CN214787801U - 一种螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮 - Google Patents

Abstract

一种螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，目的是风能利用率高、生产成本低；本实用新型包括四个组合式风叶、轮毂和发电机主轴；组合式风叶包括两根悬臂支撑架，叶片门、叶片门轴、轴承、内挡杆和外挡杆；两根长度相等的悬臂支撑架互相平行且上下设置，悬臂支撑架与发电机主轴垂直固定；叶片门轴两个轴承分别装在两根悬臂支撑架上，两个轴承相对设置且轴心线重合，轴心线与发电机主轴平行；内挡杆设置于叶片门内弧面一侧的两根悬臂支撑架上，且与叶片门轴平行；外挡杆设置于叶片门外弧面一侧两根悬臂支撑架上且与叶片门轴平行；叶片门远离发电机主轴的一端设置为平面板状，另一端为弧形板状，平面板状端固定在叶片门轴上，弧形板状端内弧面迎风设置。

Description

一种螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮

技术领域

本实用新型属于风叶的空气动力学设计和结构设计技术领域，具体涉及一种螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮。

背景技术

风能是一种干净的可再生能源，风力发电以其不需要燃料、不占耕地、没有污染，运行成本低的优势，产业发展前景非常广阔；现有的风力发电机零部件主要包括塔筒、风轮、变桨系统、齿轮箱、发电机、变流器、控制系统等；风轮中的风叶是接受风能的主要部件，也是风力发电中最关键的基础部件之一，风轮及其风叶的科学设计、可靠的质量、优越的性能，是保证机组稳定高效运行的决定性因素；已有的三叶式水平轴风力发电机，由于需要定向风，所以需要即使调整风轮的方向，有时风向瞬间变化，会导致风轮的频繁回转；整个风力发电机组的转速恒定，使得机组在低风速区间内不能以员位叶尖转速比运行，造成低风速区间内的能量损失；况且由于三叶式水平轴风力发电机结构的特点，也容易造成叶片和轴的断裂；而大部分的垂直轴风力发电机的叶片是固定的，极容易形成旋转阻力。

在申请号为201810262544.3、名称为“一种垂直轴风力发电机”的专利申请中公开了一种垂直轴风力发电机，包括风叶框、风叶、第一挡块、第二挡块、垂直轴、风叶轴等部件，风叶转动配合在风叶轴上，风叶轴设置在风叶框内，风叶框与垂直轴连接，风叶可相对于风叶框转动，做开合的动作，在风叶的迎风面迎风时，风叶被吹动且被第一挡块阻挡呈闭合状态，与正常风叶无异，当风叶框转动后，风叶的背风面迎风时，风叶被吹动呈开启状态，减少风的阻力，且第二挡块阻挡风叶，防止风叶开启角度过大，通过风叶配合在风叶轴上的转向和一些限位配合，如此往复变换着风叶的方向，来获得最大的动力风和最小的阻力风，在所述多组风叶组的共同作用下，通过水平传动轴传递，将各组风叶所获得的风能动能集中到变速箱，再通过变速箱变速后，将合适的转速、扭矩传递到对应的发电机组，以达到最佳的发电效果，来确保发出最佳的电量，但是，其第二挡块阻挡与风叶轴之间的连线与第一挡块与风叶轴之间的连线间的角度小于90°，即风叶的开启角度小于90°，虽然能够达到一定的减少风阻的目的，但是当风叶框与风向垂直时，仍有部分风吹到风叶上形成一定的阻力，而且其叶片为直板状结构，风吹到叶片上会从叶片的四周逸散，逸散的风的能量不能得到有效利用，降低了动能的获取率，即降低了发电效率。因此人们亟需一种结构简单、风能利用率高、发电效率高、结构强度高、成本低的垂直轴风力发电机。

实用新型内容

为了解决已有技术存在的问题，本实用新型提供一种结构简单、风能利用率高、生产成本低的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮。

本实用新型螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，包括四个组合式风叶、轮毂和发电机主轴；所述组合式风叶包括两根悬臂支撑架，叶片门、叶片门轴、轴承、内挡杆和外挡杆；两根长度相等的悬臂支撑架互相平行、上下设置，悬臂支撑架与发电机主轴垂直固定联接，且位于发电机主轴的同一侧；固定叶片门轴的两个轴承分别固定在两根悬臂支撑架上，两个轴承上、下相对设置且轴心线相重合，轴心线与风力发电机的发电机主轴平行，相配套的叶片门轴与两个轴承之间采用内圈过渡配合；内挡杆设置于叶片门内弧面一侧的两根悬臂支撑架上，且与叶片门轴平行；外挡杆设置于叶片门外弧面一侧的两根悬臂支撑架上，且与叶片门轴平行；所述叶片门远离发电机主轴的一端设置为平面板状，另一端为弧形板状，平面板状端固定在叶片门轴上，弧形板状端的内弧面迎风设置。

