CN106837684A - 高效垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高效垂直轴风力机，包括确定垂向旋转轴线的固定塔架，塔架顶端支撑有轴向约束且水平转动的风轮；风轮包括具有旋转中心的轮架、以及分布于轮架周边的叶片；轮架包括位于旋转中心且与塔架转动连接的旋转连接件，在旋转连接件的上侧固连有用以连接叶片上部的上连接部，在旋转连接件的下侧固连有用以连接叶片下部的下连接部，下连接部套设于塔架外周；下连接部呈以垂向旋转轴线为中心轴的锥体或台体；锥体的顶点或台体面积较小的底面与旋转连接件所处平面重合。本发明通过对风轮结构的改进，提高了风力机性能。

Description

高效垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种高效垂直轴风力机，属于风力机设计、构造技术领域，以及可再生能源、节能减排和环境保护技术的开发与设计领域。

背景技术

据申请人了解，目前市场上运行的风力发电机组中，所用风力机绝大多数为风轮转轴水平放置的水平轴涡轮式风力机，属于高风速风力机范畴，其中低风速性能差，在年均风速米/秒的地区运行效益不佳。此外，这类风力机运行噪音大、会产生次声波，不适合在都市和社区中使用，而且还会危害鸟类的生存环境。

垂直轴风力机特点是无风向性、无气动噪音、不产生次声波，既能利用叶片升力、又能利用叶片推力，风轮旋转时各叶片依次交替轮换出力，叶片荷载周期性变化；这些特点有利有弊，利用优点、抑制缺点是研发适用于年均风速为4.5－6.5米/秒地区和都市人居环境的垂直轴风力机技术的关键。

申请人于2014年申请了四件侧重点各不相同的高效垂直轴风力机(申请公布号分别为CN103939281A、CN103939284A、CN103925153A、CN103925149A)，目前已取得良好的实施效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种高效垂直轴风力机，通过对风轮结构的改进，提高风力机性能。

本发明的主要技术构思如下：申请人在其已申请专利的基础上进行了进一步地深入实践研究，发现现有风轮的转动稳定性仍然有提高的空间，并发现风轮的特定具体结构与风力机性能之间存在特定关联性，而现有技术显然尚未发现上述要点。有基于此，发明人经系统地实践研究后终于得出了在现有技术基础上、通过改进风轮结构来提高风力机性能的技术方案。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种高效垂直轴风力机，包括确定垂向旋转轴线的固定塔架，所述塔架顶端支撑有轴向约束且水平转动的风轮；所述风轮包括具有旋转中心的轮架、以及分布于轮架周边的叶片；其特征是，所述轮架包括位于旋转中心且与塔架转动连接的旋转连接件，在所述旋转连接件的上侧固连有用以连接叶片上部的上连接部，在所述旋转连接件的下侧固连有用以连接叶片下部的下连接部，所述下连接部套设于塔架外周；所述下连接部呈以垂向旋转轴线为中心轴的锥体或台体，所述锥体为棱锥或圆锥，所述台体为棱台或圆台；所述锥体的顶点或所述台体面积较小的底面与旋转连接件所处平面重合。

申请人经深入实践研究后，将轮架简化为由旋转连接件承接的上连接部和下连接部，将下连接部设计为套设于塔架外周的锥体(棱锥、圆锥)或台体(棱台、圆台)，且锥体或台体的小头朝上、大头朝下，并将各叶片的上部、下部分别与上、下连接部连接。该轮架的所述下连接部采用设置在塔架外围的结构，能有效降低风轮重心；与现有风轮轮架的柱状结构相比，该轮架下连接部利用锥体/台体具有的三角稳定性特点，能强化风轮轴向的刚度、并利于承担叶片重量，从而有效提高风轮的转动稳定性。如此，在降低风轮重心、提高风轮刚度后，实现了风力机转动稳定性能的显著提升。

优选地，所述下连接部的高度大于或等于上连接部的高度。前述结构的下连接部采用此限定条件后，能确保轮架的重心位于塔架顶部以下，进一步提升风力机的转动稳定性能。

优选地，所述下连接部采用第一或第二结构；

第一结构：所述下连接部包括一组斜向辐条和一组横向辐条，所述斜向辐条旋转对称地分布于垂向旋转轴线周围；相邻斜向辐条之间固连有加强件，或者相邻斜向辐条之间无加强件；所述横向辐条固连围成具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的底面框；所述斜向辐条的上端分别与旋转连接件固连、下端分别与所述底面框的多边形相应顶点固连；所述底面框的多边形、斜向辐条、以及旋转连接件对应固连构成棱锥或棱台结构；

