本發(fā)明涉及風力機領域，尤其涉及一種雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機。

背景技術：

垂直軸風力機按照風力機葉片的工作原理可以分為升力型和阻力型兩種。升力型風力機是依靠葉片在風力場中產(chǎn)生的升力驅(qū)動風力機轉(zhuǎn)動，比較有代表性的垂直軸升力型風力機是達里厄型風力機，其中直葉片H外形的小型風力機較為常見。

升力型風力機的特點是當其葉尖速比(葉片線速度與風速的比值)達到一個合理區(qū)間時，其風能利用率較高，但是其啟動時若風速較低，葉片生成的轉(zhuǎn)矩很小，幾乎沒有自啟動能力。

阻力型風力機是依靠葉片迎風一側(cè)的有效推力矩和另一側(cè)受到的阻力矩之差，推動風輪旋轉(zhuǎn)做功的風力機，比較有代表性的是S式阻力型風力機。

由于阻力型葉片尖速比不能大于1(葉片線速度不能大于風速)，其風能利用率低。但是其啟動轉(zhuǎn)矩較大，能夠在微風情況下發(fā)電。

為了適應風力資源不十分豐富，風速穩(wěn)定性較差場合的發(fā)電需求，有人把兩種葉片安裝在同一轉(zhuǎn)軸上，風速小時由阻力型葉片帶動風力機啟動，風力機轉(zhuǎn)速加快到升力型葉片較理想的轉(zhuǎn)速區(qū)間，風力機發(fā)電。

以上這種把升力型和阻力型簡單組合起來的方式可以緩解傳統(tǒng)升力型垂直軸風力機的低風速啟動問題，但也帶來了其它阻礙風機風能轉(zhuǎn)換效率的問題。因為對應升力型葉片高效工作的尖速比在4以上，而風機達到這個轉(zhuǎn)速時，同軸轉(zhuǎn)動的阻力型葉片的尖速比往往大于1，此時阻力型葉片所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與升力型葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反，阻力型葉片起到阻礙風力機轉(zhuǎn)動作用。為了減少這種情況發(fā)生的概率，一般會把阻力型的S形葉片半徑盡量減小，以避免其葉尖速比大于1，但是這樣做的結(jié)果會嚴重影響風力機對風速變化的適應能力和低風速時的啟動性能。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：針對垂直軸升力型和阻力型組合的風力機存在的啟動轉(zhuǎn)矩小和高轉(zhuǎn)速下阻力型葉片容易產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩的問題，本發(fā)明設計了一種帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機。

風力機正常工作時，外層升力型葉片為風力機提供主要動力，內(nèi)層葉片所能產(chǎn)生的升力為風力機提供增強轉(zhuǎn)矩；當風速較低時，內(nèi)層活動葉片轉(zhuǎn)換成阻力型，產(chǎn)生的大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動風力機低速旋轉(zhuǎn)并可發(fā)電；隨著外界風力的提高，風力機轉(zhuǎn)速逐漸加快，當內(nèi)層葉片處的線速度超過風速時，阻力葉片在風力的作用下轉(zhuǎn)換成升力型葉片，在有效減小風力機阻力矩的同時提供風力機旋轉(zhuǎn)做功的有益升力，從而提高風力機風能利用率。

技術方案：本發(fā)明一種帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機，由外葉片、內(nèi)葉片、內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸、軸承、支撐連桿、風力機主軸、升力限位擋塊、阻力限位擋塊等組成。

風力機由同軸的數(shù)個外葉片和內(nèi)葉片帶動旋轉(zhuǎn)，風力機主軸輸出發(fā)電。

外葉片為直葉片，并具有普通升力型風力機葉片的氣動外形。

外葉片縱向與風力機轉(zhuǎn)軸平行，各通過上下兩平行安置的支撐連桿與風力機主軸固定連接，形成類似H外形的風力機。

內(nèi)葉片也為直葉片，具有升力型葉片的氣動外形，并在葉片兩橫端面的氣動中心(氣動葉片弦長1/4處)設置內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸。

支撐連桿中部合適位置設置與內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸配合的軸承，使內(nèi)葉片可以繞其轉(zhuǎn)軸在上下兩支撐連桿中做自由轉(zhuǎn)動。

