CN104481799A - 一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，包括主轴、轴承座、第一大带轮、第一小带轮、长皮带、第二大带轮、挡板、第二小带轮、短皮带、第一叶片、第二叶片、第三叶片和第四叶片；该叶轮叶片在绕轴旋转的同时，也可以有规律的自转来改变叶片的位置，使得风机有较好的自启动性与发电效率。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮。
背景技术
能源是人类社会发展进步的动力和保障。近年来，随着全球经济的高速发展，煤炭，石油，天然气等常规能源被快速，大量的消耗，这让人类不仅面对资源日趋枯竭的压力，同时受到了环境不断恶化的威胁。能源和环保已成为当今人类生存和发展急需解决的紧迫问题。风电作为一种清洁环保的新能源，既不消耗有限的煤炭资源，也不会消耗宝贵的地下风资源，更有利于国民经济的可持续发展，在全国各地区大力发展适合具体地区特点的高效可靠的风力发电设备是大有前途的。要实现风力发电的产业化、实用化，要求有高效能的风机产品，能够最大限度的利用风能，这就要求我们研究风力机的性能，提高风机对风能的最大捕获，产生高效率能量转化。
目前，风力发电的主要形式是通过风机装置将风能转化为电能，因此设计一种高效、可靠的风机是风能利用的关键技术。风机的造型既要考虑结构也要考虑重量等其它因素。当前风机形式主要有风平轴风机和垂直轴风机两种，叶轮轴线与风向的相对位置平行的为风平轴式叶轮(HAWT)，叶轮轴线与风向的相对位置垂直的为垂直轴式叶轮(VAWT)。
同水平轴风电机组相比，垂直轴风电机组具有以下优势：
(1)垂直轴式叶轮轴线与来流方向垂直，可以捕获任何方向的风能，结构简单，很适合小型化独立发电。
(2)垂直轴风机安装和维护简单，制造工艺简单，造价低，经济性强。
(3)垂直轴风机对叶片结构及其强度要求低。
(4)垂直轴式叶轮能够在复杂紊流下有效工作，因此更适合于应用在复杂地形的小型风力发电场所，如偏远地区的农村。
(5)垂直轴叶轮叶片的尖速比风平轴叶轮的小，这样低转速下气动噪声很小，甚至可以达到静音的效果，有利于环保。
目前常见的垂直轴叶轮主要有升力型垂直轴叶轮和阻力型垂直轴叶轮。升力型的主要代表是Darrieus叶轮，阻力型的主要代表是Savonius叶轮。
在公开号为US1835018 A的发明创造中，公开了一种Darrieus风力叶轮。该叶轮结构简单、升力系数高，但启动性能较差，尤其在低风速下很难启动。
在公开号为US1766765 A的发明创造中，公开了一种Savonius风力叶轮。该叶轮启动性能好，具有很大的风速利用范围，但随着转子的旋转，其转矩由高到低的变化幅度很大，甚至会下降到接近零的程度，因此具有较低的总效率。
同时，田文龙在《机械工程学报》2013年18期的《一种新型垂直轴式风机叶轮的数值仿真》的一文中公开了一种活动叶片型垂直轴风机叶轮，叶轮上安装多个直板型活动叶片,叶片在绕安装轴公转的同时绕自身安装轴自转，但该叶轮的总效率还是较低。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的自启动性差，总效率低的不足，本发明提出一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮。
技术方案
一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于包括主轴、轴承座、第一大带轮、第一小带轮、长皮带、第二大带轮、挡板、第二小带轮、短皮带、第一叶片、第二叶片、第三叶片和第四叶片；挡板为十字型薄板，通过其中心的圆孔固定在主轴上，第一叶片通过在其伸出轴所在的长边上的2个矩形孔中安装轴承及轴承座固连在十字型挡板上的一个边上，第一叶片的边缘端面与挡板边缘端面对齐，第三叶片与第一叶片成90°且关于主轴中心线轴对称安装在十字型挡板的另一个边上；第二叶片通过在其一长边上的2个矩形孔中安装轴承及轴承座固连在十字型挡板上的一个边上，第一叶片的边缘端面与挡板边缘端面对齐，第四叶片与第二叶片成90°且关于主轴中心线轴对称安装在十字型挡板的另一个边上；第一叶片的伸出轴上固连第二大带轮，第三叶片的伸出轴上固连第一大带轮，长皮带连接第一大带轮和第二大带轮；第二叶片的伸出轴上固连第一小带轮，第四叶片的伸出轴上固连第二小带轮，短皮带连接第一小带轮和第二小带轮。
