WO2017097229A1 - 高效利用低速流体的叶片及其应用 - Google Patents

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李锋
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李亦博
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    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the second sheet member further includes an upper portion coupled to one end of the middle portion, and the other end of the upper portion is coupled or attached to the concave surface of the first sheet member.
  • the lower section of the second sheet member is connected to the first sheet member by a second connecting member, and the second connecting member is connected to the second sheet member and the first sheet member. A smooth transition.
  • the first sheet member is integrally formed with the second sheet member to which it is attached.
  • the fifth sheet member is attached to an end of the head wing member with an extension portion, the extension portion being disposed along a lower contour of the second airfoil.
  • the invention improves the blade structure of the blade so that the Cp value of the blade of the invention is much higher than the single wing blade at an average wind speed of 2-13 m/s, and is not lower than the multi-wing collecting blade of the same outer contour, the blade performance Guaranteed;
  • the use of sheet-like parts instead of the original fins can transform the original blade airfoil into a sheet-like part, which not only reduces the manufacturing mold, but also reduces the size, processing difficulty and cost of the mold.
  • It is also possible to apply a high-efficiency molding process such as rolling, stamping, extrusion, etc., thereby significantly reducing the manufacturing cost of the blade, which can be reduced by 20-50% (the larger the stand-alone capacity, the greater the reduction).
  • the blades of the present invention can be manufactured in parts, which makes it possible to assemble the blades at the wind turbine installation site, thereby greatly reducing the transportation cost of the large and medium blades.
  • FIG. 1a to 1c are schematic structural views of a first embodiment of a blade for efficiently utilizing low-speed fluid according to the present invention
  • FIG. 9 is a schematic structural view of a ninth embodiment of a blade for efficiently utilizing low-speed fluid according to the present invention.
  • 10a to 10c are schematic structural views of a tenth embodiment of a blade for efficiently utilizing low-speed fluid according to the present invention
  • FIG. 12 is a schematic view showing an outer contour envelope, a suction surface S up , and a pressure surface S low on a blade section of the present invention for efficiently utilizing low-speed fluid;
  • 15a to 15b are schematic views of the blade profile of the embodiment shown in Fig. 3a according to the X, Y airfoil specifications;
  • the blade of the present invention is represented by the general formula FW(n+m)nm, wherein n represents the number of wing members in the form of a sheet (including: a head piece having an arc-shaped sheet shape, a curved structure, a double-piece single-angular structure) , like "S"-shaped structure, the middle wing of a "C”-shaped structure), m represents the number of wing members in the form of a curved body or a solid block (including: the use of a " ⁇ "-like structure, the middle of the airfoil-like structure Wings, airfoil structure, "duck mouth” structure, tail flaps of "upturned duckbill” structure, solid block-shaped middle/tail wing), (n+m) is the sum of n and m values .
  • the blade represented by FW(1+m)1B is composed of one sheet-like wing member C1 and m curved body members B, and the middle wing member adopts a curved body B like a " ⁇ "-shaped structure, and There is logical recursion in the configuration, FW31B shown in Fig. 6a, Fig. 6b, Fig. 6d, Fig. 6h, Fig. 61, Fig. 8a, Fig. 5a, Fig. 6e, Fig. 6f, Fig. 6g, Fig. 6i, Fig. 6j, Fig. 6W, Fig. 6m, Fig. 6n, Fig. 6o, Fig. 8b, Fig. 8c, Fig. 8d, FW41B, FW51B and FW61B are the actuals of such blades. example.
  • Fig. 14 shows a suction surface S up and a pressure surface S low indicated by a broken line at the leading edge point a and the trailing edge point b of the FW211, FW4S1, FW312, and FW41B blades of the present invention.
  • the convex surface of the head wing member, the partial upper contour of the main wing member, the outer contour of the trailing edge point and the lower contour are in a second airfoil shape, and the leading edge point of the second airfoil is located on the convex contour of the head wing member.
  • the contour surface formed by the upper contour of the second airfoil is the suction surface of the blade, and the contour surface formed by the lower contour is the pressure surface of the blade.
  • the lower portion of the second sheet member extends toward the head wing member to form a middle wing member similar to the "S" shape
  • the middle wing member includes at least two first sheet members, and at least two first sheet members are sequentially Arranged between the head wing member and the tail wing member, the second sheet member is coupled to the first sheet member adjacent the tail wing member.
  • first connecting members N9, N11 and N13 between the middle portion of the second sheet member and the concave surface of the first sheet member.
  • the seventh group of embodiments is similar to the sixth group of embodiments. As shown in Figs. 7a to 7c, the middle and upper sections of the second sheet member have a continuous curved section, and the middle and upper sections of the second sheet member.
  • the curved convex surface faces the concave surface of the first sheet member to form a middle wing member of the airfoil-like structure.
  • the tail flaps are of solid construction.
  • the twelfth set of embodiments is evolved on the basis of the eleventh set of embodiments, as shown in Fig. 11a, the difference being that the end of the fifth piece E4 adjacent to the head wing is connected with an extension R1, the extension Along the lower profile of the second airfoil, the end of the fourth flap E3 adjacent to the head flap is joined with a fitting section R2 that conforms to the extension to form a "duck-billed" type structure.
