專利名稱：升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直軸風(fēng)力機(jī)，具體是一種升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種取之不盡、用之不竭的新型能源具有良好的應(yīng)用前景和開發(fā)潛力。我國的風(fēng)能資源比較豐富，大力發(fā)展風(fēng)電事業(yè)符合我國確立的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的要求。風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能利用的主要裝置。現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是水平軸高速風(fēng)輪。其主要缺點(diǎn)就是需要有較高的啟動(dòng)風(fēng)速，并且需要根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)整風(fēng)輪的朝向。垂直軸風(fēng)力機(jī)不需要調(diào)整風(fēng)輪朝向。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前主要有兩種類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。David A Spear，PHD，編著的《Wind TurbineTechnology Fundamental Conception Of Wind Turbine Engineering》《風(fēng)力機(jī)技術(shù)---風(fēng)力機(jī)的基本概念》，New York ASME(The American Society ofMechanical Engineers)PRESS 1994(紐約美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)出版社1994年)，該書中第二章(49，58，60頁)、第三章(93，94頁)提及升力型風(fēng)力機(jī)，利用氣流對葉片的升力來驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，需要有比較大的啟動(dòng)風(fēng)速。阻力型風(fēng)力機(jī)，利用氣流對葉片的阻力來驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，不需要很大的啟動(dòng)風(fēng)速，因此在平均風(fēng)速較低的地區(qū)也可以使用。但是當(dāng)葉片與風(fēng)速方向夾角比較小時(shí)葉片基本上得不到驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)可以充分利用來流空氣對葉片的升力和阻力，因此可大大提高風(fēng)輪的效率。在進(jìn)一步的檢索中，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不足，提供一種升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，使其降低垂直軸風(fēng)力機(jī)對工作風(fēng)速的要求，提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作效率。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括導(dǎo)流裝置、機(jī)架、轉(zhuǎn)子固定圓盤、葉片、導(dǎo)流板。轉(zhuǎn)子固定圓盤、葉片、導(dǎo)流板組成轉(zhuǎn)子，葉片垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)子固定圓盤上，導(dǎo)流板的中心與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸重合，導(dǎo)流板的設(shè)置方向與葉片的弦線方向一致，轉(zhuǎn)子和導(dǎo)流裝置固定在機(jī)架上。
每個(gè)轉(zhuǎn)子包含兩個(gè)葉片，它們平行、垂直固定在轉(zhuǎn)子固定圓盤上，葉片軸對稱放置于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，這樣可以增加單位時(shí)間氣流對葉片作正功的時(shí)間，葉片采用強(qiáng)度高，密度小的材料，葉片的高度為其弦長的3~4倍，且葉片偏移距離遠(yuǎn)小于葉片的弦長，并在轉(zhuǎn)軸處安裝平行于葉片弦線的導(dǎo)流板。為了使通過導(dǎo)流裝置作用于葉片的氣流與不通過導(dǎo)流裝置直接作用于葉片的氣流在兩葉片后端即旋轉(zhuǎn)軸處不相互干擾，降低風(fēng)輪的工作效率，將兩葉片錯(cuò)開放置，并加裝導(dǎo)流板。這樣可減小通過兩葉片氣流的相互干擾，增加風(fēng)輪的輸出功率，提高風(fēng)輪的效率。
當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向與風(fēng)速相反時(shí)，氣流作用在葉片上的作用力為阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力。為了避免這一情況發(fā)生，本發(fā)明使用導(dǎo)流裝置，導(dǎo)流裝置是有一個(gè)氣流進(jìn)口以及兩個(gè)氣流出口的箱體，導(dǎo)流裝置的高度與葉片的高度相同，其寬度略大于葉片弦長。這樣使處于逆風(fēng)位置的氣流可以全部進(jìn)入導(dǎo)流裝置。導(dǎo)流裝置的內(nèi)腔類似于C型，其氣流進(jìn)口與氣流出口同向，這樣處于逆風(fēng)位置的氣流可以反向作用于葉片。氣流進(jìn)口與氣流出口的形狀為高度與葉片高度相同，寬度不同的矩形。且氣流進(jìn)口的寬度大于氣流出口的寬度。為了使這部分作用于葉片的氣流流出風(fēng)輪，在氣流進(jìn)口附近再添加第二氣流出口。第二氣流出口為兩個(gè)圓柱形通道，其直徑大致為葉片弦長的一半。為了使氣流可以從柱形通道流出風(fēng)輪，在導(dǎo)流裝置外側(cè)，柱形通道出口前加裝擋板。擋板與氣流進(jìn)口處在同一平面。
