專利名稱：風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片的加工方法。
背景技術(shù)：
垂直軸風電發(fā)電機主要分為四種Savonius型、Darrieus型、H型和渦輪型。 Mvonius型屬于阻力型風力機，啟動轉(zhuǎn)矩大，低風速時對風能捕捉能力好，但風能利用率低，而因其風能轉(zhuǎn)換效率不高，很少用；Darrieus型屬于升力型風力機，效率較高但自啟動能力差，且葉片加工非常復雜；H型是Darrieus型風力機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的機型，自啟動能力好，結(jié)構(gòu)簡單，是目前垂直軸風力發(fā)電機使用最多的機型，但其要求啟動風速高，在居民區(qū)因風速低，風況復雜常處于停機狀態(tài)或不穩(wěn)定工作狀態(tài)(如能量脈動和啟動死角等)；渦輪型則對空氣密度較低的環(huán)境適應(yīng)性好。因此對于風力資源欠豐富的村鎮(zhèn)和高樓林立風況復雜的城市地區(qū)，上述類型垂直軸風力發(fā)電機不太適用，需要進行結(jié)構(gòu)改進和性能優(yōu)化。實用新型專利201020112299. 7將S型葉片適當變形與螺旋形葉片組合使用，未能說明螺旋形葉片的具體結(jié)構(gòu)，風能利用情況不明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種加工方便、使用性能好的風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片及加工方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片，其特征是葉片為螺旋型結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角為180°，高徑比h/d為1. 2，葉片材料為鋁合金實心結(jié)構(gòu)，葉片水平截面形狀與美國標準航空翼型NACA4418相同或近似，葉片兩端部分別加工通孔，用于與風力機固定圓盤連接。一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片的加工方法，其特征是包括下列步驟(1)將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；(2)將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到；(3)將若干楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成平行四邊形鋁板；(4)用卷板機將鋁板卷曲成半圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；(5)將卷曲后的鋁條拆開，將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀，即為一只螺旋葉片。一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片的加工方法，其特征是包括下列步驟(1)將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；(2)將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到；(3)將若干斜楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成矩形鋁板；(4)用卷板機將鋁板卷曲成圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；(5)將卷曲后的鋁條拆開，沿圓筒軸線方向牽引鋁條的兩端至高徑比h/d = 2.4；(6)將鋁條截斷成高度相等的兩部分，將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀，即為兩只螺旋葉片。本發(fā)明克服了垂直軸風力機能量脈動和啟動死角的缺點，解決了垂直軸風力發(fā)電機不適用于風力資源欠豐富的城市和人口稠密地區(qū)風況復雜的問題，解決了垂直軸風力機能量脈動和啟動死角的問題；解決了螺旋型葉片復雜曲面加工的問題，將大幅提升我國風能利用比例，推動風電行業(yè)的發(fā)展。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1為使用本發(fā)明葉片的垂直軸螺旋型風力機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為垂直軸螺旋型風力機上下圓盤支架俯視圖；圖3為本發(fā)明葉片主視圖；圖4為本發(fā)明葉片俯視圖；圖5為本發(fā)明葉片展開圖；圖6本發(fā)明葉片剖面圖；圖7為本發(fā)明卷曲后葉片剖面圖；圖8為本發(fā)明打磨后葉片剖面圖；圖9為垂直軸螺旋型風力機工作原理圖。
具體實施例方式以三片葉片為例，見附圖1。本發(fā)明的垂直軸螺旋型風力機包括基礎(chǔ)平臺1，在基礎(chǔ)平臺中央上方焊接立柱21，立柱21上部相距h距離分別裝配兩個軸承51，52，兩軸承外圈與軸承套22配合，軸承套22與上下圓盤支架31，32以螺釘進行固定，3個葉片4端部分別固定于上下圓盤支31，32，葉片4圍繞立柱21周向均勻分布，構(gòu)成風輪。風輪實現(xiàn)風能的吸收和轉(zhuǎn)換?；A(chǔ)平臺1可以是鋼筋混凝土平臺，可以是鋼板，也可以是鋼架結(jié)構(gòu)。施工時要求基礎(chǔ)平臺1的上表面與水平面平行。立柱21采用無縫鋼管或?qū)嵭匿摪袅?，底端與基礎(chǔ)平臺1焊接，立柱21與基礎(chǔ)平臺 1連接處焊接6-8片加強筋以穩(wěn)固立柱21。施工時要求立柱21與水平面垂直。立柱21上端加工軸承配合面和定位面以安裝軸承，立柱21與軸承51，52的配合采用過渡配合。軸承22兩端加工軸承配合面和定位面以安裝軸承51，52，并與軸承有過渡配合關(guān)系。軸承套22材料為無縫鋼管。
圓盤支架31，32與軸承套22以螺釘固結(jié)。為減小風力機轉(zhuǎn)動慣量，提高風力機整機機械性能，圓盤支架31，32采用中空結(jié)構(gòu)只剩外圍一圈和三根加強筋，見附圖2。圓盤支架31，32材料為不銹鋼或45#鋼。裝配葉片4時保證上下圓盤加強筋錯開60°，見附圖2。螺旋型葉片4以美國航空標準翼型NACA4418為基礎(chǔ)，共3片。葉片4采用實心結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金，葉片4的主視圖見附圖3，俯視圖見附圖4。葉片4的外切圓柱直徑為d， 高為h，葉片4的高徑比h/d取1. 2。葉片4的旋轉(zhuǎn)角為180°。葉片4的展開圖和剖視圖見附圖5、圖6。圖中α由高徑比h/d = 1. 2可以計算
