CN117404247A - 一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力机技术领域，尤其是提供了一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机。该风力机包括捕能主体、底座以及对风***，其捕能主体包括支架、叶片轴、螺旋叶片组、发电机、翼型集风罩和用于支承翼型集风罩的支承件；螺旋叶片组是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在叶片轴上的变导程螺旋叶片组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组带动叶片轴旋转，进而带动发电机转动，以进行发电，该风力机结构中的捕能主体提高了小型风力机的捕风能力，其中翼型集风罩有效的改变了螺旋叶片周围的气流状态；并且该风力机结构中的对风***可根据风向的变化自动调整翼型集风罩的入口朝向，从而接收不同方向的来风，增加了小型风力机的应用推广价值。

Description

一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机
技术领域
本发明涉及风力机技术领域，尤其涉及一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机。
背景技术
能源是人类社会发展的基石。随着工业水平的进步，传统化石能源越来越难以满足工业发展的巨大需求，同时，传统化石能源具有不可再生性，且会引发环境污染气候变化等一系列问题。因此，新能源的开发和利用得到了越来越广泛的重视。
风能作为一种常见的可再生新能源，具有无污染、分布广和储量大的特点，备受社会各界的关注。目前最主要的风能开发方式为风力发电，即依靠风力驱动发电机叶片转动进而驱动发电机运转实现发电。在我国，年平均风速不高、风力不大、风向不定的风能资源不丰富地区非常广泛，研究适用于这些地区的小型风力机以及低风速风能利用技术具有重要的意义。阿基米德风力机是一种新型小型风力机，具有自启动能力强、启动风速低、结构紧凑等特点，非常适合应用于低风速区域内，但该类型风力机的固有捕能效率较低，这一缺点严重限制了它的应用推广。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机，用以提高小型风力机的捕风能力以及增加小型风力机的应用推广价值。
第一方面，本发明提供了一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机，包括捕能主体、底座以及对风***，所述捕能主体包括：支架、叶片轴、螺旋叶片组、发电机、翼型集风罩和用于支承翼型集风罩的支承件；叶片轴、螺旋叶片组、发电机通过支架安装在翼型集风罩的内部，且叶片轴的轴线与翼型集风罩的轴线相重合；翼型集风罩固定安装于支承件上；支承件的下端具有轴状结构；
所述叶片轴和发电机相连；所述螺旋叶片组是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在所述叶片轴上的变导程螺旋叶片组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组带动叶片轴旋转，进而带动发电机转动，以进行发电；
所述变导程螺旋叶片的形状为阿基米德空间螺旋面，其中，为螺旋面的母线，与螺旋面的轴线之间的夹角为α；曲线/>为变导程空间阿基米德螺旋线，其导程遵循匀变速变化规律；在柱坐标系下/>的参数化公式为：
，
其中，参数t的取值范围为(0，2]，、b和b 1为决定螺旋线形状的系数，/>在数值上等于风力机的回转半径的一半，b和b 1为决定叶片螺旋导程的特征参数。
可选地，所述翼型集风罩是以NACA8415翼型曲线为母线、绕轴线回转一整周所形成的回转体结构。
可选地，翼型的弦线与集风罩的轴线间的夹角为攻角β，其攻角β的范围为10°~20°。
可选地，所述底座包括轴、第一轴承端盖、第二轴承端盖、第一向心推力轴承、第二向心推力轴承和底座外壳；
