鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮

摘要

鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，包括中心轴、上盖板和下底板，上盖板和下底板之间设有至少四个风叶，该风叶本体用于产生升力的仿鲤鱼鱼身线条的前后两个曲面在竖直方向上的投影为A曲线和B曲线，且A曲线、B曲线分别被用于产生推力且截面为凹面半圆的空腔分为A1曲线、A2曲线及B1曲线、B2曲线；风叶本体被上述空腔分为风叶前端、风叶后端，其中风叶前端与空腔相接处使用凹面半圆封闭且由前到后厚度递增，风叶后端与空腔相接处使用凸面半圆封闭且由前到后厚度递减。本发明具有使风轮兼顾升力型风轮运转速度高和阻力型风轮启动性能好的功能优势。

权利要求

1.鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶，其特征在于：包括用于安装固定的上端面、下端面；该风叶本体用于产生升力的前后两个曲面在竖直方向上的投影为A曲线和B曲线且A曲线、B曲线分别被用于产生推力且截面为凹面半圆的空腔分为A1曲线、A2曲线及B1曲线、B2曲线；该风叶本体被上述空腔分为风叶前端、风叶后端，其中风叶前端与空腔相接处使用凹面半圆封闭且由前到后厚度递增，风叶后端与空腔相接处使用凸面半圆封闭且由前到后厚度递减；A曲线的曲线方程为：

9 8 7 6 5 4 3 2

f(x)＝109.9x‑529.6x+1079x‑1211x+815.3x‑337.8x+85.37x ‑13.01x +1.227x+

0.007821，

其中，A1曲线的x取值范围为[0，n]，A2曲线的x取值范围为[1‑n，1]，B曲线的曲线方程为：

9 8 7 6 5 4 3 2

f(x)＝‑119.7x+576.2x‑1173x+1313x ‑881.6x+363.8x‑91.38x+13.76x‑1.269x‑

0.007109，

其中，B1曲线的x取值范围为[0，n]，B2曲线的x取值范围为[1‑n，1]，在风叶前端位置保持不变的前提下，由于空腔的插入，风叶后端整体沿x轴正方向平移c的距离，且A1曲线与B1曲线在(0，0)处的交点为前缘点，A2曲线与B2曲线在(1+c，0)处的交点为后缘点。

2.根据权利要求1所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶，其特征在于：前缘点到前空腔点在前缘点和后缘点所在直线上的投影距离a与前缘点到后缘点之间直线距离L的比值即n的取值为0.2～0.4。

3.根据权利要求1所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶，其特征在于：凹面半圆的直径b与前缘点到后缘点之间直线距离L的比值为0.1～0.4。

4.根据权利要求1所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶，其特征在于：前空腔点与后空腔点的直线距离c与前缘点到后缘点之间的直线距离L的比值为0.075～0.1。

5.鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：包括上盖板、下底板、中心轴以及至少四个权利要求1‑4任一权利要求所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶；中心轴上下端面分别与上盖板、下底板连接，上下端面分别与上盖板、下底板固定的风叶绕中心轴均布。

6.根据权利要求5所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风叶前端上下端面均有两个分别用于与上盖板、下底板固接的固定点且同一端面上两个固定点中心之间的直线距离e与前缘点和后缘点之间的直线距离L比值为0.15～0.2；风叶后端上下端面均有两个分别用于与上盖板、下底板固接的固定点且同一端面上两个固定点中心之间的直线距离f与前缘点和后缘点之间的直线距离L比值为0.4～0.5。

7.根据权利要求5所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风轮旋转平面与前缘点和后缘点所在直线L的夹角即安装角α为‑5°～13°。

8.根据权利要求5所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：风叶上端面和下端面之间的竖直高度H与各风叶前缘点所处圆周的直径D的比例为1～4。

9.根据权利要求5所述的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，其特征在于：前缘点和后缘点之间的直线距离L与各风叶前缘点所处圆周的半径D/2的比例值为0.3～0.7。

