專利名稱：一種轉(zhuǎn)速可調(diào)的垂直軸風(fēng)力機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種垂直軸風(fēng)力機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，市場上的風(fēng)力機(jī)以水平軸風(fēng)力機(jī)為主，水平軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展比較成熟，應(yīng)用范 圍較為廣闊。為此，相比垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展相對緩慢。但垂直軸風(fēng)力機(jī)與水平軸風(fēng)力機(jī)相 比，具有許多水平軸無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，噪音較低；發(fā)電 機(jī)可置于地面，便于維護(hù)；無需對風(fēng)，不存在偏航功率損失，等。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，使得垂直 軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展逐步被重視，但由于垂直軸發(fā)展歷程較短，因而有很多技術(shù)不成熟，有很多 技術(shù)仍然需要不斷的探索。垂直軸風(fēng)力機(jī)由于其葉片處于旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的最外緣，因此，當(dāng)其處于高速旋轉(zhuǎn)的時 候，離心力非常大，動能也較大，如果欲在強(qiáng)風(fēng)和暴風(fēng)中將高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪減速并停止運(yùn) 行，依靠機(jī)械剎車是非常困難的，必須借助于空氣動力學(xué)的原理進(jìn)行控制轉(zhuǎn)速，然后配合機(jī) 械剎車停車，但目前利用空氣動力學(xué)進(jìn)行控制轉(zhuǎn)速的垂直軸風(fēng)力機(jī)非常罕見。此外，垂直軸風(fēng)力機(jī)理論上可以在強(qiáng)風(fēng)和暴風(fēng)下運(yùn)行。風(fēng)速越大，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)越快， 風(fēng)輪葉片所受的離心力越大，其強(qiáng)度富裕度越小。在實(shí)踐中，為了避免破壞風(fēng)輪，在預(yù)知強(qiáng) 風(fēng)時往往采取停機(jī)運(yùn)行的措施，未能較好地利用強(qiáng)風(fēng)所帶來的有利風(fēng)能。此外，受發(fā)電機(jī)輸 出功率的影響，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速越快，發(fā)電機(jī)功率輸出并非越大，只有在額定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)輸 出功率最大?；谶@些因素的考慮，為了使垂直軸風(fēng)力機(jī)更好的在強(qiáng)風(fēng)和暴風(fēng)下工作，采取 空氣動力學(xué)來有效地控制垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速是非常必要的。最后，垂直軸風(fēng)力機(jī)升力型葉片，當(dāng)空氣流過時，由于氣流產(chǎn)生分離現(xiàn)象，因此阻 力矩較高，難以自行啟動。因此，在設(shè)計(jì)新型垂直軸風(fēng)力機(jī)時，必須考慮垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動性能、穩(wěn)定運(yùn)行 和強(qiáng)風(fēng)下的轉(zhuǎn)速控制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是為解決垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動和高風(fēng)速穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì) 和安全的運(yùn)行，而提供的一種利用空氣動力學(xué)來控制轉(zhuǎn)速的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種轉(zhuǎn)速可調(diào)型垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括風(fēng)輪軸以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸上的兩對或兩 對以上的葉片支架，在所述每對葉片支架末端之間固定一個葉片轉(zhuǎn)軸，在所述的葉片轉(zhuǎn)軸 上固定有圓弧形葉片，在所述的葉片支架末端設(shè)有葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器，該葉片旋轉(zhuǎn)角度 控制器包括定位盤，葉片歸位彈簧以及定位銷釘，所述的定位銷釘設(shè)置在定位盤的圓周上， 且至少為三個，在所述的圓弧形葉片上固定連接一離心配重，所述的葉片歸位彈簧的一端 與葉片支架連接，葉片歸位彈簧的另一端連接在所述的離心配重上，在所述的圓弧形葉片 設(shè)置有定位槽，所述的圓弧形葉片在所述葉片歸位彈簧的作用下，通過卡槽定位在所述定位盤的不同定位銷釘上。所述的圓弧形葉片為圓弧形升力型葉片。所述的限位銷釘為三個，分別設(shè)置在定位盤0°、90°和180°三處。所述的升力型葉片密實(shí)度σ為0.13 0.5，ο =2NC/D，其中C為葉片弦長，N為 葉片數(shù)，D為升力型葉片旋轉(zhuǎn)直徑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型垂直軸風(fēng)力機(jī)的有益效果是1、所采用的葉片為弧形升力型葉片，可利用葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器，改變?nèi)~片的空 氣動力學(xué)性能，進(jìn)而有效控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪在額定轉(zhuǎn)速高效運(yùn)行。