  • FIG. 18 is a comparison diagram of each graph of FIG. 18.
  • the six kinds of blades are respectively: three kinds of FW41BL, FW31BL, FW312L blades of the present invention designed with one LF airfoil as the outer contour of the blade, and a three-wing collecting blade G3d2L as the above four blade outer contour specifications.
  • the blades of the present invention Not less than G3d2L blades, but the cost of the blades of the present invention is reduced by at least 20% compared to collector blades such as G3d2L, and the cost performance is higher.
  • the invention effectively utilizes a method for manufacturing a blade of a low-speed fluid, and the approximate process includes:
  • the sheet member is used to form a head wing member, a middle wing member or a tail wing member.

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Abstract

一种高效利用低速流体的叶片，包括主翼构件（A2、D2、K2），主翼构件具有流线型截面，截面的外轮廓呈第一翼型，其中叶片还包括头部翼件（C1），头部翼件为片状，头部翼件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，头部翼件设置于主翼构件前缘点的斜上侧，头部翼件的凹面朝向主翼构件，头部翼件与主翼构件之间具有第一通气空间（T1）。通过改进叶片的翼件构造，使所述叶片的Cp值在平均风速2-13m/s条件下远高于单翼叶片，叶片性能有保证；采用片状件替代原先的翼片，可将原先叶片翼型的成型转化为片状件的成型，这样既将制造模具化整为零，减少了模具的尺度、加工难度和成本，从而显著降低叶片的制造成本，具体可降低20-50％。

Description

高效利用低速流体的叶片及其应用
相关申请
本发明申请要求2015年12月10日申请的，申请号为201510907637.3，名称为“高效利用低速流体的叶片及其制造方法”的中国专利申请的优先权，和2016年9月22日申请的，申请号为201610842522.5，名称为“高效利用低速流体的叶片及其制造方法”的中国专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种流体动力设备中的叶片，特别是涉及一种高效利用低速流体的叶片及其应用。
背景技术
据申请人所知，叶片的风能利用系数(表示为Cp，又称风能利用效率)是其最主要的性能参数；叶片的Cp与空气流过叶片时其产生的升力/阻力比值(升阻比)有关，而升阻比由构造翼型流线型的形状确定，因此叶片的Cp性能由其构成的翼型形状确定。提高叶片的Cp是研发高性能风电技术中最根本的技术。
现在市场上所见升力型风力发电产品的叶片均由单翼片构成，单翼叶片存在的问题是低风速性能欠佳，推力型(又称阻力型)叶片存在的问题是Cp低。提高风力机的低风速性能是降低风力发电成本的关键因素之一。
发明内容
基于此，有必要针对目前的风力发电产品的叶片所存在的低风速下性能欠佳的问题，提供一种能够提高低风速下风能利用效率，性价比高的叶片，同时还提供了该叶片在流体动力设备中的应用。
上述目的通过下述技术方案实现：
一种高效利用低速流体的叶片，包括主翼构件，所述主翼构件具有流线型截面，所述截面的外轮廓呈第一翼型，其中所述叶片还包括头部翼件，所述头部翼件为片状，头部翼件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，所述头部翼件设置于主翼构件前缘点的斜上侧， 头部翼件的凹面朝向主翼构件，头部翼件与主翼构件之间具有第一通气空间。
在其中一个实施例中，所述头部翼件的凸面、主翼构件的部分上轮廓、后缘点和下轮廓所围成的外轮廓呈第二翼型，所述第二翼型的前缘点位于头部翼件的凸面轮廓上。
在其中一个实施例中，所述头部翼件靠近主翼构件下轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为所述第一通气空间的进气口，所述头部翼件靠近主翼构件上轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为所述第一通气空间的出气口，所述第一通气空间的进气口宽度大于出气口宽度。
在其中一个实施例中，所述第一通气空间出气口的出气方向沿着主翼构件上轮廓对应位置处的切线方向。
