CN101949362B - 一种垂直轴风力机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及垂直轴风力机领域，公开了一种垂直轴风力机，包括：转轴(1)，至少两个结构相同的叶片(2)以及多个支架(3)；其中，每一个所述叶片(2)由至少两段结构相同的子叶片(4)首尾连接构成；其中，所述至少两段结构相同的子叶片(4)首尾之间通过连接杆(5)固定连接；其中，每一段所述子叶片(4)与所述转轴(1)之间固定连接两个相互平行的所述支架(3)；俯视时，每一个所述叶片(2)中的每一段所述子叶片(4)的安装角不同；所述转轴(1)的下端与发电机或风力提水机的传动轴固定连接。本发明可以使垂直轴风力机的扭矩波动更加平缓，有利于功率稳定输出，降低传动系统的疲劳程度。
Description
技术领域
本发明涉及垂直轴风力机领域，尤其涉及一种垂直轴风力机。
背景技术
目前，两种主要的垂直轴风力机是Φ型垂直轴风力机和H型垂直轴风力机。如图1所示，在H型垂直轴风力机中，包括转轴(1)、叶片(2)以及支架(3)；其中，每一个叶片(2)和转轴(1)之间固定连接两个相互平行的支架(3)，转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接，实现扭矩传递和风能转换。
以上述的H型垂直轴风力机为例，俯视时，每一个叶片(2)的弦线与风轮运动轨迹(轨迹为圆圈)的切线方向之间的夹角称为安装角β，而叶片(2)与风向之间的夹角称为攻角α，如图2所示。在风向不变的情况下，改变安装角β会引起攻角的变化，而作用在叶片(2)上的气动特性和攻角α密切相关，当安装角β的不同时，攻角α即不同，叶片(2)上的气动特性也大不相同。一般地，垂直轴风力机的叶片的安装角β为0°，即叶片的弦线与运动轨迹的切线重合，而与半径线(俯视时半径线与支架(3)重合)垂直。
论是Φ型还是H型垂直轴风力机，其在运行过程中，由于攻角α是不断变化的，因此其输出扭矩在一个周期内是不断波动的。图3表示的是某三叶片H型垂直轴风力机在一个周期内的扭矩变化曲线示意图；其中，横坐标表示攻角θ(0°＜＝θ＜＝360°)，纵坐标表示扭矩系数CT；如图3所示，该垂直轴风力机在一个周期内，最大扭矩系数达0.93，而最小扭矩系数只有0.43，两者相差近3倍关系。因此，造成输出功率不稳定，发电机或风力提水机选配造成困难；而且扭矩的波动会造成传动系统(传动轴、轴承等)结构的疲劳，降低使用寿命。
如何消除扭矩的波动性，确保功率稳定输出，改善传动系统疲劳程度，是垂直轴风力机结构技术研究的重点之一。
发明内容
本发明实施例中提供了一种垂直轴风力机，可以使垂直轴风力机的扭矩波动更加平缓，有利于功率稳定输出，降低传动系统的疲劳程度。
一种垂直轴风力机，包括：
转轴(1)，至少两个结构相同的叶片(2)以及多个支架(3)；
其中，每一个所述叶片(2)由至少两段结构相同的子叶片(4)首尾连接构成；
其中，所述至少两段结构相同的子叶片(4)首尾之间通过连接杆(5)固定连接；
其中，每一段所述子叶片(4)与所述转轴(1)之间固定连接两个相互平行的所述支架(3)；
俯视时，每一个所述叶片(2)中的每一段所述子叶片(4)的安装角不同；
所述转轴(1)的下端与发电机或风力提水机的传动轴固定连接。
其中，俯视时，每一个所述叶片(2)中的任意两段所述子叶片(4)的弦线之间的夹角为δ，且δ满足0°＜δ＜90°。
可选地，每一个所述叶片(2)中，首尾之间通过所述连接杆连接的两段所述子叶片(4)共用同一个所述支架(3)；
其中，共用的所述支架(3)的一端固定连接所述转轴(1)，另一端固定连接所述连接杆(5)的中间点。
其中，俯视时，相邻两个所述支架(3)之间的夹角为b，且b满足b＝360°/n；其中，所述n表示所述叶片(2)的数量。
可选地，所述n取值为2或3或4，单位为个。
可选地，每一个所述支架(3)的横截面呈前凹后尖形状。
可选地，每一个所述支架(3)的表面铺设线条型的整流蒙皮。
