垂直軸風力渦輪機轉子和翼型的制作方法
【專利說明】垂直軸風力渦輪機轉子和翼型
[0001] 本發(fā)明涉及用于垂直軸風力渦輪機（VAWT)的轉子，并且特別地涉及用于VAWT轉 子中的翼型型面（aerofoil profile)。
[0002] 在本說明書中，如下是一些主要術語及其分別的含義：
[0003] 貝茲極限：通過理想的風力渦輪機轉子（概念化為"致動器盤"）實現(xiàn)的理論上最 大的功率系數(shù)，得出為16/27 = 0. 5926。
[0004] CFD :計算流體動力學。
[0005] 功率系數(shù)（Cp):轉子的空氣動力效率的度量，定義為通過轉子從氣流提取的能量 與該氣流中所包含的總動能的比。氣流定義為穿過轉子的空氣團，即，具有撞擊轉子的掃掠 包絡（swept envelope)的橫截面的空氣團。
[0006] 達里厄轉子（Darrieus rotor):具有總體的"打蛋器"或Troposkien葉片構型的 轉子。
[0007] Λ :數(shù)值變化。
[0008] 赤道TSR(Equatorial TSR):在非圓柱形（例如，Troposkien)轉子的最大直徑處 的葉尖速比（tip speed ratio)。
[0009] 覆蓋區(qū)（footprint):在水平的大地表面上由掃掠包絡的投影所界定的二維區(qū) 域。
[0010] Giromill :具有可以與旋轉軸線平行的大體上直的葉片的VAWT轉子。
[0011] Gorlov型轉子：一種轉子，其中的葉片通常螺旋地圍繞旋轉軸線延伸。
[0012] HAWT :水平軸風力渦輪機。在本說明書中HAWT -般意指升力型HAWT。
[0013] 升力型轉子：具有翼型葉片的轉子。
[0014] 施密茨功率系數(shù)：基于與貝茲極限相同的原理但考慮到轉子的氣流下游的方向的 變化而修正的、通過理想的風力渦輪機轉子可實現(xiàn)的理論上最大的功率系數(shù)。
[0015] 實度（solidity ratio):由葉片占據(jù)的VAWT轉子的掃掠包絡的比例的度量,其可 以表示為NC/R或NC/D(葉片數(shù)目X每個葉片的弦長/轉子的半徑或直徑）。
[0016] 掃掠包絡：通過葉片的徑向最外表面圍繞轉子軸線的運動而界定的旋轉的表面。
[0017] 葉尖速比（TSR):在葉片的徑向最外面的點處的轉子的旋轉速度與風速的比。
[0018] Troposkien :通過使繩圍繞其端部之間的固定軸線旋轉而形成的曲線。
[0019] VAWT :垂直軸風力渦輪機。在本說明書中VAWT -般意指升力型VAWT。
[0020] 圖1組合了幾個不同版本的共用圖以示出由各種類型的風力渦輪機轉子的不同 來源給出的性能數(shù)據(jù)的寬泛變化。雖然應當以謹慎的態(tài)度對待附圖，但是它們提供了其中 本發(fā)明可以被更好地理解的廣義的語境。
[0021] 值得注意的是，美式多葉片轉子和薩沃尼斯（Savonius)轉子的分別的曲線 集的識別一般是反向的，并且在此遵循Magdi Ragheb和Adam M. Ragheb (2011)-Wind Turbines Theory-The Betz Equation and Optimal Rotor Tip Speed Ratio, Fundamental and Advanced Topics in Wind Power,Dr.Rupp Carriveau(Ed. ), ISBN ： 978-953-307-508-2, InTech, DOI :10. 5772/21398中所表達的觀點，其在以下網(wǎng)站上可查 看：