為了保證處于逆風(fēng)位置的氣流不直接作用于葉片以至于產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，導(dǎo)流裝置的氣流進(jìn)口應(yīng)始終正對著當(dāng)?shù)仫L(fēng)向?？紤]到風(fēng)向的瞬間變化性，因此只要保證導(dǎo)流裝置的氣流進(jìn)口朝向與當(dāng)?shù)仫L(fēng)向間的夾角在正負(fù)5°之間即可。但是由于全年風(fēng)向變化范圍很大，安裝在機(jī)架上的導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)為可以繞著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)流裝置。
當(dāng)來流空氣與葉片的迎角較小時(shí)，轉(zhuǎn)子充分利用空氣對葉片的升力來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。當(dāng)來流空氣與葉片的迎角較大時(shí)，轉(zhuǎn)子利用空氣對葉片的阻力來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，這樣可使處于不同位置時(shí)的葉片充分利用來流空氣的能量。當(dāng)葉片處于逆風(fēng)位置時(shí)空氣對葉片產(chǎn)生作用力為阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的力，裝導(dǎo)流裝置使處于逆風(fēng)位置的氣流通過導(dǎo)流裝置后反方向作用于葉片。氣流從氣流進(jìn)口進(jìn)入導(dǎo)流裝置之后順著箱體反向從氣流出口流出導(dǎo)流裝置，這部分氣流作用于逆風(fēng)位置的葉片，然后從導(dǎo)流裝置的第二個(gè)氣流出口排出。轉(zhuǎn)子將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，本發(fā)明用兩個(gè)相互偏轉(zhuǎn)90度的轉(zhuǎn)子來平衡風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的負(fù)扭矩。
本發(fā)明中的風(fēng)力機(jī)，當(dāng)葉片與來流的夾角較小時(shí)，葉片受到氣流作用于葉片的升力；當(dāng)葉片與來流的夾角較大時(shí)，葉片受到氣流作用于葉片上的阻力。這樣處于順風(fēng)位置時(shí)的葉片可以充分的利用風(fēng)能。對于處在逆風(fēng)位置時(shí)的葉片，氣流反方向作用于葉片，同樣也可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此大大提高了風(fēng)輪的效率。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1-導(dǎo)流裝置，2-機(jī)架，3-轉(zhuǎn)子固定圓盤，4-葉片，5-導(dǎo)流板。
圖2為轉(zhuǎn)子中的葉片與導(dǎo)流板的相對位置示意圖。
圖3為導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中，7-氣流進(jìn)口，8-氣流出口2，9-氣流出口1，10-擋板。
圖4為導(dǎo)流裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括導(dǎo)流裝置1、機(jī)架2、轉(zhuǎn)子固定圓盤3、葉片4、導(dǎo)流板5，轉(zhuǎn)子固定圓盤3、葉片4、導(dǎo)流板5組成轉(zhuǎn)子，葉片4垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)子固定圓盤3上，導(dǎo)流板5的中心與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸重合，導(dǎo)流板5的安裝方向與葉片4的弦線方向一致，轉(zhuǎn)子和導(dǎo)流裝置1固定在機(jī)架2上。
每個(gè)轉(zhuǎn)子包含兩個(gè)葉片，它們平行、垂直地固定在轉(zhuǎn)子固定圓盤3上，且對稱于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸。葉片4采用強(qiáng)度高，密度小的材料，其高度為弦長的3~4倍，且兩葉片4偏移距離遠(yuǎn)小于葉片4的弦長。轉(zhuǎn)軸處設(shè)置平行于葉片4弦線的導(dǎo)流板5。
導(dǎo)流裝置1是有一個(gè)氣流進(jìn)口7以及兩個(gè)氣流出口8、9的箱體，導(dǎo)流裝置的寬度，第二氣流出口8為兩個(gè)圓柱形通道，其直徑為葉片4弦長的一半。為了使氣流可以從柱形通道流出風(fēng)輪，在導(dǎo)流裝置1外側(cè)，第二氣流出口8前加裝擋板10，擋板10與氣流進(jìn)口7處在同一平面。
以下提供本發(fā)明裝置的實(shí)施例本實(shí)施例中，葉片弦長l＝a，葉片高度H＝3~4a，導(dǎo)流板長ld＝0.5a，固定圓盤直徑D＝2.2a，固定圓盤厚ly＝0.1~0.2a。
為了不使兩股來流在葉片后端相互干擾，降低風(fēng)輪的性能，將兩葉片相互偏移一段距離(水平偏移e＝0.2a，垂直偏移d＝0.35a)。并使用導(dǎo)流板，如圖2所示。
為了平衡在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的負(fù)扭矩情況，風(fēng)輪使用相互偏轉(zhuǎn)90°的兩個(gè)轉(zhuǎn)子。
根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速的不同，葉片的弦長a值的大小也相應(yīng)的變化。當(dāng)?shù)仫L(fēng)速越大，葉片弦長a(m)值也越大。設(shè)當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速為v(m/s)，那么弦長a與v的關(guān)系大致如下a＝0.8~1.2v。
