专利名称：风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉;OL力涡轮机。具体地，本发明涉及小型、低速、水 平轴风力涡轮^机。
背景技术：
随着对全球气候变暖的关注，利用风力发电已引^A们越来越多的兴趣。为了这个目的，而非农业目的，最近几十年研制的风力涡轮机总体上造得非常庞大、复杂和昂贵。"高速"型的现代7jC平轴风力涡轮机，如用于大，发电的那种， 一般包括两个或三个直径为IOO米或更大的螺旋桨式 叶片。这种涡轮机的叶尖速比通常在7.0左右。相反，小型"低速，，涡轮机也得到了io艮，而且这些涡轮机通常包括更多数量的较小型叶片。Cobden在美国专利第4415306号和澳大利亚专利 第563265号中披露了这种涡轮机的一种示例(下文中称为科布登涡轮机)。 这种科布登涡轮机在制造方面远不及一般的高速发电涡轮机复杂和昂贵， 但是它的效率也差很多。风力涡轮机可得到的理论最大输出功率由下式确定尸，M丽-Cp/^巳3 (a)其中，性能系数是 Cp=% 或0.59左右。高速运行是希望产生最大功率，即性能系数接近理论最大值。然而， 在高风速时，必须使用复杂的限速机构以防止涡4^机自毁。这种机构可以 转动或者巻收全部或部分叶片以便减少对风能的捕获。另一方面，科布登涡轮机转动非常緩慢，仅有大约0.6的叶尖速比。 其在运行过程中非常安静，而且固定叶片的结构筒单。其不需要复杂的控 制机构来防止超速，但其性能受到了限制。因此，本发明的一个目的是提供一种小型、低速风力涡轮机，该涡轮 机高效、便宜并且坚固。在上下文中，术语"小型，，应该理解为表示涡轮机转子的直径小于大约10米。术语"低速"表示转子的转速小于每分钟大约400转，而术语"高效" 表示涡轮机的输出功率接近理论最大值。设计风力涡轮机有几种已知的方法。以下简要说明由Wilson[1995描 述的这些方法中的其中两种。1、 促动盘理论。水平轴风力涡轮机(HAWT)的最筒单模型是其涡 轮机转子由从风力中获取能量的促动盘代替。当风力在逆风侧冲击促动盘 时，那里的压力上升，并且风力从盘转向离开，引起盘下游的较大尾流。 促动盘理论把越过盘时的压力降与尾流尺寸的变化和能从风中获取的能 量联系在一起。Rankine [1865，R.Froude [1889和W. Froude [1878是 促动盘理论，尤其是关于船舶螺旋桨设计的促动盘理论的早期开创者。他 们的理论不包括尾流旋转的影响，该影响后来由Joukowski [1918加入。 后来，Glauert [1935t艮了对最佳HAWT转子的简单促动盘分析。促动 盘理论符合上述涡轮机最大功率的方程式(a)，然而，没有进一步设计理 论的情况下促动盘理论不符合转子几何学。Wilson [1995]披露了一种运用 叶片元素理论来达到此目的的方法，他的方法与本发明所运用的方法有些 类似。2、 薄片理论，或改良的叶片元素理论。如Wilson所述"叶片元素理论"是Froude [1878]提出的，后来被Drzewiecki [1892进 一步iL艮。叶片元素理论的方法与动量原理的方法相反，因为它关注的是 由流体运动导致叶片产生的力。现代转子理论^1从旋转叶片产生自由涡流的概念iL^来的。这些涡流限定了滑流并产生诱导il;变.......已经发现薄片理论方法适用于风力^性能的分析。发明内容本发明的一个方面是提供一种设计水平轴风力涡轮机的方法。该方法 将促动盘分析与叶栅风扇的设计方法结^来以限定叶片特征，所述叶片 特征包括叶片的形状和大小，从而使得能以最低转速从气体中获取最大量 的能量。本发明的另一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机的转子。该转子具 有毂和多个从毂处放射状延伸出来的长形叶片。这些叶片形成的形状使得 运行过程中，在任何选定的沿着叶片长度方向的径向位置上，沿叶片旋转 方向离开叶片的气体切向分速度Cu与转子的上游轴向风速巳相除的比率由下式确定<formula>formula see original document page 12</formula>其中A是选定径向位置处的局部速比，并由下式确定其中t/是选定径向位置处的叶片圆周ilJL。在优选实施方式中，在选定径向位置处，叶片弦长c由下式确定:其中r是选定径向位置处的半径，Z是叶片的个数， 并且，其中s是密实度，并由下式确定歐广Cotan(/0^是相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定其中s是叶片的间距，并由下式确定P2是相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定其中CLh是在毂处的选定叶片升力系数Cu是在叶尖处的选定叶片升力系数 C加是在毂处的选定叶片曳力系数 CDt是在叶尖处的选定叶片曳力系数/是选定径向位置处的半径百分率，并且/在毂处等于0，在叶尖 处等于l。