一种设置有辅助叶片的J型垂直轴风力机

本发明涉及垂直轴风力机，尤其涉及一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机。

背景技术：

1、近年来，随着全球生态环境恶化，能源紧缺问题日益突出，清洁可再生能源的开发利用得到了世界各国的广泛关注。相较于其他清洁能源，风能具有储量大、分布广、成本低等诸多优势，在全球范围内受到了广泛关注和应用，并在能源转型中发挥着越来越重要的作用。因此，风力发电已经成为全球商业化利用最好的可再生能源之一。

2、风力机是一种将风的动能转化为机械能，再把机械能转化为电能或热能等的能量转换装置。风力机主要分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机发展历史较长，是目前风电场运用的主流机型，但也存在一定的局限性，如对风向敏感、噪音较大、对基础建设要求高等。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机与风向无关，不需要偏航系统；它内部的结构简单，在运行过程中出现故障的几率比水平轴风力机低，使用寿命长；并且它叶片采用相似的翼型设计，制造成本低；最后它噪音更低，对周围环境的影响也较小，适用场景更广。

3、垂直轴风力机根据叶轮工作方式可分为两类：升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机主要靠叶片产生的升力带动叶轮做功，具有较高的风能利用率，但自启动能力差，需要运行到一定转速才能利用升力将风能转为电能；阻力型风力机主要利用风的压力“推动”叶片旋转，具有较强的自启动能力，但在高转速下风能利用率低。由于上述两种风力机各有优缺点，有学者提出了一种j型垂直轴风力机，其可以同时利用升力和阻力，从而提高风力机的自启动能力和风能利用率，但目前均没有成熟的设计方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，发明人通过在j型垂直轴风力机叶片上加装辅助叶片，使叶片可以更好地利用升力和阻力，有效提高垂直轴风力机的自启动能力和风能利用率。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，包括底座，所述的底座上垂直于水平面设置有风力机转轴，在风力机转轴上安装有叶片支撑架，组合叶片通过所述的叶片支撑架均匀设置在风力机转轴的旋转圆周上；组合叶片由j型叶片和辅助叶片组成，j型叶片通过固定轴固定连接在上下平行布置的支撑连杆的端部，辅助叶片通过辅助转轴安装在j型叶片上。

3、所述的叶片支撑架套设在风力机转轴上，组合叶片在叶片支撑架上设置有3个。

4、所述的j型叶片是通过传统对称翼型进行改进，改进时，以前缘点为原点建立坐标系，弦线所在直线为x轴，垂直于弦线且过前缘点的直线为y轴，以前缘点指向后缘点的方向为x轴正向，以y轴朝上为y轴正向，沿顺时针方向，j型叶片由圆弧曲线a-i、i-h，直线段h-g，圆弧曲线g-f、f-e、e-d、d-b、b-a依次顺滑连接构成；其中a为前缘点，b为后缘点，i为传统对称翼型上翼面最大厚度处的点，j为传统对称翼型总弦长c下翼面距前缘点0.30c~0.40c处的点，圆弧曲线a-i、a-j和j-b与传统对称翼型重合；圆弧曲线d-b为圆弧曲线j-b绕后缘点b顺时针旋转3~7度，所述的辅助叶片的构型为水滴状结构，辅助叶片在来流压力作用下可以绕辅助转轴旋转。

5、在所述的坐标系中，所述的j型叶片的圆弧曲线e-d中，对应圆心k的坐标为（0.34~0.38c，-0.01~-0.05c），半径为0.01~0.05c，其中d点坐标为（0.33~0.37c，-0.04~-0.08c），e点坐标为（0.31~0.35c，-0.02~-0.06c）；所述圆弧曲线f-e中，对应圆心l的坐标为（0.39~0.43c，0.0~0.04c），半径为0.10~0.14c，其中e点坐标为（0.31~0.35c，-0.02~-0.06c），f点坐标为（0.30~0.34c，0.025~0.065c）；所述圆弧曲线g-f中，对应圆心m的坐标为（0.295~0.335c，0.025~0.065c），半径为0.003~0.007c，其中f点坐标为（0.30~0.34c，0.025~0.065c），g点坐标为（0.29~0.33c，0.03~0.07c）；所述圆弧曲线i-h中，圆心n的坐标为（0.28~0.32c，0.045~0.085c），半径为0.005~0.025c，其中h点坐标为（0.28~0.32c，0.03~0.07c），i点坐标为（0.27~0.31c，0.05~0.09c），其中c为传统对称翼型总弦长。

6、所述辅助叶片的前缘与j型叶片间距为传统对称翼型总弦长c的0.5~1.5%，辅助叶片的前缘呈半径为0.5~1.5%传统对称翼型总弦长c的半圆形；辅助叶片的后缘位于j型叶片翼型上翼面的45%~55%c处，呈锐角形，角度范围为5度至10度，c为传统对称翼型总弦长。

7、所述辅助叶片与j型叶片沿风力机转轴方向的高度相等，所述的固定轴和辅助转轴平行设置。

8、所述的辅助转轴位于辅助叶片的前缘半圆圆心处，所述的固定轴位于j型叶片翼型弦线与过辅助转轴的y轴方向直线的交点处。

9、所述的组合叶片旋转至90°到180°之间时，所述的辅助叶片在来流压力作用下绕辅助转轴向外侧旋转进行工作。

10、本发明的有益效果是：一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，通过在j型叶片的基础上加装辅助叶片，在不使用主动装置的前提下，来流压力促使辅助叶片绕辅助转轴向外侧旋转，使叶片受风面积增大，辅助叶片产生阻力并进一步帮助组合叶片旋转，从而提高风力机所受转矩，增大了风能利用率，尤其是在低叶尖速比下，风能利用率提升更为显著，有效改善了垂直轴风力机自启动能力的不足。

