一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，包括一組S型風(fēng)輪和一組H型風(fēng)輪，所述S型風(fēng)輪設(shè)置于H型風(fēng)輪上方，所述S型風(fēng)輪包括兩個(gè)葉片和底盤，S型風(fēng)輪的底盤與H型風(fēng)輪的立軸剛性連接，所述兩個(gè)葉片開口相對且中心對稱組成S型，所述底盤設(shè)置有軌道槽，葉片的底部分別連接有滑塊，滑塊在軌道槽中帶動葉片沿著軌道方向滑動，所述葉片還連接有配重裝置；本發(fā)明所述一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)通過當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到H型風(fēng)輪單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)所對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，S型風(fēng)輪的兩個(gè)半圓形葉片處于閉合狀態(tài)，盡可能地減緩了S型風(fēng)輪對整機(jī)氣動性能的阻礙影響，使整機(jī)保持較高的輸出功率和風(fēng)能利用率。
【專利說明】
一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置是風(fēng)力機(jī)，按照風(fēng)輪結(jié)構(gòu)及其旋轉(zhuǎn)軸相對于氣流的位置可以分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。實(shí)踐表明，與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)單位千瓦的投資成本可下降50%左右，具有受風(fēng)多向性，結(jié)構(gòu)簡單;地面安裝，便于維修、檢測和控制;受力穩(wěn)定、壽命長;具有環(huán)保與對自然環(huán)境影響小等優(yōu)勢，比水平軸風(fēng)力機(jī)適應(yīng)范圍廣。因此，發(fā)展垂直軸風(fēng)力機(jī)可有效降低風(fēng)電成本，對風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。
[0003]垂直軸風(fēng)力機(jī)主要分為兩種形式:阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)是利用氣流對葉片前后表面的壓強(qiáng)差來驅(qū)動葉輪，其優(yōu)點(diǎn)是在低風(fēng)速下啟動性能好，但能達(dá)到的最大風(fēng)能利用系數(shù)較低，其葉尖速比一般不能大于I，典型代表機(jī)型為Savonius型風(fēng)力機(jī)。
[0004]升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)則通過引入升力型翼型作為葉片截面，利用風(fēng)作用在葉片上的升力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，這種風(fēng)力機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可保證在順風(fēng)區(qū)內(nèi)氣流也吹向翼型前緣，其葉尖速比可以大于I甚至可以達(dá)到6，同時(shí)能夠獲得較高的風(fēng)能利用系數(shù)，但是其缺點(diǎn)是在低風(fēng)速下不易啟動，典型代表機(jī)型為Darrieus型風(fēng)力機(jī)。
[0005]綜合分析升力型和阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，有學(xué)者設(shè)想將升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)組合起來成為升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，以期望達(dá)到升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)不但在低風(fēng)速下容易啟動，同時(shí)在高風(fēng)速時(shí)也能保持較高的風(fēng)能利用率的目的。目前傳統(tǒng)的升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)大都將阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)與升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行直接組合，但由于阻力型風(fēng)輪在高風(fēng)速下的氣動性能不好，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力型風(fēng)輪會對整機(jī)氣動性能產(chǎn)生阻礙影響，降低了整機(jī)系統(tǒng)的輸出功率和風(fēng)能利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的問題是設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的S型風(fēng)輪(阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī))與H型風(fēng)輪(升力型垂直軸風(fēng)力機(jī))組合的垂直軸風(fēng)力機(jī)，S型風(fēng)輪能夠根據(jù)其自身轉(zhuǎn)速自行張開或閉合，調(diào)整其迎風(fēng)面積，使其能夠在風(fēng)力機(jī)靜止啟動或較低風(fēng)速情況下提供足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使整個(gè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動，同時(shí)盡可能地減緩該S型風(fēng)輪在高風(fēng)速下對整機(jī)氣動性能的阻礙作用，使整機(jī)保持較高的輸出功率和風(fēng)能利用率。
