CN105545585A - 具有柔性叶片的垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有柔性叶片的垂直轴风力机，在底盘中央上方垂直于水平方向焊接中空立柱，在中空立柱上安装两个推力轴承，推力轴承外面套装套杆，套杆上连接上支撑杆、下支撑杆，叶片竖直布置和上支撑杆、下支撑杆连接在一起；下支撑杆和叶片之间进行焊接；上支撑杆内装推杆，压缩弹簧套装在推杆上，推杆的一端装齿条，齿条和调节叶片厚度装置相连；推杆另一端和凸轮通过凸轮边缘的凹槽相接触，凸轮和风舵固定连接，凸轮通过立柱上的推力轴承固定。本发明其在风速低、启动时和正常运行条件下叶片形式可变，并在不同情况下可使升力和风能利用率等参数达到最优。

Description

具有柔性叶片的垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及一种具有柔性叶片的垂直轴风力机。
背景技术
随着能源危机不断加深，风能作为一种可再生的清洁能源受到人们的广泛关注，风能具有储量巨大、分布广泛等独特优点。风能的主要利用形式是利用风力机发电，按照其轴向的空间位置分布可分为：垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机。风力机的核心部件是风轮，风轮的叶片技术直接影响到风力机的能源利用率。
垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，具有无需对风、安全性好、噪音低、单位占地面积可利用风能能力高和应用范围广等优点，在城市节能环保和小型农场的建设方面，拥有广大的应用前景。通过不断的发展，垂直轴风力机的作用已经越来越明显。
垂直轴风力机的形式多种多样，但主要有Savonius型、H型和涡轮型四种，Savonius型作为典型的阻力型垂直轴风力机，其风能利用率非常低，使得该型机在大型机组应用上缺乏竞争。传统的Darrieus型升力型风力机具有气动性能差的缺陷。H型是在研究直叶式达里厄型过程中发展起来的，由于其结构简单、制造工艺简单和启动性能优异等特点受到了人们的广泛认可。涡轮型则对空气密度较低的环境适应性好，但是其结构复杂，制造困难，成本很高。
现有的垂直轴风力发电机大部分采用的是以H型作为代表的升力型风力机，固定叶片形状的H型风力机由于其叶片的形式单一，在启动和运行过程中无法选择最优的叶片形式要求，使其在不同的工况条件下的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理，叶片厚度可调的具有柔性叶片的垂直轴风力机。
本发明的技术解决方案是：
一种具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：包括底盘，在底盘中央上方垂直于水平方向焊接中空立柱，在中空立柱上安装两个推力轴承，推力轴承外面套装套杆，套杆上连接上支撑杆、下支撑杆，叶片竖直布置和上支撑杆、下支撑杆连接在一起，叶片且沿立柱周向均布，构成风轮；下支撑杆和叶片之间进行焊接；上支撑杆内装推杆，压缩弹簧套装在推杆上，推杆的一端装齿条，齿条和调节叶片厚度装置相连；推杆另一端和凸轮通过凸轮边缘的凹槽相接触，凸轮和风舵固定连接，凸轮通过立柱上的推力轴承固定；所述调节叶片厚度装置由齿轮、连接梁、圆柱滚筒三部分组成，推杆上的的齿条和齿轮形成齿轮齿条副，齿轮和连接梁固定连接，连接梁通过铰接的方式和左右圆柱滚筒相连接。
底盘是钢筋混凝土平台，底盘的上表面与水平面平行。
中空立柱采用无缝钢管或合金钢管，底端与底盘焊接。
凸轮与立柱上的推力轴承焊接固定。
套杆通过滚动轴承与立柱连接，两轴承间的距离为叶片高度的三分之一。
