CN102297079B - 用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机，基础平台中央上表面设置立轴，立轴上部装配有两个轴承，且两个轴承间的距离为叶片高度的1/3，两个轴承上分别盖装轴承盖，且轴承外圈与轴承盖内孔配合，有多个叶片沿立轴轴向均布，每个叶片与轴承盖之间通过支撑杆连接，构成风轮；所述叶片为带有上下封盖的空心结构，上下封盖与活动式栅板连接。本发明结构合理，克服了升力型风力机低风速不能启动、阻力型风力机风能转换效率不高的缺点，解决了垂直轴风力发电机不适用于风力资源欠丰富的城市和人口稠密地区风况复杂的问题，将大幅提升我国风能利用比例，推动风电行业的发展。

Description

用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机

技术领域

本发明涉及一种风力发电领域，具体为适用于低风速或风况复杂环境的垂直轴升阻耦合型风力机。

背景技术

利用风能是解决能源危机行之有效的途径之一。现有的大型风力机按风轮旋转轴在空间安装方向，分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类。

垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，具有不需要偏航装置、叶片制造简单、启动风速低、安全性好、噪音低、单位占地面积可利用风能能力高、风电机的安装简单和齿轮箱等传动部件可以放在地面或塔架底部，维护方便，制造成本和运营维护成本较低等优点。

垂直轴风电发电机主要分为四种：Savonius型、Darrieus型、H型和涡轮型。Savonius型自动转矩大，低风速时功率对风能捕捉能力好，但风能利用率低使得该型机在大型机组应用上缺乏竞争；Darrieus型效率较高但自启动能力差；H型是英国人在研究直叶式达里厄型过程中发展起来的，它的自启动能力好；涡轮型则对空气密度较低的环境适应性好。对于风力资源欠丰富的村镇和高楼林立风况复杂的城市地区，垂直轴风力发电机不适用。

现有的垂直轴风力发电机大部分采用的是升力型风力机，在居民区因风速低常处于停机状态或不稳定工作状态；而阻力型风力机因其风能转换效率不高，很少用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，克服了升力型风力机低风速不能启动、阻力型风力机风能转换效率不高的缺点，工作性能好的用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机。

本发明的技术解决方案是：

一种用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机，其特征是：包括基础平台，基础平台中央上表面设置立轴，立轴上部装配有两个轴承，且两个轴承间的距离为叶片高度的1/3，两个轴承上分别盖装轴承盖，且轴承外圈与轴承盖内孔配合，有多个叶片沿立轴轴向均布，每个叶片与轴承盖之间通过支撑杆连接，构成风轮；所述叶片为带有上下封盖的空心结构，上下封盖与活动式栅板连接。

栅板的上下端通过轴承机构与叶片的上下封盖连接。

栅板三个为一组，每个叶片配一组，每组三个栅板上端和下端分别以连杆形成联动机构，保证三个栅板同时摆动相同角度；栅板闭合时刚好首尾相接，保证叶片能获得最大升力效果。

所述栅板为长条形薄片结构，栅板宽度大于叶片开口弦长的三分之一，栅板高度小于叶片长度，栅板两端的金属销与封盖上的轴承相配合，使栅板可以绕金属销摆动，栅板摆动角度范围为5°~70°，栅板材料为玻璃钢或铝合金或白铁皮。

叶片为中空薄壳结构，在其一侧由叶尾至前缘切除四分之三，呈半包围结构，叶片曲面采用美国航空标准翼型NACA0018。

栅板可以围绕叶片某一轴线摆动，与叶片弧形面形成张开或闭合情形。叶片绕垂直于风向的轴旋转时会形成顺风和迎风两个状态，叶片顺风时，空气由叶尾流向前缘，栅板受风力作用而张开，根据风力发电国家标准的定义，此时叶片属于阻力型叶片；叶片迎风时，空气由前缘流向叶尾，栅板自动闭合，此时叶片属于升力型叶片。每个叶片可根据气流情况实现阻力做功状态与升力做功状态自动切换。

在风力作用下，每个叶片围绕风轮轴旋转一周，栅板完成由张开——闭合——张开的连续变化，使得风轮始终有半边呈现阻力型风力机特征，另半边则呈现升力型风力机特征，或全部呈现闭合，呈现升力型风力机特征。风速低（小于5m/s）时，阻力做功为主，整机呈现阻力型风力机特征；风速高时，升力做功为主，使得背风侧叶片的线速度大于风速，因此迎风侧叶片和背风侧叶片上的栅板均处于闭合状态，整机就是一个升力型风力机。

本发明结构合理，克服了升力型风力机低风速不能启动、阻力型风力机风能转换效率不高的缺点，解决了垂直轴风力发电机不适用于风力资源欠丰富的城市和人口稠密地区风况复杂的问题，将大幅提升我国风能利用比例，推动风电行业的发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明升阻耦合型叶片栅板张开示意图；