支撐連桿上設置有阻力限位擋塊，用于限制內(nèi)葉片尾部的轉(zhuǎn)動范圍；支撐連桿上還設置有升力限位擋塊，用于限制內(nèi)葉片由阻力變?yōu)樯π秃蟮娜~片角度。

進一步地，所述的風力機主軸是本發(fā)明垂直軸風力機的機械傳動主軸，負責把葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)運動傳遞給發(fā)電機，風力機主軸與地面垂直安裝。

進一步地，所述的風力機的外葉片具有升力型風力機葉片的氣動外形，例如通用的NACA系列或其它升力型翼型，葉片在風力機圓周上均勻分布。

進一步地，所述的外葉片與風力機主軸保持平行安裝，在外葉片縱向合適位置通過兩平行的支撐連桿與風力機主軸固定連接，若把兩平行的支撐連桿看成一個整體，則其兩端的外葉片與連桿形成“H”外形。

進一步地，所述的內(nèi)葉片也具有升力型葉片的氣動外形和尺寸，安裝在上述兩平行支撐連桿之間，一般與外葉片平行并為內(nèi)葉片留有自由轉(zhuǎn)動的空間；在內(nèi)葉片兩橫端面的葉片氣動中心(氣動葉片弦長1/4處)附近設置內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸，支撐連桿中部合適位置設置與內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸配合的軸承，把內(nèi)葉片通過其轉(zhuǎn)軸安裝在兩平行支撐連桿之間，使內(nèi)葉片可以繞其轉(zhuǎn)軸在上下兩支撐連桿間做自由轉(zhuǎn)動。

進一步地，所述的阻力限位擋塊設置在靠近風力機主軸的支撐連桿上，其作用是當內(nèi)葉片繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到內(nèi)葉片的弦長線與支撐連桿接近平行的時候，該限位擋塊與內(nèi)葉片的尾部接觸，限制內(nèi)葉片繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

進一步地，所述的升力限位擋塊設置在靠近內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸的支撐連桿上，用于限制內(nèi)葉片轉(zhuǎn)動到其弦長線與支撐連桿接近垂直時(對應葉片由阻力變?yōu)樯π?，?nèi)葉片約90度轉(zhuǎn)角)，不在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

風力機的內(nèi)葉片受阻力限位擋塊和升力限位擋塊的限制，隨著風力的大小自動繞其轉(zhuǎn)軸變換迎風角度。在低風速下，阻力限位擋塊限制葉片旋轉(zhuǎn)角度，內(nèi)葉片對風的阻力反作用力驅(qū)動風力機轉(zhuǎn)動；風力提高到一定程度，內(nèi)葉片在風力的作用下轉(zhuǎn)靠升力限位擋塊，此時內(nèi)葉片與外葉片平行，阻力減少，升力變?yōu)槠渲饕?qū)動力。

內(nèi)葉片的轉(zhuǎn)軸可以盡量遠離風力機主軸布置，使內(nèi)葉片工作在阻力階段時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較大，提高了風力機的加速性能和風速適應性，并提高風能利用率。

有益效果：本發(fā)明的有益效果是：

設計了一種帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機，風力機主軸通過同軸的數(shù)個外葉片和內(nèi)葉片帶動旋轉(zhuǎn)，并由風力機主軸輸出發(fā)電，在風力較大時，內(nèi)葉片上產(chǎn)生的升力可增強風力機的輸出轉(zhuǎn)矩，提高風力機的風能利用率。

在風力較小時，內(nèi)葉片會在風阻的作用下轉(zhuǎn)化其迎風角度，并使其在風力機轉(zhuǎn)動到阻力發(fā)揮作用的最佳位置時，迎風角度變?yōu)?0度左右，獲得最佳迎風驅(qū)動力；而在圓周的另半面，葉片會自由轉(zhuǎn)動到迎風角度變?yōu)?度左右，氣動阻力最小，風機轉(zhuǎn)軸獲得最大的阻力差。此時風力機為阻力型，內(nèi)葉片為風力機提供低速下的大轉(zhuǎn)矩，供風力機的迅速啟動或低風速發(fā)電。

在風力轉(zhuǎn)速增加一定程度后，內(nèi)葉片會在風阻和葉片離心力的聯(lián)合作用下，遵守氣動葉片阻力最小原則，使迎風角度變小，最終限位擋塊限制葉片的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，內(nèi)葉片完全轉(zhuǎn)化為與外葉片相同的升力型。

