CN102374117B - 一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，包括多个风轮，每个风轮相互平行，还包括一垂直于地面的转轴，所述转轴贯穿每个所述风轮中心，并与每个所述风轮连接，所述转轴垂直于每个所述风轮，其中，每个所述风轮包括一对形状大小相同的叶片支撑盘，所述转轴为圆柱形，所述一对叶片支撑盘为圆环形。本发明的有益效果是：多层风轮改变了单一风轮结构的固有频率，每层风轮旋转产生的谐波分量相互干扰，阻碍共振发生，同时不同风轮的风轮叶片间气流彼此干扰，阻碍了激振发生，使风轮寿命得到延长，且多个风轮的叶片在风力过大时可以收拢，是整个风轮系统呈圆柱形，减小了受风面积，降低了风轮被大风损坏的可能。

Description

一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构

技术领域

本发明涉及一种风力发电机风轮叶片结构，尤其是一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构。

背景技术

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，是一种环保的能源获得方式。公知的风力发电机一般分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，水平轴风力发电机受风向变化影响较大，一般要加装风轮转向装置才能适应风向变化，使其机械结构复杂，且有能量损耗在风轮转向过程中。垂直轴风力发电机受风向变化影响较小，风能利用率较高，正成为风力发电机发展的趋势。由于垂直轴风力发电机受风力驱动旋转，不可避免的在旋转过程中会因风轮旋转频率与自身频率重合产生共振，或者产生激振，进而造成风轮损坏。风力发电机发电虽然不需要使用燃料，但是制造风力发电机还是需要消耗能源，如果风力发电机过于频繁的损坏，风力发电机利用风能产生电力不足以抵消制造风力发电机所消耗的能源则风力发电的优势就完全无法体现了。 

发明内容

针对现有垂直轴风力发电机存在的上述问题，本发明提供一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构。

本发明解决技术问题所采用的技术手段为：

一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，包括多个风轮，每个风轮相互平行，还包括一垂直于地面的转轴，所述转轴贯穿每个所述风轮中心，并与每个所述风轮连接，所述转轴垂直于每个所述风轮，其中，每个所述风轮包括一对形状大小相同的叶片支撑盘，所述转轴为圆柱形，所述一对叶片支撑盘为圆环形，所述圆环形内圆与所述转轴匹配，所述一对叶片支撑盘相隔预定距离套在所述转轴上；

所述一对叶片支撑盘之间设有叶片，所述叶片多于一片，所述叶片为柱形体，所述柱形体包括上下端面和柱面，所述上下端面形状及大小相同，并各自与相邻的所述支撑盘连接，且使所述柱形体与所述一对支撑盘垂直；

所述圆环形支撑盘以多条连接其外圆和内圆的等分线分成与所述叶片数相同个等分，取其中一条等分线称为当前等分线，所述当前等分线与所述圆环形支撑盘外圆的交点称为所述当前等分线的外节点，所述圆环形支撑盘外圆上所述当前等分线的外节点的逆时针方向的前一个由其他等分线与所述外圆相交形成的外节点称为所述当前等分线的前节点；

所述柱形体任一端面包括头部和尾部，所述头部为圆形，所述圆形头部直径等于所述圆环形支撑盘的外圆半径减去内圆半径之差，所述圆形头部的圆心位于一条所述等分线中点，称一端面圆形头部位于所述当前等分线中点的柱形体为当前柱形体，该端面为当前端面，称当前柱形体沿圆环形支撑盘逆时针方向的第一个所述柱形体为第二柱形体，称当前柱形体沿圆环形支撑盘逆时针方向的第二个所述柱形体为第三柱形体，所述当前等分线的外节点通过一条圆弧与所述当前等分线的前节点相连称为外圆弧，做一圆形，使该圆形与所述当前端面的所述圆形头部外切，与所述第二柱形体的与所述当前端面同一平面内的端面的所述圆形头部内切，并与所述第三柱形体的与所述当前端面同一平面内的端面的所述圆形头部外切，以该圆形与所述当前端面的所述圆形头部的切点至所述当前等分线的前节点截取圆弧，称该段圆弧为内圆弧，所述外圆弧与所述内圆弧于所述当前等分线的前节点处相交形成所述当前端面的尾部，所述外圆弧半径与所述圆环形支撑盘外圆半径相等，所述外圆弧与所述内圆弧及所述圆形头部自所述当前等分线外节点顺时针至所述内圆弧与所述圆形头部切点处截取的圆弧围成所述当前端面；

所述任一柱形体上下端面的圆形头部圆心与相邻的所述支撑盘铰接，所述任一柱形体以其所述上下端面的圆形头部的圆心连线为轴枢转；

所述每个风轮的一对支撑盘与所述转轴连接时处于风轮上部的支撑盘称为上支撑盘，处于风轮下部的支撑盘称为下支撑盘，每两个相邻的所述风轮处于下方的风轮的上支撑盘与处于上方的风轮的下支撑盘贴合。

