升力、阻力聯合型垂直軸風力機的製作方法

2023-06-28 09:21:26

專利名稱：升力、阻力聯合型垂直軸風力機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直軸風力機，具體是一種升力、阻力聯合型垂直軸風力機，用於風力發電設備技術領域。
背景技術：
風能作為一種取之不盡、用之不竭的新型能源具有良好的應用前景和開發潛力。我國的風能資源比較豐富，大力發展風電事業符合我國確立的可持續性發展戰略的要求。風力機是風能利用的主要裝置。現有的風力發電機主要是水平軸高速風輪。其主要缺點就是需要有較高的啟動風速，並且需要根據風向的變化調整風輪的朝向。垂直軸風力機不需要調整風輪朝向。
經對現有技術文獻的檢索發現，目前主要有兩種類型的垂直軸風力機升力型風力機和阻力型風力機。David A Spear，PHD，編著的《Wind TurbineTechnology Fundamental Conception Of Wind Turbine Engineering》《風力機技術---風力機的基本概念》，New York ASME(The American Society ofMechanical Engineers)PRESS 1994(紐約美國機械工程師協會出版社1994年)，該書中第二章(49，58，60頁)、第三章(93，94頁)提及升力型風力機，利用氣流對葉片的升力來驅動風輪旋轉，需要有比較大的啟動風速。阻力型風力機，利用氣流對葉片的阻力來驅動風輪旋轉，不需要很大的啟動風速，因此在平均風速較低的地區也可以使用。但是當葉片與風速方向夾角比較小時葉片基本上得不到驅動風輪旋轉的動力。升力、阻力聯合型垂直軸風力機可以充分利用來流空氣對葉片的升力和阻力，因此可大大提高風輪的效率。在進一步的檢索中，尚未發現關於升力、阻力聯合型垂直軸風力機的文獻報導。

發明內容
本發明的目的在於改善現有垂直軸風力發電機的不足，提供一種升力、阻力聯合型垂直軸風力機，使其降低垂直軸風力機對工作風速的要求，提高垂直軸風力機的工作效率。
本發明是通過以下技術方案實現的，包括導流裝置、機架、轉子固定圓盤、葉片、導流板。轉子固定圓盤、葉片、導流板組成轉子，葉片垂直設置在轉子固定圓盤上，導流板的中心與轉子的轉軸重合，導流板的設置方向與葉片的弦線方向一致，轉子和導流裝置固定在機架上。
每個轉子包含兩個葉片，它們平行、垂直固定在轉子固定圓盤上，葉片軸對稱放置於轉子轉軸兩側，這樣可以增加單位時間氣流對葉片作正功的時間，葉片採用強度高，密度小的材料，葉片的高度為其弦長的3~4倍，且葉片偏移距離遠小於葉片的弦長，並在轉軸處安裝平行於葉片弦線的導流板。為了使通過導流裝置作用於葉片的氣流與不通過導流裝置直接作用於葉片的氣流在兩葉片後端即旋轉軸處不相互幹擾，降低風輪的工作效率，將兩葉片錯開放置，並加裝導流板。這樣可減小通過兩葉片氣流的相互幹擾，增加風輪的輸出功率，提高風輪的效率。
當葉片轉動方向與風速相反時，氣流作用在葉片上的作用力為阻止轉子轉動的力。為了避免這一情況發生，本發明使用導流裝置，導流裝置是有一個氣流進口以及兩個氣流出口的箱體，導流裝置的高度與葉片的高度相同，其寬度略大於葉片弦長。這樣使處於逆風位置的氣流可以全部進入導流裝置。導流裝置的內腔類似於C型，其氣流進口與氣流出口同向，這樣處於逆風位置的氣流可以反向作用於葉片。氣流進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。且氣流進口的寬度大於氣流出口的寬度。為了使這部分作用於葉片的氣流流出風輪，在氣流進口附近再添加第二氣流出口。第二氣流出口為兩個圓柱形通道，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輪，在導流裝置外側，柱形通道出口前加裝擋板。擋板與氣流進口處在同一平面。
