CN217327545U - 一种可折叠的两用式风力机结构 - Google Patents

Abstract

一种可折叠的两用式风力机结构，属于风力发动机技术领域。所述可折叠的两用式风力机结构包括中心筒、连杆机构和叶片；叶片的两端分别通过连杆机构与中心筒可拆卸活动连接；连杆机构包括短连杆、长连杆和转换连杆，短连杆的一端与中心筒活动连接，短连杆的另一端同时与长连杆的一端以及转换连杆的一端活动连接，长连杆的另一端与中心筒活动连接，转换连杆的另一端与叶片的端部可拆卸活动连接；中心筒沿轴向设有活动槽，用于放置折叠后的连杆机构。所述可折叠的两用式风力机结构，既可用于垂直轴工况，又可用于水平轴工况的两用式风力机，将两种结构的优点组合，扩大应用范围。

Description

一种可折叠的两用式风力机结构

技术领域

本实用新型涉及风力发动机技术领域，特别涉及一种可折叠的两用式风力机结构。

背景技术

现有的风力机一般用于风力发电或风力提升物品，它们由于用途不同具备不同的叶片数目和翼型，用于发电的风力机通常具有较少(2-6个)的叶片，用于提升重物的风力机有较多 (通常不少于6个，较多者可达24个)的叶片。

风力机按照旋转轴和来流方向的相对位置关系，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机在低风速下启动性能好于垂直轴风力机，但需要对风，在较大风速下受力状态不平衡，容易导致疲劳损伤，既不利于延长寿命也不够安全，在用于发电时还存在需要设置偏航装置，操作装置安装在空中，操作维修不方便的缺点。垂直轴风力机受力状况良好，不需要对风，大风速下效率更高，但微风速下效率偏低，启动较困难。尽管用于发电时垂直轴风力机具备效率较高，不需要对风的优势，但是根据现有研究，微风(≤3m/s)条件下水平轴风力机的启动性能较好。另外，水平轴风力机的结构还可以作为小型风扇，通风设备等使用。故，若能实现水平式和垂直式的两用，则非但可以结合两种结构的优点，提升综合性能，还可以拓展用途。此外，在风速过大时，若安装角可以调节，则可以通过让叶片沿着Y轴旋转来调节叶片位置，减少迎风面积，以降低风荷载，提升安全性能，减低故障率和安全事故率。

现有技术中，垂直轴风力机有多种结构，其中H型结构易于设计和制造，应用最广泛。由于垂直轴H型结构具有很强的对称性，故目前已经有人尝试将其制成可折叠结构。以戴成军的《折叠式H型垂直轴风力机的设计与分析》为例，根据《机械原理》的连杆机构运动规律，使用了简单易行且耐用(简化成平面运动后，运动副均为低副，无高副，这就意味着不会引起冲击，且连接处均不易磨损，能长期保持连接的可靠性)的曲柄滑块机构，制成了可折叠的H型风力机。但是，现有的可折叠的H型风力机主要不足之处是无法实现水平轴和垂直轴的两用，风力利用系数低，进而风力机对风力的利用效率低；其叶片并不能沿Y轴转动，也就是说不可以调节安装角，而在不同的风速下，最佳安装角是不同的。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种可折叠的两用式风力机结构，既可用于垂直轴工况，又可用于水平轴工况的两用式风力机，将两种结构的优点组合，扩大应用范围。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种可折叠的两用式风力机结构，包括中心筒、连杆机构和叶片；所述叶片的两端分别通过连杆机构与中心筒可拆卸活动连接；

所述连杆机构包括短连杆、长连杆和转换连杆，所述短连杆的一端与中心筒活动连接，短连杆的另一端同时与长连杆的一端以及转换连杆的一端活动连接，长连杆的另一端与中心筒活动连接，转换连杆的另一端与叶片的端部可拆卸活动连接；

