CN105840420A - 一种新型升阻混合型垂直轴风力机 - Google Patents

一种新型升阻混合型垂直轴风力机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，包括一组S型风轮和一组H型风轮，所述S型风轮设置于H型风轮上方，所述S型风轮包括两个叶片和底盘，S型风轮的底盘与H型风轮的立轴刚性连接，所述两个叶片开口相对且中心对称组成S型，所述底盘设置有轨道槽，叶片的底部分别连接有滑块，滑块在轨道槽中带动叶片沿着轨道方向滑动，所述叶片还连接有配重装置；本发明所述一种新型升阻混合型垂直轴风力机通过当风力机转速达到H型风轮单独运转所对应的额定转速时，S型风轮的两个半圆形叶片处于闭合状态，尽可能地减缓了S型风轮对整机气动性能的阻碍影响，使整机保持较高的输出功率和风能利用率。

Description

一种新型升阻混合型垂直轴风力机
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种升阻混合型垂直轴风力机。
背景技术
实现将风能转化为电能的装置是风力机，按照风轮结构及其旋转轴相对于气流的位置可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。实践表明，与水平轴风力机相比，垂直轴风力机单位千瓦的投资成本可下降50%左右，具有受风多向性，结构简单；地面安装，便于维修、检测和控制；受力稳定、寿命长；具有环保与对自然环境影响小等优势，比水平轴风力机适应范围广。因此，发展垂直轴风力机可有效降低风电成本，对风电行业的发展具有重大意义。
垂直轴风力机主要分为两种形式：阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力机是利用气流对叶片前后表面的压强差来驱动叶轮，其优点是在低风速下启动性能好，但能达到的最大风能利用系数较低，其叶尖速比一般不能大于1，典型代表机型为Savonius型风力机。
升力型垂直轴风力机则通过引入升力型翼型作为叶片截面，利用风作用在叶片上的升力产生的转矩驱使风轮转动，这种风力机在高速旋转时可保证在顺风区内气流也吹向翼型前缘，其叶尖速比可以大于1甚至可以达到6，同时能够获得较高的风能利用系数，但是其缺点是在低风速下不易启动，典型代表机型为Darrieus型风力机。
综合分析升力型和阻力型垂直轴风力机的优缺点，有学者设想将升力型风力机和阻力型风力机组合起来成为升阻混合型垂直轴风力机，以期望达到升阻混合型垂直轴风力机不但在低风速下容易启动，同时在高风速时也能保持较高的风能利用率的目的。目前传统的升阻混合型垂直轴风力机大都将阻力型垂直轴风力机与升力型垂直轴风力机进行直接组合，但由于阻力型风轮在高风速下的气动性能不好，导致风力机在高速旋转时阻力型风轮会对整机气动性能产生阻碍影响，降低了整机系统的输出功率和风能利用率。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种改进的S型风轮（阻力型垂直轴风力机）与H型风轮（升力型垂直轴风力机）组合的垂直轴风力机，S型风轮能够根据其自身转速自行张开或闭合，调整其迎风面积，使其能够在风力机静止启动或较低风速情况下提供足够大的启动转矩，驱使整个风力机转动，同时尽可能地减缓该S型风轮在高风速下对整机气动性能的阻碍作用，使整机保持较高的输出功率和风能利用率。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，包括一组S型风轮和一组H型风轮，所述S型风轮设置于H型风轮上方，避免H型风轮直叶片旋转产生的尾流对S型风轮气动性能的影响，所述S型风轮和H型风轮带动立轴旋转将转矩输送至基座内部的发电机中，所述S型风轮包括两个叶片和底盘， S型风轮的底盘与H型风轮的立轴刚性连接，所述两个叶片开口相对且中心对称组成S型，所述底盘设置有轨道槽，叶片的底部分别连接有滑块，滑块在轨道槽中带动叶片沿着轨道方向滑动，所述叶片还连接有配重装置。
进一步的，所述配重装置包括支撑架、平衡杆和质量块，支撑架设置于底盘上方，所述叶片外部刚性连接平衡杆，平衡杆穿过支撑架与质量块刚性连接，平衡杆依靠支撑架支撑，保持稳定性。
进一步的，质量块的重量大于叶片的重量，当S型风轮转速提升，质量块在离心力的作用下向远离旋转中心方向移动，从而带动两个叶片同时向旋转中心闭合，即两叶片在旋转中心处的重叠部分增大。
