一种新型平曲面叶片及其风力叶轮的制作方法

本实用新型涉及风能行业风轮叶片设计与制造技术领域，具体涉及一种新型平曲面叶片及其风力叶轮。

背景技术：

风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源。它与存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，不会随着自身的转化和利用而减少，而且在其转化和利用过程中不会带来环境污染问题。作为这样一种清洁的可再生能源，风能已经受到世界各国的广泛重视和利用。

风力机是将风能转化为机械能的装置。其中，风力机的叶片是最为核心的部件，叶片其形状直接影响到风力机捕获风能的效率。目前，风力机的叶片的迎风面和背风面都设计成曲面结构(参见图1所示)，这样的结构具有以下缺点：1、叶片在制造加工的过程中生产工艺难度大，精度不易控制；2、风能获取效率不高。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种新型平曲面叶片及其风力叶轮，其迎风面为平面结构，背风面为曲面结构，具有生产工艺简单，风能获取效率高等优点。

本实用新型采用的技术方案为：

一种新型平曲面叶片，包括叶片本体所述叶片本体，包括迎风面和背风面；所述迎风面为平面结构，所述背风面为曲面结构；所述背风面的投影面积全部在所述迎风面的投影面积之内。

作为本实施例的优选，所述叶片本体的攻角为20～75°。

作为本实施例的优选，所述叶片本体的攻角为75°。

作为本实施例的优选，所述背风面的曲面结构可以为弧形、三角形、多边形。

作为本实施例的优选，所述叶片本体包括翼型上表面和翼型下表面，所述翼型上表面和翼型下表面前后之间的夹角可相同也可不相同。

本实用新型实施例还提供一种风力叶轮，包括前面任一项所述的叶片本体，风力叶轮由多个叶片本体，多个所述叶片本体的沿径向固定连接在一起。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的新型平曲面叶片，将叶片本体的迎风面设计为平面结构，叶片本体的背风面为曲面结构；且背风面的投影面积全部在迎风面的投影面积之内。这样，由于叶片为单曲面设计在制造的过程中加工工艺相对简单，而且制造精度大大提高，同时单曲面设计相对于双曲面设计风能的获取效率至少能提高50％以上。

附图说明

图1为现有技术的风力叶片的结构示意图；

图2为本实用新型所述的新型平曲面叶片的结构示意图；

图3为本实用新型所述的叶片本体为迎风面的剖面示意图；

图4为本实用新型所述的叶片本体的风力测试示意图。

图中所示：1、叶片本体，1.1、迎风面，1.2、背风面，2、翼型上表面，3、翼型下表面。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参见图2至3所示，本实用新型实施例提供一种新型平曲面叶片，具体包括叶片本体1，在本实施例中，叶片本体1包括迎风面1.1(迎风的含义为风轮旋转平面和风向垂直，是风能的能量获取面)和背风面1.2(与迎风面相对的一面)。其中，迎风面1.1为平面结构(光滑的平面)，背风面1.2为曲面结构(从叶片根部至叶片尖部具有一定的弧度，在本实施例中，背风面1.2的曲面结构可以为弧形、三角形、多边形等规则或不规则曲面结构)，且背风面1.2的投影面积全部在迎风面1.1的投影面积之内。

在本实施例中，叶片本体1的攻角为20～75°(本实施例中，叶片本体1的攻角优选为75°)。叶片本体1包括翼型上表面2和翼型下表面3，所述翼型上表面2和翼型下表面3前后之间的夹角可相同也可不相同。在本实施例中还提供一种风力叶轮由多个叶片本体1，多个叶片本体1的沿径向固定连接在一起。

下面我们结合图3对本实施例中平曲面叶片的攻角和翼型做如下的介绍：

迎风面1.1为平面的叶片的剖面形状如图3所示，空气动力使叶片产生轴向的推力和使风轮旋转的旋转力。现在先考虑一个不动的翼型受到风吹的情况。风的速度为矢量方向与翼型平面平行。有关翼型几何形状定义如下：翼型的尖尾b点称为后缘，半圆头上a点为前缘。连接前、后缘的直线ab长为l，称为翼弦。amb为翼型上表面2，anb称为翼型下表面3(在本实施例中，翼型上表面2和翼型下表面3前后之间的夹角即前缘夹角和后缘夹角可相同也可不相同，优选为不同)。攻角i是翼弦(ab)与气流速度矢量之间的夹角。迎风面1.1为平面的叶片得到的空气动力(风力)直接转换成了旋转的旋转力；同时也能得到相应的气动升力(根据伯诺里方程式的原理)。

下面我们通过实例对在相同攻角的情况下，平曲面叶片和双曲面叶片组成的风轮作如下测试(参见表1所示)：

表1

从表1中我们可以看出，当风速很小时(v<2.5米/秒)，双曲面的叶片攻角不大于20°还没有转速的，也就不能产生风能；而平曲面的叶片自相同的攻角情况下仍然可以产生风速即有风能产生；同时在攻角相同的情况下，平曲面叶片比双曲面叶片的转速更高，由此可见，平曲面叶片相较于双曲面叶片在攻角相同的情况下，风能的获取效率更高。

参见图4所示，攻角i是翼弦与气流速度矢量之间的夹角。风吹过叶片时所受的空气动力。根据牛顿第三定律(两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。)叶片得到了风力。风吹过风轮叶片(即叶片本体1)上的力因为叶片的迎风面1.1是平面并且与气流速度矢量之间的夹角(攻角i)的特定条件会分解成平行于风向的推力和垂直于风向的旋转力。力f可分解为两个分力，一个是垂直于气流速度的分力—升力fl，另一个是平行于气流速度的分力—阻力fd。迎风面1.1为平面的叶片组装成的风轮获取相应的气动升力(根据伯诺里方程式的原理)的分析探讨：当风吹过叶片时所受的空气动力。风吹过叶片(翼型)的上表面2和下表面3，因其下表面3是平面较之曲面(现有技术)其通过的速度相应小一些(a、b两点间的直线距离为最短，即小于a、b两点间的曲线距离)。用伯诺里方程式分析，其得到的气动升力相应比“双曲面叶片”大一些。

平曲面叶片获取风能的理论依据是：

1、平曲面叶片的气动升力是风轮动能的来源之一。气动升力是根据伯诺里方程式的原理的效应。气动升力的得到是风吹过叶片(翼型)的上表面2和下表面3，即amb的翼型上表面2和anb的翼型下表面3后才能产生(如图3和4所示)的。

2、风吹过叶片的下表面，即anb的翼型下表面3后(如图3所示)，根据牛顿第三定律(两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。)吹过风轮叶片上的风力因为叶片(anb的翼型下表面)是平面并且与气流速度矢量之间的夹角(攻角i)的特定条件会分解成平行于风向的推力和垂直于风向的旋转力。

平曲面叶片和双曲面叶片获取风能的理论(支持)依据的比较:

a.平曲面叶片得到的气动升力大于双曲面叶片得到的气动升力。同样来源于伯诺里方程式的原理的效应。

b.平曲面叶片得到的直接的风力的旋转分力，来源于牛顿第三定律(两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反的。)的效应；双曲面叶片是不能得到这个力的。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。