[发明专利]螺旋形垂直轴风力机叶片阳模制作工具及其制作方法

说明书

一、技术领域

本项发明涉及螺旋形垂直轴风力机叶片加工工具设计，属叶轮机械技术领域。 

二、背景技术

风力发电机可分为水平轴和垂直轴两类。其中与水平轴风力机比较，垂直轴风力机具有无需对风调向系统、结构简单；风向变化不影响风力机性能；发电机可放置在地面上、维护性好且允许较大电机尺寸等优点。 

垂直轴风力机风轮又可细分为阻力型和升力型两类，阻力型风轮利用叶片旋转过程中产生的阻力带动风轮转动，典型叶片形状为S形(如：气象部门应用的风速仪叶片)。另一类垂直轴风力机称为升力型，该类风力机利用翼型的升力产生转动力矩，其风能利用率较大程度高于阻力型风力机。田海姣在“垂直轴风力发电机发展概述”一文(应用能源技术第11期)对该类升力型风力机的发展与特点进行了较详细介绍。 

垂直轴风力机存在的主要缺陷是力矩周期性变化和不能自起动。在此以升力型风力机为例进行简单分析说明。由图1，在风轮转动过程中，叶素弦线(前缘点与后缘点连线)相对于风向角度不断周期性变化，因此该叶素产生的关于转动轴的力矩也相应呈周期性变化。这样无论采用直叶片还是Φ型叶片，也无论叶片数量多少，都存在风力机风轮输出力矩的周期性变化。由于风轮转动过程中力矩周期性变化，在某些转角范围内力矩小并且有可能出现负力矩，风轮在起动过程中会自动向此转角范围缓慢转动而不能自起动。因此，垂直轴风力机不能自起动根源仍在于风轮转动过程中力矩周期性变化，解决了风轮输出力矩周期性变化也就不存在自起动问题。 

风轮产生的力矩周期性变化形成周期性激振力，对塔架疲劳寿命影响很大；风力机不能自起动需要配备起动电动机和离合器，增加了结构复杂性和设备成本。 

目前工程实际应用中绝大多数是水平轴风力发电机(特别是大型风力发电机)，主要原因在于垂直轴风力机存在上述两个主要不足；而不在于通常所认为的垂直轴风力机风能利用系数小于水平轴风力机，实际上升力型垂直轴风力机风能利用系数与水平轴风力机相当。 

国际专利WO2005/010355提出一种由多个螺旋型叶片(多于一个叶片)构成风轮的垂直轴风力机，并根据该专利技术研制出一种三叶片垂直轴风力机，名为qr5(quiet revolution 5，即5米高静音旋转，产品资料及照片可见网址：http://www.quiet revolution.co.uk/qr5.htm)。该风力机采用螺旋形(S形)叶片只能部份消除风轮力矩周期性变化和缓解起动问题。原因在于叶片呈弓形、叶素所处回转面不是圆柱面而是中间回转面半径大两端回转面半径小、并且叶素弦长中间长两端短。因此叶片中间部份产生的力矩大、两端逐渐变小，很难实现任意风速、风向和转速下力矩不变。并且该项专利中也未介绍消除力矩周期性变化具体实施方法。 

美国专利US 6293835B2提出应用螺旋形风力涡轮装置作为船舶推进动力，叶片采用翼型沿圆柱螺旋线旋转形成，以达到风向变化时无需对风旋转。实际上在叶片总螺旋角不等于360度整数倍时，即使在风向不变时，风力机风轮输出力矩仍然周期性变化。此外，该项发明中指出叶片数多于一个，表明该项专利没有考虑到叶片总螺旋角等于360度整数倍可解决力矩不稳定问题。因为只要叶片总螺旋角等于360度整数倍，即使只有一个叶片也不存在力矩不稳定问题。 

因此上述两项专利有益于部份消除风轮力矩周期性变化和缓解起动问题，但由于未能考虑到风轮叶片垂直方向投影的各向同性(即：叶片总螺旋角等于360度整数倍和叶素积叠螺旋线所在回转面为圆柱面)，根据该两项专利技术很难设计出风轮输出力矩不周期性变化和具有自起动能力的风轮。 

为了解决垂直轴风力机力矩不稳定和不能自起动问题，专利“自起动无振动垂直轴风力机风轮”(申请号：200910032812.3)，提出采用螺旋形叶片。螺旋形叶片由叶素(翼型)沿螺旋形积叠线积叠形成，螺旋形积叠线所在回转面为绕旋转轴的圆柱面。目前风力机叶片加工通常手工制作阳模，再由阳模翻制成阴模，实现批量生产。水平轴风力机叶片和垂直轴风力机直叶片叶素积叠线都是直线，由于螺旋形叶片积叠线是空间三维螺旋线，因而阳模采用现有叶片制作方法难度较大。 

三、发明内容

现有叶片制作方法加工垂直轴风力机螺旋形叶片难度较大，提出一种针对此种叶片的叶片阳模制作工具及其制作方法。