一種升阻融合翼板型垂直軸風輪的製作方法

2023-07-01 20:47:01 2

專利名稱：一種升阻融合翼板型垂直軸風輪的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及風力發電用的垂直軸風輪，尤其涉及一種具有融合升阻雙功能的 翼板型垂直軸風輪。
背景技術：
風能是一種清潔、安全、再生綠色能源，取之不盡、用之不竭，已逐漸成為世界各國 大力開發利用的一種新能源。風力發電機可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機兩 大類。水平軸風力機的結構特徵是風輪的旋轉平面與風向垂直，旋轉軸和地面平行，是目前 技術最成熟、生產應用最廣泛的一種風力發電機。垂直軸風力機的特徵是旋轉軸與地面垂 直，風輪的旋轉平面與風向平行，具有風輪機塔架結構簡單、操作和維修方便、葉片製造成 本低以及不需迎風裝置等優點，可分為升力型風輪和阻力型風輪兩大類型。典型的升力型 風輪是達裡厄式(Darrieus Type)風力機，根據葉片的形狀達裡厄式風機具有Φ型、Δ型、 H型、Y型和 型多種形式，它具有轉速高、旋轉慣性大、結構簡單等優點，但啟動轉矩小、啟 動性能較差，當尖速比(葉片的葉尖速度/風速)小於3. 5時就難以啟動，而需要消耗其他能 量來啟動風輪。而典型的阻力型風輪則是具有S形狀的薩布紐斯式(Savonius Type)風力 機，它具有結構簡單、成本低、迴轉力矩大、啟動性能好等優點，但轉速和效率較低，尖速比 永遠小於1。鑑於上述升力型和阻力型垂直軸風輪的特點和存在的不足，現有技術中存在一些 解決方式，例如中國專利公開號CN101566126A所公開的「一種升阻互補型垂直軸風輪」是 在Φ型升力風輪的內部加裝一組螺旋型阻力型葉片，將升力型風輪和阻力型風輪利用機 械組合方式組裝為複合功能風輪來將風能轉化為機械能，此種風輪採用兩種結構不同的葉 片分內外設置，結構複雜、製造困難。又如中國專利公開號CN100347440C所公開的「風力發 電用的風車」則是對達裡厄斯式H型風輪的升力翼板(雷諾數低且升力係數高)葉片下面的 後緣部進行部分切除後而形成「空心逗號」截面形狀的改良型翼板葉片來達到升力型風輪 和阻力型風輪的綜合效果，但此種風輪葉片的切缺部有損葉片結構的整體形並且在翼形的 下面形成非流線形表面而不利於在該處的風的流動。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種結構簡單、能更好的利用風能的垂直軸風輪。本實用新型的技術方案是，升阻融合翼板型垂直軸風輪，包括旋轉軸和以旋轉軸 為中心沿圓周分布的多個葉片，各葉片是四周側面的高度延伸方向與旋轉軸軸向一致、且 垂直於旋轉軸的橫截面的形狀呈翼型的升阻融合翼板，所述葉片的四周側面是由升力凸面 柱面、阻力凹面柱面、連接於升力凸面柱面前端與阻力凹面柱面前端之間的前過渡圓弧柱 面、連接於升力凸面柱面板後端與阻力凹面柱面板後端之間的後過渡圓弧柱面圍合而成； 升力凸面柱面是由前、後兩段圓弧柱面段平滑過渡連接組成，阻力凹面柱面是由一段圓弧 柱面構成。[0006]所述葉片的橫截面基於葉片的翼型參數確定，所述翼型參數由弦線、弦長獲得，將 葉片的前過渡圓弧柱面與後過渡圓弧柱面之間的最大距離所在的線段定義為弦線，弦線 的長度為葉片的弦長，翼型參數如下所述升力凸面的前圓弧柱面段半徑為弦長的28. 