CN104018985A - 垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构 - Google Patents

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Abstract

垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构属于风力机；在垂直轴风力机的上、下横梁上、位于主叶片与主轴之间部位处配装副叶片，在副叶片上通过卷筒连接带有刚性配重条的柔性辅助叶片，在卷筒内配装固定栓、扭力弹簧、轴承套、轴承和固定轴，固定轴固装在上和下横梁上，绕线轮和平面涡卷弹簧配装在上和下横梁上，拉线两端连接在刚性配重条和绕线轮上，构成柔性可伸缩辅助叶片机构；本发明结构设计新颖，风能利用科学合理，适应能力强，使用可靠，自动化程度高。

Description

垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构
技术领域
本发明属于风力机，涉及一种装配在垂直轴风力机上的柔性可伸缩辅助叶片机构。
背景技术
垂直轴风力机以其工作原理可以分为阻力型和升力型两种。其中，Savnious风力机和Darrieus风力机分别为阻力型和升力型风力机的典型代表。阻力型风力机启动性好，但在高尖速比下，风能利用效率较低，升力型风力机在高尖速比下风能利用效率较高，但启动性较差，尤其在低风速条件下较难实现自启动。为解决垂直轴风力机启动性与风能利用效率之间的矛盾，大量研究者对其进行了研究。
为改善升力型风力机的启动特性，主要有两种典型的方法。第一种是将升力型与阻力型直接组合，利用阻力风轮在低尖速比下能够产生较大扭矩的特点，实现升力型风力机的启动。如实用新型专利200920261028.5“升阻力混合型垂直轴风力机”；第二种是改变叶片结构，采用活固叶片来增加升力型风力机的启动性能。如200580010262.5“垂直轴风车机风车用叶片”、201210011801.9“一种垂直轴风力机’。但这两种方法在实际应用中都存在一些问题。
第一种方法虽然有效改善了风力机的自启动特性，但随着尖速比的增大，阻力风轮逐渐转变为风力机的负载，进而降低了整机在额定工作状态下的风能利用效率。第二种方法与第一种方法比较，实现形式不同，但原理均为在顺风侧阻力做功，逆风侧升力做功。该方法需要活固叶片在每一个旋转周期内完成一次开合，这使得风力机的震动增加，且固定叶片和活动叶片间的湍流现象加剧，恶化了叶片的受力环境，提高了对叶片高度和强度的要求，实用性不强。
发明内容
本发明的目的在于改善阻力型风力机高转速下风能利用效率低，升力型风力机启动性差的问题。提供一种升、阻复合型垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构，在主轴上从上到下依次固装上法兰和下法兰，在所述上法兰和下法兰上分别固装上横梁和下横梁，在上、下横梁的外端部上分别固装主叶片，在所述上、下横梁侧部上、位于主叶片与主轴之间部位处固定配装副叶片，在副叶片的最大厚度部位处立向开设圆柱孔，卷筒可转动地插装在副叶片的圆柱孔内，在卷筒筒径内的上、下侧部上分别依次固装固定栓和轴承套，固装轴承的固定轴分别***固装在上下横梁的两侧部位上，所述固定轴插配在轴承套和卷筒腔内，所述轴承与轴承套固装配合；扭力弹簧套装在固定轴上，所述扭力弹簧的两端部分别与固定栓和固定轴固接，在所述副叶片侧壁上沿立向设有条形通孔，柔性辅助叶片的一端部通过副叶片上的条形通孔与卷筒连接，在所述柔性辅助叶片的另一端部上固装刚性配重条，所述刚性配重条的上、下端部分别插配在上、下横梁上的限位滑槽内，在上横梁和下横梁相对应部分上分别可转动地安装绕线轮，平面涡卷弹簧的两端分别连接在上横梁或下横梁和绕线轮上，拉线两端分别连接在刚性配重条和绕线轮上，所述柔性辅助叶片与副叶片中心线间夹角α为45°～75°，所述柔性辅助叶片的数量为2～6个。
本发明的优势在于：本发明在低转速下，柔性辅助叶片伸展，与副叶片构成的阻力风轮为风力机提供较大的驱动力矩，带动风力机加速；在高转速下，柔性辅助叶片缩回，副叶片恢复完整，为风力机提供一定的驱动力矩。本发明降低了风力机的启动风速，增加了风力机启动速度，同时提高了高尖速比下的风能利用效率，具有结构设计新颖、风能利用科学合理、适应能力强、使用可靠、自动化程度高的特点，应用前景广阔。
附图说明
图1是垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构总体结构三维示意图；
图2是柔性辅助叶片伸缩机构示意图；
图3是图2的俯向视图。
图中标号说明：1、主轴，2、下横梁，3、下法兰，4、上法兰，5、上横梁，6、主叶片，7、副叶片，8、柔性辅助叶片，9、刚性配重条，10、限位滑槽，11、拉线，12、绕线轮，13、卷筒，14、固定栓，15、扭力弹簧，16、轴承套，17、轴承，18、固定轴，19、平面涡卷弹簧。
具体实施方式
