专利名称：升力型垂直轴风力发电机的风轮结构和风轮安装方法
技术领域：
本发明涉及升力型垂直轴风力发电机，尤指一种通过改变风轮结构和风轮的安装 方法，以此显著提高垂直轴风力发电机的输出效率。
背景技术：
对于风力发电机技术领域，首先需明确如下常用的技术术语及定义垂直轴风力发电机，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平 方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。风轮，垂直轴风力发电机由若干叶片通过支持翼与垂直轴(中心轴)连接，构成风 轮。垂直轴风力发电机可分为阻力型和升力型，他们的原理和结构都是不相同的，阻 力型风轮的叶片可采用类似风碗、半球型、半圆型桶体、甚至于一块平板。阻力型风轮的特 征是风轮旋转的线速度永远低于风速，但阻力型风轮的最大风能利用率不超过2/27。为了克服阻力型垂直风轮的低效率，人们又发明了升力型垂直风轮。升力型风轮 是利用叶片二面不同的形状，当风吹在叶片表面，由于叶片二面形状和叶片安装角的缘故， 叶片外表面和内表面的风速是不同的，这样就在叶片的外表面和内表面形成了风速差，从 流体力学可以知道，当内、外表面流体速度不一致时，在二个表面之间形成了压力差，也就 是升力，当选择一定的叶片安装角(叶片前缘和后缘连线和风轮回转圆切线之间的夹角) 时，由于压力差所产生的升力的分力就将产生绕风轮回转中心的驱动力矩，使风轮旋转。升力型风轮最显著的特征是叶片必须具有一定的翼型和叶片安装角较小，翼型通 常是现有公开翼型库中的翼型，或利用这些公开翼型库中的二种不同翼型的二个不同曲面 组成的新翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成 的翼型，因此风轮旋转的线速度通常都远大于风速，而且风轮中的任何部件和形状都将对 垂直风机的效率产生很大影响。如图1、图2、图3和图4是典型的几种升力型垂直轴风力发电机风轮结构及其安 装方法，在图1、图2、图3中，叶片1，支持翼2，发电机3和中心轴4。在这些升力型垂直轴 风力发电机中，图1、图2和图3发电机都置于风轮的内部以缩短中心轴的长度，这样可以使 得中心轴的加工更为容易，也使得风轮的结构更为紧凑。但由于发电机在风轮内部，改变了 风轮内部的流场，使发电机周围生产涡流，增加了阻力，降低了风轮的效率。而图4中发电 机置于风轮的底部，该风轮结构可以明显提高效率，但中心轴较长，风轮容易产生摇摆，仅 适合用于数百瓦到几千瓦的小型垂直风机。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，克服现有垂直轴风力发电机设计上的缺陷，提 出一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构及其安装方法，以提高垂直轴风力发电机的功率 输出和稳定性，尤其适用于几千瓦以上的大、中型垂直轴风力发电机。
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本发明的具体技术方案如下一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构，由若干叶片通过上、下支持翼与垂直轴 连接，构成风轮，所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种 翼型的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型， 或由样条曲线组成的翼型，叶片的凸表面面向垂直轴安装，叶片安装角在0 12度之间，其特点在于，所述的下支持翼与叶片下端部连接，下支持翼与叶片下端部的连接 部位处于同一水平面；所述的上支持翼与叶片连接，连接部位的位置从叶片高度的1/2处 至距离叶片上端部1/3处，上支持翼与叶片的连接部位处于同一水平面。在风轮旋转时， 上、下支持翼与叶片一起形成闭合腔体，以保持风轮内外压力差，提高效率。进一步的，各叶片上端部之间通过钢丝对称固定连接，以进一步保持风轮旋转时 风轮内部的压力稳定，并增强叶片上端的强度，避免发生断裂。进一步的，上述叶片上、下两端部通过钢丝与垂直轴固定连接，以进一步保持风轮 旋转时风轮内部的压力稳定，并增强叶片上端的强度，避免发生断裂。一种升力型垂直轴风力发电机风轮安装方法，采用前述的风轮结构，沿风轮轴线 布置发电机位置，在水平方向上，发电机上端面低于与下支持翼连接的叶片下端部位置。本发明通过对风轮结构和安装方法的改进，以提高垂直轴风力发电机的功率输出 和稳定性，尤其适用于几千瓦以上的大、中型垂直轴风力发电机。本发明将在下面结合附图及具体实施方式