可选地，每一个所述叶片(2)为直叶片或弯叶片。
可选地，每一个所述叶片(2)包含的所述子叶片(4)的数量相同。
可选地，所述连接杆(5)的形状为长方体或圆柱体。
本发明实施例中，垂直轴风力机的每一个叶片划分成几段子叶片，而且每段子叶片的安装角不同，即每段子叶片的攻角也不同，从而使得每段子叶片在同一时刻可以产生不同的输出扭矩，并叠加作用到转轴上；由于叠加扭矩的扭矩波动更加平缓，使得转轴可以带动传动系统稳定输出功率，降低传动系统的疲劳程度，提高使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有一种H型垂直轴风力机的结构示意图；
图2为图1所示的H型垂直轴风力机俯视时的叶片(2)的安装角β和攻角α的示意图；
图3为某三叶片H型垂直轴风力机在一个周期内的扭矩变化曲线示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种垂直轴风力机的结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的两段子叶片(4)首尾通过连接杆(5)固定连接的放大示意图；
图6为图4所示的叶片分段的垂直轴风力机的俯视图；
图7为本发明实施例中提供的一种支架(3)的横截面示意图；
图8为本发明实施例中提供的垂直轴风力机在一个周期内的叠加扭矩变化曲线示意图。
具体实施方式
本发明实施例中提供了一种垂直轴风力机，可以使垂直轴风力机的扭矩波动更加平缓，有利于功率稳定输出，降低传动系统的疲劳程度。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图4，图4为本发明实施例中提供的一种垂直轴风力机的结构示意图。其中，该叶片分段的垂直轴风力机可以包括：
转轴(1)，至少两个结构相同的叶片(2)以及多个支架(3)；
本发明实施例中，叶片(2)的数量可以是如图4所示的3个，也可以是2个或4个或更多个，本发明实施例不作限定；其中，叶片(2)可以是直叶片，也可以是弯叶片，本发明实施例不作限定；
本发明实施例中，每一个叶片(2)由至少两段结构相同的子叶片(4)首尾连接构成；
本发明实施例中，每一个叶片(2)包含的子叶片(4)的数量可以是如图4所示的2段，也可以是3段、4段或多段，本发明实施例不作限定；其中，叶片(2)可以是直叶片，也可以是弯叶片，本发明实施例不作限定；
本发明实施例中，上述的至少两段结构相同的子叶片(4)首尾之间通过连接杆(5)固定连接；请一并参阅图5，图5为本发明实施例中提供的两段子叶片(4)首尾通过连接杆(5)固定连接的放大示意图；如图5所示，连接杆(5)的形状具体可以是类似于长方体，当然也可以类似于圆柱体或正方体，本发明实施例不作限定；
本发明实施例中，每一段子叶片(4)与转轴(1)之间固定连接两个相互平行的支架(3)；
当然，为了使叶片(2)的支撑强度增强，本发明实施例中，每一段子叶片(4)与转轴(1)之间也可以固定连接三个或三个以上的相互平行的支架(3)，本发明实施例不作限定；
本发明实施例中，俯视时每一个叶片(2)中的每一段子叶片(4)的安装角不同；
本发明实施例中，每一段子叶片(4)的安装角不同，即每段子叶片的攻角也不同，从而使得每段子叶片在同一时刻可以产生不同的输出扭矩，并叠加作用到转轴上。
其中，转轴(1)的下端与发电机或风力提水机的传动轴固定连接，实现扭矩传递和风能转换。
请一并参阅图6，图6为图4所示的叶片分段的垂直轴风力机的俯视图。其中，用虚线画的子叶片(2)表示的是位于下层的子叶片(2)，用实线画的子叶片(2)表示的是位于上层的子叶片(2)。如图6所示，俯视时，每一个叶片(2)中的两段子叶片(4)的弦线之间的夹角为δ，且δ满足0°＜δ＜90°。
进一步地，在每一个叶片(2)由三个或三个以上的子叶片(4)首尾连接构成的情况下，俯视时每一个叶片(2)中的任意两段子叶片(4)的弦线之间的夹角δ，也同样满足0°＜δ＜90°。
