[发明专利]带有多段组合式风叶的垂直轴风轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于垂直轴风力机的风轮，尤其是一种其内沿周向等距排列着多段组合式风叶。

背景技术

风力机是风力发电系统的动力源，它将风能转化为机械能，进而推动发电机发电。风力机按结构形式大体上分为水平轴和垂直轴两种。水平轴风力机发展较完善，由于其具有较高的效率而作为当今主流的风力机类型得到了广泛的应用。然而由于水平轴风力机安装难度高、投资成本大且不便移动等缺点，它的使用目前往往主要限于并网发电中，而对于一些小型离网型发电系统中，目前使用最为广泛的仍是垂直轴风力机。

图1所示的是一种最为常规的垂直轴风力机的示意图，风叶1，旋转轴2，风轮旋转方向3，其效率比相应水平轴风力机低得多，一个主要原因是当来流冲击垂直轴风轮时，在其迎风面的左侧受到的是有效的推力，而在右侧受到的是风的阻力，上述两种力的合作用力是推动风轮旋转作功的真正有效动力。由于迎风面右侧风阻的存在，大大降低了垂直轴叶轮的有效受风性能。因此，只有降低迎风面右侧的风阻，才能够提高垂直轴风力机的效率。就常规的垂直轴风力机风叶而言，在其迎风面上，左侧的迎风面积与右侧的迎风面积几乎相等，这种结构必然使其右侧的风阻与左侧的有效推动力在数量上相近，从而使其有效的净推动力大幅下降。

中国发明专利公开了一种“垂直轴风力机的风轮装置”，申请号：200710007899.X，申请日：2007.01.22，将对称的部分圆面对称弯曲构成的曲面作为风轮的叶片，以数量四个或四个以上这样的叶片，用叶片的两个锐角在同一根风轮轴上顺序均布地固定连接在一起，构成一个外观近似南瓜的风轮，但是此装置的不足之处在于无法降低风叶的吸力面因受来流的直接冲击所造成的不利于风轮有效转动的阻力矩。

中国实用新型专利公开了一种“一种垂直轴风力机风轮装置”，申请号：200720149499.8，申请日：2007.06.06，转动轴垂直于大地水平面设立，多个均匀分布的弧形风叶竖向固定在转动轴上，可以控制开度的半圆柱风力调节闸门设置在风叶转动的外圆周上并可以沿圆周滑动。半圆柱风力调节闸门可随风向而改变其位置以调节风叶的受风面积，当它转动到位于转动轴一侧的迎风方向上，遮挡了整个受风叶片受风面的一半时，风能的利用达到了最大值，在风轮机叶片转动覆盖的有效受风区域内，风能利用率最高极限可达50％；当它遮挡了整个受风叶片受风面时，风叶不受风，相当于关闭了风轮，但是此装置的不足之处在于加入调节闸门虽然起到一定的节能效果但是初期投入费用与运行费用较高。

上述各专利所提出的垂直风轮均是通过优化风叶结构来实现其效率的提高，但这些结构实施复杂，一次性投入大。一种简单而能有效地克服垂直轴风力机的固有缺点的方法是适当地设计风叶的形状，使其在右侧的迎风面积要尽可能小而左侧的迎风面积要尽可能大，这就能降低风阻，从而有助于提高整个风轮的效能。除风叶形状外，风轮上下盖板的形式也影响着整个垂直轴风轮的效能。传统垂直轴风轮的上下盖板为两块实心的圆板。当流体流经这种结构的风轮时，由于上下盖板上强烈的边界层摩擦损失，风能会被大幅消耗，进而阻碍了其转化为旋转机械能的能力。因此对风轮上下盖板的结构优化必将对提升整个风轮的气动效果产生积极地影响，但目前国内的各类专利中少有提及。

发明内容

本发明是要提供一种带有多段组合式风叶的垂直轴风轮，该风轮能更好地降低其对来流机械能的耗散、充分地使来流推动风轮旋转作功，使用本垂直轴风轮的风力机能有效避免常规垂直轴风力机中存在的缺陷，能实现良好的运行效能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带有多段组合式风叶片的垂直轴风轮，包括风轮上、下盖板，其特点是：风轮上、下盖板之间安装有数个多段组合式风叶，并沿圆周方向等间距排列；每个风叶由进口圆弧段和出口直线段组成，出口直线段与进口圆弧段首尾相切；风叶为等叶高的直叶片，其进口安装角为0°～10°。

进口圆弧段的拱高与其弦长之比为0.35、进口圆弧段弦长为对应出口直线段长度的0.75倍、进口圆弧段弦长为对应风轮直径的0.1倍；上、下盖板上均开有大小规则、分布均匀的通气孔。通气孔分内外两圈：内圈通气孔为等面积扇环形，沿周向等间距排列；外圈通气孔为等面积条弧形，沿周向等间距排列。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明由多段组合式风叶片所构成的垂直轴风轮，不仅能有效降低右侧迎风面上的风阻，而且可以降低风轮内风能的粘性耗散，从而与现有常规垂直轴风轮相比，具有风能收集性强、流动损失少、气动性能高等特点；