进行描述。
图1是实施例2现有一种升力型垂直轴风轮示意图。图2是现有另一升力型垂直轴风轮示意图。图3是现有又一升力型垂直轴风轮示意图。图4是实施例1现有升力型垂直轴风轮示意图。图5是本发明实施例3连接部位在叶片高度的1/2处的示意图。图6、图7是叶片上端部通过钢丝与叶片连接的示意图。图8、图9是叶片上、下两端部通过钢丝与垂直轴固定连接的示意图。图10是本发明实施例4连接部位距离叶片上端部1/3处的示意图。附图标记叶片1，支持翼2，发电机3，中心轴4。
具体实施例方式通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是 对本发明的限定。实施例一选取Goe63翼型，选用5个叶片并按如图4的方法组成风轮，风轮直径1. 36米，叶 片长度1米，叶片上、下二端平行和主轴连接，叶片底部在发电机上端面之上，当风洞风速 为10米/秒时，测得功率158瓦。实施例二
选取Goe63翼型，选用5个叶片并按如图1的方法组成风轮，风轮直径1. 36米，叶 片长度1米，叶片上、下二端各1/4处平行和主轴连接，发电机位于主轴中心位置的叶片下 端1/4处，发电机底部位于叶片下端之上，当风洞风速为10米/秒时，测得功率115瓦。实施例三选取Goe63翼型，选用5个叶片并按如图5的方法组成风轮，风轮直径1. 36米，叶 片长度1米，叶片下端平行和主轴连接，叶片中部1/2处平行和主轴连接，发电机位于主轴 中心位置的叶片底部，发电机上端面位于叶片下端之下，当风洞风速为10米/秒时，测得功 率143瓦。在实施例3中，如图6、图7所示，可在各叶片上端部之间通过钢丝对称固定连接， 以进一步保持风轮旋转时风轮内部的压力稳定，并增强叶片上端的强度，避免发生断裂。实施例四选取Goe63翼型，选用5个叶片并按如图5的方法组成风轮，风轮直径1. 36米，叶 片长度1米，叶片下端平行和主轴连接，叶片顶部下方1/3处平行和主轴连接，发电机位于 主轴中心位置的叶片底部，发电机上端面位于叶片下端之下，当风洞风速为10米/秒时，测 得功率148瓦。或者，如图8、图9所示，在叶片上、下两端部通过钢丝与垂直轴固定连接，以进一 步保持风轮旋转时风轮内部的压力稳定，并增强叶片上端的强度，避免发生断裂。以下是上述风洞实验表的总结
权利要求
1.一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构，由若干叶片通过上、下支持翼与垂直轴连 接，构成风轮，所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种翼型 的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由 样条曲线组成的翼型，叶片的凸表面面向垂直轴安装，叶片安装角在0 12度之间，其特征在于，所述的下支持翼与叶片下端部连接，下支持翼与叶片下端部的连接部位 处于同一水平面，所述的上支持翼与叶片连接，连接部位的位置从叶片高度的1/2处至距 离叶片上端部1/3处，上支持翼与叶片的连接部位处于同一水平面。
2.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，所述叶片 上端部之间通过钢丝对称固定连接。
3.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，所述叶片 下端部之间通过钢丝对称固定连接。
4.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，特征在于，所述叶片上 端部通过钢丝与垂直轴固定连接。
5.一种升力型垂直轴风力发电机风轮安装方法，采用如权利要求1 4所述的任意一 种风轮结构，沿风轮轴线布置发电机位置，在水平方向上，发电机上端面低于与下支持翼连 接的叶片下端部位置。
全文摘要
本发明涉及升力型垂直轴风力发电机，尤指一种通过改变风轮结构和风轮的安装方法，由若干叶片通过上、下支持翼与垂直轴连接，构成风轮，其中下支持翼与叶片下端部连接，下支持翼与叶片下端部的连接部位处于同一水平面，所述的上支持翼与叶片连接，连接部位的位置从叶片高度的1/2处至距离叶片上端部1/3处，上支持翼与叶片的连接部位处于同一水平面。本发明提高垂直轴风力发电机的功率输出和稳定性，尤其适用于几千瓦以上的大、中型垂直轴风力发电机。
文档编号F03D3/06GK101994643SQ20091016843
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者严强, 张冬, 沈益辉, 牛海峰, 蒋超奇 申请人:严强