专利名称：垂直轴风力机的支撑杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直轴风力机的支撑杆，确切地说是一种垂直轴风力机的支撑杆
翼型及其安装要求，属于垂直轴风力机设计、制造和应用领域。
背景技术：
风力机有水平轴和垂直轴之分，而垂直轴风力机又有升力型和阻力型之分，在升 力型垂直轴风力机中包括通常的达里厄风力机和H型风力机。 一直以来，由于垂直轴风力 机(VAWT)在空气动力学理论上比水平轴风力机(HAWT)复杂得多，而且早前计算机技术及 计算流体力学的发展尚不成熟，无法对复杂的空气动力学问题进行求解，所以目前的技术 发展状态仍处于初级阶段。而水平轴风力机则得到了充分的发展，至今技术上已经达到了 相当完善的程度，并且在商业上取得了很大的成功，占领了几乎95%以上的世界风力机市 场。正是由于水平轴风力机技术已经相当成熟，目前水平轴风力机的功率系数Cp值可达到 理想情况下贝兹极限(0. 593)的80%，即0. 45 0. 50左右，要在此基础上再进一步显著提 高风力机的性能是十分困难的。况且水平轴风力机功率已经做到了6丽，其直径也已经做到 了 126m;理论及实践均表明，尺寸的继续增大将使得其性价比明显降低，并且会遭受陆上 运输困难的问题，这一切都说明了水平轴风力机的发展已经没有太多的空间。
由于上述原因，人们对于垂直轴风力机的研究相对要少得多。但是与水平轴风力 机相比，垂直轴风力机仍然有着突出的优势，主要是结构简单、成本低。垂直轴风力机无需 对风装置；而如果采用H型垂直轴风力机方案，叶片形状既不弯，也不扭，相对厚度沿叶片 长度也不变，因而占风力机整机成本20%左右的叶片制造成本将进一步大幅度下降；假如 进一步采用直驱(或半直驱)永磁电机，则可以完全或部分节省增速箱的成本(占整机成 本15%左右)。由于垂直轴风力机的机舱位于地面或接近地面的低位，因此大大减少了风 力机的安装和日后的维护费用。而只是在近几年，人们开始对垂直轴风力机(VAWT)进行了 较深入的研究，特别是在西欧和美国，目前生产上主要是中、小型机型，商业化规模也很小。
就传统的认识而言，垂直轴风力机有两大缺点限制了其应用，一是其空气动力性 能较低，目前报道的垂直轴风力机的Cp值一般比水平轴风力机要低10X 15X。不过1992 年报道Sandia 34m垂直轴风力机的实验Cp值已经达到0. 409 ;再一个"致命"的缺点恐怕 就是没有"自启动能力"了。这实际上是由于当初达里厄风力机选定了气动性能很低的对 称翼型的缘故。目前世界上已经有不少研究成果可以部分或完全弥补这一缺陷，如通过变 桨距，不仅是解决自启动问题，也是提高风力机性能的重要措施；或者即使不变桨距，也可 通过采用翼型带弯度的叶片解决自启动问题并提高其气动性能；采用带弯度的翼型，不管 是NACAX XXX四位数系列，还是NACA6X XXX系列，都明显提高了风力机的性能，提高 幅度在10%以上。CN200910010823. 1发明的一种提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法 则显著提高了风力机的气动性能。可以预料，垂直轴风力机在性能上且不说超越，只要可以 与水平轴风力机性能相当，则足以与水平轴风力机在市场上一决高低！
对于H型垂直轴风力机而言，连接转轴与叶片的构件是支撑杆，有资料称，支撑杆在风力机工作过程中所产生的阻力占整机阻力的10%以上，因此不可忽视。纵观所有H型 风力机，除了极少数的研究型风力机外，支撑杆的横剖面几乎全部是矩形或椭圆形的，如图 6、7所示，这就显著增加了运行阻力。即便是少数支撑杆横剖面采用了对称翼型，其安装方 式也是采用水平安装，即0。安装角，如图5所示。 垂直轴风力机的整个转子的重量全部作用在转子的轴承上，这大大增加了转子运 行中的摩擦阻力，降低了风力机的性能；而且过大的负荷又显著縮短了轴承的寿命，风力机 的寿命要求20年，期间更换轴承又大大增加了风力机的维修成本。为了解决这一问题，有 人提出将磁悬浮技术应用于垂直轴风力机，如US7， 303， 369B2, CN101252301A等，基本上都 是要将转子"浮"起来，从而减少轴承的载荷和摩擦力，达到提高风力机性能并增加轴承使 用寿命的目的，并且确实取得了很好的效果。但是，问题是磁悬浮装置是昂贵的，复杂的结 构必然又造成维护成本的提高；而且整个运行过程中是要耗电的，这就进一步抵消了其有 利的影响。如何用最简单的结构，最低的生产和维护成本达到类似的效果？这就是本发明 专利申请要解决的问题。 