CN218934606U - 一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，包括风轮支架和风叶组件；风轮支架上设有多组风叶组件，多组风叶组件绕风轮支架的转动中心线呈中心对称的间隔排布；风叶组件包括主风叶和副风叶，主风叶和副风叶均为阻力型叶片，副风叶位于主风叶沿风叶组件转动方向的一侧，副风叶的外形体积小于主风叶的外形体积，副风叶与主风叶之间具有间隔，副风叶的翼弦线与主风叶的翼弦线形成夹角α，夹角α的开口朝向远离风轮支架转动中心线的一侧，夹角α的角度为30度≤α≤60度。本方案中的风叶组件可以提高对风能的梯级利用，有效提高对风能的利用效率，实现低风速启动。

Description

一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组

技术领域

本实用新型涉及垂直轴风力发电机技术领域，尤其是涉及一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组。

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，不适合在都市和社区中使用，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。因其启动风速较高，在低风速地区，风速小、风的动能小，风叶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，由于风叶是风力发电机的最核心部件，因此有必要对现有垂直轴风力发电机风叶组件进行改进，以使得垂直轴风力发电机能够进行低风速启动。

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具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，以解决现有垂直轴风力机风叶组难以实现低风速启动，对风能利用效率低的问题。

本实用新型的技术方案如下：一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，包括风轮支架和风叶组件；

所述风轮支架上设有多组所述风叶组件，多组所述风叶组件绕所述风轮支架的转动中心线呈中心对称的间隔排布；

所述风叶组件包括主风叶和副风叶，所述主风叶和所述副风叶均为阻力型叶片，所述副风叶位于所述主风叶沿所述风叶组件转动方向的一侧，所述副风叶的外形体积小于所述主风叶的外形体积，所述副风叶与所述主风叶之间具有间隔，所述副风叶的翼弦线与所述主风叶的翼弦线形成夹角α，所述夹角α的开口朝向远离所述风轮支架转动中心线的一侧，所述夹角α的角度为30度≤α≤60度。

优选地，所述副风叶的翼弦线的长度与所述主风叶的翼弦线的长度比值为1:1.5。

优选地，所述主风叶和副风叶的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述主风叶和副风叶的远离所述风轮支架转动中心线的一端为风叶的前缘，靠近所述风轮支架转动中心线的一端为风叶的后缘，所述风叶的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述风叶的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述风叶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；

沿所述风叶的周向，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，所述风叶在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘。

优选地，所述风轮支架包括主体部和设于所述主体部上的多组风叶支撑臂，多组所述风叶支撑臂与多组所述风叶组件一一对应，每组所述风叶支撑臂包括主叶臂和副叶臂，所述主叶臂与所述主体部固定相连且所述主叶臂的长度中心线与所述风轮支架的转动中心线垂直，所述副叶臂与所述主叶臂固定相连；所述主风叶安装在所述主叶臂上，所述副风叶安装在所述副叶臂上。

优选地，所述副叶臂倾斜设于所述主叶臂上，所述副叶臂与所述主叶臂之间具有夹角，所述夹角的开口朝向靠近所述风轮支架转动中心线的一侧。

优选地，每组所述风叶支撑臂包括两个所述主叶臂和两个所述副叶臂，两个所述主叶臂沿上下方向相对设置且间隔开，两个所述副叶臂沿上下方向相对设置且间隔开，所述主风叶的上端与上侧的所述主叶臂相连，下端与下侧的所述主叶臂相连，所述副风叶的上端与上侧的所述副叶臂相连，下端与下侧的所述副叶臂相连。

优选地，所述副叶臂上设有竖向的大质量偏心轴，所述副风叶的靠近所述风轮支架转动中心线的部分与所述偏心轴相连。

优选地，所述主风叶与所述副风叶之间设有连杆。

优选地，所述风轮支架上设有三组绕自身轴线呈120度均匀周向分布的所述风叶组件。

和现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本方案中的风叶组件由主风叶和副风叶组成，主风叶和副风叶均为阻力型叶片，阻力型叶片具有启动力矩大，启动风速低的优点，非常适合在目前的垂直轴风力机上应用；

