CN107201988A - 一种全升力叶片式垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全升力叶片式垂直轴风力机，包括：动力输出轴、与所述动力输出轴固定连接带动所述动力输出轴转动的支撑架、以及通过叶片转轴可转动地安装在所述支撑架上并推动所述支撑架带动所述输出轴转动的叶片；还包括驱动所述叶片转轴带动调整所述叶片功角的自适应调功角装置。本发明通过自适应调功角装置来适时调整叶片攻角，进而调整转速和力矩，提高风能利用率。

Description

一种全升力叶片式垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机，特别一种全升力叶片式垂直轴风力机，适用于风力发电及其他动力需求。

背景技术

当前广泛使用的风力发电机等风能机械绝大多数为水平轴式结构，它具有技术成熟、结构简单和效率较高等优点，成为现阶段商业运行的主要机型。但水平轴风能机械也存在以下不足：1、叶尖速高、噪音较大，不宜安装在人口较多区域。2、发电机和塔架处在叶片扫描区域中，造成截风面损失。3、发电机安放位置较高，增加支架成本费用。4、叶片运动方向与风向垂直，叶片转一周只能一次性截留风能。

而垂直轴的风能机械从理论上虽然可以克服以上不足，但却存在技术理论不成熟、结构较复杂和风能利用率不高等问题。从结构上分析，大部分属于阻力型叶片结构，尖速比小于1，故效率较低；不能调节转速和力矩，风大出力大，风小转速低。虽然之后出现了一些部分升力的垂直轴风力机械，但与普通阻力型风机一样，它们的叶片都是固定安装在支撑架上。运转中叶片与风的攻角不断变化，在一个运转圆周内仅有约1/3圆周产生驱动力矩，另有约1/3圆周产生阻力力矩，还有约1/3圆周是过度阶段。以上这些不足是影响垂直轴风力机械效率低的重要因素。

于是，出现了较多在运转中可以有限改变叶片攻角的垂直轴风力机的设计，但皆因攻角调整范围较小，不能任意角度转动叶片；调攻角机构复杂，调功角时耗能大、磨损多，以及生产困难、维护麻烦和运行成本高等因素未能投入使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种可适时调整叶片攻角，进而调整转速和力矩，提高风能利用率的全升力叶片式垂直轴风力机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造（与权利要求书相同，待定稿后补充）

实施本发明至少具有以下有益效果：本发明通过自适应调功角装置来适时调整叶片攻角，进而调整转速和力矩，提高风能利用率。

进一步的，通过自适应调功角装置使得叶片前端圆头持续保持在上风位置，产生升力型力矩，提高风能利用率。

进一步的，本发明的叶片呈流线型（或其它具有一定翼型的直叶片）剖面，叶片圆头型的前缘在运转中一直保持在上风位置，使叶片在工作圆周的迎风前、后半周均能获得升力型力矩，叶片转动一周能两次截留风能。

进一步的，叶片主要呈V型布局设计，叶片上部分较大的开口可增强风能利用率；叶片的下部、靠近转轴附近有利安装自适应调功角装置，由于紧靠转轴，使转动半径减到最小、运行路径缩短，降低了调功角部件的磨耗，简化了设计和制作。

进一步的，由叶片中轴线延长段连接一调攻角曲柄，调攻角曲柄向斜下方插入一个调攻角转盘的鱼眼转轴（带座外球面轴承）中转动配合；调攻角转盘可由电机带动改变倾斜角度，从而引导曲柄和叶片摆动，进而改变叶片的迎风攻角；进而可以根据风速和负荷大小调节转速和力矩等，使叶片在圆周的绝大多数位置都能产生驱动力矩，提高风能利用率。

进一步的，虽然是垂直轴风力机，还可安装对风偏航装置。因叶片呈V型布局设计，叶片调攻角曲柄、调攻角转盘设置在圆形平台上；圆形平台的下风半圆外侧连接尾舵，起到对风偏航作用，引导调攻角系统和叶片随时选择最佳风向位置。当然，大型风力机可用电子传感设备调节对风，可减去风尾舵。

进一步的，由于采用叶片中轴直接连接曲柄在圆盘中摆动来调整叶片，使叶片摆动自由度大且更精确；从结构上分析具有结构紧凑、制造容易、成本较低；运行中控制简单、故障率较低，保养维护费用较少等优点。

进一步的，由于发电机等负荷安装在风力机最下部，大大降低了支撑高度。甚至可以免除支撑架，将发电机等负荷直接安装在建筑物或山体顶部，大大减少安装和维保成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的调功角转盘风力机结构示意图。