如果将支撑杆的横剖面做成带翼型的，翼型的升阻比(即翼型升力/翼型阻力) 应尽可能高些，可以是对称翼型，如图8 ;最好是带弯度的翼型，如图9 ;为了保证支撑杆有 足够的强度、刚性以及尽量轻的重量，最好选择较厚的翼型，例如相对厚度(即翼型厚度/ 翼型弦长)>18%。对于H型垂直轴风力机来说，每个叶片可以有1 3个支撑杆，支撑 杆的宽度(即其翼型的弦长——翼型前缘与后缘之间的长度)与所连接叶片的翼型弦长之 比在0. 5 1. 0之间。支撑杆的翼型前缘和后缘，要与叶片的翼型前缘和后缘分别对应连 接，并且前缘面向旋转方向。要使得这些支撑杆能产生足够的升力，并且具有尽可能小的阻 力，安装翼型时应特别注意，必须使翼型的攻角(即翼型的弦线与其旋转平面的夹角，前缘 向上为正)选择在其较大升阻比所对应的角度范围，最好在O. 1° 12.5°之间，如图8和 图9所示；过大的攻角将会使支撑杆翼型失速，结果会适得其反。
发明内容
本发明的目的是通过改变支撑杆的结构形状及安装要求，以比磁悬浮技术更简单 的方式和更低的成本达到提高风力机的空气动力学性能，提高轴承的使用寿命，并降低风 力机的生产和维护成本的目的。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是垂直轴风力机的支撑杆横剖面选用 相对厚度大、阻力小的空心对称翼型，最好是相对厚度大的带弯度的空心翼型，并且其升阻 比要高，失速特性要好，翼型相对厚度^ 18% ;而且支撑杆的翼型安装角度应使得翼型的正 攻角在O. 1° 12.5°之间；以及支撑杆翼型的弦长与叶片翼型的弦长之比在0.5 1.0 之间。 本发明的优点是由于选择了适当的支撑杆翼型和适当的安装角度，使其在最有 利的升阻比状态下工作，从而以最小的阻力代价产生尽可能大的升力，进而减少转子轴承 的载荷，既简化了结构，又降低了风力机的启动风速，提高了其空气动力学性能而无须消耗 额外的能量，而且提高了轴承的使用寿命，降低了风力机的生产和维护成本。
图1为通常的H型垂直轴风力机的结构示意图。 图2为另一种H型垂直轴风力机的结构示意图。 图3为又一种H型垂直轴风力机的结构示意图。 图4为又一种H型垂直轴风力机的结构示意图。 图5为支撑杆的一种常用横剖面形状及安装示意图。 图6为支撑杆的另一种常用横剖面形状及安装示意图。 图7为支撑杆的又一种常用横剖面形状及安装示意图。 图8为本发明的支撑杆的对称翼型横剖面形状及安装示意图。 图9为本发明的支撑杆的带弯度翼型横剖面形状及安装示意图。
具体实施例方式
参照图l，通常的风力机风轮由叶片1、支撑杆2、转轴3、轮毂4和轴承5组成。在 风的作用下，风力机以图示的方向旋转。叶片1是风力机唯一做功的部件。叶片l的数目 可以是二个、三个、四个或更多。每个叶片l可以有一个、二个或三个支撑杆2，视叶片强度 及变形的要求而定。支撑杆2和轮毂4用来承受风力机叶片1在静止或运动状态下产生的 气动力、重力和惯性力等，并通过转轴3将这些力传给轴承5，并带动发电机(图中未示出) 旋转发电。支撑杆2的横剖面形状可以是圆形、椭圆形、矩形或翼型等形状。
参照图2，为另一种常见的H型垂直轴风力机的结构，其中示出了叶片1、支撑杆2 和转轴3。 参照图3，这是又一种H型垂直轴风力机的结构示意图。可见叶片1的形状是螺旋 形的，其中示出了叶片1、支撑杆2和转轴3。 参照图4，为另一种H型垂直轴风力机的结构示意图，其中示出了叶片1、支撑杆2 和转轴3。可见风力机支撑杆2不再与转轴3及叶片1相互垂直，即其不再是水平安装，而 是相对于转轴3及叶片1呈倾斜安装状态。 参照图5，为支撑杆的一种常用剖面形状及安装示意图。可见支撑杆2的横剖面已
经采用了对称翼型的形状。图中，支撑杆2的横剖面翼型为21，翼型有前缘13，后缘8 ;翼
型21是中空的，翼型的弦线或对称平面22，其旋转的切线方向为24 ;这里支撑杆翼型21是
水平安装的，所以翼型弦线或对称平面22在支撑杆2的旋转平面，即水平面内。 参照图6，为支撑杆的另一种常用横剖面形状及安装示意图。支撑杆2的横剖面
31为矩形的或切角矩形的，横剖面31的对称平面为32，其旋转的切线方向为34 ;这里支撑
杆横剖面31是水平安装的，所以对称平面32在支撑杆2的旋转平面，即水平面内。 参照图7，为支撑杆的又一种常用横剖面形状及安装示意图。支撑杆2的横剖面
41为椭圆形的，横剖面41的对称平面为42，其旋转的切线方向为44 ;这里支撑杆横剖面41
是水平安装的，所以对称平面42在支撑杆2的旋转平面，即水平面内。 参照图8，为本发明的支撑杆的对称翼型横剖面形状及安装示意图。可见，尽管支
