低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，包括主軸、與主軸連接的連桿及可變式葉片，連桿包含上連桿和下連桿，所述可變式葉片包含第一分葉面和第二分葉面，第一分葉面的頂端和底部分別固定安裝于上連桿和下連桿上，第一分葉面和第二分葉面之間通過固定轉軸連接，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，葉片伸展為阻力型葉片，獲得較低的啟動風速；高風速時，自動縮合成升力型葉片，獲得較高的效率，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，實現了低速啟動、高效運行的設計目標。
【專利說明】低速啟動升阻互變式葉片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，更具體地說是一種可變風葉的低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，屬于風力發電【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范圍內得到了較快的發展。
[0003]在并網大型風力發電【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。
[0004]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。阻力型垂直軸風機具有著啟動轉矩大、啟動風速低的優點，但氣動效率較低；升力型垂直軸風機雖然具有著氣動效率較高得有點，但啟動轉矩小、啟動風速高，在低風速區域及城市應用較為困難。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更能適應分布式供能的需求。
[0005]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。升力型葉片處于外圈，阻力型葉片處于內圈對應位置，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力矩帶動風輪系統旋轉，降低了風機的啟動風速，實現了低速啟動的設計目的；另一方面，在較高風速下，風機正常運行時，升力型葉片出力占主要地位。此時，處于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，造成整個風輪系統利用風能效率的下降。此外，專利(CN103527403A)中兩片阻力型葉片的設計并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。
[0006]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，低速時為阻力型風機、高速時為升力型風機。此外升力型風機中的雙H型風輪布局，若通過合理的氣動設計，系統能夠獲得比普通H型升力型風輪更為優良的氣動效率。同時增加葉片個數，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】
[0007]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種低速啟動升阻互變式葉片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，以獲得較高的效率，用以實現低速啟動、高效運行的設計目的。
[0008]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的一種低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，包括主軸、若干與主軸連接的連桿及若干可變式葉片，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的頂端和底部，其特征在于:所述可變式葉片包含第一分葉面和第二分葉面，第一分葉面固定安裝于連桿上，即頂端連接著上連桿、底部連接著下連桿，第一分葉面和第二分葉面之間通過固定轉軸連接，第二分葉面可繞固定轉軸轉動，所述第一分葉面和第二分葉面之間設有張開閉合部件。
[0009]作為優選，所述可變式葉片為三至六片，沿主軸周向均布。
[0010]作為優選，主軸和可變式葉片之間可增設一圈升力型葉片，增設升力型葉片為三至六片，沿主軸周向均布；若升力型葉片數目與可變式葉片相同或為其一半時，升力型葉片與可變式葉片共用連桿與主軸連接；當升力型葉片數目與可變式葉片數目不同且不為倍數時，則另設副連桿與主軸連接，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桿上以減輕重量，另三片設置副連桿安裝。
[0011]所述實現可變式葉片功能的結構有兩種參考形式，其一是:所述張開閉合部件包含扭轉彈簧，扭轉彈簧固裝在固定轉軸附近的第一分葉面或第二分葉面的內表面上或套裝在固定轉軸上，扭轉彈簧的兩腳分別與第一分葉面和第二分葉面的近葉片尾緣處內表面連接，第二分葉面遠離固定轉軸的一端設有重塊，重塊與扭轉彈簧共同控制第二分葉面的張開閉合。所述扭轉彈簧的兩端分別連接第一分葉面和第二分葉面內表面接近尾緣端，扭轉彈簧的兩端上套有相連成“m”型金屬套環，用以控制第二分葉面張開的角度。
[0012]其二是，所述可變式葉片依然由第一分葉面和較短的第二分葉面組成，兩者通過固定轉軸連接，不同點在于第二分葉面與轉軸連接一端伸出于轉軸一定長度。所述張開閉合部件包含磁鐵，磁鐵位于第二分葉面近尾緣一端內表面上，另一端內表面裝有第三磁條；第一分葉面近尾緣一端裝有第一磁條，近第三磁條處內表面裝有第二磁條。第一磁條、第二磁條、第三磁條重量均輕于磁鐵。磁鐵和第一磁條相對表面，以及第二磁條和第三磁條相對表面均為同極磁性面。
[0013]有益效果:本發明的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，具有以下優占-
