CN101737252A - 一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置 - Google Patents

Abstract

一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，它涉及一种用于垂直轴风力机上的辅助启动装置。本发明解决了现有升力型风力机存在的起动转矩较小，在小风速下一般很难实现自启动的问题。本发明所述N个叶片为直叶片，N个支撑臂水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂的一端面均固接在一起；中心轴垂直设置在支撑架的下方，中心轴的上端面固接在支撑架的中心处，N个叶片一一对应地安装在N个支撑臂另一端面上，每个挡风板的一侧端面通过一对转动副安装在对应的一个支撑臂的下端面上或支撑臂的侧端面上；以支撑架的中心为参照，N个挡风板的转动方向一致呈顺时针或逆时针。本发明中可以在较小的风速下实现自启动，并有较高的风能利用率。

Description

一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置

技术领域

本发明涉及一种用于垂直轴风力机上的辅助启动装置。

背景技术

风力机依据风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两种：一种为水平轴风力机；一种为垂直轴风力机。水平轴风力机是目前技术最成熟的一种风力机。水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度φ(安装角)。水平轴风力机尽管应用最为广泛，但也存在一些技术问题，如维修困难、必须具备对风装置、制造成本高等。垂直轴风力机是另一种风力机，又可分为两类型：一类是利用空气动力的阻力做功(阻力型)，典型的结构是Savonius式风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动转矩较大。缺点是转速慢，风能利用率较低，用于发电缺乏竞争力；另一类是利用翼型的升力做功(升力型)，最典型的是Darrieus型风力机。这种垂直轴风力机结构较Savonius式风轮的风能的利用率较高，能够高转速运行，但其起动转矩较小，在小风速下一般很难实现自启动。

目前对于升力型风力机，主要有两类提高自启动能力的方式。一类是将Savonius式风轮与Darrieus风轮直接组合，利用Savonius式风轮旋转时产生的大扭矩带动Darrieus型风轮启动，如专利文献1：200820090363.3；另一类是通过改变叶片结构来加强Darrieus型风力机的启动性能，如专利文献2：200580017156.X、专利文献3：200580010262.5和专利文献3：200820091137.2。但是，对于第一类方式，当风力机处于额定工作状态时，Savonius式风轮在旋转过程中产生较大的阻力致使整个风力机风能损失较大，从而限制了Darrieus风轮的额定功率的提高。而第二类方式则增加了叶片加工的难度，并且复杂的结构在一定程度上降低了叶片的可靠性，同时也使得风力机的制造成本提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有升力型风力机存在的起动转矩较小，在小风速下一般很难实现自启动的问题，提供一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置。该装置可以使升力型风力机在低风速下自启动，同时不会给稳定工作时的风力机带来过多的阻力。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的用于垂直轴风力机的辅助启动装置由中心轴、支撑架、2N个转动副、N个挡风板和N个叶片构成，所述支撑架由N个支撑臂构成，N为自然数且2≤N≤6；所述N个叶片为直叶片，N个支撑臂水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂的一端面均固接在一起；中心轴垂直设置在支撑架的下方，中心轴的上端面固接在支撑架的中心处，N个叶片一一对应地安装在N个支撑臂另一端面上，每个挡风板的一侧端面通过一对转动副安装在对应的一个支撑臂的下端面上或支撑臂的侧端面上；以支撑架的中心为参照，N个挡风板的转动方向一致呈顺时针或逆时针转动。

本发明的有益效果是：本发明中的垂直轴风车可以在较小的风速下实现自启动，并有较高的风能利用率。该风车启动时，挡风板内侧受到流动空气作用形成空气阻力，从而为风轮旋转提供较大的驱动力矩使风车启动。随着风车转速的提高，挡风板外侧受到的空气作用力增大并且大于内侧受到的空气作用力，两侧空气作用力之差推动挡风板绕转动副旋转，减小了挡风板的受风面积，即减小了整个风轮的空气阻力。当挡风板旋转至趋于水平时，该风车成为主要依靠叶片升力做功的升力型垂直轴风车。本发明结构简单造价低廉，与其它类型风车同等使用条件下，本发明使风力机的制造成本降低，同时也方便了安装和维修。本发明所述装置通过简单的机械结构使垂直轴风力机在低风速下自启动，并且不会给额定工作时的风力机增加过多的空气阻力。

