CN101699062B - 一种导叶式升力型垂直轴风轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导叶式的直叶片升力型风轮，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的2个或2个以上升力型叶片，在所述的风轮轴上还设置有一可绕风轮轴转动的支架，所述的支架为一穿过风轮轴轴心的直线支架，在所述的支架上设置2个导向叶片以及使所述导向叶片处于相对静止的尾舵，所述的两个导向叶片固定在所述支架的两端，且两个导向叶片的导向端方向相向，所述的尾舵中心所在平面与所述的支架垂直。与现有技术相比，本发明在风轮轴上同时设置2片导向叶片和2片或2片以上的升力型叶片，利用两片导叶叶片对风向的导向，可使风能利用率比现有升力型垂直轴风轮高2％。
Description
技术领域
本发明涉及了导叶式升力型垂直轴风轮的技术和设备。
背景技术
目前，大部分风力机的采风器为水平轴风轮。水平轴风轮采用升力型叶片，转速较快，风能利用率较高，技术比较成熟，因而应用广泛。但水平轴风轮的发电机需置于高空，其噪音相对较高，功率也存在偏航损失，这些都是水平轴风力机难以解决的问题。
与水平轴风轮相比，升力型垂直轴风轮则转速较慢，噪音较低；发电机可置于地面，便于维护；无需对风，不存在偏航功率损失。但升力型垂直轴风力机的风能转化率，稍低于水平轴，因而发展较慢，应用率较低。
从升力型垂直轴风轮叶片的空气动力学分析可以看出，叶片在360°转角范围内，在270°和90°两个位置的动力矩均为负值，其附近区域的动力矩也都较低，这表明运动到这两位置时的叶片处于刹车状态。这也就成为升力型风轮风能利用系数较低的一个重要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为提高升力型风轮风能利用率，而提供的一种带有导叶叶片的直叶片升力型垂直轴风轮。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种导叶式的直叶片升力型风轮，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的2个或2个以上升力型叶片，在所述的风轮轴上还设置有一可绕风轮轴转动的支架，所述的支架为一穿过风轮轴轴心的直线支架，在所述的支架上设置2个导向叶片以及使所述导向叶片处于相对静止的尾舵，所述的两个导向叶片固定在所述支架的两端，且两个导向叶片的导向端方向相向，所述的尾舵中心所在平面与所述的支架垂直。
所述的导向叶片的导向端上表面尾缘延长线与所述的舵臂垂直，所述的导向叶片的导向端上表面尾缘延长线与所述的支架平行。
所述的尾舵为一个，设置支架的中部。
所述的尾舵为两个，对称设置在支架中心的两侧。
所述的升力型叶片密实度σ为0.13～0.5，σ＝2NC/D，其中C为叶片弦长，N为叶片数，D为升力型叶片旋转直径。
所述的尾舵臂长L大于风轮旋转直径D，所述的尾舵面积A满足，A＞ht，这里h为导叶叶片高度，t为导叶弦长。
与现有技术相比，本发明导叶式升力型垂直轴风轮的有益效果是：
1、在风轮轴上同时设置2片导向叶片和2片或2片以上的升力型叶片，利用两片导叶叶片对风向的导向，可使风能利用率比现有升力型垂直轴风轮高2％。
2、攻角为相对速度矢量与叶片弦线的夹角。在一定范围内攻角越大，风轮的动力矩越大。两片导向叶片分别处于升力叶片攻角最小的两个位置，利用改变风向来增大该位置的叶片攻角，从而使得风轮的整体动力矩，在转速不发生变化的条件下，较无导向叶片的升力型垂直轴风轮有所增大。
3、升力型叶片由空气动力学升力驱动旋转。导向叶片则通过由尾舵传递的力矩来随风向调整空间位置，使导向叶片始终都处于升力型叶片旋转空间的90°和270°位置，彻底消除了原升力型垂直轴风轮叶片在任何风向下90°和270°的负力矩现象。
4、导向叶片可以捕获更多的风，并通过改变风向，使其与升力型叶片运动方向垂直或近似垂直，使升力型叶片在该附近区域的动力矩从最低值上升到最高值。
