一种叶片摆翼的设计方法和一种带叶片摆翼的H型立轴风力机

摘要

一种叶片摆翼的设计方法和一种带叶片摆翼的H型立轴风力机，它涉及叶片摆翼的设计方法和带叶片摆翼的H型立轴风力机。本发明要解决现有升力型立轴风力机在低风速下难以自启动，同时提高风力机升力模式下运行性能的问题。本发明中的一种叶片的摆翼设计方法分为七个步骤，分别确定叶片的摆翼各部分结构参数；本发明中的一种带叶片摆翼的H型立轴风力机，包括：中心轴、轮毂、N个支撑臂、N个转动副、N个的摆翼和N个叶片构成，N为自然数且2≤N≤6；所述N个叶片为直叶片，N个支撑臂水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂的一端面均固接在轮毂上，轮毂垂直设置在中心轴的上方，N个叶片一一对应地固接在N个支撑臂的另一端面，每个的摆翼的一侧端面通过一个转动副安装在对应叶片的内侧面上。本发明可用于通讯领域及城市风能利用技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及叶片摆翼的设计方法和带叶片摆翼的H型立轴风力机。

背景技术

现代风力机主要分为两类：水平轴风力机和立轴风力机，目前主流的商用风力机均为水 平轴风力机。水平轴风力机尽管应用最为广泛，但也存在一些技术问题，如维修困难、必须 具备对风装置、制造成本高等。立轴风力机与水平轴风力机相比主要有下列潜在优势：（1） 无需偏航装置，可以吸收任何方向来风的能量；（2）立轴风力机的发电系统和增速系统位于 地面，在安装和维修上立轴风力机更具优势；（3）立轴风力机工作时产生的噪音低于同功率 的水平轴风力机；（4）整体结构上，立轴风力机比水平轴风力机简单。因此，近年来立轴风 力机在边远山区，通讯基站以及城市风能利用中有比较广泛的应用。

立轴风力机又可分为两类型：一类是利用空气阻力做功（阻力型），典型的结构是Savonius 型风力机。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动转矩较大。缺点是转速慢， 风能利用率较低，用于发电缺乏竞争力，多应用于带动水泵抽水或压气等大扭矩低转速的场 合；另一类是利用叶片翼型的升力做功（升力型），比较典型的是H型风力机。升力型立轴 风力机较阻力型风力机的风能利用率高，能够高转速运行，但其存在起动转矩较小，低风速 下一般很难实现自启动的缺点。

在已公开的中国专利申请中，主要有三种典型的提高升力型立轴风力机启动能力的方法。 第一种是将阻力型风轮与升力型风轮直接组合，利用阻力型风轮旋转时产生的大扭矩带动升 力型风轮启动，如专利文献1：CN201412269Y；第二种是通过叶片变桨距的方法来增强升力 型风力机的启动性能，如专利文献2：CN1109818C；第三种是通过改变叶片结构，增加受风 板来实现风轮的自启动，如专利文献3：CN1938516A。但是，这三种典型方法在实际应用都 存在一些问题。

以专利文献1为代表的第一种方法，尽管能有效地实现风轮自启动，但在启动完成后的 额定工作状态，阻力型风轮阻碍了整个风力机运行性能的提高。此外，安装阻力型风轮使整 个风力机质量增大，增大了制造和安装成本。以专利文献2为代表的第二种方法，由于其桨 距角（即叶片偏摆角度）只能在一定范围内变化，使叶片的受风表面积较小，低风速条件下 风力机的启动性能改善不明显。而且，变桨距要求在风轮旋转过程中，每个叶片都分别绕各 自的转轴叶片旋转，削弱了风力机运行时结构的可靠性。以专利文献3为代表的第三种方法， 受风板能够提供较大的受风面积，风轮结构也相对简单。但是，受风板始终受到弹簧施加的 展开力，在低于规定风轮转速时始终处于展开状态。风轮启动过程中（即受风板没有完全闭 合前），风轮将受到来自受风板背风面较大的空气阻力，限制风轮转速的迅速提高，使低风 速条件下风力机的启动时间延长，甚至导致风力机的工作状态无法由阻力型转化为升力型。