得
f h λa = arctg ———^37°
yndjl j剖面A-A為延葉片4軸線的剖切面，剖面B-B為平行于水平面的的剖切面。風力機升力是以B-B剖面為基準計算的。根據(jù)美國航空標準翼型NACA4418曲線，可取B-B剖面外形尺寸比例如圖B-B剖面所示。葉片4制作方法如下方法一將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到，見附圖6中A-A剖面圖，鋁合金條長度計算公式為L = ^^+h2 ；由于卷制過程中葉片材料厚度基本不變，故斜楔形厚度與B-B剖面給出的厚度一致；由于A-A剖面與B-B剖面有α角投影關(guān)系，因此A-A剖面圖的斜楔形長度計算公式分別為I1 = 17bgcos α和I3 = 6bgcos α。將若干楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成平行四邊形鋁板；然后用卷板機將鋁板卷曲成半圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑，即可保證每個葉片的旋轉(zhuǎn)角為180° ；將卷曲后的鋁條拆開， 將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀(附圖7所示外形)，最終形成的水平剖面如附圖8 所示的形狀即可，即為一只螺旋葉片。方法二 將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到；將若干斜楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成矩形鋁板；用卷板機將鋁板卷曲成圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；將卷曲后的鋁條拆開，沿圓筒軸線方向牽引鋁條的兩端至高徑比h/d = 2. 4 ；將鋁條截斷成高度相等的兩部分，將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀(附圖7所示外形)，最終形成的水平剖面如附圖8所示的形狀即可，即為兩只螺旋葉片。葉片4端部與上下圓盤支架31，32以螺釘連接。在工作時，風以一定方向和一定速度吹到螺旋型風輪上，按空氣動力學的原理，風輪上任一平行于水平面的截面上均會有3個位置受到風的作用，見附圖8。由于葉片4的橫截面尺寸遠遠小于風輪直徑尺寸，因此葉片4所受的阻力遠遠小于升力，故葉片每一截面所受合力延風輪徑向和切向分解后，切向風力總是使葉片順時針旋轉(zhuǎn)。每個葉片從下圓盤支架32到上圓盤支架31延立柱21軸線方向積分，積分區(qū)間長度為h，就可得到每個葉片的轉(zhuǎn)力力矩，將3個葉片的轉(zhuǎn)力力矩疊加就得到風力機總的轉(zhuǎn)動力矩。由于葉片旋轉(zhuǎn)角為 180°，且葉片數(shù)目至少2片，故在風力不變情況下，風輪一周上形成的切向力偶不變，因此風輪轉(zhuǎn)速η恒定不變，不會出現(xiàn)波動。 若在立柱上安裝傳動機構(gòu)和發(fā)電機，就可以將風力機捕獲的風能轉(zhuǎn)化為電能。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片，其特征是葉片為螺旋型結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角為180°，高徑比h/d為1. 2，葉片材料為鋁合金實心結(jié)構(gòu)，葉片水平截面形狀與美國標準航空翼型NACA4418相同或近似，葉片兩端部分別加工通孔，用于與風力機固定圓盤連接。
2.—種權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片的加工方法，其特征是包括下列步驟(1)將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；(2)將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到；(3)將若干楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成平行四邊形鋁板；(4)用卷板機將鋁板卷曲成半圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；(5)將卷曲后的鋁條拆開，將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀，即為一只螺旋葉片。
3.—種權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片的加工方法，其特征是包括下列步驟(1)將鋁合金板斜向切割成條狀，傾斜角度α由螺旋型葉片高度和弦長計算得到；(2)將鋁條加工成橫截面為楔形，楔形截面的長、寬及楔角由NACA4418轉(zhuǎn)換計算得到；(3)將若干斜楔形鋁條緊密平行排列，各鋁條端部焊接或采用其他方法固接成矩形鋁板；(4)用卷板機將鋁板卷曲成圓筒形，其卷曲半徑為所需螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；(5)將卷曲后的鋁條拆開，沿圓筒軸線方向牽引鋁條的兩端至高徑比h/d=2.4 ；(6)將鋁條截斷成高度相等的兩部分，將棱角稍加打磨至NACA4418截面形狀，即為兩只螺旋葉片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風力發(fā)電的螺旋型垂直軸風力機葉片及加工方法，葉片為螺旋型結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角為180°，高徑比h/d為1.2，葉片材料為鋁合金實心結(jié)構(gòu)，葉片水平截面形狀與美國標準航空翼型NACA4418相同或近似，葉片兩端部分別加工通孔，用于與風力機固定圓盤連接。本發(fā)明克服了垂直軸風力機能量脈動和啟動死角的缺點，解決了垂直軸風力發(fā)電機不適用于風力資源欠豐富的城市和人口稠密地區(qū)風況復雜的問題，解決了垂直軸風力機能量脈動和啟動死角的問題；解決了螺旋型葉片復雜曲面加工的問題，將大幅提升我國風能利用比例，推動風電行業(yè)的發(fā)展。
文檔編號B23P15/04GK102345558SQ20111026853
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者吳國慶, 吳樹謙, 周井玲, 張旭東, 曹陽, 朱維南, 沈世德, 茅靖峰 申請人:南通大學