轴通过第一向心推力轴承和第二向心推力轴承竖直安装于底座外壳内部，轴的两端分别通过第一轴承端盖和第二轴承端盖进行定位；底座外壳的下端法兰上开有若干个用于与地面相连接的通孔；轴上端通过联轴器与支承件相连接，以使捕能主体能够相对于底座进行转动。
可选地，所述对风***包括第一齿轮、第二齿轮、电动机安装支架、电动机、传感器安装支架、风向传感器和信息处理模块；
第一齿轮固定安装在支承件上，第二齿轮固定安装在电动机的输出轴上；电动机通过电动机安装支架固定安装在底座外壳上；风向传感器通过传感器安装支架固定安装在底座外壳上；
当信息处理模块通过风向传感器检测到风向发生变化时，向电动机发送姿态调整工作指令使其产生转动，通过第一齿轮和第二齿轮的啮合传动使捕能主体产生转动，直至风向与翼型集风罩入口朝向一致，以进行对风。
可选地，所述翼型集风罩入口处到喉部部分的内径逐渐缩小，用于对来流风进行汇聚加速，并利用文丘里效应使风速加快；翼型集风罩后段部分的内径逐渐扩大，用于对内部气流形成抽吸作用，以二次增加翼型集风罩内部的风速。
可选地，当来流风作用在螺旋叶片组上时，螺旋叶片组中的变导程螺旋叶片会受到来流风施加的推力，推力在变导程螺旋叶片上产生旋转力矩，使变导程螺旋叶片和叶片轴一同转动。
本发明提供的技术方案中，该风力机包括捕能主体、底座以及对风***，其捕能主体包括支架、叶片轴、螺旋叶片组、发电机、翼型集风罩和用于支承翼型集风罩的支承件；叶片轴、螺旋叶片组、发电机通过支架安装在翼型集风罩的内部，且叶片轴的轴线与翼型集风罩的轴线相重合；翼型集风罩固定安装于支承件上；支承件的下端具有轴状结构；叶片轴和发电机相连；螺旋叶片组是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在叶片轴上的变导程螺旋叶片组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组带动叶片轴旋转，进而带动发电机转动，以进行发电，该风力机结构中的捕能主体提高了小型风力机的捕风能力，其中翼型集风罩有效的改变了螺旋叶片周围的气流状态；并且该风力机结构中的对风***可根据风向的变化自动调整翼型集风罩的入口朝向，从而接收不同方向的来风，增加了小型风力机的应用推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的变导程螺旋叶片风力机三维结构的示意图；
图2 为本发明实施例提供的螺旋叶片组安装方式的示意图；
图3为本发明实施例提供的单个螺旋叶片的主视图；
图4为本发明实施例提供的单个螺旋叶片的左视图；
图5为本发明实施例提供的翼型集风罩三维结构的示意图；
图6为本发明实施例提供的翼型集风罩的剖视图。
图中：1、支架；2、叶片轴；3、螺旋叶片组；31、变导程螺旋叶片；4、发电机；5、翼型集风罩；6、支承件；7、第一齿轮；8、第二齿轮；9、电动机安装支架；10、电动机；11、联轴器；12、轴；13、第一轴承端盖；14、第一向心推力轴承；15、第二向心推力轴承；16、底座外壳；17、第二轴承端盖；18、传感器安装支架；19、风向传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
图1为本发明实施例提供的变导程螺旋叶片风力机三维结构的示意图，如图1所示，该风力机包括捕能主体、底座以及对风***，捕能主体包括：支架1、叶片轴2、螺旋叶片组3、发电机4、翼型集风罩5和用于支承翼型集风罩5的支承件6；叶片轴2、螺旋叶片组3、发电机4通过支架1安装在翼型集风罩5的内部，且叶片轴2的轴线与翼型集风罩5的轴线相重合；翼型集风罩5固定安装于支承件6上；支承件6的下端具有轴状结构；叶片轴2和发电机4相连。
图2 为本发明实施例提供的螺旋叶片组安装方式的示意图，如图2所示，螺旋叶片组3是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在叶片轴2上的变导程螺旋叶片31组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组3带动叶片轴2旋转，进而带动发电机4转动，以进行发电。