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[0014]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，通過可變式葉片葉型隨風輪系統轉速的變化，在阻力型葉片和升力型葉片間的自動轉變，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、啟動轉矩大的優點，具有著比普通升力型風機更低的啟動風速；
[0015]2.風速較高、風輪轉速較大時，第二分葉面在離心力的作用下自動閉合成升力型葉片，風輪系統轉變為升力型布局，以獲得較高的運行效率。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于升力型葉片的干擾，從而導致的效率低于單純升力型葉片布局。此外，若增設一圈升力型葉片，此時形成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。
[0016]3.在有效提高風機效率、降低啟動風速的基礎上，采用本發明的新型風輪系統的垂直軸風機，相比于現有的復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】
[0017]圖1低風速小轉速時風輪系統俯視圖；
[0018]圖2聞風速聞轉速時風輪系統俯視圖；
[0019]圖3高風速下升力狀態下的可變式葉片截面示意圖；
[0020]圖4低風速下阻力狀態下的可變式葉片截面示意圖；
[0021]圖5扭轉彈簧示意圖
[0022]圖6可變式葉片閉合時風輪系統結構示意圖；
[0023]圖7雙升力型布局下風輪系統俯視圖；
[0024]圖8可變式葉片帶磁性布局方案；
[0025]圖9雙升力型布局下風輪系統結構示意圖；
[0026]圖中有:主軸I ;升力型葉片2 ;可變式葉片3 ;第一分葉面3-1 ;第二分葉面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 ;固定轉軸7 ;重塊8 ;扭轉彈簧9 ;磁鐵10 ;第一磁條11 ;第二磁條12 ;第三磁條13。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0028]實施例1
[0029]如圖1至6所示，為本發明的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、連桿4組成，如圖1所示。
[0030]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)制造的空心葉片，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，采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采用空心H型葉片葉型，靠近主軸I 一面的壓力面外表面距尾緣約三分之一至三分之二處和尾緣處，沿垂直方向，剖分成第一分葉面3-1和較短的第二分葉面3-2，第一分葉面3-1壓力面一側分界面上設置固定轉軸7用以連接第一分葉面和第二分葉面。第一分葉面3-1和第二分葉面3-2之間設有扭轉彈簧9，扭轉彈簧9固裝在固定轉軸7附近的第一分葉面3-1或第二分葉面3-2的內表面上或套裝在固定轉軸7上，圖中3、4中僅給出了固裝在第一分葉面3-1的內表面上一種形式。第二分葉面3-2遠離固定轉軸7的一端設有重塊8，重塊8與扭轉彈簧9共同作用，用以控制第二分葉面3-2的張開閉合。扭轉彈簧9的兩腳分別連接第一分葉面3-1和第二分葉面3-2近尾緣端內表面上，扭轉彈簧9的兩腳上套有相連成“⑴”型金屬套環，用以控制第二分葉面3-2張開的角度，如圖5所示。可變式葉片3葉型隨著風速和風輪系統轉速而變，在轉速較低時，第二分葉面3-2以固定轉軸7為中心張開，呈阻力型葉片狀態，如圖4所示。轉速較高時，在離心力的作用下第二分葉面3-2閉合，此時可變式葉片3變為升力型葉片狀態，如圖3所示。
[0031]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，圖4中所示的重塊8產生的離心力較小，不足以抵消扭轉彈簧9所產生的彈性力，第二分葉面3-2以固定轉軸7為中心向外張開。可變式葉片3此時為阻力葉片，呈現阻力狀態。同時，套裝在扭轉彈簧9兩腳上的呈現型的兩個相連的金屬套環，通過限制扭轉彈簧9兩腳張開的角度以限制第二分葉面3-2張角，抵消阻力狀態下第二分葉面3-2受來流阻力作用，使得張角增大的趨勢。充分利用了低風速時，阻力型葉片轉動力矩大，啟動風速低的優點。
[0032]當風速逐漸增大，風機的轉速逐漸上升時，重塊8產生的離心力逐漸增大，當其大小超過扭轉彈簧9所產生的彈性力，第二分葉面3-2逐漸以固定轉軸7為中心向內閉合，最終完全閉合變為升力型葉片，呈現升力狀態，以便利用升力型葉片較高的效率。
[0033]可變式葉片的另一種形式如圖8所示，可變式葉片3依然由第一分葉面3-1和較短的第二分葉面3-2組成，兩者通過固定轉軸7連接，不同點在于第二分葉面3-2與轉軸7連接一端伸出于轉軸7較短的一段長度。第二分頁面3-2近尾緣一端內表面裝有磁鐵10，另一端內表面裝有第三磁條13 ;第一分葉面3-1近尾緣一端裝有第一磁條11，近第三磁條13處內表面裝有第二磁條12。第一磁條11、第二磁條12、第三磁條13重量均輕于磁鐵10。磁鐵10和第一磁條11相對表面,第二磁條12和第三磁條13相對表面均為同極磁性面。當風機靜止或風速較小、風輪轉速較小時，以其中一片可變式升力型葉片3為例，磁鐵10兼具有提供離心力的作用，根據需要可攜帶相應的配重。磁鐵10提供的離心力較小，不足以抵消磁鐵10與第一磁條11間的磁性斥力，在磁性斥力的作用下第二分葉面3-2以固定轉軸7為中心張開一定角度。當風吹來時，受來流的阻力作用，第二分葉面3-2繼續向外張開，另一端的第三磁條13與第二磁條12越來越接近，磁性斥力越來越大，直至兩面相接處，用以限定第二分葉面3-2張開的角度。此時風輪尚未轉動或以低速轉動磁鐵10提供的離心力較小。當風速逐漸增大,風機的轉速逐漸上升時,磁鐵10產生的離心力逐漸增大，當其大小足以抵消磁性斥力時，第二分葉面3-2逐漸以固定轉軸7為中心向內閉合，最終完全閉合變為升力型葉片。需要注意的是，磁鐵10和第一磁條11距尾緣要有適當的距離，以便利用葉片中空結構的間隙，給兩者留出一定的間距，防止太過接近，磁性斥力太大，導致葉片無法再適當的風速范圍內閉合。