这三种增强升力型立轴风力机自启动能力的方法，本质上都是通过为风轮提供更多的受 风面积，使处于顺风区的叶片获得各大的空气推动动力，但也使处于逆风区的叶片受到更多 的空气阻力作用。并且，作为升力型立轴风力机，这三种方法都没有使启动过程中叶片的气 动性能得到改善，启动完成后升力模式下风力机的运行性能也没有提高。特别是专利文献3 中，挡风板的转轴位置在叶片弦长30%～45%处，这将导致叶片表面气流提前发生转捩，严 重降低了叶片的升力系数。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有升力型立轴风力机在低风速下难以自启动的问题，同时为 了提高风力机升力模式下运行性能，而提出一种叶片摆翼设计方法和一种带摆翼的H型立轴 风力机。本发明中的一种叶片摆翼设计方法按以下步骤进行：

1、确定风力机的工作风速，风力机启动时的阻力矩，叶片的长度，叶片的弦长和风轮回 转半径；

2、根据风力机的工作风速，叶片的长度，风力机启动时的阻力矩和风轮回转半径确定风 力机启动数学模型；

3、确定摆翼转动时的摩擦力矩，加工摆翼所用材料的密度，摆翼的厚度和摆翼闭合时风 轮的转速；

4、根据叶片长度，摆翼转动时的摩擦力矩，加工摆翼所用材料的密度和摆翼闭合时风轮 的转速确定摆翼闭合条件数学模型；

5、根据风力机启动数学模型和摆翼闭合条件数学模型确定摆翼的宽度和摆翼闭合后超出 叶片尾缘的长度；

6、根据叶片的弦长，摆翼的宽度和摆翼闭合后超出叶片尾缘的长度确定摆翼在叶片上安 装位置；

7、根据摆翼的材料，叶片的长度，摆翼的宽度，摆翼的厚度和摆翼在叶片上安装位置实 施摆翼的加工制造和安装。

本发明中的一种带叶片摆翼的H型立轴风力机，包括：中心轴1、轮毂2、N个支撑臂3、 N个转动副4、N个摆翼5和N个叶片6构成，N为自然数且2≤N≤6；所述N个叶片6为直 叶片，N个支撑臂3水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂3的一端面均固接在轮毂2 上，轮毂2垂直设置在中心轴1的上方，N个叶片6一一对应地固接在N个支撑臂3的另一 端面，每个摆翼5的一侧端面通过一个转动副4安装在对应叶片6的内侧面上。

一种带叶片摆翼的H型立轴风力机的工作原理：如图2所示，当空气气流流过叶片表面 时，由于摆翼超出叶片尾缘一定长度，气流作用于这一段摆翼表面，推动摆翼绕转动副4由 A位置旋转至B位置，此时，摆翼具有最大迎风面积。随后空气气流作用于摆翼内侧表面产 生的空气阻力可推动整个风轮旋转。在风轮旋转过程中，空气气流作用于摆翼外侧表面产生 的空气阻力推动襟翼向A位置旋转，以减小风轮旋转时的阻力，即摆翼既能为立轴风力机的 启动提供较大的迎风面积，又能在风轮旋转中自动调整以减小风轮旋转时的阻力。

通过设置限位装置，以法线方向指向轮毂2的叶片表面为基准，每个摆翼5绕转动副4 旋转角度范围为0°～90°，确保风力机启动过程中，摆翼5可以自适应风速风向绕转动副4旋 转完成开闭动作。当风从图3a中V所示方向吹过风轮时，图3a中风轮左侧摆翼内侧受风而 右侧摆翼外侧受风。右侧摆翼的外侧受到来风空气作用力，使摆翼绕转动副转动并减小了受 风面积，并旋转至紧贴叶片的位置。左侧摆翼内侧受到来风空气作用力，旋转至具有最大受 风面积位置，但由于支撑臂下表面的限位作用无法继续转动。受风面积的不同使两块摆翼上 产生的空气阻力不同造成了风阻力差，由此产生的力矩推动风轮绕图3a中n所示的方向旋转。 随着风轮转速的上升，摆翼外侧受到的空气作用力也逐渐增大并超过内侧所受到的空气作用 力，同时摆翼所受到的离心力也逐渐增大，致使两块摆翼均绕转动副向内侧旋转。当转速达 到一定值时摆翼紧贴叶片（闭合）不再打开，此时风力机完全依靠直叶片的升力做功驱动， 如图3b所示。

