CN1912384A - 垂直轴风力发动机的三s叶片风轮 - Google Patents

Abstract

本发明提出的垂直轴风力机的三S叶片风轮设有三个主叶片(1)和三个副叶片(2)；主叶片(1)为S形圆弧柱面板，S形圆弧柱面板由两段圆弧柱面板平滑连接而成；三个主叶片(1)围绕旋转轴周向均布，并且顺序依次互相搭接固定，构成主叶片的组合件；副叶片(2)为平板结构，设置在主叶片(1)互相搭结所形成的凹腔中，固定在主叶片上，构成主叶片(1)和副叶片(2)的组合件，主叶片(1)和副叶片(2)的组合件通过联接件(4)与旋转轴(3)固定在一起构成垂直轴风力机的三S叶片风轮。垂直轴风力机的三S叶片风轮的功率系数较高，并且具有结构简单和运行可靠的特点。

Description

垂直轴风力发动机的三S叶片风轮

技术领域

本发明属于风力发动机技术领域，主要涉及一种垂直轴风力发动机的三S叶片风轮。

背景技术

风力发动机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮。因此，风力发动机依风轮的回转轴的方向来分，可分为水平轴风力发动机和垂直轴风力发动机两种；按风轮产生扭矩的形态来看，则可以分为升力型和阻力型两大类。

目前，技术上成熟并被广泛应用的风轮为水平轴升力型风轮，即螺旋浆式风轮。这种风轮的功率系数较高，由这种风轮构成的水平轴风力发电机一般都是风轮和发电机同轴运行，需要固定在一定高度塔架的顶端，也要在其上配置迎风调整装置和失速调整装置。显然，它的结构复杂，制造工艺性差，整机成本高，安装维护困难，故不能成为普及型的风力机。垂直轴风轮有两类，一类为升力型的风轮，利用翼型的升力作功，最典型的结构是达里厄式的φ型风轮，其功率系数较高，但其翼片制造难度大，且不能实现自起动；另一类为阻力型风轮，利用空气动力的阻力作功，典型的结构为萨布纽斯式风轮，即S型风轮，它由两个轴线错开的半圆弧柱面板的叶片固定在旋转轴上构成，这类风轮的起动力矩大，结构简单，主要缺点是功率系数低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直轴风发动力机的三S叶片风轮。使其具有较高的功率系数，且具有结构简单，运行可靠的特点。

本发明采用的技术方案为：风轮设有三个主叶片和三个付叶片；主叶片为S形圆弧柱面板，S形圆弧柱面板由两段圆弧柱面板平滑连接构成；三个主叶片围绕旋转轴周向均布，且顺序依次相互搭接固定，形成主叶片的组合件；付叶片为平板结构，设置在主叶片相互搭接构成的凹腔中，固定在主叶片上，构成主叶片和付叶片的组合件；主叶片和付叶片的组合件通过联接件与旋转轴固定在一起构成垂直轴风力机的三S叶片风轮。

构成主叶片的两段圆弧柱面板的半径相等，即构成主叶片的两段圆弧柱面板的凹面圆弧的半径相等；两段圆弧柱面板所对的圆心角的角度分别为89°、99°；主叶片相互搭接的接触线以外一段圆弧柱面板所对的圆心角的角度为40°。

三S叶片风轮的付叶片为平板结构，沿主叶片相互搭接的接触线固定在主叶片上，其高度等于主叶片相互搭接的接触线以外的一段圆弧柱面板上的弦长，其方向和主叶片相互搭接的接触线外侧的一段圆弧柱面板上过接触线的径向平面方向一致。

三S叶片风轮为阻力型风轮，利用空气动力的阻力作功，所以叶片的凹面腔为其工作腔面，叶片的凸面部为非工作面(即对利用风能起负作用的面)，在风轮直径确定的情况下，三S风轮中由S形柱面搭接形成的凹腔的迎风截面积不会减少。在凹面腔正面迎风的情况下，风轮处在接收风能的最大态势，而此时相邻的非工作的S形叶片凸面不但对风的阻力系数较小，并且可作为连续平滑的导风板，增大凹面腔的受风量。所以三S叶片风轮的功率系数较高。

三S叶片风轮的三个主叶片顺续依次搭接固定，形成组合件，其本身就具有较高的强度和刚性，它对薄壁结构件显得尤为重要，它为制造大型和超大型风轮提供了结构基础。设置在两S形柱面搭接构成的凹腔中的平面结构的付叶片，固定在主叶片上，它把凹腔分割成两个腔，使其对风的阻力系数增大；同时，它可以改变风能的接受方向，使风轮在运行过程中更有效地接受风能，进一步提高风轮的功率系数

