CN103603766A - 一种叶片和攻角可变风轮 - Google Patents

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Abstract

风力能源不需要燃料,经济环保,广泛应用在世界各地,随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重,开发新型能源成为各国经济发展的关键,风能发电是目前为止技术比较成熟,历史悠久的发电方式,是具有大规模发展潜力的可再生能源,本发明的目的是提供一种叶片和攻角可变风轮,使现有风轮在低风速启动难效率低功率不稳定以及高风速适应范围小的问题得以解决,本发明一种叶片和攻角可变风轮包括:主叶片,副叶片,叶片连接轴,叶间弹性装置,永磁体,支架,主轴;主叶片和副叶片的一端通过叶片连接轴连接在一起,主叶片和副叶片以叶片连接轴为中心转动,主叶片和/或副叶片活动的一端固定有永磁体,支架一端与主叶片活动连接,副叶片在主叶片向主轴一侧,支架另一端与主轴连接。

Description

—种叶片和攻角可变风轮
技术领域
[0001] 本发明涉及风力能源利用领域,具体是一种叶片和攻角可变风轮。
技术背景
[0002] 风力能源不需要燃料,经济环保,广泛应用在世界各地,随着能源紧缺及化石燃料 对环境污染日趋严重,开发新型能源成为各国经济发展的关键,风能发电是目前为止技术 较为成熟,历史悠久的发电方式,是具有大规模发展潜力的可再生能源,有可能成为重要的 替代能源,风力发电机主要有水平轴风机和垂直轴风机两大类,垂直轴风机的风轮轴与风 向垂直,风轮的转动与风向无关,但是由于其启动风速较高且功率不稳定,其发展并不像水 平轴风力机那么迅速,随着计算科学的飞速发展,垂直轴风力机的优异空气动力性能,尤其 是达里厄风力机,渐渐为世人所认识,近年来广泛受到各国研究人员的关注,垂直轴风机的 效率不断提高,解决在低风速启动难效率低功率不稳定的问题可以极大促进垂直轴风机的 广泛应用,风机的发电效率高低及功率大小关键在于其叶片及风轮的风力性能,有合理的 叶片及风轮设计可以使风机更好地把风能转化为机械能,以及通过电机转化为电能。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种叶片和攻角可变风轮,使现有风轮在低风速启动难效率 低功率不稳定以及高风速适应范围小的问题得以解决。
[0004] (I) 一种叶片和攻角可变风轮,包括:
主叶片,副叶片,叶片连接轴,叶间弹性装置,永磁体,支架,主轴;主叶片和副叶片的一 端通过叶片连接轴连接在一起,主叶片和副叶片以叶片连接轴为中心转动,主叶片和/或 副叶片活动的一端固定有永磁体,支架一端与王叶片活动连接,副叶片在王叶片向王轴一 侦U,支架另一端与主轴连接。
[0005] (2)如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其中,
叶间弹性装置具有拉力和弹力,叶间弹性装置固定安装在主叶片和副叶片上,或安装 在叶片连接轴上并固定作用在主叶片和副叶片上,主叶片和副叶片分开角度限定小于180 度,合并一起形成完整升力型叶片。
[0006] (3)如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其中,
支架一端与王叶片活动连接,连接轴设在王叶片和副叶片合并在一起形成完整升力型 叶片的重心和前缘之间,且设有支架弹性装置,风轮静止时,使主叶片在支架上呈前缘向风 轮外侧,后缘向风轮内侧倾斜的状态,即主叶片呈大攻角状态,可在一定范围摆动。
[0007] (4)如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其中,