上述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其中，所述多个风轮中每个风轮的所述一对支撑盘的大小均相同。

上述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其中，所述多个风轮叶片数不同。

上述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其中，处于所述转轴下部的风轮叶片多于处于所述转轴上部的风轮。

上述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其中，所述多个风轮中每个风轮的叶片数均为360不为1的约数。

本发明的有益效果是：

多层风轮改变了单一风轮结构的固有频率，每层风轮旋转产生的谐波分量相互干扰，阻碍共振发生，同时不同风轮的风轮叶片间气流彼此干扰，阻碍了激振发生，使风轮寿命得到延长，且多个风轮的叶片在风力过大时可以收拢，是整个风轮系统呈圆柱形，减小了受风面积，降低了风轮被大风损坏的可能。

附图说明

图1是本发明一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构的立体结构示意图；

图2是本发明一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构风轮叶片为三片时风轮的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，包括多个风轮1，每个风轮1相互平行，还包括一垂直于地面的转轴2，转轴2贯穿每个风轮1中心，并与每个风轮1连接，转轴2垂直于每个风轮1，其中，每个风轮1包括一对形状大小相同的叶片支撑盘11，转轴2为圆柱形，一对叶片支撑盘11为圆环形，圆环形内圆111与转轴2匹配，一对叶片支承盘11相隔预定距离套在转轴2上；

一对叶片支撑盘11之间设有叶片13，叶片13多于一片，叶片13为柱形体，柱形体包括上下端面和柱面，上下端面形状及大小相同，并各自与相邻的支撑盘11连接，且使柱形体与一对支撑盘11垂直；

圆环形支撑盘11以多条连接其外圆112和内圆111的等分线分成与叶片13数相同个等分，取其中一条等分线称为当前等分线14，当前等分线14与圆环形支撑盘11外圆112的交点称为当前等分线14的外节点141，圆环形支撑盘11外圆112上当前等分线14的外节点141的逆时针方向的前一个由其他等分线与外圆112相交形成的外节点称为当前等分线14的前节点142；

柱形体任一端面包括头部1301和尾部1302，头部1301为圆形，圆形头部1301直径等于圆环形支撑盘11的外圆112半径减去内圆111半径之差，圆形头部1301的圆心位于一条等分线中点，称一端面圆形头部1301位于当前等分线14中点的柱形体为当前柱形体131，该端面为当前端面1311，称当前柱形体131沿圆环形支撑盘逆时针方向的第一个柱形体为第二柱形体132，称当前柱形体沿圆环形支撑盘逆时针方向的第二个柱形体为第三柱形体133，当前等分线14的外节点141通过一条圆弧与当前等分线14的前节点142相连称为外圆弧1303，做一圆形，使该圆形与当前端面1311的圆形头部1301外切于切点143，与第二柱形体132的与当前端面1311同一平面内的端面的圆形头部1301内切，并与第三柱形体133的与当前端面1311同一平面内的端面的圆形头部1301外切，以该圆形与当前端面1311的圆形头部1301的切点143至当前等分线14的前节点142截取圆弧，称该段圆弧为内圆弧1304，外圆弧1303与内圆弧1304于当前等分线14的前节点142处相交形成当前端面1311的尾部1302，外圆弧1303半径与圆环形支撑盘11外圆112半径相等，外圆弧1303与内圆弧1304及圆形头部1301自当前等分线14外节点141顺时针至内圆弧1304与圆形头部1301切点处截取的圆弧围成当前端面1311；

任一柱形体上下端面的圆形头部1301的圆心与相邻的支撑盘11铰接，任一柱形体以其上下端面的圆形头部1301的圆心连线为轴枢转；

每个风轮1的一对支撑盘11与转轴2连接时处于风轮1上部的支撑盘称为上支撑盘1101，处于风轮1下部的支撑盘称为下支撑盘1102，每两个相邻的风轮1处于下方的风轮1的上支撑盘1101与处于上方的风轮1的下支撑盘1102贴合。

本发明采用多个风轮1平行且成呈同心状连接在垂直于地面的转轴2上，且相邻的风轮1处于下方的风轮1顶部与处于上方的风轮1底部相互贴合，使多个风轮1组成一个风轮系统，每个风轮1的叶片13可以改变与上下支撑盘11的相对角度，从而实现叶片13开合，当叶片13合拢时，每个风轮都成圆柱形，整个风轮系统呈柱形，当风力过大时柱形的风轮系统可以使风力发电机受风面积减小，从而保护风力发电机。设置多个风轮1可以使每个风轮1的叶片13尺寸不必太长，从而降低了叶片13的加工难度，由于叶片13尺寸不必太长从而也使得每个风轮1的叶片13的强度得到增强。叶片13的柱形体对风轮1的一对支撑盘11起到了支撑作用，每个风轮1的叶片13的柱形体又对相邻的风轮1的支撑盘11起支撑作用使整个风轮系统结构得到加强。

