一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統的製作方法

2023-05-18 09:13:06 1

一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，包括主軸、連杆和可變式葉片，連杆包含上連杆和下連杆，可變式葉片通過連杆與主軸相連接。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軸與上連杆和下連杆相連，第二葉片通過前緣轉軸與第一葉片連接，第一葉片和第二葉片之間設有張開閉合部件。主軸和可變式葉片間還可增設升力型葉片。本發明通過可變式葉片在阻力葉型和升力葉型間的自動轉換，低風速時伸展為阻力型葉片，高風速時自動縮合成升力型葉片，科學有機地融合了阻力型葉片啟動轉矩大、啟動風速低的優點和升力型葉片氣動效率較高的優點，實現低速啟動、高效運行的設計目標。
【專利說明】一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種垂直軸風機風輪，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機風輪系統，屬於風力發電【技術領域】。

【背景技術】
[0002]風能資源具有著分布廣泛，儲量豐富，清潔可再生等優點，在煤和石油等化石能源日趨短缺、環境日益惡化的國際背景下，風能資源的開發利用日益受到世界各國的廣泛關注和持續投入，風力發電技術和產業在世界範圍內得到了較快的發展。在併網大型風力發電【技術領域】，目前世界上應用最為普遍的是水平軸風機，其技術相對成熟，生產批量大，已成為當今風機的主流機型。但隨著分布式供能及風機小型化需求的上升，水平軸風機啟動風速高、工作噪音大、抗風能力差等先天性不足等缺點逐步暴露，而具有著結構相對簡單、啟動風速低，氣動噪音小，受風性能更好的垂直軸風機，逐步步入人們的視野。
[0003]垂直軸風機主要分為阻力型垂直軸風機和升力型垂直軸風機兩大類。升力型垂直軸利用風的升力以幾倍於風速的速度旋轉，可以高效率的輸出風能，但啟動風速較高、啟動轉矩小，通常不能自啟動，在城市和低風速區域應用較為困難。而阻力型垂直軸風機雖然氣動效率較低，但具有著啟動轉矩大，可在較低風速小啟動的有點；若能將兩種風機的優點結合起來，設計出兼具著啟動風速低，氣動效率高兩種優點的垂直軸風機明顯有著更為優良的應用前景和競爭力。
[0004]為實現以上低速啟動、高效運行的設計目的，目前通常將升力型垂直軸風機風輪和阻力型垂直軸風機風輪疊加組合。升力型葉片處於外圈，阻力型葉片處於內圈對應位置，如專利(CN103527403A)所述。這樣的設計一方面利用了阻力型葉片啟動風速低的優點，微風下利用阻力型葉片產生的較大的啟動轉矩帶動風輪系統旋轉，降低了風機的啟動風速；另一方面，在較高風速下，升力型葉片出力佔主導，利用了升力型葉片氣動效率較高的優點。此時，處於內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動。在帶來額外功率損耗的同時，阻力型葉片的轉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，造成在較高風速下，這種類型的升阻結合式風輪系統利用風能的效率較升力型風輪系統較低。此外，專利(CN103527403A)中兩片阻力型葉片的設計並不能完全保證消除啟動時的死點。若風從正對阻力型葉片側面方向吹來，正對來流的葉片面積小，需要很大的風速，風機才能啟動或者完全不能啟動。
[0005]若能通過合理的設計，使得低風速時葉片伸展為阻力型葉片，以獲得較低的啟動風速；高風速時，自動縮合成升力型葉片，形成升力型風輪布局。此外，升力型風輪中的雙H型風輪系統若通過合理的氣動設計，能夠獲得比普通H型風輪更為優良的氣動效率。通過增加葉片個數，消除啟動時死點的存在。以實現低速啟動、高效運行、無啟動死點的設計目的，本方案即為解決此類問題而設計。