附图说明

图1a是本发明的结构示意图(带有四个支撑臂)，图1b是本发明的结构示意图(带有两个支撑臂)；图2是本发明的挡风板限位原理示意图；图3a～3c是风车启动过程示意图；图4是具体实施方式五的挡风板限位原理示意图；图5是具体实施方式六的限位原理示意图，图6是图5的转动副部分放大图；图7是具体实施方式七的示意图，图8是具体实施方式七的流体力学原理示意图；图9是实施方式八的示意图，图10是具体实施方式八的流体力学原理示意图；图11是实施方式九的示意图，图12流体力学原理示意图；图13是实施方式十的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1a和图1b所示，本实施方式所述的用于垂直轴风力机的辅助启动装置由中心轴1、支撑架10、2N个转动副3、N个挡风板4和N个叶片5构成，所述支撑架10由N个支撑臂2构成，N为自然数且2≤N≤6；所述N个叶片5为直叶片，N个支撑臂2水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂2的一端面均固接在一起；中心轴1垂直设置在支撑架10的下方，中心轴1的上端面固接在支撑架10的中心处，N个叶片5一一对应地安装在N个支撑臂另一端面上，每个挡风板4的一侧端面通过一对转动副3安装在对应的一个支撑臂2的下端面上或支撑臂2的侧端面上；以支撑架10的中心为参照，N个挡风板4的转动方向一致呈顺时针或逆时针转动。

本实施方式所述的叶片5为具有一定翼型的直叶片。

本实施方式所述的支撑臂2的截面可以是矩形，也可以设计成类似翼型的流线型(所述支撑臂2的横截面的一边呈流线型)。

本实施方式所述的挡风板4的截面可以是矩形，也可以设计成类似翼型的流线型(所述挡风板4的横截面的一边呈流线型)。

具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述每个挡风板4的转动角度为0～90°。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1a所示，本实施方式所述支撑臂2、挡风板4以及叶片5的数量均为四个。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1a和图1b所示，本实施方式所述的挡风板4可绕转动副3转动且转动时不与叶片5和中心轴1发生干涉，当挡风板4与支撑臂2的表面接触后便不再转动，即利用支撑臂的表面限位(也可利用限位销限位)使每个挡风板4的转动角度为0～90°。支撑臂2和挡风板4的截面可以是矩形，也可以设计成类似翼型的流线型。

本实施方式所述的转动副3优先选用滚动轴承或滑动轴承。

限位结构如图2所示，支撑臂2下表面B与挡风板4的端面A接触后对挡风板4起限位作用。C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面。当气流(如图2中V1方向)吹向挡风板4的内侧面C时由于支撑臂2的下表面B限位使挡风板4无法向其外侧方向转动，即挡风板稳定在图2中的(I)位置。若此刻同时有气流(如图2中V2方向)吹向挡风板4的外侧面D，且外侧面D所受到的空气作用力大于内侧面C所受的空气作用力，那么挡风板4所受的两侧空气作用力合力可以使其向内侧方向转动。随着挡风板4外侧面D受到的空气作用力的逐渐增大，挡风板4也将逐渐由图2中的(I)位置转动至(II)位置，最终转动到趋于水平的(III)位置。

风力机启动过程如图3所示。当风从图3a中V所示方向吹过风轮时，图3a中风轮左侧挡风板内侧受风而右侧挡风板外侧受风。右侧挡风板的外侧受到来风空气作用力，使挡风板绕转动副转动并减小了受风面积。左侧挡风板内侧受到来风空气作用力，但由于支撑臂下表面的限位作用无法转动，仍旧保持原有的受风面积。受风面积的不同使两块挡风板上产生的空气阻力不同造成了风阻力差，由此产生的力矩推动风轮绕图3a中n所示的方向旋转。随着风轮转速的上升，挡风板外侧受到的空气作用力也逐渐增大并超过内侧所受到得空气作用力，致使两块挡风板均绕转动副向内侧旋转，如图3b所示。当转速达到一定值时挡风板趋于水平，此时风力机主要依靠直叶片的升力做功驱动，如图3c所示。

具体实施方式五：挡风板4的转动也可以通过支撑臂2的侧面来限制。如图4所示，E为挡风板的侧面，C表面为挡风板4的内侧，D表面为挡风板4的外侧。将转动副3设置于支撑臂2的侧面E上，支撑臂2侧面E与挡风板4的外侧面D接触后对挡风板4起限位作用。当气流(如图4中V1方向)吹向挡风板4的内侧时由于支撑臂2的侧面E限位使挡风板4无法向其外侧方向转动，即挡风板稳定在图4中的(I)位置。若此刻同时有气流(如图4中V2方向)吹向挡风板4的外侧，且外侧所受到的空气作用力大于内侧所受的空气作用力，那么挡风板4所受的两侧空气作用力合力可以使其向内侧方向转动。随着挡风板4外侧受到的空气作用力的逐渐增大，挡风板4也将逐渐由图4中的(I)位置转动至(II)位置，最终转动到趋于水平的(III)位置。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：挡风板4的转动也可以通过在转动副3上设置限位元件来限制，其中一个典型的限位方式是在转动副上设置限位销(如图5所示)。图6是转动副3的放大图，图中限位销5与转动副3的固定元件3a固定连接，限位销6与转动副3的转动元件3b固定连接，限位销5和限位销6接触后对挡风板4起限位作用。图5中C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面，当气流(如图5中V1方向)吹向挡风板4的内侧面C时，图6中的第一限位销7和第二限位销6相接触对挡风板4起限位作用，使挡风板4无法向其外侧方向转动，即挡风板稳定在图5中的(I)位置。若此刻同时有气流(如图4中V2方向)吹向挡风板4的外侧，且外侧所受到的空气作用力大于内侧所受的空气作用力，那么挡风板4所受的两侧空气作用力合力可以使其向内侧方向转动。随着挡风板4外侧受到的空气作用力的逐渐增大，挡风板4也将逐渐由图4中的(I)位置转动至(II)位置，最终转动到趋于水平的(III)位置，与此同时图6中的第二限位销6也不再与第一限位销7接触并且随着转动元件3a沿箭头所示方向转动至虚线所示位置。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图7所示，当转动副3在支撑臂2下表面上，转速提高时，为了减小挡风板4上的阻力，可将支撑臂2的下表面设计成弧形面，使支撑臂2的截面为类似翼型的流线型。图7中C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面。依照流体力学原理(如图8所示)空气流经弧形表面时流动速度加快(即V2＞V1)，根据伯努利定理，弧形表面附近的空气压力减小(即P2＜P1)。因此，在图7所示的结构中挡风板4的内侧面C和外侧面D形成了压力差，在风轮转速提高时有利于挡风板4向内侧转动直至趋于水平，从而减小风力机在高速转动时的阻力。其它与具体实施方式一或具体实施方式三相同。

