CN102536641A

CN102536641A - 一种高效导流式垂直轴风机

Info

Publication number: CN102536641A
Application number: CN2012100302731A
Authority: CN
Inventors: 潘永地; 史文海
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种高效导流式垂直轴风机，包括垂直轴风轮，垂直轴风轮外围设置有随风向自动转换方向的导流装置，所述的导流装置为风轮的迎风向两侧设有两弧形或S形迎风导流叶片，且该两迎风导流叶片方向相反地设置在风轮的两侧；还包括中央尾舵，中央尾舵与两迎风导流叶片连接固定在一起，中央尾舵位于风轮背风侧。本发明的有益效果：减少风轮转动的阻力，大大提高风对风轮的推动力；有效避免屏蔽式垂直轴风机中风轮转动时气流在屏蔽一侧的阻塞效应；本发明在将更多的风能用于推动风轮转动的同时，有效地减少了风力对风机的阻力；同时，导流装置能自动调整对准风向，从而较大幅度地提高风能的利用率。

Description

一种高效导流式垂直轴风机

技术领域

本发明涉及一种导流式垂直轴风机，特别涉及一种高效导流式垂直轴风机。

背景技术

目前风力发电的风机有水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风力发电机组机仓需360°旋转，以达到迎风目的，风向调节过程中需要包含有旋转机构、风向检测、角位移发送和角位移跟踪等系统的参与。水平轴风力发电机风轮的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”。研究表明，若风向偏离40°，则水平轴风力发电机的能量利用率系数将下降约50％。垂直轴风力发电机不须要迎风调节系统，可以接受360°方位中任何方向来风，风机的风轮永远向设计方向转动。与水平轴风机相比，垂直轴风机因具有发电效率高、抗疲劳寿命长、维修方便、投资成本低等诸多优点，目前，在世界风电领域是大型风机技术发展的重要方向。

本发明针对上述技术背景，在风轮的外围设计能够根据风向自动调整方向的不对称导流装置，再针对被导流装置改变了的流场设计出阻力型和升力型相结合的风轮叶片，增加风机的风能利用率。

发明内容

针对现有垂直轴风机的缺点，本发明提供一种新型的高效导流式垂直轴风机。

为了实现上述目的，本发明所采取的措施：

一种高效导流式垂直轴风机，包括垂直轴风轮，垂直轴风轮外围设置有随风向自动转换方向的导流装置，所述的导流装置为风轮的迎风侧设有两弧形或S形迎风导流叶片，且该两迎风导流叶片方向相反地设置在风轮迎风向前方；还包括中央尾舵，中央尾舵与两迎风导流叶片连接固定在一起，中央尾舵位于背风侧。

进一步说，中央尾舵两侧设有背风侧面舵。

更进一步说，背风侧面舵设置在风轮的上方。

更进一步说，中央尾舵、两迎风导流叶片固定在上下两圆环上，组成一体化结构。

更进一步说，风轮与导流装置共轴心，且风轮与导流装置转动相互独立。

更进一步说，还包括上下两轨道，上下两圆环分别与上下两轨道滑动配合，且上下两圆环之间通过固定条固定。

更进一步说，上下两轨道通过至少三根立柱或至少三座金属支撑架支撑。

本发明的有益效果：减少风轮转动的阻力，大大提高风对风轮的推动力；有效避免屏蔽式垂直轴风机中风轮转动时气流在屏蔽一侧的阻塞效应；本发明在将更多的风能转化为推动风轮转动动力的同时，有效地减少了风力对风机转动形成的阻力；同时，导流装置能根据风向自动调整对准风向，从而较大幅度地提高风能的利用率。

附图说明

图1、高效导流式垂直轴风机的俯视图。

具体实施方式

一种高效导流式垂直轴风机，如图1所示，包括不对称迎风导流装置、风轮装置、随风向自动转换方向机构装置，所述风轮由垂直轴风轮6、风轮叶片10构成，圆环5内侧设置有垂直轴风轮6，圆环5与垂直轴风轮6设置为同一转轴中心，并通过轴承连接在垂直轴风轮6的中央主轴上；圆环5上设置有3至9个风轮叶片10，风轮叶片10为阻力、升力混合型叶片结构；圆环5前端一侧通过第一迎风导风支架2设置有第一迎风导风叶片1，圆环5前端另一侧通过第二迎风导风支架7设置有第二迎风导风叶片8，第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8为形状不对称结构并构成形状不对称的导流装置，同时，第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8的水平截面分别采用弧形(或S形和反S形)结构；圆环5背风端中间位置通过两固定条12设置有中央尾舵3，中央尾舵3两侧均设置有背风侧面舵4，中央尾舵3与其两侧设置的风侧面舵4构成随风向自动转换方向机构装置；不对称迎风导流装置与随风向自动转换方向机构装置构成不对称自动导流装置；随风向自动转换方向机构装置的中央尾舵3结构在垂直方向上结构较长，其两侧设置的背风侧面舵4在水平方向上结构较短；同时，中央尾舵3设置于风轮稳定工作状态时的背风方，两侧的背风侧面舵4在垂直方向上可以安装在风轮的上方。高效导流式垂直轴风机稳定工作状态时，第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8所受力成轴对称；中央尾舵3与其两侧设置的背风侧面舵4所受合力成轴对称，此外，不对称迎风导流装置仅对来风气流产生导引，不对经过风轮装置后的气流产生阻塞。