如图4所示，在每一个叶片(2)中，首尾之间通过连接杆(5)连接的两段子叶片(4)共用同一个支架(3)；其中，共用的支架(3)的一端固定连接转轴(1)，另一端固定连接连接杆(5)的中间点。
本发明实施例中，俯视时相邻两个支架(3)之间的夹角为b，且b满足b＝360°/n；其中，n表示叶片(2)的数量；n取值为2或3或4，单位为个。如图6所示，当n＝3时，相邻两个支架(3)之间的夹角为b＝360°/3＝120°；当n＝4时，相邻两个支架(3)之间的夹角为b＝360°/4＝90°；当n＝2时，相邻两个支架(3)之间的夹角为b＝360°/2＝180°(图6未画出)。
本发明实施例中，叶片分段的垂直轴风力机在转动时，每一个支架(3)会收到风力的阻击，为了增强自起动性能，可以在每一个支架(3)的表面(包括迎风面和背风面)铺设线条型的整流蒙皮。其中，线条型的整流蒙皮可以起到减小风阻力的作用，提高风能利用效率。
本发明实施例中，每一个支架(3)的横截面呈前凹后尖形状。请一并参阅图7，图7表示的每一个支架(3)横截面示意图，从图7可以看出，每一个支架(3)的横截面呈前凹后尖形状，其中，迎风面呈凹槽形状，背风面呈“＞”形状。当较小的风从各个方向进入每一个支架(3)的呈凹槽形状的迎风面后产生压差，形成推力推动垂直轴风力机运转，实现自起动。特别是，在每一个支架(3)的呈凹槽形状的迎风面的面积越大时，叶片分段的垂直轴风力机自起动性能越强。从而，本发明实施例中提供的叶片分段的垂直轴风力机在风速较小的情况下也能够顺利自起动，降低对自自动风速的要求，提高风能利用效率。
请一并参阅图8，图8是本发明实施例中提供的叶片分段的垂直轴风力机在一个周期内的叠加扭矩变化曲线示意图；其中，横坐标表示攻角θ(0°＜＝θ＜＝360°)，纵坐标表示扭矩系数CT。如图8所示，该垂直轴风力机在一个周期内，最大扭矩系数达0.71，而最小扭矩系数只有0.55，两者相差30％，与图2相比，扭矩波动大幅度减小。优选地，若叶片包括的子叶片为3段或4段，则扭矩波动会更进一步减小，从而可以使得扭矩波动更加平缓。
本发明实施例中，垂直轴风力机的每一个叶片划分成几段子叶片，而且每段子叶片的安装角不同，即每段子叶片的攻角也不同，从而使得每段子叶片在同一时刻可以产生不同的输出扭矩，并叠加作用到转轴上；由于叠加扭矩的扭矩波动更加平缓，使得转轴可以带动传动系统稳定输出功率，降低传动系统的疲劳程度，提高使用寿命。
以上对本发明实施例中提供的一种垂直轴风力机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种垂直轴风力机，其特征在于，包括：
转轴(1)，至少两个结构相同的叶片(2)以及多个支架(3)；
其中，每一个所述叶片(2)由至少两段结构相同的子叶片(4)首尾连接构成；
其中，所述至少两段结构相同的子叶片(4)首尾之间通过连接杆(5)固定连接；
其中，每一段所述子叶片(4)与所述转轴(1)之间固定连接两个相互平行的所述支架(3)；
俯视时，每一个所述叶片(2)中的每一段所述子叶片(4)的安装角不同；
所述转轴(1)的下端与发电机或风力提水机的传动轴固定连接；
俯视时，每一个所述叶片(2)中的任意两段所述子叶片(4)的弦线之间的夹角为δ，且δ满足0°＜δ＜90°；
每一个所述叶片(2)中，首尾之间通过所述连接杆连接的两段所述子叶片(4)共用同一个所述支架(3)；
其中，共用的所述支架(3)的一端固定连接所述转轴(1)，另一端固定连接所述连接杆(5)的中间点；
俯视时，相邻两个所述支架(3)之间的夹角为b，且b满足b＝360°/n；其中，所述n表示所述叶片(2)的数量；所述n取值为2或3或4，单位为个；每一个所述支架(3)的横截面呈前凹后尖形状；每一个所述支架(3)的表面铺设线条型的整流蒙皮；每一个所述叶片(2)为直叶片或弯叶片；每一个所述叶片(2)包含的所述子叶片(4)的数量相同；所述连接杆(5)的形状为长方体或圆柱体。
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