一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机的制作方法

本发明涉及风力机领域，尤其涉及一种双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机。

背景技术：

垂直轴风力机按照风力机叶片的工作原理可以分为升力型和阻力型两种。升力型风力机是依靠叶片在风力场中产生的升力驱动风力机转动，比较有代表性的垂直轴升力型风力机是达里厄型风力机，其中直叶片H外形的小型风力机较为常见。

升力型风力机的特点是当其叶尖速比(叶片线速度与风速的比值)达到一个合理区间时，其风能利用率较高，但是其启动时若风速较低，叶片生成的转矩很小，几乎没有自启动能力。

阻力型风力机是依靠叶片迎风一侧的有效推力矩和另一侧受到的阻力矩之差，推动风轮旋转做功的风力机，比较有代表性的是S式阻力型风力机。

由于阻力型叶片尖速比不能大于1(叶片线速度不能大于风速)，其风能利用率低。但是其启动转矩较大，能够在微风情况下发电。

为了适应风力资源不十分丰富，风速稳定性较差场合的发电需求，有人把两种叶片安装在同一转轴上，风速小时由阻力型叶片带动风力机启动，风力机转速加快到升力型叶片较理想的转速区间，风力机发电。

以上这种把升力型和阻力型简单组合起来的方式可以缓解传统升力型垂直轴风力机的低风速启动问题，但也带来了其它阻碍风机风能转换效率的问题。因为对应升力型叶片高效工作的尖速比在4以上，而风机达到这个转速时，同轴转动的阻力型叶片的尖速比往往大于1，此时阻力型叶片所产生转矩与升力型叶片产生的转矩方向相反，阻力型叶片起到阻碍风力机转动作用。为了减少这种情况发生的概率，一般会把阻力型的S形叶片半径尽量减小，以避免其叶尖速比大于1，但是这样做的结果会严重影响风力机对风速变化的适应能力和低风速时的启动性能。

技术实现要素：

技术问题：针对垂直轴升力型和阻力型组合的风力机存在的启动转矩小和高转速下阻力型叶片容易产生负转矩的问题，本发明设计了一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机。

风力机正常工作时，外层升力型叶片为风力机提供主要动力，内层叶片所能产生的升力为风力机提供增强转矩；当风速较低时，内层活动叶片转换成阻力型，产生的大转矩驱动风力机低速旋转并可发电；随着外界风力的提高，风力机转速逐渐加快，当内层叶片处的线速度超过风速时，阻力叶片在风力的作用下转换成升力型叶片，在有效减小风力机阻力矩的同时提供风力机旋转做功的有益升力，从而提高风力机风能利用率。

技术方案：本发明一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机，由外叶片、内叶片、内叶片转轴、轴承、支撑连杆、风力机主轴、升力限位挡块、阻力限位挡块等组成。

风力机由同轴的数个外叶片和内叶片带动旋转，风力机主轴输出发电。

外叶片为直叶片，并具有普通升力型风力机叶片的气动外形。

外叶片纵向与风力机转轴平行，各通过上下两平行安置的支撑连杆与风力机主轴固定连接，形成类似H外形的风力机。

内叶片也为直叶片，具有升力型叶片的气动外形，并在叶片两横端面的气动中心(气动叶片弦长1/4处)设置内叶片转轴。

支撑连杆中部合适位置设置与内叶片转轴配合的轴承，使内叶片可以绕其转轴在上下两支撑连杆中做自由转动。

支撑连杆上设置有阻力限位挡块，用于限制内叶片尾部的转动范围；支撑连杆上还设置有升力限位挡块，用于限制内叶片由阻力变为升力型后的叶片角度。

进一步地，所述的风力机主轴是本发明垂直轴风力机的机械传动主轴，负责把叶片产生的转矩及旋转运动传递给发电机，风力机主轴与地面垂直安装。

进一步地，所述的风力机的外叶片具有升力型风力机叶片的气动外形，例如通用的NACA系列或其它升力型翼型，叶片在风力机圆周上均匀分布。

进一步地，所述的外叶片与风力机主轴保持平行安装，在外叶片纵向合适位置通过两平行的支撑连杆与风力机主轴固定连接，若把两平行的支撑连杆看成一个整体，则其两端的外叶片与连杆形成“H”外形。

进一步地，所述的内叶片也具有升力型叶片的气动外形和尺寸，安装在上述两平行支撑连杆之间，一般与外叶片平行并为内叶片留有自由转动的空间；在内叶片两横端面的叶片气动中心(气动叶片弦长1/4处)附近设置内叶片转轴，支撑连杆中部合适位置设置与内叶片转轴配合的轴承，把内叶片通过其转轴安装在两平行支撑连杆之间，使内叶片可以绕其转轴在上下两支撑连杆间做自由转动。

进一步地，所述的阻力限位挡块设置在靠近风力机主轴的支撑连杆上，其作用是当内叶片绕其转轴旋转到内叶片的弦长线与支撑连杆接近平行的时候，该限位挡块与内叶片的尾部接触，限制内叶片继续转动。