图3为本发明实施例提供的单个螺旋叶片的主视图，如图3所示，变导程螺旋叶片31为具有一定厚度的阿基米德空间螺旋面，其中，为螺旋面的母线，/>与螺旋面的轴线之间的夹角为α；如图4所示，曲线/>为变导程空间阿基米德螺旋线，其导程遵循匀变速变化规律；在柱坐标系下/>的参数化公式为：
，
其中，参数t的取值范围为(0，2]，、b和b 1为决定螺旋线形状的系数，/>在数值上等于风力机的回转半径的一半，b和b 1为决定叶片螺旋导程的特征参数。
本发明实施例中，导程的变化规律为匀加速或匀减速变化规律。
图5为本发明实施例提供的翼型集风罩三维结构的示意图，如图5所示，翼型集风罩5是以NACA8415翼型曲线为母线、绕轴线回转一整周所形成的回转体结构。
图6为本发明实施例提供的翼型集风罩的剖视图，如图6所示，翼型的弦线与集风罩的轴线间的夹角为攻角β，其攻角β的范围为10°~20°。
本发明实施例中，如图1所示，底座包括轴12、第一轴承端盖13、第二轴承端盖17、第一向心推力轴承14、第二向心推力轴承15和底座外壳16。
轴12通过第一向心推力轴承14和第二向心推力轴承15竖直安装于底座外壳16内部，轴12的两端分别通过第一轴承端盖13和第二轴承端盖17进行定位；底座外壳16的下端法兰上开有若干个用于与地面相连接的通孔；轴12上端通过联轴器11与支承件6相连接，以使捕能主体相对于底座进行转动。
本发明实施例中，如图1所示，对风***包括第一齿轮7、第二齿轮8、电动机安装支架9、电动机10、传感器安装支架18、风向传感器19和信息处理模块。
第一齿轮7固定安装在支承件6上，第二齿轮8固定安装在电动机10的输出轴上；电动机10通过电动机安装支架9固定安装在底座外壳16上；风向传感器19通过传感器安装支架18固定安装在底座外壳16上。
当信息处理模块通过风向传感器19检测到风向发生变化时，向电动机10发送姿态调整工作指令使其产生转动，通过第一齿轮7和第二齿轮8的啮合传动使捕能主体产生转动，直至风向与翼型集风罩5入口朝向一致，以进行对风。
本发明实施例中，信息处理模块为单片机，固定安装在底座中。
本发明实施例中，该风力机结构中的对风***可根据风向的变化实时调节集风罩的入口朝向。
本发明实施例中，翼型集风罩5入口处到喉部部分的内径逐渐缩小，用于对来流风进行汇聚加速，并利用文丘里效应使风速加快；翼型集风罩5后段部分的内径逐渐扩大，用于对内部气流形成抽吸作用，以二次增加翼型集风罩5内部的风速。
本发明实施例中，当来流风作用在螺旋叶片组3上时，螺旋叶片组3中的变导程螺旋叶片会受到来流风施加的推力，推力在变导程螺旋叶片上产生旋转力矩，使变导程螺旋叶片和叶片轴2一同转动。
本发明实施例中，通过调节变导程螺旋叶片的导程特征参数，可使来流风在叶片上的分布更加均匀，扩大风力机可工作的风速范围并且减少叶片的震荡，提高风力机的效率和可靠性。
本发明提供的技术方案中，该风力机包括捕能主体、底座以及对风***，其捕能主体包括支架、叶片轴、螺旋叶片组、发电机、翼型集风罩和用于支承翼型集风罩的支承件；叶片轴、螺旋叶片组、发电机通过支架安装在翼型集风罩的内部，且叶片轴的轴线与翼型集风罩的轴线相重合；翼型集风罩固定安装于支承件上；支承件的下端具有轴状结构；叶片轴和发电机相连；螺旋叶片组是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在叶片轴上的变导程螺旋叶片组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组带动叶片轴旋转，进而带动发电机转动，以进行发电，该风力机结构中的捕能主体提高了小型风力机的捕风能力，其中翼型集风罩有效的改变了螺旋叶片周围的气流状态；并且该风力机结构中的对风***可根据风向的变化自动调整翼型集风罩的入口朝向，从而接收不同方向的来风，增加了小型风力机的应用推广价值。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种带翼型集风罩的变导程螺旋叶片风力机，包括捕能主体、底座以及对风***，其特征在于，所述捕能主体包括：支架（1）、叶片轴（2）、螺旋叶片组（3）、发电机（4）、翼型集风罩（5）和用于支承翼型集风罩（5）的支承件（6）；叶片轴（2）、螺旋叶片组（3）、发电机（4）通过支架（1）安装在翼型集风罩（5）的内部，且叶片轴（2）的轴线与翼型集风罩（5）的轴线相重合；翼型集风罩（5）固定安装于支承件（6）上；支承件（6）的下端具有轴状结构；