所述的主轴为圆柱状。
所述的第一叶片、第二叶片、第三叶片、叶片均为矩形薄板，其长边与宽边长度比为2：1。
所述的第一大带轮与第二大带轮尺寸结构一致，第一小带轮与第二小带轮结构尺寸一致，且大带轮直径比小带轮大四分之一。
第二大带轮的中心距伸出轴端面为0.5倍大带轮半径。
第一叶片的伸出轴的直径为第一叶片厚度的0.75倍。
两矩形孔的中心位置到叶片宽边的距离为叶片长度的四分之一和四分之三。
有益效果
本发明提出的一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，该叶轮叶片在绕轴旋转的同时，也可以有规律的自转来改变叶片的位置，使得风机有较好的自启动性与发电效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2叶片示意图
图3挡板示意图
图4是本发明的工作原理图
1-主轴；2-轴承座；3第一大带轮；4-第一小带轮；5-长皮带；6-第二大带轮；7-挡板；8-第二小带轮；9-短皮带；10-第一叶片；11-第二叶片；12-第三叶片；13-第四叶片
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种带轮传动的垂直轴风机叶轮，主要由主轴1、轴承座2、第一大带轮3、第一小带轮4、长皮带5、第二大带轮6、挡板7、第二小带轮8、短皮带9、第一叶片10、第二叶片11、第三叶片12、第四叶片13组成。
主轴1为圆柱状，可绕自身轴线自由旋转，挡板5是一块十字型薄板，几何中心处有一圆孔。十字型薄板与主轴1固连，且与地面保持平行。
第一叶片10、第二叶片11、第三叶片12、叶片13均为矩形薄板，其长边与宽边长度比为2：1。四个叶片结构尺寸均一致。在叶片的一个长边上伸出一根细轴，细轴的直径为叶片厚度的0.75倍，叶片伸出轴的一侧挖有两个矩形孔，两矩形孔的中心位置到叶片宽边的距离为叶片长度的四分之一和四分之三。第一叶片10沿十字型挡板一边放置，留出安放轴承的距离为伸出轴半径长，叶片长边平行于十字型挡板的长边，并保证第一叶片10垂直于挡板。第一叶片10的边缘端面与挡板边缘端面对齐。第三叶片12与第一叶片放置方式相似，且第一叶片10与第三叶片13位置关于主轴中心线轴对称，并且第三叶片平行于挡板，同时第三叶片倾倒的方向朝挡板面积大的一侧。
与第三叶片12，第一叶片10安装方式一样，第二叶片11和第四叶片13位置也关于主轴中心轴轴对称，并互成90°安装。四个叶片伸出轴处所靠近的挡板长边互不相邻。
四个叶片通过在矩形孔中安装轴承及轴承座2固连在十字型挡板上。图1第一大带轮3与第二大带轮6尺寸结构一致，第一小带轮4与第二小带轮8结构尺寸一致，且大带轮直径比小带轮大四分之一，第一叶片10的伸出轴上固连安装第二大带轮6，第二大带轮6的中心距伸出轴端面为0.5倍大带轮半径。第三叶片12的伸出轴上固连安装第一大带轮3，使第二大带轮6与第一大带轮3的外平面对齐，并安装长皮带5。第二叶片11与第四叶片13上固连的第一小带轮4和第二小带轮8，与短皮带9安装方法同上，且两条皮带之间没有接触。
如图4所示，叶轮在风力的作用下沿顺时针方向转动。在第一叶片10由B点经A点转向D点的过程中，第一叶片10迎风的一侧受风阻力作用，该阻力使得第一叶片10有向后倾倒的趋势，但是由于此时第三叶片12已经贴合在挡板7上，限制了第一叶片10的倾倒，使得第一叶片10保持直立状态，产生绕主轴1的顺时针力矩，带动主轴1顺时针绕中心轴转动。
