申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2019-08-09

公开（公告）日：2024-01-09

公开（公告）号：CN110219773B

主分类号：F03D3/06

分类号：F03D3/06;F03D7/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.01.09#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.10#公开

摘要：一种抑制梢涡的风轮横撑结构，属于风力发电技术领域。这种抑制梢涡的横撑结构在风轮叶片的两端设置叶尖挡板，端部横撑的一端与中心轴固定连接，另一端通过连接构件与叶尖挡板固定连接；中间横撑的一端与中心轴固定连接，另一端通过连接构件与风轮叶片的中部固定连接。在中心轴一侧的挡板尾缘、第一横撑尾缘、连接构件尾缘和第二横撑尾缘朝向同一方向；在中心轴另一侧的尾缘朝向同一的相反方向。该结构抑制梢涡的产生和流动，提高风轮整体效率。在叶尖挡板、端部横撑、中间横撑和连接构件上设置锯齿状或波浪形的尾缘以减小脱落尾涡，降低振动，提高风轮整体稳定性。使得风轮叶尖和横撑处的三维效应得到抑制，对风轮整体性能起到增益效果。

主权项：1.一种抑制梢涡的风轮横撑结构，包括风轮叶片（1）和中心轴（5），其特征在于，它还包括设有挡板尾缘（2a）的叶尖挡板（2）、设有第一横撑尾缘（3a）的端部横撑（3）、设有连接构件尾缘（6a）的连接构件（6）和设有第二横撑尾缘（4a）的中间横撑（4），所述风轮叶片（1）的两端设置叶尖挡板（2），端部横撑（3）的一端与中心轴（5）固定连接，端部横撑（3）的另一端通过连接构件（6）与叶尖挡板（2）固定连接；中间横撑（4）的一端与中心轴（5）固定连接，中间横撑（4）的另一端通过连接构件（6）与风轮叶片（1）的中部固定连接；在所述中心轴（5）一侧的叶尖挡板（2）的挡板尾缘（2a）、端部横撑（3）的第一横撑尾缘（3a）、连接构件（6）的连接构件尾缘（6a）和中间横撑（4）的第二横撑尾缘（4a）朝向同一方向；在所述中心轴（5）另一侧的叶尖挡板（2）的挡板尾缘（2a）、端部横撑（3）的第一横撑尾缘（3a）、连接构件（6）的连接构件尾缘（6a）和中间横撑（4）的第二横撑尾缘（4a）朝向同一的相反方向。

