CN101067409A - 立轴风力机风轮 - Google Patents

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Abstract

一种立轴风力机风轮，涉及风能利用装置技术领域，主要由中心轴、连接杆和不少于3片的叶片构成。其特征是所述叶片为弧形曲面叶片，叶片上设有位于弧形曲面内的弓形横向支撑和垂直轴，横向支撑与垂直轴之间形成矩形网格，网格部位设有活动风叶体和控制风叶体转动角度的限位件。所述风叶体截面为机翼型，其前缘部位与垂直轴转动配合。本发明安装于立轴风力机上，其中心轴与弧形叶片垂直于地面。在水平风力作用下，叶片上的风叶体同时交替受到风的推力F1、斜向分力F2及升力F3的作用，产生使风轮同方向转动的力矩M1、M2及M3，风力不停，转动不止。本发明利用多种方式将风能转换为电能或机械能，对启动风速要求低，风能利用效率高，应用前景广。

Description

立轴风力机风轮
技术领域
本发明涉及一种立轴风力机的风轮，属于风能利用装置技术领域。
背景技术
风力机可将风能转换为机械能或电能，具有广阔的应用前景，风轮作为风力机的核心部件，对能量转换效率的高低具有重要的影响。现有的立轴风力机的风轮，按照风对风轮的推动方式分为升力型与阻力型两种。
升力型立轴风力机风轮的叶片类似于飞机的机翼，利用气流流过时，叶片象机翼一样产生的升力，推动风轮转动，如已公开的发明(CN85201691)的风力机风轮叶片即为升力型，此类型风轮优点是结构简单，弱点是起动风速要求较高。
阻力型立轴风力机风轮的叶片是横挡在气流的通道上，利用气流吹向叶片时，在叶片前后较大的压强差形成推力，推动风轮转动，如已公开的发明(CN85108096A、CN1450263A、CN1474050A、CN2505613Y)的风轮叶片即为阻力型，此类型风轮优点是起动风速要求较低，弱点是风能利用效率相对较低。
近来也有一种阻力、升力复合型风动力装置，如已公开的发明(CN200510044144.8)是利用薄板制成的固定于风轮上的机翼型叶片所形成的空心凹腔阻风，产生推力推动风轮转动，其风能利用率仍然欠佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种多种方式利用风能，对起动风速要求较低，风能利用效率较高的立轴风力机风轮。
本发明的技术方案是：立轴风力机风轮主要由中心轴、连接杆和不少于3片的叶片构成，叶片沿风轮中心轴圆周方向均匀排列；改进之处是所述叶片为弧形曲面叶片，叶片上设有位于弧形曲面内的弓形横向支撑和垂直轴，横向支撑与垂直轴之间形成矩形网格，网格部位设有活动风叶体和控制风叶体转动角度的限位件。
进一步的方案是：所述横向支撑为3～9道，垂直轴为3～9根，相邻横向支撑与垂直轴之间的网格部位均设有活动风叶体。所述活动风叶体一面为流线型凸面，一面为平凹面，截面形状类似于飞机机翼，其前缘部位与垂直轴成转动配合。风叶体处于闭合状态时，后缘指向风轮中心轴，周边与网格吻合，且风叶体的凹凸方向与弧形叶片凹凸方向一致。风叶体处于开启状态时，其中心面基本垂直于横向支撑两端点的连线。所述转角限位件是设在横向支撑上、位于弧形叶片凹面一侧的挡块，或者是设在垂直轴上的挡销，活动风叶体与挡销配合处有缺口，挡销位于缺口内。
本发明在已有技术的基础上，对垂直轴风力机风轮叶片结构和形状作出重要改进。
本发明中，活动风叶体可在风力作用下打开与闭合，即在弧形曲面叶片凹面一侧做不大于180°的水平转动。活动风叶体闭合时，与垂直轴、横向支撑、网格共处于弧形叶片的曲面内。当弧形曲面叶片凸面受风力作用时，活动风叶体绕其轴转动而打开。当弧形曲面叶片凹面受风力作用时，活动风叶体绕其轴转动而闭合。并且打开和闭合是一个逐渐变化的过程。
以下描述中：把活动风叶体平凹面(弧形曲面叶片凹面)受水平风力作用产生的推力称为F1，产生的转动力矩称为M1。
把活动风叶体凸面受水平风力作用产生的斜向风叶体前缘方向的分力称为F2，产生的转动力矩称为M2。
把活动风叶体凸面和平凹面同时受水平风力作用(根据空气动力原理)而产生的升力称为F3，产生的转动力矩称为M3。
本发明安装于立轴风力机上，其中心轴与弧形叶片垂直于地面。在水平风力作用下，当弧形曲面叶片凹面迎风时，其上的活动风叶体与网格处于吻合(闭合)状态，活动风叶体平凹面(弧形叶片凹面)受水平风力的作用产生推力F1，产生使风轮转动的转矩M1。随着风轮的转动，弧形曲面叶片上的活动风叶体，逐渐由闭合到打开，由于网格上限位件的作用，风叶体只能打开一定角度，又由于活动风叶体凸面的流线型形状，使其产生斜向风叶体前缘方向的分力F2，产生使风轮转动的转矩M2。随着风轮的继续转动，弧形曲面叶片凸面迎风，其上的活动风叶体处于开启状态，风从网格中通过，叶片不阻风，产生的阻碍风轮转动的力矩趋于零。但此时活动风叶体前缘端迎风，其凸面和平凹面同时受水平风力作用，由于其类似机翼形状，产生升力F3，产生与M1、M2同方向的力矩M3，作用于风轮的中心轴使风轮转动。
以上是风轮上某叶片(活动风叶体)的受力状况，而风轮在水平风力作用时，其中心轴圆周上弧形叶片同时交替受到不断变化的推力F1、分力F2和升力F3的作用，相应产生了同方向的力矩M1、M2、M3，推动着风轮绕中心轴转动。风力不停，转动不止。
本发明中，叶片本身的弧形曲面起到兜风的作用，也能提高其在同等转动半径下的受风效果，而且有利于风叶体的安装吻合。本发明系多种方式共同作用，故其风能利用效率相对较高。
本发明结构合理紧凑，活动风叶体开闭灵活，叶片兜风和漏风效果好，起动风速要求低，风能利用效率高。做为机械能输出，风力机中心轴可与水泵相连，制作风力抽水机。做为电能输出，风力机中心轴可与发电机相连，制作风力发电机等。
本发明特别适用于山区，草原，海岛等风力资源丰富而又缺网少电的地区。风能利用不破坏生态，不污染环境，开发利用，前景广阔。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是图1中E向局部示意图(放大)。
图3是带有4片叶片的风轮运转状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明实施例。
立轴风力机风轮主要由中心轴1，连接杆2和4片沿风轮圆周方向均匀排列于中心轴周围的弧形曲面叶片3构成。各弧形曲面叶片的大小、弯曲程度和弧形方向一致，其凸面均朝向风轮旋转方向。叶片上设有4道弓形横向支撑4和4根平行于中心轴的垂直轴6，相邻横向支撑与垂直轴之间形成矩形网格，每个网格部位设有一个活动风叶体5，该风叶体类似飞机机翼形状，处于叶片凹面一侧，其前缘部位与垂直轴成转动配合，配合处装滑动轴承(尼龙套)和密封圈，前缘部位下端有一个横向弧形缺口，缺口中有固定在垂直轴上的挡销7，风叶体在网格与挡销之间作自由转动。完全闭合时，风叶体与叶片的曲面相吻合，后缘指向风轮中心，周边盖住网格，完全打开时，风叶体受挡销限位，其中心面基本垂直于横向支撑两端点连线。
当水平风力由图示箭头方向吹来时，A位弧形叶片凹面受风力作用，其上活动风叶体处于闭合状态，叶片受水平风力作用产生推力F1，产生力矩M1，推动风轮绕中心轴逆时针方向转动。
随着风轮转动，弧形叶片转至B位时，其上活动风叶体受风力作用并在限位件控制下逐渐打开至一定的角度(活动风叶体中心面与风轮半径成＜90夹角)，活动风叶体凸面受水平风力的分力F2作用(类似放风筝时，风筝受水平风力作用而升空的状况)，产生力矩M2推动风轮绕中心轴逆时针方向转动。
当弧形叶片转至C位时，其上所有风叶体完全打开，弧形叶片凸面受风，风从网格中漏过，几乎不产生阻碍风轮转动的力矩。由于风叶体为机翼形状，其凸面和平凹面同时受风力作用，产生一升力F3，其力矩M3推动风轮绕中心轴逆时针方向转动。
当弧形叶片转至D位时，风叶体部分闭合，部分打开，上述推力F1，升力F3均起作用，推动风轮绕中心轴逆时针转动。弧形叶片继续转动至A位时，其上风叶体又全部闭合……。上述风轮如弧形叶片反向安装(弧形方向一致)，则风轮会顺时针方向转动。

