专利名称：垂直轴风力发电机风轮的叶片结构的制作方法
技术领域：
本发明属于风力发电机技术领域，提供一种垂直轴风力发电机构件，尤其是一种 垂直轴风力发电机风轮的叶片结构。
背景技术：
现有技术中，风力发电机多为水平轴式发电机，其主轴水平设置，其上设置风轮， 风轮叶片多为大小头三角形式，小头细长，这种又细又长的叶片，受风力容易变形和产生共 振，且受风压很容易折断，存在抗风能力差的问题，旋转时的共振，可造成发电功率偏低的 问题。由于这类风轮叶片的上述问题，加上现在的风力发电机有向大型化、大功率方向发 展，随着风轮直径的增大，叶片的损坏率更高，使用寿命更短，给风力发电的发展带来较大 的负面影响。随着风力发电技术的发展，垂直轴风力发电机越来越显示出其效率高、功率大和 便于安装、使用寿命长等优点。但是，一般的垂直轴风力发电机都只是将发电机主轴由水平 设置变为垂直设置，但其上的叶片往往还是沿用现有的水平轴发电机的风轮的叶片，叶片 仍然长细，从与发电机的转动件的连接端到风轮的外端都是叶片部分。因此，上述水平轴风 力发电机风轮的许多问题没有得到彻底解决。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种重量轻、所需旋转力小、强度、 刚度大、易加工的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构。本发明的目的是这样实现的本发明提供的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，包括构成叶片形状的骨架和固 定在该骨架外面的蒙皮，该叶片的形状为一垂直的柱状体，其水平截面为飞机机翼的断面 形状，即叶片朝外的外侧表面为流线形状弧面，该外侧表面与相对的内侧表面之间圆滑过 渡，形成较大的迎风端即叶片的头部和较小的尾部。所述叶片柱状体的外侧表面和内侧表面之间的间距从所述头部到尾部基本上是 逐渐减小的；和/或，在叶片的垂直方向上各所述水平截面大小形状相等。所述骨架包括有叶片骨架、骨架筋和叶型支撑杆，所述叶片骨架为若干个，其为叶片柱状体的所述水平截面飞机机翼形状的框架， 在叶片的垂直方向以设定间距对正排布；所述骨架筋为若干直杆件，各个骨架筋环绕在对正排布的若干所述叶片骨架框架 的周围，每根所述骨架筋与所有所述叶片骨架的所述框架在一垂直方向上有一交汇固联 点，形成叶片的侧壁骨架来支撑和/或固联所述蒙皮；所述叶型支撑杆的两端支撑固定在所述叶片骨架形成的所述框架上相对位置的 杆体上，以支撑保持该框架的形状。所述骨架筋包含四根骨架主筋和若干根骨架副筋，所述骨架主筋是这样分布的其中两根所述骨架主筋设置在对应叶片的所述外侧表面一侧，另外两根所述骨架主筋设置 在对应叶片的所述内侧表面一侧，在所述叶片的水平截面上，四根所述骨架主筋构成一四 边形，并设在所述叶片的垂直设置下质量中心的周围且使得所述叶片的质量由该四根骨架 主筋平衡。 所述骨架主筋为其强度和/或刚度较所述骨架副筋大的杆件；和/或，所述骨架主筋和骨架副筋与所述叶片骨架的连接点与所述叶型支撑杆和所述叶 片骨架的交点交汇。所述骨架主筋为截面较所述骨架副筋大纵向贯通的空心杆体；或者，所述骨架主筋和骨架副筋均为纵向贯通空心杆体，所述骨架主筋的杆纵向空心腔 室中设有纵向间隔壁，将一个大腔室分割为两个较小的腔室，所述骨架副筋为截面较小的 单腔空心杆体；和/或，所述叶片骨架为空心杆体，该杆纵向空腔通过纵向间隔壁分割成两个纵向腔室。所述叶型支撑杆相互平行地设置在所述叶片骨架形成的框架上。所述叶型支撑杆中还包括有斜拉杆，其一端固定在相对于叶片所述外侧表面的一 叶型支撑杆与所述框架的交点上，其另一端固定在相对于叶片所述内侧表面的另一根叶型 支撑杆与所述框架的交点上；和/或，所述斜拉杆是固定在有所述骨架主筋交汇的所述叶型支撑杆和所述叶型骨架的 交点上。所述叶片骨架、骨架筋和叶型支撑杆由铝型材制作；和/或，所述蒙皮由布、铝皮、 玻璃纤维片材制作；也可以由其它金属薄板制作。各个所述叶片骨架、骨架筋和叶型支撑杆 之间通过焊接或胶粘固联。胶粘固联使用的胶粘剂可以是两性胶粘剂。