本发明其在风速低、启动时和正常运行条件下叶片形式可变，并在不同情况下可使升力和风能利用率等参数达到最优。在低风速和小攻角条件下，厚度较窄的叶片的空气动力学性能较好，而在风速大和攻角大的条件下，厚度较大叶片的性能更好。本发明设计的垂直轴风力机可以很好的适应低风速或风况复杂的环境。
解决了风力资源欠丰富的城市和人口稠密地区垂直轴风力发电机不适用的问题；解决了风速低时升力型风力机不能启动的问题；解决了阻力型风力机风能转换效率不高的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明凸轮推杆的细节图；
图3为本发明推杆局部实现的装配图；
图4为本发明弹簧局部实现的装配图；
图5为本发明柔性叶片的垂直轴风力机局部实现的装配图；
图6为本发明柔性叶片的垂直轴风力机单个叶片实现的二维原理图；
图7为本发明柔性叶片的垂直轴风力机二维组合叶片实现原理图。
图中：1叶片；2风舵；3上支撑杆；4凸轮；5下支撑杆；6套杆；7中空立柱；8底座；9推杆；10骨架板；11齿轮；12连接梁；13圆柱滚筒；14压缩弹簧。
具体实施方式
实施例1：
一种具有柔性叶片的垂直轴风力机，包括底盘8，在底盘中央上方垂直于水平方向焊接中空立柱7，在中空立柱上安装两个推力轴承，推力轴承外面套装套杆，套杆上连接上支撑杆、下支撑杆，叶片竖直布置和上支撑杆、下支撑杆连接在一起，叶片且沿立柱周向均布，构成风轮；下支撑杆和叶片之间进行焊接；上支撑杆内装推杆，压缩弹簧14套装在推杆上，推杆的一端装齿条，齿条和调节叶片厚度装置相连；推杆另一端和凸轮通过凸轮边缘的凹槽相接触，凸轮和风舵固定连接，凸轮通过立柱上的推力轴承固定；所述调节叶片厚度装置由齿轮、连接梁、圆柱滚筒三部分组成，推杆上的的齿条和齿轮形成齿轮齿条副，齿轮和连接梁固定连接，连接梁通过铰接的方式和左右圆柱滚筒相连接。这样推杆9往复运动会带动齿轮11和连接梁12旋转，圆柱滚筒13在自身旋转的同时绕着齿轮11的轴向转动，实现叶片的厚度变化。
无论风向怎样变化，凸轮4相对于风向是固定的，凸轮4和推杆9相接触并推动其运动，所以叶片的厚度调节相对于来流风向的规律是固定的。
底盘8可以是钢筋混凝土平台。施工时要求底盘8的上表面与水平面平行。中空立柱7采用无缝钢管或合金钢管，底端与底盘8焊接。施工时要求中空立柱7与水平面垂直。
垂直轴风力机的套杆通过滚动轴承与立柱连接，两轴承间的距离为叶片高度的三分之一，叶片装配体通过支撑杆与套杆固连，完成整个叶轮安装。齿轮的旋转带动整个张开装置旋转，实现叶片的开合。实现叶片伸缩的齿轮旋转90度过程中，齿条的伸展不应触碰柔性叶片外壳。
一种具有柔性叶片的垂直轴风力机工作原理见附图1和7。对于标准翼型，在一定范围内增加翼型厚度,在大攻角时,可以提高翼型升阻比、升力系数，降低阻力系数，利于提高工作效率。薄叶片分离点前移速度较快，涡的分布范围较大，尾流中漩涡的数量较多，结构比较复杂，压差阻力增大，翼型阻力也不断增大。因此，对于同一弯度不同厚度的标准叶片，随着翼型厚度的增加，分离点前移速度减小，涡分布范围减小；厚度相对较小的翼型，分离点前移速度较快，涡分布范围较广，使得阻力系数增加较快，此外，随着翼型厚度的增加，翼型上表面速度加大使得摩擦阻力上升，翼型阻力增加，使得翼型的最大升阻比较小。NACA4412和NACA4418两种叶片就满足此规律。
垂直轴风力机在逆时针运行的过程中，如图6、7所示，就单个叶片而言，叶片提供主要升力范围是当叶片在0攻角前后的位置，即：图中是以其中一个叶片三个位置为例，其中A位置为叶片所处0攻角的位置，A1为叶片开始进入提供升力区的位置，此时叶片处于最厚状态；A2为叶片结束提供升力区的位置，此时叶片处于最薄状态。在小攻角的条件，叶片厚度比较小的升力系数更大，当在大攻角时则相反。通过叶片厚度调节机构调节使其在小攻角下为薄叶片，攻角大的时候为使其变厚，就可以在各自范围内提高升力系数、降低阻力系数、提高翼型升阻比，提高工作效率。