优选地，各叶片是弯板翼型，且在选定径向位置处，翼型的中心线弯 曲角G由下式确定其中A" Bi和d是下列常数 A产0.0089 deg-1 B尸0.0191 deg1 d=0.0562而i是气体冲向叶片的入射角且由下式确定其中ib是叶片毂处的选定入射角 it是叶尖处的选定入射角。采用简单的弯板翼型的优点在于它们造价低，从而使结构简单并且坚固的涡轮机的造价低。有利的是，翼型的中心线弯曲角e从叶尖处的10-15度变为毂处的25-30度。其中&是升力系数，并由下式确定C丄=C^力+ / x (C^, - )并且，c。是曳力系数，并由下式确定:在选定径向位置处，从涡轮^机转动轴开始的叶片弦的安装角g优选地 由下式确定有利地，安装角《从毂处的60度左右变为叶尖处的80度左右。在优选实施方式中毂具有相对大的直径。优选的，毂的直径为在叶尖 处测量的转子直径的40%和50°/。之间，且是实心的以防止空气越过毂。因 而^着迫使更多气体从叶片越过的作用，这样可以从风中获取更多的能 量。有利的是，毂的直径是转子直径的45%。本发明的另 一个方面是提供一种确定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，涡4^机包括具有毂和多个从fei射状延伸出来的长形叶片的转子。 该方法包括以下步骤a)为下列设计M中的至少一个选定值叶片数 Z毂直径 Dh叶尖直径 Dt叶尖速比 、远上游风速 VAb) 沿着叶片长度方向选定径向位置；c) 基于选定的设计J^值计算选定径向位置处的局部速比A;d) 运用下式计算沿叶片旋转方向离开叶片的气体切向分速度C 与转子的上游轴向风速K相除的比率& =丄^ —9义e) 根据比率CWA，计算选定径向位置处的叶片弦长c、中心线 弯曲角e和从涡轮机转动轴开始的叶片弦的安装角g;以及f) 选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(e)以计算该替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角g，从而沿着叶片的长度方向限定叶片特征。优选地，该方法包括进一步的步骤，为设计参数中的至少一个选定 替代值，并重复步骤(b)到(f)，以优化叶片特征从而以最低的转子转速 从气流中获取最大的能量。更具体地，本发明的另一方面是提供一种限定水平轴风力涡轮机的叶 片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从fet射状延伸出来的长形叶片的转子。该方法包括以下步骤a)为下列设计参数中的至少一个选定值叶片数 Z毂直径 Dh叶尖处直径 Dt叶尖处速比 、远上游风速 VA叶片毂处叶片升力系数 CLh叶尖处叶片升力系数 Cu 叶片毂处叶片曳力系数 CDh 叶尖处叶片曳力系数 CDt 叶片毂处入射角 ih 叶尖处入射角 itb) 在^、 VA和Dt的^上计算叶片转速Nc) 计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f， 其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于l;d) 根据f、 Dt和Db计算选定径向位置处的半径r;e) 在Z的基础上计算叶片间距；f) 在N的基础上计算选定径向位置处的叶片速度U;g) 在U和VA的基础上计算局部速比入h) 运用下式计算沿叶片旋转方向离开转子的无量纲气体切向分 速度比率CU/VA<formula>formula see original document page 16</formula>i) 计算相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角 j)计算相对于叶片流动的下游气体与涡轮机转动轴之间的夹角k)才艮据^和P2计算相对于叶片的气流的平均角Pm1)根据f、 Cth和CLt计算升力系数CLm)根据f、 C加和CDt计算曳力系数CDn)根据Pm、 CU/VA、 CL和Q)计算所需的密实度So)基于S和s计算所需的叶片弦长cp)基于f、 ih和it计算气体冲向叶片的入射角iq)在Q的基础上计算中心线弯曲角er)在^和i的基础上计算从涡轮机轴开始的叶片弦的安装角gs)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计 算替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角；，从而限 定沿着叶片长度方向的叶片特征。