Claims (5)

1、一种立轴风力机风轮，主要由中心轴、连接杆和不少于3片的叶片构成，叶片沿风轮中心轴圆周方向均匀排列，其特征是所述叶片为弧形曲面叶片，且弧形方向一致，叶片上设有位于弧形曲面内的弓形横向支撑和垂直轴，横向支撑与垂直轴之间形成矩形网格，网格部位设有活动风叶体和控制风叶体转动角度的限位件。
2、按权利要求1所述的立轴风力机风轮，其特征是所述横向支撑为3～9道，垂直轴为3～9根，相邻横向支撑与垂直轴之间的网格部位均设有活动风叶体。
3、按权利要求1所述立轴风力机风轮，其特征是所述活动风叶体一面为流线型凸面，一面为平凹面，截面形状类似于飞机机翼，其前缘部位与垂直轴成转动配合，风叶体处于闭合状态时，后缘指向风轮中心轴，周边与网格吻合，且风叶体的凹凸方向与弧形叶片凹凸方向一致，风叶体处于开启状态时，其中心面基本垂直于横向支撑两端点的连线。
4、按权利要求1所述立轴风力机风轮，其特征是所述转角限位件是设在横向支撑上、位于弧形叶片凹面一侧的挡块。
5、按权利要求1所述立轴风力机风轮，其特征是所述转角限位件是设在垂直轴上的挡销，活动风叶体与挡销配合处有缺口，挡销位于缺口内。
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