[0022] http://www. intechopen. com/books/fundamental-and-advanced-topics-in-w ind-power/wind-turbines-theory-the-betz-equation-and-optimal-rotor-tip-speed-ratio。
[0023] 風力渦輪機可以被廣義地分成水平軸風力渦輪機（HAWT)和垂直軸風力渦輪機 (VAWT)。這些組的每一個都可以再次被分成反動型潤輪機（reaction type turbine)和升 力型渦輪機。
[0024] 反動型渦輪機依賴抵靠葉片的風力的壓力以按一定的速率使轉子旋轉，該速率被 限定為風速的函數(shù)。它們以相對較低的葉尖速比和高扭矩為代表，尤其是在常用于水泵及 相似應用的美國多葉型中。
[0025] 升力型渦輪機采用具有翼型型面的葉片（與反動型渦輪機不同），以隨著葉片以 比移動的氣流高的速度旋轉而產(chǎn)生升力。升力型渦輪機能夠比反動型渦輪機從氣流提取更 多的能量，并且它們的較高葉尖速比和較高Cp使它們更適合于發(fā)電。
[0026] 升力型渦輪機下文中被簡稱為"HAWT"和"VAWT"。
[0027] 因為VAWT轉子的旋轉速度不受風速的限制，所以轉子通常受至少一個被動控制 系統(tǒng)或主動控制系統(tǒng)支配以維持最優(yōu)的TSR并且防止破壞性超速，例如，通過根據(jù)風速傳 感器的輸出來調整供應至發(fā)電機的勵磁線圈的電流、并且通過若出現(xiàn)顯著超速情況則運行 獨立制動系統(tǒng)。控制系統(tǒng)也一般被安排成例如通過利用發(fā)電機作為馬達來驅動轉子升高至 其運轉速度。
[0028] 因為VAWT的每個葉片隨著轉子的每次完整旋轉而穿過上游位置和下游位置，所 以最優(yōu)的TSR通常是允許由上游葉片產(chǎn)生的湍流或尾跡在葉片下游位置未攔截任何葉片 的情況下穿過轉子的掃掠包絡的值。這確保了每個葉片能夠在無干擾的氣流中以最大效率 運行。為了最優(yōu)效率，VAWT (像HAWT-樣）通常設計有不超過三個葉片。
[0029] 大多數(shù)商用風電設備目前使用三葉片HAWT。在某種程度上，這歸因于關于達里厄 轉子的被通常報告的相對較低效率，達里厄轉子通常具有兩個或三個以Troposkien型面 的葉片并且是圖1中表現(xiàn)的唯一現(xiàn)有技術VAWT轉子類型。
[0030] 在達里厄轉子中，葉片通常被安排成Troposkien構型，其中（像HAWT的徑向葉片 一樣）徑向向外的力產(chǎn)生沿著葉片長度的張力，并且因此如圖1表現(xiàn)的，該轉子構型可以設 計成用于實現(xiàn)相對較高的赤道TSR。
[0031] 然而，不利的是，因為任何給出的翼型型面將在特定的TSR處傳遞最優(yōu)效率，并且 因為Troposkien轉子的TSR將隨著轉子的沿著葉片長度的直徑而變化，所以沿著其長度具 有恒定截面的葉片將不以Troposkien構型最優(yōu)地進行。
[0032] 雖然HAWT的葉片（只要使轉子側擺（yaw)以指向風）對氣流總是呈現(xiàn)相同的姿 態(tài)，但是VAWT的葉片的姿態(tài)隨著轉子的每次完整旋轉相對于氣流改變整個360度。這對達 里厄轉子產(chǎn)生了若干后果。
[0033] 首先，由每個葉片產(chǎn)生的力矩隨著VAWT的轉子旋轉而循環(huán)地變化。