再一次，该方法优选地包括进一步步骤如下，为设计参数中的至少 一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s)，以优化叶片特征从而使得 以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。更具体地，本发明的另一方面是提供一种限定水平轴风力涡轮机的 叶片特征的方法，该涡轮机包括具有毂和多个从^t射状延伸出来的长形 叶片的转子，其中各个叶片是具有圆弧截面的弯板翼型。该方法包括以下 步骤a)为下列设计M中的至少一个选定值叶片数 毂直径 叶尖处直径 叶尖处速比 远上游风速 叶片毂处叶片升力系数 叶尖处叶片升力系数 叶片毂处叶片曳力系数 叶尖处叶片曳力系数 叶片毂处入射角 叶尖处入射角b) 运用下式计算叶片转速N<formula>formula see original document page 17</formula>c) 计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f， 其中，f在毂处等于0，在叶尖处等于l;d) 运用下式计算选定径向位置处的半径r<formula>formula see original document page 17</formula>
其中Rh是毂处的转子半径，并且Rt是叶尖处的转子半径；e) 运用下式计算叶片间距s;<formula>formula see original document page 17</formula>f)运用下式计算选定径向位置处的叶片速度U;<formula>formula see original document page 18</formula>g)运用下式计算局部速比X<formula>formula see original document page 18</formula>h)用下式计算沿叶片旋转方向离开转子的无量纲气体切向分速 度比率CU/VA<formula>formula see original document page 18</formula>i )由下式计算相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间 的夹角&j )由下式计算相对于叶片流动的下游气体与涡^^机转动轴之间 的夹角P2<formula>formula see original document page 18</formula>；k)由下式计算相对于叶片的气流的平均角Pm<formula>formula see original document page 18</formula>1)运用下式计算升力系数Ct<formula>formula see original document page 18</formula>m)运用下式计算曳力系数Cn)由下式计算所需的密实度S2co氛)(Cj已)0)由下式计算所需的叶片弦长CP)运用下式计算气体冲向叶片的入射角iq)运用下式计算圆弧叶片的中心线弯曲角e其中Ai、 Bi和d是如下常数 A产0.0089 deg'1 B尸0.0191 deg1 C产0.0562r)运用下式计算从涡轮机轴开始的叶片弦的安装角gs)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计 算在替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角g，从而 沿着叶片长度方向限定叶片特征。再一次，该方法优选地包括进一步步骤如下，为设计参数中的至少 一个选定替代值，并重复步骤(b)到(s),以优化叶片特征从而使得 以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。本发明的又一方面是提供一种制造水平轴风力涡轮机的转子的方法， 该转子具有毂和多个从^L射状延伸出来的长形叶片。该方法包括以下步根据任意一种以上方法限定叶片特征；以及制造转子，转子包括具有上述限定特征的叶片。本发明又一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机的转子。该转子包 括具有由上述方法之一限定的特征的叶片。本发明又一个方面是提供一种水平轴风力涡轮机，该涡轮机包括具 有毂和多个从毂处放射状延伸出来的长形叶片的转子。该叶片具有由上 述方法之一 限定的特征。