第二结构：所述下连接部包括一组第一横向辐条、一组径向辐条、一组第二横向辐条、以及一组斜向辐条或加强件，所述斜向辐条或加强件旋转对称地分布于垂向旋转轴线周围；所述第一横向辐条固连围成以旋转连接件为中心、且具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的上底面框，所述上底面框各顶点或其多边形各顶点与旋转连接件之间分别由径向辐条固连；所述第二横向辐条固连围成具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的下底面框，所述下底面框多边形与上底面框多边形之间具有彼此相同或整数倍的旋转对称性；所述斜向辐条或加强件的上端分别与上底面框相应顶点或其多边形相应顶点固连、下端分别与下底面框相应顶点或其多边形相应顶点固连；所述上底面框多边形、下底面框多边形、以及斜向辐条或加强件对应固连构成棱台结构。

采用该优选结构，能更进一步地有效提升风力机性能。

为进一步提高风力机性能，申请人对轮架的上连接部进行了研究，所得优选技术方案如下：

优选地，所述上连接部包括一组均匀分布于垂向旋转轴线周围的悬臂，所述悬臂与叶片一一对应；所述悬臂的一端与叶片上部连接；所述悬臂的另一端与固连于旋转连接件上侧、且轴线与垂向旋转轴线重合的支撑轴固连。

采用该轮架上连接部，可简化轮架的上部结构，从而有效减轻轮架重量，使风轮的重心降低，进一步提高转动稳定性能。

更优选地，所述上连接部采用第三或第四结构；

第三结构：所述上连接部的悬臂为水平布置的直线形悬臂，所述悬臂的一端与叶片上部连接，所述悬臂的另一端与支撑轴顶端固连；

第四结构：所述上连接部的悬臂为折弯式悬臂，所述悬臂由上水平段、倾斜段、下水平段依次相连而成；所述悬臂上水平段远离倾斜段的一端与叶片上部连接，所述悬臂下水平段远离倾斜段的另一端与支撑轴顶端固连；所述上连接部还包括由一组横向辐条固连而成的抗拉件，所述抗拉件具有与悬臂一一对应的顶点，所述抗拉件呈三角形、或呈十字形、或呈多边形所有对角线围成的形状；所述抗拉件的顶点分别与相应悬臂上水平段靠近倾斜段的部位固连；所述抗拉件、悬臂倾斜段、以及支撑轴顶端围成以垂向旋转轴线为中心轴的棱锥或棱台结构。

采用该优选结构，能更进一步地强化上连接部结构。其中，第四结构采用的倒置棱锥/棱台，既能缩短支撑轴长度，又能利用棱锥/棱台具有的稳定性特点来强化风轮轴向的刚度，同时将叶片重量由下连接部来承担，从而有效降低风轮重心，提高风轮稳定性。

为进一步提高风力机的风力利用性能，申请人对叶片的连接结构进行了研究，所得优选技术方案如下：

优选地，所述叶片的上端固连于上端部固定件，所述上端部固定件固定或转动连接于上板，所述上板固连于上连接部相应悬臂的一端；所述叶片的下端固连于下端部固定件，所述下端部固定件固定或转动连接于下板，所述下板固连于下连接部锥体底面的外侧或顶角处、或下连接部台体面积较大底面的外侧或顶角处。

申请人经深入实践研究发现，采用上述含有上板、下板以及端部固定件的叶片两端安装连接结构，既能起到聚风作用，使叶片能充分吸收风能，减少叶片端部的性能损失，又能作为功率控制部件的安装平台，从而提高风力机性能、优化功率控制部件的配置。

更优选地，所述上端部固定件与下端部固定件的结构相同，分别为具有流线形外边缘的板件，所述板件的板面与叶片相应端面固连，所述板件通过安装轴与相应的上板或下板固定或转动连接；当板件与相应的上板或下板转动连接时，所述板件具有的连接孔直接或经连杆与伸缩控制器的输出端传动连接。

采用该结构即可更好地优化配置功率控制部件，利于提高风力机性能；其中，当板件连接孔经连杆与伸缩控制器的输出端传动连接时，则利用力的分解原理，降低对弹性伸缩控制器伸缩件的精度或灵敏度要求而降低控制成本。

