CN218894724U - 一种新型垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型垂直轴风力机，包括塔身、升阻型风叶主风轮和双叶耦合涡轮机；塔身上转动设有与发电机相连的中心轮轴，中心轮轴与升阻型风叶主风轮相连；双叶耦合涡轮机有三组设置于塔身沿中心主轴沿长线的水平放射线上，三组双叶耦合涡轮机的相邻夹角为120度，每一组具有一个或两个双叶耦合涡轮机，三组双叶耦合涡轮机通过传动机构连接到中心轮轴；双叶耦合涡轮机包括转轴和两个海豚型阻力风叶，两个海豚型阻力风叶采用正反向对置设置在转轴周围。本装置通过多组双叶耦合涡轮机聚合微风风力在中心轮轴上带动升阻型风叶主风轮，以获取升力型叶片的线速度，提高风力机在低风速下的风能利用率。

Description

一种新型垂直轴风力机

技术领域

本实用新型涉及垂直轴风力发电机技术领域，尤其是涉及一种新型垂直轴风力机。

背景技术

风力发电是一种环保的能源获得方式，目前应用越来越广泛，风力发电机根据主轴安装方位分为水平轴和垂直轴，目前风力发电机结构普遍是水平轴风力发电机，水平轴风力发电机受风向变化影响较大，一般要加装风轮转向装置才能适应风向变化，使其机械结构复杂，不适合在乡村和城市中使用，而且还会危害鸟类的生存环境。

垂直轴风力发电机结构相对简单，无风向性要求能接受来自任何方向的来流风，不需要繁杂的偏航装置和变桨系统，但目前垂直轴风力发电机的应用并不广泛。因其启动风速较高，在低风速地区，风速小、风的动能小，风轮在风的作用下捩转慢，很难达到高的捩转速度，难以从提高转速上来获取更多的能量，由于风轮是风力发电机的核心部件，因此有必要对现有垂直轴风力发电机的风轮结构进行改进，以使得垂直轴风力发电机能够进行低风速启动。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提供一种新型垂直轴风力机，通过多组双叶耦合涡轮机聚合微风风力在中心轮轴上带动升阻型风叶主风轮，以获取升力型叶片的线速度，提高风力机在低风速下的风能利用率，以解决现有垂直轴风力机难以实现低风速启动，对风能利用效率低的问题。

本实用新型的技术方案如下：一种新型垂直轴风力机，其特征在于，包括塔身、升阻型风叶主风轮和双叶耦合涡轮机；

所述塔身上转动设有与发电机相连的中心轮轴，所述中心轮轴与所述升阻型风叶主风轮相连；

所述双叶耦合涡轮机有三组设置于塔身沿中心主轴沿长线的水平放射线上，三组所述双叶耦合涡轮机的相邻夹角为120度，每一组具有一个或两个双叶耦合涡轮机，三组双叶耦合涡轮机通过传动机构连接到中心轮轴；

所述双叶耦合涡轮机包括转轴和两个海豚型阻力风叶，所述海豚型阻力风叶的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述海豚型阻力风叶的远离所述转轴轴线的一端为海豚型阻力风叶的前缘，靠近所述转轴轴线的一端为海豚型阻力风叶的后缘，所述海豚型阻力风叶的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述海豚型阻力风叶的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述海豚型阻力风叶的厚度方向的一侧表面为吸力面，另一侧表面为压力面，所述吸力面向外凸出形成海豚腹部，所述压力面向内凹陷形成海豚背部；

沿所述海豚型阻力风叶的周向，所述吸力面与所述后缘接合，所述后缘与所述压力面接合，所述压力面与所述前缘接合，所述前缘与所述吸力面接合；

以前缘点到后缘点的连线为翼弦，以吸力面垂直于所述翼弦的方向为竖直方向，所述海豚型阻力风叶在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘；

两个所述海豚型阻力风叶采用正反向对置设置在所述转轴周围，且围绕所述转轴轴线相互交错，两个所述海豚型阻力风叶的前缘在外侧，后缘在内侧，两个所述海豚型阻力风叶绕所述转轴轴线的旋转轨迹为正圆形，所述海豚型阻力风叶的压力面在圆心内侧，吸力面在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个所述海豚型阻力风叶的压力面在左侧，另一个所述海豚型阻力风叶的吸力面在右侧；

所述转轴与所述塔身转动相连并与两个所述海豚型阻力风叶固定相连，所述转轴通过所述传动机构与所述中心轮轴相连。

优选地，所述升阻型风叶主风轮包括升力型叶片、海豚型阻力风叶和支撑臂，所述升力型叶片和所述海豚型阻力风叶设置在所述中心轮轴轴线的外侧沿水平延长线布设不少于三个，所述升力型叶片为现有技术的任意款项，所述支撑臂与所述升力型叶片、海豚型阻力风叶相连并连接在所述中心轮轴上。