进一步的，所述底盘上间隔设置有两个长轨道槽和两个短轨道槽，每个叶片的底部分别连接两个滑块，两个滑块分别与长轨道槽和短轨道槽卡扣，所述滑块与长轨道槽的端部之间连接有弹簧，当S型风轮转速降低时，弹簧对滑块的作用力将大于质量块受到的离心力，两个叶片在弹簧的作用下向外张开。
进一步的，叶片为半圆形，叶片上端封闭 。
进一步的，两个滑块对称设置于每个叶片底部，且两个滑块的距离小于叶片的直径，所述滑块的横截面为“山”型， “山”型滑块与轨道槽互相卡扣。
进一步的，所述S型风轮的底盘设置有支撑杆，所述支撑杆为三根，且均匀设置于底盘外周，以维持S型风轮旋转时的稳定性。
进一步的，所述S型风轮静止时，S型风轮的初始状态是两个半圆形叶片开口相对且中心对称组成S型，并在旋转中心处有部分重叠,两个叶片间重叠宽度与叶片直径长度的比值为0.2～0.3, 两个叶片同时分别与平衡杆刚性连接，平衡杆又与质量块刚性连接，两叶片底部分别与两个滑块刚性连接，滑块处于S型风轮底盘上的轨道槽中，与轨道槽端部通过弹簧相连接，滑块带着两个叶片可在轨道槽中沿着轨道方向同时移动，该S型风轮可在风力机静止启动或较低风速情况下提供足够大的启动转矩，驱使整个风力机转动，随着风力机转速提升，质量块受到的离心力将克服弹簧对滑块的作用力，向远离旋转中心方向移动，从而带动两个叶片同时向旋转中心闭合，即两叶片在旋转中心处的重叠部分增大。
进一步的，所述H型风轮的直叶片的数量为3～5个。
进一步的，所述H型风轮单独运转时的额定转速为ω 1，通过调整质量块质量和弹簧刚度，使得当S型风轮转速达到ω 1时，两个半圆形叶片闭合成为一个圆柱体，此时圆柱体的半径等于半圆形叶片的半径。从而有效减缓了S型风轮在高速运转时对整机气动性能的阻碍作用，使整机保持较高的输出功率和风能利用率；当风轮转速降低时，弹簧对滑块的作用力将大于质量块受到的离心力，两个叶片在弹簧的作用下向外重新张开，从而提升了风力机在低风速下的扭矩输出，使其在低风速下依然可以正常运转。本发明结构简单巧妙，使风力机不仅能够在静止启动或低风速下获得较高的扭矩输出，而且能在高风速下尽可能地减缓S型风轮对整机气动性能的不利影响，使整机获得较高的输出功率和风能利用率。
本发明所达到的有益效果：本发明所述一种新型升阻混合型垂直轴风力机通过S型风轮作为该升阻混合型垂直轴风力机的启动风轮，能够根据风轮转速自行张开或闭合，调整其迎风面积，在风力机静止或较低风速下，S型风轮的两个半圆形叶片处于张开状态，为风力机提供足够大的扭矩，驱使整个风力机转动；当风力机转速达到H型风轮单独运转所对应的额定转速时，S型风轮的两个半圆形叶片处于闭合状态，尽可能地减缓了S型风轮对整机气动性能的阻碍影响，使整机保持较高的输出功率和风能利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明S型风轮可根据风轮转速自行张开或闭合的结构示意图；
图3为本发明S型风轮叶片与滑块和支撑杆刚性连接示意图；
图4为本发明底盘轨道槽布置示意图（4-1）及轨道槽横截剖面图（4-2）；
图5为本发明滑块三维结构示意图（5-1）与滑块横截剖面示意图（5-2）；
图6为本发明滑块与轨道槽的端部之间通过弹簧连接示意图；
图7为风轮转速增加或减小时S型风轮的半圆形叶片沿轨道槽移动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，包括一组S型风轮和一组H型风轮，所述S型风轮设置于H型风轮上方，避免H型风轮直叶片旋转产生的尾流对S型风轮气动性能的影响，所述S型风轮和H型风轮带动立轴7旋转将转矩输送至基座8内部的发电机中，所述S型风轮包括两个叶片和底盘， S型风轮的底盘与H型风轮的立轴刚性连接，所述两个叶片开口相对且中心对称组成S型，所述底盘设置有轨道槽，叶片的底部分别连接有滑块，滑块在轨道槽中带动叶片沿着轨道方向滑动，所述叶片还连接有配重装置，所述配重装置包括支撑架、平衡杆和质量块，支撑架设置于底盘上方，所述叶片外部刚性连接平衡杆，平衡杆穿过支撑架与质量块刚性连接，平衡杆依靠支撑架支撑，保持稳定性，质量块的重量大于叶片的重量。
根据额定功率要求设计S型风轮和H型风轮，S型风轮的结构参数主要包括叶片直径、两叶片间重叠宽度、风轮高度等，H型风轮的结构参数主要包括叶片截面翼型、翼型弦长、叶片展长、风轮半径、立轴高度等，其中，直叶片5的数量可为3个, 直叶片5通过水平支撑杆6与设置于立轴7外周的轴套4连接。
本实施例中，通过将S型风轮底盘2与H型风轮立轴7固定连接，使S型风轮布置在上，H型风轮在下，同时，底盘2下面依靠三根斜支撑杆3支撑，底盘2下3处支撑点对应的圆周角均为120°。
