一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，包括主軸、連桿和可變式葉片，連桿包含上連桿和下連桿，可變式葉片通過連桿與主軸相連接。所述可變式葉片包含第一葉片和第二葉片，第一葉片的頂端和底部通過固定轉(zhuǎn)軸與上連桿和下連桿相連，第二葉片通過前緣轉(zhuǎn)軸與第一葉片連接，第一葉片和第二葉片之間設(shè)有張開閉合部件。主軸和可變式葉片間還可增設(shè)升力型葉片。本發(fā)明通過可變式葉片在阻力葉型和升力葉型間的自動轉(zhuǎn)換，低風(fēng)速時伸展為阻力型葉片，高風(fēng)速時自動縮合成升力型葉片，科學(xué)有機地融合了阻力型葉片啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動風(fēng)速低的優(yōu)點和升力型葉片氣動效率較高的優(yōu)點，實現(xiàn)低速啟動、高效運行的設(shè)計目標(biāo)。
【專利說明】一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪，更具體地說是一種半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，屬于風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能資源具有著分布廣泛，儲量豐富，清潔可再生等優(yōu)點，在煤和石油等化石能源日趨短缺、環(huán)境日益惡化的國際背景下，風(fēng)能資源的開發(fā)利用日益受到世界各國的廣泛關(guān)注和持續(xù)投入，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)得到了較快的發(fā)展。在并網(wǎng)大型風(fēng)力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，目前世界上應(yīng)用最為普遍的是水平軸風(fēng)機，其技術(shù)相對成熟，生產(chǎn)批量大，已成為當(dāng)今風(fēng)機的主流機型。但隨著分布式供能及風(fēng)機小型化需求的上升，水平軸風(fēng)機啟動風(fēng)速高、工作噪音大、抗風(fēng)能力差等先天性不足等缺點逐步暴露，而具有著結(jié)構(gòu)相對簡單、啟動風(fēng)速低，氣動噪音小，受風(fēng)性能更好的垂直軸風(fēng)機，逐步步入人們的視野。
[0003]垂直軸風(fēng)機主要分為阻力型垂直軸風(fēng)機和升力型垂直軸風(fēng)機兩大類。升力型垂直軸利用風(fēng)的升力以幾倍于風(fēng)速的速度旋轉(zhuǎn)，可以高效率的輸出風(fēng)能，但啟動風(fēng)速較高、啟動轉(zhuǎn)矩小，通常不能自啟動，在城市和低風(fēng)速區(qū)域應(yīng)用較為困難。而阻力型垂直軸風(fēng)機雖然氣動效率較低，但具有著啟動轉(zhuǎn)矩大，可在較低風(fēng)速小啟動的有點；若能將兩種風(fēng)機的優(yōu)點結(jié)合起來，設(shè)計出兼具著啟動風(fēng)速低，氣動效率高兩種優(yōu)點的垂直軸風(fēng)機明顯有著更為優(yōu)良的應(yīng)用前景和競爭力。
[0004]為實現(xiàn)以上低速啟動、高效運行的設(shè)計目的，目前通常將升力型垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪和阻力型垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪疊加組合。升力型葉片處于外圈，阻力型葉片處于內(nèi)圈對應(yīng)位置，如專利(CN103527403A)所述。這樣的設(shè)計一方面利用了阻力型葉片啟動風(fēng)速低的優(yōu)點，微風(fēng)下利用阻力型葉片產(chǎn)生的較大的啟動轉(zhuǎn)矩帶動風(fēng)輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，降低了風(fēng)機的啟動風(fēng)速；另一方面，在較高風(fēng)速下，升力型葉片出力占主導(dǎo)，利用了升力型葉片氣動效率較高的優(yōu)點。