導(dǎo)流裝置是本設(shè)計(jì)中的另一重要部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。處于逆風(fēng)位置的氣流進(jìn)入導(dǎo)流裝置1中的氣流進(jìn)口7后從第一氣流出口9中流出，這部分氣流在作用于葉片后從第二氣流出口8流出。
其中導(dǎo)流裝置的高度與葉片高度相同，氣流進(jìn)口7寬度為轉(zhuǎn)子半徑的4/5。第一氣流出口9的寬度為轉(zhuǎn)子半徑的2/5。氣流進(jìn)口7與第一氣流出口9的法線間的夾角β＝15°～20°。導(dǎo)流裝置1內(nèi)部光滑，盡量減少空氣在里面的沿程阻力。第二氣流出口8為兩個(gè)柱形管道，直徑為轉(zhuǎn)子半徑的1/2。兩管道中心的距離為導(dǎo)流裝置1高度H的1/2。位置低的管道其中心距導(dǎo)流裝置1底部的距離為H的1/4。管道中心線(即第二氣流出口8與氣流進(jìn)口7)法線間的夾角γ＝45°～50°。
權(quán)利要求
1.一種升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括機(jī)架(2)，轉(zhuǎn)子固定圓盤(3)，葉片(4)，其特征在于，還包括導(dǎo)流裝置(1)和導(dǎo)流板(5)，轉(zhuǎn)子固定圓盤(3)、葉片(4)、導(dǎo)流板(5)組成轉(zhuǎn)子，葉片(4)垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)子固定圓盤(3)上，導(dǎo)流板(5)的中心與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸重合，導(dǎo)流板(5)的安裝方向與葉片(4)的弦線方向一致，轉(zhuǎn)子和導(dǎo)流裝置(1)固定在機(jī)架(2)上。
2.如權(quán)利要求1的升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，每個(gè)轉(zhuǎn)子包含兩個(gè)葉片(4)，高度為其弦長的3~4倍，兩葉片(4)平行、垂直地固定在轉(zhuǎn)子固定圓盤(3)上，且對稱設(shè)置于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸，其偏移距離遠(yuǎn)小于葉片(4)的弦長，在轉(zhuǎn)軸處設(shè)置平行于葉片(4)弦線的導(dǎo)流板(5)，或者將兩葉片(4)錯(cuò)開放置，并加裝導(dǎo)流板(5)。
3.如權(quán)利要求1的升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，導(dǎo)流裝置(1)是設(shè)有氣流進(jìn)口(7)以及第一、第二氣流出口(8)、(9)的箱體，其高度與葉片(4)高度相同，寬度略大于葉片(4)弦長，內(nèi)腔類似于C型，氣流進(jìn)口(7)與氣流出口(9)同向，氣流進(jìn)口(7)與氣流出口(9)的形狀為高度與葉片(4)高度相同的矩形，且氣流進(jìn)口(7)的寬度大于氣流出口(9)的寬度，氣流出口(8)為兩個(gè)圓柱形通道，其直徑為葉片(4)弦長的一半。
4.如權(quán)利要求1或者3的升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，或者在導(dǎo)流裝置(1)外側(cè)，第二氣流出口(8)前設(shè)置擋板(10)，擋板(10)與氣流進(jìn)口(7)處在同一平面。
5.如權(quán)利要求1的升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，氣流進(jìn)口(7)朝向與當(dāng)?shù)仫L(fēng)向間的夾角在正負(fù)5°之間，導(dǎo)流裝置(1)繞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求1或者3的升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，導(dǎo)流裝置的氣流進(jìn)口(7)與第一氣流出口(9)的法線間的夾角β＝15°～20°，管道中心線與氣流進(jìn)口(7)法線間的夾角γ＝45°～50°，氣流進(jìn)口(7)寬度為轉(zhuǎn)子半徑的4/5，第一氣流出口(9)的寬度為轉(zhuǎn)子半徑的2/5，第二氣流出口(8)的直徑為轉(zhuǎn)子半徑的1/2。
全文摘要
一種升力、阻力聯(lián)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。包括導(dǎo)流裝置、機(jī)架、轉(zhuǎn)子固定圓盤、葉片、導(dǎo)流板。轉(zhuǎn)子固定圓盤、葉片、導(dǎo)流板組成轉(zhuǎn)子，葉片垂直設(shè)置在轉(zhuǎn)子固定圓盤上，導(dǎo)流板的中心與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸重合，導(dǎo)流板的設(shè)置方向與葉片的弦線方向一致，轉(zhuǎn)子和導(dǎo)流裝置固定在機(jī)架上。本發(fā)明當(dāng)葉片與來流的夾角較小時(shí)，葉片受到氣流作用于葉片的升力；當(dāng)葉片與來流的夾角較大時(shí)，葉片受到氣流作用于葉片上的阻力。這樣處于順風(fēng)位置時(shí)的葉片可以充分的利用風(fēng)能。對于處在逆風(fēng)位置時(shí)的葉片，氣流反方向作用于葉片，同樣也可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此大大提高了風(fēng)輪的效率。
文檔編號F03D7/06GK1603612SQ20041006757
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者沈昕, 竺曉程, 歐陽華, 杜朝輝 申請人:上海交通大學(xué)