在其中一个实施例中，所述主翼构件包括至少一个中部翼件和一个尾部翼件，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间，相邻的所述中部翼件之间及其与尾部翼件之间分别设置有连通第二翼型上轮廓与下轮廓之间的第二通气空间，所述第二通气空间靠近第二翼型下轮廓的开口为第二通气空间的进气口，所述第二通气空间靠近第二翼型上轮廓的开口为第二通气空间的出气口，所述第二通气空间的进气口宽度大于出气口宽度。
在其中一个实施例中，所述第二通气空间出气口的出气方向沿着后邻中部翼件或尾部翼件上轮廓对应位置处的切线方向。
在其中一个实施例中，至少一个所述中部翼件具有片状部件，至少部分片状部件沿着第二翼型的上轮廓设置。
在其中一个实施例中，所述中部翼件包括第一片状件，所述第一片状件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，所述第一片状件的弧形凸面靠近头部翼件，第一片状件的一端靠近第二翼型的下轮廓，另一端位于第二翼型的上轮廓。
在其中一个实施例中，所述中部翼件还包括第二片状件，所述第二片状件的一端与第一片状件靠近第二翼型下轮廓的一端相连接，第二片状件包括沿着第二翼型的下轮廓设置的下段。
在其中一个实施例中，所述第二片状件的下段朝向头部翼件延伸，所述中部翼件至少为两个，至少两个所述中部翼件依次排列在头部翼件和尾部翼件之间，所述第二片状件与靠近尾部翼件的中部翼件中的第一片状件相连接。
在其中一个实施例中，所述第二片状件的下段朝向尾部翼件延伸。
在其中一个实施例中，所述第一片状件与其相连的第二片状件一体成型，且第一片状件与第二片状件相交处圆滑过渡。
在其中一个实施例中，所述第二片状件还包括与下段一端连接的中段，所述中段朝向与该第二片状件相连接的第一片状件弯折。
在其中一个实施例中，所述第二片状件的下段与中段之间的弯折角为钝角。
在其中一个实施例中，所述第二片状件还包括与中段一端连接的上段，所述上段的另一端与第一片状件的凹面相连接或贴合。
在其中一个实施例中，第二片状件的中段与第一片状件的凹面之间设置有第一连接件。
在其中一个实施例中，所述第二片状件的中段和上段的截面为一个连续的弧形，第二片状件的中段和上段的弧形凸面朝向第一片状件的凹面。
在其中一个实施例中，所述第二片状件的下段通过第二连接件与第一片状件相连接，所述第二连接件与第二片状件和第一片状件的连接处圆滑过渡。
在其中一个实施例中，所述第一片状件与第二片状件的下段连接处圆滑过渡，所述第一片状件与第二片状件的下段连接处的内侧设置有第一加强件。
在其中一个实施例中，所述第一片状件与其相连的第二片状件一体成型。
在其中一个实施例中，所述第一片状件与第二片状件连接形成闭合空腔，所述闭合空腔内设置有填充体。
在其中一个实施例中，所述第一片状件、第二片状件和填充体一体成型形成实心结构的中部翼件。
在其中一个实施例中，所述中部翼件还包括第三片状件，所述第三片状件位于第一片状件的凹面与尾部翼件之间，第三片状件包括下段和上段，所述第三片状件的下段沿着第二翼型的下轮廓设置，所述第三片状件上段连接在下段靠近尾部翼件的一端，且朝向第一片状件弯折。
在其中一个实施例中，所述第三片状件的下段与上段一体成型，且下段与上段的相交处圆滑过渡。
在其中一个实施例中，所述中部翼件包括实心翼构件，所述实心翼构件的截面具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面和沿着第二翼型下轮廓设置的下侧面，所述下侧面分别与实心翼构件的凸面和凹面的下端相接，所述实心翼构件的凸面和凹面的上端相接，实心翼构件的凸面至少部分沿着第二翼型的上轮廓设置。
在其中一个实施例中，所述实心翼构件的下侧面与凸面和凹面相接处圆滑过渡。
在其中一个实施例中，所述尾部翼件具有流线型截面，所述截面的外轮廓呈第三翼型， 至少部分所述第三翼型的下轮廓沿着第二翼型的下轮廓设置，至少部分所述第三翼型的上轮廓沿着第二翼型的上轮廓设置，所述第三翼型的后缘点与第二翼型的后缘点重合。
在其中一个实施例中，所述尾部翼件为实心结构。
在其中一个实施例中，所述尾部翼件包括沿其上轮廓设置的第四片状件和沿其下轮廓设置的第五片状件，所述第四片状件的两端分别与第五片状件的两端相连接。
在其中一个实施例中，所述第四片状件的两端分别通过第三连接件和第四连接件与第五片状件的两端相连接。
在其中一个实施例中，所述第四片状件和第五片状件之间设置有至少一个第二加强件。
在其中一个实施例中，所述第四片状件和第五片状件一体成型。
在其中一个实施例中，所述第五片状件靠近头部翼件的一端连接有延伸段，所述延伸段沿着第二翼型的下轮廓设置。
在其中一个实施例中，所述第四片状件靠近头部翼件的一端连接有与所述延伸段相贴合的贴合段。
在其中一个实施例中，所述贴合段和第四片状件一体成型。
在其中一个实施例中，所述延伸段靠近头部翼件的一端连接有朝向第二翼型的上轮廓弯折的弯折段。
在其中一个实施例中，所述弯折段、延伸段和第五片状件一体成型。
在其中一个实施例中，所述第四片状件和第五片状件一体成型。
本发明还提供了一种高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；其中所述翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。
本发明还提供了一种任一上述高效利用低速流体的叶片作为垂直轴风力机叶片、利用潮汐流发电的垂直轴水力机叶片、水平轴风力机叶片、水轮机叶片、汽轮机叶片或推进器叶片的应用。
本发明的有益效果是：
本发明通过改进叶片的翼件构造，使本发明叶片的Cp值在平均风速2-13m/s条件下远高于单翼叶片，且不低于相同外轮廓的多翼集流叶片，叶片性能有保证；采用片状件替代原先的翼片，可将原先叶片翼型的成型转化为片状件的成型，这样既将制造模具化整为零，减少了模具的尺度、加工难度和成本，还可应用辊轧、冲压、挤压等高效成型的制造工艺，从而显著降低叶片的制造成本，具体可降低20-50％(单机容量越大则降低幅度越大)。此外，本发明叶片可以分件制造，这使在风力机安置现场组装叶片成为可能，从而大幅降低大中型叶片的运输成本。