永磁体对应位置有配套铁片,永磁体在主叶片和副叶片合并在一起时,永磁体与铁片 相互对应,吸引在一起。
[0008] (5)如(I)至(4)所述一种叶片和攻角可变风轮制作使用方法,静止时主叶片和副 叶片呈分开状态,风轮转速在一设定值的时候合并副叶片,即风轮转速超过这个值,副叶片向主叶片合并一起,风轮转速低于这个值,副叶片与主叶片分开,在副叶片与主叶片分开后 风轮转速有一变化范围,在副叶片与主叶片合并一起后风轮转速也有一变化范围,由叶间 弹性装置,永磁体,风轮转动时的各个离心力和风力来调节实施。
[0009] (6)如(5)所述的一种叶片和攻角可变风轮制作使用方法,其中,设定值的确定为, 在这个设定值风轮因叶片副叶片展开作为阻力型风轮的输出功率与风轮因叶片副叶片合 并作为升力型风轮的输出功率相当。
[0010] 根据上面(I)至(4)所述的主叶片和副叶片为阻力型叶片,呈弧形,凸面光滑,凹 陷的一面可以有加强肋,合并一起成为翼型升力叶片,加强肋以增强抗折弯能力和增加风 涡流阻力。
[0011] 叶间弹性装置可采用扭簧和弹簧,扭簧具有一定的弹力和拉力,安装在主叶片和 副叶片的叶片连接轴上,将扭黃的两脚分别固定在王叶片和副叶片上,使王叶片和副叶片 在一定范围内转动开合,弹簧安装在主叶片和副叶片上,用以克服永磁体的磁力,使不受外 力时叶片的主叶片和副叶片呈张开状态,施加外力使主叶片和副叶片间角度加大时,扭簧 提供拉力,施加外力使主叶片和副叶片间角度减少时,扭簧和弹簧提供弹力;可以直接用具 有弹性和拉力的弹簧,两端固定在主叶片和副叶片上,可以达到同样的目的,可以多种弹簧 结合同时使用,比如一组弹簧提供拉力,另一组弹簧提供弹力,可以采用橡胶等弹性材料的 装置,主叶片和副叶片的叶片连接轴也可以换用柔性材料直接连接,需要注意材料的耐久 使用性能,因主叶片在结构中起支持作用,受作用力比副叶片大,作用时间长,设计主叶片 在整个叶片厚度中占有较大部分以增强结构强度。
[0012] 永磁体可选择固定在主叶片活动端上,相互对应的副叶片位置固定有铁片,永磁 体吸引铁片使主叶片和副叶片合并在一起,在这里永磁体的作用是与前面的叶间弹性装 置配合,构成一个弹力组合,使主叶片和副叶片在不同范围活动,主叶片活动端可设多个凸 起,比如小圆柱,对应的副叶片位置设圆孔,当主叶片和副叶片合并在一起,小圆柱插在圆 孔中,限定主叶片和副叶片的位置,结构结实,凸凹可以任意设置在主叶片和副叶片上,也 可以在永磁体与铁片处设凸凹。
[0013] 根据上面(5)所述的风轮,其主轴可与电机相连,各支架均匀角度连接在主轴和叶 片主叶片之间,副叶片在支架和主叶片连接一侧,支架连接在叶片的上下两端或上下两端 之间各位置,在之间的情况下,需在副叶片上开槽口,支架从中穿过,静止状态时,扭簧和弹 簧克服永磁体的吸引力使叶片的副叶片与主叶片呈张开的V形状态,风轮为阻力型风轮, 有风吹到叶片的主叶片和副叶片开口端方向,叶片的副叶片远离主叶片,扭簧呈拉力状态, 在主叶片和副叶片开口端背风时,叶片的副叶片靠近主叶片,扭簧呈弹力状态,这时候主叶 片的永磁体因为距离副叶片的铁片较远,吸引力小,随着转速的提高,在离心力和风压的作 用下,当副叶片靠近主叶片到一定距离,离心力,永磁体吸引力和风压的力量克服主叶片和 副叶片间扭簧和弹簧的弹力合并一起,以升力型风轮工作,
根据上面(5)和(6)所述的风轮制作使用方法,小风力时,风轮以阻力型风机工作,当 风力增大,风轮转速增加,风轮仍以阻力型风机工作,直到一个设定值,主叶片和副叶片间 扭簧和弹簧的力量被永磁体的吸引力,叶片离心力及风力克服而使主叶片和副叶片合并, 此时风轮开始以升力型风机工作,可随风力继续增大而增加转速,设定值的确定为,在这个 设定值风轮因叶片副叶片展开作为阻力型风机的输出功率与风轮因叶片副叶片合并作为升力型风轮的输出功率相当,即风轮转速低于这个设定值,如果风轮仍然以升力型风轮工 作,其功率及效率会低于其以阻力型风轮工作状态,同样道理风轮转速高于这个设定值,如 果风轮仍然以阻力型风轮工作,其功率及效率会低于其以升力型风轮工作状态,所以必须 在这个设定值变换叶片开合状态。
