具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種風力機葉片，具體地，涉及一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片。
【背景技術】
[0002]目前世界能源的緊缺和環境的惡化促使人們更多地轉向了能源豐富的風能。而要開發風能，風力機的設計和優化是各方面關注的重點。
[0003]風力機分為水平軸風力機和垂直軸風力機兩種。而相關研宄表明，相比于水平軸風力機，垂直軸風力機不依賴于風向，不需要偏航設備，更加緊湊，結構簡單，維護方便，更易于小型化和安裝在城市和偏遠山區。
[0004]阻力型垂直軸風力機的運行轉速不高，效率也低，目前運行中比較阻力型垂直軸風力機能夠得到更高效率的是升力型垂直軸風力機。升力型直葉片垂直軸風力機的葉片加工簡單，并且也有很不錯的能量轉換效率，但是其不能夠自啟動，需要加裝電機，這就增加了設備的復雜性。傳統的達里爾垂直軸風力機使用了彎曲葉片，降低了自啟動的難度。但是囿于垂直軸風力機固有的缺陷，其在運轉時葉片有很大的方位角是處于大攻角的狀態下，這就引起了動態失速的問題，即是在負升力和負推力的作用下的，這就無疑降低了風力機的運行效率和輸出扭矩，得不到水平軸風力機的效率。因此，為了充分地利用風能的推力效應和升力效應，提高垂直軸風力機從風中獲得的能量，提高風能利用效率，最關鍵的問題就是葉片在不同的方位角時與風向的攻角問題，要是能夠調節到適合的夾角，垂直軸風力機的風能利用效率必然能夠得到提高。
[0005]目前的達里爾風力機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型，采用該基迭線的彎曲葉片是為了能夠減少在運行時彎曲應力，troposkien型葉片是最優的葉片形狀，盡管旋轉時離心力很大，葉片只受拉應力，因此應力很小，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。彎曲應力在大型風力機中顯得尤為重要，這能夠延長葉片的工作壽命，但這并不等于這是能量轉化效率最優的。許多文獻針對垂直軸風力機的葉片優化都是基于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失速問題。當彎曲葉片旋轉到一定的方位角，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入失速狀態，降低了赤道部分的做功能力，不能夠最大化葉片的能量轉化效率。

【發明內容】

[0006]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片。
[0007]根據本發明的一個方面，提供一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，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]優選地，型線的上、下端點在同一平面上。
[0010]優選地，翼型采用升力翼型，沿型線平滑拉伸。
[0011]優選地，彎曲葉片的高度為I?100米。
[0012]本發明的垂直軸風力機彎曲葉片具有一定的扭角，沿著展向方向葉片的扭轉角度不一樣，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換效率。
[0013]本發明相對于傳統的彎曲型垂直軸風力機葉片，其能夠有效地提高垂直軸風力機的運行效率。本發明的垂直軸風力機葉片的型線是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。采用本發明上述結構彎曲葉片組成的垂直軸風力機轉子工作時，在保證強度的同時能夠降低葉片在傳統達里爾風力機高攻角情況下的動態失速效應，進而提供更高的瞬時力矩，有利于輸出扭矩的提升，實現風力機在低風速下的自啟動，降低升力型垂直軸風力機啟動的運行條件，保證了能夠在更寬的風速范圍內提供有效地輸出力矩，提高垂直軸風力機的效率。因此，與現有技術相比，本發明具有能夠降低失速效應，提供更高的瞬時力矩，實現風力機在低風速下的自啟動，有效提高垂直軸風力機的運行效率的有益效果。
【附圖說明】
[0014]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0015]圖1為本發明具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的側視圖；
[0016]圖2為本發明具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的葉片扭角展向分布示意圖；
[0017]圖3為本發明具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的右視圖；
[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為本發明具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的橫截面示意圖；
[0021]圖7為本發明實施例的具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片的組裝示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0023]請同時參閱圖1至圖6，一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，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、下端點在同一平面，并安裝在風力機旋轉軸上。其中，troposkien形是指型線跟跳繩運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成的。
[0026]具體地，如圖6所示，本發明彎曲葉片的翼型采用升力翼型，翼型沿型線平滑拉伸，當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，而周向的切力就構成了風力機對外輸出的力矩。
[0027]請同時參閱圖2至圖5，圖2展示了本發明的垂直軸風力機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，傳統的垂直軸風力機葉片在一定的風速下，由于葉片上下兩端的旋轉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，更早的進入了失速狀態。而如圖4、圖5所示，其分別展示了本發明彎曲葉片A和B剖面的速度分析圖，當葉片橫截面帶有一定的扭角以后，由于葉片的旋轉能夠補償葉片旋轉線速度的不足，葉片端部的運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，可見由本發明葉片組成的垂直軸風力機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，由于他的轉速更低，因此風速相對于其轉速的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，垂直軸風力機由2到3個葉片組成，葉片與支撐臂連接，安裝在旋轉軸的一個同心圓中，葉片安裝時需保證每片葉片均按照同一旋轉方向安裝。如圖7所示，其為本發明葉片的一種安裝實施例示意圖。垂直軸風力機包括3個彎曲葉片，彎曲葉片與支撐臂連接，支撐臂一端與旋轉軸相連接，一端與葉片相連接，每片葉片均按照同一旋轉方向安裝。
[0030]具體地，本發明的彎曲葉片的高度為I?100米，組成的風力機的直徑達到I米到200 米。
[0031]本發明由于采用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轉過程中的彎曲應力，因此，本發明能夠很好的應用于大型的垂直軸風力當中，達到更高的效率，而小型的垂直軸風力機同樣能夠提升其輸出效率。
[0032]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【主權項】
1.一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，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.根據權利要求1所述的具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，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.根據權利要求1或2所述的具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，其特征在于，所述型線的上、下端點在同一平面上。
4.根據權利要求1或2所述的具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，其特征在于，所述翼型采用升力翼型，沿型線平滑拉伸。
5.根據權利要求1所述的具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，其特征在于，所述彎曲葉片的高度為I?100米。
【專利摘要】本發明提供了一種具有扭角的垂直軸風力機彎曲葉片，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。該彎曲葉片主要應用于達里爾風力機，其型線有troposkien形、拋物線形或直線—圓弧—直線形。本發明具有能夠降低失速效應，提供更高的瞬時力矩，實現風力機在低風速下的自啟動，有效提高垂直軸風力機的運行效率的有益效果。
【IPC分類】F03D3-06
【公開號】CN104863792
【申請號】CN201510260796
【發明人】司徒達志, 沈昕, 杜朝輝, 竺曉程, 歐陽華, 田杰
【申請人】上海交通大學, 上海交大航空發動機科技有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月20日