图2是本发明的调功角转盘风力机工作原理示意图。

图3是本发明的调功角转盘风力机工作原理立体结构示意图。

图4是本发明的风力机叶片出力原理示意图。

图5是本发明的调功角转盘风力机的对风系统工作原理示意图。

图6是本发明的调功角转盘风力机直观图。

图7是本发明的电控叶片功角风力机结构示意图。

图8是本发明的电控叶片功角风力机对风系统工作示意图。

图9是发明的电控叶片功角风力机小型风尾舵配合传感器的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，是本发明的全升力叶片式垂直轴风力机的一个实施例的示意图，在本实施例中，该风力机具有四组叶片。该风力机包括叶片和支撑架、调攻角装置、及对风导流装置三大部分。

如图1所示，动力输出轴1插入机架轴套2中独立转动，动力输出轴1的上端刚性连接上支撑架3和下支撑架4；叶片5下端通过叶片轴线6呈V型布局并由转轴可转动连接在上支撑架3的外端轴孔内；叶片5的顶部也可设置加固件，起到增加叶片强度的作用。叶片上部分较大的开口可增强风能利用率；叶片的下部、靠近转轴附近有利安装自适应调功角装置，由于紧靠转轴，使转动半径减到最小、运行路径缩短，降低了调功角部件的磨耗，简化了设计和制作。

叶片5的翼型剖面为流线型，叶片5的前缘7为圆头、后部为尖形的直叶片，叶片数量一般在两片或两片以上；叶片5的中弧线与弦线重合，故亦称对称翼型（或其它有利在上、下风半圆都能获得同方向力矩的不对称翼型）；叶片轴线6设置在叶片5截面压力中心附近的弦线上，叶片轴线6下端通过万向节8垂直连接调攻角曲柄9，该调攻角曲柄9可转动、穿过下支撑架4外端的轴孔。调攻角曲柄9包括竖直段、水平段以及扭转段；其形状是：水平段在竖直段的末端、向风的垂直方向弯曲第一角度，在本实施例中，该第一角度约90度（可以理解的，其他角度也是可以的），扭转段在水平段的末端、往回弯曲成锐角（或钝角），并向逆风（或顺风）方向扭转第二角度，在本实施例中，该第二角度约45度（见图3，可以理解的，其他角度也是可以的）。该竖直段竖直设置，并通过万向节与叶片转轴连接；该曲柄的扭转段的最下端斜向可滑动地插入鱼眼转轴（带座外球面轴承）14中。可以理解的，该调攻角曲柄9的形状可以根据实际进行设计，只能能够实现带动叶片5转动即可。

上支撑架3的圆周上开设有第一开孔；该第一开孔与动力输出轴形成一定夹角，叶片转轴可转动插入安装在第一开孔中。下支撑架的圆周上开设有与第一开孔相对的第二开孔，调功角曲柄的竖直段可转动插入第二开孔中，并通过万向节与穿出第一开孔的叶片转轴的末端连接，从而可以利用调功角曲柄通过万向节带动叶片转轴转动，进而调整叶片的功角。

见图1、图2、图3，本发明的风力机的自适应调功角装置包括安装在圆形平台10上面的调功角转盘11、托架12、调节电机13和调攻角曲柄9等。调功角转盘11由滚动轴承组合，包括通过滚珠可相对转动连接的内圈和外圈。滚动轴承外圈（或内圈）上设置有与叶片5数量相等的鱼眼转轴14，用于供调攻角曲柄9可滑动地插入；在轴承内圈（或外圈）垂直风的直径方向两端设有转轴15并可摆动地插入托架12中；轴承内圈（或外圈）的上风（或下风）位置附近位置设有螺母推拉板16，电机13带动螺杆17和螺母推拉板16使调功角转盘11整体绕轴线15上下摆动。

图1中，因调攻角转盘11呈水平状态，101是输出轴圆心，201是调功角转盘11的圆心，它们的圆心距20；此时所有调攻角曲柄9的方向和摆角均一致、最末端均按相同方向向斜下方插入鱼眼转轴14中，并带动全部鱼眼转轴14绕轴心201同步转动；同时，各叶片功角都为0度（见图2a）不产生驱动力，各个鱼眼转轴14的圆心连线18为正圆；并且每个鱼眼转轴14圆心与万向节垂线的水平方向的圆心距21与圆心距20长度相等、方向一致。

见图1、图5，本发明的风力机对风导流装置包括圆形平台10、风尾舵19等。圆形平台10通过轴承套装在机架轴套2外面并可独立转动；圆形平台10的下风半圆外侧连接一种沿叶片4外侧向上延伸的风尾舵19，风尾舵19可带动圆形平台10和调功角装置整体摆动对风，应对风向的变化。当然，对风导流装置也可以采用电子传感等其他技术方式调节角度，可弃用凤尾舵等，简化结构降低成本。