5%、 弧角為72°，後圓弧柱面段112的半徑為弦長的126%、弧角為35°，所述阻力凹面的圓弧柱 面的半徑為弦長的1 %、弧角為46°，所述前緣過渡圓弧柱面13的半徑為弦長的1. 5%，後 緣過渡圓弧柱面14的半徑為弦長的1%，將升力凸面與阻力凹面之間的最大距離定義為葉 片的最大拱厚，最大拱厚為弦長的15%，將葉片橫截面中的與升力凸面與阻力凹面距離相等 的曲線定義為中弧線，中弧線與弦線之間的最大距離被定義為葉片的最大彎度，最大彎度 為弦長的16. 5%。所述各葉片在安裝時，葉片的弦線與弦線前端點與旋轉軸的中心的連線之間具有 安裝角，安裝角為60° 70°，各葉片的弦線前端點與轉軸中心的連線按等分角度在圓周 上布局配置；所述各葉片的最外端的所在圓周的直徑為風輪的外圓直徑，風輪的外圓直徑 為弦長的觀6%。所述風輪葉片高度與風輪外圓直徑的比例即高徑比為1 3。所述各葉片的上下兩端分別固連在與旋轉軸垂直相交固連設置的圓形的上蓋板 和下底板上，所述上蓋板和下底板的外圓直徑與風輪的外圓直徑相等。本實用新型的葉片為升阻融合翼板，葉片的升力凸面在適合的攻角(弦線與氣流 方向的夾角)下呈現出升力葉片風輪的特性，而葉片的阻力凹面則在不同位置實現阻力葉 片風輪的功能，由於升阻融合翼板葉片在風的作用下既可產生升力驅動風輪又可產生阻力 驅動風輪，和現有的升阻互補型垂直軸風輪(CN101566126A)的組合式結構相比，從葉片構 成要素本身出發融合升力和阻力功能為一體，使得結構簡單、成本低廉且運行可靠；而且本 實用新型的葉片的阻力凹面為圓弧柱面，與現有的後部具有切缺部的葉片所構成的風力發 電用的風車(CN100347440C)相比在凹面迎風時形成更為平滑的空氣流結構，有利於改善 風能利用特性。本實用新型所涉及的升阻融合翼板風輪在低速運轉時，具有阻力型風輪的 驅動力矩大、啟動風速小的特點且葉尖速比又高於傳統的阻力型風輪，同時彌補了升力型 風輪低速啟動性能欠佳的不足之處。在高速運轉情況下，升阻融合翼板風輪具有升力型風 輪的轉速高、風能利用率大的特性，同時改善了阻力型風輪運轉速度不高的弱點。這樣，升 阻融合翼板風輪兼顧了阻力型風輪的低速性能和升力型風輪的高速性能，把風能轉換為機 械能的高效率特性擴展到1. 6 30m/s整個工作風速區，提高了風輪的風能轉換效率。

圖1為本實用新型的風輪的具體實施例的翼板安裝布局示意圖(未顯示上蓋板、 下底板)；圖2為圖1中的翼板斷截面的幾何結構圖；圖3為圖1中的風輪與風機裝配的結構示意圖。圖中1、葉片；2、上蓋板；3、密封蓋；4、旋轉軸；5、下底板；6、外轉子永磁發電機。
具體實施方式
如圖1 3所示，本實用新型的垂直軸風輪的具體實施例，包括旋轉軸4和以旋轉軸4為中心沿圓周分布的五個葉片1，各葉片1的上下兩端分別連接在與旋轉軸4垂直相交 固連設置的上蓋板2和下底板5上，各葉片1的上、下兩端通過螺栓固定在相應的上蓋板2、 下底板5上，葉片1受到的風力經上蓋板2和下底板5傳遞至旋轉軸4。各葉片1是四周側 面的高度延伸方向與旋轉軸4軸向一致、且垂直於旋轉軸4的橫截面的形狀呈翼型的升阻 融合翼板，所述葉片1的四周側面是由升力凸面柱面11、阻力凹面柱面12、連接於升力凸面 柱面11前端與阻力凹面柱面12前端之間的前過渡圓弧柱面13、連接於升力凸面柱面板11 後端與阻力凹面柱面板12後端之間的後過渡圓弧柱面14圍合而成，升力凸面柱面11是由 前、後兩段圓弧柱面段111、112平滑過渡連接構成，而阻力凹面柱面12是由一段圓弧柱面 構成，因此葉片1的側面是由多段圓弧柱面組成，結構簡單，設計製作方便，並且升阻融合 翼板風輪兼顧了阻力型風輪的低速性能和升力型風輪的高速性能。