优选地，所述升阻型风叶主风轮的转动中心处也设有一组所述双叶耦合涡轮机，所述双叶耦合涡轮机的转轴穿设于所述中心轮轴。

优选地，所述升阻型风叶主风轮的顶端固定设有螺旋叶轮。

优选地，所述转轴上固定设有轮盘，所述轮盘与两个所述海豚型阻力风叶固定相连，所述转轴上设有同步轮，所述同步轮通过同步带与所述传动机构相连。

和现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本装置通过多组双叶耦合涡轮机聚合微风风力在中心轮轴上带动升阻型风叶主风轮，以获取升力型叶片的线速度，提高风力机在低风速下的风能利用率，本装置整体结构简单，体积小，占地面积小，成本低，整体经济性高。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本实用新型的一种立体视角的示意图；

图2是本实用新型的另一种视角的示意图；

图3是本实用新型一种视角的主视图；

图4是图3中A-A方向的剖视图；

图5是图4中圈示部分的放大图；

图6是本实用新型另一种视角的主视图；

图7是图6中B-B方向的剖视图；

图8是图7中双叶耦合涡轮机的示意图；

图9是本实用新型的海豚型阻力风叶的立体图；

图10是本实用新型的海豚型阻力风叶的主视图；

图11是本实用新型的海豚型阻力风叶的坐标示意图；

图12是本实用新型的双海豚型阻力叶片的布置示意图；

图13是本实用新型的双海豚型阻力叶片的各个方向来流示意图。

附图标记如下：

1、塔身；2、中心轮轴；

3、升阻型风叶主风轮；31、支撑臂；32、升力型叶片；

4、双叶耦合涡轮机；41、转轴；42、海豚型阻力风叶；421、前缘；422、后缘；423、吸力面；424、压力面；43、轮盘；

5、螺旋叶轮；6、同步轮；7、同步带。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将接合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖向”、“周向”、“径向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-图11所示的一种新型垂直轴风力机，包括塔身1、升阻型风叶主风轮3和双叶耦合涡轮机4。

如图1和图2所示，塔身1上转动设有与发电机相连的竖向的中心轮轴2，升阻型风叶主风轮3为升阻型风轮，升阻型风叶主风轮3固定安装在中心轮轴2上。

升阻型风轮是垂直轴风力机上常用的一种风轮，这种风轮即有升力型叶片，又有阻力型叶片，当风速较低时，升阻型风叶主风轮由阻力型叶片产生的转矩启动；当升阻型风叶主风轮启动后，输出功率则主要由升力型叶片产生。和单纯的升力型风轮相比，升阻型风叶主风轮在低风速的情况下也能轻易启动；和单纯的阻力型风轮相比，升阻型风叶主风轮又具有较高的输出功率，因此，这里的升阻型风叶主风轮可以兼顾两种风轮的优点。

如图2、图3、图6和图7所示，双叶耦合涡轮机4有三组设置于塔身沿中心主轴沿长线的水平放射线上，三组双叶耦合涡轮机4的相邻夹角为120度，每一组具有一个或两个双叶耦合涡轮机4，三组双叶耦合涡轮机4通过传动机构连接到中心轮轴；

如图8、图9和图10所示，双叶耦合涡轮机4包括转轴41和两个海豚型阻力风叶42，海豚型阻力风叶42的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，海豚型阻力风叶42的远离转轴41轴线的一端为海豚型阻力风叶42的前缘421，靠近转轴41轴线的一端为海豚型阻力风叶42的后缘422，海豚型阻力风叶42的前缘421收缩变细形成海豚尾部，海豚型阻力风叶42的后缘422逐步增厚形成海豚头部，海豚型阻力风叶42的厚度方向的一侧表面为吸力面423，另一侧表面为压力面424，吸力面423向外凸出形成海豚腹部，压力面424向内凹陷形成海豚背部。

海豚型阻力风叶42的前缘421指海豚型阻力风叶42前方最先遇到气流的迎风部分，后缘422则是指海豚型阻力风叶42后方的那一部分。海豚型阻力风叶42的吸力面423，指流体由于压力减少而冲击叶片的那个表面，压力面424是指压力增大，海豚型阻力风叶42施压于流体的那个表面。

沿海豚型阻力风叶42的周向，吸力面423与后缘422接合，后缘422与压力面424接合，压力面424与前缘421接合，前缘421与吸力面423接合；以前缘421点到后缘422点的连线为翼弦，以吸力面423垂直于翼弦的方向为竖直方向，海豚型阻力风叶42在竖直方向上的厚度最大处在后缘422。