说明书

鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮。

背景技术

[0002] 风能是一种清洁、安全、再生绿色能源，取之不尽、用之不竭，已逐渐成为世界各国大力开发利用的一种新能源。风力发电机可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两
大类。水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行，是目前
技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。垂直轴风力机的特征是旋转轴与地面垂
直，风轮的旋转平面与风向平行，具有风轮机塔架结构简单、操作和维修方便、叶片制造成
本低以及不需迎风装置等优点，可分为升力型风轮和阻力型风轮两大类型。典型的升力型
风轮是达里厄式风力机，根据叶片的形状，达里厄式风机具有Φ型、△型、H型、Y型和◇型多
种形式，具有转速高、旋转惯性大、结构简单等优点，但启动转矩小、启动性能较差。而典型
的阻力型风轮则是萨布纽斯式风力机(S型风力机)，具有结构简单、成本低、回转力矩大、启
动性能好等优点，但转速和效率较低。

[0003] 在本工作组此前申请的发明专利中，申请号为201010140707.4的垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮通过设置较大的迎风截面和改变风叶的形状提高了对推力的利
用能力，可以在低风速下顺利启动，但是由于过度追求低风启动性能，导致风叶两侧难以形
成压力差，忽略了对升力的利用，其在高风速下转速较低；申请号为201510025375.8的鱼摆
尾型升阻融合垂直轴风轮通过仿生鲤鱼在水中游泳的姿态，构建了优秀的翼型曲线，大大
提高了对升力的利用能力，其在高风速下保持较高的转速，但是为了追求高升力其设置的
翼型形状对推力并不敏感，其存在低风速启动困难的问题。总结以上经验发现，在通常情况
下，不同物体由于其表面形状不同，其本身的阻力系数也不相同，即在相同来流下受到的推
力也不相同。若想利用推力，则需要设置较高阻力系数的翼型形状；若想利用升力，则需要
尽量维持翼型两侧的压力差。为了解决以上问题，则需要设计出一种既有高阻力系数又能
保证两侧存在压力差的翼型。

发明内容

[0004] 为了解决现有风轮中升力型风轮启动性能差，阻力型风轮转速低的问题，现提出一种由鲤鱼鱼身几何曲线和鱼鳃空腔结构轮廓线仿生而成的风叶组成的垂直轴风轮，该风
轮受到鲤鱼在水中游动的启发，通过仿生鱼身曲线减小风轮在高风速时从前缘点到后缘点
方向受到的阻力，稳定风轮运转；在鱼身曲线的鱼鳃位置设置空腔并安装凹面半圆叶片，由
于凹面半圆的阻力系数一般在2.3左右，相较于普通流线升力型翼型一般为0.6左右的阻力
系数具有明显优势，在低风速时，空腔处的凹面半圆可以大幅度增加从后缘点到前缘点方
向气流对风叶的冲击力，增大低速驱动扭矩，降低风机的启动风速。该风轮工作原理如下：
通过在鱼鳃鱼腹升力型风叶曲面的空腔中安装阻力系数较高的凹面半圆叶片，提高了来流
从风叶后端后缘点流入空腔的推力，在低风速下，使来流进入风叶空腔冲击凹面半圆产生
推动风轮运转的推力，在该推力的主导作用下，风轮可以在较低的风速下运转启动，相较于
升力型风轮提高了启动性能；在高风速下，主要通过鱼鳃和鱼腹构成的升力型叶片产生的
升力驱动风轮加速运转，相较于阻力型风轮提高了风轮转速，实现升、阻力的耦合运用；合
理的空腔开口尺寸对高风速下升力的变化影响不大，且在风轮运转后，由于风叶A曲线、B曲
线两侧曲面不同的压力差，会导致风叶压力稍高一侧的一小部分来流从空腔流入风叶压力
低的一侧，增强了空腔内的流动效果，进一步增强低风速下的启动性能，使风轮更快进入到
利用升力驱动运转阶段。本发明具有使风轮兼顾升力型风轮运转速度高和阻力型风轮启动
性能好的功能优势。

[0005] 本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶，包括用于安装固定的上端面、下端面；该风叶本体用于产生升力的仿鲤
鱼鱼身线条的前后两个曲面在竖直方向上的投影为A曲线和B曲线且A曲线、B曲线被用于产
生推力且截面为凹面半圆的空腔分为A1曲线、A2曲线及B1曲线、B2曲线；该风叶本体被上述
空腔分为风叶前端、风叶后端，其中风叶前端与空腔相接处使用凹面半圆封闭且由前到后
厚度递增，风叶后端与空腔相接处使用凸面半圆封闭且由前到后厚度递减。

