專利名稱：具有垂直轉(zhuǎn)軸的風力渦輪轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有垂直轉(zhuǎn)軸的風力渦輪轉(zhuǎn)子，通過利用達里厄原理 (Darrieus' principle)將風能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動的機械能的渦輪機。
背景技術(shù)：
具有垂直轉(zhuǎn)軸的渦輪轉(zhuǎn)子的技術(shù)方案，例如，參見美國專利第4264279號和 4430044號的說明書，其中描述的渦輪轉(zhuǎn)子具有至少兩個與驅(qū)動軸的輪轂連接的水平支撐 臂，水平支撐臂的端部垂直安裝有轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子葉片大都具有空氣動學(xué)的對稱外形并在其高度方向的中心處與支撐臂連接， 并將葉片分為上、下兩個翼片。在受風壓驅(qū)使而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子運動中，除了產(chǎn)生驅(qū)動作用的氣 動力外，還存在離心力。這兩種力都作用于兩個翼片的質(zhì)量中心處。在葉片旋轉(zhuǎn)運動軌跡 的中部，上述作用力的方向相同，導(dǎo)致翼片的縱向變形和葉片與支撐臂連接區(qū)域產(chǎn)生彎曲 應(yīng)力。在圓弧的另一半風向一側(cè)，存在相反的作用力。出現(xiàn)的脈動荷載的變化，包括極性變化，都對渦輪的磨損和設(shè)備效率產(chǎn)生嚴重的 負面作用。已知的解決方案包括將附加元件埋入轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中以加強翼片的強度。例如，這種 元件可以是英國專利GB2175350中描述的橫拉桿，或是如德國專利DE3626917中描述的附 加支撐。加強元件的使用增加了氣動阻力，降低了渦輪效率，特別是如果這些元件中包含了 銳角結(jié)構(gòu)，增加了容積湍流。離心力的負作用導(dǎo)致轉(zhuǎn)子長度上的可變外形的部分減少，同時 翼弦的長度和外形的厚度向翼片端部方向減少。該技術(shù)方案和其他方案應(yīng)用于EP0046370 號專利說明書中描述的轉(zhuǎn)子中。在以上對此類轉(zhuǎn)子的工作情況和技術(shù)問題的簡要描述中， 有必要指出氣動力作用在上、下翼片時的多變性和對自激氣動彈性振動的結(jié)構(gòu)敏感性，即， 處于高速周圍氣流下翼片的振顫。該區(qū)域的特性可能常常會使翼片較低高程處的風速明顯 降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目換在于設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單的轉(zhuǎn)子，具有剛度高和耐久性好、氣動阻 力低和風壓力到轉(zhuǎn)軸驅(qū)動力轉(zhuǎn)換效率高的特點。在本發(fā)明中，與以上揭示的技術(shù)方案類似，轉(zhuǎn)子涉及至少兩個與輪轂連接的水平 支撐。具有對稱的或凹凸且翼弦長度和外形厚度向翼端逐漸變細的空氣動力外形的翼片牢 固地固定于支撐的端部。本發(fā)明的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子葉片的上翼和下翼相對于轉(zhuǎn)動軸線向中心 區(qū)域徑向向外偏離一定角度。同時，雙翼端部的外形翼弦長度和中心區(qū)域的翼弦長度大致 與其相對于轉(zhuǎn)軸的位置的半徑成反比。使用具有偏離且異形翼片的轉(zhuǎn)子，提供了沿翼片長度和阻力中心區(qū)域強度穩(wěn)定的 風能功耗。通過翼片質(zhì)量中心向支撐靠近的方式取得翼片外層的按壓張力的平衡與降低。 拉伸張力通常產(chǎn)生于支撐。葉片對偏離翼片的自由振動頻率高于平直葉片的振動頻率。這 一促進結(jié)果在陣風時特別見效。中心區(qū)域和翼片末端處多樣化的空氣迎角消除了振顫危
