[发明专利]一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直轴S型风力机的专用风轮。

背景技术

垂直轴S型风力机由于结构简单、制造和维护成本低、不受风向限制、在小尖速比下的气动性能优于水平轴风力机风轮等优点，目前在城市公共照明、电信基站、高速公路等各种中小型风力发电系统中被广泛使用。但传统的垂直轴S型风力机风轮是由两个形状相同的半圆形叶片组成，风能利用效率通常低于0.15,与风能极限利用效率0.593有较大差距，制约了其进一步的推广使用。

围绕进一步提升垂直轴S型风轮气动性能的目标，国内外学者进行了一列研究，主要工作集中在优化风轮基本外形、添加辅助结构和设计混合型风轮系统等方面。M.H.Mohamed等人采用两个半圆形叶片方案，通过增加引导流板和优化布局，在尖速比小于1情况下将风能利用效率提升到接近0.18，此外还提出了一种优化叶片方案，在尖速比0.3～1.4的范围内，实现了风能利用效率的显著提升。Wen Tong Chong采用了多叶片结合上下向外扩张导流端板的设计方案，在尖速比为0.8时实现了最大气动效率为0.19。Burcin Deda Altan等人构造了一种封闭向前大幅扩张的流道，将气流引射到风轮前行叶片上，并减轻风轮后行叶片的负扭矩作用，在指定流向情况下实现了风轮气动性能的大幅度提升，但其结构相对复杂，且受风向限制。Biplab Kumar Debnath研究一种组合型垂直轴风力机风轮，其上部为三叶片Savonius风力机,下部是三叶片Darrieus风力机。美国专利提出的“Savonius wind turbine construction”专利号：US7762777和“Modified Savonius rotor”专利号：US7008171B1等都采用了优化风轮气动布局、增加各种阻流和导流设备等的改进思路，在特定的情况下都取得了一定的有益效果，但大部分结构过于复杂，难以在低成本推广使用。

综上所述，目前垂直轴S型风力机风轮的气动性能仍有较大改进空间，且随着分布式能源系统逐渐得到重视，将有更加广阔的应用前景。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

目前的垂直轴S型风力机气动效率较低，与风能极限利用效率0.593有很大差距。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮，包括两个完全相同、以风轮旋转中心对称布置的叶片，每个叶片由叶片内侧区域1、叶段2、叶孔3和叶齿4组成，所述叶孔3和叶齿4为多个，所述外侧区域1被叶孔3隔断成多个叶段2，叶段2和叶孔3交替布置，所述叶孔3和叶齿4的数量相同。

所述的叶孔3为3-4个。

所述的叶孔3宽度相同，用角度计量，以叶片圆心为基准，叶孔宽度为2～5°。

每个叶段2的宽度相同，每个叶段宽度θ_L用角度计量，以叶片圆心为基准，由下式求得：式中，n为叶孔数量；θ_k为叶孔宽度。

所述叶齿4宽度用角度计量，以叶片圆心为基准，为2～4°；每个叶片上的叶齿与叶孔数量相同。

所述叶齿4紧贴并对齐在每个叶段2的最下端内壁面上，风轮弦线竖直放置为参考系，以风轮上叶片为说明对象，按从上到下计，最后一个叶段上没有叶齿附着。

所述叶齿4外形带有三角特征，叶齿4与叶片紧贴的曲边保持与附着壁面相同曲率，叶齿4向着风轮中心倾斜，叶齿4其余两边为直边，由两条辅助线确定，一条辅助线是叶齿曲边的下边界点与风轮旋转中心的连线，称为倾斜线；另一条辅助线由相邻叶孔的下边界点与叶片圆心相连，称为气流遮蔽线；两条辅助线存在交点，称为齿高点。

所述叶齿4的其余两边直边分别是曲边的上下两个边界点与齿高点连接形成。

所述两个叶片交叉重叠部分的弦向距离为单个叶片弦长的15％。

3、有益效果：

与目前经典的垂直轴S型风力机风轮相比，本发明提供的包含叶齿的S型垂直轴风力机风轮的风能利用效率更高，仅通过简单改进就能大幅提升性能，更加适合推广使用。

附图说明

图1是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。

图2是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图。

图3是本发明包含四个叶齿的垂直轴S型风力机风轮的气动布局图。

图4是本发明包含三个叶齿的垂直轴S型风力机风轮与经典S型风轮的风能利用效率对比图。

具体实施方式