附图说明
图1是本发明导叶式具有两个升力叶片的垂直轴风轮示意图。
图2是本发明导叶式具有三个升力叶片的垂直轴风轮俯视示意图
图3是本发明导叶叶片结构示意图。
图4是无导叶时叶片在90°位置的受力示意图
图5是本发明导叶叶片作用于升力叶片的功角示意图。
其中：1风轮轴；2升力型叶片；3导向叶片；4尾舵；5舵臂；6轴承；7横梁；8支架；9叶片翼弦。
具体实施方式
1、下面结合附图，对本发明作详细说明。如图1所示，本发明导叶式升力型风轮，包括风轮轴1，在风轮轴1上安装有2片或2片以上的升力型叶片2和2片导叶叶片3。导向叶片3、尾舵4、舵臂5和支架8组成一个可旋转运动机构，其旋转由尾舵4驱动。风向改变后，尾舵4可以是一张平板或者是两端对称的结构，尾舵4受风向阻力作用，使其展向始终与风向一致，从而使两导向叶片3始终处于一个相对静止的状态。升力叶片2、支架6与风轮轴1组成另一旋转机构，升力叶片2由空气动力学升力提供动力而旋转。两旋转机构由两个轴承7过渡连接，因而两者之间运动不互相干扰。
2、如图2所示，尾舵4展向与导向叶片3连线垂直，在尾舵4的作用下，可确保两导叶3始终处于风轮的90°和270°位置。如图3所示，经导向叶片3导向后，风向发生90°的改变。
3、当风轮前的风向改变时，升力型叶片2不受风向限制，继续旋转。风对尾舵4产生阻力，并通过舵臂8传递力矩，从而驱动两导向叶片3运动，及时调整位置，使其始终分别处于90°和270°位置。
4、如图4所示，在速度矢量三角形中，当无导向叶片3时风向与风轮切速度方向一条线时，攻角为0°，此时风轮逆向运动，升力为0，合力为阻力R。如图5所示，安装导向叶片3后，风经导向叶片3向导后作用于90°位置的升力型叶片2。根据速度矢量三角形原理，由垂直于叶片弦长风向的风速矢量U，与平行于弦长风向的风轮线速度矢量V叠加，组成的相对速度矢量W，与叶片翼弦9成一非0°攻角，改变了升力型叶片2在90°和270°位置0°攻角的原状。攻角为α时，产生的升力为S，阻力为R，动力矩增大。与90°位置受力相似，在270°位置会产生同样的效果。
本发明为导叶式升力型垂直轴风轮，由升力型叶片2与导向叶片3组成，其中导向叶片3在尾舵4的作用下，不断调整位置，保持在风轮旋转空间内90°和270°的相对位置不发生改变。导叶3改变了90°和270°附近升力叶片2的风向，增大了叶片空气动力学攻角，增加了动力矩，达到了提高风轮的风能转化率的效果。
Claims (5)
1.一种导叶式升力型垂直轴风轮，包括风轮轴(1)以及设置在所述风轮轴(1)上的2个或2个以上升力型叶片(2)，其特征在于：在所述的风轮轴(1)上还设置有一可绕风轮轴(1)转动的支架(8)，所述的支架为一穿过风轮轴(1)轴心的直线支架，在所述的支架(8)上设置2个导向叶片(3)以及使所述导向叶片(3)处于相对于风向静止的尾舵(4)，所述的两个导向叶片(3)固定在所述支架(8)的两端，所述的导向叶片(3)的一端为导向端，导向叶片的另一端为入风端，且两个导向叶片(3)的导向端方向相向，所述的尾舵(4)中心所在平面与所述的支架(8)垂直，所述的导向叶片(3)的入风端上表面尾缘延长线与所述的支架(8)垂直，所述的导向叶片(3)的导向端上表面尾缘延长线与所述的支架(8)平行。
2.根据权利要求1所述的导叶式升力型垂直轴风轮，其特征在于：所述的尾舵(4)为一个，设置在支架(8)的中部。
3.根据权利要求1所述的导叶式升力型垂直轴风轮，其特征在于：所述的尾舵(4)为两个，对称设置在支架(8)中心的两侧。
4.根据权利要求1所述的导叶式升力型垂直轴风轮，其特征在于：所述的升力型叶片(2)密实度σ为0.13～0.5，σ＝2NC/D，其中C为叶片弦长，N为叶片数，D为升力型叶片旋转直径。
5.根据权利要求2所述的导叶式升力型垂直轴风轮，其特征在于：所述的尾舵(4)臂长L大于风轮旋转直径D，所述的尾舵(4)面积A满足，A＞ht，这里h为导向叶片高度，t为导向叶片弦长。
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