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CN102162427B - 叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子 - Google Patents

叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子 Download PDF

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CN102162427B CN2011101062355A CN201110106235A CN102162427B CN 102162427 B CN102162427 B CN 102162427B CN 2011101062355 A CN2011101062355 A CN 2011101062355A CN 201110106235 A CN201110106235 A CN 201110106235A CN 102162427 B CN102162427 B CN 102162427B
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Abstract

本发明涉及一种叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子。该转子包括叶片、支撑杆和固定塔架轴，其特征在于还包括偏心轮、偏心环、叶距调节杆和尾舵，偏心轮转动连接于固定塔架轴，偏心环相对可转动地套接于偏心轮，尾舵一端连接在偏心轮上，数个叶片均匀分布于固定塔架轴四周，每一叶片与偏心环及固定塔架轴之间分别由叶距调节杆及支撑杆连接，支撑杆一端与固定塔架轴固定连接，一端与叶片铰链，叶距调节杆一端与偏心环固定连接，一端与叶片铰链。有益效果在于：采用了双曲柄结构使得叶片倾角可变，可以实现转子自启动，风能利用率高且结构简单。

Description

叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子
技术领域
本发明涉及风机领域，尤其涉及一种叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子。
背景技术
在能源领域，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视。风力机是把风能转变为机械转动能的装置，目前主要有两种形式，即垂直轴风力机和水平轴风力机。 
垂直轴风力机与水平轴风力机相比，优点为无需对风，启动风速低、安全性好、噪音低、风力机的安装和维护方便。
目前垂直轴风力机按驱动力方式分：阻力型转子(Savonius)、升力型转子(Darrieus)和组合型转子(Savonius-Darrieus)。
阻力型转子即萨冯尼斯（Savonius）型转子是芬兰工程师萨冯尼斯发明的，由2个轴线错开的半圆柱形叶片组成，能够实现风中自启动，但风能利用率低。
升力型转子即达里厄（Darrieus）型转子是法国学者达里厄发明的，由固定连接的叶片组成，绕垂直轴转动，其结构如图6。转子在风的作用下转动，其上叶片处于各个不同位置所受的空气动力如图7所示，气流相对于叶片1的速度                                                
Figure 2011101062355100002DEST_PATH_IMAGE001
与风速
Figure 828330DEST_PATH_IMAGE002
和叶片的圆周速度
Figure 2011101062355100002DEST_PATH_IMAGE003
关系为：
Figure 195595DEST_PATH_IMAGE004
。对叶片处于不同位置时速度三角形研究表明，几乎所有位置上作用力都产生一个驱动扭矩，除非叶素翼型的对称面与风向平行或接近平行。如果圆周速度
Figure 762974DEST_PATH_IMAGE003
比风速
Figure 562302DEST_PATH_IMAGE002
大的话，迎角α都比较尖锐，这个事实说明，使叶片所受空气动力转换成风力机的动力输出是能够实现的。该种转子风能利用率高、效率高。另一方面，如果转子静止，相对风速
Figure 403131DEST_PATH_IMAGE001
与实际风速
Figure 895293DEST_PATH_IMAGE002
相同，系统的迎角α就会大得多，在某些位置将发生失速。所以，转子静止时，启动力矩很小，达里厄转子不能实现自启动。
Savonius-Darrieus组合型转子则同时使用Savonius转子和Darrieus型转子，可以自启动，同时具有较高的风能利用率，但需要2种转子组合，结构相对复杂。发明内容
本发明的目的在于以Darrieus升力型转子为基础，提供一种结构简单、且能够自启动的一种叶片倾角可调节的垂直轴风机转子，它由下述技术方案来实现：
所述叶片倾角可调节的垂直轴风机转子包括叶片、支撑杆和固定塔架轴，还包括偏心轮、偏心环、叶距调节杆和尾舵，偏心轮转动连接于固定塔架轴，偏心环相对可转动地套接于偏心轮，尾舵一端连接在偏心轮上,数个叶片均匀分布于固定塔架轴四周，每一叶片与偏心环及固定塔架轴之间分别由叶距调节杆及支撑杆连接，支撑杆一端与固定塔架轴固定连接，一端与叶片铰链，叶距调节杆一端与偏心环固定连接，一端与叶片铰链。