2、副风叶的外形体积小于主风叶的外形体积，副风叶与主风叶之间具有间隔，且副风叶的翼弦线与主风叶的翼弦线形成夹角α，由此，气流扫过主风叶后还可以对副风叶产生作用，气流的入口大出口小，在副风叶区的风压会增大，能够以较大范围的攻角的气流来作用风力机，且边界层对副风叶的重新供能而延迟了气流在主风叶上的失速，从而可以提高对风能的梯级利用，有效提高对风能的利用效率，实现低风速启动；

3、本方案中的风叶组件为多个，每个风叶组件均包括主风叶和副风叶，与传统风轮相比，叶片数量更多，可以增加迎风的表面积，提高风能利用率；

4、本方案中的副风叶与主风叶之间是具有夹角的，二者是非对称结构，因此，不仅使得风力机能够在更低的风速条件下启动发电，并且提高了传统低风速风力发电机的风能利用率和发电效率，有利于提高垂直轴风力机的自启动性能。

5、副风叶的叶轴采用大质量的质心轴，且偏移设置重心向一侧偏转有利于启动，而质心轴靠近风轮的转动轴可以抵消离心力。

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是本实用新型的立体图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型的风叶组件的示意图；

图4是本实用新型的分解图；

图5是本实用新型的海豚型风叶的立体图；

图6是本实用新型的海豚型风叶的主视图；

图7是本实用新型的海豚型风叶的坐标示意图。

附图标记如下：

1、风轮支架；11、主体部；12、风叶支撑臂；121、主叶臂；122、副叶臂；123、偏心轴；2、风叶组件；21、主风叶；22、副风叶；23、连杆；3、前缘；4、后缘；5、吸力面；6、压力面。

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所示的一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，包括风轮支架1和风叶组件2。

如图1和图2所示，风轮支架1上设有多组风叶组件2，多组风叶组件2绕风轮支架1的转动中心线呈中心对称的间隔排布。

本方案中的风叶组件2共有三组，而且三组风叶组件2绕风轮支架1的转动中心线呈120度均匀周向分布。

风叶组件2包括主风叶21和副风叶22，主风叶21和副风叶22均为阻力型叶片，阻力型叶片具有启动力矩大，启动风速低的优点，非常适合在目前的垂直轴风力机上应用。

副风叶22位于主风叶21沿风叶组件2转动方向的一侧，以图2所示的视角为例，由于风叶组件2是呈圆周转动的，可以顺时针转动，也可以逆时针转动，因此在实际应用中，副风叶22可以位于主风叶21沿风叶组件2转动方向两侧中的任何一侧。

副风叶22的外形体积小于主风叶21的外形体积，即本方案中的主风叶21是大风叶，副风叶22是小风叶，参照图3，二者的比例可为所述副风叶22的翼弦线的长度L1与所述主风叶21的翼弦线的长度L2比值为1:1.5，这种比例下的主副风叶22的尺寸比较合适。

副风叶22与主风叶21之间需要具有间隔，且副风叶22的翼弦线与主风叶21的翼弦线形成夹角α，夹角α的开口朝向远离风轮支架1转动中心线的一侧，夹角α的角度为30度≤α≤60度。

这样设置后，可以提高风能的梯级利用，由于边界层对副风叶22的重新供能而延迟了气流在主风叶21上的失速，所述边界层是与主副叶片的表面相邻的气流层；副风叶22小于主风叶21且呈一定夹角，气流扫过主风叶21后还可以对副风叶22产生作用，而且夹角α的开口朝向远离风轮支架1转动中心线的一侧，这样气流的入口大出口小，在副风叶22区的风压会增大，能够以较大范围的攻角的气流来作用风力机，所述攻角指的是叶片的弦线和冲击叶片的进入气流的方向之间的角度。

在实际应用中，主风叶21与副风叶22可采用相同的翼型形状，比如主风叶21和副风叶22采用仿生学设计，两个风叶的横截面翼型为具有流线形状的海豚型，主风叶21和副风叶22的远离风轮支架1转动中心线的一端为风叶的前缘3，靠近风轮支架1转动中心线的一端为风叶的后缘4，风叶的前缘3收缩变细形成海豚尾部，风叶的后缘4逐步增厚形成海豚头部，风叶的厚度方向的一侧表面为吸力面5，另一侧表面为压力面6，吸力面5向外凸出形成海豚腹部，压力面6向内凹陷形成海豚背部。

