本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种带从扇片、结构简单、可微风启动、运行稳定、无噪声的H型竖直风力发电机扇片及叶轮。
背景技术：
目前，风力发电机分为水平轴和垂直轴两种，H型叶轮是垂直轴风力发电机的常见形式，具有结构简单、安装维护方便、可接受任意方向来风、噪音低的特点。直扇片叶轮由于结构原因，存在低风速启动困难，高速运行稳定性差的缺陷。叶轮工作时，因流过扇片的逆风面和顺风面的风速不同，气流作用于两面的压力不同，存在压力差，在此压力差的作用下，气流会越过扇片端部，由压力高的一面向压力低的另一面流动，在扇片端部附近产生涡旋气流，见图1。此涡旋气流一方面增加扇片运行的阻力，影响叶轮的稳定性；另一方面也会在扇片端部附近产生压力损失，使扇片受到的升力减小，降低了风能利用效率。同时，H型叶轮的扇片所受离心力作用随叶轮转速的加快而增加，增大了扇片的弯曲应力，也使叶轮的稳定性变差。
技术实现要素：
本发明为了克服上述缺陷，本发明在H型叶轮直扇型扇片上增加从扇片，提出一种结构简单，可微风启动，能增加风力机运行稳定性，提高风能利用效率的竖直风力发电机扇片的扇片及扇轮。
为达到上述目的，本发明的垂直轴风力发电机的扇片由主扇片和从扇片构成。主扇片为扇片的中部直线段部分，其横截面为翅膀流线型横截面外部，其所有横截面前端位点A、后端位点B连接弦的中点轨迹为平行于旋转轴中心线的直线段，是扇片的主要构成部分，见图2、图3、图5。
从扇片是指主扇片辅助增加的部分，包括上、下从扇片；从扇片由直线段和中部弯曲端外部均匀连接构成；从扇片中部弯曲端横截面前端位点A、后端位点B间连接弦的中点轨迹为一向旋转轴侧弯曲的椭圆弧，椭圆角为α（00＜α＜750），该椭圆弧所在的平面与旋转轴中心线共面。
从扇片直线段外部由横截面为翅膀流线型横截面外部的上弦曲面外曲面与过从扇片中部弯曲端上、下端横截面弦前端位点A、后端位点B和从扇片直线段上、下端横截面最高、最低点C的里部曲面所围成；从扇片段扇片上、下对称配置，见图2、图3；从扇片中部弯曲端与主扇片段外部均匀连接成一体、构成完整扇片。
旋转轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图5。扇片的主扇片和上、下从扇片中部弯曲端横截面前端位点A与后端位点B连接弦的中点分别分布于椭圆在旋转轴中心线上的一系列水平截面四周上，见图5。
为达到上述目的，由本发明的扇片制作的垂直轴风力发电机叶轮，包括复数枚扇片、旋转轴和支撑杆。扇片横截面为扇型的流线型横截面外部，外部为上下对称。扇片通过支撑杆与旋转轴固定连接，支撑杆为扇片与旋转轴的固定连接件，见图5。
主扇片为扇片的中部直线段部分，其横截面为翅膀流线型横截面外部，其所有横截面前端位点A、后端位点B连接弦的中点轨迹为平行于旋转轴中心线的直线段，是扇片的主要构成部分，见图2、图3、图5。
从扇片是指主扇片辅助增加的部分，包括上、下从扇片；从扇片由直线段和中部弯曲端外部均匀连接构成；从扇片中部弯曲端横截面前端位点A、后端位点B间连接弦的中点轨迹为一向旋转轴侧弯曲的椭圆弧，椭圆角为α（00＜α＜750），该椭圆弧所在的平面与旋转轴中心线共面。。
从扇片直线段外部由横截面为翅膀流线型横截面外部的上弦曲面外曲面与过从扇片中部弯曲端上、下端横截面弦前端位点A、后端位点B和从扇片直线段上、下端横截面最高、最低点C的里部曲面所围成；从扇片段扇片上、下对称配置，见图2、图3；从扇片中部弯曲端与主扇片段外部均匀连接成一体、构成完整扇片。
旋转轴为垂直轴风力发电机的铅垂回转轴，见图5。扇片的主扇片和上、下从扇片中部弯曲端横截面前端位点A与后端位点B连接弦的中点分别分布于椭圆在旋转轴中心线上的一系列水平截面四周上，见图5。
上述结构的竖直风力发电机扇片以及采用上述结构的竖直风力发电机扇片制成的叶轮，如图5所示。此构形设置能避免叶轮旋转时由于扇片逆风面和顺风面存在的压力差而产生的旋涡气流，减小扇片上、下端部的压力损失，从而增加叶轮的动力扭矩，有效地解决了风能利用率降低的问题，亦能同时提高叶轮运行的稳定性。
如图5所示，为叶轮旋转至任意位置时的受力情况分析。扇片随叶轮绕旋转轴中心线作旋转运动时，气流流过扇片时产生动力，此动力分解为沿气流流过扇片时的相对速度方向上的阻力z和垂直于气流相对速度方向的升力s，阻力z作用于叶轮，形成对叶轮的正面压力；升力s的分力为扇片的旋转运动动力（沿圆周切线方向的分力）。