此時，處于內(nèi)圈的阻力型葉片受氣流直接作用小，主要在升力型葉片帶動下轉(zhuǎn)動。在帶來額外功率損耗的同時，阻力型葉片的轉(zhuǎn)動攪亂了整個流場原有的氣流分布，引起升力型葉片壓力面氣壓的下降。而升力型葉片對流場變化較為敏感，流場和壓力的變化帶來氣動效率的下降，造成在較高風(fēng)速下，這種類型的升阻結(jié)合式風(fēng)輪系統(tǒng)利用風(fēng)能的效率較升力型風(fēng)輪系統(tǒng)較低。此外，專利(CN103527403A)中兩片阻力型葉片的設(shè)計并不能完全保證消除啟動時的死點。若風(fēng)從正對阻力型葉片側(cè)面方向吹來，正對來流的葉片面積小，需要很大的風(fēng)速，風(fēng)機才能啟動或者完全不能啟動。
[0005]若能通過合理的設(shè)計，使得低風(fēng)速時葉片伸展為阻力型葉片，以獲得較低的啟動風(fēng)速；高風(fēng)速時，自動縮合成升力型葉片，形成升力型風(fēng)輪布局。此外，升力型風(fēng)輪中的雙H型風(fēng)輪系統(tǒng)若通過合理的氣動設(shè)計，能夠獲得比普通H型風(fēng)輪更為優(yōu)良的氣動效率。通過增加葉片個數(shù)，消除啟動時死點的存在。以實現(xiàn)低速啟動、高效運行、無啟動死點的設(shè)計目的，本方案即為解決此類問題而設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種雙半葉式低速啟動的升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，低風(fēng)速時葉片伸展為阻力型葉片，獲得較低的啟動風(fēng)速；高風(fēng)速時，自動閉合成升力型葉片，實現(xiàn)低速啟動、高效運行、無啟動死點的設(shè)計目的。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，包括主軸、若干連桿及可變式葉片，可變式葉片通過連桿與主軸連接，所述連桿包含上連桿和下連桿，上連桿和下連桿一端連接著主軸、另一端分別連接著可變式葉片頂端和底部，可變式葉片包含第一葉片和第二葉片，第一葉片頂端和底部分別通過固定轉(zhuǎn)軸與連桿相連，即頂端連接著上連桿、底端連接著下連桿，第二葉片通過前緣轉(zhuǎn)軸與第一葉片連接，第一葉片和第二葉片之間設(shè)有張開閉合部件?？勺兪饺~片和主軸間還可再增設(shè)一圈升力型葉片，以便在較高風(fēng)速下，利用雙升力型布局增加風(fēng)能利用效率。
[0008]作為優(yōu)選，所述可變式葉片為三至六片，沿主軸周向均布。同樣所述升力型葉片也為三至六片，沿主軸周向均布。當(dāng)升力型葉片數(shù)目與可變式葉片數(shù)目相同或為其一半時，升力型葉片與可變式葉片共用連桿與主軸連接；當(dāng)升力型葉片數(shù)目與可變式葉片數(shù)目不同且不為其兩倍時，則另設(shè)副連桿，升力型葉片通過副連桿與主軸連接，副連桿同樣包含著上副連桿和下副連桿，其中當(dāng)升力型葉片數(shù)目為可變式葉片數(shù)目兩倍時，即升力型葉片數(shù)目為6、可變式葉片數(shù)目為3時，與可變式葉片對應(yīng)的三片升力型葉片安裝在連桿上以減輕重量，另三片設(shè)置副連桿安裝。
[0009]作為優(yōu)選，所述張開閉合部件包含重塊、滑塊、槽道等，第一葉片通過固定轉(zhuǎn)軸安裝在上連桿和下連桿上，第二葉片頂端和底部均有通過活動轉(zhuǎn)軸與之連接滑塊，上連桿下表面和下連桿上表面內(nèi)設(shè)有槽道，滑塊沿槽道滑動，第一葉片和第二葉片相鄰的兩面上涂有同極磁性涂料，第二葉片遠離前緣轉(zhuǎn)軸的一端安裝有重塊。
[0010]作為優(yōu)選，所述連桿上設(shè)有卡塊，第一葉片遠離主軸一面設(shè)有與卡塊配合的定位平面。
[0011]有益效果:本發(fā)明的半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點:
[0012]1.科學(xué)有機地融合了阻力型垂直軸風(fēng)機啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動風(fēng)速低的優(yōu)點和升力型垂直軸風(fēng)機氣動效率較高的特點，兼具著啟動風(fēng)速低，氣動效率高的復(fù)合式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)。