3險。本發(fā)明的實施例的另一目的在于消除轉(zhuǎn)子上部和下部出現(xiàn)不同風速造成的影響。為了這一目的，轉(zhuǎn)子中下翼片的偏離角應(yīng)大于上翼片的偏離角。建議的角度差范 圍為1° -5°。下翼片長于上翼片的設(shè)計方案也具是有利的。推薦的差值范圍為2-15%。根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)子中推薦使用具有對稱空氣動力學(xué)外形并水平放置的翼弦，并且 與輪轂的連接是縱軸穿過外形的慣性中心切入轉(zhuǎn)軸。考慮到轉(zhuǎn)子在不同風速下以可能的最高效率工作，使用已知的迎角設(shè)定點將驅(qū)動 葉片與支撐連接，使之能夠在-2°至+3°的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。


為了透徹理解本發(fā)明，附圖中給出了轉(zhuǎn)子的示意圖。附圖簡要說明如下圖1 具有偏離翼片的轉(zhuǎn)子的立體圖；圖2 側(cè)視圖；圖3 由圖2中X方向的翼片 的視圖；圖4:另一翼片長度不同并且上、下翼片偏離角不同的轉(zhuǎn)子的視圖；圖5:圖4中Y-Y 線的轉(zhuǎn)子剖視圖。
具體實施例方式轉(zhuǎn)子固定在垂直置于第四風力渦輪機塔上的驅(qū)動軸輪轂1上。兩個具有對稱風力 動力學(xué)外形的水平支撐固定在輪轂上。支撐的外形翼弦是水平的，并且穿過外形剛度中心的的縱軸穿過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸。 轉(zhuǎn)子葉片3固定在支撐譬2的端部，葉片通過其自身長度中心區(qū)域3c與支撐2連接。轉(zhuǎn)子 葉片3的上翼片3a和下翼片3b具有相同的長度，兩個翼片都在徑向上向外偏離，并且相對 于轉(zhuǎn)軸的夾角P1= β2。上翼片3a和下翼片3b的截面具有對稱的或凹凸的空氣動力學(xué)外 形，其翼弦長度由Id1向b2向翼端方向逐漸減小，外形厚度由C1向C2向翼端方向逐漸減少。 翼端3a、3b的外形的翼弦長度和中心區(qū)域3c處的翼弦長度ID1與他們所在位置相對于轉(zhuǎn)動 軸線的半徑隊、R2成反比，其關(guān)系表達式為A1A2 = R2ZR10當?shù)孛蔡卣鬟m用于這種尺寸與 形狀關(guān)系時，風能功耗沿翼片整個長度是穩(wěn)定的，同時，沒翼片氣流的速度合量1\、T2的風 迎角αι、Ci2減小。如圖3所示，翼片上標記為“l(fā)cm”的特定基本表面應(yīng)按下式產(chǎn)生相同的 氣動力Y = CyXSX P XV2/2式中Cy-表示由空氣動力學(xué)外形的形狀確定的因子S-翼片基本表面的場P-空氣密度V-氣流速度中心區(qū)域3c附近的乘積CyXS高于翼片端部的乘積。陣風時，風迎角α可能會 超過臨界值。根據(jù)本發(fā)明，在轉(zhuǎn)子中，風迎角由中心區(qū)域3c中的Ci1向翼片端部3a、3b處的Q2 連續(xù)減小，從而導(dǎo)致臨界值超出仍然沿翼片增加。翼片之后的湍流區(qū)的發(fā)展過程是持續(xù)的，不會導(dǎo)致平直翼片轉(zhuǎn)子渦輪機中出現(xiàn)的渦輪脈動或塔4和支撐2的振動。當假定渦輪動力得到保持時，翼片3a、3b的向外偏離能夠使支撐2適當縮短，從而 降低了渦輪機的氣動阻力。由上翼片3a和下翼片3b平衡后的風能功耗的轉(zhuǎn)子如圖4所示，風速極度多樣化 的地貌條件取決于地面標高之上的高度。下翼片3b和上翼片3a上的氣動力的不同增加了 不利的支撐扭矩。使下翼片3b的偏離角β 2大于上翼片3a的偏離角就可以確保氣動力的平衡，使翼 片長度相等I1 = I20偏離度的增加影響翼片的圓周速度并取決于地形阻尼氣動外形。在偏 離角相同P1=日2的情況下上翼片3a和下翼片3b也可以取得負載平衡，但下翼片3b的 長度I2的長度長于上翼片3a的長度，例如10%。本發(fā)明中描述的轉(zhuǎn)子原型揭示出，通過不同的迎角Y實現(xiàn)不同風速W下中心區(qū) 域翼弦3c與正切的運動軌跡之間的最大能量變換效率。例如，風速W = 6米/秒時，迎角 =-2°，當W = 9.5米/秒時，γ =0°，風速W= 11米/秒時，γ =+2°。本發(fā)明的轉(zhuǎn) 子裝備有現(xiàn)有的技術(shù)方案埋入支撐2，使迎角γ在渦輪機運行期間得以改變。
