CN113107766A - 旋转轴垂直设置式风轮、风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转轴垂直设置式风轮，包括叶片和设置在叶片上的减阻装置；减阻装置包括气孔和阀瓣，气孔连通所述叶片的正面和所述叶片的背面，气孔内固定有正面侧限位块和背面侧限位块，阀瓣活动设置在正面侧限位块和背面侧限位块之间，阀瓣与背面侧限位块配合，用于截断气孔，阀瓣与正面侧限位块配合，用于开通气孔。一种风力发电机，包括行星轮组、发电机和旋转轴垂直设置式风轮。风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差更大，安装这种风轮的风力发电机的气流作用力转化率高，发电效率高。

Description

旋转轴垂直设置式风轮、风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种旋转轴垂直设置式风轮、一种风力发电机。

背景技术

风力发电机的风轮有旋转轴水平设置和旋转轴垂直设置两种技术路线。旋转轴水平设置的风轮通过导流装置使立式风轮面向来风方向，气流驱动风轮旋转时，作用于风轮的叶片上的作用力均是环形阵列式斜插入风轮旋转面上的，即作用力在风轮旋转面上的切向分力构成驱动风轮旋转的旋转驱动力，故而，需要非常大的叶片才能收集到合适的驱动力。旋转轴垂直设置的风轮永远朝向水平面内的任意气流方向，因而不需要设置导流装置，但使用由叶片环形阵列形成的风轮时，其中一叶片迎向来风方向，另一叶片背向来风方向，气流驱动风轮旋转时，作用力同时作用在迎风叶片和背风叶片上，作用在背风叶片上的作用力会抵消作用在迎风叶片上的作用力。一般的，在改善背风叶片对风轮转动的不利影响后，风力发电机的风轮旋转轴垂直设置存在以下优点：风轮叶片展开长度短，其允许安装密度大。

本领域中，解决“加大风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差”的问题的公知常识是：设置叶片的背风面为导流曲面，设置叶片的迎风面为集气兜，从而尽可能的减少作用在背风叶片上的作用力对作用在迎风叶片上的作用力的抵消效果。

专利文献CN103352795A记载了一种水平面旋转风力发电机，它通过使迎风叶片垂直于气流方向设置，使背风叶片平行于气流方向设置，从而加大风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差。该技术路线中，必须施加固定力使可转动的迎风叶片垂直于气流方向，这增加了设计难度。

专利文献CN111577535A记载了一种车载无支杆可折叠垂直轴风力发电机，它通过折叠背风叶片，展开迎风叶片，从而加大风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差。该技术路线中，风轮转动时，可折叠的叶片频繁折叠，机械磨损极大，极大缩减了风轮的寿命。以风轮每分钟转动12圈为例，则1年时长中，每片叶片活动12614400次，可知风轮的叶片折叠次数极高。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转轴垂直设置式风轮和风力发电机，以从新的技术路线的角度加大风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差。

本发明的技术方案是：

一种旋转轴垂直设置式风轮，包括叶片和减阻装置，所述叶片有至少两片，每一片叶片上均设有所述减阻装置；所述减阻装置包括气孔和阀瓣，所述气孔连通所述叶片的正面和所述叶片的背面，所述气孔内固定有正面侧限位块和背面侧限位块，所述阀瓣活动设置在所述气孔内的正面侧限位块和背面侧限位块之间，所述阀瓣与所述背面侧限位块配合，用于截断所述气孔，所述阀瓣与所述正面侧限位块配合，用于开通所述气孔。

其中，正面侧限位块，指其设置在气孔的邻近于叶片的正面侧。背面侧限位块，指其设置在气孔的邻近于叶片的背面侧。

优选的，所述气孔内的正面侧限位块和背面侧限位块之间还固定有阀瓣姿态设定导轨，所述阀瓣姿态设定导轨的两端分别延伸至所述正面侧限位块、所述背面侧限位块处，所述阀瓣与所述阀瓣姿态设定导轨滑动连接。