[0013]2.通過可變式葉片葉型隨風(fēng)輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化，在阻力型和升力型間的自動轉(zhuǎn)變，充分利用阻力型和升力型兩種葉片的優(yōu)點。低風(fēng)速小轉(zhuǎn)速下，可變式葉片展開成阻力型葉片，充分利用阻力型葉片啟動風(fēng)速低、啟動力矩大的優(yōu)點，實現(xiàn)了低速啟動的設(shè)計目的；風(fēng)速較高、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較大時，葉片閉合成升力型葉片，風(fēng)輪系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)變?yōu)樯π腿~片布局。消除了傳統(tǒng)升力型葉片、阻力型葉片結(jié)合布局的風(fēng)輪系統(tǒng)中阻力型葉片對于升力型葉片的干擾，從而導(dǎo)致的效率低于單純升力型葉片布局，此外若增設(shè)一圈升力型葉片，雙升力型葉片布局的風(fēng)輪系統(tǒng)具有著比單升力型葉片布局更高的風(fēng)能利用效率，以便更好地利用風(fēng)能，實現(xiàn)了高效運行的設(shè)計目的。
[0014]3.在充分的利用了升力型風(fēng)機效率高、阻力型風(fēng)機轉(zhuǎn)速低的基礎(chǔ)上，采用本發(fā)明的新型風(fēng)輪系統(tǒng)的垂直軸風(fēng)機，相比于現(xiàn)有的復(fù)合式垂直軸風(fēng)機在風(fēng)能利用效率上將有較大程度的提升。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1低風(fēng)速小轉(zhuǎn)速時風(fēng)輪系統(tǒng)俯視圖；
[0016]圖2聞風(fēng)速聞轉(zhuǎn)速時風(fēng)輪系統(tǒng)俯視圖；
[0017]圖3高風(fēng)速下升力狀態(tài)下的可變式葉片示意圖；
[0018]圖4低風(fēng)速下阻力狀態(tài)下的可變式葉片示意圖；
[0019]圖5高風(fēng)速下升力狀態(tài)下的風(fēng)輪系統(tǒng)側(cè)視圖；
[0020]圖6為增設(shè)升力型葉片的風(fēng)輪系統(tǒng)俯視圖；
[0021]圖7高風(fēng)速下升力狀態(tài)下的升力型葉片、可變式葉片數(shù)目不同時風(fēng)輪系統(tǒng)側(cè)視圖；
[0022]圖中有:主軸I ;升力型葉片2 ;可變式葉片3 ;葉片3-1 ;第二葉片3_2 ;連桿4 ;上連桿4-1 ;下連桿4-2 ;副連桿5 ;上副連桿5-1 ;下副連桿5-2 ；;固定轉(zhuǎn)軸6 ;重塊7 ;前緣轉(zhuǎn)軸8 ;滑塊9 ;槽道10 ;卡塊11。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0024]實施例1
[0025]如圖1到5所示，為本發(fā)明的雙半葉式低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)。風(fēng)輪系統(tǒng)由主軸1、可變式葉片3、連桿4組成?？勺兪饺~片3沿主軸I周向均布，數(shù)目為三至六片，通過連桿4安裝在主軸I上?？勺兪饺~片3包含第一葉片3-1和第二葉片
3-2，第二葉片3-2通過前緣轉(zhuǎn)軸8與第一葉片3-1連接。連桿4包括上連桿4_1和下連桿
4-2，兩者平行安裝，上連桿和下連桿的一端分別通過固定轉(zhuǎn)軸6連接第一葉片3-1上部和下部，另一端都連接主軸I。第二葉片3-2頂端和底部均有通過活動轉(zhuǎn)軸與之連接滑塊9。第二葉片3-2通過帶轉(zhuǎn)軸的滑塊9安裝在上連桿和下連桿上，上連桿下表面和下連桿上表面內(nèi)對應(yīng)的位置分別設(shè)有直線槽道10，滑塊9沿槽道10滑動，第一葉片3-1和第二葉片3-2相鄰的兩面上涂有同極磁性涂料，第二葉片3-2遠離前緣轉(zhuǎn)軸8的一端安裝有重塊7。上連桿下表面和下連桿上表面均設(shè)有卡塊11，第一葉片3-1遠離主軸I向外一面上部和下部均設(shè)有與卡塊11配合的定位平面。
