[发明专利]高效利用低速流体的叶片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效利用低速流体的叶片及其制造方法，适用于利用气流或水流的场合，属于叶片设计、构造技术领域，以及可再生能源、节能减排和环境保护技术的开发与设计领域。

背景技术

据申请人所知，叶片的风能利用系数(表示为Cp，又称风能利用效率)是其最主要的性能参数；叶片的Cp与空气流过叶片时其产生的升力/阻力比值(升阻比)有关，而升阻比由构造翼型流线型的形状确定，因此叶片的Cp性能由其构成的翼型形状确定。提高叶片的Cp是研发高性能风电技术中最根本的技术。

现在市场上所见升力型风力发电产品的叶片均由单翼片构成，单翼叶片存在的问题是低风速性能欠佳，推力型(又称阻力型)叶片存在的问题是Cp低。提高风力机的低风速性能是降低风力发电成本的关键因素之一。

申请人专注于降低风力发电成本的研究已有十余年，着力于垂直轴风力机的研发，并在叶片的翼型研究方面取得了突破性的研究成果，发明了LF系翼型(垂直轴风力机专用翼型，专利申请号201410178052.8申请公布号CN103939283A)和一种高效利用风能的多翼集流叶片(专利号201210152431.0授权公告号CN102661239B)，有效提高了叶片在低风速下的Cp。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种高效利用低速流体的叶片，通过对叶片结构的改进，提高叶片的性价比。

本发明的主要技术构思如下：发明人在现有研究成果的基础上进行了更加深入地实践研究后发现，现有集流叶片的头部翼片由于加工难度很大而导致制造成本过高，不利于提高叶片的性价比；有基于此，发明人经深入地实践研究后终于得出了能有效提高叶片性价比的技术方案。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种高效利用低速流体的叶片，具有流线形截面，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；其特征是，所述翼构件包括一个头部翼件和一个尾部翼件，或者包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及尾部翼件的上部或部分上部共同构成，或者由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由尾部翼件的下部或部分下部构成，或者由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成。

由于现有技术不存在任何相关启示，发明人只能在不断地实践中反复求索尝试，寻找既能降低制造成本、又不损失叶片性能的改进方案。发明人实践研究了很多种方案，虽然它们能规避集流叶片头部翼片加工难度大的问题，并降低制造成本，但是叶片的性能均有不同程度的下降，使产品丧失性能优势。在经过失败案例基础上的进一步实践研究后，发明人终于得出了上述结构，将呈弧形的片状件作为头部翼件，并按上述限定进行布置，既能降低制造成本(能降低20-50％)，又不损失叶片性能，进而显著提升了叶片的性价比。

上述结构中，头部翼件采用的弧形片状件，易于加工制造，且成本较低；同时，该弧形片状件的凸面与原先多翼集流叶片头部翼片的上表面形状相同或近似，使叶片截面的外轮廓形状几乎没有变化；而且，发明人在实践研究中发现，只有采用上述结构，才能在头部翼件与相邻翼构件之间的通气空间形状与原先相比发生了较大变化的情况下，基本保持叶片性能。

需要说明的是，本发明叶片和多翼集流叶片的Cp都是由叶片外表面(外轮廓)与内表面(通气空间)形状的气动性能共同确定，但两种叶片影响形状设计的条件是不同的，多翼集流叶片可在保持叶片的外轮廓形状不变的条件下，通过改变其组成翼片的形状来改变通气空间的形状，而本发明叶片中有片状翼构件(特别是构成叶片头部的头部翼件弧形片)，改变其通气空间形状必然随之要改变叶片的外轮廓形状，可见本发明叶片的设计难题是外轮廓形状与通气空间形状之间有关联性，以上技术方案正是发明人克服了这一难题后得出的。

为进一步提高叶片性能，发明人经进一步深入研究得出以下优选方案：

优选地，至少有一个中部翼件采用似“σ”形结构：

所述中部翼件为实心件或空心件；