当叶轮进一步旋转，即第一叶片10由D点经C点转向B点的过程中，第一叶片10原来背风的侧面变为迎风面并受风阻力作用，该阻力使得第一叶片9向后倾倒，此时第一叶片10的伸出轴带动第二大带轮6逆时针转动，第二大带轮6带动长皮带5逆时针转动，长皮带5带动第一大带轮3逆时针转动，最终第三叶片12直立起来。在第一叶片10由D点经C点转向B点的过程中，第一叶片10与风向保持平行，阻力较小；而第三叶片12则相应的由B点经A点转向D点，在该过程中，第三叶片12保持直立，产生的驱动扭矩较大。
第二叶片11和第四叶片13的运动关系与第一叶片10和第三叶片12的运动关系相同，即主轴每转过180°，通过小带轮副的传动第二叶片11和第四叶片13的姿态都会产生一次交替变换。
在来流冲击的作用下，两对互成90度的叶片交替直立与倾倒。在来流方向，直立叶片受冲击作用推动主轴旋转，而另一侧倾倒叶片在十字形挡板作用下，保持连接两叶片的短轴固定不转动。当主轴转过180度时，直立叶片的背风面朝向来流方向，风力作用下，经带轮传动，直立叶片与倾倒叶片互换姿态，并重复上述过程。这样在顺流方向叶片受力面积达到最大，在逆流方向叶片受力面积达到最小，从而产生推动主轴转动的力矩，通过转换装置，将动量转化为电能。装置结构简单紧凑，所占空间小，易于启动，大大地提高了叶轮的效率。
Claims (7)
1.一种基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于包括主轴(1)、轴承座(2)、第一大带轮(3)、第一小带轮(4)、长皮带(5)、第二大带轮(6)、挡板(7)、第二小带轮(8)、短皮带(9)、第一叶片(10)、第二叶片(11)、第三叶片(12)和第四叶片(13)；挡板(7)为十字型薄板，通过其中心的圆孔固定在主轴(1)上，第一叶片(10)通过在其伸出轴所在的长边上的2个矩形孔中安装轴承及轴承座(2)固连在十字型挡板(7)上的一个边上，第一叶片(10)的边缘端面与挡板(7)边缘端面对齐，第三叶片(12)与第一叶片(10)成90°且关于主轴(1)中心线轴对称安装在十字型挡板(7)的另一个边上；第二叶片(11)通过在其一长边上的2个矩形孔中安装轴承及轴承座(2)固连在十字型挡板(7)上的一个边上，第一叶片(10)的边缘端面与挡板(7)边缘端面对齐，第四叶片(13)与第二叶片(11)成90°且关于主轴(1)中心线轴对称安装在十字型挡板(7)的另一个边上；第一叶片(10)的伸出轴上固连第二大带轮(6)，第三叶片(12)的伸出轴上固连第一大带轮(3)，长皮带(5)连接第一大带轮(3)和第二大带轮(6)；第二叶片(11)的伸出轴上固连第一小带轮(4)，第四叶片(12)的伸出轴上固连第二小带轮(8)，短皮带(9)连接第一小带轮(4)和第二小带轮(8)。
2.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的主轴(1)为圆柱状。
3.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的第一叶片(10)、第二叶片(11)、第三叶片(12)、叶片(13)均为矩形薄板，其长边与宽边长度比为2：1。
4.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的第一大带轮(3)与第二大带轮(6)尺寸结构一致，第一小带轮(4)与第二小带轮(8)结构尺寸一致，且大带轮直径比小带轮大四分之一。
5.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于第二大带轮(6)的中心距伸出轴端面为0.5倍大带轮半径。
6.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于第一叶片(10)的伸出轴的直径为第一叶片(10)厚度的0.75倍。
7.根据权利要求1所述的基于带轮传动的垂直轴风机叶轮，其特征在于两矩形孔的中心位置到叶片宽边的距离为叶片长度的四分之一和四分之三。
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