進一步的，將葉片1的前過渡圓弧柱面13與後過渡圓弧柱面14之間的最大距離 所在的線段定義為弦線，弦線在圖2中用c表示，弦線的長度為葉片的弦長L，在本實用 新型的實施例中葉片1的翼型參數基於葉片的弦長獲得，本實用新型的風輪的葉片1的翼 型即橫截面形狀如圖2所示，弦長L與葉片的大小直接相關。翼型參數如下所述升力凸面 11的前圓弧柱面段111的半徑Rl為弦長的觀.5%、弧角β 為72°，後圓弧柱面段112的 半徑R2為弦長的126%、弧角β 2為35°，所述阻力凹面12的圓弧柱面的半徑R3為弦長的 1 %、弧角β 3為46°，所述前緣過渡圓弧柱面13的半徑R4為弦長的1. 5%，後緣過渡圓弧 柱面14的半徑R5為弦長的1%，將升力凸面11與阻力凹面12之間的最大距離定義為葉片 的最大拱厚Τ，最大拱厚為弦長的15%，將葉片1橫截面中的與升力凸面11與阻力凹面12 距離相等的曲線定義為中弧線，中弧線在圖2中用b表示，中弧線與弦線之間的最大距離被 定義為葉片的最大彎度f，最大彎度為弦長的16. 5%，在選定弦長後，以上的各翼型參數綜 合在一起即可設計出本實用新型的葉片的橫截面。進一步的為使本實用新型的風輪中的葉片在風場中更好的呈現升阻融合翼板的 特性，將本實用新型的實施例中的葉片1按照圖1所示的裝配關係組成葉片布局圖，使每個 葉片1的弦線C與弦線前端點與旋轉軸4的中心0的連線之間具有安裝角α，葉片1的安 裝角α選取60° 70°，各葉片1的弦線前端點與轉軸中心的連線按等分角度在圓周上 布局配置。這樣使得葉片1的升力凸面具有40° 50°的攻角(弦線與氣流方向的夾角)， 從而使葉片1呈現出升力葉片風輪的特性並在轉動時具有與升力葉片風輪相同的尖速比， 而葉片的阻力凹面則在不同位置實現阻力葉片風輪的功能。而且在圖2中的各葉片1的最 外端的所在圓周的直徑為Dmax，本實用新型的實施例中的上蓋板2和下底板5的外圓直徑也 為Dmax，而葉片1的高度為H，葉片弦長截面積LXH在風輪掃風面積DmaxXH中所佔的實度 比L/ Dfflax為0.35，由此可獲得Dmax為弦長的觀6%。通過以上配置，本實用新型的風輪在低 轉速工作區，驅動力矩大、啟動風速小，體現出了阻力型風輪的優勢，而在高速工作區，轉速 高、風能利用率大，又體現出升力型風輪的優勢。既克服了升力型風輪啟動困難，又彌補了 阻力型風輪轉速特性差的缺陷，使得把風能轉換為機械能的效率特性擴展到1. 6 30m/s 整個工作風速區，從而提高了風輪的整體風能轉換效率。為使本實用新型的風輪在風場中獲得更好的風能利用率，本實用新型的實施例中 的風輪根據風場選址和風機功率大小選取風輪外圓直徑Dmax和葉片高度H的比例即高徑比 H/Dmax為1 3，由此可獲得葉片高度。[0019]圖3所示為本實用新型的垂直軸風輪與風力發電裝置的裝配結構示意圖，上蓋板 2的中心部位安裝有向心球軸承、而下底板5的中心部位則安裝有向心推力圓柱軸承。風機 頂部的密封蓋3和上蓋板2通過螺栓組件固聯。下底板5與外轉子永磁發電機6通過相對 應的法蘭盤由另一組螺栓組件固聯。本實用新型的上述實施例中的葉片1是實心柱結構，而在本實用新型的其他實施 例中的葉片1則可以是由升力凸面板、阻力凹面板和前、後過渡圓弧柱面板圍合而成的中 間帶有縱橫加強筋所構成的空心結構，但其翼型參數不變。