以风轮设计为顺时针转动方式为例，并称顺时针方向转动为正转动，反之为反转动，相应的使风轮顺时针方向转动的力称为正推力，反之为反推力或阻力。如图1所示，来风方向13为北，东侧(右侧)为推动风轮转动的动力侧，西侧(左侧)为阻力侧。背风侧面舵4可以设计在风轮的上方，避免对过风轮后的气流产生阻塞。第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8设置在风轮前方的迎风面，中央尾舵3在风轮的后方(相对于风向来说)。不对称导流装置在稳定时，其力对称轴与风向一致，且开口朝向迎风方向。当风向向东变动时，风向与迎风导流叶片(1、8)、中央尾舵3、背风侧面舵4原受力对称轴产生偏差，风力对中央尾舵3、背风侧面舵4形成的正推力大于风力对第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8产生的反推力，推动不对称导流装置正向转动，重新与风向保持一致，使迎风导风叶片开口正对向迎风方向。当风向向西变动时，风向与迎风导流叶片(1、8)、中央尾舵3、背风侧面舵4原受力对称轴产生偏差，风力对中央尾舵3、背风侧面舵4产生的反推力大于风力对第一迎风导风叶片1与第二迎风导风叶片8产生的正推力，推动不对称导流装置反向转动，重新与风向保持一致，使迎风导风叶片开口正对向迎风方向。

此外，如图1所示，来风方向13为北时，东侧(右侧)为推动风轮转动的动力侧，西侧(左侧)为阻力侧；不对称导流装置在风力作用下，开口自动朝向迎风方向。第一迎风导风叶片1对阻力侧风轮前方第一区域15的风进行导流，改变了该区域内风的运行方向，在第一迎风导流叶片1的作用下，被改变方向的气流与风轮叶片成尽可能接近垂直的夹角，对风轮叶片产生最大的推力。第二迎风导流叶片8对动力侧风轮前方第三区域17的风进行积聚，引导到风轮前方，对风轮叶片产生推力。气流在弧形或S型第一迎风导流叶片1、弧形或反S型第二迎风导流叶片8的导引下，第一区域15、第二区域16和第三区域17引进的风不会互相冲突，抵消风力少，这样，在第一区域15、第二区域16和第三区域17的风力都被引导到风轮动力侧的正前方，共同作用到风轮叶片10上并推动风轮的转动；这与不加导流装置的垂直轴风机相比，增加了在第一区域15、第二区域16风力对风轮的正推动，避免了第一区域15风力对风轮阻力侧产生反推动而形成阻力。在风机叶片10设计方面，风机叶片10采用阻力型与升力型混合的形状设计，风轮叶片的迎风面为平面，也可在迎风向表面上设有小凹槽来增加气流的停滞时间，从而增加推力。风轮叶片10在正对来风方向13时(图1中为正北方)，风力对风轮叶片10产生正压力，推动风轮转动；风轮叶片10在侧面时气流经过风轮叶片两侧形成的速度差产生升力，推动风轮往正方向转动。风轮叶片前头为流线形设计，可以尽量减少风轮转动过程中空气的阻力。同时，由于阻力侧的风力被引导到动力侧，阻力侧风力不产生对风轮的反向推力，阻力侧的外围没有屏蔽式垂直轴风机中所具有的屏蔽装置，不会对气流产生阻塞作用，从而减少风轮正向转动时的阻力。所以，本发明具有增加气流利用量，增加风轮推动力，减少风轮阻力的特点，能够较大幅度地提高风能利用率。对于设计为逆时针转动的方式，原理与上述相同。

本发明的具体实施方式有三种：实施方式一：如图1所示，适合于比较小型的风机建造；第一迎风导风叶片1、第二迎风导风叶片8、中央尾舵3、背风侧面舵4设置在圆环5上，并通过轴承连接在垂直轴风机6的中央主轴上。实施方式二：对于规模中等的风机建造，可以在风轮装置的外围用三根立柱14建成导流装置的支撑结构，在三根立柱14的上端和下端设圆环的导轨，圆环与导轨间由多个滑轮连接，使导流装置能够在风力的作用下沿导轨自动转向并使导流片对准迎风方向；同时，风轮的主轴上端通过连接固定在三根立柱14上，以增加风轮的抗风强度。实施方式三：对于较大规模的单机要求，可以在风轮装置外设三座具有一定曲度的三角塔架作为导流装置和风轮装置的支撑，在三座三角塔架的上方和下方设圆环的导轨，圆环与导轨间由多个滑轮连接，使导流装置能够在风力的作用下沿导轨自动转向并使导流片对准迎风方向；风轮装置的主轴上端通过连接固定在三座三角塔架的连接点上，以增加风轮的抗风强度；背风侧面舵4可以考虑设置在风轮的上方以避免对过风轮后的气流形成堵塞，增加风轮动力。

Claims

1.一种高效导流式垂直轴风机，包括垂直轴风轮，其特征在于，垂直轴风轮外围设置有随风向自动转换方向的导流装置，所述的导流装置为风轮的迎风侧设有两弧形或S形迎风导流叶片，且该两迎风导流叶片方向相反地设置在风轮迎风向前方的两侧；还包括中央尾舵，中央尾舵与两迎风导流叶片连接固定在一起，中央尾舵位于背风侧。

2.如权利要求1所述高效导流式垂直轴风机，其特征在于，中央尾舵两侧设有背风侧面舵。

3.如权利要求2所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，背风侧面舵设置在风轮的上方。

4.如权利要求1，2或3所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，中央尾舵、两迎风导流叶片固定在上下两圆环上，组成一体化结构。

5.如权利要求1所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，风轮与导流装置共轴心，且风轮与导流装置转动相互独立。

6.如权利要求4所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，风轮与导流装置共轴心，且风轮与导流装置转动相互独立。

7.如权利要求6所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，还包括上下两轨道，上下两圆环分别与上下两轨道滑动配合，且上下两圆环之间通过固定条固定。

8.如权利要求7所述的高效导流式垂直轴风机，其特征在于，上下两轨道通过至少三根立柱或至少三座金属支撑架支撑。