图3为本发明升阻耦合型叶片栅板张开闭合角度；

图4为本发明的升阻耦合型风力机工作原理示意图。

具体实施方式

以四片叶片为例，见附图1。本发明的垂直轴升阻耦合型风力机包括基础平台11，在基础平台中央上方焊接立轴21，立轴21上部相距一定距离分别装配两个轴承，两轴承间的距离为叶片高度的三分之一，轴承盖31，32分别盖在两轴承上，并保证轴承外圈与轴承盖内孔相配合，每个叶片51与轴承盖之间以支撑杆41，42，43，44采用螺栓联接形式进行固定，4个叶片围绕立轴21周向均匀分布，构成风轮。风轮实现风能的吸收和转换。

基础平台11可以是钢筋混凝土平台，可以是钢板，也可以是钢架结构。施工时要求基础平台11的上表面与水平面平行。

立轴21采用无缝钢管或实心钢棒料，底端与基础平台11焊接，立轴21与基础平台11连接处焊接6-8片加强筋以稳固立轴21。施工时要求立轴21与水平面垂直。立轴21上端加工轴承配合面和定位面以安装轴承，立轴21与轴承的配合采用过渡配合。

轴承盖31，32盖在轴承上，并与轴承有过渡配合关系。轴承盖31，32材料为45#钢，或普通不锈钢。

叶片支撑杆41，42，43，44一端与轴承盖连接，一端与叶片连接，连接处以螺栓固结。支撑杆材料为钢管。

叶片51以美国航空标准翼型NACA0018为基础，共4片。叶片采用空心结构，在其一侧由叶尾至前缘切除四分之三，见附图2，再在叶片上下两端盖上封盖。每片封盖上加工三个轴承孔，用轴承盖配以螺栓将三轴承固定在封盖轴承孔处。叶片51材料为玻璃钢或铝合金。叶片厚度与高度比为1:1000。

栅板52共12片，三个为一组，每个叶片配一组，共4组，见附图1。栅板52略短于叶片。栅板52的两端各固定一个金属销53，金属销53与封盖上轴承相配合，使栅板52可以绕金属销53摆动，摆动角度范围控制在5°~70°，见附图3。栅板52的宽度取叶片51开口弦长的三分之一，使栅板52闭合时刚好首尾相接，保证叶片能获得最大升力效果。栅板52的两端各固定另一金属销54，与连杆55相配合，使得三个栅板52形成联动机构，保证三个栅板52同时摆动相同角度。栅板52张开最大角度由流体仿真分析得70°最佳，通过改变叶片51封盖上轴承孔与叶片51切边的位置，可以保证该角度。栅板52闭合时，后一栅板搭在前一栅板上，栅板52不能继续向叶片51内部摆动，形成约5°的自然角，既保证叶片51能获得最大升力效果，又保证了栅板52在空气作用下，能由闭合状态顺利打开。为使栅板52摆动自如，不收叶片支撑杆41，42，43，44的限制，在栅板52上开有缺口，保证摆动时以避开支撑杆41，42，43，44，见附图1。栅板52为玻璃钢或铝合金或白铁皮。

垂直轴升阻耦合型风力机工作原理见附图4。在风速υ的作用下，风力机右侧叶片51的栅板52张开，达到最大角70°，此时该叶片上获得的风载合力为阻力Fz，径向和切向分解后，可以推动风轮旋转的分力为Fz1；风力机左侧叶片51的栅板52全部闭合，此时该叶片上获得的风载合力为升力Fs，径向和切向分解后，可以推动风轮旋转的分力为Fs1；前后两叶片受风轮中间旋风的影响，栅板52微微张开或闭合，叶片上的受力为上述Fz和Fs综合力，因此风力机可以逆时针旋转，并获得一定转速n。当风速低时，Fz远大于Fs，风力机呈现阻力型风力机特征；当风速高时，风力机右侧叶片51线速度大于风速υ，栅板52受空气作用全部闭合，此时所有叶片的受力均为升力Fs，风力机呈现升力型风力机特征。若在立轴上安装传动机构和发电机，就可以将风力机捕获的风能转化为电能。

Claims (1)

1.一种用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机，其特征是：包括基础平台，基础平台中央上表面设置立轴，立轴上部装配有两个轴承，且两个轴承间的距离为叶片高度的1/3，两个轴承上分别盖装轴承盖，且轴承外圈与轴承盖内孔配合，有多个叶片沿立轴轴向均布，每个叶片与轴承盖之间通过支撑杆连接，构成风轮；所述叶片为带有上下封盖的空心结构，上下封盖与活动式栅板连接；栅板的上下端通过轴承机构与叶片的上下封盖连接；栅板三个为一组，每个叶片配一组，每组三个栅板上端和下端分别以连杆形成联动机构，保证三个栅板同时摆动相同角度；栅板闭合时刚好首尾相接，保证叶片能获得最大升力效果；叶片为中空薄壳结构，在其一侧由叶尾至前缘切除四分之三，呈半包围结构，叶片曲面采用美国航空标准翼型NACA0018。

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