所述叶片门被相应的外挡杆阻挡时，叶片门陷入悬臂支撑架与发电机主轴所在平面，叶片门位于叶片门轴与外挡杆所在平面，相对于悬臂支撑架与发电机主轴所在平面呈现外倾式关闭状态。

所述叶片门被相应的内挡杆阻挡时，悬臂支撑架和发电机主轴所在平面与叶片门所在平面之间的最佳二面角度数为90°；所述叶片门（1）弧形板状端的内弧面的圆心角角度不超过90°。

两根互相平行、上下设置的悬臂支撑架（6）通过轮毂与发电机主轴垂直联接，两根悬臂支撑架位于发电机主轴的同侧，两根悬臂支撑架的间距略大于叶片门的高；所述组合式风叶的叶片门轴与叶片门的数量相同，一个组合式风叶中叶片门数量为二扇至五扇，从悬臂支撑架的自由端起，沿悬臂支撑架向发电机主轴的延伸方向依次设置叶片门轴；所述风力发电机的组合式风叶为四个，组合式风叶从上向下整体呈现九十度二面角、螺旋式、阶梯结构；每扇叶片门的旋转角度是零度至九十度加，确保了安装在一个组合式风叶上的叶片门可以接收零度至九十度加方向的风能，四个组合式风叶就可以接收三百六十度方向的风能。

内、外挡杆同时对两根悬臂支撑架起到稳定作用；在风的作用下，每扇叶片门可绕叶片门轴作零度至九十度加的旋转，确保了安装在一个组合式风叶上的叶片门可以接收零度至九十度加方向的风能，四个组合式风叶就可以接收三百六十度方向的风能；每一扇叶片门随不同的风向在零度至九十度加的范围内自动开闭，当叶片门受到风最优攻角时，叶片门在外挡杆的控制下处于外倾式关闭状态，从而形成了使风力发电机主轴旋转的最大驱动力，随着攻角的改变，叶片门在风力的作用下自动打开直至叶片门的内挡杆处，此时叶片门与组合式风叶呈现九十度二面角，使叶片门对风力发电机主轴的旋转不形成阻力；叶片门独特的设计结构，使其顺风闭逆风开，外倾式关闭状态，一端呈流线型弧形板状结构的设计，使吹向叶片门的风在弧形结构处形成涡旋，产生流体动量，根据牛顿第三定律，增加了对叶片门的推动力，叶片门在风的作用下，可绕叶片门轴作零度至九十度加的旋转；当一个组合式风叶逐渐失去风的最优攻角时，由于旋转式半弧矩形的叶片门独特的设计结构，以及发电机主轴惯性的旋转，另一个组合式风叶的迎风面积就逐渐增大，直至风的最优攻角，这样风力发电机就可以连续运转发电了。

本实用新型独特的螺旋式结构、旋转式半弧矩形的叶片门、叶片门组合式设计，无论是东南风还是西北风，甚至是乱流都能正常发电，因为其运用的特殊空气动力学原理，始终都能确保转子两侧的阻力差，使风力发电机组正常旋转发电，即使在低风速运转时发电量也较大；采用螺旋结构模式，解决了处于同一平面的现行垂直轴风力发电机风叶在获取风能时的相互影响，可使一个组合式风叶的叶片门在没有阻碍的前提下直接被风作用，风能得到了最大化的利用，同时这种螺旋结构模式呈现的阶梯式循环结构，可以使风力发电机主轴获得平稳连续的驱动力；安装维护简单，设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，基本不产生噪音，叶片门旋转空间较小，具有广泛的市场应用前景；叶片门独特的设计结构，使其顺风闭逆风开，向内呈弧形的流线型这一符合空气动力学原理的设计结构，整体外形美观流畅，使吹向叶片门的风在弧形结构处形成涡旋，产生流体动量，结构简单，易制造，造价低，安全高效；与现有的风力发电机风叶设计相比，节能且能量利用率高，有效的解决了现行三叶式水平轴风力发电机需要定向风、垂直轴风力发电机容易形成旋转阻力等问题，适用于各种大、中、小型垂直轴风力发电机使用。