【發明內容】

[0006]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種雙半葉式低速啟動的升阻互變式垂直軸風機風輪系統，低風速時葉片伸展為阻力型葉片，獲得較低的啟動風速；高風速時，自動閉合成升力型葉片，實現低速啟動、高效運行、無啟動死點的設計目的。
[0007]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的一種半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，包括主軸、若干連杆及可變式葉片，可變式葉片通過連杆與主軸連接，所述連杆包含上連杆和下連杆，上連杆和下連杆一端連接著主軸、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軸與連杆相連，即頂端連接著上連杆、底端連接著下連杆，第二葉片通過前緣轉軸與第一葉片連接，第一葉片和第二葉片之間設有張開閉合部件。可變式葉片和主軸間還可再增設一圈升力型葉片，以便在較高風速下，利用雙升力型布局增加風能利用效率。
[0008]作為優選，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。當升力型葉片數目與可變式葉片數目相同或為其一半時，升力型葉片與可變式葉片共用連杆與主軸連接；當升力型葉片數目與可變式葉片數目不同且不為其兩倍時，則另設副連杆，升力型葉片通過副連杆與主軸連接，副連杆同樣包含著上副連杆和下副連杆，其中當升力型葉片數目為可變式葉片數目兩倍時，即升力型葉片數目為6、可變式葉片數目為3時，與可變式葉片對應的三片升力型葉片安裝在連杆上以減輕重量，另三片設置副連杆安裝。
[0009]作為優選，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軸安裝在上連杆和下連杆上，第二葉片頂端和底部均有通過活動轉軸與之連接滑塊，上連杆下表面和下連杆上表面內設有槽道，滑塊沿槽道滑動，第一葉片和第二葉片相鄰的兩面上塗有同極磁性塗料，第二葉片遠離前緣轉軸的一端安裝有重塊。
[0010]作為優選，所述連杆上設有卡塊，第一葉片遠離主軸一面設有與卡塊配合的定位平面。
[0011]有益效果:本發明的半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，具有以下優點:
[0012]1.科學有機地融合了阻力型垂直軸風機啟動轉矩大、啟動風速低的優點和升力型垂直軸風機氣動效率較高的特點，兼具著啟動風速低，氣動效率高的複合式垂直軸風機風輪系統。
[0013]2.通過可變式葉片葉型隨風輪系統轉速的變化，在阻力型和升力型間的自動轉變，充分利用阻力型和升力型兩種葉片的優點。低風速小轉速下，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速低、啟動力矩大的優點，實現了低速啟動的設計目的；風速較高、風輪轉速較大時，葉片閉合成升力型葉片，風輪系統自動轉變為升力型葉片布局。消除了傳統升力型葉片、阻力型葉片結合布局的風輪系統中阻力型葉片對於升力型葉片的幹擾，從而導致的效率低於單純升力型葉片布局，此外若增設一圈升力型葉片，雙升力型葉片布局的風輪系統具有著比單升力型葉片布局更高的風能利用效率，以便更好地利用風能，實現了高效運行的設計目的。
[0014]3.在充分的利用了升力型風機效率高、阻力型風機轉速低的基礎上，採用本發明的新型風輪系統的垂直軸風機，相比於現有的複合式垂直軸風機在風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低風速小轉速時風輪系統俯視圖；
[0016]圖2聞風速聞轉速時風輪系統俯視圖；
[0017]圖3高風速下升力狀態下的可變式葉片示意圖；
[0018]圖4低風速下阻力狀態下的可變式葉片示意圖；
[0019]圖5高風速下升力狀態下的風輪系統側視圖；
[0020]圖6為增設升力型葉片的風輪系統俯視圖；
[0021]圖7高風速下升力狀態下的升力型葉片、可變式葉片數目不同時風輪系統側視圖；
[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 ;連杆4 ;上連杆4-1 ;下連杆4-2 ;副連杆5 ;上副連杆5-1 ;下副連杆5-2 ；;固定轉軸6 ;重塊7 ;前緣轉軸8 ;滑塊9 ;槽道10 ;卡塊11。