[0014] 王叶片和副叶片合并一起后,叶片的重心会比王叶片和副叶片打开的时候向叶 片后缘移动,而支架与主叶片的连接处在此重心前靠近叶片前缘部分,随着风轮以升力型 风轮转动,转速提高,离心力克服支架弹性装置的力量使叶片后缘向外移动,叶片的攻角变 小,利于叶片转速的提高,同时因为支架与主叶片的活动连接,当叶片在风轮的迎风侧和背 风侧等不同位置时,受风力影响而摆动,比如在迎风侧攻角比较大,在背风侧攻角比较小, 进一步提高风轮的风动性能,当转速太高时,因为叶片离心力可使叶片攻角减少,甚至变成 负攻角而减少叶片转速,保护整个装置。
[0015] 用这种方法工作的风轮可以最大限度地利用风能,与多种以S型阻力叶片加升力 叶片的风轮比较,不增加风轮尺寸,没有阻力叶片与升力叶片的干扰,与用电力启动的升力 风轮比较,没有多加电子系统,不消耗额外电力,简单可靠,适应范围广,可以作为直接驱动 力或带动发电机,叶片两端可加端片减少叶片两端扰流,本领域技术人员所知的简单各种 风轮原理在此不再重复说明。
附图说明
[0016] 图1为本发明一种叶片和攻角可变风轮叶片结构实施例图;
图2为本发明一种叶片和攻角可变风轮叶片合并实施例图;
图3为本发明一种叶片和攻角可变风轮受风变攻角实施例图;
图4为本发明一种叶片和攻角可变风轮顶视实施例图。
[0017] 图中I为主叶片,2为副叶片,3为叶片连接轴,4为扭簧,5为永磁体,6为铁片,7 为弹簧,8为支架,9为主轴,10为支架与叶片连接轴,11为挡柱。
具体实施方式
[0018] 参见图1-4,本发明利用简单的结构变化,使风轮在阻力型和升力型之间转化,攻 角可变,提闻风能利用率。
[0019] 下面结合实施例附图对本发明实施例进行描述,显然所描述的实施例仅仅是本发 明的一部分实施例,而不是全部的实施例,本领域技术人员根据本发明在不脱离本发明权 利要求书规定的范围内的各种变更和修改,都属于本发明保护范围。
[0020] 图1是本发明一种叶片和攻角可变风轮的叶片结构实施例图,图中I为主叶片, 2为副叶片,3为叶片连接轴,4为扭簧,5为永磁体,6为铁片,7为弹簧,10为支架与叶片连 接轴,11为挡柱,其中主叶片,副叶片可以用铝板或玻璃钢等质量轻耐腐蚀而坚固的材料制 作,主叶片和副叶片的凸面光滑,凹面设置加强肋板,加强肋板兼有制造风涡流增加阻力的 作用,扭簧穿在连接轴上,扭簧两端连接在主叶片和副叶片上,在弹簧的辅助下,使其张力 略大于永磁体的吸引力,使主叶片和副叶片在没有外力静止的时候呈张开状态,除了使用 扭簧外,可以分别使用弹簧和拉簧,固定在主叶片和/或副叶片的各个位置,以起到同样的 作用,在本例图中不再显示,当受风力作用叶片慢速转动时,副叶片远离主叶片,随叶片转动速度增加,离心力使副叶片靠向主叶片,并被永磁体吸引铁片而与主叶片合并一起转动。
[0021] 图2为本发明一种叶片和攻角可变风轮主叶片和副叶片合并例图,图中I为主叶 片,2为副叶片,3为叶片连接轴,图中为永磁体吸引力和外力共同作用,克服扭簧和弹簧的 弹力而合并一起的状态。
[0022] 图3为本发明一种叶片和攻角可变风轮受风变攻角说明例图,图中I为主叶片,2 为副叶片,3为叶片连接轴,8为支架,9为主轴,10为支架与叶片连接轴,此为副叶片与主 叶片合并在一起后,在风力作用下叶片在迎风位置,叶片的后缘向风轮靠近,形成大攻角, 在背风侧叶片的后缘向风轮外侧移动,攻角减少,此图只供说明其原理,详细受力分析专业 人员可以知道,风轮的支架叶片数量可根据情况设置。
