CN108266314A - 一种具有对称开缝式叶片的h型垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置，涉及风力发电技术领域，其叶片远离电机驱动转盘的一端设置有上风区通道和下风区通道，其中，上风区通道和下风区通道对称设置，当叶片处于上风区时，类圆柱阀的转动使上风区通道打开，下风区通道关闭，当叶片处于下分区时，类圆柱阀的转动使下风区通道打开，上风区通道关闭，进而实现了在叶片位于不同风区时，翼缝的开闭也不同，这样可以保证垂直轴风力机在旋转过程中，压力面气流均可通过翼缝吹向吸力面边缘，增加吸力面气流动力，延迟附面层分离的发生，采用四连杆机构与类圆柱阀相结合，实现了分风区对称开缝的目的，提升了H型垂直轴风力发电装置叶片翼型的气动性能。

Description

一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，大量的煤、石油和天然气等化石燃料被消耗掉，使得全球面临前所未有的能源危机和环境威胁，能源和环保已经成为目前亟待解决的重大问题。而风能作为一种可再生的绿色清洁能源，越来越多的人意识到开发风能的重要性。

风力发电装置按照主轴相对于地面的安装位置可分为水平轴风力发电装置和垂直轴风力发电装置。垂直轴风力发电装置以无需偏航系统、机械机构简单等优点越来越受到人们的青睐，但是由于其实际风能利用率远低于理论值，垂直轴风力发电装置的大型化和商业化发展受到了阻碍。其主要原因是，垂直轴风力发电装置在旋转过程中，叶片攻角实时变化，当叶片处于大攻角工况下时，叶片表面的低压区会发生流动分离，导致翼型升力系数下降，阻力系数上升。针对垂直轴风力发电装置风能利用率低的问题，人们在提高翼型升力，增大翼型升阻比方面进行了大量的研究。其中，20世纪20年代初期，贝茨提出了开缝式机翼的概念。开缝问题的初步思想在于边界层控制，即通过对翼型附面层合理地吹气(或吸气)，增加(或减少)能量，使得附面层分离延迟发生，解决大攻角下的失速问题。

现有关于翼型开缝的研究，大都集中在航天翼型或水平轴风力发电装置翼型上，在垂直轴风力发电装置翼型上鲜有涉及；且所研究的开缝方案均为单方向开缝，而单向开缝方案并不适用于垂直轴风力发电装置的实际工况，具体原因如下：垂直轴风力发电装置旋转过程中单向开缝叶片的位置如图1所示，其中，θ为叶片方位角，当方位角θ位于0°～180°时，该区域称为风轮的上风区；当θ位于180°～360°时，称为风轮的下风区；对于单个翼型来说，风直接作用的一面称为翼型的压力面，另一面称为翼型的吸力面，可以看出，当叶片处于不同风区时，翼型的压力面和吸力面是变化的，而开缝方案的思路在于通过开缝，使压力面的气流流向吸力面，但是由于垂直轴风力机工况的特殊性，现有的单向开缝的方案只能在一个风区起作用，导致通过开缝提升的翼型气动性能有限，成为了人们亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明提供一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置，旨在采用上下风区对称开缝的技术方案，保证风轮旋转一周的过程中压力面气流均可通过翼缝吹向吸力面边缘，实现延迟附面层分离的目的。

为达到上述目的，本发明提供一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置，包括主轴、安装在所述主轴上的发电机、安装在所述主轴上端的电机、与所述主轴固定连接的支撑杆、与所述支撑杆固定连接的叶片、安装在所述叶片上的类圆柱阀、与所述类圆柱阀固定连接的调节推杆、与所述调节推杆铰接的推杆、用于铰接所述推杆和所述调节推杆的插销、固定在所述主轴上的电机驱动转盘和用于固定所述叶片的支撑杆，其中所述推杆的另一端固定在所述电机驱动转盘上，所述叶片远离所述电机驱动转盘的一端设置有上风区通道和下风区通道，其中，所述上风区通道和所述下风区通道对称设置，所述上风区通道和所述下风区通道的连通处设置有类圆柱阀安装腔，所述类圆柱阀安装腔的直径大于所述上风区通道和所述下风区通道的宽度，所述上风区通道的中心线与所述叶片的中心线之间的夹角为30°～60°，所述下风区通道的中心线与所述上风区通道的中心线之间的夹角为60°～90°。

