專利名稱：帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)的導(dǎo)風(fēng)輪，尤其是一種具有多段組合式導(dǎo)流葉片，為垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)能利用率的導(dǎo)風(fēng)輪。
背景技術(shù)：
風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動力源，它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力機(jī)按結(jié)構(gòu)形式大體上分為水平軸和垂直軸兩種。水平軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展較完善，由于其具有較高的效率而作為當(dāng)今主流的風(fēng)力機(jī)類型得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于水平軸風(fēng)力機(jī)安裝難度高、投資成本大且不便移動等缺點(diǎn)，它的使用目前往往主要限于并網(wǎng)發(fā)電中，而對于一些小型離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)中，目前使用最為廣泛的仍是垂直軸風(fēng)力機(jī)。
圖1所示的是現(xiàn)有的垂直軸風(fēng)力機(jī)平面示意圖，它僅由風(fēng)葉1.、
旋轉(zhuǎn)軸2構(gòu)成單個風(fēng)輪，雖結(jié)構(gòu)簡單，但效率明顯低于相同尺寸的水平軸風(fēng)力機(jī)。 一個主要原因是當(dāng)來流沖擊風(fēng)輪時(shí)，在其迎風(fēng)面的一側(cè)受到的是有效的推力，而在另一側(cè)受到的是風(fēng)的阻力，上述兩種力的合力是推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)作功的真正有效動力。由于迎風(fēng)面上一側(cè)風(fēng)阻的存在，顯著降低了垂直軸風(fēng)輪的有效受風(fēng)性能。因此，只要降低該側(cè)
上風(fēng)阻，即有望能提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的效率。中國發(fā)明專利公開了一種"垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪裝置"，申請?zhí)?
200710007899.X,申請日2007.01.22，將對稱的部分圓面對稱彎曲構(gòu)成的曲面作為風(fēng)輪的葉片，以數(shù)量四個或四個以上這樣的葉片，用葉片的兩個銳角在同一根風(fēng)輪軸上順序均布地固定連接在一起，構(gòu)成一個外觀近似南瓜的風(fēng)輪，但是此裝置的不足之處在于無法降低風(fēng)葉的吸力面因受來流的直接沖擊所造成的不利于風(fēng)輪有效轉(zhuǎn)動的阻力矩。中國實(shí)用新型專利公開了 "一種垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪裝置"，申請?zhí)?00720149499.8，申請日2007.06.06，轉(zhuǎn)動軸垂直于大地水平面設(shè)立，多個均勻分布的弧形風(fēng)葉豎向固定在轉(zhuǎn)動軸上，可以控制開度的半圓柱風(fēng)力調(diào)節(jié)閘門設(shè)置在風(fēng)葉轉(zhuǎn)動的外圓周上并可以沿圓周滑動。半圓柱風(fēng)力調(diào)節(jié)閘門可隨風(fēng)向而改變其位置以調(diào)節(jié)風(fēng)葉的受風(fēng)面積，當(dāng)它轉(zhuǎn)動到位于轉(zhuǎn)動軸一側(cè)的迎風(fēng)方向上，遮擋了整個受風(fēng)葉片受風(fēng)面的一半時(shí)，風(fēng)能的利用達(dá)到了最大值，在風(fēng)輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動覆蓋的有效受風(fēng)區(qū)域內(nèi)，風(fēng)能利用率最高極限可達(dá)50%;當(dāng)它遮擋了整個受風(fēng)葉片受風(fēng)面時(shí)，風(fēng)葉不受風(fēng)，相當(dāng)于關(guān)閉了風(fēng)輪，但是此裝置的不足之處在于加入調(diào)節(jié)閘門雖然起到一定的節(jié)能效果但是初期投入費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用較高。
上述各專利所提出的垂直風(fēng)輪均是通過優(yōu)化風(fēng)葉結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其效率的提高，但這些結(jié)構(gòu)實(shí)施復(fù)雜， 一次性投入大。 一種簡單而能有效地克服垂直軸風(fēng)力機(jī)的固有缺點(diǎn)的垂直軸風(fēng)力機(jī)稱為導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)，它是在原垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外圍增加一個起導(dǎo)流作用導(dǎo)風(fēng)輪。導(dǎo)風(fēng)輪的阻流作用可以大大降低來流對風(fēng)輪一側(cè)迎風(fēng)面上的風(fēng)阻力，從而有效提高了來流對風(fēng)輪的推動力。此外，導(dǎo)風(fēng)輪也起著加速與導(dǎo)流的作用，能將來流盡可能均勻地導(dǎo)入風(fēng)輪中，使之更有效地推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)作功。上述兩方面的原因使導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率較由單風(fēng)輪構(gòu)成的垂直軸風(fēng)力機(jī)有了明顯提高。但是，當(dāng)氣流流過導(dǎo)風(fēng)輪后，其有效機(jī)械能也會產(chǎn)生額外的損失，因此良好的導(dǎo)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流葉片的型線有助于降低其對來流機(jī)械能的耗散，從而有望更進(jìn)一步提高整個導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)的整體運(yùn)行效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，其目的在于優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)輪及其導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)，使之能有效地收集來流風(fēng)能、更好地降低其對來流機(jī)械能的耗散、充分地加速來流以推動風(fēng)輪
