CN108343544B - 迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，包括垂直轴、横轴和叶片；垂直轴上垂直固定安装有横轴，且横轴为正偶数根，所有横轴的轴心线位于同一个旋转平面上，且每根横轴上都安装有叶片；叶片包括两块转板，两块转板为关于旋转平面对称设置且铰连接于横轴上；其特征是：两块转板均为轴心线与相铰连的横轴的轴心线平行的弧形板状结构；两块转板均能够围绕该横轴旋转，且当两块转板上远离横轴的外端距离旋转平面最远时，两块转板共同围形呈半圆管形结构；且当两块转板上远离横轴的外端距离旋转平面最近时，交汇于旋转平面；每块转板以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型。本发明具有更高的流体动能转换率。
Description
技术领域
本发明属于流体动能转换装置领域，具体涉及一种迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机。
背景技术
人类的生活离不开能源，然而，能源的获取面临着很大的困境：
一、除在利用自然界流体动能转换外，绝大部分是用地壳中的化石能源，煤、天然气、石油、核能，但经统计和预测，化石能源在不久的将来会枯竭，迫使人们必须尽快找到新的能源来满足人类的需要；
二、更为严峻的是化石能源的使用，已造成二氧化碳不断排放累积于空间，形成了严重的温室效应，地球温度不断升高，南、北极冰川面积不断缩小，如不加以节制二氧化碳的排放，即将产生破坏地球生态平衡，以及影响到人类的生存。该问题早也已经引起国际社会的关注，各国都在加快技术探索，努力寻找转换绿色能源的新途径，减少化石能源的利用，尽快跟上“巴黎协议”的新要求。
在自然界中，水能与风能存量丰富，人类很早就开始利用这两种清洁能源来为人类服务(例如：水轮机和风车)。目前，各国对水能的利用主要采用拦坝汇集提高水位，利用水的重力势能转换能源的方式。但上述水能利用方式不仅成本巨大(不仅投资巨大，还需大量经费来转移群众)，还不利于地球的结构平衡(如：淹没土地和良田，破坏生态，影响气候等)。另外，据悉世界总风压能约在200亿千瓦左右，风能的利用相较于水能利用而言更为清洁环保，各国都竞相加大了对风能转换的投入，最大限度的获取绿色能源，以此来改变能源结构。
当前，风能转换方式主要由以下两种：一种是水平轴风力机(来流方向与风轮转轴呈水平关系)，另一种是垂直轴风力机(来流方向与风轮转轴呈垂直关系)。其中，现有的水平轴型风力机的优点是风能利用率高，根据中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验，实测的利用率在23％～29％[1]；但水平轴型风力机的缺点也较为明显：①启动风速高；②叶片所受交变荷载，对叶片的疲劳强度非常不利；③噪声大；④变速箱、发电机必须置于几十米高空，安装投资大，维护困难。
现有的垂直轴风力机分为：a、阻力差型(savonins萨沃纽斯S型风力机)，b、升力型(由法国科学家达里厄发明形状分H和Φ型风力机)，c、升力型与阻力型混合风力机等[2]。
而现有的垂直轴风力机所具有的优点【3】是：①起动风速低；②变速机构及电机安装于地面，维护简单；③投资较水平轴风力机少50％左右；④由于叶尖速比低，噪声很低，利于环保。现有的垂直轴风力机的主要缺点是：①风能利用率较低。现有的垂直轴风力机主要是垂直轴阻力差型风力机，最为典型的就是萨沃纽斯S型风力机，利用顺风和逆风时受风曲面形状不同产生不同的阻力系数差，来扭动风轮转动。
下面根据流体动力学原理，对采用物体阻力系数最大的半圆柱壳的萨沃纽斯S型风力机的风能利用率低的原因进行说明：
顺风流体作用于叶片凹形曲面的阻力为：
逆风流体作用于叶片凸形曲面的阻力为：
其中：ρ-流体密度
A-迎流横截面积
Cd-凹形曲面阻力系数
C’d-凸形曲面阻力系数
V∞-无穷远处来流速度
u-叶片的线速度
Cd、C’d为常数时，则可得到风轮的功率输出：
则流体能最大功率利用系数为：
若令Cd》C’d，V∞》u，省去式中的C’d(V∞+u)2这一项，取风速减少率：
可得：
其中P0为输入的流体能，令
即：Cda(2-3a)＝0，解得：a＝0,
a＝0，表明叶片没有作功，所以
时可获得最大功率：