附图说明

图1为本实用新型叶片门外倾式关闭状态示意图；

图2为本实用新型叶片门完全打开状态示意图；

图3为本实用新型顺风与逆风转换时叶片门状态示意图；

图4为本实用新型每个组合式风叶的叶片门为二扇时安装结构示意图；

图5为本实用新型每个组合式风叶的叶片门为五扇时安装结构示意图；

图中：1.叶片门，2.轴承，3.叶片门轴，4.内挡杆，5.外挡杆，6.悬臂支撑架，7.组合式风叶，8.发电机主轴。

具体实施方式

实施例1：

所述叶片门1在受外界风冲击下，有三种状态：当外界风开始冲击叶片门1的内弧面时，叶片门1受到冲击力产生相对于悬臂支撑架的转动，直至被外挡杆5阻挡不再向其背风面方向转动，形成叶片门外倾式关闭状态（图1）；当叶片门1随悬臂支撑架转动至外弧面迎风时，外界风将叶片门1吹开，直至被内挡杆4阻挡形成叶片门1完全打开状态（图2），使叶片门对风力发电机主轴的旋转不形成阻力;当顺风与逆风转换时叶片门1呈现（图3）状态。叶片门1可相对于悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面做开合运动，悬臂支撑架6与叶片门1之间具有外挡杆5，外挡杆5用于阻挡叶片门1向其背风面方向转动，使得当叶片门1的迎风面受到外界风的冲击时，叶片门1受到外挡杆5的阻挡进而将叶片门1受到的冲击力转化为推动悬臂支撑架6转动的动力，叶片门1的背风面受到外界风的冲击时，外界风将叶片门1吹开，消除了外界风冲击叶片门1背风面对发电机主轴8转动产生的阻力，实现了顺风闭逆风开的循环工作状态。

悬臂支撑架6的数量可为两根或多根，当悬臂支撑架6为两根时，一扇叶片门1远离发电机主轴8的一端与悬臂支撑架6转动连接，也可以是多扇叶片门1沿悬臂支撑架6的延伸方向依次设置，此时需保证多扇叶片门1远离发电机主轴8的一端与悬臂支撑架6转动连接。当悬臂支撑架6的数量为多根时，多根悬臂支撑架6从上到下依次排列，相邻的悬臂支撑架6所形成的空间内均设置有叶片门1，叶片门1远离发电机主轴8的一端与其两侧的悬臂支撑架6转动连接；也可以在相邻的悬臂支撑架6之间设置多扇叶片门1，此时需保证多扇叶片门1远离发电机主轴8的一端与其两侧的悬臂支撑架6转动连接；叶片门1与悬臂支撑架6转动连接的方式可为叶片门1远离发电机主轴8的一端套设在叶片门轴3上且可相对于叶片门轴3转动，叶片门轴3与悬臂支撑架6固定连接，或者是叶片门1远离发电机主轴8的一端固定有叶片门轴3，叶片门轴3通过轴承与悬臂支撑架6连接。

远离叶片门1与悬臂支撑架6连接位置的一端设置有弧形板，弧形板的内弧面迎风设置，使得吹向叶片门1的风在弧形结构处形成涡旋，产生流体动量，根据牛顿第三定律，增加了对叶片门1的推动力，提高了风能利用效率，而且原本将要从叶片门1四周逸散的风也会进入弧形板内做功，进一步提高了外界风风能的利用率。

在零件加工时难免由于精度问题产生误差，这种误差会导致叶片门1与弧形板的衔接处具有高度差，高度差的存在会扰乱冲击在迎风面的风流，降低风流的动能，进而降低叶片门1与弧形板可捕捉风能的量，为了避免这种情况出现，可以将弧形板的内弧面与叶片门1的迎风面平滑过渡连接，弧形板与叶片门1一体式设置。

为了避免弧形板的外弧面阻挡外界风冲击内弧面，弧形板的内弧面的圆心角角度不超过90°，进而保证弧形板的功能。

叶片门1被外挡杆5阻挡时，叶片门1上的弧形板的外弧面与外挡杆5接触，叶片门1陷入悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面，此时叶片门1在叶片门轴3与外挡杆5所在平面，相对于悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面呈现外倾式关闭状态。

还可以设置用于限制叶片门1开启角度的内挡杆4，内挡杆4设置在叶片门1的迎风面与悬臂支撑架6之间，当叶片门1开启的过程中内挡杆4会阻挡叶片门1的继续开启，避免了开启角度过大时不仅存在与其他部件间产生碰撞的问题，而且存在其运动至迎风面时，受风吹动关闭所需时常增加，捕获风能的时间减少，降低风能的利用率的问题，叶片门1被内挡杆4阻挡时，悬臂支撑架6和发电机主轴8所在平面与叶片门1之间的角度最佳为90°，既可保证消除叶片门背风面受风时产生的阻力，也可保证迎风面受风时快速调整至闭合状态，此时由于叶片门1相对于悬臂支撑架6和发电机主轴8所在平面的外倾式闭合，因此叶片门1的可旋转角度为零度至九十度加。

