CN85103919A - 树叶型风车 - Google Patents

Abstract

树叶型风车属于垂直轴风力发动机的一种新型式，这种风力机的风轮由叶片、叶柄、叶杆组成。由于叶片相对于叶杆是可活动的，从而实现了风力机的自动迎风，自我启动，自动调节叶片角度，并且可以自动进行超速控制。同时由于圆弧形叶片将升力和阻力汇为一体，产生了推动风轮旋转的合力，提高了效率。

Description

树叶型风车是一种风能转换装置。

本发明属于垂直轴风力发动机的一种新形式。

已有的垂直轴风力机，所用的风轮有升力型和阻力型之分，叶片大都是固定的，这些风力机的缺点是结构比较复杂，用材料多，成本高，效率低。有的启动风速要求高且不能自我启动，也不能自动调节叶片角度，不能自动进行超速控制，使风力机的推广应用受到了一定的限制。

本发明的目的就是克服上述缺点，以便大面积开发风能资源。

图1    风轮结构示意图：1为园弧形叶片;2为叶柄;3为叶杆;4为立杆;5为发电机。

图2    叶片、叶柄、叶杆三者的安装图。

图3    叶片受力分析图。

图4    限位和超速控制装置;6为杠杆;7为离心重锤。

本发明的原理是：地球上的植物大都生长有接受光能的叶子，这些叶子在流动的大气里一般又都具有着运动的多自由度，以减轻气流的压力，将这类叶子的自由度适当地加以限制，把植物叶子的避风机能和风轮叶片的受风要求巧妙地结合在一个机械装置之中，便构成了这种新型的垂直轴风力机。参见图1所示的该种风力机示意图。它包括园弧形叶片1、叶柄2、叶杆3、立杆4、发电机5、叶片、叶柄、叶杆构成了风轮。叶片为园弧形，园弧半径与它围绕立杆轴旋转半径相同;叶柄是叶片弦长的1/2到1/4之间，它被固定的安装在叶片的一端，且垂直于固定点处园弧的切线;叶柄同叶杆之间为铰链活动（参见图2）连结，其叶柄的运动轴线同立杆平行。

园弧形叶片相对于叶杆在一定角度内自由活动，即自动调节角度。这样就使得叶片能够既接受升力又接受阻力，从而实现了风轮的自动迎风、自我启动。

这种风力机的受力分析如图3所示。

＝

+

-相对速度

-风速

-叶片的线速度

-升力

-阻力

-合力

X＝CxAx (ρU²)/2

y＝CyAy (ρV²)/2

$\mathrm{F\; =}\sqrt{X{}^2\mathrm{+\; Y}{}^2}$

Cx-阻力系数

Cy-升力系数

Ax-叶片面积在X轴上的投影

Ay-叶片面积在Y轴上的投影

ρ-空气质量密度

加上适当长度的叶柄，园弧形叶片能够将升力和阻力汇为一体，产生推动风轮旋转的合力，有效的利用风能。

把叶片逐渐限制在它旋转的园柱面上，旋转力就逐渐减少，利用这一特点可以自动的进行超速控制，见图4。如果风速超过额定值，重锤便在离心力作用下外移，带动杠杆6转动，叶片活动角缩小，从而达到进行超速控制的目的。

发明人做了实施样机“树叶-100”，介绍如下：

一、设计风速和风轮半径。

额定功率是由设计风速决定的，其它风力机一般都把6～8米/秒的风速作为设计风速。考虑到我国大多数地区的年平均风速和风速分布状况，树叶型风车选定5米/秒为设计风速，这样可以发挥它的优势，以扩大风速的利用范围，也扩大风车的使用地域，使之在高于三级风时，功率可以达到100瓦左右。