所述叶片轴（2）和发电机（4）相连；所述螺旋叶片组（3）是由3个形状完全相同的、以圆周阵列的形式安装在所述叶片轴（2）上的变导程螺旋叶片（31）组成；在风力的驱动下，螺旋叶片组（3）带动叶片轴（2）旋转，进而带动发电机（4）转动，以进行发电；
所述变导程螺旋叶片的形状为阿基米德空间螺旋面，其中，为螺旋面的母线，/>与螺旋面的轴线之间的夹角为α；曲线/>为变导程空间阿基米德螺旋线，其导程遵循匀变速变化规律；在柱坐标系下/>的参数化公式为：
，
其中，参数t的取值范围为(0，2]，、b和b 1为决定螺旋线形状的系数，/>在数值上等于风力机的回转半径的一半，b和b 1为决定叶片螺旋导程的特征参数。
2.根据权利要求1所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，所述翼型集风罩（5）是以NACA8415翼型曲线为母线、绕轴线回转一整周所形成的回转体结构。
3.根据权利要求2所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，所述翼型的弦线与集风罩的轴线间的夹角为攻角β，其攻角β的范围为10°~20°。
4.根据权利要求1所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，所述底座包括轴（12）、第一轴承端盖（13）、第二轴承端盖（17）、第一向心推力轴承（14）、第二向心推力轴承（15）和底座外壳（16）；
轴（12）通过第一向心推力轴承（14）和第二向心推力轴承（15）竖直安装于底座外壳（16）内部，轴（12）的两端分别通过第一轴承端盖（13）和第二轴承端盖（17）进行定位；底座外壳（16）的下端法兰上开有若干个用于与地面相连接的通孔；轴（12）上端通过联轴器（11）与支承件（6）相连接，以使捕能主体能够相对于底座进行转动。
5.根据权利要求1所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，所述对风***包括第一齿轮（7）、第二齿轮（8）、电动机安装支架（9）、电动机（10）、传感器安装支架（18）、风向传感器（19）和信息处理模块；
第一齿轮（7）固定安装在支承件（6）上，第二齿轮（8）固定安装在电动机（10）的输出轴上；电动机（10）通过电动机安装支架（9）固定安装在底座外壳（16）上；风向传感器（19）通过传感器安装支架（18）固定安装在底座外壳（16）上；
当信息处理模块通过风向传感器（19）检测到风向发生变化时，向电动机（10）发送姿态调整工作指令使其产生转动，通过第一齿轮（7）和第二齿轮（8）的啮合传动使捕能主体产生转动，直至风向与翼型集风罩（5）入口朝向一致，以进行对风。
6.根据权利要求2所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，所述翼型集风罩（5）入口处到喉部部分的内径逐渐缩小，用于对来流风进行汇聚加速，并利用文丘里效应使风速加快；翼型集风罩（5）后段部分的内径逐渐扩大，用于对内部气流形成抽吸作用，以二次增加翼型集风罩（5）内部的风速。
7.根据权利要求1所述的变导程螺旋叶片风力机，其特征在于，当来流风作用在螺旋叶片组（3）上时，螺旋叶片组（3）中的变导程螺旋叶片会受到来流风施加的推力，推力在变导程螺旋叶片上产生旋转力矩，使变导程螺旋叶片和叶片轴（2）一同转动。
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