现在参照附图对本发明的优选实施方式进fr沈明。可以理解，该实施 方式仅仅是作为示例给出的，而且本发明不限于该示例。在图中图l显示的是根据本发明优选实施方式的风力涡轮机的立体图；图2显示的是图1中所示转子在切向平面上的速度向量的示意图；图3显示的是根据本发明方法的优选实施方式的风力涡轮机设计计算 的示例；以及图4显示的是根据本发明优选实施方式制造的涡轮机模型的测试性具体实施方式
参照附图，图1显示的是根据本发明优选实施方式设计的水平轴风力涡轮机的转子10。该转子10包括毂12和多个从毂12放射状延伸出来的 叶片14。该叶片14形成的形状使得在运转过程中，在沿着叶片长度方向 的任意选定的径向位置处，沿叶片旋转方向离开叶片的气体切向分速度G 与转子的上游轴向风速[相除的比率由下式确定9义其中义是选定径向位置处的局部速比，其由下式确定其中"是选定径向位置处的叶片圆周il^。下面对确定叶片形状以达到该要求的过程进行详细说明。该过程的优 选形式，仅仅作为示例给出，是专门用于小型、低速、高效的风力涡轮机 的设计。该过程的各种变化对于风力涡轮机设计领域的技术人员来说是显 而易见的。该设计过程是个迭代过程。为了筒化该过程，发明人发现把设计方程 式(如下所述)制成一个Excel 电子数据表会方便很多，这样能够使转 子叶片的整个设计自动计算。图2显示的是水平轴风力涡轮机转子在切向平面上的速度向量的示意 图。各叶片的形状由沿着叶片长度方向的^fi置或各高度处的安装角g， 叶片弦长c和叶片中心线弯曲角e确定。选择如下所列的多个设计参数。然后通过电子数据表自动计算转子叶 片的整个设计，并检查是否达到要求。这些要求是指适当的叶片安装角、 叶片弦长和从毂到叶尖的各叶片位置处的叶片拱度。修改设计参数直到达 到要求。发明人fet当的叶片安装角限定为在毂处60度左右到叶尖处80 度左右。在考虑到叶片太小而会太刚性，或者叶片太大太重而会使成械 高并JU吏转子叶片产生的离心力太大的基础上来估计出适当的叶片弦长。 适当的叶片换度是叶尖处10-15度左右，毂处25-30度左右。i史计^lt 符号叶片数 z毂直径 Db叶尖直径 Dt叶尖速比 、远上游风速 VA 叶片毂处叶片升力系数叶尖处叶片升力系数 CLt叶片毂处叶片曳力系数 CDh叶尖处叶片曳力系数 CDt叶片毂处入射角 ih叶尖处入射角 it设计常数对于简单的弯板翼型在下式中，A产0.0089deg1 B产0.0191 deg" C尸0.0562 Ci^xi + B^e + d (1)设计方程式和程序1、首先运用下式计算叶片转速Niv = ^i (2)2、 半径百分率f在0 (毂处)到1 (叶尖处)的范围内选择。然后该 半径由下式确定r = i A+/xfe-(3)3、 接着运用下式计算叶片间距s(4)z4、 随后，选定半径处的叶片速度U由下式确定c/ = ^^ (5)605、 局部速比X由下式确定A = Z (6)6、 离开转子的无量纲切向分4JL比率CWA由下式确定 H (7)7、 相对于叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角^由下式确定t—A) = * (8)8、 相对于叶片流动的下游气体与涡轮5机转动轴之间的夹角P2由下式确定tan(A) = Mi±|^i] (9)9、 气^M目对叶片的平均角Pm由下式确定tan(Aj=o.5(tanG^+tanG^2》(io) \10、 选定升力系数Ct由下式确定 c^Qj/xdcJ (11)11、 选定曳力系数Cu由下式确定C,C加十/x(C^—C加) (12)12、 然后，所需密实度S由下式计算2 os(/U(，)13、 接着，所需叶片弦长c由下式计算 c = sxs (14)14、 气体沖向叶片的入射角i由下式确定 ""/xfe-0 (15)15、 圆弧叶片的中心线弯曲角e由下式确定"(C"xz. — Cl) (16)16、 从涡轮机轴开始的叶片弦安装角g由下式确定 《=A+'' (17)17、 相对于叶片的气体速度W由下式确定 『=(4~^) (18)18、 叶片雷诺数Re由下式确定Re = ^ (19)19、 叶片圆弧的半径rbe由下式确定 ~=~^^ (20)图3显示的是一个电子数据表，其给出了设计参数示例和有关设计过 程优选形式的一般计算。包含本发明实质的前述特征是如下的设计分析。 