该式为设计叶片获得最大功率系数的理论公式[4]。
而该理论教学中，所取Cd＝1.3，则计算的阻力差型可能达到的最大功率系数为：
上式中的Cd是全大于凸型迎逆流的阻力系数，实际是凹凸物体在迎流中阻力系数差值的表示，取值是不严密的。
但根据历史以来所实验测试在不同雷诺数条件下的几种典型物体迎流阻力系数值【4】，以及各种教科书表明，只有半圆管，在雷诺数为104～106范围，凹凸在迎流时阻力系数的差值应为Cd2.3-C’d1.2＝C*d1.1,C*d1.1为综合最大差值。由此以上取值Cd＝1.3较大。对于S型(savonius)萨沃纽斯风力机，在错位安装叶片，多个文献阐述获得最大功率利用率也不超过15％[3]。
综上，相对于水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机的风能利用率较低，因而发展较慢，没有大量用于风能转换。
除开以上缺点外，现有的垂直轴风力机还存有的主要缺点是：②垂直轴型风力机不能对受风面进行截面调节和安装停运装置，进而在强流状态下容易遭受结构性破坏。
另外，现有技术中公告号为：CN102287324B，名为“一种自动改变动作面积之风车叶片结构”(参见本说明书附图1和图2所示)，该技术方案：包含有一主轴10，主轴10之第一端系水平固设于风车之旋转轴100上；一上叶片20以及一下叶片30系分别装设于主轴10之第二端。主轴10之第二端系横向形成有一上弧形槽11以及一下弧形槽12。上弧形槽11之底缘与上缘系分别设有一下挡止部111以及一上挡止部112，其中，下挡止部111与水平面之夹角θ1系不小于0度；而上挡止部112与水平面之夹角θ2系不大于90度。下弧形槽12具有一下挡止部121，下弧形槽12之下挡止部121系垂直于水平面。
上叶片20之一侧系装设于上弧形槽11中，并可沿上弧形槽11作摆动；而下叶片30之一侧系装设于下弧形槽12中，并可沿下弧形槽12作摆动。
上述“自动改变动作面积之风车叶片结构”的工作原理如下：
当处于迎风面时，上叶片20因风力之作用而向上偏摆，并贴抵于上挡止部112，而下叶片30则贴底于下弧形槽12之下挡止部121。如此即可搭配上叶片20与下叶片30利用风力并透过主轴10来驱动风车之旋转轴100转动，从而对风能进行转换利用。当转动至背风时，此时由于风力作用于上叶片20之背面，因此，上叶片20会因风力之作用与本身所受之重力而向下摆动，并贴抵于下挡止部111，而下叶片30则受背风之作用，朝向上叶片20偏摆，如此即可于背风时，降低风阻避免处于背风状态之叶片干涉处于迎风状态下之叶片作功，可大幅提升风力之运用效能。
但申请人经仔细研究后发现该“自动改变动作面积之风车叶片结构”仍存有以下不足之处：
其结构中：主轴10的上弧形槽11与下弧形槽12之间设置有起到阻隔作用的下挡止部111。该下挡止部111用于在背风环境中，对上叶片20和下叶片30的收拢形成限位，并使得上叶片20和下叶片30在迎风时能够顺利张开(若不设置下挡止部111，则上叶片20和下叶片30会在背风作用下贴合连接在一起，并难以在迎风作用下张开)。但该下挡止部111的设置，同样也使得上叶片20和下叶片30具有夹角，并使得上叶片20和下叶片30在背风时形成更大的迎风面，并具有更大的风阻系数，致使该“自动改变动作面积之风车叶片结构”的风动能转换效率难以提高。
基于上述背景，申请人考虑设计一种流体动能转换率更高的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机。
备注：上文中引用的参考文献分别为：
[1].《水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究》上海电力，2007年第二期，蒋超奇，严强；
[2].《垂直轴风力发电技术综述及研究进展》江苏大学，杨益飞，潘伟。中国机械工程第24卷第五期2013年3月；
[3].高等学校试用教材《流体力学与流体机械》，屠大燕，主编，中国建筑工业出版社；