為了保證處於逆風位置的氣流不直接作用於葉片以至於產生阻礙轉子轉動的力矩，導流裝置的氣流進口應始終正對著當地風向。考慮到風向的瞬間變化性，因此只要保證導流裝置的氣流進口朝向與當地風向間的夾角在正負5°之間即可。但是由於全年風向變化範圍很大，安裝在機架上的導流裝置設計為可以繞著轉子轉軸轉動的導流裝置。
當來流空氣與葉片的迎角較小時，轉子充分利用空氣對葉片的升力來驅動轉子。當來流空氣與葉片的迎角較大時，轉子利用空氣對葉片的阻力來驅動轉子，這樣可使處於不同位置時的葉片充分利用來流空氣的能量。當葉片處於逆風位置時空氣對葉片產生作用力為阻止轉子旋轉的力，裝導流裝置使處於逆風位置的氣流通過導流裝置後反方向作用於葉片。氣流從氣流進口進入導流裝置之後順著箱體反向從氣流出口流出導流裝置，這部分氣流作用於逆風位置的葉片，然後從導流裝置的第二個氣流出口排出。轉子將風能轉換為機械能，本發明用兩個相互偏轉90度的轉子來平衡風輪運行時可能會出現的負扭矩。
本發明中的風力機，當葉片與來流的夾角較小時，葉片受到氣流作用於葉片的升力；當葉片與來流的夾角較大時，葉片受到氣流作用於葉片上的阻力。這樣處於順風位置時的葉片可以充分的利用風能。對於處在逆風位置時的葉片，氣流反方向作用於葉片，同樣也可以驅動轉子轉動，因此大大提高了風輪的效率。


圖1為本發明的整體結構示意圖。
圖1中，1-導流裝置，2-機架，3-轉子固定圓盤，4-葉片，5-導流板。
圖2為轉子中的葉片與導流板的相對位置示意圖。
圖3為導流裝置結構示意圖。
圖3中，7-氣流進口，8-氣流出口2，9-氣流出口1，10-擋板。
圖4為導流裝置俯視結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括導流裝置1、機架2、轉子固定圓盤3、葉片4、導流板5，轉子固定圓盤3、葉片4、導流板5組成轉子，葉片4垂直設置在轉子固定圓盤3上，導流板5的中心與轉子的轉軸重合，導流板5的安裝方向與葉片4的弦線方向一致，轉子和導流裝置1固定在機架2上。
每個轉子包含兩個葉片，它們平行、垂直地固定在轉子固定圓盤3上，且對稱於轉子轉軸。葉片4採用強度高，密度小的材料，其高度為弦長的3~4倍，且兩葉片4偏移距離遠小於葉片4的弦長。轉軸處設置平行於葉片4弦線的導流板5。
導流裝置1是有一個氣流進口7以及兩個氣流出口8、9的箱體，導流裝置的寬度，第二氣流出口8為兩個圓柱形通道，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輪，在導流裝置1外側，第二氣流出口8前加裝擋板10，擋板10與氣流進口7處在同一平面。
以下提供本發明裝置的實施例本實施例中，葉片弦長l＝a，葉片高度H＝3~4a，導流板長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後端相互幹擾，降低風輪的性能，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)。並使用導流板，如圖2所示。
為了平衡在轉動時出現的負扭矩情況，風輪使用相互偏轉90°的兩個轉子。
根據當地平均風速的不同，葉片的弦長a值的大小也相應的變化。當地風速越大，葉片弦長a(m)值也越大。設當地平均風速為v(m/s)，那麼弦長a與v的關係大致如下a＝0.8~1.2v。