權(quán)利要求
一種具有垂直轉(zhuǎn)軸的風力渦輪轉(zhuǎn)子，與一輪轂連接，至少兩個水平支撐的端部設(shè)置轉(zhuǎn)子葉片，該轉(zhuǎn)子葉片高度方向的中部與所述支撐的端部剛性連接，并且該葉片的橫向截面具有對稱的或凹凸的空氣動力學(xué)外形，轉(zhuǎn)子葉片端部翼弦和外形厚度減少，其特征在于，轉(zhuǎn)子葉片(3)上翼片(3a)和下翼片(3b)在徑向上向中心區(qū)域(3c)外偏離，形成趨向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動軸線的偏離角(β1、β2)，兩個翼端(3a、3b)處的外形翼弦長度(b2)和中心區(qū)域(3c)處的翼弦長度(b1)與翼弦位置相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動軸線的半么(R1、R2)大致成反比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于下翼片(3b)的偏離角(β2)大于上翼片 (3a)的偏離角(β D。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于下翼片(3b)的偏離角(β2)大于上翼 片(3a)的偏離角至5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于下翼片(3b)的偏離角(β2)大于上翼 片(3a)的偏離角(β》。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于下翼片(3b)的長度(I1)大于上翼片(3a) 的偏離角(I2) 2至15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于具有對稱的空氣動力外形的支撐(2)具有 水平放置的翼弦并且所述支撐的縱軸穿過外形硬度中心并與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動軸線交叉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片(3)通過設(shè)定失速攻角 (y)與支撐⑵連接，使其能夠在-2°至+3°的范圍之間變化。
全文摘要
本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子具有至少兩個與輪轂(1)連接的水平支撐(2)，其端部為轉(zhuǎn)子葉片(3)，具有對稱且凹凸的空氣動力外形，翼弦長度(b1、b2)和外形厚度同翼端(3a、3b)逐漸減小。轉(zhuǎn)子葉片(3)的上翼片(3a)和下翼片(3b)由中心區(qū)域(3c)向外徑向偏離。兩個翼端(3a、3b)外形的翼弦(b2)的長度與中心區(qū)域(3c)的翼弦長度(b1)大致與其位置相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動軸的半徑成反比。下翼片(3b)的偏離角可以大于下翼片(3a)的偏離角或者下翼片(3b)的長度可以大于上翼片(3a)的長度。轉(zhuǎn)子的這種構(gòu)造使風能功耗在翼片長度上的強度均一，并且在支撐上大體只產(chǎn)生張應(yīng)力，而顫振危害基本上得以消除。
文檔編號F03D3/06GK101918707SQ200880109709
公開日2010年12月15日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者A·諾門卡 申請人:安紐研究院