[0023] 图4为本发明一种叶片和攻角可变风轮顶视图,图中I为王叶片,2为副叶片,3为 叶片连接轴,8为支架,9为主轴,10为支架与叶片连接轴,11为挡柱,支架与叶片主叶片的 上端和下端连接,内有扭簧,拉簧等作用在支架和主叶片上,设置简单不再图示,使主叶片 后缘拉向风轮内侧,主叶片呈大攻角状态,加力可以摆动,有挡柱限定摆动幅度,副叶片可 在主叶片向支架侧开合,叶片在上下两端可设置端片,减少叶片运动时的空气乱流,为避免 遮挡方便说明,在此没有图示,静止状态时,叶片的副叶片与主叶片是分开的,叶片开口在 迎风时张大角度,在背风时缩小角度,在低风速时,各张开的叶片使整个风轮以阻力型风轮 运动工作,永磁体因为距离较远不发挥作用,随着风速提高,转速也提高,叶片的副叶片在 不断增加的离心力,风力作用下,副叶片与主叶片之间角度减少,不断向主叶片靠近,当达 到一设定值时,副叶片在离心力,风力及因靠近主叶片而被永磁体不断增加的吸引力作用 下,与主叶片合并一起形成完整的升力型叶片,此时风轮已经具备足够启动转速,达到一定 叶尖速比,而发挥出升力型风轮的优势,随着风力增加,叶片转速的提高,叶片的攻角由大 变小,并且随着位置变化攻角,利用风能高效率转动,反之,当风速下降,转速随之下降,离 心力减少,叶片攻角增大,有利于风力的捕获,如果风力进一步减少,到一设定值时,永磁体 的吸引力和叶片离心力不足以支持吸引副叶片合并在主叶片,副叶片在扭簧和弹簧作用下 会张开而使风轮以阻力型转动,继续高效率地发挥作用,设定值可以通过调节副叶片的质 量,扭簧和弹簧的拉力或弹力,永磁体的吸引力,根据叶片的翼型,叶片攻角,风机安装地的 风力条件等实现,使在这个设定值风轮因叶片副叶片展开作为阻力型风轮的输出功率与风 轮因叶片副叶片合并作为升力型风轮的输出功率相当,主叶片与支架间的摆动由设在主叶 片和支架间扭簧的力量,叶片重量,支架与叶片连接处的位置等确定,挡柱限定叶片摆动最 大位置。

Claims (6)

1.一种叶片和攻角可变风轮,其特征在于,包括:主叶片,副叶片,叶片连接轴,叶间弹性装置,永磁体,支架,主轴;主叶片和副叶片的一端通过叶片连接轴连接在一起,主叶片和副叶片以叶片连接轴为中心转动,主叶片和/或副叶片活动的一端固定有永磁体,支架一端与王叶片活动连接,副叶片在王叶片向王轴一侦U,支架另一端与主轴连接。
2.如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其特征在于,其中,叶间弹性装置具有拉力和弹力。
3.如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其特征在于,其中,支架一端与王叶片活动连接,连接轴设在王叶片和副叶片合并在一起形成完整升力型叶片的重心和前缘之间,且设有支架弹性装置,风轮静止时,使主叶片在支架上呈前缘向风轮外侧,后缘向风轮内侧倾斜的状态,即主叶片呈大攻角状态,可在一定范围摆动。
4.如(I)所述的一种叶片和攻角可变风轮,其特征在于,其中,永磁体对应位置有配套铁片,永磁体在主叶片和副叶片合并在一起时,永磁体与铁片相互对应,吸引在一起。
5.如(I)至(4)所述一种叶片和攻角可变风轮制作使用方法,其特征在于,使风轮转速在一设定值的时候打开副叶片,即风轮转速超过这个值,副叶片向主叶片合并一起,风轮转速低于这个值,副叶片与主叶片分开,在副叶片与主叶片分开后风轮转速有一变化范围,在副叶片与主叶片合并一起后风轮转速也有一变化范围,由弹性装置,永磁体和风轮转动时的各个力来调节实施。
6.如(5)所述的风轮制作使用方法,其特征在于,其中,设定值的确定为,在这个设定值风轮因叶片副叶片展开作为阻力型风轮的输出功率与风轮因叶片副叶 片合并作为升力型风轮的输出功率相当。
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