全文数据：一种抑制梢涡的风轮横撑结构技术领域本发明涉及一种抑制梢涡的风轮横撑结构，属于风力发电技术领域。背景技术风能是一种可再生的清洁能源，在自然界中具有巨大的总储量。在化石能源日益短缺的今天，风能成为人们关注的焦点。2018年，全球新增风电装机容量为51.3GW。截至2018年底，全球风电装机总容量达591GW。目前的风力发电装置主要是水平轴风机和垂直轴风机。与水平轴风机相比，垂直轴风机具有自适应风向、安装灵活、占地面积少、气动噪声小等优势。由于水平轴风机的大型化受叶片的强度限制，人们开始更多关注垂直轴风机的开发。升力型垂直轴风机通过叶片表面的压力差产生推力推动风轮旋转。在风轮转动过程中，因为叶片展长有限，流体会从叶片的压力面流向吸力面，在叶片端部产生复杂的三维梢涡绕流，改变叶片表面的压力分布，减小叶片表面的压力差，降低风轮上的扭矩。另一方面，风轮叶片需要通过横撑与中心轴相连，来流流过横撑上下表面产生的三维绕流也会对叶片表面的受力产生影响。叶片端部和横撑产生的三维效应降低了风轮的整体效率。发明内容为了解决现有技术中存在的问题，抑制叶尖梢涡和减小横撑处三维效应对风轮产生的影响，本发明提供一种抑制梢涡的风轮横撑结构。该结构通过设置叶尖挡板以抑制梢涡，设置位于端部与叶尖挡板相连的端部横撑以减小横撑泻涡对叶片的影响，进一步抑制叶尖梢涡，且端部横撑提供正向扭矩推动风轮转动。横撑与叶尖挡板的尾缘设置成锯齿状或者波浪形，减小脱落尾涡，降低振动。通过设置中间横撑提高风轮整体稳定性。本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种抑制梢涡的风轮横撑结构，包括风轮叶片和中心轴，它还包括设有挡板尾缘的叶尖挡板、设有第一横撑尾缘的端部横撑、设有连接构件尾缘的连接构件和设有第二横撑尾缘的中间横撑，所述风轮叶片的两端设置叶尖挡板，端部横撑的一端与中心轴固定连接，端部横撑的另一端通过连接构件与叶尖挡板固定连接；中间横撑的一端与中心轴固定连接，中间横撑的另一端通过连接构件与风轮叶片的中部固定连接；在所述中心轴一侧的叶尖挡板的挡板尾缘、端部横撑的第一横撑尾缘、连接构件的连接构件尾缘和中间横撑的第二横撑尾缘朝向同一方向；在所述中心轴另一侧的叶尖挡板的挡板尾缘、端部横撑的第一横撑尾缘、连接构件的连接构件尾缘和中间横撑的第二横撑尾缘朝向同一的相反方向。所述挡板尾缘、第一横撑尾缘、第二横撑尾缘和连接构件尾缘的形状为锯齿形或波浪形。所述叶尖挡板的轮廓形状由风轮叶片的轮廓外扩得到或为圆形。所述连接构件为变截面翼型，端部横撑和中间横撑为等截面翼型。本发明的有益效果是：这种抑制梢涡的风轮横撑结构在风轮叶片的两端设置叶尖挡板，端部横撑的一端与中心轴固定连接，另一端通过连接构件与叶尖挡板固定连接；中间横撑的一端与中心轴固定连接，另一端通过连接构件与风轮叶片的中部固定连接。在中心轴一侧的挡板尾缘、第一横撑尾缘、连接构件尾缘和第二横撑尾缘朝向同一方向；在中心轴另一侧的挡板尾缘、第一横撑尾缘、连接构件尾缘和第二横撑尾缘朝向同一的相反方向。该结构抑制梢涡的产生和流动，提高风轮整体效率。同时在叶尖挡板、端部横撑、中间横撑和连接构件上设置锯齿状或波浪形的尾缘以减小脱落尾涡，降低振动，提高风轮整体稳定性。该结构使得风轮叶尖和横撑处的三维效应得到抑制，对风轮整体性能起到增益效果。附图说明图1是一种抑制梢涡的风轮横撑结构的立体图。图2是图1中A的放大图。图3是图1中B的放大图。图4是一种抑制梢涡的风轮横撑结构与普通横撑结构的横撑扭矩曲线对比图。图5是一种抑制梢涡的风轮横撑结构与普通横撑结构的风轮单叶片总扭矩曲线对比图。图中：1、风轮叶片，2、叶尖挡板，2a、挡板尾缘，3、端部横撑，3a、第一横撑尾缘，4、中间横撑，4a、第二横撑尾缘，5、中心轴，6、连接构件，6a、连接构件尾缘。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。图1示出了一种抑制梢涡的风轮横撑结构的风轮结构图。图中，这种抑制梢涡的横撑结构包括风轮叶片1、中心轴5、设有挡板尾缘2a的叶尖挡板2、设有第一横撑尾缘3a的端部横撑3、设有连接构件尾缘6a的连接构件6和设有第二横撑尾缘4a的中间横撑4。风轮叶片1的两端设置叶尖挡板2，端部横撑3的一端与中心轴5固定连接，端部横撑3的另一端通过连接构件6与叶尖挡板2固定连接。中间横撑4的一端与中心轴5固定连接，中间横撑4的另一端通过连接构件6与风轮叶片1的中部固定连接。在中心轴5一侧的叶尖挡板2的挡板尾缘2a、端部横撑3的第一横撑尾缘3a、连接构件6的连接构件尾缘6a和中间横撑4的第二横撑尾缘4a朝向同一方向。在中心轴5另一侧的叶尖挡板2的挡板尾缘2a、端部横撑3的第一横撑尾缘3a、连接构件6的连接构件尾缘6a和中间横撑4的第二横撑尾缘4a朝向同一的相反方向。挡板尾缘2a、第一横撑尾缘3a、第二横撑尾缘4a和连接构件尾缘6a的形状为锯齿形或波浪形。叶尖挡板2的轮廓形状由风轮叶片1的轮廓外扩得到或为圆形。连接构件6为变截面翼型，端部横撑3和中间横撑4为等截面翼型。图2和图3分别示出了挡板尾缘2a、第一横撑尾缘3a、第二横撑尾缘4a和连接构件尾缘6a设置成锯齿形的具体结构。风轮叶片1沿风轮周向等间隔均布，两端设置叶尖挡板2，叶尖挡板2的轮廓由风轮叶片1的翼型曲线等距外扩得到或为圆形，能够有效抑制叶尖梢涡。叶尖挡板2通过端部横撑3与中心轴5相连，端部横撑3与叶尖挡板2相连一侧为变截面翼型，与中心轴5相连一侧为等截面翼型。端部横撑3的轮廓由风轮叶片1的翼型曲线放样得到。端部横撑3能够进一步抑制叶尖梢涡，且产生正向扭矩推动风轮旋转。风轮叶片1在跨中通过中间横撑4与中心轴5相连，中间横撑4与叶片相连一侧为变截面翼型，与中心轴5相连一侧为等截面翼型。中间横撑4的轮廓由风轮叶片1的翼型曲线放样得到。挡板尾缘2a、第一横撑尾缘3a、第二横撑尾缘4a和连接构件尾缘6a设置成锯齿形或者波浪形能够减小脱落尾涡，降低振动。图4示出了一种抑制梢涡的风轮横撑结构和普通横撑结构的横撑扭矩曲线对比图。端部横撑在风轮旋转周期内主要做正功提高风轮性能，普通横撑在风轮旋转周期内产生阻力降低风轮效率。图5示出了一种抑制梢涡的风轮横撑结构和普通横撑结构的风轮单叶片总扭矩曲线对比图。一种抑制梢涡的风轮横撑结构比普通横撑结构的风轮有8.80%的扭矩增益。