[4].华北电力大学《风力发电原理》，主编及制作：刘赟,中国水利水电出版社。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种流体动能转换率更高的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，包括垂直轴、横轴和叶片；所述垂直轴用于垂直于来流方向设置且向外输出转换动能，所述垂直轴圆周方向的侧面上垂直固定安装有所述横轴，且所述横轴为在所述垂直轴的圆周方向上均匀间隔设置的正偶数根，所有横轴的轴心线位于同一个旋转平面上，且每根横轴上都安装有所述叶片；所述叶片包括两块转板，所述两块转板为关于所述旋转平面对称设置且铰连接于横轴上；
其特征在于：所述两块转板均为轴心线与相铰连的横轴的轴心线平行的弧形板状结构；两块转板均能够围绕该横轴旋转，且当两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最远时，两块转板共同围形呈半圆管形结构；且当两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最近时，交汇于所述旋转平面；
每块转板以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型，且该翼型的前缘朝向背离所述垂直轴的外端方向，该翼型的下翼面面向所述旋转平面。
本发明的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，在使用前，将垂直轴垂直于来流方向设置，且将垂直轴的端部与动能转换装置(例如发电机)驱动相连(通过联轴器、齿轮或皮带相连)。
其次，在转换流体动能的过程中，两块转板均能够围绕该横轴自动旋转呈凹型面迎流和凸型面迎流。其中，当横轴上的两块转板为凹型面迎流时(两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最远)，两块转板共同围形呈具有最大阻力系数(2.3)的半圆管形结构。与此同时，与该横轴相平行的另一根横轴上的两块转板为凸型面迎流(两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最近并交汇于所述旋转平面)，两块转板完全闭合并使得叶片外形呈风阻系数更低的流线型结构。而且，凸型面的迎流截面面积可设计为小于凹型面的迎流截面的五分之二，使得凸型面与凹型面之间在来流作用下具有更大的阻力差，从而使得本发明的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机具有更高的动能转换效率。
与此同时，因为“每块转板以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型，且该翼型的前缘朝向背离所述垂直轴的外端方向，该翼型的下翼面面向所述旋转平面”，所以，在转换流体动能的过程中，翼型的前缘在来流的作用下，会产生形成一个作用于翼型的下翼面的升力，从而促使同一横轴上的两块转板在完全闭合后能够利用流体动能来自动张开(详细内容请参见“具体实施方式”中“本发明迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机的运行说明”)。且当翼型的弦线与迎流之间的夹角大于零度时，同一横轴上的两块转板将是凹型迎流，此时，凹型阻力共同促使两块转板张开，再次对流体的动能进行转换。
综上，可知，本发明的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机不仅能够通过叶片完全闭合来获取更小的阻力系数，从而提高阻力差型流体动能的转换效率；且还能够在叶片完全闭合后，再利用流体动能来自动快速地张开叶片吸能，使得本发明的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机能持久可靠地对流体动能进行转换。
作为优选，位于同一横轴上的两块转板在以垂直于该横轴长度方向的平面为剖切面的断面形状与镰刀的刀片形状相匹配，该刀片形状为沿弧长且向远离该横轴的方向的厚度逐渐减小。
实施上述优选技术方案后，当横轴数量为四根时，四根横轴在流场中处于四个不同方向。且当其中两根横轴平行于流线方向，另外两根横轴垂直于流线方向，垂直于流线方向的两根横轴上的两个叶片分别位于垂直轴的两边，且其中一个叶片张开后将获得最大的阻力，该处叶片为凹型迎流；而另一个叶片也是垂直于流线(逆流)，该叶片的外形能够形成阻力系数最低(小于等于0.08)的水滴型，迎流截面只有自身张开最大截面的35％。这样一来，即使得本发明能够获得凹凸迎流最大的阻力差值，进而获得34％的高流体动能转换效率。具体计算过程如下：