也就是说，该叶片由凹陷的压力面424和凸出的后缘422面构成“S”形特征的翼型，对风能流场的敏感性会比较高，兼具钝尾前缘421翼型和薄尾缘翼型的升力系数对粗糙度的敏感性比要好些，在影响叶片前缘421分离泡行为的诸多因素中，前缘421几何形状是升力系数的重要参数，前缘421形状对前缘421流动、分离和转捩及以后的边界层发展有很大的影响；由于风力机叶片前缘421半径比较大，后缘422半径比较小，翼弦方向与风速的方向平行并且翼型前缘421迎风，该翼型是获得良好性能的符合空气动力学规律的翼型。

本海豚型阻力风叶42将横截面翼型设计成海豚型后，能够在垂直轴风力机运行的非定常流场中具有优良的风能利用性能。

如图8和图12所示，两个海豚型阻力风叶42采用正反向对置设置在转轴41周围，且围绕转轴41轴线相互交错，两个海豚型阻力风叶42的前缘421在外侧，后缘422在内侧，两个海豚型阻力风叶42绕转轴41轴线的旋转轨迹为正圆形，海豚型阻力风叶42的压力面424在圆心内侧，吸力面423在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个海豚型阻力风叶42的压力面424在左侧，另一个海豚型阻力风叶42的吸力面423在右侧；转轴41转动安装在塔身1上并与两个海豚型阻力风叶42固定相连，转轴41通过传动机构与中心轮轴2相连。

具体而言，参照图12和图13，根据伯努力定理，流体在外弧面速度增加将导致外弧面压强减小，内弧面压强增大，外弧面形成吸力面，内弧面形成压力面，无论来流方向如何，外力总是朝向外弧面方向，因此以控制双叶耦合涡轮机4以中心原点沿顺时针方向旋转，旋转轨迹形成正圆形。

无论来流方向如何，双海豚型阻力叶片都会沿顺时针方向旋转，在叶片前缘421形成叶尖速，双叶耦合涡轮机4一个旋转180度是一个旋转周期，通过对调整双叶耦合涡轮机4的不同朝向，以正力矩抵消负向力矩，双叶片组在叶片前缘421后后缘422均能产生动力，这种结构形式的双叶耦合涡轮机4结构简单，感风性强，风能利用率达在40％以上，实现了垂直轴风力机在微风风力下启动发电的目的，提高风能利用率。

下面将对本装置的结构做具体介绍。

对于升阻型风叶主风轮3而言，如图1-图5所示，升阻型风叶主风轮3包括升力型叶片32、海豚型阻力风叶42和支撑臂31，升力型叶片32和海豚型阻力风叶42设置在中心轮轴2轴线的外侧沿水平延长线布设不少于三个，升力型叶片32为现有技术的任意款项，支撑臂31与升力型叶片32、海豚型阻力风叶42相连并连接在中心轮轴2上。

具体而言，升阻型风叶主风轮3上设有三组绕中心轮轴2轴线呈120度均匀周向分布的主风轮风叶组件，主风轮风叶组件中的升力型叶片32可为现有升力叶片中任意一种，阻力型叶片则为上文中的海豚型阻力风叶42，由此可以提高升阻型风叶主风轮3的低风速启动效果。

此外，升阻型风叶主风轮3的转动中心处也设有一组上文中的双叶耦合涡轮机4，双叶耦合涡轮机4的转轴41穿设于所述中心轮轴2，因此可以进一步提高升阻型风叶主风轮3的低风速启动效果。

进一步地，中心轮轴2的顶端固定设有螺旋叶轮5，螺旋叶轮5接受向上气流做功对升阻型风叶主风轮3的运转起到辅助作用。

对于海豚型阻力风叶而言，如图11所示，以翼弦长度为标度建立以下相对坐标系：

以前缘421钝尾圆心为原点，翼弦所处直线为x轴，垂直于翼弦且过吸力面423的直线为y轴，x轴朝向后缘422点的方向为x轴正向，y轴朝上为y轴正向，以翼型横截面缩放标准，沿顺时针方向、叶片翼型横截面由圆弧曲线E-P、P-S、S-T、T-F、F-E顺滑连接组成，该翼型以圆弧曲线F-E的圆心为坐标原点，则各圆弧曲线的圆心坐标、半径、以及端点坐标如下：

在圆弧曲线E-P中，圆心L的坐标为(-163.79，-153.81)，R为226.01，E点坐标为(-0.96，0.9)，P点坐标为(317.12，12.62)；