所述中心筒沿轴向设有活动槽，用于放置折叠后的连杆机构。

进一步的，所述活动槽滑动连接有滑块；所述滑块与长连杆的另一端活动连接。

进一步的，所述短连杆的一端通过长平铰链与中心筒活动连接，短连杆的另一端通过第一短平铰链同时与长连杆的一端以及转换连杆的一端活动连接，所述长连杆的另一端通过第二短平铰链与滑块活动连接，转换连杆的另一端通过竖直铰链与叶片的端部可拆卸活动连接。

进一步的，所述叶片的数量为三个。

进一步的，所述叶片的翼型尾缘设置襟翼。

优选的，所述襟翼为格尼襟翼。

优选的，所述中心筒的高度范围为400～1000mm；短连杆的长度范围为70～200mm；转换连杆的长度范围为70～200mm；长连杆的长度范围为100～250mm。

优选的，所述滑块的长度范围为20～60mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.使用连杆机构，实现了可折叠结构，操作简便，不影响风力机的性能与基本功能。

2.通过叶片与连杆机构可拆解连接方式，实现了水平轴和垂直轴工况的两用。

3.翼型为NACA0018翼型，这是垂直轴风力机应用广泛，技术成熟，经过验证可用的叶片翼型。

4.叶片安装角(即叶片弦线与来流方向的夹角)可调整，既提升风力机的效率,又能保证在风速太大时的安全。

附图说明

图1是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为垂直轴风力机时的结构示意图；

图2是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为垂直轴风力机时的局部俯视图；

图3是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为垂直轴风力机时局部示意图；

图4是本实用新型提供的滑块与长连杆连接示意图；

图5是本实用新型提供的叶片翼型图；

图6是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为水平轴风力机时的局部示意图；

图7是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为水平轴风力机时的结构示意图；

图8是本实用新型提供的可折叠的两用式风力机结构为水平轴风力机时的局部俯视图。

其中，

1-中心筒，2-长平铰链，3-短连杆，4-滑块，5-第一短平铰链，6-长连杆，7-转换连杆， 8-竖直铰链，9-叶片，10-第二短平铰链。

具体实施方式

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图8所示，本实用新型提供了一种可折叠的两用式风力机结构，包括中心筒1、连杆机构和叶片9；所述叶片9的两端分别通过连杆机构与中心筒1可拆卸活动连接；叶片的数量为若干个，每个叶片对应的连杆机构的数量为两组，叶片9的上端通过一组连杆机构与中心筒1的上端可拆卸活动连接，叶片9的下端通过另一组连杆机构与中心筒1的下端可拆卸活动连接。连杆机构包括短连杆3、长连杆6和转换连杆7，短连杆3的一端与中心筒1活动连接，短连杆3的另一端同时与长连杆6的一端以及和转换连杆7的一端活动连接，短连杆3能够同时相对长连杆6和转换连杆7转动；长连杆 6的另一端与中心筒1活动连接，转换连杆7的另一端与叶片9的端部可拆卸活动连接；中心筒1沿轴向设有活动槽，用于放置折叠后的连杆机构，本实施例中，叶片9下端拆下与转换连杆7之间的连接，下端的连杆机构经过折叠沿中心筒1的轴向放置在活动槽中，活动槽和连杆机构的数量与叶片数量相匹配。

具体地，叶片9的数量为三个；叶片9的翼型为NACA0018翼型；叶片9的翼型尾缘设置襟翼，襟翼为格尼襟翼，襟翼可以提高风力机的风力利用系数，进而提高风力机的风力利用效率。