当叶片6处于顺风区时，摆翼自动打开，可增大叶片6的受风面积，有利于风力机启动； 当叶片处于逆风区时，摆翼自动闭合，可减小风力机启动时受到的空气阻力。摆翼5在H型 立轴风力机启动过程中，打开闭合动作交替进行，摆翼5和叶片6之间的区域会形成一个低 压区域，这一区域可以增大叶片6吸力面和压力面之间的压力差，缓解启动过程中叶片6由 于处于大攻角状态而出现的尾缘气流分离现象，改善叶片绕流流场的总体特性，从而提高风 力机启动过程中叶片的升力系数，有利于风力机更快地完成启动过程，见图4。摆翼5所受 离心力使之相对叶片6完全闭合并超出叶片6尾缘一定长度，即叶片6的实际弦长L比原弦 长L0大，增大了弦长雷诺数，从而提高叶片6的气动性能，达到改善风力机的工作性能的目 的，见图5。

本发明包括以下有益效果：

1、在低风速下启动，摆翼可以自适应风速风向绕转动副旋转，即相对叶片做打开闭合动 作。叶片处于顺风区时，摆翼由空气推动打开，可增大叶片的受风面积，有利于风力机启动。 叶片处于逆风区时，摆翼则因空气推动闭合，可减小叶片受到的空气阻力，因而可保证低风 速启动。

2、摆翼在H型立轴风力机启动过程中，打开闭合交替进行，摆翼和叶片表面之间的区 域会形成一个低压区域，这一区域可以增大吸力面和压力面之间的压力差，缓解启动过程中， 叶片由于处于大攻角状态而出现的尾缘气流分离现象，改善叶片绕流流场的总体特性，从而 提高风力机启动过程中叶片升力系数，有利于风力机更快地完成启动过程。

3、当风力机转速达到依据摆翼设计方法所确定的某一数值后，摆翼受离心力作用相对叶 片完全闭合，风力机转变为升力模式。此时，摆翼闭合后超出叶片尾缘一定长度，使叶片翼 型的弯度和弦长增加，一定程度上改善了叶片的整体气动性能，从而提高风力机在升力模式 下的运行性能。

4、与其它增强H型立轴风力机自启动性能的方法相比，同等使用条件下，本发明使风 力机的制造成本降低，安装和维修方便，既解决了H型立轴风力机在低风速下的自启动问题， 又能提高了风力机在升力模式下的运行性能，适合大范围推广。

附图说明

图1是带摆翼的H型立轴风力机结构示意图，图中1是中心轴，2是轮毂，3是支撑臂， 4是转动副，5是摆翼，6是叶片；图2是摆翼开闭工作原理示意图；图3a是摆翼张开时风 力机状态示意图；图3b是摆翼闭合时风力机状态示意图；图4是摆翼开闭动作改善叶片流 场特性的原理图；图5是摆翼闭合后叶片状态示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本发明中叶片摆翼设计方法包括以下7个步骤：