根据促动盘理论(轴向动量分析)，在最大涡轮机效率点， <formula>formula see original document page 25</formula> (21) 因而越过盘的静态压力降是<formula>formula see original document page 25</formula>(22)现在，越过盘的总压力降AP由下式确定<formula>formula see original document page 25</formula>所以替代静态压力降Ap和绝对速度Cl和c2由下式确定<formula>formula see original document page 25</formula>即<formula>formula see original document page 25</formula> (23)本发明的发明人意识到能够假设离开盘的切向分速度cu小于VA，即<formula>formula see original document page 25</formula>这允许方程式(23 ) U成对于越过盘的总落差AH的如下方程式从而<formula>formula see original document page 25</formula>(24)
最后，运用涡轮机的标准欧拉方程，gA//=c^ (25) 替代方程式(24 )中的AH并重新整理导出方程式(7)，即&=%&=丄 (26) ^ z C7 9义 、7然后由涡轮机叶栅性能的标准方程式导出方程式(13)C￡ =2《|^0^」+^加00 (27)该目的是从风中获取最大量的能量。这种能量包M态压力分量和速 度分量。气流离开转子盘的速度分量包括沿转子轴方向的轴向分量vAD，和沿叶片运动方向的转动分量Cu。如上所述，根据促动盘理论，发现最大涡轮机效率要求气体的轴向速 度VAD在转子盘降低至远上游轴向速度VA的三分之二。这就是方程式21。 促动盘理论还确定最大涡轮机效率点A^过盘的静态压力降AP由方程式 22中的关系限定之处。由于气体穿过转子盘，所以气体方向变换引起转动分量Cu。当气体冲 击叶片，该叶片沿一个方向被推动，而气体被推向相反的方向。因此，在 气体穿过转子盘后，它沿着与叶片转动方向相反的方向旋转。该旋转气流中的能量就损失了。所以为了从风中获取最大量的速度能量，希望将切向 速度分量Cu保持在最小。本发明的发明人意识到由于风速在变化，所以转动分量Cu尽可能小很 重要，转动分量Cu比轴向风速VAD和Va小更加重要。这个关于可变的 轴向风速的比率是无量纲的。同时，如果Cu小于Va，那么C^将更小于 VA2。这意味着方程式23的第二项相对于该方程式中的第一项而言变得无 关紧要，并且可以被忽略。实际上，发明人已经意识到，为了计算叶片特征，如果你希望切向分 速度Cu小于轴向速度VA，你可以假设它小。这就简化了后面计算叶片形 状和大小的方程式。基于这种假设，根据本发明设计过程制造的涡轮机的 特征在于叶片的形状符合方程式26中限定的关系(也就是方程式7 )。由于有两个要求相互矛盾，因此要进行折衷。 一方面，切向分速度Cu应尽可能比轴向速度VA(和VAD)小以M度分量中获取最大量的能量。这 就需要叶片i!JL尽可能高，因为叶片转动越快，气体穿过转子盘时的转动 越少，同时转动损失的能量也越少。这意味着高速运转比低速运转更有效。 另一方面，叶片iiA应该尽可能低，以使得带有便宜的固定叶片的转子能 造得尽可能筒单，且不会在疾风中飞散。图3中电子数据表的21行包括Cu损失与落差AH相除的计算。这种 损失在叶尖处最低(3.6%),在毂处最高(19.4%)。该图AiL明人在边监 控边调整输入的设计M (电子数据表的3到14行)的情况下作出的。修 改这些设计M直到叶片特征达到要求，该叶片特征包括叶片弦长、中心 线弯曲角和安装角。因而，能够看到，该设计过程采用促动盘理论来导出能从风中获取最 大能量的条件。然后，整个设计过程用于找出最低效率运行速度以使得叶 片上作用的机械力最小化，这样就避免了涡轮机采用在疾风时使用的巻收 设备。图4显示的是根据本发明设计的直径300mm的涡轮M型与现有技 术科布登涡轮^目对比的测试性能。可以看到本设计的性能系数(Cp)的 最大值为0.44左右，这明显优于科布登涡轮^L的0.14左右。还可以看到本 设计运行得比科布^i殳计要快，它们的叶尖处速比分别是2.0和0.6。然而， 它运转得比一般用于发电的大型、高速类型的风力涡轮机要艮^f艮多，高速 类型的风力涡轮机以叶尖速比7.0左右运行。与高速风力涡轮;M目比，可以看到根据本发明制造的涡轮机具有更宽 的叶片和更多的叶片数。例如，发明AJL现六个叶片优于三个。那些叶片 可以由弯曲并扭曲至所需形状的金属片制成，该形状由叶片弦长、中心线弯曲角和安装角的计算值限定。 制造根据上述过程设计的涡轮^机可以采用传统制造技术来制造。例如，曲 面翼型叶片可以采用电镀锡板来制造，该电镀锡板由滚扎成型并扭曲至所 需的形状。同样的，涡轮机转子的其它部分可以采用传统技术来制造。适 合采用的技术对于;^工程领域技术人员来说是显而易见的，这里不必详 细说明。