[0006] 进一步的，A曲线的曲线方程为：

[0007] f(x)＝109.9x9‑529.6x8+1079x7‑1211x6+815.3x5‑337.8x4+85.37x3‑13.01x2+1.227x+0.007821，

[0008] 其中，A1曲线的x取值范围为[0,n]，A2曲线的x取值范围为[1‑n,1]，

[0009] B曲线的曲线方程为：

[0010] f(x)＝‑119.7x9+576.2x8‑1173x7+1313x6‑881.6x5+363.8x4‑91.38x3+13.76x2‑1.269x‑0.007109。

[0011] 其中，B1曲线的x取值范围为[0,n]，B2曲线的x取值范围为[1‑n,1]。

[0012] 在风叶前端位置保持不变的前提下，由于空腔的插入，风叶后端整体沿x轴正方向平移c的距离，且A1曲线与B1曲线在(0，0)处的交点为前缘点，A2曲线与B2曲线在(1+c，0)处
的交点为后缘点。

[0013] 进一步的，前缘点到前空腔点在前缘点和后缘点所在直线上的投影距离a与前缘点到后缘点之间直线距离L的比值即n的取值为0.2～0.4。

[0014] 进一步的，凹面半圆的直径b与前缘点到后缘点之间直线距离L的比值为0.1～0.4。

[0015] 进一步的，前空腔点与后空腔点的直线距离c与前缘点到后缘点之间的直线距离L的比值为0.075～0.1。

[0016] 鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，包括上盖板、下底板、中心轴以及至少四个上述鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合风叶；中心轴上下端面分别与上盖板、下底板
连接，上下端面分别与上盖板、下底板固定的风叶绕中心轴均布。

[0017] 进一步的，风叶前端上下端面均有两个分别用于与上盖板、下底板固接的固定点且同一端面两个固定点中心之间的直线距离e与前缘点和后缘点之间的直线距离L比值为
0.15～0.2；风叶后端上下端面均有两个分别用于与上盖板、下底板固接的固定点且同一端
面两个固定点中心之间的直线距离f与前缘点和后缘点之间的直线距离L比值为0.4～0.5。

[0018] 进一步的，风轮旋转平面与前缘点和后缘点所在直线L的夹角即安装角α为‑5°～13°。

[0019] 进一步的，风叶上端面和下端面之间的竖直高度H与各风叶前缘点所处的圆周的直径D的比例为1～4。

[0020] 进一步的，前缘点和后缘点之间的直线距离L与各风叶前缘点所处圆周的半径D/2的比例值为0.3～0.7。

[0021] 有益效果：

[0022] 1、本发明从风叶结构出发，将风叶对升力和推力的运用耦合在一起。当来流成为风叶的背向来流时，来流进入空腔后与凹面半圆进行碰撞，产生推动风轮运转的推力，在推
力的主导作用下，风轮可以在较低的风速下运转启动，相较于升力型风轮有更好的启动性
能；当来流成为风叶的正向来流时，在推力继续驱动风轮运转的情况下，来流在风叶的前缘
点分离沿着风叶两侧曲面流动，在安装角α不为0时，风叶两侧的速度会出现差异，风叶两侧
的流速差异则会导致风叶两侧产生压力差即升力,风叶的升力会分解为以中心轴为轴心的
向心力和切向力，切向力会给予风轮一个沿中心轴旋转的切向加速度，驱动风轮运转，相较
于阻力型风轮在高风速时有更高的转速，提高了风轮的风能利用率。

[0023] 2、在低风速时，无论是横向来流或侧向来流，风轮整体的推力力矩方向总为逆时针，即整体推力驱动风轮逆时针旋转；在高风速时，鱼鳃鱼腹又可构成升力型风叶，通过风
叶两侧压差产生的升力提高风轮转速，增加风轮对风能的利用率。选择合理的空腔开口尺
寸可以在一定程度上保持风叶两侧的压力差不变，对风叶运用升力的影响不大。因此，该风
轮可以实现升力和推力的相互耦合且互不掣肘。

