具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片，具體地，涉及一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]目前世界能源的緊缺和環(huán)境的惡化促使人們更多地轉(zhuǎn)向了能源豐富的風(fēng)能。而要開發(fā)風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是各方面關(guān)注的重點(diǎn)。
[0003]風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種。而相關(guān)研宄表明，相比于水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)不依賴于風(fēng)向，不需要偏航設(shè)備，更加緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，更易于小型化和安裝在城市和偏遠(yuǎn)山區(qū)。
[0004]阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速不高，效率也低，目前運(yùn)行中比較阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)能夠得到更高效率的是升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。升力型直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片加工簡單，并且也有很不錯的能量轉(zhuǎn)換效率，但是其不能夠自啟動，需要加裝電機(jī)，這就增加了設(shè)備的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的達(dá)里爾垂直軸風(fēng)力機(jī)使用了彎曲葉片，降低了自啟動的難度。但是囿于垂直軸風(fēng)力機(jī)固有的缺陷，其在運(yùn)轉(zhuǎn)時葉片有很大的方位角是處于大攻角的狀態(tài)下，這就引起了動態(tài)失速的問題，即是在負(fù)升力和負(fù)推力的作用下的，這就無疑降低了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率和輸出扭矩，得不到水平軸風(fēng)力機(jī)的效率。因此，為了充分地利用風(fēng)能的推力效應(yīng)和升力效應(yīng)，提高垂直軸風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中獲得的能量，提高風(fēng)能利用效率，最關(guān)鍵的問題就是葉片在不同的方位角時與風(fēng)向的攻角問題，要是能夠調(diào)節(jié)到適合的夾角，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率必然能夠得到提高。
[0005]目前的達(dá)里爾風(fēng)力機(jī)的彎曲葉片基迭線有Troposkien型、拋物線型和懸鏈型以及直線一圓弧一直線改進(jìn)型，采用該基迭線的彎曲葉片是為了能夠減少在運(yùn)行時彎曲應(yīng)力，troposkien型葉片是最優(yōu)的葉片形狀，盡管旋轉(zhuǎn)時離心力很大，葉片只受拉應(yīng)力，因此應(yīng)力很小，高速下槳葉也不會損壞。拋物線形和直線一圓弧一直線形都能夠很好地近似troposkien形，并且葉片的加工更加容易。彎曲應(yīng)力在大型風(fēng)力機(jī)中顯得尤為重要，這能夠延長葉片的工作壽命，但這并不等于這是能量轉(zhuǎn)化效率最優(yōu)的。許多文獻(xiàn)針對垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片優(yōu)化都是基于Troposkien形狀，但卻沒有考慮扭角的因素，沒有很好的解決葉片在大攻角情況下的動態(tài)失速問題。當(dāng)彎曲葉片旋轉(zhuǎn)到一定的方位角，由于速度型較小，相對于葉片的赤道段，其上下端部的攻角要大得多，這就使得葉片的上下端部更容易進(jìn)入失速狀態(tài)，降低了赤道部分的做功能力，不能夠最大化葉片的能量轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，包括:彎曲葉片，彎曲葉片沿展向方向各部分翼型之間具有不同的扭角，以順時針為正方向，葉片展向各橫截面的扭角在0°?25°之間。
[0008]優(yōu)選地，彎曲葉片的型線為troposkien形、拋物線形或直線一圓弧一直線形。
[0009]優(yōu)選地，型線的上、下端點(diǎn)在同一平面上。
[0010]優(yōu)選地，翼型采用升力翼型，沿型線平滑拉伸。
[0011]優(yōu)選地，彎曲葉片的高度為I?100米。
[0012]本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片具有一定的扭角，沿著展向方向葉片的扭轉(zhuǎn)角度不一樣，在來流氣流的作用下，使得葉片上下端部的攻角與葉片中部趨于一致，改善葉片端部的失速，最大化葉片的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0013]本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的彎曲型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片，其能夠有效地提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的型線是troposkien形或者拋物線形或者直線一圓弧一直線形，在葉片展向方向帶有一定的扭角，葉片是扭曲的，葉片橫截面采用升力翼型。采用本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)彎曲葉片組成的垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子工作時，在保證強(qiáng)度的同時能夠降低葉片在傳統(tǒng)達(dá)里爾風(fēng)力機(jī)高攻角情況下的動態(tài)失速效應(yīng)，進(jìn)而提供更高的瞬時力矩，有利于輸出扭矩的提升，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的自啟動，降低升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動的運(yùn)行條件，保證了能夠在更寬的風(fēng)速范圍內(nèi)提供有效地輸出力矩，提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的效率。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有能夠降低失速效應(yīng)，提供更高的瞬時力矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的自啟動，有效提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率的有益效果。
【附圖說明】
