一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片论文和设计-李国文

全文摘要

一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，采用分体式结构，包括静片和动片，动片嵌装在静片中部；在叶片前缘段的动片顶端固连有第一转轴，第一转轴与叶片展长方向相平行，第一转轴通过轴承与静片相连；在叶片前缘段的动片底端固连有第二转轴，第二转轴正下方的静片内竖直固装有动片摆转驱动电机，且动片摆转驱动电机的电机轴朝上设置，第二转轴与动片摆转驱动电机的电机轴通过联轴器相固连；动片的展长至少为静片展长的30％；动片的弦长至少为静片弦长的50％。本实用新型的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当垂直轴风力机安装了本实用新型的叶片后，可有效提高垂直轴风力机低速启动性能，在高速时不会产生额外阻力，有效提高风能利用率。

主设计要求

1.一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，其特征在于：采用分体式结构，包括静片和动片，动片嵌装在静片中部；在叶片前缘段的动片顶端固连有第一转轴，第一转轴与叶片展长方向相平行，第一转轴通过轴承与静片相连；在叶片前缘段的动片底端固连有第二转轴，第二转轴正下方的静片内竖直固装有动片摆转驱动电机，且动片摆转驱动电机的电机轴朝上设置，所述第二转轴与动片摆转驱动电机的电机轴通过联轴器相固连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，其特征在于：所述动片的展长至少为静片展长的30％。

3.根据权利要求1所述的一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，其特征在于：所述动片的弦长至少为静片弦长的50％。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，特别是涉及一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片。

背景技术

随着环境和能源问题日益突出，可再生能源的开发和利用得到世界各国的重视，而风能在可再生能源的利用中占有很大的比例，风力发电作为对风能利用的主要形式受到越来越多的重视。

现阶段，用于并网运行的大型风力发电机组，大多为水平轴风力发电机组，但风能的最早利用形式则是垂直轴风车，而垂直轴风力发电机的出现时间则比较晚，主要是由于人们普遍认为垂直轴风力发电机的风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。

随着升力型风轮技术的发展，使得垂直轴风力发电机的风能利用率不再低于水平轴风力发电机，并且与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机还具有维护方便、叶片设计制造简单、造价低、无需对风机构等优点。

但是，如何进一步提高垂直轴风力发电机的风能利用率，现阶段有效的解决办法并不多，通过对边界层以外的主流流动控制来防止边界层发展和分离的方式，就是解决办法之一；同时，为了获得更小启动风速，垂直轴风力机派生了相应的升阻混合型风力机，虽然可以改善风机低速启动性能，但高速时却成了风机的阻力源，反而会影响到风能利用率。

由于垂直轴风力发电机的叶片阻力有两个来源，第一是由于空气流体与叶片表面摩擦所产生的剪应力，第二是叶片表面非对称压强分布所产生的压差阻力；实际中，边界层的作用类似于减小了流动通道(或可理解为增加了物体的等效厚度)，使叶片后部压力比无粘流时小，进而形成压差阻力；当流动发生分离时，分离区速度很小，从分离点开始，压力基本不变，分离将在叶片的后部形成分离区和尾流，它们都是低压区，将导致很强的压差阻力(分离阻力)。

因此，为了使阻力减小就需要把边界层的发展控制在最小的限度内，并设法防止发生分离，而流线型的采用以及扩压器最适宜扩散角的选择等都是建立在这个观点上的，特别是在翼型的设计中更是如此，例如把叶片最厚的位置向后挪动，使叶片吸力面的压力梯度尽可能地变小，这时边界层会更加稳定且容易保持层流，层流边界层的壁面剪切应力较湍流的小，所以形成了阻力比较小的翼型(层流翼型)。