垂直轴风力机的柔性叶片可以提高低风速、大攻角条件下风力机的升力、升阻比以及风能利用系数，有利于改善和解决垂直轴风力机的低速启动问题。本设计由于是风舵控制凸轮的运动，所以无论风向如何，最终叶片的运动规律是相同的，这样使得风力机分析的难度减小并无需对风。
实施例2：
一种具有柔性叶片的垂直轴风力机，包括底盘8，在底盘中央上方垂直于水平方向焊接中空立柱7，在中空立柱上安装两个推力轴承，推力轴承外面套装套杆，套杆上连接上支撑杆、下支撑杆，叶片竖直布置和上支撑杆、下支撑杆连接在一起，叶片且沿立柱周向均布，构成风轮；下支撑杆和叶片之间进行焊接；上支撑杆内装推杆，压缩弹簧14套装在推杆上，推杆的一端装齿条，齿条和调节叶片厚度装置相连；推杆另一端和凸轮通过凸轮边缘的凹槽相接触，凸轮和风舵固定连接，凸轮通过立柱上的推力轴承固定；所述调节叶片厚度装置由齿轮、连接梁、圆柱滚筒三部分组成，推杆上的的齿条和齿轮形成齿轮齿条副，齿轮和连接梁固定连接，连接梁通过铰接的方式和左右圆柱滚筒相连接。这样推杆9往复运动会带动齿轮11和连接梁12旋转，圆柱滚筒13在自身旋转的同时绕着齿轮11的轴向转动，实现叶片的厚度变化。
无论风向怎样变化，凸轮4相对于风向是固定的，凸轮4和推杆9相接触并推动其运动，所以叶片的厚度调节相对于来流风向的规律是固定的。
底盘8是钢板，也可以是钢架结构。施工时要求底盘8的上表面与水平面平行。中空立柱7采用无缝钢管或合金钢管，底端与底盘8焊接。施工时要求中空立柱7与水平面垂直。
垂直轴风力机的套杆通过滚动轴承与立柱连接，两轴承间的距离为叶片高度的三分之一，叶片装配体通过支撑杆与套杆固连，完成整个叶轮安装。齿轮的旋转带动整个张开装置旋转，实现叶片的开合。实现叶片伸缩的齿轮旋转90度过程中，齿条的伸展不应触碰柔性叶片外壳。
一种具有柔性叶片的垂直轴风力机工作原理见附图1和7。对于标准翼型，在一定范围内增加翼型厚度,在大攻角时,可以提高翼型升阻比、升力系数，降低阻力系数，利于提高工作效率。薄叶片分离点前移速度较快，涡的分布范围较大，尾流中漩涡的数量较多，结构比较复杂，压差阻力增大，翼型阻力也不断增大。因此，对于同一弯度不同厚度的标准叶片，随着翼型厚度的增加，分离点前移速度减小，涡分布范围减小；厚度相对较小的翼型，分离点前移速度较快，涡分布范围较广，使得阻力系数增加较快，此外，随着翼型厚度的增加，翼型上表面速度加大使得摩擦阻力上升，翼型阻力增加，使得翼型的最大升阻比较小。NACA4412和NACA4418两种叶片就满足此规律。
垂直轴风力机在逆时针运行的过程中，如图6、7所示，就单个叶片而言，叶片提供主要升力范围是当叶片在0攻角前后的位置，即：图中是以其中一个叶片三个位置为例，其中A位置为叶片所处0攻角的位置，A1为叶片开始进入提供升力区的位置，此时叶片处于最厚状态；A2为叶片结束提供升力区的位置，此时叶片处于最薄状态。在小攻角的条件，叶片厚度比较小的升力系数更大，当在大攻角时则相反。通过叶片厚度调节机构调节使其在小攻角下为薄叶片，攻角大的时候为使其变厚，就可以在各自范围内提高升力系数、降低阻力系数、提高翼型升阻比，提高工作效率。
垂直轴风力机的柔性叶片可以提高低风速、大攻角条件下风力机的升力、升阻比以及风能利用系数，有利于改善和解决垂直轴风力机的低速启动问题。本设计由于是风舵控制凸轮的运动，所以无论风向如何，最终叶片的运动规律是相同的，这样使得风力机分析的难度减小并无需对风。