[0024] 3、在风轮运转过程中，在风叶两侧曲面压力差的作用下，会使额外一部分来流流入空腔中的凹面半圆，会存在上下的压力差，该压力差会使得进入风叶中部空腔的风流量
增加，正向加强了风轮的推力驱动能力，进一步增强风轮在低速时的启动性能。

[0025] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明
显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

[0026] 图1为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的整体示意图；

[0027] 图2为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮去掉上盖板后的俯视图；

[0028] 图3为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的叶片形状示意图；

[0029] 图4为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的风叶在高风速时正向来流流线分布示意图；

[0030] 图5为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的风叶背向来流流线分布示意图；

[0031] 图6为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的风叶在高风速时周围压力分布示意图；

[0032] 图7为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮在低风速时整机横向来流流线分布示意图；

[0033] 图8为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮在低风速时整机侧向来流流线分布示意图；

[0034] 图9为现有S型风轮风洞试验叶尖速比变化图；

[0035] 图10为现有垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮风洞试验叶尖速比变化图；

[0036] 图11为现有鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮风洞试验叶尖速比变化图；

[0037] 图12为鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮数值仿真叶尖速比变化图；

[0038] 【附图标记】

[0039] 1‑上盖板      2‑下底板      3‑风叶       301‑前缘点  302‑后缘点

[0040] 303‑风叶前端  304‑风叶后端  305‑A曲线    306‑B曲线   307‑凹面半圆

[0041] 308‑凸面半圆  309‑前空腔点  310‑后空腔点 311‑上端面  312‑下端面

[0042] 313‑螺纹孔    4‑中心轴

具体实施方式

[0043] 以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

[0044] 请参阅图1‑8，为本发明鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的各部分结构示意图，该风轮包括上盖板1、下底板2、上盖板1和下底板2之间的至少4个风叶3及中心轴
4。中心轴4竖直设置，上盖板1和下底板2平行连接在中心轴4的两端。绕中心轴均匀分布的
上述风叶3固定在上盖板1与下底板2之间。

[0045] 该风叶3用于产生升力的前后两个曲面在竖直方向上的投影为A曲线305和B曲线306且A曲线、B曲线被用于产生推力且截面为凹面半圆的空腔分为A1曲线、A2曲线及B1曲
线、B2曲线。所述A曲线305的曲线方程为：

[0046] f(x)＝109.9x9‑529.6x8+1079x7‑1211x6+815.3x5‑337.8x4+85.37x3‑13.01x2+1.227x+0.007821，

[0047] 其中，A1曲线的x取值范围为[0,n]，A2曲线的x取值范围为[1‑n,1]。

[0048] B曲线306的曲线方程为：

[0049] f(x)＝‑119.7x9+576.2x8‑1173x7+1313x6‑881.6x5+363.8x4‑91.38x3+13.76x2‑1.269x‑0.007109，

[0050] 其中，B1曲线的x取值范围为[0,n]，B2曲线的x取值范围为[1‑n,1]。

[0051] 在风叶前端303位置保持不变的前提下，由于空腔的插入，风叶后端304整体沿x轴正方向平移c的距离，且A1曲线与B1曲线在(0，0)处的交点为前缘点301，A2曲线与B2曲线在
(1+c，0)处的交点为后缘点302。

[0052] 其中，风叶3的A曲线305所在曲面和B曲线306所在曲面的边缘轮廓曲线，可根据实际风叶前缘点301与后缘点302之间的弦长L等比例缩放。

[0053] 在风叶3上仿照鱼鳃盖开口设有空腔，空腔将风叶3分为风叶前端303和风叶后端304两部分。在风叶前端304的尾部设置凹面半圆307进行封闭处理，凹面半圆307的直径为A
曲线305与B曲线306与空腔交汇的两个前空腔点309之间的直线距离b；在风叶后端304的头
部设置相反的凸面半圆308进行封闭处理，风叶前端303由A1曲线所在曲面、B1曲线所在曲
面、风叶前端303上下端面和凹面半圆307组成，风叶后端304由A2曲线所在曲面、B2曲线所
在曲面、风叶后端304上下端面和凸面半圆308组成。