在圆弧曲线P-S中，圆心G的坐标为(-308.51，0)，R为15.43，P点坐标为(-0.96，0.9)，S点坐标为(317.12，-12.62)；

在圆弧曲线S-T中，圆心N的坐标为(268.58，62.26)，R为89.31，S点坐标为(317.12，-12.62)，T点坐标为(204.52，0)；

在圆弧曲线T-F中，圆心M的坐标为(-103.19，-103.13)，R为144.6，T点坐标为(204.52，0)，F点坐标为(0.96，-0.9)；

在圆弧曲线F-E中，圆心0的坐标为(0，0)，R为1.32，F点坐标为(0.96，-0.9)，E点坐标为(-0.96，0.9)。

根据上述数据制得的海豚型阻力风叶42能具有最佳的风能利用性能。需要说明的是，具体应用中，根据设计需求，海豚型阻力风叶42的实际尺寸大小可根据上述相对坐标系按比例进行放大或缩小，即如果海豚型阻力风叶42的实际尺寸比较大，则按一定比例缩小后，其翼型横截面形状会与上述坐标系中的海豚型阻力风叶42翼型横截面形状吻合，如果海豚型阻力风叶42的实际尺寸比较小，则按一定比例放大后，其翼型横截面形状也会与上述坐标系中的海豚型阻力风叶42翼型横截面形状吻合。

对于双叶耦合涡轮机4而言，如图1-图8所示，转轴41上固定设有轮盘43，轮盘43与两个海豚型阻力风叶42固定相连，转轴41上设有同步轮6，同步轮6通过同步带7与传动机构相连。

综上，本装置通过多组双叶耦合涡轮机4聚合微风风力在中心轮轴上带动升阻型风叶主风轮，以获取升力型叶片的线速度，实现风力机在低风速下的风能利用率，本装置整体结构简单，体积小，占地面积小，成本低，整体经济性高。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种新型垂直轴风力机，其特征在于，包括塔身、升阻型风叶主风轮和双叶耦合涡轮机；

所述塔身上转动设有与发电机相连的中心轮轴，所述中心轮轴与所述升阻型风叶主风轮相连；

所述双叶耦合涡轮机有三组设置于塔身沿中心主轴沿长线的水平放射线上，三组所述双叶耦合涡轮机的相邻夹角为120度，每一组具有一个或两个双叶耦合涡轮机，三组双叶耦合涡轮机通过传动机构连接到中心轮轴；

所述双叶耦合涡轮机包括转轴和两个海豚型阻力风叶，所述海豚型阻力风叶的横截面翼型均为具有流线形状的海豚型，所述海豚型阻力风叶的远离所述转轴轴线的一端为海豚型阻力风叶的前缘，靠近所述转轴轴线的一端为海豚型阻力风叶的后缘，所述海豚型阻力风叶的前缘收缩变细形成海豚尾部，所述海豚型阻力风叶的后缘逐步增厚形成海豚头部，所述海豚型阻力风叶的厚度方向的一侧表面为吸力面，另一侧表面为压力面，所述吸力面向外凸出形成海豚腹部，所述压力面向内凹陷形成海豚背部；

沿所述海豚型阻力风叶的周向，所述吸力面与所述后缘接合，所述后缘与所述压力面接合，所述压力面与所述前缘接合，所述前缘与所述吸力面接合；

以前缘点到后缘点的连线为翼弦，以吸力面垂直于所述翼弦的方向为竖直方向，所述海豚型阻力风叶在竖直方向上的厚度最大处在所述后缘；

两个所述海豚型阻力风叶采用正反向对置设置在所述转轴周围，且围绕所述转轴轴线相互交错，两个所述海豚型阻力风叶的前缘在外侧，后缘在内侧，两个所述海豚型阻力风叶绕所述转轴轴线的旋转轨迹为正圆形，所述海豚型阻力风叶的压力面在圆心内侧，吸力面在圆心外侧，且以顺时针旋转时，其中一个所述海豚型阻力风叶的压力面在左侧，另一个所述海豚型阻力风叶的吸力面在右侧；

所述转轴与所述塔身转动相连并与两个所述海豚型阻力风叶固定相连，所述转轴通过所述传动机构与所述中心轮轴相连。

2.根据权利要求1所述的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述升阻型风叶主风轮包括升力型叶片、海豚型阻力风叶和支撑臂，所述升力型叶片和所述海豚型阻力风叶设置在所述中心轮轴轴线的外侧沿水平延长线布设不少于三个，所述升力型叶片为现有技术的任意款项，所述支撑臂与所述升力型叶片、海豚型阻力风叶相连并连接在所述中心轮轴上。

3.根据权利要求2所述的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述升阻型风叶主风轮的转动中心处也设有一组所述双叶耦合涡轮机，所述双叶耦合涡轮机的转轴穿设于所述中心轮轴。

4.根据权利要求1所述的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述升阻型风叶主风轮的顶端固定设有螺旋叶轮。

5.根据权利要求1所述的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述转轴上固定设有轮盘，所述轮盘与两个所述海豚型阻力风叶固定相连，所述转轴上设有同步轮，所述同步轮通过同步带与所述传动机构相连。

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