附图说明
图1a至图1c为本发明高效利用低速流体的叶片第一组实施例的结构示意图；
图2为本发明高效利用低速流体的叶片第二组实施例的结构示意图；
图3a至图3b为本发明高效利用低速流体的叶片第三组实施例的结构示意图；
图4为本发明高效利用低速流体的叶片第四组实施例的结构示意图；
图5为本发明高效利用低速流体的叶片第五组实施例的结构示意图；
图6a至图6o为本发明高效利用低速流体的叶片第六组实施例的结构示意图；
图7a至图7c为本发明高效利用低速流体的叶片第七组实施例的结构示意图；
图8a至图8d为本发明高效利用低速流体的叶片第八组实施例的结构示意图；
图9为本发明高效利用低速流体的叶片第九组实施例的结构示意图；
图10a至图10c为本发明高效利用低速流体的叶片第十组实施例的结构示意图；
图11为本发明高效利用低速流体的叶片第十二组实施例的结构示意图；
图12为本发明高效利用低速流体的叶片截面上的外轮廓包络线、吸力面Sup、压力面Slow示意图；
图13为本发明高效利用低速流体的叶片截面上的第一通气空间和第二通气空间示意图；
图14为本发明高效利用低速流体的叶片四种不同构造的叶片截面上的外轮廓包络线、吸力面Sup、压力面Slow示意图；
图15a至图15b为图3a所示的实施例叶片截面按X、Y翼型规范设计叶片外轮廓的示意图；
图16a至图16d为本发明高效利用低速流体的叶片四个实施例的立体示意图；
图17为本发明高效利用低速流体的叶片四种应用方式示意图；
图18为对本发明三种实施例的叶片、一种三翼集流叶片和两种单翼型叶片的功率测试图；
图19为图18所示的六种叶片的功率比较示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了便于具体实施方式的描述，先对本发明叶片代号表述的含义进行说明，以便理解图示和描述叶片的一些相关术语和参量在本发明叶片上如何体现和量度。本发明叶片由通式FW(n+m)nm表示，其中n表示呈片状的翼构件数量(包括：呈弧形片状的头部翼件，采用弧形结构、双片单折角形结构、似“S”形结构、似“C”形结构的中部翼件)，m表示呈曲面体或实心块状的翼构件数量(包括：采用似“σ”形结构、类翼型结构的中部翼件，采用翼型结构、“鸭嘴”结构、“上翘鸭嘴”结构的尾部翼件，呈实心块状的中部/尾部翼件)，(n+m)为n与m数值之和。此外，若要表示叶片外轮廓有具体规范翼型，则在上述通式后加上表示参照翼型的字母，如FW(n+m)nmL表示规范翼型是LF系翼型、FW(n+m)nmN表示规范翼型是NACA系翼型。
本发明叶片中，有些叶片的翼构件在构形上有逻辑性递推关系，这样的叶片可分为三类，针对各类的特点其表示式相应要反映各类的特点：在FW(n+m)nm中，当一类叶片的m或n为定数时，(n+m)数减这个定数能反映出构形上有逻辑递推性部件的数而无需再由具体数值来表示n或m，则可用一个字母原位替代n或m表示该种部件构形上有逻辑递推性。
具体而言，FW(1+m)1B表示的叶片由1个片状翼构件C1和m个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“σ”形结构的曲面体B，并在构形上有逻辑递推性，图6a、图6b、图6d、图6h、图6l、图8a所示的FW31B，图5a、图6e图6f、图6g、图6i、图6j、图6k、图6m、图6n、图6o、图8b、图8c、图8d依次所示的FW41B、FW51B和FW61B是这类叶片的实 例。
FW(n+1)C1表示的叶片由n个片状翼构件C和1个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“C”形结构的片状翼构件C，并在构形上有逻辑递推性，图4a所示的FW4C1是这类叶片的实例。
FW(n+1)S1表示的叶片由n个片状翼构件C和1个曲面体翼构件B组成，且中部翼件采用了似“S”形结构的片状翼构件C，并在构形上有逻辑递推性，图3a和图3b依次所示的FW4S1和FW5S1是这类叶片的实施例。
若以所述n和m对应表示的部件数来分类叶片的应用容量，则1≤n≤3、1≤m≤3的叶片适于微、小型风力机，1≤n≤8、1≤m≤8的叶片适于小、中型风力机，1≤n≤18、1≤m≤18的叶片适于中、大型风力机，1≤n≤30、1≤m≤30的叶片适于大型风力机。
图12所示的虚线是一种叶片外轮廓的包络线，它以叶片的前缘点a和后缘点b为界形成这种叶片的吸力面(上表面)Sup和压力面(下表面)Slow并在图的上、下部分对应分开示出，a与b之间的距离ξ表示叶片的翼弦长度(简称弦长)。
图14示出本发明FW211、FW4S1、FW312、FW41B叶片以前缘点a和后缘点b为界形成虚线所示的吸力面Sup和压力面Slow。
第一组实施例
如图1a-图1c所示，本发明高效利用低速流体的叶片，包括主翼构件A2、D2、K2，主翼构件具有流线型截面，截面的外轮廓呈第一翼型，叶片还包括头部翼件C1，头部翼件为片状，头部翼件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，头部翼件设置于主翼构件前缘点的斜上侧，头部翼件的凹面朝向主翼构件，头部翼件与主翼构件之间具有第一通气空间T1。
头部翼件的凸面、主翼构件的部分上轮廓、后缘点和下轮廓所围成的外轮廓呈第二翼型，第二翼型的前缘点位于头部翼件的凸面轮廓上。第二翼型上轮廓形成的轮廓面为叶片的吸力面，下轮廓形成的轮廓面为叶片的压力面。