[0054] 风叶前端303的最前端点即A曲线305与B曲线306的交点为前缘点301，风叶后端304的最后端点即A曲线305与B曲线306的另一交点为后缘点302。凹面半圆307的直径b与前
缘点301到后缘点302之间直线距离L的比值为0.1～0.4，优选值为0.2；前缘点到前空腔点
在前缘点和后缘点所在直线上的投影距离a与前缘点到后缘点之间直线距离L的比值即n的
取值为0.2～0.4，优选值为0.3。风叶前端303尾部的前空腔点309到风叶后端304头部的后
空腔点310的直线距离c与L的比值为0.075～0.1。

[0055] 在本发明实施例中，所述风叶3通过螺钉与上盖板1、下底板2固接，具体的通过风叶前端303和风叶后端304上下端面上的螺纹孔313与上盖板1和下底板2螺钉连接。风叶前
端303的两个螺纹孔313中心之间的直线距离e与L比值为0.15～0.2；风叶后端304的两个螺
纹孔313中心之间的直线距离f与L的比值为0.4～0.5。螺纹孔313的中心位于风叶前缘点
301与后缘点302之间的弦线上。风轮旋转平面与前缘点和后缘点所在直线L的夹角为安装
角α，该安装角α为‑5°～13°，优选为4°。其余风叶3等角度布置。风叶3的竖直高度H与各风叶
3前缘点301所处的圆周的直径D的比例为1～4，优选为1。L与前缘点301处于的圆周的直径D
的1/2的比值为展弦比，展弦比为0.3～0.7，优选值为0.5。

[0056] 鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的风叶形状由鲤鱼鱼身曲线和鱼鳃盖开口轮廓线仿生得到。与现有技术相比，本发明从风叶结构出发，将风叶对升力和推力的
运用耦合在一起。在低风速下，风通过风叶3的空腔流入凹面半圆307，利用风能中的推力驱
动风轮运转，相较于升力型风轮提高了风轮在低风速时的启动性能；在高风速下，风叶3整
体符合升力型叶片标准，可以通过升力驱动风轮运转，相较于阻力型风轮提高了风轮转速，
实现升、阻力的耦合运用。且在风轮运转过程中，A曲线305所在曲面、B曲线306所在曲面会
产生压力差，该压力差会使得进入叶片中部空腔的风流量增加，进一步增强风轮在低速时
的启动性能。

[0057] 在风轮静止时，由于上下端面所在的圆周均布有至少四个风叶3。当来流成为风叶3的背向来流时，来流进入凹面半圆307进行碰撞，会产生推动风轮运转的推力，在推力的主
导作用下，相较于升力型风轮，本发明可以在较低的风速下运转启动。在风轮启动后，当来
流成为风叶3的正向来流时，在推力继续驱动风轮运转的情况下，来流在风叶3的前缘点分
离沿着风叶3两侧曲面流动，由于A曲线305、B曲线306方程的不同，导致来流流过风叶3两侧
的速度出现差异，风叶3两侧的流速差异则会导致风叶两侧产生压力差即升力。风叶3的升
力会分解为以中心轴4为轴心的向心力和切向力，切向力会给予风轮一个沿中心轴旋转的
切向加速度，驱动风轮运转，相较于阻力型风轮在高风速时有更高的转速，提高了风轮的风
能利用率。同时，在风叶3两侧曲面压力差的作用下，会使额外一部分来流流入凹面半圆
307，正向加强了风轮的推力驱动能力。因此，该风轮可以实现升力和推力的耦合使用。