技术特征：

1.一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，包括底座（4），所述的底座（4）上垂直于水平面设置有风力机转轴（3），在风力机转轴（3）上安装有叶片支撑架（2），组合叶片（1）通过所述的叶片支撑架（2）均匀设置在风力机转轴（3）的旋转圆周上；组合叶片（1）由j型叶片（1-1）和辅助叶片（1-2）组成，j型叶片（1-1）通过固定轴（6）固定连接在上下平行布置的支撑连杆（2）的端部，辅助叶片（1-2）通过辅助转轴（5）安装在j型叶片（1-1）上。

2.如权利要求1所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述的叶片支撑架（2）套设在风力机转轴（3）上，组合叶片（1）在叶片支撑架（2）上设置有3个。

3.如权利要求1所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述的j型叶片（1-1）是通过传统对称翼型进行改进，改进时，以前缘点为原点建立坐标系，弦线所在直线为x轴，垂直于弦线且过前缘点的直线为y轴，以前缘点指向后缘点的方向为x轴正向，以y轴朝上为y轴正向，沿顺时针方向，j型叶片（1-1）由圆弧曲线a-i、i-h，直线段h-g，圆弧曲线g-f、f-e、e-d、d-b、b-a依次顺滑连接构成；其中a为前缘点，b为后缘点，i为传统对称翼型上翼面最大厚度处的点，j为传统对称翼型总弦长c下翼面距前缘点0.30c~0.40c处的点，圆弧曲线a-i、a-j和j-b与传统对称翼型重合；圆弧曲线d-b为圆弧曲线j-b绕后缘点b顺时针旋转3~7度；所述的辅助叶片（1-2）的构型为水滴状结构，辅助叶片（1-2）在来流压力作用下绕辅助转轴（5）旋转。

4.如权利要求3所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，在所述的坐标系中，j型叶片（1-1）的圆弧曲线e-d中，对应圆心k的坐标为（0.34~0.38c，-0.01~-0.05c），半径为0.01~0.05c，其中d点坐标为（0.33~0.37c，-0.04~-0.08c），e点坐标为（0.31~0.35c，-0.02~-0.06c）；所述的圆弧曲线f-e中，对应圆心l的坐标为（0.39~0.43c，0.0~0.04c），半径为0.10~0.14c，其中e点坐标为（0.31~0.35c，-0.02~-0.06c），f点坐标为（0.30~0.34c，0.025~0.065c）；所述的圆弧曲线g-f中，圆心m的坐标为（0.295~0.335c，0.025~0.065c），半径为0.003~0.007c，其中f点坐标为（0.30~0.34c，0.025~0.065c），g点坐标为（0.29~0.33c，0.03~0.07c）；所述的圆弧曲线i-h中，圆心n的坐标为（0.28~0.32c，0.045~0.085c），半径为0.005~0.025c，其中h点坐标为（0.28~0.32c，0.03~0.07c），i点坐标为（0.27~0.31c，0.05~0.09c），其中c为传统对称翼型总弦长。

5.如权利要求3所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述辅助叶片（1-2）的前缘与j型叶片（1-1）间距为传统对称翼型总弦长c的0.5~1.5%，辅助叶片（1-2）的前缘呈半径为0.5~1.5%传统对称翼型总弦长c的半圆形；辅助叶片（1-2）后缘位于j型叶片（1-1）翼型上翼面的45%~55%c处，呈锐角形，角度范围为5度至10度，c为传统对称翼型总弦长。

6.如权利要求5所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述辅助叶片（1-2）与j型叶片（1-1）沿风力机转轴（3）方向的高度相等，所述的固定轴（6）和辅助转轴（5）平行设置。

7.如权利要求6所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述的辅助转轴（5）位于辅助叶片（1-2）的前缘半圆圆心处，所述的固定轴（6）位于j型叶片（1-1）翼型弦线与过辅助转轴（5）的y轴方向直线的交点处。

8.如权利要求7所述的一种设置有辅助叶片的j型垂直轴风力机，其特征在于，所述的组合叶片（1）旋转至90°到180°之间时，所述的辅助叶片（1-2）在来流压力作用下绕辅助转轴（5）向外侧旋转进行工作。

技术总结本发明涉及一种设置有辅助叶片的J型垂直轴风力机，包括底座，所述的底座上垂直于水平面设置有风力机转轴，风力机转轴的旋转圆周上通过支撑连杆均匀设置有组合叶片，组合叶片由J型叶片和辅助叶片组成，J型叶片通过固定轴固定连接在上下平行布置的支撑连杆的端部，辅助叶片通过辅助转轴安装在J型叶片上。通过在J型叶片的基础上加装辅助叶片，在不使用主动装置的前提下，来流压力促使辅助叶片绕辅助转轴向外侧旋转，使叶片受风面积增大，辅助叶片产生阻力并进一步帮助组合叶片旋转，从而提高风力机所受转矩，增大了风能利用率，尤其是在低叶尖速比下，风能利用率提升更为显著，有效改善了垂直轴风力机自启动能力的不足。技术研发人员：王刚,张螣越,李全铮,刘智侃,林海珍,张润桐受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23