扇片从扇片段的受力分析原理与上述相同，上、下从扇片横截面为扇型，由于从扇片中部弯曲端向旋转轴侧弯曲（椭圆角为α（00＜α＜750）），从扇片段的升力可分解为沿圆周切线方向的切向分力和指向椭圆方向的径向分力，切向分力增加了作用于叶轮的转动驱动力，使叶轮扇片在获得原直线翼转动驱动力的同时，又增加了部分转动驱动力，从而实现叶轮低风速启动。径向分力与离心力方向相反，减小了扇片旋转时的离心力，减小了扇片所受的弯矩，进而减小了扇片的弯曲应力，使扇片更轻，转速更快，运行更稳定。
进一步地，扇片流线型的外部设计，避免了叶轮旋转运转时对空气流的剧烈摩擦和切割作用，消除了噪声。
进一步地，此结构的扇片及制成的叶轮结构简洁，外部美观、大方，制作工艺简单，更适合于产品的制造并进一步推广和应用。
附图说明
图1为垂直轴风力发电机直扇片端部压力损失示意图。
图2为本发明从扇片轴测投影示意图（旋转轴侧内面为平面）。
图3为本发明过扇片横截面弦中点轨迹的断面示意图。
图4为本发明主视投影示意图。
图5为本发明俯视投影示意图。
1-上从扇片；2-主扇片；3-下从扇片；4-旋转轴；5-支撑杆；A-扇型横截面前端位点；B-扇型横截面后端位点；C-从扇片最高、最低点。图2、图3、图5中扇片横截面、断面以实心形式绘制，本发明亦包含扇片空心结构形式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的竖直风力发电机扇片及叶轮作进一步详细说明。
如图5所示，本发明垂直轴风力发电机的扇片横截面为扇型，本发明所指的扇型是指翅膀的流线型横截面外部。当空气流过此种横截面外部的扇片时，扇片获得的升力分布为鸟翼状，升力可以为叶轮的旋转提供动力，本发明的扇片横截面可以为任意适合于制作垂直轴风力发电机的扇型，本实施例采用如下坐标描述的扇型：（1.00000，0.00000），（0.99893，0.00039），（0.99572，0.00156），（0.99039，0.00349），（0.98296，0.00610），（0.97347，0.00932），（0.96194，0.01303），（0.94844，0.01716），（0.93301，0.02166），（0.91573，0.02652），（0.89668，0.03171），（0.87592，0.03717），（0.85355，0.04283），（0.82967，0.04863），（0.80438，0.05453），（0.77779，0.06048），（0.75000，0.06642），（0.72114，0.07227），（0.69134，0.07795），（0.66072，0.08341），（0.62941，0.08858），（0.59755，0.09341），（0.56526，0.09785），（0.53270，0.10185），（0.50000，0.10538），（0.46730，0.10837），（0.43474，0.11076），（0.40245，0.11248），（0.37059，0.11345），（0.33928，0.11361），（0.30866，0.11294），（0.27886，0.11141），（0.25000，0.10903），（0.22221，0.10584），（0.19562，0.10190），（0.17033，0.09726），（0.14645，0.09195），（0.12408，0.08607），（0.10332，0.07970），（0.08427，0.07283），（0.06699，0.06541），（0.05156，0.05753），（0.03806，0.04937），（0.02653，0.04118），（0.01704，0.03303），（0.00961，0.02489），（0.00428，0.01654），（0.00107，0.00825），（0.00000，0.00075），（0.00107，-0.00566），（0.00428，-0.01102），（0.00961，-0.01590），（0.01704，-0.02061），（0.02653，-0.02502），（0.03806，-0.02915），（0.05156，-0.03281），（0.06699，-0.03582），（0.08427，-0.03817），