进一步的，头部翼件靠近主翼构件下轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为第一通气空间的进气口，头部翼件靠近主翼构件上轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为第一通气空间的出气口，第一通气空间的进气口宽度大于出气口宽度。
第二组实施例
当本发明叶片应用于较大容量的流体动力设备(风力机)中时，单翼形成的主翼构件并不能满足需求，主翼构件还包括至少一个中部翼件和一个尾部翼件，中部翼件位于头部翼件 和尾部翼件之间，相邻的中部翼件之间及其与尾部翼件之间分别设置有连通第二翼型上轮廓与下轮廓之间的第二通气空间T2，第二通气空间靠近第二翼型下轮廓的开口为第二通气空间的进气口，第二通气空间靠近第二翼型上轮廓的开口为第二通气空间的出气口。
如图13所示，在叶片截面中，第一通气空间和第二通气空间的进气口位于叶片的第二翼型下轮廓所在侧、出气口位于叶片的第二翼型上轮廓所在侧，且进气口宽度gen大于出气口宽度gex。第一通气空间和第二通气空间靠近吸力面(第二翼型上轮廓)的部分沿气流方向逐渐收窄。第一通气空间出气口的出气方向沿着主翼构件上轮廓对应位置处的切线方向；第二通气空间出气口的出气方向沿着后邻中部翼件或尾部翼件上轮廓对应位置处的切线方向。
优选的，至少一个中部翼件具有片状部件，至少部分片状部件沿着第二翼型的上轮廓设置。
如图2a所示，中部翼件C2包括一个第一片状件P1，第一片状件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，第一片状件的弧形凸面靠近头部翼件，第一片状件的一端靠近第二翼型的下轮廓，另一端位于第二翼型的上轮廓。
第三组实施例
第三组实施例是在第二组实施例基础上通过变形获得，如图3a和图3b所示，中部翼件C3、C4还包括至少一个第二片状件，第二片状件的一端与第一片状件靠近第二翼型下轮廓的一端相连接，第二片状件包括沿着第二翼型的下轮廓设置的下段P2。
具体的，第二片状件的下段朝向头部翼件延伸，形成类似“S”型的中部翼件，中部翼件包括至少两个第一片状件，至少两个第一片状件依次排列在头部翼件和尾部翼件之间，第二片状件与靠近尾部翼件的第一片状件相连接。
第四组实施例
第四组实施例与第三组实施例有所区别，如图4a所示，其中第二片状件的下段朝向尾部翼件延伸，形成类似“C”型的中部翼件。
为了便于加工，第三组实施例和第四组实施例中的第一片状件与其相连的第二片状件一体成型，且第一片状件与第二片状件相交处圆滑过渡。
第五组实施例
第五组实施例是在第四组实施例基础上通过进一步变形获得，如图5所示，第二片状件还包括与下段一端连接的中段P3，中段朝向与该第二片状件相连接的第一片状件弯折，第二片状件的下段与中段之间的弯折角为钝角。
第六组实施例
为了提高中部翼件的强度，在第五组实施例基础上进行变形可以获得第六组实施例，如图6a至图6o所示，第二片状件还包括与中段P3一端连接的上段P4，上段的另一端与第一片状件P1的凹面相连接或贴合，形成类似“σ”型的中部翼件。
为了进一步提高中部翼件的强度，如图5和图6h所示，还可以在第二片状件的中段与第一片状件的凹面之间设置第一连接件N9、N11和N13。
优选的，如图6b和图6c所示，第二片状件的下段通过第二连接件L2与第一片状件相连接，第二连接件与第二片状件和第一片状件的连接处圆滑过渡。
另一种优选的方案，如图5a和图6d所示，第一片状件与第二片状件的下段连接处圆滑过渡，第一片状件与第二片状件的下段连接处的内侧设置有第一加强件N8、N6。
第七组实施例
第七组实施例与第六组实施例类似，如图7a至图7c所示，第二片状件的中段和上段的截面为一个连续的弧形，第二片状件的中段和上段的弧形凸面朝向第一片状件的凹面，形成类翼型结构的中部翼件。
为了便于加工，降低加工成本，可以将第一片状件与其相连的第二片状件一体加工成型，形成空心的中部翼件，如图6h至图6o和图7b所示，其中图6h至图6k和图7b所示的中部翼件采用挤压成型方法制造而成；图6l至图6o所示的中部翼件采用钣金加压力成型方法对单个片状件加工而成。
第八组实施例
第八组实施例与第七组实施例的区别在于，第八组实施例的中部翼件采用实心结构，即在第一片状件与第二片状件连接形成的闭合空腔内设置有填充体。
如图8a至8d所示，第一片状件、第二片状件和填充体一体成型形成实心结构的中部翼件。
第九组实施例
第九组实施例是在第二组实施例基础上演变而成，如图9所示，中部翼件还包括第三片状件C3，第三片状件位于第一片状件C2的凹面与尾部翼件A4之间，第三片状件包括下段Q1和上段Q2，第三片状件的下段沿着第二翼型的下轮廓设置，第三片状件上段连接在下段靠近尾部翼件的一端，且朝向第一片状件弯折，形成“双片单折角形”结构的中部翼件。
优选的，第三片状件的下段与上段一体成型，且下段与上段的相交处圆滑过渡。
第十组实施例
中部翼件除了上述几组实施例中公开的片状件之外，中部翼件还包括至少一个实心翼构件，如图10a至图10c所示，实心翼构件的截面具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面和沿着第二翼型下轮廓设置的下侧面，下侧面分别与实心翼构件的凸面和凹面的下端相接，实心翼构件的凸面和凹面的上端相接，实心翼构件的凸面至少部分沿着第二翼型的上轮廓设置。
优选的，实心翼构件的下侧面与凸面和凹面相接处圆滑过渡。
第十一组实施例
主翼构件中的尾部翼件也具有多种形式，尾部翼件具有流线型截面，截面的外轮廓呈第三翼型，至少部分第三翼型的下轮廓沿着第二翼型的下轮廓设置，至少部分第三翼型的上轮廓沿着第二翼型的上轮廓设置，第三翼型的后缘点与第二翼型的后缘点重合。