三S叶片风轮的主叶片由两段平滑连接圆弧柱面板构成，两段圆弧柱面板的半径不宜相差太大，否则，将降低S形柱面的功能，从工件的工艺性考虑，取两段圆弧柱面板的半径相等，即构成S形柱面板的两段圆弧柱面板的凹面圆弧的半径相等。主叶片的两段圆弧柱面板中，一段圆弧柱面板所对的圆心角为89°，另一段圆弧柱面板所对的圆心角为99°，角度89°、99°是圆弧柱面板的较佳的弧面参数；主叶片相互搭接的接触线以外的一段圆弧柱板所对的圆心角为40°，角度40°是主叶片较佳的配置参数依据这三个参数构制的主叶片的组合件综合性能较好。

由三S叶片风轮构制的垂直轴风力发电机整机结构简单，工艺性好，成本低，运行可靠性高，其原因在于三S叶片风轮的主叶片是极为简单的圆弧柱面板构成，而付叶片仅为平板结构，风轮本身没有动件，运行中也不需配备任何其它调整机构。并且这种风力发电机的电机及其它装置均安装在地面，所以安装维护也很方便。

附图说明：

附图1是主叶片组合件的结构示意图。

附图2是主叶片和付叶片组合件的结构示意图。

附图3是本发明的结构示意图。

附图4是图3中E部分的放大图。

附图5是本发明的构造线结构参数简图。

附图6是图3中所示结构作局部修改后的示意图。

图中：1.主叶片  1-1.主叶片互相搭接的接触线  1-2.接触线外侧的一段圆弧柱面板  1-3.接触线外侧的一段圆弧柱面板上过接触线的径向面2.付叶片  3.旋转轴  4.联接件  4-1.圆弧板J  4-2.径向板  4-3.圆弧板L5.8.平垫圈  6.9.弹簧垫圈  7.螺钉  10.螺栓  11.螺母  12.铆钉

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例如下：

图1为本发明主叶片组合件的结构示意图，主叶片组合件有三个主叶片1，主叶片为S形圆弧柱面板，构成S形圆弧柱面板的两段圆弧柱面板平滑连接，即图中标示为r+h/2和r-h/2的两段圆弧柱面有相切的几何关系，以使其具有连续平滑的导风作用，其中r为圆弧柱面板的中层圆弧面的圆弧半径，h为圆弧柱面板的厚度；构成S形圆弧柱面板的两段圆弧柱面板半径相等，即图中标示的两个凹面圆弧的半径都为r-h/2，目的在于使其不但具有S形板的作用，而且工艺性也好。图中三个主叶片1围绕旋转轴3周向均布，并且顺序依次互相搭接并固定，构成主叶片组合件。三个S形圆弧柱面板互相搭接的接触线由图中1-1标示；接触线外侧的一段圆弧柱面板由图中1-2标示。在主叶片的组合件中，两个S形圆弧柱面板搭接所构成的凹面腔的作用是接受风能，它的迎风截面积不会因搭接结构而减少，即不会削弱叶片接受风能的效能，当风轮处於最大输出态势时，主叶片组合件的一个凹面腔正面迎风，相邻的圆弧柱面板的凸面是非工作面，它不但风阻系数较小，而且能作为受能态部位的连续平滑导风板，增大其受风量，显然，具有这种性能叶片的阻力型风轮的功率系数较高。同时，三个S形圆弧柱面板互相搭接固定，构成了一个曲面板的三棱柱，本身的强度和刚性较高，稳定性好，是较为理想的薄壁件结构。

图2为主叶片和付叶片组合件的结构示意图，如图所示，为平板结构的付叶片2沿主叶片1互相搭接的接触线1-1固连在主叶片1上，其方向和接触线外侧的一段圆弧柱面板1-2上过接触线1-1的径向面1-3方向一致。如图所示，付叶片2布置在凹腔中，它不会增加主叶片1的非工作面的面积，这样布置的付叶片变更了主叶片1接受风能的方向，使风轮在运行过程中更有效地接受风能，非但如此，付叶片还将凹面腔分割成两个腔，加大了凹面腔的风阻系数，因此，这样设置的付叶片会提高风轮的功率系数。

图3为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的风轮由主叶片和付叶片组合件、旋转轴3和联接件4构成。联接件4为异型板构件，可分成如图4所示的三部分，圆弧板J4-1为和旋转轴联接的半径为d/2的120°弧面部分，其中d为旋转轴的直径；径向板4-2为三个联接件4自身联接的直板部分；圆弧板L4-3为和主叶片和付叶片组合件联接的弧面部分，弧面半径和圆弧柱面板的凸面圆弧半径相等。三个完全包围旋转轴3的联接件4在径向板4-2部分，通过紧固件：平垫圈8、弹簧垫圈9、螺栓10、螺母11固定在一起，从而也和旋转轴3固连在一起。然后将主叶片和付叶片组合件套装在装着联接件4的旋转轴3上，主叶片和付叶片组合件上有一段圆弧柱面板的弧面和圆弧板4-3上的弧面相吻接，在其上加装紧固件平垫圈5、弹簧垫圈6、螺钉7，构成本发明的三S叶片风轮。该结构显然十分简单。