进一步优选的，所述阀瓣姿态设定导轨为内螺纹，所述阀瓣与所述内螺纹螺纹副连接，所述阀瓣与所述内螺纹之间设有透气孔。

进一步优选的，所述阀瓣姿态设定导轨为导轨，所述阀瓣与所述导轨移动副连接。

优选的，所述叶片的正面设为集流面，所述叶片的背面设为分流面，所述叶片有四个，四个所述叶片绕所述旋转轴环形阵列设置，每一叶片上均设有至少一个所述减阻装置。

一种风力发电机，包括行星轮组、发电机和前述的旋转轴垂直设置式风轮，所述行星轮组包括太阳齿轮、行星小齿轮、齿圈和定位盘，所述行星小齿轮与所述定位盘转动副连接，所述齿圈与所述旋转轴垂直设置式风轮固定连接，所述太阳齿轮与所述发电机的转子传动连接，所述定位盘用于与固定杆固定连接，且所述旋转轴平行于所述固定杆的中心线设置。

本发明的有益效果是：

1.结合旋转轴垂直设置式风轮的工作方式，迎风叶片的阀瓣被气流吹至与背面侧限位块连接，截断气孔，背风叶片的阀瓣被气流吹至正面侧限位块连接，开通气孔，如此，迎风叶片的挡风面积大于背风叶片的挡风面积，从而加大风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差，安装这种风轮的风力发电机的气流作用力转化率高，发电效率高。

2.阀瓣姿态设定导轨可以设定阀瓣与正面侧限位块、背面侧限位块的连接姿态，从而更好地实现开通、截止气孔的效果。

3.与阀瓣姿态限定导轨为直导轨的设置方式相比，阀瓣姿态限定导轨为内螺纹时，阀瓣在正面侧限位块或背面侧限位块上的拍打力小。

4.与阀瓣姿态限定导轨为内螺纹的设置方式相比，阀瓣姿态限定导轨为直导轨时，阀瓣从正面侧限位块移至背面侧限位块处，或从背面侧限位块移至正面侧限位块处的时间更短。

5.集流面、分流面与减阻装置配合时，风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差更大，安装这种风轮的风力发电机的气流作用力转化率更高，发电效率更高。

附图说明

图1为一种本发明的风力发电机的俯视图。

图2为图1的仰视图，图中仅示意性的画出了设置在左叶片、右叶片上的减阻装置，但未画出设置在前叶片上的减阻装置。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图3中的叶片上的减阻装置的局部放大图。

图5为图4的B-B剖视图。

图6为图4的C-C剖视图。

图7为图5的D-D剖视图。

附图标记说明，1-固定杆，2-行星轮组，20-定位盘，21-行星小齿轮，22-齿圈，23-太阳齿轮，3-旋转轴垂直设置式风轮，30-叶片，301-叶片的正面，302-叶片的背面，4-传动轴，5-减阻装置，50-气孔，511-正面侧限位块，512-背面侧限位块，52-阀瓣，520-截断部，521-限位挡耳，522-定位耳，53-阀瓣姿态设定导轨，6-增强肋。

具体实施方式

下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及其中的技术术语。

本发明的旋转轴垂直设置式风轮，包括叶片和减阻装置。

在一个风轮上，叶片有至少两片，每一片叶片上均设有减阻装置。风轮由两片叶片构成时，两片叶片绕旋转轴环形阵列设置，它靠气流推动叶片旋转的惯性使风轮旋转。风轮由多片叶片构成时，风轮的叶片最好绕旋转轴环形阵列设置，这样气流推动风轮转动的速度较为均匀。应当明白，绕旋转轴环形阵列设置的叶片并不必须设置在同一平面内，这些叶片螺旋式绕旋转轴环形阵列设置也是可以达到同样目的的。

减阻装置包括气孔和阀瓣，气孔连通叶片的正面和叶片的背面，气孔内固定有正面侧限位块和背面侧限位块，其中，正面侧限位块，指其设置在气孔的邻近于叶片的正面侧。背面侧限位块，指其设置在气孔的邻近于叶片的背面侧。阀瓣活动设置在气孔内的正面侧限位块和背面侧限位块之间，阀瓣与背面侧限位块配合，用于截断气孔，阀瓣与正面侧限位块配合，用于开通所述气孔。

