CN104018985B - 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
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)筒径内的上侧部上固装固定栓(14),在卷筒(13)筒径内下侧部上固装轴承套(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。
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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