可将外挡杆5与内挡杆4设置在悬臂支撑架6上，可以在实现其原有功能的情况下，保证应力能够通过外挡杆5与内挡杆4分散到悬臂支撑架6上，增加整体风力发电机组合式风叶7的结构强度，外挡杆5内挡杆4均可为挡杆。

由于叶片门1在转动过程中会与外挡杆5、内挡杆4之间产生碰撞，为了保护叶片门1不受损伤，在外挡杆5和内挡杆4的外壁上均设置有用于减震、降噪的胶体，延长了叶片门1的使用寿命。

本实用新型风力发电机组合式风叶7的工作原理为：当外界风开始冲击叶片门1的迎风面时，叶片门1受到冲击力产生相对于悬臂支撑架6的转动，直至被外挡杆5阻挡不再向其背风面方向转动，形成与悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面的外倾式闭合，此时外界风冲击叶片门1的迎风面并通过外挡杆5推动悬臂支撑架6转动，从而将转动传递到发电机主轴8上，进而完成发电，当叶片门1跟随悬臂支撑架6转动至背风面迎风时，外界风将叶片门1吹开，消除了外界风冲击叶片门1背风面对发电机主轴8转动产生的阻力；在叶片门1受到外界风冲击的过程中，由于弧形板的内弧面迎风设置，弧形的流线型结构使得吹向叶片门1的风在弧形结构处形成涡旋，产生流体动量，根据牛顿第三定律，增加了对叶片门1的推动力，而且原本将要从叶片门1四周逸散的风也会进入弧形板内做功，推动悬臂支撑架6转动。

实施例2：

所述组合式风叶7的叶片门轴3与叶片门1的数量相同，一扇叶片门1对应一根叶片门轴3，根据构建风机的目的（实验、家用、商用、大型），一个组合式风叶7的叶片门1数量可设定为二扇至五扇，从悬臂支撑架（6）的自由端起，沿悬臂支撑架向发电机主轴8的延伸方向依次设置叶片门轴；所述叶片门1呈现“一体式半弧矩形”状，一端设置为平面板状，另一端设置为弧形板状，所述叶片门1外倾式关闭状态时远离所述发电机主轴的平面板状的一端固定在叶片门轴上，所述弧形板状端的内弧面迎风设置，弧形板状端的内弧面的圆心角角度不超过90°；所述叶片门1在受外界风冲击下，有三种状态：当外界风开始冲击叶片门1的内弧面时，叶片门1受到冲击力产生相对于悬臂支撑架的转动，直至被外挡杆5阻挡不再向其背风面方向转动，形成叶片门外倾式关闭状态（图1）；当叶片门1随悬臂支撑架转动至外弧面迎风时，外界风将叶片门1吹开，直至被内挡杆4阻挡形成叶片门完全打开状态（图2），当顺风与逆风转换时叶片门1呈现（图3）状态;固定叶片门完全开、闭位置的内挡杆、外挡杆上设置有降噪、减震的胶体;内挡杆4设置于叶片门外倾式关闭状态时叶片门的内弧面一侧的两根悬臂支撑架6上，且与叶片门轴3平行，当叶片门1被相应的内挡杆4阻挡时，悬臂支撑架6和发电机主轴8所在平面与叶片门1所在平面之间的最佳二面角度数为90°；外挡杆5设置于叶片门外倾式关闭状态时叶片门的外弧面一侧的两根悬臂支撑架上，且与叶片门轴3平行，当叶片门1被相应的外挡杆5阻挡时，叶片门陷入悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面，此时叶片门位于叶片门轴3与外挡杆5所在平面，相对于悬臂支撑架6与发电机主轴8所在平面呈现外倾式关闭状态。

与实施例1不同的是，本实施例还设置有发电机主轴8、轮毂以及能源转化系统（图中未示出），若干个实施例1中的风力发电机风叶安装在发电机主轴8上，安装方式为悬臂支撑架6通过轮毂与发电机主轴8连接，发电机主轴8与能源转化系统连接，用于将动能转化电能。

组合式风叶7的数量为四个，四个组合式风叶7整体上以九十度二面角的螺旋式结构与发电机主轴8连接，当一个风力发电机风叶逐渐失去风的最优攻角时，由于九十度加旋转式的设计结构，以及发电机主轴8惯性的旋转，另一个风力发电机风叶的迎风面积就逐渐增大，直至风的最优攻角，这样风力发电机即可发电。