优点该设计过程的优选形式的优点和根据该过程制造的涡轮机的优点如下 实心毂捕获了在其它涡轮机中将会通过毂区域而损失的气体，并且该 气体中的能量被涡4^机获取。 设计方程式的促动盘理论成分使得叶片被设计得能从风中获取最大 量的能量。 叶片设计中对促动盘理论和迭代理论的结合运用制造出了以相对低 速高效运行的涡轮机。这意味着涡轮机能抵挡高风速而不会转动太快 以致于作用在叶片上的离心力毁坏涡轮机。反过来，这意味着可以使 ^设计更简单，避免了昂贵复杂的自动"巻收"或叶尖空气动力制动 装置。可替代方案虽然这里是对设计过程的优选形式和根据该设计过程制造的涡轮机进 行了说明，但风力涡轮机设计领域技术人员可以理解，在不背离本发明基 本原理的情况下可作出多种变更和修改。例如，可以采用全轮廓翼型截面 的叶片代替通过将平板弯曲成圆弧状而制成的简单翼型。这会改变方程式 (1)和(16)的形式，但这些变化仍体现了本发明设计过程的本质。术语符号AAiBicc2说明涡^^机与气流垂直的面积=;ri ,2 弯板翼型的升力方程式中的常数 弯板翼型的升力方程式中的常数 弦长涡^^I/L盘的总上游速度 涡轮机盘的总下游速度单位deg1 deg 1 mm.s—1 m.s1弯板翼型的升力方程式中的常数一cD局部曳力系数一c加毂处曳力系数 Cot叶尖处曳力系数cL局部升力系数-Cm毂处升力系数cLt叶尖处升力系数 cu沿叶片速度U方向的气体切向分速度Dh叶片毂处转子直径mDt叶尖处转子直径mf百分率 Fh-故毂堵塞的涡轮机正面的百分率-g重力加速度9.8 m.si气体冲向叶片的入射角度ih毂处的入射角度it叶尖处的入射角度N叶片转动速度rpmPi涡4^机盘的上游静态压力PaP2涡轮机盘的下游静态压力Par半径ml"bc叶片圆弧的半径mrf从毂处(0)到叶尖处(1)的半径百分率Re叶片的雷诺数-Rh叶片毂处转子半径mRt叶尖处转子半径ms叶片间距mS密实度=c/s-U叶片速度m.s_1vA远上游轴向风速m.s—1Vad转子盘处轴向风速m.s-1w相对于叶片的气流速度m.s1wh切向差损/越过涡轮机的总落差-wr切向分速力Vad-z叶片数-9圆弧叶片的换度度速比■、尖端处速比上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角度离开涡^^机的气体和转子轴之间的夹角度平均气体夹角度P气体密度=1.21kg.mAH越过涡轮机盘的总落差mAp越过涡轮机盘的静态压力差PaAP越过涡^^机盘的总压力降Pav 气体的动粘滞度=16xl06 m2.^ 《 从涡轮机轴开始的叶片弦安装角 度参考文献fl"J /V印"fe/ve Ej^O/iq;，， "^距、滑移和,迷放举之/《嫂差本^^入 :Tm扁"/麵f会/y, 。/iV謹"fT/i/te"s (7iVv4造痴夢会,K(9/ 79:，.47-57及，//935/ Je/Y 办""挑/c :r脸w7 f宏气^力夢j理J ,y4m wflMft々Mcs1 & /，五co/e S"/7er/efe rec/fw/^e cte Moscowf推迷器动^"时^i^埋入rjr"附fl",Vms f会W入/w对/似te tf/6^#^6^玄气动力###1 J , cA"/7ter 5"『!Virf rw^/we rec/mo/og;; fX發 批戎^ J ， 5^eni， Dflv/rf爿"爿5ME f美萄批桶'工资/f鈔会fi/參J , iVew
权利要求
1、一种水平轴风力涡轮机的转子，所述转子具有毂和多个从所述毂处放射状延伸出来的长形叶片，所述叶片形成的形状使得在运行过程中，沿着所述叶片长度方向在任意选定的径向位置上，沿所述叶片旋转方向离开所述叶片的气体切向分速度CU与所述转子的上游轴向风速VA相除的比率由下式确定
2、 如权利要求l所述的转子，其中，在所述选定径向位置处，叶片弦 长c由下式确定其中^是所述叶片的间距，并由下式确定<formula>formula see original document page 7</formula>其中r是所述选定径向位置处的半径，Z是所述叶片的个数， 并且，其中s是密实度，并由下式确定S_ 2co收)(C,) 其中Pm是气J5M目对于所述叶片的平均角，并由下式确定tan(/ m) = 0.5 (tan(/ ！) + tan(/ 2》 其中Pi是相对于所述叶片流动的上游气体与涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定|52是相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮机转动轴之间的夹角，并由下式确定Cu是在所述毂处的选定叶片升力系数CLt是在所述叶尖处的选定叶片升力系数Coh是在所述毂处的选定叶片曳力系数CDt是在所述叶尖处的选定叶片曳力系数/是所述选定径向位置处的半径百分率，并且/在毂处等于0，在叶尖处等于1。