风叶的前缘3指风叶前方最先遇到气流的迎风部分，后缘4则是指风叶后方的那一部分。风叶的吸力面5，指流体由于压力减少而冲击叶片的那个表面，压力面6是指压力增大，风叶施压于流体的那个表面。

沿风叶的周向，吸力面5与后缘4接合，后缘4与压力面6接合，压力面6与前缘3接合，前缘3与吸力面5接合；以前缘3点到后缘4点的连线为翼弦，以吸力面5垂直于翼弦的方向为竖直方向，风叶在竖直方向上的厚度最大处在后缘4。

也就是说，该叶片由凹陷的压力面6和凸出的后缘4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3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3分离泡行为的诸多因素中，前缘3几何形状是升力系数的重要参数，前缘3形状对前缘3流动、分离和转捩及以后的边界层发展有很大的影响；由于风力机叶片前缘3半径比较大，后缘4半径比较小，翼弦方向与风速的方向平行并且翼型前缘3迎风，该翼型是获得良好性能的符合空气动力学规律的翼型。

本风叶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。

具体而言，如图6和图7所示，以翼弦长度为标度建立以下相对坐标系：

以前缘3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5的直线为y轴，x轴朝向后缘4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风叶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，风叶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，即如果风叶的实际尺寸比较大，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风叶翼型横截面形状吻合，如果风叶的实际尺寸比较小，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风叶翼型横截面形状吻合。

实际应用中，在从外到内的方向上，风叶具有外层、中间层和内层，外层为碳纤维、玻璃纤维等高强纤维增强的树脂基复合材料，中间层为梯度复合材料，内层为低密度泡沫夹芯材料，在增加风叶强度的同时，降低风叶的结构重量，有利于提高风能利用效率。

进一步地，风叶的翼型质心在后缘4，且在靠近转动主轴轴心的方向上，风叶的转动惯量增加。

本实施例中，如图1、图2和图4所示，风轮支架1包括主体部11和设于主体部11上的多组风叶支撑臂12，多组风叶支撑臂12与多组风叶组件2一一对应，每组风叶支撑臂12包括主叶臂121和副叶臂122，主叶臂121与主体部11固定相连且主叶臂121的长度中心线与风轮支架1的转动中心线垂直，副叶臂122与主叶臂121固定相连，主风叶21安装在主叶臂121上，副风叶22安装在副叶臂122上，由此便于主风叶21和副风叶22的安装。

其中，副叶臂122倾斜设于主叶臂121上，副叶臂122与主叶臂121之间具有夹角，夹角的开口朝向靠近风轮支架1转动中心线的一侧，这样当副风叶22安装到副叶臂122上时，便于使得副风叶22形成倾斜的状态。

本实施例中，如图4所示，每组风叶支撑臂12包括两个主叶臂121和两个副叶臂122，两个主叶臂121沿上下方向相对设置且间隔开，两个副叶臂122沿上下方向相对设置且间隔开，主风叶21的上端与上侧的主叶臂121相连，下端与下侧的主叶臂121相连，副风叶22的上端与上侧的副叶臂122相连，下端与下侧的副叶臂122相连，由此可使得主叶臂121和副叶臂122的安装更加稳定牢靠

进一步地，如图4所示，主风叶21与副风叶22之间设有连杆23，连杆23的设置可使得主风叶21与副风叶22能连接成一体，整体更加牢靠稳固。

本实施例中，如图4所示，副叶臂122上设有竖向的大质量偏心轴123，副风叶22的靠近风轮支架1转动中心线的部分与偏心轴123相连，由此，重心向一侧偏转有利于启动，而质心轴靠近风轮的转动轴可以抵消离心力。

综上所述，本结构具有以下特点：

1、本方案中的风叶组件2由主风叶21和副风叶22组成，主风叶21和副风叶22均为阻力型叶片，阻力型叶片具有启动力矩大，启动风速低的优点，非常适合在目前的垂直轴风力机上应用；

