[发明专利]垂直轴风力发电机的叶片及叶轮

说明书

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种带辅翼、结构简单、可微风启动、运行稳定、无噪声的H型垂直轴风力发电机叶片及叶轮。

背景技术

风力发电机分为水平轴和垂直轴两种，H型叶轮是垂直轴风力发电机的常见形式，具有结构简单、安装维护方便、可接受任意方向来风、噪音低的特点。直叶片叶轮由于结构原因，存在低风速启动困难，高速运行稳定性差的缺陷。叶轮工作时，因流过叶片的逆风面和顺风面的风速不同，气流作用于两面的压力不同，存在压力差，在此压力差的作用下，气流会越过叶片端部，由压力高的一面向压力低的另一面流动，在叶片端部附近产生涡旋气流，见图1。此涡旋气流一方面增加叶片运行的阻力，影响叶轮的稳定性；另一方面也会在叶片端部附近产生压力损失，使叶片受到的升力减小，降低了风能利用效率。同时，H型叶轮的叶片所受离心力作用随叶轮转速的加快而增加，增大了叶片的弯曲应力，也使叶轮的稳定性变差。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明在H型叶轮直翼型叶片上增加辅翼，提出一种结构简单，可微风启动，能增加风力机运行稳定性，提高风能利用效率的垂直轴风力发电机的叶片及叶轮。

为达到上述目的，本发明的垂直轴风力发电机的叶片由主翼和辅翼构成。主翼为叶片的中间直线段部分，其横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），其所有横截面前缘点A、后缘点B连接弦的中点轨迹为平行于轮轴中心线的直线段，是叶片的主要构成部分，见图2、图3、图6、图7。

辅翼是指主翼辅助增加的部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰），该圆弧所在的平面与轮轴中心线共面。

辅翼直线段外形由横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）的上弦曲面外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼直线段上、下端横截面最高、最低点C的内曲面（含平面）所围成；辅翼段叶片上、下对称配置，见图2、图3；辅翼过渡弯曲段与主翼段外形均匀连接成一体、构成完整叶片。

轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图7。叶片的主翼和上、下辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A与后缘点B连接弦的中点分别分布于圆心在轮轴中心线上的一系列水平截面圆的圆周上，见图5、图6。

为达到上述目的，由本发明的叶片制作的垂直轴风力发电机叶轮，包括复数枚叶片、轮轴和支持臂。叶片横截面为翼型的流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），外形为上下对称。叶片通过支持臂与轮轴固定连接，支持臂为叶片与轮轴的固定连接件，见图7。

主翼为叶片的中间直线段部分，其横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形），其所有横截面前缘点A、后缘点B连接弦的中点轨迹为平行于轮轴中心线的直线段，是叶片的主要构成部分，见图2、图3、图6。

辅翼是指主翼辅助增加的部分，包括上、下辅翼；辅翼由直线段和过渡弯曲段外形均匀连接构成；辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A、后缘点B间连接弦的中点轨迹为一向轮轴侧弯曲的圆弧，圆心角为α（0⁰＜α＜90⁰），该圆弧所在的平面与轮轴中心线共面。。

辅翼直线段外形由横截面为机翼流线型横截面外形（含适于制作垂直轴风力发电机翼型的任何流线型横截面外形）的上弦曲面外曲面与过辅翼过渡弯曲段上、下端横截面弦前缘点A、后缘点B和辅翼直线段上、下端横截面最高、最低点C的内曲面（含平面）所围成；辅翼段叶片上、下对称配置，见图2、图3；辅翼过渡弯曲段与主翼段外形均匀连接成一体、构成完整叶片。

轮轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图7。叶片的主翼和上、下辅翼过渡弯曲段横截面前缘点A与后缘点B连接弦的中点分别分布于圆心在轮轴中心线上的一系列水平截面圆的圆周上，见图5、图6。

上述结构的垂直轴风力发电机叶片以及采用上述结构的垂直轴风力发电机叶片制成的叶轮，如图7所示。此构形设置能避免叶轮旋转时由于叶片逆风面和顺风面存在的压力差而产生的旋涡气流，减小叶片上、下端部的压力损失，从而增加叶轮的动力扭矩，有效地解决了风能利用率降低的问题，亦能同时提高叶轮运行的稳定性。