为进一步提高风力机性能，申请人对叶片的结构进行了研究，所得优选技术方案如下：

优选地，所述叶片为具有流线形截面的集流叶片，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成；所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；所述翼构件包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成；在叶片截面中，所述通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口。

更优选地，所述中部翼件由第一、第二片状件构成，第二片状件位于第一片状件的下方；所述第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第一、第二片状件两者一体成型或分别成型；所述第二片状件采用三段双折结构，即所述第二片状件分为上段、中段和下段；所述上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；所述中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；

所述尾部翼件由第三、第四片状件构成，第四片状件位于第三片状件的下方，第三片状体两端分别与第四片状体的对应末端固连；所述第三片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；所述第四片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合；

所述通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。

该结构的叶片具有优异的性能，特别是具有高效的低风速性能，能显著提高风力机性能；同时片状件制作成本较低，利于提升性价比。

优选地，所述旋转连接件为法兰，所述法兰与支撑于塔架的负载动力输入轴固连，所述负载动力输入轴与塔架转动连接；所述棱锥为正棱锥，所述棱台为正棱台。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)通过采用锥体/台体结构，既缩短了支撑轴、又强化了风轮轴向的刚度，通过下移风轮质心并且由下连接部承担叶片重量的配重，从而有效降低了风轮重心、提高了风力机的稳定性。

(2)通过上板和下板连接叶片的上下两端，既能聚风而减小叶片端部的性能损，保证了叶片能充分吸收风能失，又能成为功率控制部件的安装平台，提高了风力机的性能、优化了功率控制部件的配置。

(3)通过配置高性价比的叶片，进一步提高了风力机性能、降低了叶片成本，为降低风力发电成本奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3至图5为本发明的三种悬臂的示意图。

图6至图8为本发明的三种抗拉件的示意图。

图9至图11为本发明三种底面框或下底面框的结构示意图。

图12至图13为本发明两种上底面框的结构示意图。

图14至图16为本发明的三种悬臂与抗拉件连接的结构示意图。

图17至图19为本发明的三种加强件的结构示意图。

图20至图21为本发明优选的一种叶片示意图。

图22至图24为本发明轮架下连接部第一结构实施时一种形态的结构示意图。

图25至图26为本发明轮架下连接部第一结构实施时另一种形态的结构示意图。

图27至图28为本发明轮架下连接部第二结构实施时的结构示意图。

图29为本发明实施例3的轮架结构示意图。

图30为本发明实施例4的轮架结构示意图。

图31为本发明实施例5的轮架结构示意图。

图32为本发明实施例6的轮架结构示意图。

图33为本发明实施例3的结构示意图。

图34为图33的U区域俯视图。

图35为本发明实施例4的结构示意图。

图36至图38为图35的三种V区域俯视图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例1

如图1所示，本实施例高效垂直轴风力机包括确定垂向旋转轴线的固定塔架3，塔架3顶端支撑有轴向约束且水平转动的风轮；风轮包括具有旋转中心的轮架1、以及分布于轮架1周边的叶片2；轮架1包括位于旋转中心且与塔架3转动连接的旋转连接件F，在旋转连接件F的上侧固连有用以连接叶片2上部的上连接部，在旋转连接件F的下侧固连有用以连接叶片2下部的下连接部9，下连接部9套设于塔架3外周；下连接部9呈以垂向旋转轴线为中心轴的锥体或台体，锥体为棱锥或圆锥，台体为棱台或圆台；锥体的顶点或台体面积较小的底面与旋转连接件F所处平面重合。下连接部9的高度大于或等于上连接部的高度。

上连接部包括一组均匀分布于垂向旋转轴线周围的悬臂B，悬臂B与叶片2一一对应；悬臂B的一端与叶片2上部连接；悬臂B的另一端与固连于旋转连接件F上侧、且轴线与垂向旋转轴线重合的支撑轴A’固连。