Claims (5)

1.一种具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：包括底盘，在底盘中央上方垂直于水平方向焊接中空立柱，在中空立柱上安装两个推力轴承，推力轴承外面套装套杆，套杆上连接上支撑杆、下支撑杆，叶片竖直布置和上支撑杆、下支撑杆连接在一起，叶片且沿立柱周向均布，构成风轮；下支撑杆和叶片之间进行焊接；上支撑杆内装推杆，压缩弹簧套装在推杆上，推杆的一端装齿条，齿条和调节叶片厚度装置相连；推杆另一端和凸轮通过凸轮边缘的凹槽相接触，凸轮和风舵固定连接，凸轮通过立柱上的推力轴承固定；所述调节叶片厚度装置由齿轮、连接梁、圆柱滚筒三部分组成，推杆上的的齿条和齿轮形成齿轮齿条副，齿轮和连接梁固定连接，连接梁通过铰接的方式和左右圆柱滚筒相连接。
2.根据权利要求1所述的具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：底盘是钢筋混凝土平台，底盘的上表面与水平面平行。
3.根据权利要求1所述的具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：中空立柱采用无缝钢管或合金钢管，底端与底盘焊接。
4.根据权利要求1、2或3所述的具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：凸轮与立柱上的推力轴承焊接固定。
5.根据权利要求1、2或3所述的具有柔性叶片的垂直轴风力机，其特征是：套杆通过滚动轴承与立柱连接，两轴承间的距离为叶片高度的三分之一。
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Inventor after: Wu Guoqing

Inventor after: Xing Shuda

Inventor after: Mao Jingfeng

Inventor after: Zhou Jingling

Inventor after: Zhang Xudong

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Address after: 200135 Shanghai City, Pudong New Area Chinese (Shanghai) free trade zone fanchun Road No. 400 Building 1 layer 3

Patentee after: Shanghai set up Mdt InfoTech Ltd.

Address before: 226019 Jiangsu city of Nantong province sik Road No. 9

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Address after: Room 302, No. 8319, Yanshan Road, Bengbu City, Anhui Province

Patentee after: Bengbu Lichao Information Technology Co.,Ltd.

Address before: 200135 Shanghai City, Pudong New Area Chinese (Shanghai) free trade zone fanchun Road No. 400 Building 1 layer 3

Patentee before: Shanghai set up Mdt InfoTech Ltd.

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Address after: 225600 Jiangsu Province Yangzhou Gaoyou Economic Development Zone Dongting Lake Road Science and Technology Venture Center, Room 210, 2nd floor

Patentee after: JIANGSU BOSIWEI INTELLECTUAL PROPERTY OPERATION Co.,Ltd.

Address before: Room 302, No. 8319, Yanshan Road, Bengbu City, Anhui Province

Patentee before: Bengbu Lichao Information Technology Co.,Ltd.

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Address after: 224600 South Side of Guanhe Road in Xiangshui County Industrial Economic Zone, Yancheng City, Jiangsu Province

Patentee after: JIANGSU TIANNENG MARINE HEAVY INDUSTRY Co.,Ltd.

Address before: 225600 Jiangsu Province Yangzhou Gaoyou Economic Development Zone Dongting Lake Road Science and Technology Venture Center, Room 210, 2nd floor

Patentee before: JIANGSU BOSIWEI INTELLECTUAL PROPERTY OPERATION Co.,Ltd.

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Address after: 224600 Coastal Economic Development Zone of Xiangshui County, Yancheng City, Jiangsu Province

Patentee after: Fuda Lingang Water Supply and Drainage Co.,Ltd. in Xiangshui County

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Address before: 224600 south of Guanhe 1st Road, Xiangshui Industrial Economic Zone, Yancheng City, Jiangsu Province

Patentee before: JIANGSU TIANNENG MARINE HEAVY INDUSTRY Co.,Ltd.

Country or region before: China

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