旋轉(zhuǎn)作功；使用本導(dǎo)風(fēng)輪的導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)能有效避免常規(guī)垂直軸風(fēng)力機(jī)中導(dǎo)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)不合理、導(dǎo)風(fēng)輪與風(fēng)輪間氣動性能不匹配等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行效能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，由上下風(fēng)輪蓋板及其間沿周向等距排列的導(dǎo)流葉片組成，其特點(diǎn)是導(dǎo)風(fēng)輪與風(fēng)輪在葉高方向的尺度相等；導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口直徑為風(fēng)輪進(jìn)口直徑的2~3倍、出口直徑為0. 1 0. 2倍的風(fēng)輪風(fēng)葉弦長與風(fēng)輪進(jìn)口直徑之和；導(dǎo)風(fēng)輪上的導(dǎo)流葉片的進(jìn)口角度為90°、出口角度比對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉進(jìn)口角度小0°~5°。
導(dǎo)流葉片為直葉片形式，其葉片數(shù)目為對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉數(shù)目減去一后的1. 5 2. 5倍。導(dǎo)流葉片5的中弧線10由兩條直線段以及分別與之相切的進(jìn)口徑向段、中間過渡段、出口導(dǎo)流段三部分圓弧段所構(gòu)成的光滑曲線而成。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果
1. 這種由多段組合式導(dǎo)流葉片所構(gòu)成的導(dǎo)風(fēng)輪，具有比現(xiàn)有導(dǎo)風(fēng)輪風(fēng)能收集性強(qiáng)、流動損失小、導(dǎo)流性能高等優(yōu)點(diǎn)；
2. 多段組合式導(dǎo)流葉片的成型方法雖包含了黃金分割原理、氣體動力學(xué)原理等優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，但其具體實(shí)現(xiàn)過程非常方便，加工工藝簡單；
3. 本導(dǎo)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與對應(yīng)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化匹配，有助于提高導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)的整體效能。


圖1是現(xiàn)有單個風(fēng)輪構(gòu)成的垂直軸風(fēng)力機(jī)平面示意圖；圖2是本發(fā)明的導(dǎo)風(fēng)輪的主視圖3是本發(fā)明及相應(yīng)風(fēng)輪所構(gòu)成的導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)平面示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明加以詳細(xì)說明。但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列
入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明的帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，如圖2、 3所示包
括上下蓋板4和由進(jìn)口徑向段7、中間光滑過渡段8、出口導(dǎo)流段9這三部分組合成的中弧線10所決定的導(dǎo)流葉片5所構(gòu)成。
導(dǎo)風(fēng)輪主要由上、下風(fēng)輪蓋板4及其間沿周向等距排列的多段組合式導(dǎo)流葉片5組成；導(dǎo)風(fēng)輪與風(fēng)輪在葉高方向的尺度相等；導(dǎo)風(fēng)輪
的進(jìn)口直徑11為風(fēng)輪進(jìn)口直徑13的2 3倍、出口直徑12為0. 1 0. 2 倍的風(fēng)輪風(fēng)葉弦長與風(fēng)輪進(jìn)口直徑之和；導(dǎo)風(fēng)輪上的導(dǎo)流葉片5的進(jìn) 口角度19為90° (即純徑向)、出口角度16比對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉進(jìn)口角度 19小0° 5°。導(dǎo)流葉片5的葉高6與對應(yīng)風(fēng)輪葉高相同、其葉片5個 數(shù)是對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉個數(shù)減一后的1. 5倍到2. 5倍(取整數(shù))；
導(dǎo)流葉片5采用直葉片形式，其葉片5具體型線完全決定于其葉 片中弧線的形狀。導(dǎo)流葉片5的中弧線10由兩條直線段以及分別與 之相切的圓弧段這三部分組合而成，它們依次被稱為進(jìn)口徑向段7、 中間光滑過渡段8、出口導(dǎo)流段9。該中弧線的具體成型方法描述如 下(各字母所在位置參照圖2):