根据风洞实验所做的流线体阻力测试结果(如图3所示)可获知，在雷诺数Re≥4×105,流线体的厚度t(即流线体最大截面)和L弦长(即流线体最大弦长)之比，即t/L＝0.25时，摩擦阻力和压差阻力，即总阻力系数只有Cd＝0.06。由此，该优选技术方案中我们利用水滴流线型体的实验数据t/L和CD设计的叶片自动闭合时形成的流线体最大厚度与弦长之比取≤0.4，而阻力系数也取≤0.08。由此，根据逆流的反力矩力公式：
带入流线体厚度的截面面积和阻力系数，计算得：
从以上推导中：此时该变形后的阻力系数值为10-2的数量级，此项才可以忽略凸面迎逆流时的阻力系数C’d。基本上没有阻力差值出现，在公式
中，我们完全可取Cd＝2.3(该系数为半圆管凹型面，本设计也处于最大阻力设计)。那么，本发明的最大功率系数为
比不变形垂直轴阻力差风力机的利用率(教学最大不严密推导值)19.3％提高了14.79％。比萨沃纽斯S型风力机的15％最大功率系数，整整提了19.07％。
除开上述优点以外，采用上述优选技术方案后，可使得每块转板与横轴相连接处为转板的最厚位置处，这样不仅更便于将铰链焊接在此处，从而采用铰链来将转板便捷地安装到横轴上；还能够更好地确保转板与横轴之间的连接牢固度，提升结构的可靠性。
作为优选，所述叶片的密度与流体的密度相同。
实施上述优选技术方案后，叶片的密度与流体密度相当(或叶片重量轻至在流体作用力即可使得叶片张开或闭合)，或相当于流体中的潜体，使得叶片能够在流体中随意运动，进而使得叶片在流体作用力很少时也能够快速的闭合并形成了流线型体，降低凸型面的风阻系数，提高流体动能转换效率。
作为优选，每块转板通过铰链铰接于横轴上。
每块转板分别通过铰链(例如：母子铰链)安装在横轴上，且根据设计的叶片最大承受作用力的大小来采用两个以上的铰链，以防止对剪力筋片、剪力筋条和铰链的破坏。
作为优选，每块转板包括外侧蒙皮、内侧蒙皮、剪力筋片和剪力筋条；所述外侧蒙皮、内侧蒙皮均为壳片状结构，且每块转板的弧形板状结构的外凸表面为所述外侧蒙皮，内凹表面为所述内侧蒙皮；所述外侧蒙皮与内侧蒙皮之间固定连接有所述剪力筋片，且所述剪力筋片为沿转板的轴向间隔设置的多块；所述剪力筋条整体呈长条形且密封固定连接在转板与横轴相铰接的侧端。
上述优选的转板结构，不仅具有更轻的重量，使得转板能够更快捷地在流体作用下运动，降低转换启动力。还通过剪力筋片来更好地保持转板(外侧蒙皮与内侧蒙皮)的外形，使得转板具有足够的强度、刚度和寿命并可持久地转换流体动能。通过剪力筋条来焊接母子铰链，加强转板与横轴相铰接位置的结构强度，提升可靠性。
作为优选，所述内侧蒙皮的强度大于等于所述外侧蒙皮的强度。
本发明中，叶片采用柱壳结构的曲面设计，内曲面的曲线必须设定为获得最大阻力系数半圆柱壳形状，同时配合外曲面在闭合时设计成最大两叶片张开凹型迎流面积的35％的逆流迎流截面，并形成流线型体，每个转板的内侧蒙皮先用能承受的流体剪切应力强度材料(具有强度的轻质材质)，外侧蒙皮选用更为轻质的一般性材料，以上所有结构件组合成一个整体，且形成为一个叶片，可使得叶片体积和重量最大限度相当于流体密度，或在运动绕流时摩擦力和阻力能够使两个转板旋动。
作为优选，所述外侧蒙皮和内侧蒙皮均由轻质材料制得。
实施时，所述轻质材料可采用玻璃纤维、碳纤维或铝皮中的一种。
这样一来，即可使得外侧蒙皮和内侧蒙皮具有玻璃纤维(与增强环氧树脂或增强聚酯树脂相配合使用)和碳纤维(与增强环氧树脂配合使用)所具有的质量轻、抗疲劳、抗拉强度和结构强度高的优点。
作为优选，迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机还包括卡位结构，所述卡位结构包括固定座和带有活塞推杆的限位件；所述固定座为与所述横轴一一对应固定设置的多个，每个固定座上固定安装有一个所述限位件，所述限位件的活塞推杆的外端指向对应同一横轴上的两块转板与该横轴相铰连处，且所述活塞推杆伸出后能够与两块转板的端部相抵接并限位。
采用上述卡位结构后，能够在出现强流时，让活塞推杆伸出，并使其与两块转板的端部相抵接来使得两块转板上远离横轴的外端交汇于所述旋转平面(即使得同一横轴上的两块转板闭合)，形成最小风阻结构，防止强流对叶片的冲击破坏。