附圖說明

圖1為帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為風力機內(nèi)葉片線速度小于外界風速時葉片起始點的相互位置頂視圖；

圖3為風力機內(nèi)葉片線速度小于外界風速時葉片轉(zhuǎn)動45度的相互位置頂視圖；

圖4為風力機內(nèi)葉片線速度大于外界風速時葉片的相互位置頂視圖。

圖中：1-外葉片，2-內(nèi)葉片，3-內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸，4-軸承，5-支撐連桿，6-升力限位擋塊，7-阻力限位擋塊，8-風機主軸。

具體實施方式

本發(fā)明實施例中提供了一種帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機，通過內(nèi)外兩層葉片驅(qū)動風力機旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電機提供動力。外葉片與風力機主軸固定安裝，以其在流場中產(chǎn)生的升力為風力機提供轉(zhuǎn)矩。

本實施例中，外葉片和內(nèi)葉片均采用NACA0012標準葉片的氣動外形，在風力機旋轉(zhuǎn)的過程中，內(nèi)葉片通過轉(zhuǎn)軸在一個指定的空間內(nèi)自由擺動，使得風力機在啟動或低速運行時，內(nèi)葉片迎風一側(cè)工作在阻力型葉片的狀態(tài)，背風一側(cè)葉片自動轉(zhuǎn)到阻力很小的位置；風力機轉(zhuǎn)速加快的一定程度后，內(nèi)葉片自動轉(zhuǎn)換到升力型葉片的狀態(tài)，同外葉片一起為風力機提供升力型動力，提高了風力機的風能利用率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清晰地描述，顯然，描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

結(jié)合圖1～4，本發(fā)明帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機由外葉片1，內(nèi)葉片2，內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸3，軸承4，支撐連桿5，升力限位擋塊6，阻力限位擋塊，7，風機主軸8等組成。

其中外葉片1與內(nèi)葉片2在風力機的旋轉(zhuǎn)圓周上分內(nèi)外兩層均勻分布，外葉片通過兩平行設置的支撐連桿5與風力機主軸8固定連接，內(nèi)葉片2通過其上的內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸3與支撐連桿5中部的內(nèi)葉片軸承4形成可轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接。

支撐連桿5上設置了升力限位擋塊6和阻力限位擋塊7，用于限制內(nèi)葉片2的旋轉(zhuǎn)角度，使其在指定的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)完成升力與阻力型工作模式的轉(zhuǎn)換。

如圖1所示，4片外葉片1通過平行安裝的支撐連桿5與風力機主軸8在圓周上以圖示均勻分布，并使葉片的安裝角度符合通用升力型垂直軸風力機氣動葉片安裝規(guī)范，以獲得合理的風迎角。

如圖1所示，4片內(nèi)葉片2通過其內(nèi)葉片轉(zhuǎn)軸3安裝對應支撐連桿5中部的軸承4中，內(nèi)葉片由上下兩支撐連桿支撐，可繞其轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動。

如圖1所示，支撐連桿5上靠近風力機主軸8的部位設置阻力限位擋塊7，用于限制內(nèi)葉片2的尾部旋轉(zhuǎn)通過支撐連桿；支撐連桿5上軸承4外側(cè)設置升力限位擋塊6，用于限制內(nèi)葉片2另一個方向的轉(zhuǎn)角，使內(nèi)葉片的弦長線與支撐連桿的夾角最大值與外葉片的固定夾角基本相同。

為了減少沖擊，阻力限位擋塊7及升力限位擋塊6內(nèi)部設置有緩沖裝置(圖中未標出)，并在內(nèi)葉片2的相應位置設計碰撞緩沖結(jié)構(gòu)(圖中未標出)，提高內(nèi)葉片與限位擋塊碰撞的安全性。