上述风机转子的进一步设计在于，所述叶片与固定塔架轴之间还设有随动杆，随动杆一端与固定塔架轴固定连接，一端与叶片铰链连接。
上述风机转子的更进一步设计在于，所述偏心轮转动连接于固定塔架轴的上端部。
上述风机转子的更进一步设计在于，所述倾角调节杆位于支撑杆上侧，所述随动杆位于支撑杆的下侧。
上述风机转子的更进一步设计在于，所述支撑杆、叶距调节杆和随动杆由杆Ⅰ、杆Ⅱ和螺杆螺帽连接件组成，所述杆Ⅰ和杆Ⅱ上分别设有圆孔和长槽孔，螺杆穿过所述两孔后旋接螺母，固定连接所述两杆。
本发明叶片倾角可调节的垂直轴风力机升力型转子的有益效果在于：采用了双曲柄结构使得叶片倾角可变，这样转子由静止到转动可以实现自启动；同时，叶片与固定塔架轴之间采用支撑杆和随动杆的两杆连接增强了叶片的稳定性。 
附图说明
图1为本发明转子的结构示意图。
图2为长度可调节的支撑杆、叶距调节杆、随动杆结构示意图。
图3为图4所示长度可调节的支撑杆、叶距调节杆、随动杆的俯视图。
图4为本发明转子简化为四连杆的结构简图。
图5为本发明转子的叶片受力分析图。
图6为达里厄（Darrieus）型风机转子的结构示意图。
图7为达里厄（Darrieus）型风机转子在风的作用下转动时，其上叶片处于各个不同位置所受的空气动力示意图。
具体实施方式
对照图1，本发明的转子主要由叶片1、支撑杆3、固定塔架轴8、偏心轮5、偏心环6、叶距调节杆2、随动杆7、和尾舵4组成。偏心轮5以固定塔架轴8的中心B为转动中心转动连接于固定塔架轴8的上端部，偏心环6可相对转动地套接于偏心轮5，并以偏心轮5的几何中心A为转动中心。尾舵4一端固定连接在偏心轮5的上端。叶片1匀布于固定塔架轴8四周，它与偏心环6之间由叶距调节杆2连接。叶片1与固定塔架轴8之间由支撑杆3连接。由于叶片1具有一定的长度，为了保持其运动状态的稳定，在叶片1的下端与固定塔架轴8之间还由随动杆7来连接。叶距调节杆2位于支撑杆上侧，随动杆7位于支撑杆3的下侧。支撑杆3及随动杆7的一端与固定塔架轴8固定连接，另一端与叶片1铰链。叶距调节杆2一端与偏心环6固定连接，另一端与叶片1铰链连接。
上述的支撑杆3、叶距调节杆2及随动杆7的长度可调节，分别由杆Ⅰ、杆Ⅱ及螺栓螺母连接件组成。主杆Ⅰ配有孔9，从杆Ⅱ上配有腰形槽孔10，如图2、图3。两杆连接时，通过移动杆Ⅰ、杆Ⅱ之间的相对位置，来调节杆的总长度，并用螺栓11穿过杆Ⅰ、杆Ⅱ上的孔9、10后旋接螺母12，固定连接两杆。
本发明中的叶距调节杆2与叶片1铰接于C点，支撑杆3与叶片1的铰接于D点，偏心轮5绕固定塔架轴8的中心B转动，偏心环6绕偏心轮的几何中心A转动。这样叶片1、叶距调节杆2、支撑杆3、偏心轮5、和偏心环6实际构成一四连杆机构。AB为该机构的机架，机架的相对稳定位置由尾舵4 来提供。
对照图5，工作初始，在风的作用下，尾舵4方向与风向一致，尾舵4固接在偏心轮5上，偏心轮5相对固定，因而A点位置相对固定，只要风向不变，A点的位置就不变，即机架AB的位置固定。
Figure 949967DEST_PATH_IMAGE001
为气流相对于叶片的速度，
Figure 598992DEST_PATH_IMAGE002
为风速。启动时风轮静止，气流相对于叶片的速度
Figure 242463DEST_PATH_IMAGE001
等于风速
Figure 452996DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure 2011101062355100002DEST_PATH_IMAGE005
。叶片弦线CD与叶片旋转轨迹圆周切线的相交产生的夹角为倾角β。在风力与叶片1弦线不平行时，对转子处于不同位置时速度研究表明，所有位置上总有一个合力F，在图5中每一叶片1上的合力产生的转动力矩方向相同，所以较现有垂直轴转子容易实现自启动。

Claims (3)

1.叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子，包括叶片、支撑杆和固定塔架轴，其特征在于还包括偏心轮、偏心环、叶距调节杆和尾舵，偏心轮转动连接于固定塔架轴，偏心环相对可转动地套接于偏心轮，尾舵一端连接在偏心轮上，数个叶片均匀分布于固定塔架轴四周，每一叶片与偏心环及固定塔架轴之间分别由叶距调节杆及支撑杆连接，支撑杆一端与固定塔架轴固定连接，一端与叶片铰链，叶距调节杆一端与偏心环固定连接，一端与叶片铰链；所述叶片与固定塔架轴之间还设有随动杆，随动杆一端与固定塔架轴固定连接，另一端与叶片铰链；所述支撑杆、叶距调节杆和随动杆由杆Ⅰ、杆Ⅱ和螺杆螺帽连接件组成，所述杆Ⅰ和杆Ⅱ上设分别设有圆孔和长槽孔，螺杆穿过所述两孔后旋接螺母，固定连接所述两杆。
2.根据权利要求1所述的叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子，所述偏心轮转动连接于固定塔架轴的上端部。
3.根据权利要求1所述的叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子，所述叶距调节杆位于支撑杆上侧，所述随动杆位于支撑杆的下侧。
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