本实施例中，下连接部9采用第一结构(如图23所示)：下连接部9包括一组斜向辐条D(六根)和一组横向辐条，斜向辐条D六重(60°)旋转对称地分布于垂向旋转轴线O周围(如图22所示)；相邻斜向辐条D之间固连有加强件8和加强件R(也可根据实际情况选择相邻斜向辐条D之间无加强件的方案)，加强件8如图17所示，加强件R如图18所示；横向辐条固连围成内呈六边形、外呈三角形的底面框5(如图9所示)，为绕垂向旋转轴线的三重旋转对称多边形；斜向辐条D的上端分别与旋转连接件F固连、下端分别与底面框5内的六边形相应顶点固连；底面框5的六边形、斜向辐条D、以及旋转连接件F对应固连构成三重旋转对称的棱锥或棱台结构。

本实施例中，上连接部采用第三结构：上连接部的3个悬臂B分别为水平布置的直线形悬臂B(如图5所示)，悬臂B的一端与叶片2上部连接，悬臂B的另一端与支撑轴A’顶端固连。

本实施例中，叶片2的上端固连于上端部固定件E，上端部固定件E固定或转动连接于上板P_U，上板P_U固连于上连接部相应悬臂B的一端；叶片2的下端固连于下端部固定件E’，下端部固定件E’固定或转动连接于下板P_L，下板P_L固连于下连接部9底面框5的外侧或顶角处(分别与底面框5的三个角固连)。叶片2有三个，上板P_U和下板P_L也分别有三个、并与各叶片2一一对应。

此外，旋转连接件F为法兰，法兰与支撑于塔架3的负载动力输入轴(图中未示)固连，负载动力输入轴与塔架3转动连接。塔架3为筒式塔架。

实施例2

如图2所示，本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)下连接部9采用第二结构(如图28所示)：下连接部9包括一组第一横向辐条、一组径向辐条、一组第二横向辐条、以及一组加强件8(如图19所示)，加强件8三重(120°)旋转对称地分布于垂向旋转轴线周围；第一横向辐条固连围成以旋转连接件F为中心六重旋转对称的六边形上底面框6(如图12所示)，上底面框6的各顶点与旋转连接件F之间分别由径向布置的径向辐条S固连；第二横向辐条固连围成三重旋转对称的下底面框5(如图9所示)。需要说明的是，上、下底面框多边形的旋转对称性可以相同、也可呈整数倍关系，例如六重旋转对称性比三重旋转对称性高一倍，前者包含了后者的对称性。加强件8的上端分别与上底面框6的相应顶点固连、下端分别与下底面框5六边形的相应顶点固连；上底面框6六边形、下底面框5六边形、以及加强件8对应固连构成正棱台结构。

此外，上底面框6也可根据实际情况选用五重(72°)旋转对称的五边形结构(如图13所示)，同时，下底面框5可相应选择图11所示结构。

(2)下连接部9中，上底面框6的各顶点还分别通过斜向辐条D与下底面框5的棱边固连，起到加固作用；斜向辐条D有六根，每两根一组三重旋转对称地分布于垂向旋转轴线O周围(如图27所示)。

需要说明的是，本实施例的下连接部9也可视为包括一组第一横向辐条、一组径向辐条、一组第二横向辐条、以及一组斜向辐条D，上底面框6具有六边形，下底面框5具有绕垂向旋转轴线三重旋转对称的内六边形、外三角形结构，上底面框6六边形、下底面框5的内六边形和斜向辐条D对应固连构成具有三重对称性的棱台结构。

(3)塔架3为框架式塔架。

由于采用上述结构的下连接部9，本实施例可承担更大的叶片，适合大中型的风力机。

实施例3

如图33所示，本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)上连接部采用第四结构：上连接部的悬臂B为折弯式悬臂(如图4所示)，悬臂B由上水平段、倾斜段、下水平段依次相连而成，倾斜段为直线形；悬臂B上水平段远离倾斜段的一端依次经上板P_U、上端部固定件E与叶片2上端连接，悬臂B下水平段远离倾斜段的另一端与支撑轴A’顶端固连；上连接部还包括由一组横向辐条固连而成的抗拉件4(如图6所示)，抗拉件4具有与悬臂B一一对应的顶点，抗拉件4呈三角形(也可根据实际情况选择呈十字形、呈多边形所有对角线围成的形状，如图7、图8所示结构)；抗拉件4的顶点分别与相应悬臂B上水平段靠近倾斜段的部位固连，形成如图15所示的连接结构；抗拉件4、悬臂B倾斜段、以及支撑轴A’顶端围成以垂向旋转轴线为中心轴三重旋转对称的棱锥或棱台结构。