（0.10332，-0.03991），（0.12408，-0.04106），（0.14645，-0.04166），（0.17033，-0.04177），（0.19562，-0.04147），（0.22221，-0.04078），（0.25000，-0.03974），（0.27886，-0.03845），（0.30866，-0.03700），（0.33928，-0.03547），（0.37059，-0.03390），（0.40245，-0.03229），（0.43474，-0.03063），（0.46730，-0.02891），（0.50000，-0.02713），（0.53270，-0.02529），（0.56526，-0.02340），（0.59755，-0.02149），（0.62941，-0.01958），（0.66072，-0.01772），（0.69134，-0.01596），（0.72114，-0.01430），（0.75000，-0.01277），（0.77779，-0.01136），（0.80438，-0.01006），（0.82967，-0.00886），（0.85355，-0.00775），（0.87592，-0.00674），（0.89668，-0.00583），（0.91573，-0.00502），（0.93301，-0.00431），（0.94844，-0.00364），（0.96194，-0.00297），（0.97347，-0.00227），（0.98296，-0.00156），（0.99039，-0.00092），（0.99572，-0.00042），（0.99893，-0.00011），（1.00000，0.00000）。
如图5，图5所示，横截面前端位点A与后端位点B之间的连线弦中点分别分布在椭圆在旋转轴回转轴线上的一系列水平平行的截面圆圆周上，截面圆直径的大小随椭圆在回转轴线上的不同位置而变化，圆周分布于主扇片段的截面圆半径最大，为420mm；圆周分布于从扇片段的截面圆随椭圆向叶尖的变动而半径逐渐减小，椭圆至翼尖时截面圆半径最小，为330mm。上、下从扇片向旋转轴侧弯曲，弯曲半径为20mm，弯曲段椭圆弧所对椭圆角为45o，并有65mm的直线延长段，此直线段从扇片由扇型的上弦外曲面与过从扇片中部弯曲端上、下端横截面弦前端位点A、后端位点B和从扇片上、下端横截面最高、最低点C的平面所围成，至叶尖部为曲线轮廓外部，此种构形设置能避免扇片逆风面和顺风面之间压力差作用下的空气流动形成的旋涡气流，使发电效率最高，运行稳定性最好。
如图5所示，为叶轮旋转至任意位置时的受力情况分析。扇片随叶轮绕旋转轴中心线作旋转运动时，气流流过扇片时产生动力，此动力分解为沿气流流过扇片时的相对速度方向上的阻力z和垂直于气流相对速度方向的升力s，阻力z作用于叶轮，形成对叶轮的正面压力；升力s的分力为扇片的旋转运动动力（沿圆周切线方向的分力）。
扇片从扇片段的受力分析原理与上述相同，上、下从扇片横截面为扇型，由于从扇片中部弯曲端向旋转轴侧弯曲（椭圆角为α（00＜α＜750）），从扇片段的升力可分解为沿圆周切线方向的切向分力和指向椭圆方向的径向分力，切向分力增加了作用于叶轮的转动驱动力，可实现叶轮低风速启动运行；径向分力与离心力方向相反，减小了扇片旋转运动产生的离心力作用，减小了扇片所受的弯矩，进而减小了扇片的弯曲应力，使扇片更轻，转速更快，运行更稳定。
如图5所示所示，扇片流线型的外部设计，避免了叶轮旋转运转时对空气流的剧烈摩擦和切割作用，消除了噪声。
如图5所示，本发明的垂直轴风力发电机叶轮由旋转轴和复数个扇片构成，图示为三片扇片（不限于三片）和旋转轴4构成，六根支撑杆5将三片扇片与旋转轴4固定连接，构成叶轮的三片扇片沿叶轮的圆周方向均匀布置，扇片横截面前端位点A与后端位点B之间的连接弦中点轨迹所在平面过旋转轴中心线，三片扇片的回转中心线与旋转轴的中心线重合，这样的设置可使阻力矩最小，扇片获得的动力扭矩最大。此结构的扇片及制成的叶轮结构简洁、美观、制作工艺简单，更适于产品的制造及进一步推广。
如图5所示，扇片安装时需保证每片扇片均按照同一旋转方向安装。
本发明专利不局限于上述的具体实施例，凡授权的专业技术人员利用本专利的技术原理及结构，设计、制作风力发电机扇片及叶轮，不论其具体尺寸、形状、材料、设计手段、制作工艺等做何种改变，均视为在本发明专利的保护范围之内。