权利要求：1.一种抑制梢涡的风轮横撑结构，包括风轮叶片（1）和中心轴（5），其特征在于，它还包括设有挡板尾缘（2a）的叶尖挡板（2）、设有第一横撑尾缘（3a）的端部横撑（3）、设有连接构件尾缘（6a）的连接构件（6）和设有第二横撑尾缘（4a）的中间横撑（4），所述风轮叶片（1）的两端设置叶尖挡板（2），端部横撑（3）的一端与中心轴（5）固定连接，端部横撑（3）的另一端通过连接构件（6）与叶尖挡板（2）固定连接；中间横撑（4）的一端与中心轴（5）固定连接，中间横撑（4）的另一端通过连接构件（6）与风轮叶片（1）的中部固定连接；在所述中心轴（5）一侧的叶尖挡板（2）的挡板尾缘（2a）、端部横撑（3）的第一横撑尾缘（3a）、连接构件（6）的连接构件尾缘（6a）和中间横撑（4）的第二横撑尾缘（4a）朝向同一方向；在所述中心轴（5）另一侧的叶尖挡板（2）的挡板尾缘（2a）、端部横撑（3）的第一横撑尾缘（3a）、连接构件（6）的连接构件尾缘（6a）和中间横撑（4）的第二横撑尾缘（4a）朝向同一的相反方向。2.根据权利要求1所述一种抑制梢涡的风轮横撑结构，其特征在于，所述挡板尾缘（2a）、第一横撑尾缘（3a）、第二横撑尾缘（4a）和连接构件尾缘（6a）的形状为锯齿形或波浪形。3.根据权利要求1所述一种抑制梢涡的风轮横撑结构，其特征在于，所述叶尖挡板（2）的轮廓形状由风轮叶片（1）的轮廓外扩得到或为圆形。4.根据权利要求1所述一种抑制梢涡的风轮横撑结构，其特征在于，所述连接构件（6）为变截面翼型，端部横撑（3）和中间横撑（4）为等截面翼型。

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