轮架1如图29所示。

此外，悬臂B也可采用图3所示的折弯式悬臂，其倾斜段呈弧形，采用该悬臂的上连接部力学性能稍逊于上述结构。

(2)如图34所示，上端部固定件E与下端部固定件E’的结构相同，分别为具有流线形外边缘的板件，板件的板面与叶片2相应端面固连，板件通过安装轴t与相应的上板P_U或下板P_L转动连接，板件具有的连接孔直接与伸缩控制器m的输出端传动连接。

当控制器m电控伸缩时能带动上端部固定件E、下端部固定件E’绕安装轴t转动，从而改变叶片2的安装角，达到控制风力机功率的目的。叶片2旋转产生的离心力与控制器m的弹性力相互作用下产生的伸缩能带动上端部固定件E、下端部固定件E’绕安装轴t转动，从而改变叶片2的安装角，达到控制风力机功率的目的。

(3)如图20、图21所示，叶片2为具有流线形截面的集流叶片，截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成，叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，上轮廓为吸力面与截面的交界线；叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；翼构件包括一个头部翼件C1、两个中部翼件B2、B3和一个尾部翼件B4；头部翼件C1靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，尾部翼件B4靠近后缘点，中部翼件B2、B3位于头部翼件C1和尾部翼件B4之间。叶片截面的上轮廓由头部翼件C1的凸面、以及中部翼件B2、B3和尾部翼件B4的上部或部分上部共同构成；叶片截面的下轮廓由中部翼件B2、B3和尾部翼件B4下部或部分下部共同构成。

头部翼件C1呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，头部翼件C1的凸面背离后缘点。

中部翼件B2、B3由第一、第二片状件构成，第二片状件位于第一片状件的下方；第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件C1；第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；第一、第二片状件两者一体成型或分别成型；第二片状体采用三段双折结构，即第二片状件分为上段、中段和下段；上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出上段；上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合。中部翼件B2由第一、第二片状件E2、E3构成，中部翼件B3由第一、第二片状件E4、E5构成。

尾部翼件B4由第三、第四片状件E6、E7构成，第四片状件位于第三片状件的下方，第三片状体两端分别与第四片状体的对应末端固连；第三片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；第四片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合。

在叶片截面中，通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口。通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。

该叶片具有优异的性能，特别是具有高效的低风速性能，安装在本发明风力机上的风能利用系数Cp在2－15米/秒范围的风速平均值Cp能达到0.50。

实施例4

如图35所示，本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例2基本相同，不同之处在于：

(1)上连接部的结构与实施例3的上连接部相同。轮架1如图30所示。

(2)如图36至图38所示，上端部固定件E与下端部固定件E’的结构相同，分别为具有流线形外边缘的板件，板件的板面与叶片2相应端面固连，板件通过安装轴t与相应的上板P_U或下板P_L转动连接，板件具有的连接孔经连杆r₁、r₂与伸缩控制器m的输出端传动连接，且连杆r₁具有支点f。

当控制器m电控伸缩时能带动连杆r₁绕支点f转动，并通过连杆r₂带动上端部固定件E、下端部固定件E’绕安装轴t转动，从而改变叶片2的安装角，达到控制风力机功率的目的。

叶片2旋转产生的离心力与控制器m的弹性力相互作用下，通过连杆r₂带动连杆r₁绕支点f转动导致的控制器m伸缩能带动上端部固定件E、下端部固定件E’绕安装轴t转动，从而改变叶片2的安装角，达到控制风力机功率的目的。该结构利用力的分解原理，降低对弹性伸缩控制器伸缩件的精度或灵敏度要求，利于降低控制成本。

控制器m以弹性力进行控制的原理为，当叶片2旋转的离心力大于弹性力时、叶片2安装角向叶片2尾部朝风轮外转动的方向变化而导致风力机功率变小；当叶片2旋转的离心力小于弹性力时、叶片2安装角向叶片2尾部朝风轮内转动的方向变化而导致风力机功率变大；当弹性力与叶片2旋转的离心力达到动态平衡时、叶片2安装角不变而风力机功率也不变。

风力机的额定功率对应一额定风速、额定风速对应一额定转速、额定转速对应一额定的叶片2离心力；通常只有风轮转速大于额定转速时、电控控制器m才开始控制风力机功率；只有叶片2离心力大于额定离心力时、弹性控制器m才开始控制风力机的功率，因此对弹性控制器m有一设定的弹性力阈值，当弹性力大于此阈值时弹性控制器m才能开始工作。