作为优选，所述横轴上沿长度方向间隔设置有至少两个安装孔，所述固定座整体为一端为封闭端另一端为开口端的套筒型结构，所述固定座上具有插接并贯穿所述安装孔的连接柱，所述连接柱上露在安装孔外的一端旋接有锁紧螺母；
所述限位件整体为杆状，且该限位件的一端为驱动端，另一端为限位端；
所述驱动端滑动密封插接在所述固定座内且与该固定座之间共同形成有压力腔，所述固定座的外壳上设置有与该压力腔连通的高压通道，且所述驱动端端面与所述固定座的内侧面之间连接有回位弹簧；
所述限位端露在固定座外且整体呈楔形体状。
采用上述优选的限位件和固定座的结构后。在使用时，通过限位端即可对单个叶片的两块转板的旋转形成限位，并可确保两块转板在迎流时形成迎流最大截面面积。如果遇到强流而超过设计转换机系统强度，置于转换机构上的自控油泵通过油管向压力腔中输送液压，从而使得限位端伸出并下移至卡接在两块转板与该横轴相铰连处(两块转板的简力筋条处)，使叶片闭合形成流线体且无法张开。则这个流线体截面面积很小，使得强流的破坏力降低，使得本发明能够能承受各种强流强度。当强流解除后，油泵回流，弹簧回位，重新可靠快速地恢复流体动能转换功能。
如果本发明要安装在没有特殊强流的环境和地域，就不需要卡位调节液压装置，只安装简单的限位卡紧固件即可。
作为优选，所述限位件为液压缸、气缸或电动推杆中的任意一种。
且当所述液压缸或气缸中的任意一种时，优选液压缸和气缸与相应的驱动源之间采用旋转接头相连接。
附图说明
图1为公告号为：CN102287324B，名为“一种自动改变动作面积之风车叶片结构”的结构原理示意图。
图2是图1中叶片的动作示意图。
图3为水滴形流线型体在风洞实验中所做的阻力测量曲线图。
图4为本发明的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机的立体结构示意图。
图5为图4的俯视图。
图6为图5的A向视图。
图7为图5的B向视图。
图8为图5的C向视图。
图9为图5的D向视图。
图10为图5中E-E剖视图。
图11为图5中F-F剖视图。
图12为卡位结构处的结构示意图。
图13为图12的G向视图。
图4至图13中标记为：
1垂直轴；
2横轴；
3叶片：31转板，32翼型，33前缘，34下翼面，35刀片形状，36外侧蒙皮，37内侧蒙皮，38剪力筋条；
4固定座，41压力腔，42高压通道；
5限位件，51驱动端，52限位端；
6回位弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。
具体实施时：如图4至图13所示，迎流体叶片3自动变形垂直轴1阻力差型动能转换机，包括垂直轴1、横轴2和叶片3；所述垂直轴1用于垂直于来流方向设置且向外输出转换动能，所述垂直轴1圆周方向的侧面上垂直固定安装有所述横轴2，且所述横轴2为在所述垂直轴1的圆周方向上均匀间隔设置的正偶数根，所有横轴2的轴心线位于同一个旋转平面上，且每根横轴2上都安装有所述叶片3；所述叶片3包括两块转板31，所述两块转板31为关于所述旋转平面对称设置且铰连接于横轴2上；
所述两块转板31均为轴心线与相铰连的横轴2的轴心线平行的弧形板状结构；两块转板31均能够围绕该横轴2旋转，且当两块转板31上远离横轴2的外端距离所述旋转平面最远时，两块转板31共同围形呈半圆管形结构；且当两块转板31上远离横轴2的外端距离所述旋转平面最近时，交汇于所述旋转平面；
每块转板31以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型32，且该翼型32的前缘33朝向背离所述垂直轴1的外端方向，该翼型32的下翼面34面向所述旋转平面。
其中，位于同一横轴2上的两块转板31在以垂直于该横轴2长度方向的平面为剖切面的断面形状与镰刀的刀片形状35相匹配，该刀片形状35为沿弧长且向远离该横轴2的方向的厚度逐渐减小。
其中，所述叶片3的密度与流体的密度相同。
其中，每块转板31通过铰链铰接于横轴2上。