2、所采用的葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器由葉片歸位彈簧和離心配重離心力來改變風(fēng)輪 葉片性能，由定位銷釘固定風(fēng)輪葉片的空間位置，使葉片實(shí)現(xiàn)了從阻力性風(fēng)輪向升力型風(fēng) 輪，再到阻力性風(fēng)輪角色的轉(zhuǎn)變，從而利用不同空間位置的葉片的空氣動力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了 風(fēng)輪的啟動、高效運(yùn)行、在大風(fēng)速下保持額定風(fēng)速運(yùn)行的功能。3、本風(fēng)力機(jī)可有效地控制轉(zhuǎn)速，在正常運(yùn)行時具有升力型立軸風(fēng)輪的高效性能， 在啟動時具有阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的高啟動力矩，在強(qiáng)風(fēng)下具有保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的眾多 優(yōu)點(diǎn)。從而，在實(shí)踐中加大了風(fēng)速工作范圍內(nèi)，延長了運(yùn)行時間，增強(qiáng)了惡劣氣候環(huán)境適應(yīng) 性。4、本垂直軸風(fēng)力機(jī)可以在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，配合機(jī)械剎車的制動力，利用回位彈 簧拉力改變?nèi)~片性能，由升力性風(fēng)輪轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇π燥L(fēng)輪，分步降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，降低葉片的動 能，更容易使風(fēng)力機(jī)剎車。

圖1是本實(shí)用新型轉(zhuǎn)速可調(diào)垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖。圖2是本實(shí)用新型兩葉片轉(zhuǎn)速可調(diào)，啟動狀態(tài)時的垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視示意圖圖3是本實(shí)用新型兩葉片轉(zhuǎn)速可調(diào)，正常狀態(tài)時的垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視示意圖。圖4是本實(shí)用新型兩葉片轉(zhuǎn)速可調(diào)，高風(fēng)速高速狀態(tài)時的垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視示意 圖。圖5是葉片轉(zhuǎn)速控制器的回位彈簧示意圖。圖6是葉片支架兩端轉(zhuǎn)速控制器的檔位彈簧示意圖。其中1、風(fēng)輪軸；2、葉片支架；3、葉片轉(zhuǎn)軸；4、葉片；5、葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器；6、 葉片歸位彈簧；7、檔位控制彈簧；8、0°檔位；9、90°檔位；10、180°檔位；11、定位銷釘; 12、螺母；13、離心配重，14、葉片檔位卡槽。
具體實(shí)施方式
1、
以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型為升力型風(fēng) 輪，包括風(fēng)輪軸1，在風(fēng)輪軸1上安裝有2對或2對以上葉片支架2，每對支架之間設(shè)有一葉 片轉(zhuǎn)軸3，直葉片升力型葉片4固定于葉片轉(zhuǎn)軸3，葉片可繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在葉片轉(zhuǎn)軸3的頂 端設(shè)有葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器5。2、在所述的葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器上設(shè)有檔位控制彈簧7、葉片歸位彈簧6、定位銷 釘11和離心配重13，檔位控制彈簧用于壓緊定位銷釘，增加銷釘對葉片的作用力；葉片歸
4位彈簧6拉緊離心配重，以控制葉片旋轉(zhuǎn)的角度。當(dāng)離心配重13產(chǎn)生的離心力小于歸位彈 簧拉力時，可以將葉片歸位于0角度檔位；當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較快，受離心力的作用，離心配重會 偏離初始位置向外偏移，從而帶動葉片軸旋轉(zhuǎn)。3、如圖2所示，當(dāng)風(fēng)輪停止時，旋轉(zhuǎn)速度為零，離心配重?zé)o離心力，在歸位控制彈 簧的作用下，離心配重、葉片的弦線和葉片支架3位于同一直線上。此時，由于葉片為圓弧 形翼型，順風(fēng)和逆風(fēng)向的葉片阻力不同，構(gòu)成了阻力型風(fēng)力機(jī)。阻力型風(fēng)力機(jī)啟動力矩較 大，在葉片空氣阻力差的驅(qū)動下，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)。但此時，離心配重雖然因風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)具有一 定的離心力，但受檔位彈簧和銷釘?shù)南拗?，風(fēng)輪葉片仍然為阻力型風(fēng)輪，繼續(xù)加速。4、如圖3所示，當(dāng)風(fēng)輪在阻力型風(fēng)輪的作用下，風(fēng)輪加速到最后完全啟動。加速使 離心配重受到的離心力加大，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速最大時，在離心配重離心力的作用下克服檔位彈 簧和歸位彈簧的阻力，通過葉片轉(zhuǎn)軸帶動葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在離心配重離心力和慣性力的作 用下，葉片立刻進(jìn)入90度檔位，此位置葉片的弦線與葉片支架相垂直，風(fēng)輪由阻力型風(fēng)輪 轉(zhuǎn)變?yōu)樯π惋L(fēng)輪。由于受升力作用，風(fēng)輪繼續(xù)加速旋轉(zhuǎn)直到保持平穩(wěn)。在90度檔位的銷 釘阻力作用下，風(fēng)輪在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，葉片始終保持該位置，保證了風(fēng)輪的高效運(yùn)行。