(3)叶片的结构与实施例3的叶片相同。

实施例5

本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)采用4个叶片。

(2)上连接部采用与实施例3基本相同的第四结构，不同之处在于：悬臂有4个，且采用如图7所示的抗拉件4，形成如图16所示的连接结构。

(3)如图24所示，下连接部9的相邻斜向辐条D之间固连有加强件8，加强件8如图17所示。下连接部9的底面框5呈两相对角分别带有悬杆的菱形(如图10所示)；下板P_L固连于下连接部9底面框5的两悬杆和另两相对角上。

轮架1如图31所示。其下连接部9具有二重旋转对称性，而其上连接部是四重旋转对称的。

实施例6

本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)采用5个叶片。

(2)上连接部采用5个悬臂。

(3)如图26所示，下连接部9有5根斜向辐条D，斜向辐条D旋转对称地分布于垂向旋转轴线O周围(如图25所示)，相邻斜向辐条D之间固连有加强件8，加强件8如图17所示。下连接部9的底面框5呈五角形结构(如图11所示)。下板P_L固连于下连接部9底面框5的五个角上。

轮架1如图32所示。

实施例7

本实施例高效垂直轴风力机的结构与实施例6基本相同，但其上连接部采用与实施例3基本相同的第四结构，且悬臂有5个，并采用如图8所示的抗拉件4，形成如图14所示的连接结构。

上述实施例5至实施例7说明了四叶片和五叶片的垂直轴风力机仍具有本发明风力机的特征，以结构的逻辑性推理，本发明风力机同样可以推广的五叶片以上的垂直轴风力机。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效垂直轴风力机，包括确定垂向旋转轴线的固定塔架，所述塔架顶端支撑有轴向约束且水平转动的风轮；所述风轮包括具有旋转中心的轮架、以及分布于轮架周边的叶片；其特征是，所述轮架包括位于旋转中心且与塔架转动连接的旋转连接件，在所述旋转连接件的上侧固连有用以连接叶片上部的上连接部，在所述旋转连接件的下侧固连有用以连接叶片下部的下连接部，所述下连接部套设于塔架外周；所述下连接部呈以垂向旋转轴线为中心轴的锥体或台体，所述锥体为棱锥或圆锥，所述台体为棱台或圆台；所述锥体的顶点或所述台体面积较小的底面与旋转连接件所处平面重合。

2.根据权利要求1所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述下连接部的高度大于或等于上连接部的高度。

3.根据权利要求1或2所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述下连接部采用第一或第二结构；

第一结构：所述下连接部包括一组斜向辐条和一组横向辐条，所述斜向辐条旋转对称地分布于垂向旋转轴线周围；相邻斜向辐条之间固连有加强件，或者相邻斜向辐条之间无加强件；所述横向辐条固连围成具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的底面框；所述斜向辐条的上端分别与旋转连接件固连、下端分别与所述底面框的多边形相应顶点固连；所述底面框的多边形、斜向辐条、以及旋转连接件对应固连构成棱锥或棱台结构；

第二结构：所述下连接部包括一组第一横向辐条、一组径向辐条、一组第二横向辐条、以及一组斜向辐条或加强件，所述斜向辐条或加强件旋转对称地分布于垂向旋转轴线周围；所述第一横向辐条固连围成以旋转连接件为中心、且具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的上底面框，所述上底面框各顶点或其多边形各顶点与旋转连接件之间分别由径向辐条固连；所述第二横向辐条固连围成具有绕垂向旋转轴线旋转对称的多边形的下底面框，所述下底面框多边形与上底面框多边形之间具有彼此相同或整数倍的旋转对称性；所述斜向辐条或加强件的上端分别与上底面框相应顶点或其多边形相应顶点固连、下端分别与下底面框相应顶点或其多边形相应顶点固连；所述上底面框多边形、下底面框多边形、以及斜向辐条或加强件对应固连构成棱台结构。

4.根据权利要求1或2所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述上连接部包括一组均匀分布于垂向旋转轴线周围的悬臂，所述悬臂与叶片一一对应；所述悬臂的一端与叶片上部连接；所述悬臂的另一端与固连于旋转连接件上侧、且轴线与垂向旋转轴线重合的支撑轴固连。

