CN103883467B - 升力型变桨距叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种升力型变桨距叶轮，包括叶轮轴，与叶轮轴转动联接的叶片支架，铰接于叶片支架端部的叶片，以及叶片转动机构；所述叶片转动机构包括与叶轮轴同轴心设置的变桨驱动器，与变桨驱动器固定联接的尾翼，一端设置有与变桨驱动器抵触的转轮的变桨推动杆，套设于变桨推动杆上且一端固定在叶片支架上的弹性复位单元，以及两端分别与变桨推动杆、叶片铰接的变桨连杆。本发明能充分发挥最大做功区域的做功能力，同时通过变桨技术使最小做功区域的做功能力得到根本性的改善；通过该变桨驱动器使叶轮的升力型叶片严格按照设计的叶片桨距角变化规律进行变桨，而与风速大小无关，与风向改变无关，改善效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及叶轮，尤其是用于风力机和海流能发电的升力型变桨距叶轮。
背景技术
目前，升力型立轴风力机叶轮的优点已经被学者公认，具有无需对风偏航系统，对风向适应性更强等优点。但是升力型立轴风力机一直没有像水平轴风力机一样，在大型机组产品化方向有快速发展，原因之一升力型立轴风力机叶轮的气动性能不及水平轴风力机的气动性能。
同样，升力型立轴叶轮也可用于潮流能水轮机，或者微水头水力发电的水轮机，但是这种立轴的水轮机也因不及水平轴水轮机的出力效率高，所以产品化速度较慢。
发明内容
发明目的：提供一种升力型变桨距叶轮，以解决现有技术存在的至少部分问题，提高水轮机或风力机的出力效率，加快其产品化速度。
技术方案：一种升力型变桨距叶轮，包括叶轮轴，还包括与叶轮轴转动联接的叶片支架，铰接于叶片支架端部的叶片，以及叶片转动机构；所述叶片转动机构包括与叶轮轴同轴心设置的变桨驱动器，与变桨驱动器固定联接的尾翼，一端设置有与变桨驱动器抵触的转轮的变桨推动杆，套设于变桨推动杆上且一端固定在叶片支架上的弹性复位单元，以及两端分别与变桨推动杆、叶片铰接的变桨连杆。
所述变桨推动器的推动叶片运动时，叶片的桨距角曲线为θ=asin（β），其中a为常数，θ为叶片变化的桨距角，β为叶片的方位角。所述的叶轮的变桨推动器的外轮廓和与尾翼（11）搭配方式满足条件：不同方位角对应轮廓点与和叶轮转轴（3）中心的距离，减去0°或180°方位角轮廓点距离叶轮轴中心的差值，比上90°或270°方位角轮廓点与转轴中心距离，比值等于sin（方位角），属于正弦曲线变化。
有益效果：本发明能充分发挥最大做功区域的做功能力，同时通过变桨技术使最小做功区域的做功能力得到根本性的改善；通过该变桨装置，使叶轮的升力型叶片严格按照设计的叶片桨距角变化规律进行进行变桨，而与风速大小无关，与风向改变无关，改善效果明显。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
为解决上文所述的技术问题，一般的技术思路是：根据升力型立轴风力机的气动特性，结合水平轴风力机的一些气动运行特点，设计一种变桨距运行的升力型立轴叶轮。其基本原理是：通过改变叶片在旋转过程中的相对角度，从而达到改变叶片气动攻角的目的，在一定程度上增大了叶片的出力。
但是，经发明人创造性地研究发现：这种变桨距的结果是增大了本来就出力较好的部分的气动攻角，而出力较弱的部分仍攻角较弱。因此，本来出力较好的地方因为气动攻角较大，在变桨距过程中继续增大，容易出现失速现象而达不到变桨距的目的，同时由于变桨距在出力较弱的部分变桨距较小，也没有达到改善出力较弱部分叶片的出力效率。总之，现有改善气动性能的变桨距方法改善立轴风力机叶轮性能的效果不佳。
本发明的升力型变桨距叶轮包括叶轮轴3，与叶轮轴转动联接的叶片支架7，铰接于叶片支架端部的叶片1，以及叶片转动机构。
其中，叶片转动机构包括与叶轮轴同轴心设置的变桨驱动器2，与变桨驱动器固定联接的尾翼11，一端设置有与变桨驱动器抵触的转轮10的变桨推动杆9，套设于变桨推动杆上且一端固定在叶片支架上的弹性复位单元8，以及两端分别与变桨推动杆9、叶片1铰接的变桨连杆4。叶片与叶片支架通过叶片轴6铰链连接，并通过变桨轴5与变桨连杆联接。叶片支架、叶片及变桨连杆形成三角形。变桨推动杆与叶片支架同线，并通过复位单元（弹簧）产生向叶轮轴轴心的复位力。
在上述装置中，尾翼11用来定位，在风力的作用下，其始终保持与风向一致，叶片在风升力的作用下，始终沿顺时针（或逆时针）旋转，这样在一个圆周系统内，方向和方位基本确定。定义叶片与尾翼最近时为0°和360°方位，最远时为180°方位，经0°位置旋转经过90°位置为90°方位，经180°方位旋转90°位置为270°方位。这四个为典型方位角β，也是固定不变的方位角β。
定义以叶片固定轴为中心，逆时针旋转为正值。确定叶片旋转角度为180°和0°方位角为0°，在90°方位角的旋转角度为负αmax值，在270°方位角的旋转角度为正αmax值，这里αmax值为叶片翼型的静态失速攻角。θ为叶片变化的桨距角，β为叶片的方位角。那么桨距角θ变化的遵循的曲线为θ=αmaxsin（β）。即以0°方位角为起点，其外延曲线的距离叶轮轴中心的距离，减去0°或180°方位角点的距离，比上变桨推断杆移动最大距离，符合曲线θ=asin（β），其中a为常数，θ为叶片的桨距角，β为叶片的方位角。
在变桨推动器和变桨连杆推动下，叶片在0°方位角和180°方位角时不发生变桨，在90°和270°时变桨角最大。复位弹簧向轴线推动变桨推动器的力，使变桨推动杆一端的小轮始终紧贴变桨驱动器的表面移动。由于变桨驱动器的表面为特制曲面，从而实现了叶片这样变桨随方位角变化的近正弦曲线，与叶片本身气动攻角近余弦曲线，正好形成互补。二者叠加之和使得整个一周范围内，气动攻角都保持在较高水平。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (2)
1.一种升力型变桨距叶轮，包括叶轮轴（3），其特征在于，还包括与叶轮轴转动联接的叶片支架（7），铰接于叶片支架（7）端部的叶片（1），以及叶片转动机构；所述叶片转动机构包括与叶轮轴同轴心设置的变桨驱动器（2），与变桨驱动器固定联接的尾翼（11），一端设置有与变桨驱动器抵触的转轮（10）的变桨推动杆（9），套设于变桨推动杆上且一端固定在叶片支架上的弹性复位单元，以及两端分别与变桨推动杆、叶片铰接的变桨连杆；
所述的叶轮的变桨推动器的外轮廓和与尾翼（11）搭配方式满足条件：不同方位角对应轮廓点与和叶轮转轴（3）中心的距离，减去0°或180°方位角轮廓点距离叶轮轴中心的差值，比上90°或270°方位角轮廓点与转轴中心距离，比值等于sin（方位角）。
2.如权利要求1所述的升力型变桨距叶轮，其特征在于，所述叶片为升力型叶片。
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