[0058] 在低风速横向来流的情况下，最上侧的风叶3面对横向来流时，具有较小阻力系数的类椭圆风叶前端303在来流的冲击下产生较小的顺时针方向的推力，最左侧和最右侧的
风叶3在横向来流的作用下，一部分来流进入空腔中与阻力系数较大的凹面半圆307碰撞，
产生逆时针方向的推力，最下侧的风叶3在横向来流的作用下，相当一部分来流从后缘点沿
着鱼身曲线进入空腔内冲击凹面半圆307，产生较大的逆时针方向的推力。各个风叶3所受
推力相加后，风轮受到一个沿着逆时针方向的驱动力距，该驱动力距可以在低风速下顺利
驱动风轮逆时针旋转。同样的，在低风速侧向来流的情况下，最左侧和最下侧的风叶3的具
有较大阻力系数的凹面半圆受到来流冲击产生较大逆时针方向的推力，而最上侧和最右侧
的风叶3流线型翼型形状的一侧会受到来流冲击产生较小的顺时针方向的推力。各个风叶3
所受推力相加后，风轮同样受到一个沿着逆时针方向的驱动力距，该驱动力距可以在低风
速下顺利驱动风轮逆时针旋转。因此，在低风速下风轮凭借着空腔内的凹面半圆307产生的
推力，风轮可以顺利启动。在推力继续驱动风轮运转的情况下，在高风速时则利用鱼鳃鱼腹
构成的升力型风叶在风叶3两侧产生压力差，利用升力提高风轮的转速，相较于阻力型风轮
在高风速时有更高的转速，提高了风轮的风能利用率。合理的空腔开口尺寸对高风速下升
力的变化影响不大，且在风轮运转后，由于风叶3A、B曲线两侧不同的压力差，会导致风叶3
压力稍高一侧的一小部分来流从空腔流入风叶3压力低的一侧，增强了空腔内的流动效果，
进一步增强低风速下的启动性能，使风轮更快进入到利用升力驱动运转阶段。

[0059] 实施例1

[0060] 在相同变频器频率下，对现有S型风轮、申请号为201010140707.4的垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮和申请号为201510025375.8的鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮
进行风洞试验，各风轮高度均为700mm，风轮直径为700mm，即高径比均为1.00；风叶弦长
350mm，风叶安装角为4°。在相同条件下，鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮进行
仿真分析，风轮高度为700mm，风轮直径为700mm，即高径比为1.00；风叶弦长350mm，风叶安
装角为4°。

[0061] 记录叶尖速比数值变化规律：变频器频率为22.5Hz，在加载电流0.00、0.01、0.02……0.23、0.24、0.25分别对应26组测试数据。同样的，鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融
合垂直轴风轮在26组不同风速条件下进行仿真分析，得到数据。(1)在电流为0.07的第八组
S型风轮，检测风速为10.10m/s，输入功率为309.2W，检测转矩0.20N·m，检测转速为
191.98r/min，输出功率为3.96W的情况下，如图9所示，S型风轮的叶尖速比达到最大值
0.70，而对应的转换效率较低，为1.28％。(2)在电流为0.07的第八组垂直轴风力发动机的
鱼脊线叶板升力风轮，检测风速为10.10m/s，输入功率为309.2W，检测转矩0.27N·m，检测
转速181.11r/min，输出功率为5.23W的情况下，如图10所示，垂直轴风力发动机的鱼脊线叶
板升力风轮的叶尖速比达到最大值0.66，而对应的转换效率较低，为1.69％。(3)在电流为
0.07的第八组鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮，检测风速10.10m/s，输入功率为309.2W，检测
转0.31N·m，检测转速为216.61r/min，输出功率为7.04W的情况下，如图11所示，鱼摆尾型
升阻融合垂直轴风轮的叶尖速比为0.79，对应的转换效率为2.28％。(4)在第三组的鱼鳃鱼
腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，设置仿真风速为加载电流为0.02时的检测风速
3.1m/s，设置转速为20r/min。输入功率4.59W，检测转矩为0.003N·m，输出功率为0.104W，
对应的转换效率为2.5％。在第八组的鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮，设置仿
真风速为加载电流为0.07时的检测风速10.10m/s，设置转速为150r/min，输入功率为
309.2W，检测转矩为0.14N·m，输出功率为21W，对应的转换效率为6.7％，如图12所示，鱼鳃
鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮的叶尖速比达到最大值为1.3。由风洞试验测试记
录和仿真结果对比可知，鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型升阻融合垂直轴风轮在风速为3.1m/s时即
可启动，而鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮的启动风速在6m/s左右；鱼鳃鱼腹空腔隔置翼型
升阻融合垂直轴风轮的实际转换效率在2.5％～11.3％，而鱼摆尾型升阻融合垂直轴风轮
的实际转换效率为2.28％～5.25％，垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮的实际转换
效率为1.60～3.84％，S型风轮的实际转换效率为1.24～4.63％。

[0062] 以上所述的具体实施例，对本发明的性能优点进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所
做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。