进一步的，多个风轮1中每个风轮1的一对支撑盘11的大小均相同。每个风轮1的支撑盘大小均相同使整个风轮系统的每个风轮1的叶片13收起时整个风轮系统呈圆柱体，且上下直径一致，可减少风轮系统在叶片13全部收起后的受风面积。多个风轮1的叶片13数不同。在此基础上，处于转轴2下方的风轮1的叶片13多于处于转轴2上方的风轮1。由于每个风轮1的叶片13合拢后都围成直径相同的圆柱体，使得叶片13多的风轮1的叶片13打开后的旋转半径小于叶片13少的风轮1，进而令整个风轮系统呈上大下小的形态，由于离地越高风力越大，上大下小的风轮系统可以更有效地利用风能，同时由于离地面越近风轮的旋转半径越小，使得靠近风力发电机的土地在一定高度范围内可以得到利用。

进一步的，多个风轮1中每个风轮的叶片13数均为360不为1的约数。叶片13数为360不为1的约数使每个风轮1都能被叶片13等分，从而方便叶片13的加工，也使得风轮1旋转时受力均匀，可延长风轮1的使用寿命

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，包括多个风轮，每个风轮相互平行，还包括一垂直于地面的转轴，所述转轴贯穿每个所述风轮中心，并与每个所述风轮连接，所述转轴垂直于每个所述风轮，其特征在于，每个所述风轮包括一对形状大小相同的叶片支撑盘，所述转轴为圆柱形，所述一对叶片支撑盘为圆环形，所述圆环形内圆与所述转轴匹配，所述一对叶片支撑盘相隔预定距离套在所述转轴上； 

所述一对叶片支撑盘之间设有叶片，所述叶片多于一片，所述叶片为柱形体，所述柱形体包括上下端面和柱面，所述上下端面形状及大小相同，并各自与相邻的所述叶片支撑盘连接，且使所述柱形体与所述一对叶片支撑盘垂直； 

所述叶片支撑盘以多条连接其外圆和内圆的等分线分成与所述叶片数相同个等分，取其中一条等分线称为当前等分线，所述当前等分线与所述叶片支撑盘外圆的交点称为所述当前等分线的外节点，所述叶片支撑盘外圆上所述当前等分线的外节点的逆时针方向的前一个由其他等分线与所述外圆相交形成的外节点称为所述当前等分线的前节点； 

所述柱形体任一端面包括头部和尾部，所述头部为圆形，所述圆形头部直径等于所述叶片支撑盘的外圆半径减去内圆半径之差，所述圆形头部的圆心位于一条所述等分线中点，称一端面圆形头部位于所述当前等分线中点的 柱形体为当前柱形体，该端面为当前端面，称当前柱形体沿叶片支撑盘逆时针方向的第一个所述柱形体为第二柱形体，称当前柱形体沿叶片支撑盘逆时针方向的第二个所述柱形体为第三柱形体，所述当前等分线的外节点通过一条圆弧与所述当前等分线的前节点相连称为外圆弧，做一圆形，使该圆形与所述当前端面的所述圆形头部外切，与所述第二柱形体的与所述当前端面同一平面内的端面的所述圆形头部内切，并与所述第三柱形体的与所述当前端面同一平面内的端面的所述圆形头部外切，以该圆形与所述当前端面的所述圆形头部的切点至所述当前等分线的前节点截取圆弧，称该段圆弧为内圆弧，所述外圆弧与所述内圆弧于所述当前等分线的前节点处相交形成所述当前端面的尾部，所述外圆弧半径与所述叶片支撑盘外圆半径相等，所述外圆弧与所述内圆弧及所述圆形头部自所述当前等分线外节点顺时针至所述内圆弧与所述圆形头部切点处截取的圆弧围成所述当前端面； 

所述任一柱形体上下端面的圆形头部圆心与相邻的所述叶片支撑盘铰接，所述任一柱形体以其所述上下端面的圆形头部的圆心连线为轴枢转； 

所述每个风轮的一对叶片支撑盘与所述转轴连接时处于风轮上部的叶片支撑盘称为上支撑盘，处于风轮下部的叶片支撑盘称为下支撑盘，每两个相邻的所述风轮处于下方的风轮的上支撑盘与处于上方的风轮的下支撑盘贴合。 

2.如权利要求1所述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其特征在于，所述多个风轮中每个风轮的所述一对叶片支撑盘的大小均相同。 

3.如权利要求2所述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其特征在于，所述多个风轮叶片数不同。 

4.如权利要求3所述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其特征在于，处于所述转轴下部的风轮叶片多于处于所述转轴上部的风轮。 

5.如权利要求4所述垂直轴风力发电机多层风轮的风叶结构，其特征在于，所述多个风轮中每个风轮的叶片数均为360不为1的约数。 

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