图2、图3为一组叶片在四个不同位置调整叶片攻角的工作过程。见图2a、图3 a此时圆形调功角转盘11呈水平状态，鱼眼转轴14的圆心连线18为正圆；所有调攻角曲柄9的方向和摆角均一致、叶片功角均为0度（见图2a）不产生驱动力。

见图2b、图3b当风力机起动或需增大转速时，由电机13带动螺杆17、进而推动螺母推板16和圆形调功角转盘11以转轴15轴心摆动，使圆形调功角转盘11的迎风前半圆上抬、后半圆下降；此时处在前半圆位置的鱼眼转轴14向上推动向斜前方倾斜的调攻角曲柄9下端前移、并绕下支撑架4外端轴孔顺时针方向转动（见图3），通过万向节8同步带动叶片5同向转动形成迎风功角，产生转动力矩，图中约8度，使驱动轴1按顺时针方向转动；

相反的，此时圆形调功角转盘11的迎风后半圆下降，使处在后半圆的鱼眼转轴14向下推动向斜前方倾斜的调攻角曲柄9下端后移、并绕下支撑架4外端轴孔逆时针方向转动（见图2、3），通过万向节8同步带动叶片5同向转动形成相反的迎风功角，图中约-8度，产生与前半圆叶片相反的力矩，使动力输出轴1均按顺时针方向转动（见图4）。

图中可见，叶片5在迎风前半周产生顺时针方向驱动力矩，图上攻角约+8°；当叶片5转动到迎风后半周（图2a右边）时，叶片5改变为与前半周相反的攻角并产生相反方向的力矩，图上攻角约-8°。根据空气动力原理，在下风半圆的叶片5同样产生顺时针方向驱动力矩，故本实施例的风力机在一个工作圆周内有两次切割风力，效率有较大提高。

见图2、3，当风力机需要减小转速或力矩时，由电机13带动螺杆17、拉动调功角转盘11以转轴15为轴心摆动，使圆形调功角转盘11的迎风前半圆下降、后半圆上抬，进而推动调攻角曲柄9转动，通过万向节8同步带动前、后半圆的叶片5均减小了迎风功角，产生力矩也相应减小，转速有所降低。当然，如果将调功角转盘11的迎风前半圆继续下降到水平位置以下，可以使叶片5的功角转向与上述相反的角度，风力机还可以向反向旋转。

由此可见，本发明风力机的流线型叶片5的圆头前缘7一直保持在上风方向，并在一个工作圆周中有两次工作过程，几乎在圆周所有位置上都能产生同向驱动力矩（见图4），并可根据负荷需求适时调整转速和力矩，提高了风能利用率，更广泛适应不同的需求。图中显示，叶片5仅在图中最高和最低点位置附近时才不产生驱动力矩。

图5说明本发明的风力机在风向改变时对风装置的工作过程。图5a中，当风向来自图左侧（见实线箭头）时，此时，对风尾舵19与风向平行，使圆形平台10静止不动、调攻角转盘11处于适当角度，叶片5具有适当功角输出动力；当风向转变到图5a左下角（见虚线箭头）时，对风尾舵19受风力推动向上抬升，并带动圆形平台10、调攻角转盘11等整体以动力输出轴1为圆心转动到图5b的位置，当对风尾舵19与风向平行时停止转动。见图5b，尽管风向已转变约45°（见实线箭头），相应的调攻角转盘11等也随之转动，但叶片5的迎风攻角并未改变，仍然输出相同的力矩。所以，本发明的风力机可以自动准确适应各方向来风，在风向变化时完全不影响风力机的正常运行。

当然，对风机构还可采用其他结构形式，如采用电子传感设备调节对风，可减去风尾舵等设备。

本发明的风力机叶片布局也可呈倒V型、H型、U型、φ型等。

图6是本发明的风力机结构直观图。

图7是本发明的全升力叶片式垂直轴风力机的另一个实施例的示意图，采用电动控制叶片攻角的风力机。因本发明的风力机叶片圆头前端一直处在上风位置，故驱动轴1公转一周，叶片轴6按相反方向自传一周。为简化结构，本方案可减去调功角和对风尾舵装置，具体方案是：在每个支撑架3上安装的叶片轴电动机36通过齿轮驱动叶片轴6下端齿轮37，叶片轴电动机36的输出轴上设有与下齿轮37啮合的驱动齿轮，从而带动叶片5自传，使叶片圆头一直朝上风、并形成有效的出力的功角。从图8所见，叶片（叶片轴6）在工作圆周的迎风前、后半圆弧段比须有不同的角速度方能形成出力功角。可以理解的，可以由外部控制系统根据风向以及叶片的位置来控制叶片轴电动机的转动角度及时机，进而可以有效的控制叶片的功角。