如图1a、图2a、图6c、图8a至图8d、图9、图10a至图10c所示，尾部翼件为实心结构。
如图3a、图3b、图4a、图6e至图6g所示，尾部翼件包括沿其上轮廓设置的第四片状件和沿其下轮廓设置的第五片状件，第四片状件的两端分别与第五片状件的两端相连接。
如图6b所示，第四片状件E6的两端分别通过第三连接件L5和第四连接件L8与第五片状件E7的两端相连接。
如图6a和图6h所示，为了提高尾部翼件的强度，第四片状件和第五片状件之间设置有至少一个第二加强件N4、N5，其中图6h所示的尾部翼件中的第二加强件N5为多个，分布在尾部翼件的前、中、后段内。
第十二组实施例
第十二组实施例是在第十一组实施例基础上演变而成，如图11a所示，其区别在于第五片状件E4靠近头部翼件的一端连接有延伸段R1，延伸段沿着第二翼型的下轮廓设置，第四片状件E3靠近头部翼件的一端连接有与延伸段相贴合的贴合段R2，形成类似“鸭嘴”型结构。
优选的，贴合段和第四片状件一体成型。
如图7a和图7c所示，延伸段靠近头部翼件的一端连接有朝向第二翼型的上轮廓弯折的弯折段R3，形成类似“上翘鸭嘴”型结构。
如图7b所示，弯折段、延伸段和第五片状件一体成型。
如图1b、图1c、图5a、图6d、图6h至图6o、图7b、图7c所示，第四片状件和第五片 状件一体成型，类似于中部翼件的加工方法，尾部翼件也可以采用挤压成型或钣金加压力成型方法制造而成。
如图15a和图15b所示，本发明叶片的第二翼型外轮廓分别采用X翼型规范和Y翼型规范设计而成，叶片与翼型两者的前缘点a重合，而两者的后缘点b不重合，原因是叶片的后缘实际上做不到(没必要)像翼型的那样尖。
如图16a至图16d所示，依次为图3a的FW4S1叶片、图6f的FW41B叶片、图6e的FW31B叶片、图10a的FW312叶片的三维示意图，本发明叶片可以通过外部框架(图中未示出)将头部翼件、中部翼件和尾部翼件相对固定形成。
如图17所示，本实施例以三叶片风轮为例，可以四种形式在风轮上应用本发明叶片，其中三种是垂直轴的H型、Φ型和螺旋型，叶片弦长沿展向是不变的；一种是水平轴的，叶片弦长沿风轮半径向外是逐渐变小的，O表示风轮旋转轴线。
除此之外，本发明叶片还可以作为水轮机叶片、汽轮机叶片或推进器叶片使用，特别是利用潮汐流发电的垂直轴水力机叶片。
为了验证本发明高效利用低速流体的叶片的技术效果，分别将六种叶片安装在垂直轴的H型风轮上，测量的功率随风速变化值，并拟合出功率曲线，各叶片的曲线图如图18所示，图19为图18中各曲线图的比较图。其中六种叶片分别为：以一种LF翼型为叶片外轮廓规范翼型设计的三种本发明FW41BL、FW31BL、FW312L叶片，一种三翼集流叶片G3d2L，作为前述四种叶片外轮廓规范翼型的LF翼型叶片，具有与前述LF翼型相同翼型参数c、xc和t的NACA翼型叶片。
图18所示结果表明本发明的FW41BL叶片的切入风速Wi是1.5m/s，FW31BL、FW312L和G3d2L叶片的Wi是2m/s，而LF叶片和NACA叶片的Wi依次是3.5m/s和4m/s。
图19所示的比较结果可见，功率曲线按从大到小的顺序列出依次是FW41BL叶片、G3d2L叶片、FW312L叶片、FW31BL叶片、LF叶片、NACA叶片。
表1列出从这六种叶片安装在同一种高效风轮上测得在风速Wi-13m/s范围的风能利用系数Cp随风速变化的平均值
Figure PCTCN2016109064-appb-000001
切入风速Wi和在Wi风速时的从起转至达到平衡转速的加速时长T。
表1、六种叶片在同一种高效风轮上测量所得的Cp随风速变化的平均值
Figure PCTCN2016109064-appb-000002
Figure PCTCN2016109064-appb-000003
除NACA叶片外，其他五种叶片均具有相近的外形或外轮廓形状，具有通气空间的叶片性能均比LF叶片的好，说明通气空间的构形是提高性能的主要因素，它们之间的性能差别主要由通气空间的数量和形状的不同所致；NACA叶片性能最低，说明针对飞行器设计的航空翼型不适合在垂直轴风力机上使用。
总体平均而言，本发明叶片的
Figure PCTCN2016109064-appb-000004
不低于G3d2L叶片，但本发明叶片的成本比G3d2L这类集流叶片要降低至少20％，性价比更高。
本发明高效利用低速流体的叶片的制作方法，大致工艺过程包括：
第一步、选择加工原料；加工原料为具有延展性的轻质金属片材(包括但不限于铝板、铝合金板)、轻质合金非片材材料(包括但不限于铝合金、铝镁合金)、高分子材料(包括但不限于聚碳酸酯、聚氨酯、ABS)、或纤维增强复合材料(包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、卡夫尼克纤维复合材料)。
第二步、针对不同加工原料，采用曲面模具或胎具成型、或者曲面辊轧成型将加工原料制成具有预定形状的片状件；曲面模具或胎具成型包括冲压成型、挤压成型、注压成型、压铸成型、胎模或拓模成型；
具体而言，当加工原料为轻质金属片材时，采用曲面辊轧成型或冲压成型；当加工原料为轻质合金非片材材料或高分子材料时，采用挤压成型、注压成型或压铸成型；当加工原料为纤维增强复合材料时，采用胎模或拓模成型、压铸成型。
第三步、采用制得片状件构成头部翼件、中部翼件或尾部翼件。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (40)