本实用新型独特的螺旋式结构配合具有弧形板的开合式叶片门1，无论是东南风还是西北风，甚至是乱流都能正常发电，因为其运用的特殊空气动力学原理，始终都能确保转子两侧的阻力差，使风力发电机组正常旋转发电，即使在低风速运转时发电量也较大。

在实际使用过程中，风力发电机风叶中具有弧形板的叶片门1捕获外界风的动能通过悬臂支撑架6带动发电机主轴8转动，实现将风能转化为机械能，然后发动机主轴将其自身机械能传输到能源转化系统，将机械能转化为电能以供人类使用。

本实用新型采用了螺旋结构模式，这一广泛存在于动、植物DNA结合蛋白中的优质结构模式，解决了处于同一平面的现行垂直轴风力发电机风叶在获取风能时的相互影响，可使一个风力发电机的组合式风叶7在没有阻碍的前提下直接被风作用，风能得到了最大化的利用，同时这种螺旋结构模式呈现的阶梯式循环结构，可以使风力发电机主轴8获得平稳连续的驱动力；具有安装维护简单、设计方法先进、风能利用率高、启动风速低、基本不产生噪音、叶片门1旋转空间较小等垂直轴发电机的固有优点，使其具有广泛的市场应用前景；叶片门1独特的设计结构，使其顺风闭逆风开，向内呈弧形的流线型这一符合空气动力学原理的设计结构，整体外形美观流畅，使吹向叶片门1的风在弧形结构处形成涡旋，产生流体动量，根据牛顿第三定律，增加了对叶片门1的推动力，与现有的风力发电机风叶设计相比，最节能且能量利用率高，极具推广价值。

Claims (7)

1.一种螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征是包括四个组合式风叶(7)、轮毂和发电机主轴(8)；所述组合式风叶包括两根悬臂支撑架(6)，叶片门(1)、叶片门轴(3)、轴承(2)、内挡杆(4)和外挡杆(5)；两根长度相等的悬臂支撑架(6)互相平行、上下设置，悬臂支撑架(6)与发电机主轴(8)垂直固定联接，且位于发电机主轴(8)的同一侧；固定叶片门轴的两个轴承分别固定在两根悬臂支撑架上，两个轴承上、下相对设置且轴心线相重合，轴心线与风力发电机的发电机主轴平行，相配套的叶片门轴(3)与两个轴承之间采用内圈过渡配合；内挡杆(4)设置于叶片门内弧面一侧的两根悬臂支撑架(6)上，且与叶片门轴(3)平行；外挡杆(5)设置于叶片门外弧面一侧的两根悬臂支撑架上，且与叶片门轴(3)平行；所述叶片门(1)远离发电机主轴(8)的一端设置为平面板状，另一端为弧形板状，平面板状端固定在叶片门轴(3)上，弧形板状端的内弧面迎风设置。

2.根据权利要求1所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于所述组合式风叶的叶片门轴与叶片门的数量相同，一个组合式风叶中叶片门数量为二扇至五扇，从悬臂支撑架(6)的自由端起，沿悬臂支撑架向发电机主轴(8)的延伸方向依次设置叶片门轴。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于所述叶片门被相应的外挡杆(5)阻挡时，叶片门陷入悬臂支撑架(6)与发电机主轴(8)所在平面，叶片门位于叶片门轴(3)与外挡杆(5)所在平面，相对于悬臂支撑架(6)与发电机主轴(8)所在平面呈现外倾式关闭状态。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于所述叶片门被相应的内挡杆(4)阻挡时，悬臂支撑架(6)和发电机主轴(8)所在平面与叶片门所在平面之间的最佳二面角度数为90°。

5.根据权利要求1或2所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于所述叶片门(1)弧形板状端的内弧面的圆心角角度不超过90°。

6.根据权利要求1或2所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于两根互相平行、上下设置的悬臂支撑架(6)通过轮毂与发电机主轴(8) 垂直联接，两根悬臂支撑架(6)位于发电机主轴(8)的同侧，两根悬臂支撑架(6)的间距略大于叶片门(1)的高度。

7.根据权利要求1或2所述的螺旋式叶片无阻型垂直轴风力发电机风轮，其特征在于所述风力发电机的组合式风叶(7)为四个，四个组合式风叶(7)从上向下整体上呈现九十度二面角、螺旋式、阶梯结构；每扇叶片门(1)的旋转角度是零度至九十度。

Images