其中，每块转板31包括外侧蒙皮36、内侧蒙皮37、剪力筋片和剪力筋条38；所述外侧蒙皮36、内侧蒙皮37均为壳片状结构，且每块转板31的弧形板状结构的外凸表面为所述外侧蒙皮36，内凹表面为所述内侧蒙皮37；所述外侧蒙皮36与内侧蒙皮37之间固定连接有所述剪力筋片，且所述剪力筋片为沿转板31的轴向间隔设置的多块；所述剪力筋条38整体呈长条形且密封固定连接在转板31与横轴2相铰接的侧端。
其中，所述内侧蒙皮37的强度大于等于所述外侧蒙皮36的强度。
其中，所述外侧蒙皮36和内侧蒙皮37均由轻质材料制得。
实施时，所述轻质材料可采用玻璃纤维、碳纤维或铝皮中的一种。
其中，迎流体叶片3自动变形垂直轴1阻力差型动能转换机还包括卡位结构，所述卡位结构包括固定座4和带有活塞推杆的限位件5；所述固定座4为与所述横轴2一一对应固定设置的多个，每个固定座4上固定安装有一个所述限位件5，所述限位件5的活塞推杆的外端指向对应同一横轴2上的两块转板31与该横轴2相铰连处，且所述活塞推杆伸出后能够与两块转板31的端部相抵接并限位。
其中，所述横轴2上沿长度方向间隔设置有至少两个安装孔，所述固定座4整体为一端为封闭端另一端为开口端的套筒型结构，所述固定座4上具有插接并贯穿所述安装孔的连接柱，所述连接柱上露在安装孔外的一端旋接有锁紧螺母；
所述限位件5整体为杆状，且该限位件5的一端为驱动端51，另一端为限位端52；
所述驱动端51滑动密封插接在所述固定座4内且与该固定座4之间共同形成有压力腔41，所述固定座4的外壳上设置有与该压力腔41连通的高压通道42，且所述驱动端51端面与所述固定座4的内侧面之间连接有回位弹簧6；
所述限位端52露在固定座4外且整体呈楔形体状。
其中，所述限位件5为液压缸、气缸或电动推杆中的任意一种。
本发明的技术方案是：在垂直轴中心垂直于垂直轴贯穿安装等距正交十字型的横轴。把横轴等距形成的圆周自然分成相邻90°的四个区域。把四个叶片分别以纵向中心线顺一个方向安装在横轴上。
本叶片采用柱壳曲线设计，曲线设计是要获得最大的阻力凹形截面和闭合形成流线形体后获得最小的迎流截面，凹型的迎流面材料可根据受力大小选择具有承受剪切力的金属或非金属薄板，并联接弧形的简力筋，而迎流背面流体产生的摩擦力，完全可采用非金属材料作蒙皮，该柱壳应最大限度利用当前最轻材料组合，该单片柱壳体在某方向是翼形结构。
本发明迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机的运行说明：
对称于垂直轴的四根横轴形成“十字形”，以迎流叶片沿横轴方向与流线平行的前端为0°，对称的后端为180°处，垂直来流的对称叶片沿横轴方向分别位于90°和270°处。若以90°处的凹型叶片垂直来流，由于受到来流的推力，将顺时针方向旋转，同时也带动其它三个叶片旋转。此时，0°方向处的凹形片将与来流相交，在0°～180°方向受到来流的作用力，与在位于正交的90°处相邻凹形叶片同时作正力矩功。而在180°～270°处的叶片将顺时针方向迎逆流旋转，但在180°处的叶片，是处于来流作用90°处叶片最大凹型张开程度运行至此叶片形状，此时将逆流运转是以凸形曲面迎流，凸型面将遇到粘性剪切力和形状阻力的作用，由于两个转板是用铰链形式套在横轴上，受力它将旋转，旋转方向是朝作以减少阻力方向，两个转板开始闭合，由于制作叶片的密度与流体密度相当(或制作叶片轻至流体作用力使其运动产生闭合)，或相当于流体中的潜体，形成随意运动，由此闭合力很少而快速的闭合形成了流线型体。这就是用流体力使设计的两个转板自动变形而闭合，迎流横截面只有设计最大横截面的35％，阻力系数只有Cd＝0.08。如果忽略闭合时的阻力，该流线体可以180°逆流运转至315°，形成的反力矩力只有来流速度加上流线体逆流线速度的平方的2.8％(工程设计上是可以忽略的)。而在闭合至张开变形阶段(即315°～360°区间)：由于单个叶片是由两个转板组成，每个转板都是曲线弧形面壳，其中弧形面壳的一端为升力翼型的前缘，另一端为后缘，由单片剖开处即连接铰链处的面为翼型曲壳面为最厚面，厚度逐渐减少至曲面壳的另一端，在两个转板闭合后的流线型体，为随横轴逆流运动，流线体也逆流运转至360°，此时由两瓣曲面壳闭合的流线体中空柱壳前端与来流相遇，来流时翼型壳体开始进行绕流运动。根据茹科夫斯基定理，绕翼型速度环量将产生升力。由于来流开始对壳翼型产生绕流运动，同时将产生升力与流线体的阻力。由此，我们选用翼型升力曲面前缘选择0°攻角时最大升力系数的翼型曲面设计。在这270°向360°逆流运转的90°区间，前45°区间升力较小，后45°区间升力逐步增大，使两个转板张开，在360°即0°处达到最大，使闭合的流线逐渐张开于0°处，这就是翼型结构叶片根据升力原理自动张开的变形。