具体地，翼型NACA0018的弦长度(首尾距离)为60mm；尾缘襟翼为格尼襟翼(GF)，襟翼厚度为0.24mm，襟翼长度为0.75mm。

活动槽滑动连接有滑块4；滑块4与长连杆6的另一端活动连接。

短连杆3的一端通过长平铰链2与中心筒1活动连接，短连杆3的另一端通过第一短平铰链5同时与长连杆6的一端以及转换连杆7的一端活动连接，长连杆6的另一端通过第二短平铰链10与滑块4活动连接，转换连杆7的另一端通过竖直铰链8与叶片9一端可拆卸活动连接。中心筒1的高度范围为400～1000mm；短连杆3的长度范围为70～200mm；转换连杆7的长度范围为70～200mm；长连杆6的长度范围为100～250mm；滑块4的长度范围为 20～60mm；中心筒1、短连杆3、长连杆6、转换连杆7和滑块4的尺寸需要验算是否存在运动干涉现象。

具体地，中心筒1的高度为420mm；短连杆3的长度为80mm；转换连杆7的长度为80mm；长连杆6的长度为110mm；滑块4的长度为20mm；经过对极限位置的计算证实不会发生运动干涉现象。

具体地，所有铰链与被连接件均为微过盈配合，短连杆3、长连杆6、转换连杆7和叶片 9不人为扳动时并不会自行移动，可以不需要再设置固定件；第一短平铰链5、第二短平铰链 10和竖直铰链8的尺寸规格均为Φ5mm×10mm。

如图1至图7所示，可折叠的两用式风力机结构需要转换成垂直轴风力机时，向外拉动叶片9，使得短连杆3、长连杆6、滑块4和转换连杆7运动。具体运动方式为，从短连杆3、长连杆6、转换连杆7均为与地面垂直，中心筒1上端的连杆机构的滑块4在远离中心筒1 边缘的极限位置的状态(由于连杆机构的滑块有两个极限位置，在本说明书中用“远离中心筒1边缘的极限位置”和“靠近中心筒1边缘的极限位置”区分)，下端的连杆机构的滑块4 在远离中心筒1边缘的极限位置的状态，运动到短连杆3、转换连杆7在同一直线上，并且与地面平行，长连杆6处于倾斜位置，中心筒1上端连杆机构的滑块4处于靠近中心筒1边缘的极限位置的状态，中心筒1下端连杆机构的滑块4处于靠近中心筒1边缘的极限位置的状态。当短连杆3和转换连杆7运动到极限位置，处于水平状态时，根据《机械原理》，中心筒1上端连杆机构的滑块4处于靠近中心筒1边缘的极限位置，此时转换成垂直轴风力机。若需调节叶片9的安装角(即叶片9弦线方向与来流方向之间的夹角)，可以通过在保持转换连杆7固定的条件下绕Z轴方向(以与地面垂直的方向为Z轴)转动叶片9，以改变叶片9 与来流方向的夹角(即安装角)。

如图1至图8所示，可折叠的两用式风力机结构需要转换成水平轴风力机时，拆除叶片 9一端与转换连杆7间的竖直铰链8，将被拆除的一端的连杆机构置入中心筒1的活动槽内。直到被拆除的一端的连杆机构和中心筒1平行且滑块4处于远离中心筒1边缘的极限位置。同时调节中心筒1未被拆除铰链的一端的连杆机构，使得这一端的连杆机构的滑块4处于远离中心筒1边缘的极限位置，此时长连杆6、短连杆3和转换连杆7均在活动槽内，并转动叶片9，调整叶片9与未被拆除竖直铰链8一端的转换连杆7之间的角度，使得风力机的叶片9处于水平轴工况。

本实用新型一种可折叠的两用式风力机结构的设计思想：

风力机作为利用升力的流体机械，设计时应尽可能减少阻力，设计原则是结构越简单越好。

本申请使用了连杆机构，以《机械原理》连杆机构运动极限位置为理论依据，设计出了可以折叠的风力机。根据现有的可折叠式风力机，通过改进连接方式，并使用可拆卸连接，实现了水平轴和垂直轴两用。当叶片9两端都通过竖直铰链8与转换连杆7连接时，相当于垂直轴风力机，根据机械原理的连杆机构运动规律，只需要推动任意杆件即可使得叶片9具有确定位置，且两个极限位置分别对应折叠收纳工况和垂直轴使用工况。当叶片9只有一端被连接，此时将叶片9调整到合适角度，对应的是水平轴连接工况。