如圖2所示為風力機旋轉(zhuǎn)，內(nèi)葉片處的線速度小于外界風速時葉片起始點的相互位置頂視圖。說明如下：風力機啟動或低轉(zhuǎn)速時，在風的作用下，12點方向的內(nèi)葉片2依據(jù)阻力最小原則，為頭部迎風的水平方位；9點方向的內(nèi)葉片2頭部向下，而尾部受風力及離心力(此時很小)的聯(lián)合作用而偏向中心方向；6點方向的內(nèi)葉片2由于內(nèi)葉片尾部的受風面積比轉(zhuǎn)軸前部的葉片頭部大，內(nèi)葉片尾部會轉(zhuǎn)動到接觸阻力限位擋塊7為止，此刻內(nèi)葉片的迎風角為近90度，氣動葉片上的阻力最大而升力很小，該阻力對風力機產(chǎn)生的力矩達到最大值；3點方向，作用在內(nèi)葉片2尾部的風力把內(nèi)葉片2快速反轉(zhuǎn)到與升力限位擋塊6接觸的位置，此時內(nèi)葉片2的頭部與風力機旋轉(zhuǎn)前進方向一致，風力在其上產(chǎn)生的阻力最大，但由于力矩較小，對風力機輸出轉(zhuǎn)矩影響不大；0點方向，內(nèi)葉片2以最小阻力原則調(diào)整頭部方位，使背風側(cè)的負面阻力降為最低。

風力機啟動或低轉(zhuǎn)速時，對內(nèi)葉片狀態(tài)更細化的說明如圖3所示，圖中展示的狀態(tài)是風力機由圖2所示的初始狀態(tài)逆時針旋轉(zhuǎn)45度時內(nèi)葉片的姿態(tài)。葉片轉(zhuǎn)動到10點半方向，內(nèi)葉片受風力和離心力的聯(lián)合作用，由于風力機轉(zhuǎn)速低，內(nèi)葉片尾部受到的風阻力大于離心力，尾部向風力機轉(zhuǎn)軸方向收攏；同理，內(nèi)葉片經(jīng)過9點和7點半位置后，實現(xiàn)圖2所示6點的姿態(tài)。在4點半方向，內(nèi)葉片所受的風力使其尾部保持與阻力限位擋塊的接觸；由于風力可能不穩(wěn)定，在3點鐘附近一個不確定的一段區(qū)間，內(nèi)葉片尾部會急劇翻轉(zhuǎn)，直至碰到升力限位擋塊為止；圖3所示，在2點半位置，內(nèi)葉片尾部受風面形成的阻力將使內(nèi)葉片緊靠升力限位擋塊，并產(chǎn)生阻擋風力機正轉(zhuǎn)的負向力矩，但由于阻力方向與風力機主軸距離較小，總阻力距較??；隨著葉片繼續(xù)向0點方向轉(zhuǎn)動，內(nèi)葉片的迎風角逐漸變小，阻力也逐漸減小。

如圖4所示，隨著風速的加強，風力機轉(zhuǎn)速不斷加快，外葉片的升力效應會逐漸顯現(xiàn)，并持續(xù)加速風力機轉(zhuǎn)速，使葉片的線速度超過風速(葉尖速比大于1)。當內(nèi)葉片線速度大于外界風速時，在風的作用下，12點方向的內(nèi)葉片2為頭部迎風的水平方位；9點方向的內(nèi)葉片2頭部向下，尾部受離心力(此時較大)和風阻的聯(lián)合作用，使內(nèi)葉片緊靠著升力限位擋塊；6點方向的內(nèi)葉片2，由于其線速度已經(jīng)超過風場風速，內(nèi)葉片將在離心力和相對風速的聯(lián)合作用下保持緊靠升力限位擋塊；同理，以下的環(huán)節(jié)內(nèi)葉片將始終保持與升力限位擋塊8接觸，直至風力機轉(zhuǎn)速下降到內(nèi)葉片的線速度小于風速，返回到圖2所示狀態(tài)。

如前所述，在圖4所示的整周循環(huán)中，內(nèi)葉片2與支撐連桿5沒有相對運動，內(nèi)葉片2始終與外葉片1保持平行，形成內(nèi)外兩層升力型葉片，共同驅(qū)動風力機轉(zhuǎn)動。

升力型外葉片1的工作過程與普通垂直軸升力型風力機無異，不屬本發(fā)明的內(nèi)容，不做贅述。

以上對本發(fā)明所提供的一種帶雙層升力增強及升阻自動轉(zhuǎn)換葉片的垂直軸風力機進行了詳細的介紹，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明實施例的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。