这里说明，在0°向顺时针方向运动时，翼型正对来流将形成负攻角，升力能将张开曲面叶片运转至大于7°至18°失速后不再有升力张开。但从0°开始，流体将正对张开的凹形面产生作用力并行打开凹型最大截面，打开程度并不影响90°处的叶片受力程度，而凹形面的打开设计最大截面程度时，由连接在横轴上的卡位装置定位，张开不再运行。
以上介绍的就是本发明的运行原理，由于是横轴为对称的十字型结构，分为4个区间，最大功率获得系数在运行一圆周内正处于相隔的
处，每个90°都获得动能转换都是均衡的，运行为连续，该运转可设计三个单叶片或多个单叶片与垂直轴联接，如果要获得较好的输出功率。可以并联与串联以上的结构形式，来完成流体动能转换系统。本发明为偏矩运转，单层叶片转换系统对垂直轴设计要用偏矩受力计算来确定，而对并联或串联，必须把各层的偏矩力分布于简力架中，使简力架两端联接于受力固定点。
本发明的有益效果：本发明的中叶片能够自动变形呈迎流凹面或迎流凸面，迎流凹面由于限位件的限位端的限制，凹面将获设计的最大截面面积和最大的阻力系数Cd1＝2.3,而背面形成凸面，由于旋转带动，该凸面受逆流动压作用，迫使闭合形成设计的最小截面的流线体，凸面将在180°～360°逆流运转。此时，逆流时叶片迎流截面为
(A为顺流凹型最大截面面积，A‘为逆流凸型最大截面面积)，同时流线体形状设计总阻力取为Cd2＝0.08，则A Cd2形成的阻力系数为0.028。
本发明也采用的是顺流凹型曲面和逆流凸型曲面产生的阻力系数差的最大阻力形状，即柱壳式变形叶片，布置为十字型垂直轴转换机构，由此根据对称形叶片获得最大功率系数值为：
其中：P-顺流凹型受力与逆流受力差值功率
P0-来流动能功率
ρ-流体密度
V-来流速度
u-叶片速度
A-凹型迎流最大截面面积
A’-凸型迎流流线体最大截面面积
Cd1-凹面的阻力系数
Cd2-凸面流线体阻力系数
这里我们所取的是柱壳凹型面的阻力系数Cd1＝2.3，凸型面是阻力系数Cd2为0.08。同时根据流体的最大利用系数，当
Cp取最大值。
首先先计算
上式简化为
令
计算得：
对上式两边微分：使
(Cd1-SCd2)-4(Cd1+SCd2)a+3(Cd1-SCd2)a2＝0
整理得：
求得：
取正根不符合实际，取负根则：
把
Cd1＝2.3,Cd2＝0.08,代入上式求得：
当
时，得到最大功率转换系数：
则计算到的
与单平板绕流获得流体的尾流比值
相当。以上获得的阻力型的最大功率转换系数是最为严密的数值推导而得到的CP＝32.5％。该数值比传统不够准确的理论值最高的19.3％和一致认为的15％，大大的提升了阻力差型最大功率转换系数13.2％～17.5％。打破了传统对叶片的动量流体最大转换理论值。由于是垂直轴，对任何有动量的流体都可以进行转换，如气流、水流、海流等。对变速机构以及电机都可以置于理想的位置。本发明还解决了利用卡位结构，对两个转板向闭合方向进行迎流截面调整，起到力矩调整，以及闭合时，遭强流的安全保护作用。由此本发明将对垂直轴型动量流的能源转换将起到巨大的推动作用。
本发明已按实际结构作出在水流中的实验运转，所带负荷值基本符合，而且运转正常。
将本发明放置于各种流动的流体中，就可以自动运转，并根据流体速度将输出连接在十字横轴的垂直轴的转矩。
在具体实施中，可将垂直轴安装于固定架平台并使其与变速机构输入端驱动相连，由变速机构输出机械能或转换电能。该固定平台架是根据流体类型不同来确定所搭建平台架方式。气流搭建于陆地，水流搭建于固定架或体或船体上，若多重组合，由于是偏距运行，要组合各简力架联接，把力简力到拱形架的两端，并把此力固定于能承受的地方。
在具体实施中首先确定要转换的功率，再根据机械能损耗，确定叶片最大受力面积，然后按各受力的结构设计、组合、安装，就完成了动量流的功能转换。
以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。
Claims (10)