5、如圖4所示，當(dāng)風(fēng)輪經(jīng)受強(qiáng)風(fēng)和狂風(fēng)時，升力型風(fēng)輪會增大轉(zhuǎn)速，離心配重的離 心力迅速加大，并克服正常運(yùn)行檔位的阻力和歸位彈簧的拉力，葉片繼續(xù)發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。此 時，葉片進(jìn)入檔位3，葉片構(gòu)成了一個反向阻力型風(fēng)力機(jī)，所受的合力矩與旋轉(zhuǎn)方向相反，旋 轉(zhuǎn)速度迅速下降。轉(zhuǎn)速下降，離心力下降，以及在歸位彈簧的拉力作用下，葉片脫離180度 檔位的阻力，歸位于90度檔位。從而有效限制轉(zhuǎn)速的增加。6、當(dāng)遇到極限強(qiáng)風(fēng)和陣風(fēng)條件時，為了避免破壞旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪被破壞而需要停車 時，配合機(jī)械剎車，可以使風(fēng)輪減速，在風(fēng)輪減速后，受離心力減小，在歸位彈簧和機(jī)械剎車 制動力的作用下，風(fēng)輪的葉片會迅速歸位到檔位0°檔位。之后，受阻力型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)限制，轉(zhuǎn) 速進(jìn)一步降低，葉片具有的能量減小，從而更加有利于剎車。本實(shí)用新型為可調(diào)速的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，葉片頂端設(shè)有離心配重，在離心配 重離心力和檔位控制彈簧的作用下，風(fēng)輪葉片隨轉(zhuǎn)速的增加由阻力性葉片變?yōu)樯π腿~片 再到反向阻力型葉片，此設(shè)計(jì)有效克服了單純升力型葉片啟動難的缺點(diǎn)，也克服了現(xiàn)有升 力型風(fēng)力機(jī)強(qiáng)風(fēng)下轉(zhuǎn)速失控而被迫停機(jī)運(yùn)行的缺點(diǎn)，利用葉片空氣動力的改變有效控制風(fēng) 輪轉(zhuǎn)速，增加了風(fēng)輪的可靠性和有效工作風(fēng)速，提高了風(fēng)輪的有效工作時間和抗強(qiáng)風(fēng)性，達(dá) 到了提高風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)性的效果。
權(quán)利要求一種轉(zhuǎn)速可調(diào)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括風(fēng)輪軸(1)以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸(1)上的兩對或兩對以上的葉片支架(2)，其特征在于在所述每對葉片支架(2)末端之間固定一個葉片轉(zhuǎn)軸(3)，在所述的葉片轉(zhuǎn)軸(3)上固定有圓弧形葉片(4)，在所述的葉片支架(2)末端設(shè)有葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器(5)，該葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器(5)包括定位盤，葉片歸位彈簧(6)以及定位銷釘(11)，所述的定位銷釘(11)設(shè)置在定位盤的圓周上，且至少為三個，在所述的圓弧形葉片上固定連接一離心配重(13)，所述的葉片歸位彈簧的一端與葉片支架連接，葉片歸位彈簧的另一端連接在所述的離心配重(13)上，在所述的圓弧形葉片(4)設(shè)置有葉片檔位卡槽(14)，所述的圓弧形葉片(4)在所述葉片歸位彈簧(6)的作用下，通過葉片檔位卡槽(14)定位在所述定位盤的不同定位銷釘(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)速可調(diào)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于所述的圓弧形 葉片(4)為圓弧形升力型葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)速可調(diào)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于所述的限 位銷釘(11)為三個，分別設(shè)置在定位盤0°、90°和180°三處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)速可調(diào)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征在于所述的升力型 葉片密實(shí)度σ為0.13 0.5，σ = 2NC/D，其中C為葉片弦長，N為葉片數(shù)，D為升力型葉 片旋轉(zhuǎn)直徑。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種轉(zhuǎn)速可調(diào)型垂直軸風(fēng)力機(jī)，包括風(fēng)輪軸以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸上的兩對或兩對以上的葉片支架，在每對葉片支架末端之間固定一個葉片轉(zhuǎn)軸，在葉片轉(zhuǎn)軸上固定有圓弧形葉片，在葉片支架末端設(shè)有葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器，該葉片旋轉(zhuǎn)角度控制器包括定位盤，葉片歸位彈簧以及定位銷釘，定位銷釘設(shè)置在定位盤的圓周上，且至少為三個，在圓弧形葉片上設(shè)置離心配重，葉片歸位彈簧的一端與葉片支架連接，葉片歸位彈簧的另一端連接在離心配重上，在圓弧形葉片設(shè)置有定位槽，圓弧形葉片在所述葉片歸位彈簧的作用下，通過卡槽定位在所述定位盤的不同定位銷釘上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用葉片歸位彈簧和離心配重離心力來改變風(fēng)輪葉片性能實(shí)現(xiàn)了風(fēng)輪的啟動、高效運(yùn)行、并在強(qiáng)風(fēng)和狂風(fēng)下保持額定風(fēng)速運(yùn)行的功能轉(zhuǎn)化。
文檔編號F03D7/06GK201635921SQ201029044120
公開日2010年11月17日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者趙振寧, 趙振宙, 鄭源 申請人:河海大學(xué);南京河海科技有限公司