  1. 一种高效利用低速流体的叶片，包括主翼构件，所述主翼构件具有流线型截面，所述截面的外轮廓呈第一翼型，其特征在于，所述叶片还包括头部翼件，所述头部翼件为片状，头部翼件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，所述头部翼件设置于主翼构件前缘点的斜上侧，头部翼件的凹面朝向主翼构件，头部翼件与主翼构件之间具有第一通气空间。
  2. 根据权利要求1所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述头部翼件的凸面、主翼构件的部分上轮廓、后缘点和下轮廓所围成的外轮廓呈第二翼型，所述第二翼型的前缘点位于头部翼件的凸面轮廓上。
  3. 根据权利要求2所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述头部翼件靠近主翼构件下轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为所述第一通气空间的进气口，所述头部翼件靠近主翼构件上轮廓的一端与主翼构件之间的间隙为所述第一通气空间的出气口，所述第一通气空间的进气口宽度大于出气口宽度。
  4. 根据权利要求3所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一通气空间出气口的出气方向沿着主翼构件上轮廓对应位置处的切线方向。
  5. 根据权利要求2至4任一所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述主翼构件包括至少一个中部翼件和一个尾部翼件，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间，相邻的所述中部翼件之间及其与尾部翼件之间分别设置有连通第二翼型上轮廓与下轮廓之间的第二通气空间，所述第二通气空间靠近第二翼型下轮廓的开口为第二通气空间的进气口，所述第二通气空间靠近第二翼型上轮廓的开口为第二通气空间的出气口，所述第二通气空间的进气口宽度大于出气口宽度。
  6. 根据权利要求5所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二通气空间出气口的出气方向沿着后邻中部翼件或尾部翼件上轮廓对应位置处的切线方向。
  7. 根据权利要求5所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，至少一个所述中部翼件具有片状部件，至少部分片状部件沿着第二翼型的上轮廓设置。
  8. 根据权利要求7所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述中部翼件包括第一片状件，所述第一片状件的截面为一侧为凸面，另一侧为凹面的弧形，所述第一片状件的弧形凸面靠近头部翼件，第一片状件的一端靠近第二翼型的下轮廓，另一端位于第二翼型的上轮廓。
  9. 根据权利要求8所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述中部翼件还包括第二片状件，所述第二片状件的一端与第一片状件靠近第二翼型下轮廓的一端相连接，第二片状件包括沿着第二翼型的下轮廓设置的下段。
  10. 根据权利要求9所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件的下段朝向头部翼件延伸，所述中部翼件至少为两个，至少两个所述中部翼件依次排列在头部翼件和尾部翼件之间，所述第二片状件与靠近尾部翼件的中部翼件中的第一片状件相连接。
  11. 根据权利要求9所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件的下段朝向尾部翼件延伸。
  12. 根据权利要求10或11所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一片状件与其相连的第二片状件一体成型，且第一片状件与第二片状件相交处圆滑过渡。
  13. 根据权利要求11所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件还包括与下段一端连接的中段，所述中段朝向与该第二片状件相连接的第一片状件弯折。
  14. 根据权利要求13所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件的下段与中段之间的弯折角为钝角。
  15. 根据权利要求13所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件还包括与中段一端连接的上段，所述上段的另一端与第一片状件的凹面相连接或贴合。
  16. 根据权利要求14或15所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，第二片状件的中段与第一片状件的凹面之间设置有第一连接件。
  17. 根据权利要求15所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件的中段和上段的截面为一个连续的弧形，第二片状件的中段和上段的弧形凸面朝向第一片状件的凹面。
  18. 根据权利要求13至15任一所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第二片状件的下段通过第二连接件与第一片状件相连接，所述第二连接件与第二片状件和第一片状件的连接处圆滑过渡。
