CN218717236U - 一种双叶片耦合涡轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双叶片耦合涡轮机，包括两个采用正反向对置设置在转动中心轴线周围的海豚型阻力叶片，两个海豚型阻力叶片围绕转动中心轴线相互交错，两个海豚型阻力叶片的前缘在外侧，后缘在内侧，两个海豚型阻力叶片绕转动中心轴线的旋转轨迹为正圆形，海豚型阻力叶片的压力面在圆心内侧，吸力面在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个海豚型阻力叶片的压力面在左侧，另一个海豚型阻力叶片的吸力面在右侧。本双叶片耦合涡轮机通过使用两个采用正反向对置且围绕转动中心轴线相互交错的海豚型阻力叶片，可以提高涡轮机在流体低速下的动能利用率。

Description

一种双叶片耦合涡轮机

技术领域

本实用新型涉及利用流体发电技术领域，尤其是涉及一种双叶片耦合涡轮机。

背景技术

风力发电是一种环保的能源获得方式，目前应用越来越广泛，风力发电机根据主轴安装方位分为水平轴和垂直轴，目前风力发电机结构普遍是水平轴风力发电机，水平轴风力发电机受风向变化影响较大，一般要加装风轮转向装置才能适应风向变化，使其机械结构复杂，不适合在乡村和城市中使用，而且还会危害鸟类的生存环境。

垂直轴风力发电机结构相对简单，无风向性要求能接受来自任何方向的来流风，不需要繁杂的偏航装置和变桨系统，但目前垂直轴风力发电机的应用并不广泛。垂直轴风力发电机型发展缓慢的主要原因是结构复杂，启动风速较高；在低风速地区，风速小、风的动能小、叶片在风的作用下捩转慢，很难达到高的捩转速度，难以从提高转速上来获取更多的能量。

目前，垂直轴风力发电机风轮多做成涡轮形式，其叶片部分是由阻力叶片或升力叶片组成，叶片是风力发电机的最核心部件，叶片的气动特性参数直接关系到风力发电机组的寿命和经济性。目前大部分涡轮机的叶片采用的都是航空翼型，但风力机的流场状态及其变化与飞行器并不相同，因此航空翼型并不适用于垂直轴风力发电机叶片的流场环境，使得垂直轴风力机的风能利用效率较低。

因此有必要对现有涡轮机的叶片组结构进行改进，提高涡轮机在流体低速下的动能利用率，进而实现垂直轴风力发电机的低风速启动。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提供一种双叶片耦合涡轮机，通过使用两个采用正反向对置设置在转动中心轴线周围，且围绕转动中心轴线相互交错的海豚型阻力叶片，来提高涡轮机在流体低速下的动能利用率。

本实用新型的技术方案如下：一种双叶片耦合涡轮机，其特征在于，包括两个采用正反向对置设置在转动中心轴线周围的海豚型阻力叶片；

所述海豚型阻力叶片的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述海豚型阻力叶片的远离所述转动中心轴线的一端为海豚型阻力叶片的前缘，靠近所述转动中心轴线的一端为海豚型阻力叶片的后缘，所述海豚型阻力叶片的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述海豚型阻力叶片的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述海豚型阻力叶片的厚度方向的一侧表面为吸力面，另一侧表面为压力面，所述吸力面向外凸出形成海豚腹部，所述压力面向内凹陷形成海豚背部；

沿所述海豚型阻力叶片的周向，所述吸力面与所述后缘接合，所述后缘与所述压力面接合，所述压力面与所述前缘接合，所述前缘与所述吸力面接合；

以前缘点到后缘点的连线为翼弦，以吸力面垂直于所述翼弦的方向为竖直方向，所述海豚型阻力叶片在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘；

两个所述海豚型阻力叶片围绕所述转动中心轴线相互交错，两个所述海豚型阻力叶片的前缘在外侧，后缘在内侧，两个所述海豚型阻力叶片绕所述转动中心轴线的旋转轨迹为正圆形，所述海豚型阻力叶片的压力面在圆心内侧，吸力面在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个所述海豚型阻力叶片的压力面在左侧，另一个所述海豚型阻力叶片的吸力面在右侧。

优选地，还包括轮盘，两个所述海豚型阻力叶片的上下两端均固定连接有所述轮盘，所述轮盘上设有与所述转动中心轴线共线的轴套。

和现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本双叶片耦合涡轮机包括两个海豚型的阻力叶片，并且两个海豚型阻力叶片采用正反向对置设置在转动中心轴线周围，且围绕转动中心轴线相互交错，这种结构形式的叶片组结构简单，成本低，容易加工制作，而且能够有效提高涡轮机在流体低速下的动能利用率。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本实用新型的双叶片耦合涡轮机中双海豚型阻力叶片的布置示意图；

