术手段如下。
一种波浪形尾缘叶片，叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10。
该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；其中，h＝αc，e＝w＝2βH；0.15≤α≤0.25；0005≤β≤0.01。
一种H型立轴风力发电机，其包含中心轴，中心轴顶端通过轮毂连接N个支撑臂，各个支撑臂之间夹角角度相同，支撑臂连接N个叶片； N为自然数且2≤N≤6；该叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10。该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；其中，h＝αc，e＝w＝2 βH；0.15≤α≤0.25；0005≤β≤0.01。
本实用新型所产生的有益效果如下：与装有普通叶片的H型立轴风力发电机相比较，同等条件下，本实用新型没有改变叶片的翼型和增加叶片的制造成本，通过对叶片尾缘的改进，提高了H型立轴风力发电机在非设计工况下的气动性能，拓宽了该类型风力发电机的工况范围，使之能够捕获更多风能。
附图说明
图1为本实用新型的H型立轴风力发电机结构示意图。
图2为本实用新型尾缘的结构示意图。
图3是本实用新型的H型立轴风力发电和采用普通的H型立轴风力发电机功率曲线对比图。
图4是本实用新型的H型立轴风力发电和采用普通的H型立轴风力发电机功率曲线提供百分比对比图。
具体实施方式
如图1及图2所示，本实用新型公开了一种波浪形尾缘叶片，以及应用该尾缘叶片的H型立轴风力发电机。
本实用新型的H型立轴风力发电机，其包含中心轴1，中心轴1顶端通过轮毂2连接N个支撑臂3，各个支撑臂3之间夹角角度相同，支撑臂连接N个叶片；N为自然数且2≤N≤6；在本实施例中，N为2，夹角为180度呈一字型。如果N为4，夹角则为90度呈十字星，如果N 为5，夹角则为72度呈星型，可以依据实际需求进行设置。
该叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10。一般的，1m<H<20m， 0.1m<c<4m，可以依据需求选用。
在本实施例图2中，该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；其中，h＝αc，e＝w＝2βH；0.15≤α≤0.25；0005≤β≤0.01。当然，除了这种锯齿结构，也可以采用非锯齿的圆滑波浪曲线结构。
这里的α、β是待定系数，可以根据叶片材料强度控制待定系数取值。
在设计时，本实用新型中的波浪形尾缘叶片按以下4个步骤进行设计：
1、确定H型立轴风力发电机的风轮扫风面积和叶片材料；更具体的，根据风力发电机的功率确定风轮扫风面积，根据生产设备确定叶片材料。
2、根据风轮扫风面积和叶片材料确定叶片长度和弦长。
3、根据叶片材料强度、叶片长度、弦长与波浪形尾缘高度、波峰间距、波谷间距之间的关系式确定波浪形尾缘高度、波峰间距、波谷间距。
4、根据叶片长度长度、弦长、波浪形尾缘高度、波峰间距、波谷间距实施波浪形尾缘叶片的加工制造。
其工作原理如下：
在风力发电机旋转过程中，波浪形尾缘的波谷会在叶片吸力面形成反向旋转涡，延迟叶片表面边界层分离，提高叶片的气动特性。并且，与普通叶片相比较，波浪形尾缘叶片的表面积更小，可减弱叶片尾流。具体而言，当风轮处在小于最佳尖速比的非设计工况下时，动态失速涡的频繁生成与脱落是流场的主要特征，叶片表面流动不稳定，波浪形尾缘叶片对气动性能的改善效果有限，使H型立轴风力发电机输出功率的提升相对较小。当风轮处在大于最佳尖速比的非设计工况下时，尾流成为风轮流场的主要特征，叶片表面流动相对稳定且气流流过叶片表面所产生的摩擦阻力的负面影响逐渐增强，波浪形尾缘可减弱叶片尾流和延迟叶片表面边界层分离，提高其气动性能，使H型立轴风力发电机的输出功率显著提升。
为验证本实用新型的有益效果做了如下验证实验：采用小尺寸H型立轴风力发电机在低速直流风洞中进行验证实验，风轮扫风面积为 0.25m2，叶片采用NACA0015翼型，叶片弦长c＝0.07m，叶片长度H＝0.5m，风洞出口平均风速10m/s，α＝0.243，β＝0.01，波浪形尾缘高度h＝0.014m，波峰间距e＝0.01m、波谷间距w＝0.01m。如图3和图4所示，实验测得在大于最佳尖速比λ＝2.2的非设计工况下，采用本实用新型所述的波浪形尾缘叶片后，风力发电机的功率较采用普通尾缘叶片的时有了明显提高，最大提高了10.48％，平均提高了8.87％，证明了本实用新型所述波浪形尾缘叶片和带波浪形尾缘叶片的H型立轴风力发电机的可行性和优越性。
Claims (3)
1.一种波浪形尾缘叶片，叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，其特征在于，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10；
该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；
其中，h＝αc，e＝w＝2βH；
0.15≤α≤0.25；0005≤β≤0.01。
2.一种H型立轴风力发电机，其包含中心轴，其特征在于，中心轴顶端通过轮毂连接N个支撑臂，各个支撑臂之间夹角角度相同，支撑臂连接N个叶片；N为自然数且2≤N≤6；
该叶片具有叶片长度H和叶片弦长c，叶片一端为波浪结构，该叶片长度和叶片弦长满足如下关系：5<H/c<10。
3.如权利要求2所述的H型立轴风力发电机，其特征在于，该波浪结构为锯齿结构，该锯齿结构由若干齿排列组成；齿顶部与底部之间距离为h，相邻齿顶部之间距离为e，齿的宽度为w；
其中，h＝αc，e＝w＝2βH；
0.15≤α≤0.25；0005≤β≤0.01。
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