可选的，所述上风区通道的中心线与所述叶片的中心线之间的夹角为50°，所述下风区通道的中心线与所述上风区通道的中心线之间的夹角为80°。

可选的，所述上风区通道和所述下风区通道的宽度相同，所述上风区通道和所述下风区通道的相对所述叶片的中心线对称设置。

可选的，所述类圆柱阀安装腔的中心到所述叶片的左端之间的距离与所述叶片的长度之间的比值为1:8。

可选的，所述电机与所述主轴同步转动，所述电机与所述电机驱动转盘之间键连接。

可选的，所述H型垂直轴风力发电装置还包括风向仪，所述风向仪实时检测风向并确定所述叶片所处的上下风区。

可选的，所述H型垂直轴风力发电装置包括3个相同的所述叶片，且3个相同的所述叶片相互之间呈120°夹角辐射状对称设置在所述主轴一周。

本发明的实施例至少具有如下有益技术效果：

本发明实施例的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置在工作时，通过风向仪确定H型垂直轴风力发电装置的叶片所处的上下风区，并将信号传递给电机，电机通过调节转速匹配风轮转速，并通过正反转来带动推杆运动，推杆带动调节推杆摆动，从而使类圆柱阀转动，由于类圆柱阀上只有一条通道，当叶片处于上风区时，类圆柱阀的转动使上风区通道打开，下风区通道关闭，当叶片处于下分区时，类圆柱阀的转动使下风区通道打开，上风区通道关闭，进而实现了在叶片位于不同风区时，翼缝的开闭也不同，这样可以保证垂直轴风力机在旋转过程中，压力面气流均可通过翼缝吹向吸力面边缘，增加吸力面气流动力，延迟附面层分离的发生，采用四连杆机构与类圆柱阀相结合，实现了分风区对称开缝的目的，提升了H型垂直轴风力发电装置叶片翼型的气动性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为已有技术中单向开缝式叶片旋转一周的位置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置的整体结构图；

图3为本发明实施例提供的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置的装配结构图；

图4为本发明实施例提供的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的叶片的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的叶片的翼型升阻力系数图；

图7为本发明实施例提供的叶片的翼型表面压力系数分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图2～附图7，以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

参考图2、图3、图4和图5所示，本发明实施例的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置，包括主轴3、安装在主轴3上的发电机1、安装在主轴3上端的电机4、与主轴3固定连接的支撑杆5、与支撑杆5固定连接的叶片10、安装在叶片10上的类圆柱阀6、与类圆柱阀固定连接的调节推杆7、与调节推杆7铰接的推杆5、用于铰接推杆5和调节推杆7的插销9、固定在主轴3上的电机驱动转盘8和用于固定叶片10的支撑杆2，其中，推杆5的另一端固定在电机驱动转盘8上，叶片10远离电机驱动转盘8的一端设置有上风区通道101和下风区通道102，其中，上风区通道101和下风区通道102对称设置，上风区通道101和下风区通道102的连通处设置有类圆柱阀安装腔103，类圆柱阀安装腔103的直径大于上风区通道101和下风区通道102的宽度，上风区通道101的中心线与叶片10的中心线之间的夹角为30°～60°，下风区通道102的中心线与上风区通道101的中心线之间的夹角为60°～90°。

具体的，参考图2和图3所示，两个支撑杆2相配合，将一个叶片10的两端分别固定在发电机1和电机驱动转盘8上，也即两个支撑杆2的端部分别与叶片10的上端和下端相固定。

进一步的，参考图5所示，上风区通道101的中心线与叶片10的中心线之间的夹角α为30°～60°，下风区通道102的中心线与上风区通道101的中心线之间的夹角β为60°～90°。其中，优选的，上风区通道101的中心线与叶片10的中心线之间的夹角α为50°，下风区通道102的中心线与上风区通道101的中心线之间的夹角β为80°。当上风区通道101的中心线与叶片10的中心线之间的夹角α设置为50°，下风区通道102的中心线与上风区通道101的中心线之间的夹角β设置为80°，无论是当叶片处于上风区时，还是当叶片处于下分区时，均可以实现在叶片位于不同风区时，翼缝的开闭也不同，而且还可以保证垂直轴风力机在旋转过程中，压力面气流均可通过翼缝吹向吸力面边缘，而且此时吸力面气流动力最好，附面层分离的延迟效果最佳，可以充分提升H型垂直轴风力发电装置叶片翼型的气动性能。

进一步的，参考图5所示，上风区通道101和下风区通道102的宽度相同，上风区通道101和下风区通道102的相对叶片的中心线A-A对称设置。其中，上风区通道101和下风区通道102的相对叶片的中心线A-A对称设置可以保证无论是当叶片处于上风区时，还是当叶片处于下分区时，H型垂直轴风力发电装置叶片翼型的气动性能接近，保证H型垂直轴风力发电装置的主轴受力均匀，进而保证叶片的运行稳定和工作可靠性。

进一步的，电机4与主轴3同步转动，电机4与电机驱动转盘8之间键连接。电机4的转动可以带动电机驱动转盘8转动，推杆5的一端通过螺栓固定在电机驱动转盘8上，另一头与调节推杆7相连，调节推杆7与插销9通过过盈配合组装在一起，推杆7的转动可以带动插销9同步转动，插销9通过插槽与类圆柱阀6相连，且类圆柱阀6的转动与插销9保持同步。