见图7，在机架轴套的平台38的外侧装有多个向外上方延伸的风向和风速传感器39。其中风向传感器采集风向变化数据，通过电脑程序控制叶片轴电动机36转动，使工作圆周内垂直风方向的轴线40两端的叶片5功角必须为0度。见图8是风向变化的工作示意图，当风向变化时，轴线40随风向摆动，但轴线40两端叶片功角始终控制为0度。

当风力机需改变转速或力矩时，电脑程序控制叶片轴电动机36在一个工作圆周内变化自转转速，控制叶片5在工作圆周的迎风前、后半圆弧段改变自传的角速度，形成能够产生同向旋转力矩的功角（见图8），但叶片转动到轴线40两端时须回复到0度。所以，本发明的风力机叶片轴6自转速度虽然与驱动轴1转速相同、反向相反，但叶片轴6在叶片迎风前、后半圆弧段的角速度发生变化方能形成旋转力矩的功角。

图9是一种小型风尾舵配合风向风力传感器的结构。小型风尾舵41通过轴承套装在机架轴套2外面并可独立转动，在其前后等位置安装有多个风向风速传感器39，小型风尾舵41随风向摆动对准风向，在风尾舵41带动风向风速传感器39定向的情况下，能够更方便和准确地配合叶片功角调整。

可以理解的，上述实施例的夹持装置的各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种全升力叶片式垂直轴风力机，包括：动力输出轴、与所述动力输出轴固定连接带动所述动力输出轴转动的支撑架、以及通过叶片转轴可转动地安装在所述支撑架上并推动所述支撑架带动所述输出轴转动的叶片；其特征在于，还包括驱动所述叶片转轴带动调整所述叶片功角的自适应调功角装置。

2.根据权利要求1所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述自适应调功角装置包括安装平台、至少两相对固定安装在所述安装平台上的托架、通过转轴可转动安装在所述托架之间的调功角转盘、安装在所述安装平台上驱动所述调功角转盘绕所述转轴转动的调节电机、以及与所述叶片数量相等连接在所述叶片与所述调功角转盘之间的调功角曲柄；

所述调功角转盘的圆周上设置有与所述叶片数量相等的鱼眼转轴；所述调功角曲柄可滑动地插入所述鱼眼转轴中，并在所述调功角转盘转动时，带动所述调功角曲柄转动以带动所述叶片调整功角。

3.根据权利要求2所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述调攻角曲柄包括竖直段、水平段以及扭转段；所述水平段在所述竖直段的末端、向风的垂直方向弯曲第一角度，所述扭转段在水平段的末端、往回弯曲成锐角或钝角，并向逆风或顺风方向扭转约第二角度；

所述竖直段竖直设置，并通过万向节与所述叶片转轴连接；所述扭转段的最下端可滑动地斜向插入所述鱼眼转轴中。

4.根据权利要求3所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述支撑架包括与所述动力输出轴的上端刚性连接的上支撑架和下支撑架；

所述上支撑架的圆周上开设有第一开孔；所述第一开孔与所述动力输出轴形成一定夹角，所述叶片转轴可转动插入安装在所述第一开孔中；

所述下支撑架的圆周上开设有与所述第一开孔相对的第二开孔，所述调功角曲柄的竖直段可转动插入所述第二开孔中，并通过所述万向节与穿出所述第一开孔的所述叶片转轴的末端连接。

5.根据权利要求3所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述调功角转盘由滚动轴承组合，包括通过滚珠可相对转动连接的内圈和外圈；

所述鱼眼转轴设置在所述外圈或内圈的圆周上；所述转轴设置在所述内圈或外圈垂直风的直径方向两端，并分别可摆动地插入所述托架中。

6.根据权利要求5所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述内圈或外圈的上风或下风位置设有螺母推拉板，所述电机带动螺杆和螺母推拉板使所述调功角转盘整体绕所述转轴的轴线上下摆动。

7.根据权利要求2-6任一项所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述安装平台为可转动安装在所述动力输出轴外围的圆形平台；在所述圆形平台的圆周上安装有对风尾舵。

8.根据权利要求1所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述自适应调功角装置包括在所述支撑架上安装的、与所述叶片转轴一一对应的叶片轴电动机、以及固定安装在所述叶片转轴上的下端齿轮，所述叶片轴电动机的输出轴上设有与所述下齿轮啮合的驱动齿轮，从而带动所述叶片转动。

9.根据权利要求8所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述全升力叶片式垂直轴风力机还包括固定设置在所述动力输出轴外围的平台，所述平台的外侧装有多个向外上方延伸的风向和风速传感器。

10.根据权利要求8所述的全升力叶片式垂直轴风力机，其特征在于，所述全升力叶片式垂直轴风力机还包括小型风尾舵，所述小型风尾舵通过轴承套装在所述动力输出轴外围并可独立转动，并安装有多个风向风速传感器。