2、副风叶22的外形体积小于主风叶21的外形体积，副风叶22与主风叶21之间具有间隔，且副风叶22的翼弦线与主风叶21的翼弦线形成夹角α，由此，气流扫过主风叶21后还可以对副风叶22产生作用，气流的入口大出口小，在副风叶22区的风压会增大，能够以较大范围的攻角的气流来作用风力机，且边界层对副风叶22的重新供能而延迟了气流在主风叶21上的失速，从而可以提高对风能的梯级利用，有效提高对风能的利用效率，实现低风速启动；

3、本方案中的风叶组件2为多个，每个风叶组件2均包括主风叶21和副风叶22，与传统风轮相比，叶片数量更多，可以增加迎风的表面积，提高风能利用率；

4、本方案中的副风叶22与主风叶21之间是具有夹角的，二者是非对称结构，因此，不仅使得风力机能够在更低的风速条件下启动发电，并且提高了传统低风速风力发电机的风能利用率和发电效率，有利于提高垂直轴风力机的自启动性能。

5、副风叶22的叶轴采用大质量的质心轴，且偏移设置重心向一侧偏转有利于启动，而质心轴靠近风轮的转动轴可以抵消离心力。

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 (9)

1.一种具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，包括风轮支架和风叶组件；

所述风轮支架上设有多组所述风叶组件，多组所述风叶组件绕所述风轮支架的转动中心线呈中心对称的间隔排布；

所述风叶组件包括主风叶和副风叶，所述主风叶和所述副风叶均为阻力型叶片，所述副风叶位于所述主风叶沿所述风叶组件转动方向的一侧，所述副风叶的外形体积小于所述主风叶的外形体积，所述副风叶与所述主风叶之间具有间隔，所述副风叶的翼弦线与所述主风叶的翼弦线形成夹角α，所述夹角α的开口朝向远离所述风轮支架转动中心线的一侧，所述夹角α的角度为30度≤α≤60度。

2.根据权利要求1所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述副风叶的翼弦线的长度与所述主风叶的翼弦线的长度比值为1:1.5。

3.根据权利要求1所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，

所述主风叶和副风叶的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述主风叶和副风叶的远离所述风轮支架转动中心线的一端为风叶的前缘，靠近所述风轮支架转动中心线的一端为风叶的后缘，所述风叶的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述风叶的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述风叶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；

沿所述风叶的周向，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，所述风叶在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘。

4.根据权利要求1所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述风轮支架包括主体部和设于所述主体部上的多组风叶支撑臂，多组所述风叶支撑臂与多组所述风叶组件一一对应，每组所述风叶支撑臂包括主叶臂和副叶臂，所述主叶臂与所述主体部固定相连且所述主叶臂的长度中心线与所述风轮支架的转动中心线垂直，所述副叶臂与所述主叶臂固定相连；

所述主风叶安装在所述主叶臂上，所述副风叶安装在所述副叶臂上。

5.根据权利要求4所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述副叶臂倾斜设于所述主叶臂上，所述副叶臂与所述主叶臂之间具有夹角，所述夹角的开口朝向靠近所述风轮支架转动中心线的一侧。

6.根据权利要求4所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，每组所述风叶支撑臂包括两个所述主叶臂和两个所述副叶臂，两个所述主叶臂沿上下方向相对设置且间隔开，两个所述副叶臂沿上下方向相对设置且间隔开，所述主风叶的上端与上侧的所述主叶臂相连，下端与下侧的所述主叶臂相连，所述副风叶的上端与上侧的所述副叶臂相连，下端与下侧的所述副叶臂相连。

7.根据权利要求4所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述副叶臂上设有竖向的大质量偏心轴，所述副风叶的靠近所述风轮支架转动中心线的部分与所述偏心轴相连。

8.根据权利要求1所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述主风叶与所述副风叶之间设有连杆。

9.根据权利要求1所述的具有主副阻力型叶片的垂直轴风力机风叶组，其特征在于，所述风轮支架上设有三组绕自身轴线呈120度均匀周向分布的所述风叶组件。

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