3、如权利要求2所述的转子，其中，各叶片是弯板翼型，且在所述选 定径向位置处，所述翼型的中心线弯曲角e由下式确定其中A" Bi和d是下列常数 A产0.0089 deg-1 B尸0.0191 deg 1 d=0.0562而i是气体冲向叶片的入射角且由下式确定其中&是升力系数，并由下式确定C丄=CiA + / x 、C^ - j并且，c。是曳力系数，并由下式确定:其中ih是叶片毂处的选定入射角 it是叶尖处的选定入射角。
4、 如权利要求3所述的转子，其中，在所述选定径向位置处，从所述 涡l^机转动轴开始的所述叶片弦的安装角g由下式确定
5、 如权利要求4所述的转子，其中，所述安装角g从所述毂处的60 度左右变为所述叶尖处的80度左右。
6、 如权利要求3所述的转子，其中，所述翼型的中心线弯曲角e从 所述叶尖处的10 15度变为所述毂处的25~30度。
7、 如前述权利要求中的任一项所述的转子，其中，所述毂的直径为在 所述叶尖处测量的所述转子直径的40%和50%之间，并且所述毂是实心的 以防止空气穿过毂。
8、 如权利要求5所述的转子，其中，所述毂的直径是所述转子直径的 45%左右。
9、 一种水平轴风力涡轮机，包括如前i^利要求中的任一项所述的转子。
10、 一种大致上如参照附图所述的风力涡轮机。
11、 一种确定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，所述涡轮机包括 具有毂和多个从所述毂^L射状)^伸出来的长形叶片的转子，所述方法包括 以下步骤a)为下列设计^lt中的至少一个选定值叶片数 Z毂直径 Dh叶尖直径 Dt叶尖速比 ^远上游风速 VAb) 沿着所述叶片长度方向选定径向位置；c) 基于选定的设计值计算所述选定径向位置处的局部速比义;d) 运用下式计算沿叶片旋转方向离开所述叶片的气体切向分速度a与所述转子的上游轴向风速\^相除的比率<formula>formula see original document page 5</formula>e) 根据比率CWA，计算所述选定径向位置处的叶片弦长c、中心线 弯曲角e和从所述涡轮机转动轴开始的叶片弦的安装角g;以及f) 选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(e)以计算该替 代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角《，从而沿着所述叶 片的长度方向限定所述叶片特征。
12、 如权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤g) 为所述设计^lt中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b)到(f )， 以优化所述叶片特征从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。
13、 一种限定水平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具 有毂和多个从所述毂放射状延伸出来的长形叶片的转子，该方法包括以下 步骤a)为下列设计M中的至少一个选定值叶片数 Z毂直径 Dh叶尖处直径 Dt叶尖处速比 It远上游风速 VA叶片毂处叶片升力系数 叶尖处叶片升力系数 Cu 叶片毂处叶片曳力系数 CDh 叶尖处叶片曳力系数 CDt 叶片毂处入射角 ih 叶尖处入射角 itb) 在、、VA和Dt的l^l上计算叶片转速Nc) 计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f,其中， f在毂处等于0，在叶尖处等于l;d) 根据f、 Dt和Dh计算所述选定径向位置处的半径r;e) 在Z的基础上计算叶片间距；f) 在N的基础上计算所述选定径向位置处的叶片速度U;g) 在U和VA的基础上计算局部速比Xh) 运用下式计算沿所述叶片旋转方向离开所述转子的无量纲气体切 向分速度比率CU/VAi) 计算相对于所述叶片流动的上游气体与所述涡轮机转动轴之间的 夹角&j)计算相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮机转动轴之间的 夹角p2k)才艮据[^和P2计算相对于叶片的气流的平均角|3mI) 根据f、 CLh和Cu计算升力系数CLm)根据f、 CDh和Cot计算曳力系数CDII) 根据Pm、 CU/VA、 CL和CD计算所需的密实度So)基于S和s计算所需的叶片弦长cp)基于f、 ih和it计算气体冲向所述叶片的入射角iq)在Ct的基础上计算中心线弯曲角er)在Pi和i的基础上计算从所述涡轮机轴开始的叶片弦的安装角g s)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算所述替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角g，从而限定沿着叶片长度方向的叶片特征。