[0026]在本發(fā)明中，所有葉片均選用輕質(zhì)耐腐蝕材料(包括不飽和樹脂、飽和樹脂、碳纖維、輕質(zhì)鋁合金等)制造的空心葉片，具有著耐腐蝕性能好、質(zhì)量輕、強度高、絕熱性能良好、易加工等優(yōu)點，采用極薄的厚度即可滿足設(shè)計強度要求，以減輕風(fēng)輪質(zhì)量?？勺兪饺~片3為一片沿前后緣點間弧線剖成兩半的H型升力型葉片，前緣處以前緣轉(zhuǎn)軸8連接。
[0027]當(dāng)風(fēng)機靜止或風(fēng)速較小、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較小時，以其中一片可變式葉片3為例，如圖4中所示的重塊7產(chǎn)生的離心力較小。由于可變式葉片3內(nèi)側(cè)兩面AD’ B和CE’ B均為同極磁性面相斥，離心力不足以抵消磁性力，使得第一葉片3-1和第二葉片3-2有相互排斥張開展平的趨勢。以固定轉(zhuǎn)軸6為定位點，第二葉片3-2沿滑塊9所在槽道10方向向主軸I移動，可變式葉片此時伸展為阻力型葉片。阻力型葉片具有著啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動風(fēng)速低的優(yōu)點，較低的風(fēng)速就可提供較大的啟動風(fēng)速，以實現(xiàn)微風(fēng)啟動的設(shè)計目的。通過控制AD’ B面和CE’B面上磁性力大小及槽道10的長度，可限制葉片伸展開的角度，調(diào)節(jié)阻力型葉片受風(fēng)面大小。
[0028]當(dāng)風(fēng)速逐漸增大,風(fēng)機的轉(zhuǎn)速逐漸上升時,重塊7產(chǎn)生的離心力逐漸增大。當(dāng)其大小超過磁性阻力時，第一葉片3-1和第二葉片3-2產(chǎn)生相互閉合的趨勢。以固定轉(zhuǎn)軸6為定位點，第二葉片3-2沿滑塊9所在槽道10方向向遠離主軸I方向移動，可變式葉片3此時逐漸閉合為升力型葉片。與連桿4固連的卡塊11與第二葉片3-2半徑外側(cè)面上的定位平面相配合，限定此時可變式葉片3的迎風(fēng)角。
[0029]實施例2
[0030]如圖6和圖7所示，本發(fā)明的另一種布局的雙半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，在可變式葉片3與主軸I之間增設(shè)升力型葉片2。升力型葉片2沿主軸周向均布，數(shù)目同樣為三至六片。當(dāng)升力型葉片2數(shù)目與可變式葉片3數(shù)目相同或為其一半時，可變式葉片3與升力型葉片2共用連桿4與主軸I連接；可變式葉片3數(shù)目與升力型葉片2數(shù)目不同且不為其一半時，則另設(shè)副連桿，升力型葉片2通過副連桿5與主軸I連接。其中當(dāng)可變式葉片3數(shù)目為升力型葉片2數(shù)目的一半時，即升力型葉片數(shù)目為6、可變式葉片數(shù)目為3時，與可變式葉片3對應(yīng)的三片升力型葉片2安裝在連桿4上以減輕重量，另三片設(shè)置副連桿5安裝。
[0031]升力型葉片2采用與可變式葉片3同樣的材料制造，為豎直等徑的H型葉片，截面不變也不扭曲，形狀簡單、制造成本低；
[0032]本發(fā)明在使用時，當(dāng)風(fēng)機靜止或風(fēng)速較小、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較小時，以其中一片可變式葉片3為例，如圖4中所示的重塊7產(chǎn)生的離心力較小。由于可變式葉片3內(nèi)側(cè)兩面AD’B和CE’ B均為同極磁性面相斥，離心力不足以抵消磁性力，使得第一葉片3-1和第二葉片3-2有相互排斥張開展平的趨勢。以固定轉(zhuǎn)軸6為定位點，第二葉片3-2沿滑塊9所在槽道10方向向主軸I移動，可變式葉片此時伸展為阻力型葉片。阻力型葉片具有著啟動力矩大、啟動風(fēng)速低的優(yōu)點，較低的風(fēng)速就可提供較大的啟動風(fēng)速，以實現(xiàn)微風(fēng)啟動的設(shè)計目的。通過控制AD’B面和CE’B面上磁性力大小及槽道10的長度，可限制葉片伸展開的角度，調(diào)節(jié)阻力型葉片受風(fēng)面大小。
