[发明专利]一种升阻互补型垂直轴风轮

说明书

技术领域

本发明涉及升力型和阻力型垂直轴风轮的技术和设备。

背景技术

风能、太阳能是目前国内外极为受关注的新能源，也是21世纪重点发展的新能源。目前世界上90％的风力机采用水平轴风轮，水平轴风轮叶片设计复杂、其核心设计技术仅掌握在少数几家供应商手中，因而设备费用较高。此外，水平轴风轮还具有启动力矩小、受风向限制、风轮噪音较大、安装和维护费用较高、风轮的可靠性较差、允许运行的风速范围(5～25m/s)较窄、叶片较长、运输不便等的不足之处。

相反，垂直轴风轮在上述水平轴风轮的不足之处都有非常明显的优势，且升力型垂直轴风轮风能利用系数不低于水平轴风轮。因此，发展升力型垂直轴风轮是降低风电成本一种良好的选择。

打蛋器形升力型风轮是目前唯一可巨型化的垂直轴风轮，但其启动力矩为零，需借助外力启动，严重限制其发展。为了解决上述问题，现也有升阻互补型风轮，即采用直叶片S型风轮来启动升力型风轮，但其仅在部分功角具有启动性能，启动力矩小，这一不足在大型化后将更为明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具自启动性，且启动力矩大的升阻互补型风轮。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种升阻互补型垂直轴风轮，包括风轮轴，在所述的风轮轴上设置有2～3片升力型叶片和2～3片螺旋形阻力型叶片，螺旋形阻力型叶片的旋转直径与升力型叶片旋转赤道直径比值为1∶3～7。

所述的升力型叶片密实度σ为0.13～0.5，σ＝2NC/D，其中C为叶片弦长，N为叶片数，D为升力型叶片旋转赤道直径。

所述的螺旋形阻力型叶片的螺旋角度为90°～360°。

在所述的螺旋形阻力型叶片的两端设置有端盖，在所述的螺旋形阻力型叶片的内表面间隔地设置有隔板。

与现有技术相比，本发明升阻互补型风轮的有益效果是：

1、在风轮轴上同时设置升力型叶片和螺旋形阻力型叶片，风能利用率比现有互补型风轮高5％，启动力矩在所有转角都比现有互补型风轮的要大，所以在任何角度都具有良好的启动性能。升力型叶片转速较快，最高功率时叶尖线速度为风速的3～5倍；而螺旋形阻力型叶片转速较慢，最大功率时叶尖线速度为风速0.8倍左右，因此，设计阻力型叶片旋转直径与升力型叶片赤道直径比值为1∶3～7的结构，并可使风轮风能利用率比现有互补型风轮的高5％。

2、升力型叶片密实度σ＝0.13～0.4，此区间内升力型叶片输出功率最大；阻力型叶片螺旋角度设计为90°～360°，在任意转角都有部分顺风凹面叶片受到风的推力，增加了风轮的正力矩，从而也增加了风轮的效率；在阻力型叶片两端加端盖和叶片内加隔板均可增加凹面叶片的聚风能力，增加正力矩，增大风轮效率。

附图说明

图1是本发明新型升阻互补型垂直轴风轮示意图。

图2是本发明有端盖和隔板的螺旋形阻力型叶片结构示意图。

图3是螺旋形阻力型叶片断面结构示意图。

其中：1、风轮轴；2、升力型叶片；3、螺旋形阻力型叶片；4、端盖；5、升力型叶片旋转赤道直径；6、阻力型凸面叶片；7、阻力型凹面叶片；8、隔板；9、阻力型叶片旋转直径。

具体实施方式

1、下面结合附图，对本发明作详细说明，如图1所示，本发明升阻互补型风轮，包括风轮轴，在风轮轴1上安装有2～3片升力型叶片2和2～3片螺旋形阻力型叶片3。图2是2叶片的有端盖4和隔板的螺旋形阻力型叶片结构示意图，由一片凸面叶片6和凹面叶片7组成，轴向相隔180°，断面成S型，如图3所示。螺旋形阻力型叶片由S形叶型沿风轮轴1轴向旋转一定角度后形成，叶片旋转角度为90°～360°；偏心距e与叶片直径d比值(偏心系数)在0～0.4之间；叶片两端设有封盖4，则其直径与旋转直径9比值为1～1.2；叶片内表面可间隔的增设内隔板8，内隔板示意图如2所示。

2、螺旋形阻力型叶片的旋转直径9与升力型叶片的赤道直径5比值为1∶3～7。升力型叶片密实度σ为0.13～0.4，σ＝2NC/D，其中C为叶片翼型弦长，N为叶片数和D为叶片旋转赤道半径。

本发明为新型升阻互补型垂直轴风轮，由升力型叶片2与螺旋形阻力型叶片3组成，其中螺旋形阻力型叶片在任何功角都具有较高启动力矩，推动升力型叶片启动旋转。升力型叶片旋转赤道直径为螺旋形阻力型叶片旋转直径的3～7倍，阻力型叶片始终都对升力型叶片旋转起着推动作用，增加了力矩，从而加大了互补型风轮的风能转化率。