14、 如权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤t)为所述设计M中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b )到(s )， 以优化所述叶片特征，从而以最低的转子转速从气流中获取最大的能量。
15、 一种限定7JC平轴风力涡轮机的叶片特征的方法，该涡轮机包括具 有毂和多个从所述毂ii射状延伸出来的长形叶片的转子，其中各个所述叶 片是具有圆弧截面的弯板翼型，该方法包括以下步骤a)为下列设计M中的至少一个选定值叶片数Z毂直径Dh叶尖处直径Dt叶尖处速比远上游风速vA叶片毂处叶片升力系数叶尖处叶片升力系数cLt叶片毂处叶片曳力系数CDh叶尖处叶片曳力系数Cot叶片毂处入射角ih叶尖处入射角itb)运用下式计算叶片转速N—60化C)计算表示沿叶片长度方向的选定径向位置的半径百分率f，其中,f在毂处等于0，在叶尖处等于l;d) 运用下式计算所述选定径向位置处的半径r其中Rh是毂处的转子半径，并且Rt是叶尖处的转子半径；e) 运用下式计算叶片间距s;■s =-Zf) 运用下式计算所述选定径向位置处的叶片速度U;—60g) 运用下式计算局部速比Xh)用下式计算沿叶片旋转方向离开所述转子的无量纲气体切向分速 度比率CU/VAQ 4i)由下式计算相对于所述叶片流动的上游气体与所述涡轮机转动轴 之间的夹角^j )由下式计算相对于所述叶片流动的下游气体与所述涡轮^机转动轴 之间的夹角卩2tan(A) = l&±|^]k)由下式计算相对于所述叶片的气流的平均角|5mtan(々",)=0.5 (tan(A) + tan(A))1)运用下式计算升力系数CtC丄=+ / x 、C^ - Jm)运用下式计算曳力系数CDC/) = c加+ y x - CD/，)n)由下式计算所需的密实度S(C广CDtan(A,,》 0)由下式计算所需的叶片弦长Cp)运用下式计算气体冲向叶片的入射角i q)运用下式计算圆弧叶片的中心线弯曲角e/1 (C丄—Ji x / — Ci J其中Ap Bi和d是如下常数 A尸0.0089 deg'1 B产0.0191 deg 1 C产0.0562r)运用下式计算从所述涡轮机轴开始的叶片弦的安装角gs)选定至少一个替代径向位置，并重复步骤(c)到(r)以计算在 所述替代径向位置处的叶片弦长c、中心线弯曲角e和安装角g,从而沿着 叶片长度方向限定所述叶片特征。
16、 如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤t)为所述设计^中的至少一个选定替代值，并重复步骤(b )到(s ), 以优化叶片特征，从而以最低的转子转速从气流中获取最<的能量。
17、 一种制造水平轴风力涡轮机的转子的方法，该转子具有毂和多个 从所述毂放射状延伸出来的长形叶片，该方法包括以下步骤根据权利要求11到16中任一所述的方法限定叶片特征；以及 制造转子，所述转子包括具有所述限定特征的叶片。
18、 一种水平轴风力涡轮机的转子，所述转子包括具有由权利要求ll 到16中任一项所述的方法所限定的特征的叶片。
19、 一种水平轴风力涡^^机，包括具有毂和多个从所述毂放射状延伸 出来的长形叶片的转子，所述叶片具有由权利要求11到16中任一项所述 的方法所限定的特征。
全文摘要
一种设计水平轴风力涡轮机转子的方法。该方法将促动盘分析与叶栅风扇的设计方法结合起来以限定叶片特征，所述特征包括叶片的形状和大小，从而使得能以最低转速从气体中获取最大量的能量。还披露了一种风力涡轮机的制造方法和根据该方法设计的涡轮机。
文档编号F03D1/00GK101283182SQ200680036995
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月4日 优先权日2005年10月4日
发明者克莱夫·菲耶尔·格兰杰, 阿瑟·本杰明·奥康纳 申请人:阿瑟·本杰明·奥康纳