一种包括上述特征的所述叶片结构的垂直轴风力发电机的风轮，其包括若干所述 叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根支撑杆的一端，该支撑 杆的另一端和所述轮毂连接；或者，包括若干所述叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根 支撑杆的一端，该支撑杆的另一端和所述轮毂连接；相对于所述风轮的垂直轴线，各个所述 叶片其流线形的所述外侧表面在沿设定半径圆的圆周方向设置；或者，相对于所述风轮的 垂直轴线，各个所述叶片流线形的所述外侧表面在与沿设定半径圆的圆周切线方向夹一设 定角度的方向设置；或者，包括若干所述叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根 支撑杆的一端，该支撑杆的另一端和所述轮毂连接；所述风轮中的叶片为4-24个。本发明提供的垂直轴风力发电机风轮的叶片，该基本形状来源於飞机机翼，通过 组成垂直柱状体的骨架和蒙皮结构，尤其是骨架中的叶片骨架、叶片支撑杆和骨架主副筋 的特殊的结构设置和使用轻型材料制作，使得本发明提供的叶片和由该叶片支撑的垂直轴 风力发电机风轮具有重量轻、强度、刚度高，组合加工简单，成型精度高、抗风能力强、效率 高的优点。
图1为本发明提供的垂直轴风力发电机风轮的叶片的立体结构示意图2为图1中的叶片的骨架副筋构成叶片宽度方向尾侧的断面结构示意图；图3为图1中的叶片的骨架主筋的断面结构示意图；图4为图1中的叶片的设置在骨架主筋之间的骨架副筋的断面结构的示意图；图5为图1中的叶片的叶片骨架的断面结构示意图，图6为安装有图1中所述的叶片的垂直轴风力发电机风轮的一种结构的俯视结构 示意图；图7为图6所示的风轮的主视结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明提供的垂直轴风力发电机风轮的叶片，包括构成叶片形状的 骨架和固定在该骨架外面的蒙皮(图中未示出)，该叶片的形状为一垂直的柱状体，其水平 截面为飞机机翼的断面形状，即相对于风轮的转轴03 (参见图6、7)，叶片01朝外的外侧表 面为流线形状弧面，该外侧表面与相对的内侧表面之间的圆滑过渡，形成较大的迎风端即 叶片的头部和较小的尾部。相对于所述风轮转轴03的垂直轴线，其柱状体的外侧表面和内侧表面之间的间 距从所述头部到尾部基本上是逐渐减小的；在叶片的垂直方向上各所述水平截面大小形状 相同。本发明提供的叶片，其要承受较大风力，但还要求其转动阻力要小，即其自身重量 要轻，但还应具有足够的强度、刚度。因此，本叶片的骨架可以这样设计如图1所示，所述骨架包括有叶片骨架1、骨架主筋3、骨架副筋2、7和叶型支撑 杆，叶片骨架1为若干个，其为构成叶片柱状体的所述水平截面的飞机机翼形状的框 架，在叶片的垂直方向以设定间距对正排布；骨架主筋3和骨架副筋2、7为若干垂直设置的杆件，例如为直杆，所述叶片的每根 骨架主筋3和骨架副筋2、7都绕所有叶片骨架1的所述框架设置，每根所述骨架主筋和骨 架副筋与所有所述叶片骨架的所述框架在一垂直方向上有一交汇固联点，按设定间距固定 叶片骨架1周围设置的各个骨架主筋和骨架副筋形成叶片01的骨架侧壁支撑所述蒙皮；叶型支撑杆支撑设在叶片骨架1形成的框架的相对的侧边之间，例如，叶型支撑 杆设置在该框架所在的平面内，其两端与叶片骨架1固联，即叶型支撑杆的两端分别固定 在叶片骨架的对应叶片相对的所述外侧表面和内侧表面的框架上，以支撑保持叶片骨架的 框架的形状不变。叶型支撑杆可以是包括两种，一种是相互平行地设置在所述叶片骨架形成的框架之间的若干直杆的叶型支撑杆4。所述骨架主筋3和骨架副筋2与所述叶片骨架1上设置的所述叶型支撑杆4的交 点交汇固定。还有一类是斜拉杆6，其一端固定在所述外侧表面一根叶型支撑直杆4的一端，其 另一端固定在所述内侧表面另一根叶型支撑杆4的一端；且进一步地，斜拉杆可以是固定 在所述骨架主筋3和叶型支撑杆4的交汇固定点上。所述骨架主筋为其强度和/或刚度较大的杆件，所述骨架副筋为强度和/或刚度较小的杆件。骨架主筋的分布优选如下方案四根骨架主筋3两根设置在叶片外侧表面一侧， 另外两根设置在叶片内侧表面一侧，在叶片的水平截面上看，四根骨架主筋3构成一四边 形，在叶片的垂直设置质量中心的周围且使得叶片的质量由该四根骨架主筋平衡。骨架主筋1和骨架副筋可以是同样轻型铝型材制作， 也可以是不同材质制作，骨 架主筋为截面较所述骨架副筋大的空心杆体(参见图2、3、4)。