[0007]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，包括一組S型風(fēng)輪和一組H型風(fēng)輪，所述S型風(fēng)輪設(shè)置于H型風(fēng)輪上方，避免H型風(fēng)輪直葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾流對S型風(fēng)輪氣動性能的影響，所述S型風(fēng)輪和H型風(fēng)輪帶動立軸旋轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)矩輸送至基座內(nèi)部的發(fā)電機(jī)中，所述S型風(fēng)輪包括兩個(gè)葉片和底盤，S型風(fēng)輪的底盤與H型風(fēng)輪的立軸剛性連接，所述兩個(gè)葉片開口相對且中心對稱組成S型，所述底盤設(shè)置有軌道槽，葉片的底部分別連接有滑塊，滑塊在軌道槽中帶動葉片沿著軌道方向滑動，所述葉片還連接有配重裝置。
[0008]進(jìn)一步的，所述配重裝置包括支撐架、平衡桿和質(zhì)量塊，支撐架設(shè)置于底盤上方，所述葉片外部剛性連接平衡桿，平衡桿穿過支撐架與質(zhì)量塊剛性連接，平衡桿依靠支撐架支撐，保持穩(wěn)定性。
[0009]進(jìn)一步的，質(zhì)量塊的重量大于葉片的重量，當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提升，質(zhì)量塊在離心力的作用下向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心方向移動，從而帶動兩個(gè)葉片同時(shí)向旋轉(zhuǎn)中心閉合，即兩葉片在旋轉(zhuǎn)中心處的重疊部分增大。
[0010]進(jìn)一步的，所述底盤上間隔設(shè)置有兩個(gè)長軌道槽和兩個(gè)短軌道槽，每個(gè)葉片的底部分別連接兩個(gè)滑塊，兩個(gè)滑塊分別與長軌道槽和短軌道槽卡扣，所述滑塊與長軌道槽的端部之間連接有彈簧，當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，彈簧對滑塊的作用力將大于質(zhì)量塊受到的離心力，兩個(gè)葉片在彈簧的作用下向外張開。
[0011]進(jìn)一步的，葉片為半圓形，葉片上端封閉。
[0012]進(jìn)一步的，兩個(gè)滑塊對稱設(shè)置于每個(gè)葉片底部，且兩個(gè)滑塊的距離小于葉片的直徑，所述滑塊的橫截面為“山”型，“山”型滑塊與軌道槽互相卡扣。
[0013]進(jìn)一步的，所述S型風(fēng)輪的底盤設(shè)置有支撐桿，所述支撐桿為三根，且均勻設(shè)置于底盤外周，以維持S型風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。
[0014]進(jìn)一步的，所述S型風(fēng)輪靜止時(shí)，S型風(fēng)輪的初始狀態(tài)是兩個(gè)半圓形葉片開口相對且中心對稱組成S型，并在旋轉(zhuǎn)中心處有部分重疊，兩個(gè)葉片間重疊寬度與葉片直徑長度的比值為0.2?0.3，兩個(gè)葉片同時(shí)分別與平衡桿剛性連接，平衡桿又與質(zhì)量塊剛性連接，兩葉片底部分別與兩個(gè)滑塊剛性連接，滑塊處于S型風(fēng)輪底盤上的軌道槽中，與軌道槽端部通過彈簧相連接，滑塊帶著兩個(gè)葉片可在軌道槽中沿著軌道方向同時(shí)移動，該S型風(fēng)輪可在風(fēng)力機(jī)靜止啟動或較低風(fēng)速情況下提供足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使整個(gè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速提升，質(zhì)量塊受到的離心力將克服彈簧對滑塊的作用力，向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心方向移動，從而帶動兩個(gè)葉片同時(shí)向旋轉(zhuǎn)中心閉合，即兩葉片在旋轉(zhuǎn)中心處的重疊部分增大。
[0015]進(jìn)一步的，所述H型風(fēng)輪的直葉片的數(shù)量為3?5個(gè)。
[0016]進(jìn)一步的，所述H型風(fēng)輪單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為Co1，通過調(diào)整質(zhì)量塊質(zhì)量和彈簧剛度，使得當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到(^時(shí)，兩個(gè)半圓形葉片閉合成為一個(gè)圓柱體，此時(shí)圓柱體的半徑等于半圓形葉片的半徑。從而有效減緩了 S型風(fēng)輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對整機(jī)氣動性能的阻礙作用，使整機(jī)保持較高的輸出功率和風(fēng)能利用率；當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，彈簧對滑塊的作用力將大于質(zhì)量塊受到的離心力，兩個(gè)葉片在彈簧的作用下向外重新張開，從而提升了風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的扭矩輸出，使其在低風(fēng)速下依然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單巧妙，使風(fēng)力機(jī)不僅能夠在靜止啟動或低風(fēng)速下獲得較高的扭矩輸出，而且能在高風(fēng)速下盡可能地減緩S型風(fēng)輪對整機(jī)氣動性能的不利影響，使整機(jī)獲得較高的輸出功率和風(fēng)能利用率。
