CN104595105A - 一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮 - Google Patents

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丁文俊
毛昭勇
宋保维
田文龙
郭奋
张鹏
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Abstract

本发明涉及一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，主要由支撑机架、捕能机构、展开及回收机构和传动机构组成。利用叶轮的转动将风能转换为叶轮的转动动能，再通过发电装置将风机叶轮捕获的动能转换为电能。本发明由于弧形捕能叶片能够在迎风面充分展开，在逆风面完全贴合也叶轮表面，所以捕能效率比较高，拥有巨大的应用前景。

Description

一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮。
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。Darrieus风力叶轮的结构简单、升力系数高，但启动性能较差，尤其在低风速下很难启动。Savonius风力叶轮的启动性能好，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
在公开号为US1835018A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US1766765A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。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有技术中升力型垂直轴叶轮自启动难和阻力型垂直轴叶轮能量捕获效率低的问题，本发明提出了一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮。
技术方案
一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于包括多个弧形捕能叶片、叶轮、叶轮支撑杆、偏心支撑杆、偏心杆、多个第一连杆、多个第二连杆、销轴、第一带轮、同步带和第二带轮；叶轮安装在叶轮支撑杆上，叶轮支撑杆与叶轮同心轴，叶轮上均布有通孔，第一连杆的一端穿过通孔通过圆柱销连接弧形捕能叶片，第一连杆的另一端连接第二连杆，第二连杆的另一端与偏心杆上的销轴同心固定，偏心杆与偏心支撑杆通过轴承连接；第一带轮通过键固定安装在偏心杆上，第二带轮通过键固定安装在叶轮支撑杆上，第一带轮与第二带轮通过同步带连接。
所述的弧形捕能叶片、第一连杆、第二连杆均为六个。
所述的弧形捕能叶片内侧有滑动槽。
所述的第一连杆的长度必须大于等于叶轮支撑杆和偏心杆的轴线距离。
所述的第一带轮与第二带轮半径一样。
有益效果
本发明提出的一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，在风作用下，流体动力作用在展开的弧形捕能叶片上，推动叶轮绕叶轮支撑杆转动，叶轮支撑杆的转动通过传递机构件转速同步传递到偏心杆上，使得偏心杆与叶轮同步同速自转，偏心杆的自转带动展开及回收机构在逆风面回收、在迎风面展开弧形捕能叶片。利用叶轮的转动将风能转换为叶轮的转动动能，再通过发电装置将风机叶轮捕获的动能转换为电能。本发明由于弧形捕能叶片能够在迎风面充分展开，在逆风面完全贴合也叶轮表面，所以捕能效率比较高，拥有巨大的应用前景。
附图说明
图1本发明的俯视图
图2本发明的侧视图
图3本发明的轴测图
图4支撑机架结构示意图
图5叶轮支撑杆的结构示意图
图6偏心杆的结构示意图
图7传递机构的结构示意图
图8本发明运动原理图
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1－8所示，具有活动弧形叶片的风机叶轮，主要由支撑机架、捕能机构、展开及回收机构和传动机构组成。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6支撑机架由叶轮支撑杆3、偏心杆5、偏心支撑杆4和叶轮2组成，机架可以安装在发电设备上。叶轮支撑杆3与叶轮2同心轴，主要作用为支撑叶轮2；偏心杆5主要作用为连接连杆和弧形捕能叶片1，在捕获风能时通过偏心杆5自身转动展开和回收弧形捕能叶片1。偏心支撑杆4主要作用为固定支撑偏心杆5，偏心杆5与偏心支撑杆4通过轴承连接；偏心支撑杆4与叶轮支撑杆3一起安装固定在发电机设备上。叶轮2安装在叶轮支撑杆3上，其主要作用为固定安装弧形捕能叶片1。且在叶轮上均布有六个通孔，用于展开及回收机构中的第一连杆6穿过，连接弧形捕能叶片1。
如图1-3所示，捕能机构有六片弧形捕能叶片1组成。弧形捕能叶片1通过圆柱销安装在叶轮2上，其弧形捕能叶片1内侧有滑动槽，以便第一连杆6与弧形捕能叶片1连接处的滑动，以迎合弧形捕能叶片1转动时的不同位置。弧形捕能叶片1能够在展开及回收机构的作用下，绕圆柱销转动，在迎风面时，叶片1能够完全展开，迎接风流；在逆风面时，叶片1能够完全贴合与叶轮2表面，以减小叶片在逆风面的阻力，增加装置的捕获能量，提高捕能效率。
如图7所示，展开及回收机构主要由两连杆组成。偏心杆5、第一连杆6和第二连杆7形成曲柄滑块机构。第一连杆6穿过叶轮2上的通孔与弧形捕能叶片1通过圆柱销连接，第一连杆6的长度必须大于等于叶轮支撑杆3和偏心杆5的轴线距离，其在风作用下，随着叶轮2的转动，第一连杆6在迎风面推动连接的弧形捕能叶片1展开，以最大面积迎接风流，在逆风面拉回连接的弧形捕能叶片1回收，使其贴合与叶轮2表面，以减小流体阻力，从而提高风机叶轮的捕能效率。第一连杆6与第二连杆7同轴连接，能够绕同心轴转动。第二连杆7另一端与偏心杆5上的销轴8同心固定，并能绕销轴8同心转动。其作用为在叶轮2转动时，第二连杆7带动第一连杆6展开及回收弧形捕能叶片1。共有六套展开及回收机构分别对应一片弧形捕能叶片1。
如图8所示，传动机构有第一带轮9、第二带轮11和同步带10组成。第一带轮9与第二带轮11半径一样，这样转速传递比为1:1。其中第一带轮9通过键固定安装在偏心杆5上，第二带轮11通过键固定安装在叶轮支撑杆3上。同步带10用于连接第一带轮9与第二带轮11，传递同步转速。在风作用下，弧形捕能叶片1使得叶轮2绕叶轮支撑杆3转动，从而使得第二带轮11通过同步带10将叶轮2转速同步传递到第一带轮9，带动偏心杆5绕自身轴转动；偏心杆5自转带动展开及回收机构展开和回收弧形捕能叶片1。
工作过程：在风作用下，流体动力作用在展开的弧形捕能叶片1上，推动叶轮绕叶轮支撑杆3转动，叶轮支撑杆3的转动通过传递机构件转速同步传递到偏心杆5上，使得偏心杆5与叶轮2同步同速自转，偏心杆3的自转带动展开及回收机构在逆风面回收、在迎风面展开弧形捕能叶片1。利用叶轮2的转动将风能转换为叶轮2的转动动能，再通过发电装置将风机叶轮捕获的动能转换为电能。
除上述制作和装配外，其它零部件的制作和装配按常规进行。