1、确定风力机的工作风速，风力机启动时的阻力矩，叶片的长度，叶片的弦长和风轮回 转半径；

2、根据风力机的工作风速，叶片的长度，风力机启动时的阻力矩和风轮回转半径确定风 力机启动数学模型；

3、确定摆翼转动时的摩擦力矩，加工摆翼所用材料的密度，摆翼的厚度和摆翼闭合时风 轮的转速；

4、根据叶片长度，摆翼转动时的摩擦力矩，加工摆翼所用材料的密度和摆翼闭合时风轮 的转速确定摆翼闭合条件数学模型；

5、根据风力机启动数学模型和摆翼闭合条件数学模型确定摆翼的宽度和摆翼闭合后超出 叶片尾缘的长度；

6、根据叶片的弦长，摆翼的宽度和摆翼闭合后超出叶片尾缘的长度确定摆翼在叶片上安 装位置；

7、根据摆翼的材料，叶片的长度，摆翼的宽度，摆翼的厚度和摆翼在叶片上安装位置实 施摆翼的加工制造和安装。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，步骤一中根据风力机 所在地域风况的平均风速计算风力机的工作风速；根据安装叶片摆翼的风力机传动系统的具 体情况以及所配套发电机的技术资料，计算得出风力机气动时所需克服的阻力矩；根据需安 装叶片摆翼的风力机风轮的具体几何参数，测量得到叶片的长度，叶片的弦长和风轮回转半 径。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，步骤二中所述风 力机启动数学模型的计算式为：；式中，M_s为风力机启动时所 需克服的阻力矩，V_a为风力机的工作风速，C₁为摆翼的宽度，H为叶片的长度，R为风轮的 回转半径。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一至三之一的进一步说明，步骤三中根 据摆翼所用转动副的具体类型，计算摆翼转动时的摩擦力矩；摆翼材料选用薄铝合金板或薄 铁板，可由技术资料查得摆翼材料的密度；根据风力机叶片的尾缘厚度确定摆翼的厚度，风 力机叶片的尾缘厚度通过实际测量得到，摆翼的厚度不超过尾缘厚度的8%～12%；根据风力 机的工作风速和风轮回转半径计算得到摆翼闭合时风轮的转速，具体计算公式为：式中，n为摆翼闭合时风轮的转速，V_a为风力机的工作风速，R为风轮的回转半径。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一至四之一的进一步说明，步骤四中所 述摆翼闭合条件数学模型计算式为：$0.5\mathrm{\rho HT}{C}_1^2\frac{{\pi }^2{n}^2}{900R}+M_f>\frac{V_a^2}{1.6}\mathrm{H\Delta }{C}_1(C_1-\frac{\Delta C_1}{2})$；式中， M_f为转动副的摩擦力矩，V_a为工作风速，C₁为摆翼宽度，ΔC₁为摆翼超出叶片尾缘的长度， ρ为摆翼材料密度，T为摆翼厚度，H为叶片长度，R为风轮的回转半径，n为摆翼闭合时风 轮的转速。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一至五之一的进一步说明，步骤五中所 述的摆翼的宽度和摆翼闭合后超出叶片尾缘的长度，由公式和 $0.5\mathrm{\rho HT}{C}_1^2\frac{{\pi }^2{n}^2}{900R}+M_f>\frac{V_a^2}{1.6}\mathrm{H\Delta }{C}_1(C_1-\frac{\Delta C_1}{2})$联立计算得到。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一至六之一的进一步说明，步骤六中所 述摆翼在叶片上安装位置由叶片的弦长、摆翼的宽度和摆翼闭合后超出叶片尾缘的长度通过 计算得到，计算式为：X=C-C₁+△C₁；其中，X为摆翼安装位置距离叶片前缘的距离，C 为叶片弦长，C₁为摆翼宽度，ΔC₁为摆翼超出叶片尾缘的长度。

具体实施方式八：本发明中一种带摆翼的H型立轴风力机，包括：中心轴1、轮毂2、N 个支撑臂3、N个转动副4、N个摆翼5和N个叶片6构成，N为自然数且2≤N≤6；所述N个 叶片6为直叶片，N个支撑臂3水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂3的一端面均 固接在轮毂2上，轮毂2垂直设置在中心轴1的上方，N个叶片6一一对应地固接在N个支 撑臂3的另一端面，每个摆翼5的一侧端面通过一个转动副4安装在对应叶片6的内侧面上， 见图1。

为验证本发明的有益效果做了如下验证实验：采用小尺寸H型风力机实验台在低速直流 风洞中进行验证实验，叶片采用NACA0015翼型，弦长C=60mm，长度H=300mm，风轮回 转半径R=200mm，风洞出口平均风速V=5.5m/s，工作平均雷诺数为10⁵量级，摆翼主要尺寸 C₁=30mm，ΔC₁=5mm，摆翼利用支撑臂限位。实验测得：不带摆翼的实验台启动时间为235s， 安装本发明所述摆翼实验台启动时间为108s；不带摆翼的实验台稳定工作转速为258r/min， 安装本发明所述摆翼的实验台稳定工作转速为280r/min。验证实验表明，采用本发明所述摆 翼后，H型立轴风力机的启动时间缩短了54%，稳定转速提高了8.5%，证明了本发明所述摆 翼的设计方法和带摆翼的H型立轴风力机的可行性和优越性。