为了提高骨架主筋的刚度和强度，所述骨架主筋的杆纵向空心腔室中可以设有纵 向间隔壁，将一个大腔室分割为两个较小的腔室(如图3所示)。所述叶片骨架也可以为空心杆体，该杆纵向空腔通过纵向间隔壁分割成两个纵向 腔室(参见图5所示)。将空心杆件的纵向腔室通过间壁分割开，这样的杆件结构可以在提高其刚性和强 度的同时，有效减轻叶片的重量。所述叶片骨架、骨架主筋、骨架副筋和叶型支撑杆优选轻型铝制型材制作。骨架中 的各个杆件之间通过焊接或胶粘固联，胶粘固联使用的胶粘剂可以是两性胶粘剂。这样的骨架主筋和叶片骨架结构，可以很好地保证叶片的刚度和强度，而叶片的 重量则很轻。这就可以使得由该叶片构成的风轮的启动风力很小，该风力发电机可以在风 力很小时就能发电。经试验可以，本叶片构成的风轮可以在二级风下转动发电。而骨架的上 述结构，又可以使得本叶片的强度、刚度很大，其承受的极限风力可达50m/s，能够在35米/ 秒即将近台风的风力下正常工作。因此，使用本发明提供的风轮叶片的风力发电机，在一般 风机都要停车的大风情况下可以继续安全发电。这一点对于风力发电向电网供电是非常有 意义的。加上本风轮的叶片一改现有技术存在诸多问题的叶片形状，不易变形、折断，寿命 长，所以，风场中使用本风轮，因气候或故障停止工作的情况很少，电网可以持久稳定地获 得风能电量。这对于大力发展风力发电提供了可靠的保障，对国计民生、保护环境、可持续 的经济发展都有重要意义。再有，本叶片还具有组合加工简单，成型精度高的优点。如图6所示，由上述叶片构成的垂直轴风力发电机的风轮，包括若干所述叶片01 和轮毂22，每个所述叶片01沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根支撑杆02的一端，该支 撑杆02的另一端和所述轮毂22连接；风轮通过轮毂22设置在风轮转轴03上。在风轮轮 毂和转轴之间设置发电机组。相对于风轮转轴03的垂直轴线，叶片01流线形的所述外侧 表面在沿设定半径圆的圆周方向设置，这里的设定半径的圆即为风轮的半径，其可以是根 据风力发电机设计发电功率、构件的强度、刚度等因素设定的。该叶片与所述风轮的轮毂之 间通过支撑杆02连接；所述叶片在风轮中的设置方式还可以是，相对于所述风轮转轴的垂直轴线，所述 叶片流线形的所述外侧表面在与沿设定半径圆的圆周切线方向夹一设定角度的方向设置。 例如沿螺旋线设置。该叶片与所述风轮的轮毂之间也是通过支撑杆连接。所述风轮中的叶片为4-24个。如果叶片数目太少，则对风场的利用率太低，使得 风力发电机的功率小。如果叶片数目太多，则其离心力过大，容易出现使叶片脱落飞出的事 故，这种叶片设置在风轮的外缘或接近外缘处，叶片与风轮轮毂或者发电机的转动部 件之间是通过支撑杆02连接的。因此，叶片不再是又细又长的形状，在风轮的轮毂到其外缘很大的一段距离可以是连 接叶片的支撑杆，而风轮上用于接受风力而转动的部分仅是外 缘的垂直柱状的叶片。这样的叶片由于其具有飞机机翼式的外侧表面，气流流过可以很好 地被叶片利用，转动效率很高的。而将叶片与风轮轮毂连接的支撑杆，其可以做成强度和刚 度都较高但风阻很小的的形状和结构，例如杆截面可以为椭圆形截面。这样，就可以从根本 上改变现有风轮叶片抗风能力差和功率效率较低的问题。
权利要求
1.一种垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，包括构成叶片形状的骨架和 固定在该骨架外面的蒙皮，该叶片的形状为一垂直的柱状体，其水平截面为飞机机翼的断 面形状，即叶片朝外的外侧表面为流线形状弧面，该外侧表面与相对的内侧表面之间圆滑 过渡，形成较大的迎风端即叶片的头部和较小的尾部。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述叶片 柱状体的外侧表面和内侧表面之间的间距从所述头部到尾部基本上是逐渐减小的；和/ 或，在叶片的垂直方向上各所述水平截面大小形状相等。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述骨 架包括有叶片骨架、骨架筋和叶型支撑杆，所述叶片骨架为若干个，其为叶片柱状体的所述水平截面飞机机翼形状的框架，在叶 片的垂直方向以设定间距对正排布；所述骨架筋为若干直杆件，各个骨架筋环绕在对正排布的若干所述叶片骨架框架的周 围，每根所述骨架筋与所有所述叶片骨架的所述框架在一垂直方向上有一交汇固联点，形 成叶片的侧壁骨架来支撑和/或固联所述蒙皮；所述叶型支撑杆的两端支撑固定在所述叶片骨架形成的所述框架上相对位置的杆体 上，以支撑保持该框架的形状。