[0033]當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速逐漸上升時，重塊7產(chǎn)生的離心力逐漸增大。當(dāng)其大小超過磁性阻力時，第一葉片3-1和第二葉片3-2產(chǎn)生相互閉合的趨勢。以固定轉(zhuǎn)軸6為定位點，第二葉片3-2沿滑塊9所在槽道10方向向遠離主軸I方向移動，可變式葉片3此時逐漸閉合為升力型葉片。與連桿4固連的卡塊11與可變式葉片3外半葉上的定位平面相配合，限定此時可變式葉片3的迎風(fēng)角。處于升力狀態(tài)的可變式葉片3，使得風(fēng)輪系統(tǒng)以雙H型布局工作，通過合理設(shè)計內(nèi)外圈葉片間的大小比例、距離、角度等，可獲得比普通的單H型布局的風(fēng)輪系統(tǒng)更高的效率。
[0034]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，包括主軸(I)、連桿(4)和可變式葉片(3)，連桿(4)包含上連桿(4-1)和下連桿(4-2)，上連桿(4-1)和下連桿(4_2)一端連接著主軸、另一端分別連接著可變式葉片(3)頂端和底部，其特征在于:所述可變式葉片(3)包含第一葉片(3-1)和第二葉片(3-2)，第一葉片(3-1)的頂端和底部分別通過固定轉(zhuǎn)軸(6)與連桿(4)相連，即頂端連接著上連桿(4-1)、底端連接著下連桿(4-2)，第二葉片(3-2)通過前緣轉(zhuǎn)軸(8)與第一葉片(3-1)連接，第一葉片(3-1)和第二葉片(3-2)之間設(shè)有張開閉合部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，其特征在于:所述可變式葉片(3)為三至六片，沿主軸(I)周向均布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，其特征在于:所述張開閉合部件包含重塊(7)、滑塊(9)、槽道(10)，第一葉片(3-1)通過固定轉(zhuǎn)軸(6)安裝在連桿(4)上，第二葉片(3-2)頂端和底部均有通過活動轉(zhuǎn)軸與連接的滑塊(9)，連桿(4)內(nèi)設(shè)有槽道(10)，即分別設(shè)置于上連桿(4-1)下表面和下連桿(4-2)上表面，滑塊(9)沿槽道(10)滑動，第一葉片(3-1)和第二葉片(3-2)相鄰的兩面上涂有同極磁性涂料，第二葉片(3-2)遠離前緣轉(zhuǎn)軸(8)的一端安裝有重塊(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，其特征在于:所述連桿(4)上設(shè)有卡塊(5)，第一葉片(3-1)遠離主軸(I) 一面設(shè)有與卡塊(5)配合的定位平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，其特征在于:所述主軸(I)和可變式葉片(3)之間增設(shè)一圈升力型葉片(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風(fēng)機風(fēng)輪系統(tǒng)，其特征在于:所述升力型葉片(2)為三至六片，沿主軸(I)周向均布；若升力型葉片(2)數(shù)目與可變式葉片⑶相同或為其一半時，升力型葉片⑵與可變式葉片⑶共用連桿⑷與主軸⑴連接；當(dāng)升力型葉片⑵數(shù)目與可變式葉片⑶數(shù)目不同且不為倍數(shù)時，則另設(shè)副連桿(5)與主軸(I)連接，其中當(dāng)升力型葉片(2)數(shù)目為可變式葉片(3)數(shù)目兩倍時，即升力型葉片(2)數(shù)目為6、可變式葉片(3)數(shù)目為3時，與可變式葉片(3)對應(yīng)的三片升力型葉片(2)安裝在連桿(4)上，另三片通過副連桿(5)安裝。
【文檔編號】F03D3/06GK104265563SQ201410529795
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】蘇銀海, 熊源泉, 王穎, 張亞璽, 宋杰, 張理, 吳波, 張書平, 王金濤, 茹晉波 申請人:東南大學(xué)