[0017]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:本發(fā)明所述一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)通過S型風(fēng)輪作為該升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動風(fēng)輪，能夠根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速自行張開或閉合，調(diào)整其迎風(fēng)面積，在風(fēng)力機(jī)靜止或較低風(fēng)速下，S型風(fēng)輪的兩個(gè)半圓形葉片處于張開狀態(tài)，為風(fēng)力機(jī)提供足夠大的扭矩，驅(qū)使整個(gè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動；當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到H型風(fēng)輪單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)所對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，S型風(fēng)輪的兩個(gè)半圓形葉片處于閉合狀態(tài)，盡可能地減緩了 S型風(fēng)輪對整機(jī)氣動性能的阻礙影響，使整機(jī)保持較高的輸出功率和風(fēng)能利用率。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明S型風(fēng)輪可根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速自行張開或閉合的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明S型風(fēng)輪葉片與滑塊和支撐桿剛性連接示意圖；
圖4為本發(fā)明底盤軌道槽布置示意圖(4-1)及軌道槽橫截剖面圖(4-2);
圖5為本發(fā)明滑塊三維結(jié)構(gòu)示意圖(5-1)與滑塊橫截剖面示意圖(5-2);
圖6為本發(fā)明滑塊與軌道槽的端部之間通過彈簧連接示意圖；
圖7為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加或減小時(shí)S型風(fēng)輪的半圓形葉片沿軌道槽移動示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]如圖1所示，一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，包括一組S型風(fēng)輪和一組H型風(fēng)輪，所述S型風(fēng)輪設(shè)置于H型風(fēng)輪上方，避免H型風(fēng)輪直葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾流對S型風(fēng)輪氣動性能的影響，所述S型風(fēng)輪和H型風(fēng)輪帶動立軸7旋轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)矩輸送至基座8內(nèi)部的發(fā)電機(jī)中，所述S型風(fēng)輪包括兩個(gè)葉片和底盤，S型風(fēng)輪的底盤與H型風(fēng)輪的立軸剛性連接，所述兩個(gè)葉片開口相對且中心對稱組成S型，所述底盤設(shè)置有軌道槽，葉片的底部分別連接有滑塊，滑塊在軌道槽中帶動葉片沿著軌道方向滑動，所述葉片還連接有配重裝置，所述配重裝置包括支撐架、平衡桿和質(zhì)量塊，支撐架設(shè)置于底盤上方，所述葉片外部剛性連接平衡桿，平衡桿穿過支撐架與質(zhì)量塊剛性連接，平衡桿依靠支撐架支撐，保持穩(wěn)定性，質(zhì)量塊的重量大于葉片的重量。
[0021]根據(jù)額定功率要求設(shè)計(jì)S型風(fēng)輪和H型風(fēng)輪，S型風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括葉片直徑、兩葉片間重疊寬度、風(fēng)輪高度等，H型風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括葉片截面翼型、翼型弦長、葉片展長、風(fēng)輪半徑、立軸高度等，其中，直葉片5的數(shù)量可為3個(gè)，直葉片5通過水平支撐桿6與設(shè)置于立軸7外周的軸套4連接。
[0022]本實(shí)施例中，通過將S型風(fēng)輪底盤2與H型風(fēng)輪立軸7固定連接，使S型風(fēng)輪布置在上，H型風(fēng)輪在下，同時(shí)，底盤2下面依靠三根斜支撐桿3支撐，底盤2下3處支撐點(diǎn)對應(yīng)的圓周角均為120°。
[0023]如圖2所示，在S型風(fēng)輪靜止?fàn)顟B(tài)下，兩葉片間重疊寬度與葉片直徑的比值約為
0.27，風(fēng)輪高度約等于風(fēng)輪直徑，同時(shí)S型風(fēng)輪的半圓形葉片I的上端封閉；
如圖3所示，S型風(fēng)輪的半圓形葉片I下端和兩個(gè)滑塊9上端固定連接，側(cè)面與平衡桿10固定連接，。兩滑塊9關(guān)于半圓形葉片I的對稱面對稱，且距離略小于半圓形葉片I的直徑，底盤2上固定有支撐架12，支撐架12開有洞口，平衡桿10穿過洞口與質(zhì)量塊13固定連接。