另外，考虑到不同风速下叶片9的最佳安装角度有区别，故可调节的安装角有利于提升效率。本申请通过设置竖直铰链8，使得叶片9与转换连杆7之间旋转运动，实现了叶片9安装角的可调节，使得风力机在不同的风速下都可以达到最佳效率位置，并且在风速太大时可以收帆来减小迎风面积，从而降低风荷载，保障产品安全(风速过大时可以通过调节叶片 9与来流方向的夹角来减少迎风面积，以减少风荷载)。

本申请在保证可靠性的基础上克服了原有的便捷式可折叠风力机无法实现两用的问题。根据叶片9旋转运动方向与来流方向的相对位置关系，垂直轴风力机的总体气动性能要比水平轴风力机好，且有利于大型化和成组布置，具体包括：可以利用任意方向的风力，风能利用系数较高，受力平衡，一个工作周期内叶片9上同一点的力矩波动小；用于风力发电设备时还具有相互干扰小，可以更密集的布置机组的优点，只是启动需要的风速略大(一般有 4-5m/s)。而水平轴风力机的启动风速低，正好可以利用微风(<3m/s的风)，扩大了应用范围。除此之外，两用型风力机不但可以用于风力发电设备，还可用于一些非发电用途，如风扇、入地窖或洞穴时的便携式通风设备等，对于野外的小型风力发电也有使用价值，能够扩展其用途。

本申请的一种可折叠的两用式风力机结构可以达到的效果和主要参数：

当翼型采用NACA0018且使用连杆机构进行连接时，垂直轴工况启动风速是在4-5m/s 之间，而水平轴风力机的启动风速小于3m/s。通过这一设计，可以使得启动风速低于3m/s，能提升产品的应用范围。同时，与现有的可折叠式垂直轴风力机相比，其并没有使得风力机的结构变得更为复杂，没有改变风力机的基本结构和尺寸参数，尤其是没有改变翼型，故本申请的风力机的创新设计不影响产品在垂直轴工况下的效率。至于水平轴风力机的用法，本身设计目标为极低风速下可转动，故不追求效率，只要能实现即可。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，包括中心筒、连杆机构和叶片；所述叶片的两端分别通过连杆机构与中心筒可拆卸活动连接；

所述连杆机构包括短连杆、长连杆和转换连杆，所述短连杆的一端与中心筒活动连接，短连杆的另一端同时与长连杆的一端以及转换连杆的一端活动连接，长连杆的另一端与中心筒活动连接，转换连杆的另一端与叶片的端部可拆卸活动连接；

所述中心筒沿轴向设有活动槽，用于放置折叠后的连杆机构。

2.根据权利要求1所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述活动槽滑动连接有滑块；所述滑块与长连杆的另一端活动连接。

3.根据权利要求2所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述短连杆的一端通过长平铰链与中心筒活动连接，短连杆的另一端通过第一短平铰链同时与长连杆的一端以及转换连杆的一端活动连接，所述长连杆的另一端通过第二短平铰链与滑块活动连接，转换连杆的另一端通过竖直铰链与叶片的端部可拆卸活动连接。

4.根据权利要求1所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述叶片的数量为三个。

5.根据权利要求4所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述叶片的翼型尾缘设置襟翼。

6.根据权利要求5所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述襟翼为格尼襟翼。

7.根据权利要求1所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述中心筒的高度范围为400～1000mm；短连杆的长度范围为70～200mm；转换连杆的长度范围为70～200mm；长连杆的长度范围为100～250mm。

8.根据权利要求2所述的可折叠的两用式风力机结构，其特征在于，所述滑块的长度范围为20～60mm。

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