如图2所示，在S型风轮静止状态下，两叶片间重叠宽度与叶片直径的比值约为0.27，风轮高度约等于风轮直径，同时S型风轮的半圆形叶片1的上端封闭；
如图3所示，S型风轮的半圆形叶片1下端和两个滑块9上端固定连接，侧面与平衡杆10固定连接，。两滑块9关于半圆形叶片1的对称面对称，且距离略小于半圆形叶片1的直径，底盘2上固定有支撑架12，支撑架12开有洞口，平衡杆10穿过洞口与质量块13固定连接。
如图4所示，底盘2上叶片两边分别开有长、短两个轨道槽11，见图4-1，轨道槽11处的横截剖面形状见图4-2，滑块9被安置在轨道槽11里，可沿轨道槽方向移动，短轨道槽的作用是限定半圆形叶片1的移动范围，随着S型风轮转速增加，2个半圆形叶片1在短轨道槽长度的限定下沿轨道槽移动后的最终状态是组合成为一个圆柱形。
如图5所示，设计滑块9的横截面形状为“山”型， “山”型滑块的两个凹槽与轨道槽11互相卡扣，防止风轮在旋转过程中叶片1脱离底盘2。
如图6所示，滑块处于S型风轮底盘2上的轨道槽11中，与轨道槽11端部通过弹簧14相连接，静止时，S型风轮的初始状态是两个半圆形叶片在弹簧力的作用下开口相对且中心对称组成S型，并在旋转中心处有部分重叠，通过调整弹簧14刚度和质量块13质量，使S型风轮的两个半圆形叶片能按指定方式运动。运动过程如图7所示，当S型风轮转速增加时，S型风轮的半圆形叶片沿轨道槽运动过程为：a →b →c →d，当S型风轮转速减小时，S型风轮的半圆形叶片沿轨道槽运动过程为：d → c →b →a。所述H型风轮单独运转时的额定转速为ω 1，通过调整质量块质量和弹簧刚度，使得当S型风轮转速达到ω 1时，两个半圆形叶片闭合成为一个圆柱体，此时圆柱体的半径等于半圆形叶片的半径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，包括一组S型风轮和一组H型风轮，所述S型风轮设置于H型风轮上方，所述S型风轮和H型风轮带动立轴旋转将转矩输送至基座内部的发电机中，所述S型风轮包括两个叶片和底盘， S型风轮的底盘与H型风轮的立轴刚性连接，所述两个叶片开口相对且中心对称组成S型，所述底盘设置有轨道槽，叶片的底部分别连接有滑块，滑块在轨道槽中带动叶片沿着轨道方向滑动，所述叶片还连接有配重装置。
2.根据权利要求1所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述配重装置包括支撑架、平衡杆和质量块，支撑架设置于底盘上方，所述叶片外部刚性连接平衡杆，平衡杆穿过支撑架与质量块刚性连接。
3.根据权利要求2所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，质量块的重量大于叶片的重量。
4.根据权利要求3所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述底盘上间隔设置有两个长轨道槽和两个短轨道槽，每个叶片的底部分别连接两个滑块，两个滑块分别与长轨道槽和短轨道槽卡扣，所述滑块与长轨道槽的端部之间连接有弹簧。
5.根据权利要求4所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，叶片为半圆形，叶片上端封闭 。
6.根据权利要求5所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，两个滑块对称设置于每个叶片底部，且两个滑块的距离小于叶片的直径，所述滑块的横截面为“山”型， “山”型滑块与轨道槽互相卡扣。
7.根据权利要求1所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述S型风轮的底盘设置有支撑杆，所述支撑杆为三根，且均匀设置于底盘外周。
8.根据权利要求1所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述S型风轮静止时，两个叶片在旋转中心处部分重叠，两个叶片间重叠宽度与叶片直径长度的比值为0.2～0.3。
9.根据权利要求1所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述H型风轮的直叶片的数量为3~5个。
10.根据权利要求6所述的一种新型升阻混合型垂直轴风力机，其特征是，所述H型风轮单独运转时的额定转速为ω 1，通过调整质量块质量和弹簧刚度，使得当S型风轮转速达到ω 1时，两个半圆形叶片闭合成为一个圆柱体。
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