具体实施方式八：如图9所示，当转动副3在支撑臂2侧表面时，转速提高时，为了减小挡风板4上的阻力，可将支撑臂2的上表面设计成弧形面，使支撑臂2的截面为类似翼型的流线型。图9中C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面。依照流体力学原理(如图10所示)空气流经弧形表面时流动速度加快(即V1＞V2)，根据伯努利定理，弧形表面附近的空气压力减小(即P1＜P2)。因此，在图9所示的结构中挡风板4的内侧面C和外侧面D形成了压力差，在风轮转速提高时有利于挡风板4向内侧转动直至趋于水平，从而减小风力机在高速转动时的阻力。其它与具体实施方式一或具体实施方式三相同。

具体实施方式九：如图11所示，当转动副3在支撑臂2下表面上，转速提高时，为了减小挡风板4上的阻力，可将挡风板4的内侧面设计成弧形面，使挡风板4的截面为类似翼型的流线型。图11中C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面。依照流体力学原理(如图12所示)空气流经弧形表面时流动速度加快(即V2＞V1)，根据伯努利定理，弧形表面附近的空气压力减小(即P2＜P1)。因此，在图11所示的结构中挡风板4的内侧面C和外侧面D形成了压力差，在风轮转速提高时有利于挡风板4向内侧转动直至趋于水平，从而减小风力机在高速转动时的阻力。其它与具体实施方式一或具体实施方式三相同。

具体实施方式十：如图13所示，当转动副3在支撑臂2侧表面时，转速提高时，为了减小挡风板4上的阻力，可将挡风板4的内侧面设计成弧形面，使挡风板4的截面为类似翼型的流线型。图13中C表面为挡风板4的内侧面，D表面为挡风板4的外侧面。依照流体力学原理(如图12所示)空气流经弧形表面时流动速度加快(即V2＞V1)，根据伯努利定理，弧形表面附近的空气压力减小(即P2＜P1)。因此，在图13所示的结构中挡风板4的内侧面C和外侧面D形成了压力差，在风轮转速提高时有利于挡风板4向内侧转动直至趋于水平，从而减小风力机在高速转动时的阻力。其它与具体实施方式一或具体实施方式三相同。

Claims (5)

1.一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，所述辅助启动装置由中心轴(1)、支撑架(10)、2N个转动副(3)、N个挡风板(4)和N个叶片(5)构成，所述支撑架(10)由N个支撑臂(2)构成，N为自然数且2≤N≤6；其特征在于：所述N个叶片(5)为直叶片，N个支撑臂(2)水平均布且呈一字形或星形设置，N个支撑臂(2)的一端面均固接在一起；中心轴(1)垂直设置在支撑架(10)的下方，中心轴(1)的上端面固接在支撑架(10)的中心处，N个叶片(5)一一对应地安装在N个支撑臂另一端面上，每个挡风板(4)的一侧端面通过一对转动副(3)安装在对应的一个支撑臂2的下端面上或支撑臂(2)的侧端面上；以支撑架(10)的中心为参照，N个挡风板(4)的转动方向一致呈顺时针或逆时针转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，其特征在于：每个挡风板(4)的转动角度为0～90°。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，其特征在于：支撑臂(2)、挡风板(4)以及叶片(5)的数量均为四个。

4.根据权利要求3所述的一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，其特征在于：所述支撑臂(2)的横截面为矩形或所述支撑臂(2)的横截面的一边呈流线型。

5.根据权利要求3所述的一种用于垂直轴风力机的辅助启动装置，其特征在于：所述挡风板(4)的横截面为矩形或所述支撑臂(2)的横截面的一边呈流线型。

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