图2是本实用新型的双叶片耦合涡轮机中双海豚型阻力叶片的各个方向来流示意图；

图3是本实用新型的海豚型阻力叶片的主视图；

图4是本实用新型的海豚型阻力叶片的立体图；

图5是本实用新型的海豚型阻力叶片的坐标示意图；

图6是本实用新型的双叶片耦合涡轮机的主视图；

图7是本实用新型的双叶片耦合涡轮机的立体图。

附图标记如下：

1、海豚型阻力叶片；11、前缘；12、后缘；13、吸力面；14、压力面；2、轮盘；3、轴套；4、转动中心轴线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将接合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖向”、“周向”、“径向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-图7所示的一种双叶片耦合涡轮机，包括两个阻力叶片。

如图1所示，两个阻力叶片为海豚型叶片，并且采用正反向对置设置在转动中心轴线4周围。

如图3和图4所示，所谓的海豚型阻力叶片1的横截面翼型为具有流线形状的海豚型，海豚型阻力叶片1的远离转动中心轴线4的一端为海豚型阻力叶片1的前缘11，靠近转动中心轴线4的一端为海豚型阻力叶片1的后缘12，海豚型阻力叶片1的前缘11收缩变细形成海豚尾部，海豚型阻力叶片1的后缘12逐步增厚形成海豚头部，海豚型阻力叶片1的厚度方向的一侧表面为吸力面13，另一侧表面为压力面14，吸力面13向外凸出形成海豚腹部，压力面14向内凹陷形成海豚背部。

海豚型阻力叶片1的前缘11指海豚型阻力叶片1前方最先遇到气流的迎风部分，后缘12则是指海豚型阻力叶片1后方的那一部分。海豚型阻力叶片1的吸力面13，指流体由于压力减少而冲击叶片的那个表面，压力面14是指压力增大，海豚型阻力叶片1施压于流体的那个表面。

沿海豚型阻力叶片1的周向，吸力面13与后缘12接合，后缘12与压力面14接合，压力面14与前缘11接合，前缘11与吸力面13接合；以前缘11点到后缘12点的连线为翼弦，以吸力面13垂直于翼弦的方向为竖直方向，海豚型阻力叶片1在竖直方向上的厚度最大处在后缘12。

也就是说，该叶片由凹陷的压力面14和凸出的后缘12面构成“S”形特征的翼型，对风能流场的敏感性会比较高，兼具钝尾前缘11翼型和薄尾缘翼型的升力系数对粗糙度的敏感性比要好些，在影响叶片前缘11分离泡行为的诸多因素中，前缘11几何形状是升力系数的重要参数，前缘11形状对前缘11流动、分离和转捩及以后的边界层发展有很大的影响；由于涡轮机叶片前缘11半径比较大，后缘12半径比较小，翼弦方向与来流的方向平行并且翼型前缘11迎来流方向，该翼型是获得良好性能的符合空气动力学规律的翼型。

本海豚型阻力叶片1将横截面翼型设计成海豚型后，能够在垂直轴风力机运行的非定常流场中具有优良的风能利用性能。

如图1所示，两个海豚型阻力叶片1采用正反向对置设置在转动中心轴线4周围，且围绕转动中心轴线4相互交错，两个海豚型阻力叶片1的前缘11在外侧，后缘12在内侧，两个海豚型阻力叶片1绕转动中心轴线4的旋转轨迹为正圆形，海豚型阻力叶片1的压力面14在圆心内侧，吸力面13在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个海豚型阻力叶片1的压力面14在左侧，另一个海豚型阻力叶片1的吸力面13在右侧。

具体而言，参照图1和图5，根据伯努力定理，流体在外弧面速度增加将导致外弧面压强减小，内弧面压强增大，外弧面形成吸力面13，内弧面形成压力面14，无论来流方向如何，外力总是朝向外弧面方向，因此以控制双海豚型阻力叶片1以转动中心轴线4沿顺时针方向旋转，旋转轨迹形成正圆形。

无论来流方向如何，双海豚型阻力叶片1都会沿顺时针方向旋转，在叶片前缘11形成叶尖速，双海豚型阻力叶片1一个旋转180度是一个旋转周期，叶片组在叶片前、后缘12均能产生动力，这种结构形式的叶片组结构简单，感风性强，风能利用率达在40％以上，实现了垂直轴风力机在微风风力下启动发电的目的，提高风能利用率。