在導(dǎo)風(fēng)輪出口所在圓弧12上任取一點(diǎn)A，過點(diǎn)A作比風(fēng)輪上風(fēng) 葉進(jìn)口角度小0°~5°角的直線，并與導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口所在圓弧交于點(diǎn)B(即 線段AB與風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)方向的相反圓周方向的夾角比風(fēng)葉進(jìn)口角度小 0° 5°)。取線段AB的黃金分割點(diǎn)點(diǎn)C (即線段AC與線段BC的長度之 比為0.618)，過點(diǎn)C作與圓周方向成9(T角的直線，并交導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口 所在圓弧于點(diǎn)D。過線段CD的中點(diǎn)E作其垂線，并與ZACD的角平分 線相交于點(diǎn)F。以點(diǎn)F為圓心，以線段FE的長度為半徑，過點(diǎn)E作 劣弧，并與線段AC相切于點(diǎn)G。則曲線DEGA即是導(dǎo)流葉片所須的中 弧線。其中，線段DE即為進(jìn)口徑向段7、相切的圓弧EG為中間光滑 過渡段8、線段為出口導(dǎo)流段9。
當(dāng)中弧線IO按上述方法成型后，即可以此為骨架線，生成沿其具有一定厚度分布的機(jī)翼型導(dǎo)流葉片或厚度均勻分布、造型簡單的板 式導(dǎo)流葉片。
來流首先由進(jìn)口徑向段7被收集，通過中間光滑過渡段8逐步改 變流動方向，以有效防止流動分離，經(jīng)過出口導(dǎo)流段9的導(dǎo)流與加速 作用后流入風(fēng)輪，推動風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)不僅能減少來流機(jī)械能在 導(dǎo)風(fēng)輪中的額外耗散，而且能使來流經(jīng)加速后更有力地沖擊左側(cè)風(fēng)葉 的壓力面17。同時(shí)該結(jié)構(gòu)又顯著降低了右側(cè)風(fēng)葉的吸力面18因受來 流的直接沖擊所造成的不利于風(fēng)輪有效轉(zhuǎn)動的阻力矩，從而整個風(fēng)輪 的風(fēng)能利用效率得到大幅提高。該導(dǎo)風(fēng)輪本質(zhì)上是個二維結(jié)構(gòu)，它除 了具有風(fēng)能收集性強(qiáng)、流動損失小、導(dǎo)流性能高等優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié) 構(gòu)簡單、加工便捷等優(yōu)點(diǎn)，若將它用于導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)上，則能 顯著提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的整體效能。
權(quán)利要求
1. 一種帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，由上下風(fēng)輪蓋板(4)及其間沿周向等距排列的導(dǎo)流葉片(5)組成，其特征在于所述導(dǎo)風(fēng)輪與風(fēng)輪在葉高方向的尺度相等；導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口直徑(11)為風(fēng)輪進(jìn)口直徑(13)的2～3倍、出口直徑(12)為0.1～0.2倍的風(fēng)輪風(fēng)葉弦長與風(fēng)輪進(jìn)口直徑之和；導(dǎo)風(fēng)輪上的導(dǎo)流葉片(5)的進(jìn)口角度(19)為90°、出口角度(16)比對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉進(jìn)口角度(19)小0°～5°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，其特 征在于所述導(dǎo)流葉片(5)為直葉片形式，其葉片(5)數(shù)目為對應(yīng) 風(fēng)輪風(fēng)葉數(shù)目減去一后的1. 5~2. 5倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪， 其特征在于所述導(dǎo)流葉片(5)的中弧線(10)由兩條直線段以及 分別與之相切的進(jìn)口徑向段(7)、中間過渡段(8)、出口導(dǎo)流段(9) 三部分圓弧段所構(gòu)成的光滑曲線而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有多段組合式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)風(fēng)輪，由上下風(fēng)輪蓋板及其間沿周向等距排列的導(dǎo)流葉片組成。導(dǎo)風(fēng)輪與風(fēng)輪在葉高方向的尺度相等；導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口直徑為風(fēng)輪進(jìn)口直徑的2～3倍、出口直徑為0.1～0.2倍的風(fēng)輪風(fēng)葉弦長與風(fēng)輪進(jìn)口直徑之和；導(dǎo)風(fēng)輪上的導(dǎo)流葉片的進(jìn)口角度為90°、出口角度比對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉進(jìn)口角度小0°～5°。導(dǎo)流葉片為直葉片形式，其葉片數(shù)目為對應(yīng)風(fēng)輪風(fēng)葉數(shù)目減去一后的1.5～2.5倍。本發(fā)明的導(dǎo)風(fēng)輪具有風(fēng)能收集性強(qiáng)、流動損失小、導(dǎo)流性能高、加工工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，與對應(yīng)的風(fēng)輪組合即可構(gòu)成具有高效風(fēng)能利用效率的導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)。
文檔編號F03D3/04GK101509466SQ20091004745
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者王企鯤, 童正明 申請人:上海理工大學(xué)