4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述骨架 筋包含四根骨架主筋和若干根骨架副筋，所述骨架主筋是这样分布的其中两根所述骨架 主筋设置在对应叶片的所述外侧表面一侧，另外两根所述骨架主筋设置在对应叶片的所述 内侧表面一侧，在所述叶片的水平截面上，四根所述骨架主筋构成一四边形，并设在所述叶 片的垂直设置下质量中心的周围且使得所述叶片的质量由该四根骨架主筋平衡。
5.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述骨架 主筋为其强度和/或刚度较所述骨架副筋大的杆件；和/或，所述骨架主筋、骨架副筋与所述叶片骨架的连接点交汇于所述叶型支撑杆和所述叶片 骨架的连接点。
6.根据权利要求4或5所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述骨 架主筋为截面较所述骨架副筋大纵向贯通的空心杆体；或者，所述骨架主筋和骨架副筋均为纵向贯通空心杆体，所述骨架主筋的杆纵向空心腔室中 设有纵向间隔壁，将一个大腔室分割为两个较小的腔室，所述骨架副筋为截面较小的单腔 空心杆体；和/或，所述叶片骨架为空心杆体，该杆纵向空腔通过纵向间隔壁分割成两个纵向腔室。
7.根据权利要求3或4所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述叶 型支撑杆相互平行地设置在所述叶片骨架形成的框架上。
8.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述叶型 支撑杆中还包括有斜拉杆，其一端固定在相对于叶片所述外侧表面的一叶型支撑杆与所述 框架的交点上，其另一端固定在相对于叶片所述内侧表面的另一根叶型支撑杆与所述框架 的交点上；和/或，所述斜拉杆是固定在有所述骨架主筋交汇的所述叶型支撑杆和所述叶型骨架的交点上。
9.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮的叶片结构，其特征在于，所述叶片 骨架、骨架筋和叶型支撑杆由铝型材制作；和/或，所述蒙皮由布、铝皮、玻璃纤维片材制 作；和/或，各个所述叶片骨架、骨架筋和叶型支撑杆之间通过焊接或胶粘固联。
10.一种包括权利要求1-9所述叶片结构的垂直轴风力发电机的风轮，其特征在于，包 括若干所述叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根支撑杆的一 端，该支撑杆的另一端和所述轮毂连接；或者，包括若干所述叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根支撑 杆的一端，该支撑杆的另一端和所述轮毂连接；相对于所述风轮的垂直轴线，各个所述叶片 其流线形的所述外侧表面在沿设定半径圆的圆周方向设置；或者，相对于所述风轮的垂直 轴线，各个所述叶片流线形的所述外侧表面在与沿设定半径圆的圆周切线方向夹一设定角 度的方向设置；或者，包括若干所述叶片和轮毂，每个所述叶片沿其柱状体的垂直方向固联两根或多根支撑 杆的一端，该支撑杆的另一端和所述轮毂连接；所述风轮中的叶片为4-M个。
全文摘要
本发明提供一种垂直轴风力发电机风轮的叶片，其包括构成叶片形状的骨架和固定在该骨架外面的蒙皮，该叶片的形状为一垂直的柱状体，其水平截面为飞机机翼的断面形状，即叶片朝外的外侧表面为流线形状弧面，该外侧表面与相对的内侧表面之间的圆滑过渡，形成较大的迎风端即叶片的头部和较小的尾部。本发明提供的叶片由于流线形的形状以及特定的骨架结构，使其具有重量轻、强度刚度高，组合加工简单，成型精度高的优点。
文档编号F03D3/06GK102146880SQ201019114068
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者盛明凡, 蒋大龙, 许金泉 申请人:国能风力发电有限公司