[發(fā)明專利]魚鰓魚腹空腔隔置翼型升阻融合垂直軸風(fēng)輪

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010044064.7
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN111188731B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李民;牛文琪;楊宗霄;吳延峰;李根生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D3/06
• 分類號(hào): F03D3/06
• 代理公司: 洛陽華和知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41203
• 代理人: 陳佳麗

魚鰓魚腹空腔隔置翼型升阻融合垂直軸風(fēng)輪，包括中心軸、上蓋板和下底板，上蓋板和下底板之間設(shè)有至少四個(gè)風(fēng)葉，該風(fēng)葉本體用于產(chǎn)生升力的仿鯉魚魚身線條的前后兩個(gè)曲面在豎直方向上的投影為A曲線和B曲線，且A曲線、B曲線分別被用于產(chǎn)生推力且截面為凹面半圓的空腔分為A1曲線、A2曲線及B1曲線、B2曲線；風(fēng)葉本體被上述空腔分為風(fēng)葉前端、風(fēng)葉后端，其中風(fēng)葉前端與空腔相接處使用凹面半圓封閉且由前到后厚度遞增，風(fēng)葉后端與空腔相接處使用凸面半圓封閉且由前到后厚度遞減。本發(fā)明具有使風(fēng)輪兼顧升力型風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度高和阻力型風(fēng)輪啟動(dòng)性能好的功能優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及魚鰓魚腹空腔隔置翼型升阻融合垂直軸風(fēng)輪。

背景技術(shù)

風(fēng)能是一種清潔、安全、再生綠色能源，取之不盡、用之不竭，已逐漸成為世界各國(guó)大力開發(fā)利用的一種新能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩大類。水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特征是風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直，旋轉(zhuǎn)軸和地面平行，是目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的特征是旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行，具有風(fēng)輪機(jī)塔架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和維修方便、葉片制造成本低以及不需迎風(fēng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，可分為升力型風(fēng)輪和阻力型風(fēng)輪兩大類型。典型的升力型風(fēng)輪是達(dá)里厄式風(fēng)力機(jī)，根據(jù)葉片的形狀，達(dá)里厄式風(fēng)機(jī)具有Φ型、△型、H型、Y型和◇型多種形式，具有轉(zhuǎn)速高、旋轉(zhuǎn)慣性大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、啟動(dòng)性能較差。而典型的阻力型風(fēng)輪則是薩布紐斯式風(fēng)力機(jī)(S型風(fēng)力機(jī))，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、回轉(zhuǎn)力矩大、啟動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)速和效率較低。

在本工作組此前申請(qǐng)的發(fā)明專利中，申請(qǐng)?zhí)枮?01010140707.4的垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的魚脊線葉板升力風(fēng)輪通過設(shè)置較大的迎風(fēng)截面和改變風(fēng)葉的形狀提高了對(duì)推力的利用能力，可以在低風(fēng)速下順利啟動(dòng)，但是由于過度追求低風(fēng)啟動(dòng)性能，導(dǎo)致風(fēng)葉兩側(cè)難以形成壓力差，忽略了對(duì)升力的利用，其在高風(fēng)速下轉(zhuǎn)速較低；申請(qǐng)?zhí)枮?01510025375.8的魚擺尾型升阻融合垂直軸風(fēng)輪通過仿生鯉魚在水中游泳的姿態(tài)，構(gòu)建了優(yōu)秀的翼型曲線，大大提高了對(duì)升力的利用能力，其在高風(fēng)速下保持較高的轉(zhuǎn)速，但是為了追求高升力其設(shè)置的翼型形狀對(duì)推力并不敏感，其存在低風(fēng)速啟動(dòng)困難的問題。總結(jié)以上經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在通常情況下，不同物體由于其表面形狀不同，其本身的阻力系數(shù)也不相同，即在相同來流下受到的推力也不相同。若想利用推力，則需要設(shè)置較高阻力系數(shù)的翼型形狀；若想利用升力，則需要盡量維持翼型兩側(cè)的壓力差。為了解決以上問題，則需要設(shè)計(jì)出一種既有高阻力系數(shù)又能保證兩側(cè)存在壓力差的翼型。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有風(fēng)輪中升力型風(fēng)輪啟動(dòng)性能差，阻力型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低的問題，現(xiàn)提出一種由鯉魚魚身幾何曲線和魚鰓空腔結(jié)構(gòu)輪廓線仿生而成的風(fēng)葉組成的垂直軸風(fēng)輪，該風(fēng)輪受到鯉魚在水中游動(dòng)的啟發(fā)，通過仿生魚身曲線減小風(fēng)輪在高風(fēng)速時(shí)從前緣點(diǎn)到后緣點(diǎn)方向受到的阻力，穩(wěn)定風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)；在魚身曲線的魚鰓位置設(shè)置空腔并安裝凹面半圓葉片，由于凹面半圓的阻力系數(shù)一般在2.3左右，相較于普通流線升力型翼型一般為0.6左右的阻力系數(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，在低風(fēng)速時(shí)，空腔處的凹面半圓可以大幅度增加從后緣點(diǎn)到前緣點(diǎn)方向氣流對(duì)風(fēng)葉的沖擊力，增大低速驅(qū)動(dòng)扭矩，降低風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速。該風(fēng)輪工作原理如下：通過在魚鰓魚腹升力型風(fēng)葉曲面的空腔中安裝阻力系數(shù)較高的凹面半圓葉片，提高了來流從風(fēng)葉后端后緣點(diǎn)流入空腔的推力，在低風(fēng)速下，使來流進(jìn)入風(fēng)葉空腔沖擊凹面半圓產(chǎn)生推動(dòng)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的推力，在該推力的主導(dǎo)作用下，風(fēng)輪可以在較低的風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)，相較于升力型風(fēng)輪提高了啟動(dòng)性能；在高風(fēng)速下，主要通過魚鰓和魚腹構(gòu)成的升力型葉片產(chǎn)生的升力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪加速運(yùn)轉(zhuǎn)，相較于阻力型風(fēng)輪提高了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升、阻力的耦合運(yùn)用；合理的空腔開口尺寸對(duì)高風(fēng)速下升力的變化影響不大，且在風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于風(fēng)葉A曲線、B曲線兩側(cè)曲面不同的壓力差，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)葉壓力稍高一側(cè)的一小部分來流從空腔流入風(fēng)葉壓力低的一側(cè)，增強(qiáng)了空腔內(nèi)的流動(dòng)效果，進(jìn)一步增強(qiáng)低風(fēng)速下的啟動(dòng)性能，使風(fēng)輪更快進(jìn)入到利用升力驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)階段。本發(fā)明具有使風(fēng)輪兼顧升力型風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度高和阻力型風(fēng)輪啟動(dòng)性能好的功能優(yōu)勢(shì)。