但是，通过对边界层以外的主流流动控制来防止边界层发展和分离的方式，实施过程始终比较繁琐和复杂，如果可以在不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制，将极大的简化实施过程，同时提高垂直轴风力发电机的风能利用率。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变叶片本身结构来实现流动控制，本实用新型的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当垂直轴风力机安装了本实用新型的叶片后，不但可以有效提高垂直轴风力机的低速启动性能，而且在高速时不会产生额外阻力，有效提高了垂直轴风力机的风能利用率。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，采用分体式结构，包括静片和动片，动片嵌装在静片中部；在叶片前缘段的动片顶端固连有第一转轴，第一转轴与叶片展长方向相平行，第一转轴通过轴承与静片相连；在叶片前缘段的动片底端固连有第二转轴，第二转轴正下方的静片内竖直固装有动片摆转驱动电机，且动片摆转驱动电机的电机轴朝上设置，所述第二转轴与动片摆转驱动电机的电机轴通过联轴器相固连。

所述动片的展长至少为静片展长的30％。

所述动片的弦长至少为静片弦长的50％。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变叶片本身结构来实现流动控制，本实用新型的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当垂直轴风力机安装了本实用新型的叶片后，不但可以有效提高垂直轴风力机的低速启动性能，而且在高速时不会产生额外阻力，有效提高了垂直轴风力机的风能利用率。

附图说明

图1为本实用新型的一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中的动片处于打开状态时的示意图；

图中，1—静片，2—动片，3—第一转轴，4—轴承，5—第二转轴，6—动片摆转驱动电机，7—联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种分体启动增阻式垂直轴风力机叶片，采用分体式结构，包括静片1和动片2，动片2嵌装在静片1中部；在叶片前缘段的动片2顶端固连有第一转轴3，第一转轴3与叶片展长方向相平行，第一转轴3通过轴承4与静片1相连；在叶片前缘段的动片2底端固连有第二转轴5，第二转轴5正下方的静片1内竖直固装有动片摆转驱动电机6，且动片摆转驱动电机6的电机轴朝上设置，所述第二转轴5与动片摆转驱动电机6的电机轴通过联轴器7相固连。

所述动片2的展长至少为静片1展长的30％。

所述动片2的弦长至少为静片1弦长的50％。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型0018，按照选取的翼型制作两组叶片，第一组叶片为传统叶片，第二种叶片在传统叶片基础上按照本实用新型进行改造，两组叶片均为木质结构，叶片弦长为100mm，叶片展长为600mm；每组内的叶片数量均为四个；由于叶片为木质结构，为了降低分体后对本实用新型叶片的强度造成影响，可以在槽内装入刚性较好的金属加固件，同时为了保证垂直轴风力试验机在转动过程的平衡，每个叶片内的金属加固件的安装位置要保持一致。

上述准备工作结束后，分别将两组叶片组装到垂直轴风力试验机上，先对安装有传统叶片的垂直轴风力试验机进行试验。在试验过程中，传统叶片进行工作时，叶片与空气来流的相遇后，需要依靠叶片本身的升力在旋转圆周切向分力来产生动力，但当切向分力不能克服风力试验机的系统阻力时，风机将不能启动，因此只有风力增大到可以提供足够的切向分力时，风机才能启动，此时也决定了传统叶片下的垂直轴风力试验机的风能利用率。

接下来，对安装有本实用新型叶片的垂直轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本实用新型的叶片工作时，在风机启动前，先控制动片摆转驱动电机6的电机轴转动设定的角度，通过电机轴带动第二转轴5转动同样的角度，进而使动片2相对于静片1打开相同的角度，此时的动片2与静片1大致呈现V字型，当V字型的开口朝向气流时，该叶片会对气流产生明显的阻力，而气流的反作用力将转化为叶片的旋转动力；当叶片启动后，在低速范围内，叶片受到的阻力做正功；随着叶片转速的逐渐提高，叶片受到的阻力将变为做负功，此时过大的阻力将对叶片的旋转产生阻碍作用，因此需要控制动片摆转驱动电机6的电机轴反向回转至初始位置，使动片2与静片1重新扣合到一起，以恢复叶片原本的气动外形，有效保证叶片原本的气动性能，最终提高了垂直轴风力试验机的低速启动性能，从而使垂直轴风力试验机的风能利用率得到提高。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

设计图

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