[0034]實施例2
[0035]如圖7、8、9所示，本發明的另一種布局系統方式，包括主軸1、若干升力型葉片2和可變式葉片3及連桿4，必要時增設副連桿5，副連桿包含上副連桿5-1和下副連桿5-2。所述升力型葉片2和可變式葉片3均沿主軸I周向均布，升力型葉片2設置于主軸I和可變式葉片3之間。升力型葉片或可變式葉片均為三至六片，若升力型葉片2數目與可變式葉片3相同或為其一半時，升力型葉片2與可變式葉片3共用連桿4與主軸I連接；當升力型葉片2數目與可變式葉片3數目不同且不為其倍數時，則另設副連桿與主軸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桿上以減輕重量，另三片設置副連桿安裝。
[0036]關于風輪系統工作原理及葉片的材料等與實施例1中完全相同，僅有的不同點在于:可變式葉片與主軸之間增設了升力型葉片，升力型葉片2采用豎直等徑的空心H型葉片，截面不變也不扭曲，形狀簡單、制造成本低；當風速逐漸增大，風機的轉速逐漸上升時，可變式葉片完全閉合變為升力型葉片時，系統呈現升力狀態。處于升力狀態的可變式葉片3與升力型葉片2相配合，使得風輪系統以雙H型布局工作，通過合理設計升力型葉片2與可變式葉片3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。
[0037]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本【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范圍。
【權利要求】
1.一種低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，包括主軸(1)、若干與主軸連接的連桿(4)及對應的可變式葉片(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) —端連接著主軸(1)、另一端分別連接可變式葉片(3)頂端和底部，其特征在于:所述可變式葉片(3)包含第一分葉面(3-1)和第二分葉面(3-2)，第一分葉面(3-1)固定安裝于連桿(4)上，即頂端連接著上連桿(4-1)、底部連接著下連桿(4-2)，第一分葉面(3-1)和第二分葉面(3-2)之間通過固定轉軸(7)連接，第二分葉面(3-2)可繞固定轉軸(7)轉動，所述第一分葉面(3-1)和第二分葉面(3-2)之間設有張開閉合部件。
2.根據權利要求1所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述可變式葉片(3)數目為三至六片，沿主軸(1)周向均布。
3.根據權利要求2所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述張開閉合部件包含扭轉彈簧(9)，扭轉彈簧(9)固裝在固定轉軸(7)附近的第一分葉面(3-1)或第二分葉面(3-2)的內表面上或套裝在固定轉軸(7)上，兩腳分別與第一分葉面(3-1)和第二分葉面(3-2)的近葉片尾緣一端內表面連接，第二分葉面(3-2)遠離固定轉軸(7)的一端設有重塊(8)，重塊(8)與扭轉彈簧(9)共同作用，用以控制第二分葉面(3-2)的張開閉合。
4.根據權利要求3所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述扭轉彈簧(9)的兩腳分別連接第一分葉面(3-1)和第二分葉面(3-2)內表面近尾緣端，扭轉彈簧(9)的兩腳上套有相連成型金屬套環，用以控制第二分葉面(3-2)張開的角度。
5.根據權利要求1所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述張開閉合部件包含磁鐵(10)，磁鐵(10)位于第二分葉面(3-2)近尾緣一端內表面上，第二分葉面(3-2)另一端內表面安裝有第三磁條(13);第一分頁面(3-1)近尾緣一端安裝有第一磁條(11)，第一分葉面(3-1)近第三磁條(13)處內表面安裝有第二磁條(12)，第一磁條(11)、第二磁條(12)、第三磁條(13)重量均輕于磁鐵(10)，磁鐵(10)和第一磁條(11)相對表面與第二磁條(12)和第三磁條(13)相對表面均為同極磁性面。
6.根據權利要求1所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述主軸(1)和可變式葉片(3)之間增設一圈升力型葉片(2)。
7.根據權利要求6所述的低速啟動升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，其特征在于:所述升力型葉片(2)為三至六片，沿主軸(1)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共用連桿⑷與主軸(1)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，則另設副連桿(5)與主軸⑴連接，其中當升力型葉片⑵數目為可變式葉片⑶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)安裝在連桿(4)上以減輕重量，另三片設置副連桿(5)安裝。
【文檔編號】F03D3/06GK104314752SQ201410528661
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】熊源泉, 蘇銀海, 張平, 張亞璽, 張理, 王志軍, 宋杰, 吳波, 王淑慧 申請人:東南大學, 南京源紫尚藍能源科技有限公司