導流裝置是本設計中的另一重要部件，其結構如圖3所示。處於逆風位置的氣流進入導流裝置1中的氣流進口7後從第一氣流出口9中流出，這部分氣流在作用於葉片後從第二氣流出口8流出。
其中導流裝置的高度與葉片高度相同，氣流進口7寬度為轉子半徑的4/5。第一氣流出口9的寬度為轉子半徑的2/5。氣流進口7與第一氣流出口9的法線間的夾角β＝15°～20°。導流裝置1內部光滑，儘量減少空氣在裡面的沿程阻力。第二氣流出口8為兩個柱形管道，直徑為轉子半徑的1/2。兩管道中心的距離為導流裝置1高度H的1/2。位置低的管道其中心距導流裝置1底部的距離為H的1/4。管道中心線(即第二氣流出口8與氣流進口7)法線間的夾角γ＝45°～50°。
權利要求
1.一種升力、阻力聯合型垂直軸風力機，包括機架(2)，轉子固定圓盤(3)，葉片(4)，其特徵在於，還包括導流裝置(1)和導流板(5)，轉子固定圓盤(3)、葉片(4)、導流板(5)組成轉子，葉片(4)垂直設置在轉子固定圓盤(3)上，導流板(5)的中心與轉子的轉軸重合，導流板(5)的安裝方向與葉片(4)的弦線方向一致，轉子和導流裝置(1)固定在機架(2)上。
2.如權利要求1的升力、阻力聯合型垂直軸風力機，其特徵是，每個轉子包含兩個葉片(4)，高度為其弦長的3~4倍，兩葉片(4)平行、垂直地固定在轉子固定圓盤(3)上，且對稱設置於轉子轉軸，其偏移距離遠小於葉片(4)的弦長，在轉軸處設置平行於葉片(4)弦線的導流板(5)，或者將兩葉片(4)錯開放置，並加裝導流板(5)。
3.如權利要求1的升力、阻力聯合型垂直軸風力機，其特徵是，導流裝置(1)是設有氣流進口(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，寬度略大於葉片(4)弦長，內腔類似於C型，氣流進口(7)與氣流出口(9)同向，氣流進口(7)與氣流出口(9)的形狀為高度與葉片(4)高度相同的矩形，且氣流進口(7)的寬度大於氣流出口(9)的寬度，氣流出口(8)為兩個圓柱形通道，其直徑為葉片(4)弦長的一半。
4.如權利要求1或者3的升力、阻力聯合型垂直軸風力機，其特徵是，或者在導流裝置(1)外側，第二氣流出口(8)前設置擋板(10)，擋板(10)與氣流進口(7)處在同一平面。
5.如權利要求1的升力、阻力聯合型垂直軸風力機，其特徵是，氣流進口(7)朝向與當地風向間的夾角在正負5°之間，導流裝置(1)繞轉子轉軸轉動。
6.如權利要求1或者3的升力、阻力聯合型垂直軸風力機，其特徵是，導流裝置的氣流進口(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口(7)法線間的夾角γ＝45°～50°，氣流進口(7)寬度為轉子半徑的4/5，第一氣流出口(9)的寬度為轉子半徑的2/5，第二氣流出口(8)的直徑為轉子半徑的1/2。
全文摘要
一種升力、阻力聯合型垂直軸風力機，用於風力發電設備技術領域。包括導流裝置、機架、轉子固定圓盤、葉片、導流板。轉子固定圓盤、葉片、導流板組成轉子，葉片垂直設置在轉子固定圓盤上，導流板的中心與轉子的轉軸重合，導流板的設置方向與葉片的弦線方向一致，轉子和導流裝置固定在機架上。本發明當葉片與來流的夾角較小時，葉片受到氣流作用於葉片的升力；當葉片與來流的夾角較大時，葉片受到氣流作用於葉片上的阻力。這樣處於順風位置時的葉片可以充分的利用風能。對於處在逆風位置時的葉片，氣流反方向作用於葉片，同樣也可以驅動轉子轉動，因此大大提高了風輪的效率。
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 優先權日2004年10月28日
發明者沈昕, 竺曉程, 歐陽華, 杜朝輝 申請人:上海交通大學