撑杆2的横剖面仍然是对称翼型的形状，但是支撑杆2的安装角度却不同。图中，支撑杆2
的横剖面为翼型11，由前缘13，后缘8，压力面9和吸力面10组成，且压力面9在下，吸力面
10在上；翼型11是中空的，翼型的弦线12，其旋转的切线方向为14 ;这里支撑杆2的翼型
511不再是水平安装的，而是其翼型弦线12与支撑杆2的旋转切线方向14(或水平面)成一 定的夹角15，也就是攻角，攻角15的大小最好控制在O. 1° 12.5°之间，取决于翼型ll 的形状，以达到其最大的升阻比。 参照图9，为本发明的支撑杆的带弯度翼型横剖面形状及安装示意图。可见支撑杆 2的横剖面采用了带弯度的翼型形状，而且支撑杆2的安装角度不再是水平的。图中，支撑 杆2的横剖面为翼型11，由前缘13，后缘8，压力面9和吸力面10组成，且压力面9在下， 吸力面10在上；翼型11是中空的，翼型的弦线12，其旋转的切线方向为14 ;这里支撑杆2 的翼型11也不再是水平安装的，而是翼型弦线12与支撑杆2的旋转切线方向14(或水平 面)成一定的夹角15，也即攻角，攻角15的大小最好控制在0. 1° 12.5°之间，取决于翼 型11的形状，以达到其最大的升阻比。 本发明已经经过大量的风洞实验，模型实验证明，本发明的风力机不仅比原型风
力机降低了起动风速，而且明显提高了其输出功率，减少了轴承上的载荷。 尽管本发明是针对H型升力型垂直轴风力机而提出的，但是它的设计思想同样适
用于所有的垂直轴风力机，如阻力型垂直轴风力机，升力_阻力混合型垂直轴风力机等。
权利要求
一种垂直轴风力机的支撑杆，支撑杆(2)的横剖面为翼型(11)，翼型(11)由前缘(13)、后缘(8)、压力面(9)及吸力面(10)组成，其特征在于翼型(11)的弦线(12)与支撑杆(2)的旋转切线方向(14)(或水平面)成一定的攻角(15)，攻角(15)的大小在0.1°～12.5°之间。
2. 根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于翼型(11)可以是 带弯度的翼型，也可以是对称翼型。
3. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于翼型(11)的压力 面(9)在下，吸力面(10)在上。
4. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于翼型(11)的相对厚度> 18%。
5. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于翼型(11)的弦长与叶片(1)的翼型弦长之比在0.5 1.0之间。
6. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于支撑杆(2)与转轴(3)及叶片(1)可以是相互垂直的，也可以是相互倾斜的。
7. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于翼型(11)的前缘(13) 和后缘(8)与叶片(1)的翼型前缘和后缘分别对应连接邻接，前缘(13)面向旋转方向(14) 。
8. 根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于支撑杆(2)是中 空的。
9. 根据权利要求l所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于支撑杆(2)的数目可以是一个、二个或三个。
10. 根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机的支撑杆，其特征在于支撑杆(2)所连接并支撑的叶片(1)可以是直的，也可以是螺旋形的。
全文摘要
一种垂直轴风力机的支撑杆，其横剖面选用升阻比高的对称翼型或带弯度的厚翼型，与通常的支撑杆横剖面的水平安装状态不同，使得横剖面翼型成正攻角安装状态，攻角控制在0.1°～12.5°之间，以便使其在最有利的升阻比状态下工作，从而以比磁悬浮技术更简单的方式，产生尽可能大的升力，进而减少转子轴承的载荷和摩擦力，既简化了结构，又降低了风力机的启动风速，提高了其空气动力学性能而无须消耗额外的能量，而且提高了轴承的使用寿命，降低了风力机的制造和维护成本。
文档编号F03D3/06GK101793225SQ20091022065
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者申振华 申请人:申振华