專利名稱：一種高效導流式垂直軸風機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種導流式垂直軸風機，特別涉及一種高效導流式垂直軸風機。
背景技術：
目前風力發(fā)電的風機有水平軸風機和垂直軸風機。水平軸風力發(fā)電機組機倉需 360°旋轉，以達到迎風目的，風向調(diào)節(jié)過程中需要包含有旋轉機構、風向檢測、角位移發(fā)送和角位移跟蹤等系統(tǒng)的參與。水平軸風力發(fā)電機風輪的迎風面不可能始終對著風，這就引起了“對風損失”。研究表明，若風向偏離40°，則水平軸風力發(fā)電機的能量利用率系數(shù)將下降約50%。垂直軸風力發(fā)電機不須要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360°方位中任何方向來風，風機的風輪永遠向設計方向轉動。與水平軸風機相比，垂直軸風機因具有發(fā)電效率高、 抗疲勞壽命長、維修方便、投資成本低等諸多優(yōu)點，目前，在世界風電領域是大型風機技術發(fā)展的重要方向。本發(fā)明針對上述技術背景，在風輪的外圍設計能夠根據(jù)風向自動調(diào)整方向的不對稱導流裝置，再針對被導流裝置改變了的流場設計出阻力型和升力型相結合的風輪葉片， 增加風機的風能利用率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有垂直軸風機的缺點，本發(fā)明提供一種新型的高效導流式垂直軸風機。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的措施一種高效導流式垂直軸風機，包括垂直軸風輪，垂直軸風輪外圍設置有隨風向自動轉換方向的導流裝置，所述的導流裝置為風輪的迎風側設有兩弧形或S形迎風導流葉片，且該兩迎風導流葉片方向相反地設置在風輪迎風向前方；還包括中央尾舵，中央尾舵與兩迎風導流葉片連接固定在一起，中央尾舵位于背風側。進一步說，中央尾舵兩側設有背風側面舵。更進一步說，背風側面舵設置在風輪的上方。更進一步說，中央尾舵、兩迎風導流葉片固定在上下兩圓環(huán)上，組成一體化結構。更進一步說，風輪與導流裝置共軸心，且風輪與導流裝置轉動相互獨立。更進一步說，還包括上下兩軌道，上下兩圓環(huán)分別與上下兩軌道滑動配合，且上下兩圓環(huán)之間通過固定條固定。更進一步說，上下兩軌道通過至少三根立柱或至少三座金屬支撐架支撐。本發(fā)明的有益效果減少風輪轉動的阻力，大大提高風對風輪的推動力；有效避免屏蔽式垂直軸風機中風輪轉動時氣流在屏蔽一側的阻塞效應；本發(fā)明在將更多的風能轉化為推動風輪轉動動力的同時，有效地減少了風力對風機轉動形成的阻力；同時，導流裝置能根據(jù)風向自動調(diào)整對準風向，從而較大幅度地提高風能的利用率。


圖I、高效導流式垂直軸風機的俯視圖。
具體實施例方式一種高效導流式垂直軸風機，如圖I所示，包括不對稱迎風導流裝置、風輪裝置、 隨風向自動轉換方向機構裝置，所述風輪由垂直軸風輪6、風輪葉片10構成，圓環(huán)5內(nèi)側設置有垂直軸風輪6，圓環(huán)5與垂直軸風輪6設置為同一轉軸中心,并通過軸承連接在垂直軸風輪6的中央主軸上；圓環(huán)5上設置有3至9個風輪葉片10，風輪葉片10為阻力、升力混合型葉片結構；圓環(huán)5前端一側通過第一迎風導風支架2設置有第一迎風導風葉片1，圓環(huán) 5前端另一側通過第二迎風導風支架7設置有第二迎風導風葉片8，第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8為形狀不對稱結構并構成形狀不對稱的導流裝置，同時，第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8的水平截面分別采用弧形(或S形和反S形)結構；圓環(huán) 5背風端中間位置通過兩固定條12設置有中央尾舵3，中央尾舵3兩側均設置有背風側面舵4，中央尾舵3與其兩側設置的風側面舵4構成隨風向自動轉換方向機構裝置；不對稱迎風導流裝置與隨風向自動轉換方向機構裝置構成不對稱自動導流裝置；隨風向自動轉換方向機構裝置的中央尾舵3結構在垂直方向上結構較長，其兩側設置的背風側面舵4在水平方向上結構較短；同時，中央尾舵3設置于風輪穩(wěn)定工作狀態(tài)時的背風方，兩側的背風側面舵4在垂直方向上可以安裝在風輪的上方。