[0014]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0015]圖1為本發(fā)明具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的側(cè)視圖；
[0016]圖2為本發(fā)明具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的葉片扭角展向分布示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的右視圖；
[0018]圖4為圖3的B-B剖面的速度分析圖；
[0019]圖5為圖3的A-A剖面的速度分析圖；
[0020]圖6為本發(fā)明具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的橫截面示意圖；
[0021]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片的組裝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]請同時參閱圖1至圖6，一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，該彎曲葉片沿展向方向各部分翼型之間具有不同的扭角，并且平滑過渡，構(gòu)成一個完整的葉片，以順時針為正方向，葉片展向各橫截面的扭角在0°?25。之間。
[0024]扭角是相對于葉片赤道位置而言，葉片其他橫截面上的葉型與赤道葉型的夾角即為扭角；型線是翼型的中心點(diǎn)沿著葉片展向方向的連線；翼型是指葉片橫截面的流線型外形。
[0025]具體地，本發(fā)明彎曲葉片的型線為troposkien形或拋物線形或直線一圓弧一直線形，型線的上、下端點(diǎn)在同一平面，并安裝在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上。其中，troposkien形是指型線跟跳繩運(yùn)動時繩子形成的曲線一樣。拋物線形是指型線是由拋物線形成的。直線一圓弧一直線形是指型線的中部形狀是一個圓弧，而其上下兩端是由直線與圓弧連接構(gòu)成的。
[0026]具體地，如圖6所示，本發(fā)明彎曲葉片的翼型采用升力翼型，翼型沿型線平滑拉伸，當(dāng)空氣流過次橫截面外形的葉片時，葉片獲得升力和周向的切力，升力能夠維持葉片的旋轉(zhuǎn)，而周向的切力就構(gòu)成了風(fēng)力機(jī)對外輸出的力矩。
[0027]請同時參閱圖2至圖5，圖2展示了本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的展向扭角分布圖從赤道向兩邊的葉片扭角逐漸增大。相對地，傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在一定的風(fēng)速下，由于葉片上下兩端的旋轉(zhuǎn)線速度要比赤道的小，其攻角αΒ都要比赤道葉片攻角a A大，更早的進(jìn)入了失速狀態(tài)。而如圖4、圖5所示，其分別展示了本發(fā)明彎曲葉片A和B剖面的速度分析圖，當(dāng)葉片橫截面帶有一定的扭角以后，由于葉片的旋轉(zhuǎn)能夠補(bǔ)償葉片旋轉(zhuǎn)線速度的不足，葉片端部的運(yùn)行攻角更加趨向于赤道攻角，可見之于％有了明顯的減小，相比于傳統(tǒng)葉片其攻角得到了改善，減小了失速的工作范圍，可見由本發(fā)明葉片組成的垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能有很大的提尚。
[0028]具體地，如圖4、圖5所示，A-A面為高瑋度面，由于他的轉(zhuǎn)速更低，因此風(fēng)速相對于其轉(zhuǎn)速的W比B-B面的W更加斜，因此，由圖4、圖5可以看出:高瑋度的攻角會比低瑋度的攻角要大，本發(fā)明在高瑋度的位子有一個扭角(即將B的方向扭到A的方向)來迎合大攻角，這時可以看到，攻角由αΒ減少到α Β’，從而降低失速的可能性。
[0029]一般地，垂直軸風(fēng)力機(jī)由2到3個葉片組成，葉片與支撐臂連接，安裝在旋轉(zhuǎn)軸的一個同心圓中，葉片安裝時需保證每片葉片均按照同一旋轉(zhuǎn)方向安裝。如圖7所示，其為本發(fā)明葉片的一種安裝實(shí)施例示意圖。垂直軸風(fēng)力機(jī)包括3個彎曲葉片，彎曲葉片與支撐臂連接，支撐臂一端與旋轉(zhuǎn)軸相連接，一端與葉片相連接，每片葉片均按照同一旋轉(zhuǎn)方向安裝。
[0030]具體地，本發(fā)明的彎曲葉片的高度為I?100米，組成的風(fēng)力機(jī)的直徑達(dá)到I米到200 米。
[0031]本發(fā)明由于采用troposkien形或者拋物線形或者直線一圓弧一直線形型線，該些型線形狀都能夠很好的減少葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的彎曲應(yīng)力，因此，本發(fā)明能夠很好的應(yīng)用于大型的垂直軸風(fēng)力當(dāng)中，達(dá)到更高的效率，而小型的垂直軸風(fēng)力機(jī)同樣能夠提升其輸出效率。
[0032]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，其特征在于，包括彎曲葉片，所述彎曲葉片沿展向方向各部分翼型之間具有不同的扭角，以順時針為正方向，葉片展向各橫截面的扭角在O。?25。之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，其特征在于，所述彎曲葉片的型線為troposkien形、拋物線形或直線一圓弧一直線形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，其特征在于，所述型線的上、下端點(diǎn)在同一平面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，其特征在于，所述翼型采用升力翼型，沿型線平滑拉伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，其特征在于，所述彎曲葉片的高度為I?100米。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有扭角的垂直軸風(fēng)力機(jī)彎曲葉片，彎曲葉片沿展向方向各部分翼型之間具有不同的扭角，以順時針為正方向，葉片展向各橫截面的扭角在0°～25°之間。該彎曲葉片主要應(yīng)用于達(dá)里爾風(fēng)力機(jī)，其型線有troposkien形、拋物線形或直線—圓弧—直線形。本發(fā)明具有能夠降低失速效應(yīng)，提供更高的瞬時力矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的自啟動，有效提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率的有益效果。
【IPC分類】F03D3-06
【公開號】CN104863792
【申請?zhí)枴緾N201510260796
【發(fā)明人】司徒達(dá)志, 沈昕, 杜朝輝, 竺曉程, 歐陽華, 田杰
【申請人】上海交通大學(xué), 上海交大航空發(fā)動機(jī)科技有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月20日