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0024]實施例1
[0025]如圖1到5所示，為本發明的雙半葉式低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統。風輪系統由主軸1、可變式葉片3、連杆4組成。可變式葉片3沿主軸I周向均布，數目為三至六片，通過連杆4安裝在主軸I上。可變式葉片3包含第一葉片3-1和第二葉片
3-2，第二葉片3-2通過前緣轉軸8與第一葉片3-1連接。連杆4包括上連杆4_1和下連杆
4-2，兩者平行安裝，上連杆和下連杆的一端分別通過固定轉軸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軸與之連接滑塊9。第二葉片3-2通過帶轉軸的滑塊9安裝在上連杆和下連杆上，上連杆下表面和下連杆上表面內對應的位置分別設有直線槽道10，滑塊9沿槽道10滑動，第一葉片3-1和第二葉片3-2相鄰的兩面上塗有同極磁性塗料，第二葉片3-2遠離前緣轉軸8的一端安裝有重塊7。上連杆下表面和下連杆上表面均設有卡塊11，第一葉片3-1遠離主軸I向外一面上部和下部均設有與卡塊11配合的定位平面。
[0026]在本發明中，所有葉片均選用輕質耐腐蝕材料(包括不飽和樹脂、飽和樹脂、碳纖維、輕質鋁合金等)製造的空心葉片，具有著耐腐蝕性能好、質量輕、強度高、絕熱性能良好、易加工等優點，採用極薄的厚度即可滿足設計強度要求，以減輕風輪質量。可變式葉片3為一片沿前後緣點間弧線剖成兩半的H型升力型葉片，前緣處以前緣轉軸8連接。
[0027]當風機靜止或風速較小、風輪轉速較小時，以其中一片可變式葉片3為例，如圖4中所示的重塊7產生的離心力較小。由於可變式葉片3內側兩面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矩大、啟動風速低的優點，較低的風速就可提供較大的啟動風速，以實現微風啟動的設計目的。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，調節阻力型葉片受風面大小。
[0028]當風速逐漸增大,風機的轉速逐漸上升時,重塊7產生的離心力逐漸增大。當其大小超過磁性阻力時，第一葉片3-1和第二葉片3-2產生相互閉合的趨勢。以固定轉軸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。與連杆4固連的卡塊11與第二葉片3-2半徑外側面上的定位平面相配合，限定此時可變式葉片3的迎風角。
[0029]實施例2
[0030]如圖6和圖7所示，本發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機風輪系統，在可變式葉片3與主軸I之間增設升力型葉片2。升力型葉片2沿主軸周向均布，數目同樣為三至六片。當升力型葉片2數目與可變式葉片3數目相同或為其一半時，可變式葉片3與升力型葉片2共用連杆4與主軸I連接；可變式葉片3數目與升力型葉片2數目不同且不為其一半時，則另設副連杆，升力型葉片2通過副連杆5與主軸I連接。其中當可變式葉片3數目為升力型葉片2數目的一半時，即升力型葉片數目為6、可變式葉片數目為3時，與可變式葉片3對應的三片升力型葉片2安裝在連杆4上以減輕重量，另三片設置副連杆5安裝。
[0031]升力型葉片2採用與可變式葉片3同樣的材料製造，為豎直等徑的H型葉片，截面不變也不扭曲，形狀簡單、製造成本低；
[0032]本發明在使用時，當風機靜止或風速較小、風輪轉速較小時，以其中一片可變式葉片3為例，如圖4中所示的重塊7產生的離心力較小。由於可變式葉片3內側兩面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、啟動風速低的優點，較低的風速就可提供較大的啟動風速，以實現微風啟動的設計目的。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，調節阻力型葉片受風面大小。
[0033]當風速逐漸增大，風機的轉速逐漸上升時，重塊7產生的離心力逐漸增大。當其大小超過磁性阻力時，第一葉片3-1和第二葉片3-2產生相互閉合的趨勢。以固定轉軸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。與連杆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的迎風角。處於升力狀態的可變式葉片3，使得風輪系統以雙H型布局工作，通過合理設計內外圈葉片間的大小比例、距離、角度等，可獲得比普通的單H型布局的風輪系統更高的效率。
[0034]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，包括主軸(I)、連杆(4)和可變式葉片(3)，連杆(4)包含上連杆(4-1)和下連杆(4-2)，上連杆(4-1)和下連杆(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，其特徵在於: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軸(6)與連杆(4)相連，即頂端連接著上連杆(4-1)、底端連接著下連杆(4-2)，第二葉片(3-2)通過前緣轉軸(8)與第一葉片(3-1)連接，第一葉片(3-1)和第二葉片(3-2)之間設有張開閉合部件。
2.根據權利要求1所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，其特徵在於:所述可變式葉片(3)為三至六片，沿主軸(I)周向均布。
3.根據權利要求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機風輪系統，其特徵在於: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)通過固定轉軸(6)安裝在連杆(4)上，第二葉片(3-2)頂端和底部均有通過活動轉軸與連接的滑塊(9)，連杆(4)內設有槽道(10)，即分別設置於上連杆(4-1)下表面和下連杆(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)相鄰的兩面上塗有同極磁性塗料，第二葉片(3-2)遠離前緣轉軸(8)的一端安裝有重塊(7)。
4.根據權利要求3所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，其特徵在於:所述連杆(4)上設有卡塊(5)，第一葉片(3-1)遠離主軸(I) 一面設有與卡塊(5)配合的定位平面。
5.根據權利要求1所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，其特徵在於:所述主軸(I)和可變式葉片(3)之間增設一圈升力型葉片(2)。
6.根據權利要求5所述的一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統，其特徵在於: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共用連杆⑷與主軸⑴連接；當升力型葉片⑵數目與可變式葉片⑶數目不同且不為倍數時，則另設副連杆(5)與主軸(I)連接，其中當升力型葉片(2)數目為可變式葉片(3)數目兩倍時，即升力型葉片(2)數目為6、可變式葉片(3)數目為3時，與可變式葉片(3)對應的三片升力型葉片(2)安裝在連杆(4)上，另三片通過副連杆(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 優先權日:2014年10月9日
【發明者】蘇銀海, 熊源泉, 王穎, 張亞璽, 宋傑, 張理, 吳波, 張書平, 王金濤, 茹晉波 申請人:東南大學