对于海豚型阻力叶片1而言，如图5所示，以翼弦长度为标度建立以下相对坐标系：

以前缘11钝尾圆心为原点，翼弦所处直线为x轴，垂直于翼弦且过吸力面13的直线为y轴，x轴朝向后缘12点的方向为x轴正向，y轴朝上为y轴正向，以翼型横截面缩放标准，沿顺时针方向、叶片翼型横截面由圆弧曲线E-P、P-S、S-T、T-F、F-E顺滑连接组成，该翼型以圆弧曲线F-E的圆心为坐标原点，则各圆弧曲线的圆心坐标、半径、以及端点坐标如下：

在圆弧曲线E-P中，圆心L的坐标为(-163.79，-153.81)，R为226.01，E点坐标为(-0.96，0.9)，P点坐标为(317.12，12.62)；

在圆弧曲线P-S中，圆心G的坐标为(-308.51，0)，R为15.43，P点坐标为(-0.96，0.9)，S点坐标为(317.12，-12.62)；

在圆弧曲线S-T中，圆心N的坐标为(268.58，62.26)，R为89.31，S点坐标为(317.12，-12.62)，T点坐标为(204.52，0)；

在圆弧曲线T-F中，圆心M的坐标为(-103.19，-103.13)，R为144.6，T点坐标为(204.52，0)，F点坐标为(0.96，-0.9)；

在圆弧曲线F-E中，圆心0的坐标为(0，0)，R为1.32，F点坐标为(0.96，-0.9)，E点坐标为(-0.96，0.9)。

根据上述数据制得的海豚型阻力叶片1能具有最佳的风能利用性能。需要说明的是，具体应用中，根据设计需求，海豚型阻力叶片1的实际尺寸大小可根据上述相对坐标系按比例进行放大或缩小，即如果海豚型阻力叶片1的实际尺寸比较大，则按一定比例缩小后，其翼型横截面形状会与上述坐标系中的海豚型阻力叶片1翼型横截面形状吻合，如果海豚型阻力叶片1的实际尺寸比较小，则按一定比例放大后，其翼型横截面形状也会与上述坐标系中的海豚型阻力叶片1翼型横截面形状吻合。

对于双叶片耦合涡轮机而言，如图6-图7所示，在具体应用中，两个海豚型阻力叶片1的上下两端均固定连接有轮盘2，通过轮盘2形成一体，轮盘2上则设有与转动中心轴线4共线的轴套3，该轴套3在实际应用中可以与垂直轴风力机的主轴相连以输出动力，不再赘述。

综上所述，本双叶片耦合涡轮机包括两个海豚型的阻力叶片，并且两个海豚型阻力叶片1采用正反向对置设置在转动中心轴线4周围，且围绕转动中心轴线4相互交错，这种结构形式的叶片组结构简单，成本低，容易加工制作，能够有效提高涡轮机在流体低速下的动能利用率。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种双叶片耦合涡轮机，其特征在于，包括两个采用正反向对置设置在转动中心轴线周围的海豚型阻力叶片；

所述海豚型阻力叶片的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述海豚型阻力叶片的远离所述转动中心轴线的一端为海豚型阻力叶片的前缘，靠近所述转动中心轴线的一端为海豚型阻力叶片的后缘，所述海豚型阻力叶片的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述海豚型阻力叶片的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述海豚型阻力叶片的厚度方向的一侧表面为吸力面，另一侧表面为压力面，所述吸力面向外凸出形成海豚腹部，所述压力面向内凹陷形成海豚背部；

沿所述海豚型阻力叶片的周向，所述吸力面与所述后缘接合，所述后缘与所述压力面接合，所述压力面与所述前缘接合，所述前缘与所述吸力面接合；

以前缘点到后缘点的连线为翼弦，以吸力面垂直于所述翼弦的方向为竖直方向，所述海豚型阻力叶片在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘；

两个所述海豚型阻力叶片围绕所述转动中心轴线相互交错，两个所述海豚型阻力叶片的前缘在外侧，后缘在内侧，两个所述海豚型阻力叶片绕所述转动中心轴线的旋转轨迹为正圆形，所述海豚型阻力叶片的压力面在圆心内侧，吸力面在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个所述海豚型阻力叶片的压力面在左侧，另一个所述海豚型阻力叶片的吸力面在右侧。

2.根据权利要求1所述的双叶片耦合涡轮机，其特征在于，还包括轮盘，两个所述海豚型阻力叶片的上下两端均固定连接有所述轮盘，所述轮盘上设有与所述转动中心轴线共线的轴套。

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