额定功率确定之后，通过计算可以得出“树叶-100”的矩形截面积：

100＝ (ρAV³Cp)/(2×75×1.36) ×1000

ρ-0.125kg-秒²/m⁴

V-5米/秒

Cp-0.25，选一较低数

A-所求之面积m²

A＝ (100×2×75×1.36)/(0.125×5³×0.25×1000) ＝5.2m²

考虑到叶端损失，叶片高度L定为1.8米，风轮半径R为1.5米，矩形截面积略大于5.2m²。

二、叶片数目η和实度

树叶型风车属于低转速大扭矩风力机，它的叶片数同尖速比（叶片尖端线速度同风速之比）没有水平轴那样明显的影响关系，但是，在各基本参数相同的情况下，随着叶片数的增加，在一定范围内输出功率和效率也有所提高。通过对二、三、四叶片的对比试验，三叶片比两叶片运行平稳，基本上消除了系统的周期载荷，又从造价、工艺等方面综合考虑，小型风力机可以选用三个叶片，且叶弦长度C可用下式计算：

nc＝2R

C＝ (2R)/(n) ＝ (2×1.5)/3 ＝1m

实度σ＝ (nc)/(2R) ＝1

实度是一个重要的设计参数，把树叶型风车的实度选为1，主要是考虑其对效率的影响。

三、叶柄的作用及其长度α的选择

正象许多植物的叶子一样，叶柄的作用是非常重要的。树叶型风车里的叶柄，主要是适应叶片压力中心的变化，使作用在叶片上的风力，尽可能多地用来推动风轮旋转。

根据叶片压力中心的变化规律，“树叶-100”的叶柄长度α选定为叶弦的35%，叶柄的安装角φ（见图2）用下式计算：

φ＝arc cos (C)/(2（R+α）)

四、风轮构件的机械强度。

风轮构件，按抗十级大风来设计，在风速为25米/秒时，“树叶-100”转速可以达到160转/分。园周速也按25米/秒，这时作用在风轮上的最大力为离心力。

离心力F＝m (V²)/(R)

m-叶片质量14kg

R-半径1.5m

F＝ (14×25²)/1.5 ＝5833kg

五、启动和限制装置

风轮旋转后，叶柄的摆角在45度左右，把它限制在这个角度内，就可以自启动。

进一步缩小摆角，就限制了风轮的转速。“树叶-100”采用离心限速装置，见图4。

六、搭架形式。

小型风力机多采用立杆拉线，“树叶-100”也采用这种形式，将动力通过中心轴输至地面，发电机5放在立杆下面。（见图1）。

风轮运转时，正面阻力和侧向力（马格拉斯效应）均不十分明显，因而立杆及其拉线的强度，可以按风轮的重量参照一般运动构件来进行设计。

七、配套的选择。

可以选用低速工作机与之配套，如往复式水泵、低速发电机等。

现有的发电机一般的转速都比较高，需要增变速装置。当风速为5米/秒时，“树叶-100”的主轴25转/分，现选用的发电机在200转/分开始工作，因此设计了一个1∶8的增速箱。

上述风力机的样机，已试制出四台，有的运转了一年多的时间，效率达到设计要求。

本发明与已有的技术相比，主要优点是风轮的气动性能好，运行稳定可靠，效率比较高;制造工艺简单，容易安装和维护，成本低廉，这就为大面积开发风能资源创造了条件。

同时本发明的原理还可以作为一种水轮机，用来建造低水头无坝水力发电站。

Claims (5)

1、树叶型风车由风轮和立杆组成，其特征是所说的风轮由园弧形叶片[1]、叶柄[2]和叶杆[3]组成。

2、按照权利要求1所述的风轮，其特征是所说的园弧形叶片的强度由靠近叶柄一端逐渐向叶尖减小。

3、按照权利要求1所述的风轮，其特征是所说的叶柄，其长度是叶弦的1/2到1/4，而且垂直于叶弦。

4、按照权利要求1所述的风轮，其特征是所说的叶柄和叶片为固定连接，叶柄和叶杆为活动连接。

5、按照权利要求1所述的风轮，其特征是所说的叶杆装有杠杆[6]和离心重锤[7]。

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