Claims (5)

1.一种具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于包括多个弧形捕能叶片(1)、叶轮(2)、叶轮支撑杆(3)、偏心支撑杆(4)、偏心杆(5)、多个第一连杆(6)、多个第二连杆(7)、销轴(8)、第一带轮(9)、同步带(10)和第二带轮(11)；叶轮(2)安装在叶轮支撑杆(3)上，叶轮支撑杆(3)与叶轮(2)同心轴，叶轮(2)上均布有通孔，第一连杆(6)的一端穿过通孔通过圆柱销连接弧形捕能叶片(1)，第一连杆(6)的另一端连接第二连杆(7)，第二连杆(7)的另一端与偏心杆(5)上的销轴(8)同心固定，偏心杆(5)与偏心支撑杆(4)通过轴承连接；第一带轮(9)通过键固定安装在偏心杆(5)上，第二带轮(11)通过键固定安装在叶轮支撑杆(3)上，第一带轮(9)与第二带轮(11)通过同步带(10)连接。
2.根据权利要求1所述的具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的弧形捕能叶片(1)、第一连杆(6)、第二连杆(7)均为六个。
3.根据权利要求1所述的具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的弧形捕能叶片(1)内侧有滑动槽。
4.根据权利要求1所述的具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的第一连杆(6)的长度必须大于等于叶轮支撑杆(3)和偏心杆(5)的轴线距离。
5.根据权利要求1所述的具有活动弧形叶片的垂直轴风机叶轮，其特征在于所述的第一带轮(9)与第二带轮(11)半径一样。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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