高效導流式垂直軸風機穩(wěn)定工作狀態(tài)時，第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8所受力成軸對稱；中央尾舵3與其兩側設置的背風側面舵4所受合力成軸對稱，此外，不對稱迎風導流裝置僅對來風氣流產(chǎn)生導引，不對經(jīng)過風輪裝置后的氣流產(chǎn)生阻塞。以風輪設計為順時針轉動方式為例，并稱順時針方向轉動為正轉動，反之為反轉動，相應的使風輪順時針方向轉動的力稱為正推力，反之為反推力或阻力。如圖I所示，來風方向13為北，東側(右側)為推動風輪轉動的動力側，西側(左側)為阻力側。背風側面舵4可以設計在風輪的上方，避免對過風輪后的氣流產(chǎn)生阻塞。第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8設置在風輪前方的迎風面，中央尾舵3在風輪的后方(相對于風向來說)。不對稱導流裝置在穩(wěn)定時，其力對稱軸與風向一致，且開口朝向迎風方向。當風向向東變動時，風向與迎風導流葉片(I、8)、中央尾舵3、背風側面舵4原受力對稱軸產(chǎn)生偏差， 風力對中央尾舵3、背風側面舵4形成的正推力大于風力對第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8產(chǎn)生的反推力，推動不對稱導流裝置正向轉動，重新與風向保持一致，使迎風導風葉片開口正對向迎風方向。當風向向西變動時，風向與迎風導流葉片(1、8)、中央尾舵3、 背風側面舵4原受力對稱軸產(chǎn)生偏差，風力對中央尾舵3、背風側面舵4產(chǎn)生的反推力大于風力對第一迎風導風葉片I與第二迎風導風葉片8產(chǎn)生的正推力，推動不對稱導流裝置反向轉動，重新與風向保持一致，使迎風導風葉片開口正對向迎風方向。此外，如圖I所示，來風方向13為北時，東側(右側)為推動風輪轉動的動力側，西側(左側)為阻力側；不對稱導流裝置在風力作用下，開口自動朝向迎風方向。第一迎風導風葉片I對阻力側風輪前方第一區(qū)域15的風進行導流，改變了該區(qū)域內(nèi)風的運行方向，在第一迎風導流葉片I的作用下，被改變方向的氣流與風輪葉片成盡可能接近垂直的夾角， 對風輪葉片產(chǎn)生最大的推力。第二迎風導流葉片8對動力側風輪前方第三區(qū)域17的風進行積聚，引導到風輪前方，對風輪葉片產(chǎn)生推力。氣流在弧形或S型第一迎風導流葉片I、弧形或反S型第二迎風導流葉片8的導引下，第一區(qū)域15、第二區(qū)域16和第三區(qū)域17引進的風不會互相沖突，抵消風力少，這樣，在第一區(qū)域15、第二區(qū)域16和第三區(qū)域17的風力都被引導到風輪動力側的正前方，共同作用到風輪葉片10上并推動風輪的轉動；這與不加導流裝置的垂直軸風機相比，增加了在第一區(qū)域15、第二區(qū)域16風力對風輪的正推動，避免了第一區(qū)域15風力對風輪阻力側產(chǎn)生反推動而形成阻力。在風機葉片10設計方面，風機葉片10采用阻力型與升力型混合的形狀設計，風輪葉片的迎風面為平面，也可在迎風向表面上設有小凹槽來增加氣流的停滯時間，從而增加推力。風輪葉片10在正對來風方向13時 (圖I中為正北方)，風力對風輪葉片10產(chǎn)生正壓力，推動風輪轉動；風輪葉片10在側面時氣流經(jīng)過風輪葉片兩側形成的速度差產(chǎn)生升力，推動風輪往正方向轉動。風輪葉片前頭為流線形設計，可以盡量減少風輪轉動過程中空氣的阻力。同時，由于阻力側的風力被引導到動力側，阻力側風力不產(chǎn)生對風輪的反向推力，阻力側的外圍沒有屏蔽式垂直軸風機中所具有的屏蔽裝置，不會對氣流產(chǎn)生阻塞作用，從而減少風輪正向轉動時的阻力。所以，本發(fā)明具有增加氣流利用量，增加風輪推動力，減少風輪阻力的特點，能夠較大幅度地提高風能利用率。對于設計為逆時針轉動的方式，原理與上述相同。本發(fā)明的具體實施方式