一种垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构，在主轴1上从上到下依次固装上法兰4和下法兰3，在所述上法兰4和下法兰3上分别固装上横梁5和下横梁2，在上、下横梁5、2的外端部上分别固装主叶片6，在所述上、下横梁5、2侧部上、位于主叶片6与主轴1之间部位处固定配装副叶片7，在副叶片7的最大厚度部位处立向开设圆柱孔，卷筒13可转动地插装在副叶片7的圆柱孔内，在卷筒13筒径内的上、下侧部上分别依次固装固定栓14和轴承套16，固装轴承17的固定轴18分别***固装在上下横梁5、2的两侧部位上，所述固定轴18插配在轴承套16和卷筒13腔内，所述轴承17与轴承套16固装配合；扭力弹簧15套装在固定轴18上，所述扭力弹簧15的两端部分别与固定栓14和固定轴18固接，在所述副叶片7侧壁上沿立向设有条形通孔，柔性辅助叶片8的一端部通过副叶片7上的条形通孔与卷筒13连接，在所述柔性辅助叶片8的另一端部上固装刚性配重条9，所述刚性配重条9的上、下端部分别插配在上、下横梁5、2上的限位滑槽10内，在上横梁5和下横梁2相对应部分上分别可转动地安装绕线轮12，平面涡卷弹簧19的两端分别连接在上横梁5或下横梁2和绕线轮12上，拉线11两端分别连接在刚性配重条9和绕线轮12上，所述柔性辅助叶片8与副叶片7中心线间夹角α为45°～75°，所述柔性辅助叶片8的数量为2～6个。
风力机在初始状态下，平面涡卷弹簧19与扭力弹簧15施加一定预紧力，柔性辅助叶片8在两端预紧力的作用下，柔性辅助叶片8处于初始平衡位置，该状态下，在主叶片6内部，由副叶片7与柔性辅助叶片8构成三角阻力叶片，可以等效为一个阻力风轮。风力机在旋转状态下，刚性配重条9产生一定的离心力，扭力弹簧15产生的作用力与离心力之和大于平面涡卷弹簧19产生的作用力，刚性配重条9与柔性辅助叶片8一起沿限位滑槽10移动，直到达到新的平衡。
在转速较低时，离心力较小，柔性辅助叶片8基本处于展开状态，顺风区三角阻力叶片产生较大的驱动力矩，同时，逆风区三角阻力叶片产生较小的阻力力矩，从而使风力机在很低的风速下实现自启动。随着转速的增加，刚性配重条9产生的离心力也逐渐增大，柔性辅助叶片8逐渐收缩，当转速增加到一定数值时，柔性辅助叶片8完全缩入副叶片7内，与副叶片7合为一个完整的叶片，此时风力机的驱动力矩主要由外层的主叶片6产生的升力提供，完成低转速下由阻力提供驱动力，高转速下由升力提供驱动力的转换。同时在高转速下，内层副叶片7也提供一定的驱动力，提高了风力机高转速下的风能利用效率。
初始状态下，通过对扭力弹簧15和平面涡卷弹簧19施加不同的预紧力，以及选用不同质量的刚性配重条9，可以控制刚性配重条9完全缩入副叶片7的风力机转速，以及伸缩机构对从开始收缩到完全缩入的转速区间，以发挥叶片最佳气动性能，获得较高的风能利用效率。
本发明使用性能是：
1、本发明所述垂直轴风力机内层副叶片7以及柔性辅助叶片8安装在上、下横梁5、2之间，没有额外增加风力机的体积。
2、本发明中，刚性配重条9在限位滑槽10中移动，限定了柔性辅助叶片8的角度和各转速下刚性配重条9的位置，降低了柔性辅助叶片8在风力机旋转中因受力而产生的震颤，保证了风力向驱动力矩的转化。
3、卷筒13安装在副叶片7的最大厚度处，没有破坏副叶片7翼型的完整性，同时也为可伸缩装置提供了足够的工作空间。
4、刚性配重条9完全收缩后，与副叶片7合为一个完整叶片，从而保证了在高转速下，副叶片7的正常气动性能，刚性配重条9嵌入副叶片7内，保证了额定工作状态下风力机运行的安全性。
5、本发明中，通过对扭力弹簧15、平面涡卷弹簧19预紧力大小的调节和不同质量刚性配重条9的配置，可以实现风力机从低尖速比向高尖速比运转的稳定过渡，实现了垂直抽风力机自启动，同时提高了高尖速比下的风能利用效率。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构，在主轴(1)上从上到下依次固装上法兰(4)和下法兰(3)，在所述上法兰(4)和下法兰(3)上分别固装上横梁(5)和下横梁(2)，在上、下横梁(5、2)的外端部上分别固装主叶片(6)，其特征在于：在所述上、下横梁(5、2)侧部上、位于主叶片(6)与主轴(1)之间部位处固定配装副叶片(7)，在副叶片(7)的最大厚度部位处立向开设圆柱孔，卷筒(13)可转动地插装在副叶片(7)的圆柱孔内，在卷筒(13)筒径内的上、下侧部上分别依次固装固定栓(14)和轴承套(16)，固装轴承(17)的固定轴(18)分别***固装在上、下横梁(5、2)的两侧部位上，所述固定轴(18)插配在轴承套(16)和卷筒(13)腔内，所述轴承(17)与轴承套(16)固装配合；扭力弹簧(15)套装在固定轴(18)上，所述扭力弹簧(15)的两端部分别与固定栓(14)和固定轴(18)固接，在所述副叶片(7)侧壁上沿立向设有条形通孔，柔性辅助叶片(8)的一端部通过副叶片(7)上的条形通孔与卷筒(13)连接，在所述柔性辅助叶片(8)的另一端部上固装刚性配重条(9)，所述刚性配重条(9)的上、下端部分别插配在上、下横梁(5、2)上的限位滑槽(10)内，在上横梁(5)和下横梁(2)相对应部分上分别可转动地安装绕线轮(12)，平面涡卷弹簧(19)的两端分别连接在上横梁(6)或下横梁(2)和绕线轮(12)上，拉线(11)两端分别连接在刚性配重条(9)和绕线轮(12)上。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构，其特征在于：所述柔性辅助叶片(8)与副叶片(7)中心线间夹角α为45°～75°。
3.根据权利要求1所述的垂直轴风力机柔性可伸缩辅助叶片机构，其特征在于：所述柔性辅助叶片(8)的数量为2～6个。
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