1.迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，包括垂直轴、横轴和叶片；所述垂直轴用于垂直于来流方向设置且向外输出转换动能，所述垂直轴圆周方向的侧面上垂直固定安装有所述横轴，且所述横轴为在所述垂直轴的圆周方向上均匀间隔设置的正偶数根，所有横轴的轴心线位于同一个旋转平面上，且每根横轴上都安装有所述叶片；所述叶片包括两块转板，所述两块转板为关于所述旋转平面对称设置且铰连接于横轴上；
其特征在于：所述两块转板均为轴心线与相铰连的横轴的轴心线平行的弧形板状结构；两块转板均能够围绕该横轴旋转，且当两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最远时，两块转板共同围形呈半圆管形结构；且当两块转板上远离横轴的外端距离所述旋转平面最近时，交汇于所述旋转平面；
每块转板以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型，且该翼型的前缘朝向背离所述垂直轴的外端方向，该翼型的下翼面面向所述旋转平面。
2.根据权利要求1所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：位于同一横轴上的两块转板在以垂直于该横轴长度方向的平面为剖切面的断面形状与镰刀的刀片形状相匹配，该刀片形状为沿弧长且向远离该横轴的方向的厚度逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：所述叶片的密度与流体的密度相同。
4.根据权利要求1所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：每块转板通过铰链铰接于横轴上。
5.根据权利要求1所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：每块转板包括外侧蒙皮、内侧蒙皮、剪力筋片和剪力筋条；所述外侧蒙皮、内侧蒙皮均为壳片状结构，且每块转板的弧形板状结构的外凸表面为所述外侧蒙皮，内凹表面为所述内侧蒙皮；所述外侧蒙皮与内侧蒙皮之间固定连接有所述剪力筋片，且所述剪力筋片为沿转板的轴向间隔设置的多块；所述剪力筋条整体呈长条形且密封固定连接在转板与横轴相铰接的侧端。
6.根据权利要求5所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：所述内侧蒙皮的强度大于等于所述外侧蒙皮的强度。
7.根据权利要求5所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：所述外侧蒙皮和内侧蒙皮均由轻质材料制得。
8.根据权利要求1所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：还包括卡位结构，所述卡位结构包括固定座和带有活塞推杆的限位件；所述固定座为与所述横轴一一对应固定设置的多个，每个固定座上固定安装有一个所述限位件，所述限位件的活塞推杆的外端指向对应同一横轴上的两块转板与该横轴相铰连处，且所述活塞推杆伸出后能够与两块转板的端部相抵接并限位。
9.根据权利要求8所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：所述横轴上沿长度方向间隔设置有至少两个安装孔，所述固定座整体为一端为封闭端另一端为开口端的套筒型结构，所述固定座上具有插接并贯穿所述安装孔的连接柱，所述连接柱上露在安装孔外的一端旋接有锁紧螺母；
所述限位件整体为杆状，且该限位件的一端为驱动端，另一端为限位端；
所述驱动端滑动密封插接在所述固定座内且与该固定座之间共同形成有压力腔，所述固定座的外壳上设置有与该压力腔连通的高压通道，且所述驱动端端面与所述固定座的内侧面之间连接有回位弹簧；
所述限位端露在固定座外且整体呈楔形体状。
10.根据权利要求8所述的迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，其特征在于：所述限位件为液压缸、气缸或电动推杆中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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