而且，本发明实施例的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置还包括风向仪11，风向仪11实时检测风向并确定叶片10所处的上下风区，也即风向仪11可以判断叶片10是处于上风区还是下风区。

进一步的，参考图2和图3所示，本发明实施例的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置包括3个相同的叶片10，且3个相同的叶片10相互之间呈120°夹角辐射状对称设置在主轴3的一周。

本发明实施例的一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置的工作过程如下：在工作时，通过风向仪确定H型垂直轴风力发电装置的叶片所处的上下风区，并将信号传递给电机，电机通过调节转速匹配风轮转速，并通过正反转来带动推杆运动，推杆带动调节推杆摆动，从而使类圆柱阀转动，由于类圆柱阀上只有一条通道，当叶片处于上风区时，类圆柱阀的转动使上风区通道打开，下风区通道关闭，当叶片处于下分区时，类圆柱阀的转动使下风区通道打开，上风区通道关闭，进而实现了在叶片位于不同风区时，翼缝的开闭也不同，这样可以保证垂直轴风力机在旋转过程中，压力面气流均可通过翼缝吹向吸力面边缘，增加吸力面气流动力，延迟附面层分离的发生，采用四连杆机构与类圆柱阀相结合，实现了分风区对称开缝的目的，提升了H型垂直轴风力发电装置叶片翼型的气动性能。

为进一步解决大攻角下，H型垂直轴风力发电装置的翼型的附面层分离现象，首先需确定翼型临界攻角，即刚开始发生失速时翼型所处的攻角，示例的，通过ANSYS FLUENT仿真得到NACA0012翼型在雷诺数Re＝1.8×105条件下升阻力系数变化图如图6所示，由图6可知，当翼型攻角为10°时，翼型的升力系数下降，所以认为攻角10°为翼型的临界攻角。

进一步的，为得到合理的开缝位置，在实现本发明的过程中，需分析当攻角为10°时，翼型的压力系数分布图。通过仿真得到翼型表面压力系数分布图如图7所示，由图7可以看出，当翼型在x/c>0.05时，翼型吸力面和压力面的压力系数差值开始迅速缩小，表明失速开始发生；当翼型在0.15<x/c<0.8时，吸力面的压力系数值趋近一个常值，同时压力面的压力系数缓慢下降，表明该区域的附面层分离已经发生，翼型进入失速状态；当x/c>0.8后，吸力面与压力面压力系数趋近相等，并在x/c＝1时达到翼型尾缘处压力。通过对压力系数分布图分析可知，翼型发生附面层分离的位置在0.05<x/c<0.15之间。由于分离点所处位置变化范围较小，综合考虑各种因素，本申请请求保护的技术方案选取x＝1/8c处为开缝位置，即本申请请求保护的技术方案中，优选的，类圆柱阀安装腔103的中心到10叶片的左端之间的距离与叶片10的长度之间的比值为1:8。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种具有对称开缝式叶片的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述H型垂直轴风力发电装置包括主轴、安装在所述主轴上的发电机、安装在所述主轴上端的电机、与所述主轴固定连接的支撑杆、与所述支撑杆固定连接的叶片、安装在所述叶片上的类圆柱阀、与所述类圆柱阀固定连接的调节推杆、与所述调节推杆铰接的推杆、用于铰接所述推杆和所述调节推杆的插销、固定在所述主轴上的电机驱动转盘和用于固定所述叶片的支撑杆，其中所述推杆的另一端固定在所述电机驱动转盘上，所述叶片远离所述电机驱动转盘的一端设置有上风区通道和下风区通道，其中，所述上风区通道和所述下风区通道对称设置，所述上风区通道和所述下风区通道的连通处设置有类圆柱阀安装腔，所述类圆柱阀安装腔的直径大于所述上风区通道和所述下风区通道的宽度，所述上风区通道的中心线与所述叶片的中心线之间的夹角为30°～60°，所述下风区通道的中心线与所述上风区通道的中心线之间的夹角为60°～90°。

2.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述上风区通道的中心线与所述叶片的中心线之间的夹角为50°，所述下风区通道的中心线与所述上风区通道的中心线之间的夹角为80°。

3.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述上风区通道和所述下风区通道的宽度相同，所述上风区通道和所述下风区通道的相对所述叶片的中心线对称设置。

4.根据权利要求1～3任一项所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述类圆柱阀安装腔的中心到所述叶片的左端之间的距离与所述叶片的长度之间的比值为1:8。

5.根据权利要求4所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述电机与所述主轴同步转动，所述电机与所述电机驱动转盘之间键连接。

6.根据权利要求4所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述H型垂直轴风力发电装置还包括风向仪，所述风向仪实时检测风向并确定所述叶片所处的上下风区。

7.根据权利要求4所述的H型垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述H型垂直轴风力发电装置包括3个相同的所述叶片，且3个相同的所述叶片相互之间呈120°夹角辐射状对称设置在所述主轴一周。