本實用新型的上述實施例中的葉片也可以是三個、四個、六個以上。本實用新型的上述實施例中的葉片1與旋轉軸間是通過上下兩塊板——上蓋板、 下底板固連而構成風輪，在本實用新型的其他實施例中，則可以通過旋轉軸上徑向延伸出 的支撐臂來固連葉片1而構成風輪，葉片1受到的風力經支撐懸臂傳遞至旋轉軸4，在用支 撐臂連接葉片1的風輪中，可根據選定的弦長、安裝角、高徑比和實度比的來設計支撐臂的 長度和支撐臂與葉片1的連接位置。
權利要求1.升阻融合翼板型垂直軸風輪，包括旋轉軸和以旋轉軸為中心沿圓周分布的多個葉 片，其特徵在於各葉片是四周側面的高度延伸方向與旋轉軸軸向一致、且垂直於旋轉軸的 橫截面的形狀呈翼型的升阻融合翼板，所述葉片的四周側面是由升力凸面柱面、阻力凹面 柱面、連接於升力凸面柱面前端與阻力凹面柱面前端之間的前過渡圓弧柱面、連接於升力 凸面柱面板後端與阻力凹面柱面板後端之間的後過渡圓弧柱面圍合而成；升力凸面柱面是 由前、後兩段圓弧柱面段平滑過渡連接組成，阻力凹面柱面是由一段圓弧柱面構成。
2.根據權利要求1所述的風輪，其特徵在於所述葉片的橫截面基於葉片的翼型參數 確定，所述翼型參數由弦線、弦長獲得，將葉片的前過渡圓弧柱面與後過渡圓弧柱面之間的 最大距離所在的線段定義為弦線，弦線的長度為葉片的弦長，翼型參數如下所述升力凸 面的前圓弧柱面段半徑為弦長的28. 5%、弧角為72°，後圓弧柱面段112的半徑為弦長的 1 %、弧角為35°，所述阻力凹面的圓弧柱面的半徑為弦長的1 %、弧角為46°，所述前緣 過渡圓弧柱面13的半徑為弦長的1. 5%，後緣過渡圓弧柱面14的半徑為弦長的1%，將升力 凸面與阻力凹面之間的最大距離定義為葉片的最大拱厚，最大拱厚為弦長的15%，將葉片橫 截面中的與升力凸面與阻力凹面距離相等的曲線定義為中弧線，中弧線與弦線之間的最大 距離被定義為葉片的最大彎度，最大彎度為弦長的16. 5%。
3.根據權利要求2所述的風輪，其特徵在於所述各葉片在安裝時，葉片的弦線與弦線 前端點與旋轉軸的中心的連線之間具有安裝角，安裝角為60° 70°，各葉片的弦線前端 點與轉軸中心的連線按等分角度在圓周上布局配置；所述各葉片的最外端的所在圓周的直 徑為風輪的外圓直徑，風輪的外圓直徑為弦長的觀6%。
4.根據權利要求3所述的風輪，其特徵在於所述風輪葉片高度與風輪外圓直徑的比 例即高徑比為1 3。
5.根據權利要求4所述的風輪，其特徵在於所述各葉片的上下兩端分別固連在與旋 轉軸垂直相交固連設置的圓形的上蓋板和下底板上，所述上蓋板和下底板的外圓直徑與風 輪的外圓直徑相等。
專利摘要本實用新型公開了一種升阻融合翼板型垂直軸風輪，包括旋轉軸和以旋轉軸為中心沿圓周分布的多個葉片，所述的葉片是由升力凸面和阻力凹面融合為一體的升阻融合翼板，葉片的凹凸面結合部位設有可相互吻合的過渡圓弧柱面。該風輪融合了風能利用的阻力和升力特性，具有啟動風速低、速度提升快、風能利用率高、成本低廉和運行可靠等優點。
文檔編號F03D3/06GK201865841SQ20102064144
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月4日 優先權日2010年12月4日
發明者侯書奇, 宋磊, 楊宗霄, 楊航航, 王軍, 王隆彪, 鄧瑞濤 申請人:侯書奇, 河南科技大學