参见图1，叶片的正面设有集流面，叶片的背面设为分流面，设气流从风轮的前方向后方吹，该型气流推动风轮逆时针旋转。右叶片的正面朝向气流来向，左叶片的背面朝向气流来向，后叶片的背面设置在后叶片的正面的左侧，前叶片的背面设置在前叶片的正面的右侧。也即右叶片为迎风叶片，左叶片为背风叶片。此外，前叶片、后叶片均会产生阻碍风轮转动的风阻。在右叶片的减阻装置中，气流经气孔吹动阀瓣抵压在背面侧限位块上，截断气孔，吹进右叶片的气孔中的气流全部作用在右叶片上；在左叶片的减阻装置中，气流经气孔吹动阀瓣抵压在正面侧限位块上，开通气孔，吹进左叶片的气孔中的气体可以从气孔中泄出，这样就减少了左叶片的了阻流面积，从而加大了风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差。由于前叶片及后叶片均会产生阻碍风轮转动的风阻，故而前叶片上的阀瓣会抵压在正面侧限位块上，开通气孔，吹进前叶片的气孔中的气体可以从气孔中泄出，这样就减少了前叶片的了阻流面积。同样的，后叶片上的阀瓣也会抵压在正面侧限位块上，开通气孔，吹进后叶片的气孔中的气体可以从气孔中泄出，这样就减少了后叶片的了阻流面积。

参考以上分析可知，由4片叶片绕旋转轴环形阵列设置形成的风轮中，减阻装置除增大了风轮转动时迎风叶片与背风叶片之间的驱动力差外，还减少了其它叶片旋转时的风阻，故而，与未设置减阻装置的风轮相比，本发明的旋转轴垂直设置式风轮的气流推力转化率更高。

此外，与采用折叠式叶片的风轮相比，本发明的旋转轴垂直设置式风轮摩擦小，使用时，仅存在阀瓣拍打在背面侧限位块上的作用力，以及阀瓣拍打在正面侧限位块上的作用力，而且，阀瓣拍打在正面侧限位块上的作用力是小于阀瓣拍打在背面侧限位块上的作用力的。故而，通过选择合适的韧性材料，就可以降低风轮的维护周期。此外，还可以通过缩短正面侧限位块和背面侧限位块之间的阀瓣行程缩小阀瓣拍打在正面侧限位块上的作用力。

实施例1：一种旋转轴垂直设置式风轮，参见图1-7，包括叶片30和减阻装置5.

叶片30有4片，4片叶片30绕旋转轴环形阵列设置，每一片叶片30上均设有减阻装置5。叶片30的正面301设为集流面，叶片30的背面302设为分流面。一般的，集流面为凹曲面，分流面为凸曲面。气流吹在凹曲面上时，会流向凹曲面的最深处，对气流有集流效果。这样，气流对迎风叶片的切向推力可以完全作用在叶片30的正面，即气流对迎风叶片的作用力全部作用在叶片30上。气流吹在凸曲面上时，凸曲面对气流有斜向引流效果，其对叶片的切向推力为作用力的分力。这样，气流对背风叶片的作用力部分作用在叶片30上。

本实施例中，叶片30为凹曲面壳体。

减阻装置5由气孔50和阀瓣52构成，气孔50连通叶片30的正面301和叶片30的背面302。气孔有管体的内孔形成，管体设置在凹曲面壳体的凹槽内，并与凹曲面壳体固定连接。在凹曲面壳体的壳壁上开有管体内孔的延伸孔，从而使气孔贯穿叶片30的正面301和叶片30的背面302。气孔50内固定有正面侧限位块511和背面侧限位块512，正面侧限位块511的边缘设有连通扁孔，背面侧限位块512的中心设有连通圆孔。连通扁孔是这样形成的，在气孔50内环形阵列固定有3块限位块，连通扁孔形成于每两块限位块之间。阀瓣52活动设置在气孔50内的正面侧限位块511和背面侧限位块512之间。参见图4的双点划线位置的阀瓣52，阀瓣52贴合于背面侧限位块512时，背面侧限位块512阻挡阀瓣52，阀瓣52遮蔽连通圆孔，就截断了气孔。参见图4-7，阀瓣52贴合于正面侧限位块511时，正面侧限位块511阻挡阀瓣52，阀瓣52的周面与气孔50内壁设有透气间隙，透气间隙和连通扁孔配合连通阀瓣52两侧的气孔，气孔就处于开通状态。

本实施例中，气孔50内的正面侧限位块511和背面侧限位块512之间还固定有阀瓣姿态设定导轨53，阀瓣姿态设定导轨53的两端分别延伸至正面侧限位块511、背面侧限位块512处，阀瓣姿态设定导轨53采用直槽式导轨。