[0024]如圖4所示，底盤2上葉片兩邊分別開有長、短兩個(gè)軌道槽11，見圖4-1，軌道槽11處的橫截剖面形狀見圖4-2，滑塊9被安置在軌道槽11里，可沿軌道槽方向移動，短軌道槽的作用是限定半圓形葉片I的移動范圍，隨著S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，2個(gè)半圓形葉片I在短軌道槽長度的限定下沿軌道槽移動后的最終狀態(tài)是組合成為一個(gè)圓柱形。
[0025]如圖5所示，設(shè)計(jì)滑塊9的橫截面形狀為“山”型，“山”型滑塊的兩個(gè)凹槽與軌道槽11互相卡扣，防止風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中葉片I脫離底盤2。
[0026]如圖6所示，滑塊處于S型風(fēng)輪底盤2上的軌道槽11中，與軌道槽11端部通過彈簧14相連接，靜止時(shí)，S型風(fēng)輪的初始狀態(tài)是兩個(gè)半圓形葉片在彈簧力的作用下開口相對且中心對稱組成S型，并在旋轉(zhuǎn)中心處有部分重疊，通過調(diào)整彈簧14剛度和質(zhì)量塊13質(zhì)量，使S型風(fēng)輪的兩個(gè)半圓形葉片能按指定方式運(yùn)動。運(yùn)動過程如圖7所示，當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，S型風(fēng)輪的半圓形葉片沿軌道槽運(yùn)動過程為:a —b -^c —d，當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小時(shí)，S型風(fēng)輪的半圓形葉片沿軌道槽運(yùn)動過程為:d — c —b —a。所述H型風(fēng)輪單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為《工，通過調(diào)整質(zhì)量塊質(zhì)量和彈簧剛度，使得當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到(^時(shí)，兩個(gè)半圓形葉片閉合成為一個(gè)圓柱體，此時(shí)圓柱體的半徑等于半圓形葉片的半徑。
[0027]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，包括一組S型風(fēng)輪和一組H型風(fēng)輪，所述S型風(fēng)輪設(shè)置于H型風(fēng)輪上方，所述S型風(fēng)輪和H型風(fēng)輪帶動立軸旋轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)矩輸送至基座內(nèi)部的發(fā)電機(jī)中，所述S型風(fēng)輪包括兩個(gè)葉片和底盤，S型風(fēng)輪的底盤與H型風(fēng)輪的立軸剛性連接，所述兩個(gè)葉片開口相對且中心對稱組成S型，所述底盤設(shè)置有軌道槽，葉片的底部分別連接有滑塊，滑塊在軌道槽中帶動葉片沿著軌道方向滑動，所述葉片還連接有配重裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述配重裝置包括支撐架、平衡桿和質(zhì)量塊，支撐架設(shè)置于底盤上方，所述葉片外部剛性連接平衡桿，平衡桿穿過支撐架與質(zhì)量塊剛性連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，質(zhì)量塊的重量大于葉片的重量。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述底盤上間隔設(shè)置有兩個(gè)長軌道槽和兩個(gè)短軌道槽，每個(gè)葉片的底部分別連接兩個(gè)滑塊，兩個(gè)滑塊分別與長軌道槽和短軌道槽卡扣，所述滑塊與長軌道槽的端部之間連接有彈簧。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，葉片為半圓形，葉片上端封閉。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，兩個(gè)滑塊對稱設(shè)置于每個(gè)葉片底部，且兩個(gè)滑塊的距離小于葉片的直徑，所述滑塊的橫截面為“山”型，“山”型滑塊與軌道槽互相卡扣。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述S型風(fēng)輪的底盤設(shè)置有支撐桿，所述支撐桿為三根，且均勻設(shè)置于底盤外周。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述S型風(fēng)輪靜止時(shí)，兩個(gè)葉片在旋轉(zhuǎn)中心處部分重疊，兩個(gè)葉片間重疊寬度與葉片直徑長度的比值為0.2 ?0.3o9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述H型風(fēng)輪的直葉片的數(shù)量為3~5個(gè)。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，其特征是，所述H型風(fēng)輪單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為O1，通過調(diào)整質(zhì)量塊質(zhì)量和彈簧剛度，使得當(dāng)S型風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到ω I時(shí)，兩個(gè)半圓形葉片閉合成為一個(gè)圓柱體。
【文檔編號】F03D3/02GK105840420SQ201610172145
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】丁文祥, 蔡新, 高強(qiáng), 顧榮蓉, 張羽, 張遠(yuǎn), 王辰宇, 楊杰, 朱鳳霞
【申請人】河海大學(xué)