[0034] 在具有Troposkien葉片構型的雙葉片達里厄設計中，這導致強烈地波動的扭矩， 傳動裝置和其他機械部件必須被設計為適應這種強烈地波動的扭矩。波動的扭矩還升高了 在葉片隨著每次旋轉而變形時的葉片中的大量機械應力，并且可能產(chǎn)生不合意的低頻噪聲 和破壞性共振。這些效應也存在于三葉片達里厄設計中，雖然不那么嚴重。
[0035] 其次，雙葉片達里厄轉子在每次旋轉時都將穿過失速位置，并且當轉子靜止在相 對于氣流的失速位置中時，轉子通常不會自啟動。三葉片達里厄轉子的自啟動也可能是勉 強的。
[0036] 第三，VAWT葉片相對于風向的姿態(tài)的循環(huán)變化使翼型的空氣動力特性的建模和優(yōu) 化的任務變得非常復雜，如下文進一步討論。
[0037] 忽視VAWT作為用于商業(yè)發(fā)電的HAWT的重要競爭者的當前趨勢的另一個原因是已 被提出的常常用于城市環(huán)境中的過多的大量不同設計。雖然非常規(guī)的轉子構型常常聲稱 具有高的效率，但是本領域許多技術人員持有這樣的觀點：風力發(fā)電僅在氣流是不間斷的 且適度恒定的位置是經(jīng)濟實用的，并且將"城市風力"渦輪機視作主要裝飾性的而非功能性 的。
[0038] 如與上面提到的過多"城市風力"渦輪機不同，Giromill和Gorlov型VAWT轉子代 表達里厄構型的兩種重要的實用替代物。
[0039] Giromill轉子具有相對于旋轉軸線以間隔開關系安置的直葉片；該葉片可以是 垂直的以使得它們勾畫出圓柱形掃掠包絡。
[0040] 應認識到，具有大體上圓柱形的掃掠包絡的VAWT轉子將比相同最大直徑的達里 厄轉子捕獲相對較大橫截面的氣流，并且因此，如果其他情況不變，其發(fā)電量將相稱地更 大。這在特別是轉子必須提取盡可能多的能量但是受給定覆蓋區(qū)的限制的應用中是重要 的。例如，VAWT轉子可以被安置在由土地所有權界定的狹窄廊道中（例如在鐵路軌道或類 似物旁邊）的曠野。在這種情況下，雖然鐵路軌道可能越過開放山頂使得氣流一般不受固 定障礙物阻礙并且潛在發(fā)電量很高，但是轉子的掃掠包絡不能延伸超過廊道的界限，或延 伸至由沿著軌道周期性移動的火車界定的包絡內，并且因此其直徑被嚴格限制。
[0041] 應認識到，對該性質的應用而言，VAWT將優(yōu)選為與具有相當發(fā)電量的HAWT相比具 有實質上更小的覆蓋區(qū)，HAWT必須隨著風向變化而圍繞其支撐塔自由側擺。
[0042] 更有利的是，具有圓柱形掃掠包絡的轉子將沿著葉片的長度具有恒定的TSR。在 葉片沿著其長度具有恒定截面（這簡化了設計和制造）的情況下，這意味著（與達里厄 Troposkien構型不同）當轉子被支配為處于其最優(yōu)TSR時整個葉片可以以最優(yōu)效率運行。
[0043] 在達里厄構型的第二重要替代物中，"Gorlov"型轉子以圍繞旋轉軸線延伸的葉片 為特征，通常呈螺旋狀構型。
[0044] Gorlov設計提供了優(yōu)于達里厄轉子和直葉片VAWT轉子的更重要的優(yōu)勢在于，通 過安置葉片以圍繞旋轉軸線（優(yōu)選螺旋地）延伸360度，并且同時通過以距軸線恒定的半 徑安置葉片以使得轉子勾畫出圓柱形掃掠包絡，隨著轉子旋轉而得到近恒定的扭矩。同時， 當轉子靜止時，不管風力方向如何，葉片的至少一個部分被最優(yōu)地定位以產(chǎn)生升力，使得在 原理上，Gorlov轉子能夠自啟動。
[0045] 在每種轉子構型中，VAWT的效率關鍵地取決