阀瓣52的主体部分由截断部520形成，截断部520能够遮蔽连通圆孔，截断部520的外沿一体成型有定位耳522和限位挡耳521。定位耳522插入直槽式导轨的槽内，并与直槽式导轨滑动连接，形成移动副。直槽式导轨可以限定截断部520的周向旋转幅度，使正面侧限位块可以阻挡限位挡耳521，进而阻挡截断部520的越过。

在其它实施例中，阀瓣姿态设定导轨53还可以采用内螺纹，阀瓣52的主体部分由截断部520形成，截断部520的外沿一体成型有定位耳522。定位耳522与内螺纹螺纹副连接，内螺纹的齿槽端头可以阻挡定位耳522越出。为使阀瓣52与内螺纹之间设有透气孔，截断部520可以选择条形片，背面侧限位块512上设有连通扁口，阀瓣52受背面侧限位块512阻挡时，截断部520恰好能够遮蔽连通扁口就可以截断气孔了。阀瓣52受正面侧限位块511阻挡时，阀瓣52能使正面侧限位块上的连通口与内螺纹孔连通，就可以开通气孔了。

本实施例中，为增强叶片的强度，在凹曲面壳体的凹槽侧还设有连接凹曲面壳体和管体的增强肋6。参见图2，增强肋6有径向增强肋和纬向增强肋。

实施例2：一种风力发电机，包括行星轮组2、发电机(未画)和本发明的旋转轴垂直设置式风轮3，行星轮组2包括太阳齿轮23、行星小齿轮21、齿圈22和定位盘20，行星小齿轮21与定位盘20转动副连接，齿圈22与旋转轴垂直设置式风轮3键固定连接，太阳齿轮23与发电机的转子通过连轴器、齿轮等传动方式传动连接，定位盘20与固定杆1固定连接，且风轮的旋转轴平行于固定杆1的中心线设置。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽地说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明得发明构思。在不脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含公开的内容。

Claims (6)

1.一种旋转轴垂直设置式风轮，其特征在于，包括叶片和减阻装置，所述叶片有至少两片，每一片叶片上均设有所述减阻装置；所述减阻装置包括气孔和阀瓣，所述气孔连通所述叶片的正面和所述叶片的背面，所述气孔内固定有正面侧限位块和背面侧限位块，所述阀瓣活动设置在所述气孔内的正面侧限位块和背面侧限位块之间，所述阀瓣与所述背面侧限位块配合，用于截断所述气孔，所述阀瓣与所述正面侧限位块配合，用于开通所述气孔。

2.如权利要求1所述的旋转轴垂直设置式风轮，其特征在于，所述气孔内的正面侧限位块和背面侧限位块之间还固定有阀瓣姿态设定导轨，所述阀瓣姿态设定导轨的两端分别延伸至所述正面侧限位块、所述背面侧限位块，所述阀瓣与所述阀瓣姿态设定导轨滑动连接。

3.如权利要求2所述的旋转轴垂直设置式风轮，其特征在于，所述阀瓣姿态设定导轨为内螺纹，所述阀瓣与所述内螺纹螺纹副连接，所述阀瓣与所述内螺纹之间设有透气孔。

4.如权利要求2所述的旋转轴垂直设置式风轮，其特征在于，所述阀瓣姿态设定导轨为导轨，所述阀瓣与所述导轨移动副连接。

5.如权利要求1所述的旋转轴垂直设置式风轮，其特征在于，所述叶片的正面设为集流面，所述叶片的背面设为分流面，所述叶片有四个，四个所述叶片绕所述旋转轴环形阵列设置，每一叶片上均设有至少一个所述减阻装置。

6.一种风力发电机，其特征在于，包括行星轮组、发电机和如权利要求1-5中任一项所述的旋转轴垂直设置式风轮，所述行星轮组包括太阳齿轮、行星小齿轮、齿圈和定位盘，所述行星小齿轮与所述定位盘转动副连接，所述齿圈与所述旋转轴垂直设置式风轮固定连接，所述太阳齿轮与所述发电机的转子传动连接，所述定位盘用于与固定杆固定连接，且所述旋转轴平行于所述固定杆的中心线设置。

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