风轮叶片结构形状决定以后，叶片的配置和参数是进一步提高风轮性能的关键，下面结合图5，展开对风轮叶片的分析，以求取得叶片较好的配置和较佳的参数。

如图5所示，三个标注r的双点划线半圆弧是风轮的风叶形状原始设计构造线，在如图标示的风向下，风轮处于较大输出态的状态，

有较大的迎风阻力面，而对应的

在接受风能时迎风截面却相对很小，所以设计风轮结构的构造线时，舍弃这60°的弧线。

当依据选取较有效地利用风能的弧段思路，舍弃了60°弧段以后，作为风叶形状原始设计的几何构造线就成为120°圆弧段，如果在这120°圆弧段上设置付叶片的几何构造线，设置在这段圆弧上的哪一点最佳？从提高付叶片对风能的利用效率上考虑，这一点应在这段弧的外半段，三分这段120°圆弧的外分点(图中的F点)，应是首选点，试验证实，这一选择是正确的。从主叶片和付叶片组合件的强度和刚性需要出发，把主叶片搭接的接触线也选择为经过此点，即过此点作半径为r和相邻的120°圆弧凸面相切的圆弧，来完成S形圆弧构造线的设计，图中的T点为两个圆弧的切点，由 和 所组成的S形圆弧曲线为本实用新型的主叶片的构造线。两段圆弧的圆心角分别为89°和99°；图中的F点是三分120°圆弧的外分点，所以从F点到叶片构造线外端点B’的圆弧所对的圆心角为40°；付叶片的方向选择也十分重要，经验证，付叶片的构造线应在F点外侧圆弧的过F点的半径上；付叶片几何构造线LF的长度(即付叶片的高度)应不超过

上的弦长，取其长度等于这段弧上的弦长较为合理。至此，完成实用新型主叶片1和付叶片2的参数和位置的确定。即，组成S形圆弧柱面板所对的圆心角分别为89°和99°；主叶片1相互搭接的接触线外侧的一段圆弧所对的圆心角为40°；付叶片2位於主叶片1相互搭接的接触线上，其方向和主叶片1相互搭接的接触线外侧的一段圆弧板上过接触线的径向面1-2-1的方向一致，其高度等于主叶片1相互搭接的接触线外侧的一段圆弧上的弦长。以此分析结论构制的三S形风轮的功率系数较高，且整体的强度和刚性能较为满意地满足使用要求。

图6是对图3所示结构作局部修改后的示意图，它由本发明的结构示意图3的结构作局部修改而成，根据叶片之间联接需要，对主叶片的局部作变形处理，即将接触线扩展为接触带，以满足联结的强度需要，把主叶片1和付叶片2设计为通板结构，即主叶片1和付叶片2由同一张薄板材成形，以减少联接环节，然后在接触带用铆钉12将三个为通板结构的主叶片1和付叶片2互相固接，形成主叶片1和付叶片2的组合件，进而以图3的风轮结构组装固定程序和方法完成图6风轮结构的组装固定。该图所表示的风轮结构更合理一些。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力机的三S叶片风轮，其特征是：所述风轮有三个主叶片(1)和三个付叶片(2)；主叶片(1)为S形圆弧柱面板，S形圆弧柱面板由两段圆弧柱面板平滑连接而成；主叶片(1)围绕旋转轴(3)周向均布，并且顺序依次互相搭接固定，构成主叶片(1)的组合件；付叶片(2)为平板结构，设置在主叶片(1)相互搭接形成的凹腔中，固定在主叶片(1)上，构成主叶片(1)和付叶片(2)的组合件；主叶片(1)和付叶片(2)的组合件通过联接件(4)与旋转轴(3)固定在一起，构成三S叶片风轮。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机的三S叶片风轮，其特征是构成主叶片(1)的两段圆弧柱面板的半径相等，即构成主叶片(1)的两段圆弧柱面板的凹面圆弧半径相等，两段圆弧柱面板所对的圆心角分别为89°和99°。主叶片(1)互相搭接的接触线外侧的一段圆弧柱面板所对的圆心角为40°。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力机的三S叶片风轮，其特征是所述的付叶片(2)为平板结构，付叶片(2)沿主叶片(1)互相搭结的接触线固定在主叶片(1)上，其方向和接触线以外的一段圆弧柱面板在接触线上的径向面方向一致。

Images