  19. 根据权利要求13至15任一所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一片状件与第二片状件的下段连接处圆滑过渡，所述第一片状件与第二片状件的下段连接处的内侧设置有第一加强件。
  20. 根据权利要求13至15或17任一所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一片状件与其相连的第二片状件一体成型。
  21. 根据权利要求15所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一片状件与第二片状件连接形成闭合空腔，所述闭合空腔内设置有填充体。
  22. 根据权利要求21所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第一片状件、第二片状件和填充体一体成型形成实心结构的中部翼件。
  23. 根据权利要求8所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述中部翼件还包括第三片状件，所述第三片状件位于第一片状件的凹面与尾部翼件之间，第三片状件包括下段和上段，所述第三片状件的下段沿着第二翼型的下轮廓设置，所述第三片状件上段连接在下段靠近尾部翼件的一端，且朝向第一片状件弯折。
  24. 根据权利要求23所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第三片状件的下段与上段一体成型，且下段与上段的相交处圆滑过渡。
  25. 根据权利要求5所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述中部翼件包括实心翼构件，所述实心翼构件的截面具有靠近头部翼件的凸面、靠近尾部翼件的凹面和沿着第二翼型下轮廓设置的下侧面，所述下侧面分别与实心翼构件的凸面和凹面的下端相接，所述实心翼构件的凸面和凹面的上端相接，实心翼构件的凸面至少部分沿着第二翼型的上轮廓设置。
  26. 根据权利要求25所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述实心翼构件的下侧面与凸面和凹面相接处圆滑过渡。
  27. 根据权利要求5所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述尾部翼件具有流线型截面，所述截面的外轮廓呈第三翼型，至少部分所述第三翼型的下轮廓沿着第二翼型的下轮廓设置，至少部分所述第三翼型的上轮廓沿着第二翼型的上轮廓设置，所述第三翼型的后缘点与第二翼型的后缘点重合。
  28. 根据权利要求27所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述尾部翼件为实心结构。
  29. 根据权利要求27所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述尾部翼件包括沿其上轮廓设置的第四片状件和沿其下轮廓设置的第五片状件，所述第四片状件的两端分别与第五片状件的两端相连接。
  30. 根据权利要求29所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第四片状件的两端分别通过第三连接件和第四连接件与第五片状件的两端相连接。
  31. 根据权利要求29所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第四片状件和 第五片状件之间设置有至少一个第二加强件。
  32. 根据权利要求29所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第四片状件和第五片状件一体成型。
  33. 根据权利要求29所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第五片状件靠近头部翼件的一端连接有延伸段，所述延伸段沿着第二翼型的下轮廓设置。
  34. 根据权利要求33所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第四片状件靠近头部翼件的一端连接有与所述延伸段相贴合的贴合段。
  35. 根据权利要求34所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述贴合段和第四片状件一体成型。
  36. 根据权利要求33所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述延伸段靠近头部翼件的一端连接有朝向第二翼型的上轮廓弯折的弯折段。
  37. 根据权利要求36所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述弯折段、延伸段和第五片状件一体成型。
  38. 根据权利要求37所述的高效利用低速流体的叶片，其特征在于，所述第四片状件和第五片状件一体成型。
  39. 一种高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；其特征是，所述翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。
  40. 一种如权利要求1至39任一所述高效利用低速流体的叶片作为垂直轴风力机叶片、利用潮汐流发电的垂直轴水力机叶片、水平轴风力机叶片、水轮机叶片、汽轮机叶片或推进器叶片的应用。
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