有三種實施方式一如圖I所示，適合于比較小型的風機建造；第一迎風導風葉片I、第二迎風導風葉片8、中央尾舵3、背風側面舵4設置在圓環(huán)5 上，并通過軸承連接在垂直軸風機6的中央主軸上。實施方式二 對于規(guī)模中等的風機建造，可以在風輪裝置的外圍用三根立柱14建成導流裝置的支撐結構，在三根立柱14的上端和下端設圓環(huán)的導軌，圓環(huán)與導軌間由多個滑輪連接，使導流裝置能夠在風力的作用下沿導軌自動轉向并使導流片對準迎風方向；同時，風輪的主軸上端通過連接固定在三根立柱 14上，以增加風輪的抗風強度。實施方式三對于較大規(guī)模的單機要求，可以在風輪裝置外設三座具有一定曲度的三角塔架作為導流裝置和風輪裝置的支撐，在三座三角塔架的上方和下方設圓環(huán)的導軌，圓環(huán)與導軌間由多個滑輪連接，使導流裝置能夠在風力的作用下沿導軌自動轉向并使導流片對準迎風方向；風輪裝置的主軸上端通過連接固定在三座三角塔架的連接點上，以增加風輪的抗風強度；背風側面舵4可以考慮設置在風輪的上方以避免對過風輪后的氣流形成堵塞，增加風輪動力。
權利要求
1.一種高效導流式垂直軸風機，包括垂直軸風輪，其特征在于，垂直軸風輪外圍設置有隨風向自動轉換方向的導流裝置，所述的導流裝置為風輪的迎風側設有兩弧形或S形迎風導流葉片，且該兩迎風導流葉片方向相反地設置在風輪迎風向前方的兩側；還包括中央尾舵，中央尾舵與兩迎風導流葉片連接固定在一起，中央尾舵位于背風側。
2.如權利要求I所述高效導流式垂直軸風機，其特征在于，中央尾舵兩側設有背風側面舵。
3.如權利要求2所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，背風側面舵設置在風輪的上方。
4.如權利要求1，2或3所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，中央尾舵、兩迎風導流葉片固定在上下兩圓環(huán)上，組成一體化結構。
5.如權利要求I所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，風輪與導流裝置共軸心， 且風輪與導流裝置轉動相互獨立。
6.如權利要求4所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，風輪與導流裝置共軸心， 且風輪與導流裝置轉動相互獨立。
7.如權利要求6所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，還包括上下兩軌道，上下兩圓環(huán)分別與上下兩軌道滑動配合，且上下兩圓環(huán)之間通過固定條固定。
8.如權利要求7所述的高效導流式垂直軸風機，其特征在于，上下兩軌道通過至少三根立柱或至少三座金屬支撐架支撐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效導流式垂直軸風機，包括垂直軸風輪，垂直軸風輪外圍設置有隨風向自動轉換方向的導流裝置，所述的導流裝置為風輪的迎風向兩側設有兩弧形或S形迎風導流葉片，且該兩迎風導流葉片方向相反地設置在風輪的兩側；還包括中央尾舵，中央尾舵與兩迎風導流葉片連接固定在一起，中央尾舵位于風輪背風側。本發(fā)明的有益效果減少風輪轉動的阻力，大大提高風對風輪的推動力；有效避免屏蔽式垂直軸風機中風輪轉動時氣流在屏蔽一側的阻塞效應；本發(fā)明在將更多的風能用于推動風輪轉動的同時，有效地減少了風力對風機的阻力；同時，導流裝置能自動調(diào)整對準風向，從而較大幅度地提高風能的利用率。
文檔編號F03D3/00GK102536641SQ20121003027
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權日2012年2月13日
發(fā)明者史文海, 潘永地 申請人:潘永地