5.根据权利要求4所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述上连接部采用第三或第四结构；

第三结构：所述上连接部的悬臂为水平布置的直线形悬臂，所述悬臂的一端与叶片上部连接，所述悬臂的另一端与支撑轴顶端固连；

第四结构：所述上连接部的悬臂为折弯式悬臂，所述悬臂由上水平段、倾斜段、下水平段依次相连而成；所述悬臂上水平段远离倾斜段的一端与叶片上部连接，所述悬臂下水平段远离倾斜段的另一端与支撑轴顶端固连；所述上连接部还包括由一组横向辐条固连而成的抗拉件，所述抗拉件具有与悬臂一一对应的顶点，所述抗拉件呈三角形、或呈十字形、或呈多边形所有对角线围成的形状；所述抗拉件的顶点分别与相应悬臂上水平段靠近倾斜段的部位固连；所述抗拉件、悬臂倾斜段、以及支撑轴顶端围成以垂向旋转轴线为中心轴的棱锥或棱台结构。

6.根据权利要求1或2所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述叶片的上端固连于上端部固定件，所述上端部固定件固定或转动连接于上板，所述上板固连于上连接部相应悬臂的一端；所述叶片的下端固连于下端部固定件，所述下端部固定件固定或转动连接于下板，所述下板固连于下连接部锥体底面的外侧或顶角处、或下连接部台体面积较大底面的外侧或顶角处。

7.根据权利要求6所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述上端部固定件与下端部固定件的结构相同，分别为具有流线形外边缘的板件，所述板件的板面与叶片相应端面固连，所述板件通过安装轴与相应的上板或下板固定或转动连接；当板件与相应的上板或下板转动连接时，所述板件具有的连接孔直接或经连杆与伸缩控制器的输出端传动连接。

8.根据权利要求1或2所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述叶片为具有流线形截面的集流叶片，所述截面由前缘点、后缘点、以及连接前缘点和后缘点的上轮廓和下轮廓所围成；所述叶片上外缘轮廓面为叶片的吸力面，所述上轮廓为吸力面与截面的交界线；所述叶片下外缘轮廓面为叶片的压力面，所述下轮廓为压力面与截面的交界线；该叶片由一组翼构件组成，相邻翼构件之间留有通气空间；所述翼构件包括一个头部翼件、至少一个中部翼件和一个尾部翼件；所述头部翼件靠近前缘点、且位于前缘点的斜上侧，所述尾部翼件靠近后缘点，所述中部翼件位于头部翼件和尾部翼件之间；所述头部翼件呈一侧为凸面、另一侧为凹面的弧形片状，所述头部翼件的凸面背离后缘点；所述叶片截面的上轮廓由头部翼件的凸面、以及中部翼件和尾部翼件的上部或部分上部共同构成；所述叶片截面的下轮廓由中部翼件和尾部翼件下部或部分下部共同构成；在叶片截面中，所述通气空间的进气口位于叶片的下轮廓所在侧、出气口位于叶片的上轮廓所在侧，且进气口大于出气口。

9.根据权利要求8所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述中部翼件由第一、第二片状件构成，第二片状件位于第一片状件的下方；所述第一片状件呈弧形、且其凸面靠近头部翼件；所述第一片状件凸面的上部与叶片截面上轮廓重合；所述第一、第二片状件两者一体成型或分别成型；所述第二片状件采用三段双折结构，即所述第二片状件分为上段、中段和下段；所述上段与第一片状件凹面相贴合，且第一片状件上端延伸超出所述上段；所述上段与中段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的下后方；所述中段与下段呈夹角布置，且该角的开口朝向该第二片状件的上前方；所述下段末端与第一片状体下端固连，且下段的外侧面与叶片截面下轮廓重合；

所述尾部翼件由第三、第四片状件构成，第四片状件位于第三片状件的下方，第三片状体两端分别与第四片状体的对应末端固连；所述第三片状件呈弧形、且其凸面靠近后缘点的部分与叶片截面上轮廓重合；所述第四片状体外侧面与叶片截面下轮廓重合；

所述通气空间靠近吸力面的部分沿气流方向逐渐收窄，且气流自出气口流出的方向与叶片吸力面相切。

10.根据权利要求1或2所述高效垂直轴风力机，其特征是，所述旋转连接件为法兰，所述法兰与支撑于塔架的负载动力输入轴固连，所述负载动力输入轴与塔架转动连接；所述棱锥为正棱锥，所述棱台为正棱台。