进一步地，所述的升力限位挡块设置在靠近内叶片转轴的支撑连杆上，用于限制内叶片转动到其弦长线与支撑连杆接近垂直时(对应叶片由阻力变为升力型，内叶片约90度转角)，不在继续转动。

风力机的内叶片受阻力限位挡块和升力限位挡块的限制，随着风力的大小自动绕其转轴变换迎风角度。在低风速下，阻力限位挡块限制叶片旋转角度，内叶片对风的阻力反作用力驱动风力机转动；风力提高到一定程度，内叶片在风力的作用下转靠升力限位挡块，此时内叶片与外叶片平行，阻力减少，升力变为其主要驱动力。

内叶片的转轴可以尽量远离风力机主轴布置，使内叶片工作在阻力阶段时产生的转矩较大，提高了风力机的加速性能和风速适应性，并提高风能利用率。

有益效果：本发明的有益效果是：

设计了一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机，风力机主轴通过同轴的数个外叶片和内叶片带动旋转，并由风力机主轴输出发电，在风力较大时，内叶片上产生的升力可增强风力机的输出转矩，提高风力机的风能利用率。

在风力较小时，内叶片会在风阻的作用下转化其迎风角度，并使其在风力机转动到阻力发挥作用的最佳位置时，迎风角度变为90度左右，获得最佳迎风驱动力；而在圆周的另半面，叶片会自由转动到迎风角度变为0度左右，气动阻力最小，风机转轴获得最大的阻力差。此时风力机为阻力型，内叶片为风力机提供低速下的大转矩，供风力机的迅速启动或低风速发电。

在风力转速增加一定程度后，内叶片会在风阻和叶片离心力的联合作用下，遵守气动叶片阻力最小原则，使迎风角度变小，最终限位挡块限制叶片的继续转动，内叶片完全转化为与外叶片相同的升力型。

附图说明

图1为带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机的结构原理示意图；

图2为风力机内叶片线速度小于外界风速时叶片起始点的相互位置顶视图；

图3为风力机内叶片线速度小于外界风速时叶片转动45度的相互位置顶视图；

图4为风力机内叶片线速度大于外界风速时叶片的相互位置顶视图。

图中：1-外叶片，2-内叶片，3-内叶片转轴，4-轴承，5-支撑连杆，6-升力限位挡块，7-阻力限位挡块，8-风机主轴。

具体实施方式

本发明实施例中提供了一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机，通过内外两层叶片驱动风力机旋转，为发电机提供动力。外叶片与风力机主轴固定安装，以其在流场中产生的升力为风力机提供转矩。

本实施例中，外叶片和内叶片均采用NACA0012标准叶片的气动外形，在风力机旋转的过程中，内叶片通过转轴在一个指定的空间内自由摆动，使得风力机在启动或低速运行时，内叶片迎风一侧工作在阻力型叶片的状态，背风一侧叶片自动转到阻力很小的位置；风力机转速加快的一定程度后，内叶片自动转换到升力型叶片的状态，同外叶片一起为风力机提供升力型动力，提高了风力机的风能利用率。

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晰地描述，显然，描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

结合图1～4，本发明带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机由外叶片1，内叶片2，内叶片转轴3，轴承4，支撑连杆5，升力限位挡块6，阻力限位挡块，7，风机主轴8等组成。

其中外叶片1与内叶片2在风力机的旋转圆周上分内外两层均匀分布，外叶片通过两平行设置的支撑连杆5与风力机主轴8固定连接，内叶片2通过其上的内叶片转轴3与支撑连杆5中部的内叶片轴承4形成可转动的铰链连接。

支撑连杆5上设置了升力限位挡块6和阻力限位挡块7，用于限制内叶片2的旋转角度，使其在指定的转动范围内完成升力与阻力型工作模式的转换。

如图1所示，4片外叶片1通过平行安装的支撑连杆5与风力机主轴8在圆周上以图示均匀分布，并使叶片的安装角度符合通用升力型垂直轴风力机气动叶片安装规范，以获得合理的风迎角。

如图1所示，4片内叶片2通过其内叶片转轴3安装对应支撑连杆5中部的轴承4中，内叶片由上下两支撑连杆支撑，可绕其转轴自由转动。

如图1所示，支撑连杆5上靠近风力机主轴8的部位设置阻力限位挡块7，用于限制内叶片2的尾部旋转通过支撑连杆；支撑连杆5上轴承4外侧设置升力限位挡块6，用于限制内叶片2另一个方向的转角，使内叶片的弦长线与支撑连杆的夹角最大值与外叶片的固定夹角基本相同。

为了减少冲击，阻力限位挡块7及升力限位挡块6内部设置有缓冲装置(图中未标出)，并在内叶片2的相应位置设计碰撞缓冲结构(图中未标出)，提高内叶片与限位挡块碰撞的安全性。

如图2所示为风力机旋转，内叶片处的线速度小于外界风速时叶片起始点的相互位置顶视图。说明如下：风力机启动或低转速时，在风的作用下，12点方向的内叶片2依据阻力最小原则，为头部迎风的水平方位；9点方向的内叶片2头部向下，而尾部受风力及离心力(此时很小)的联合作用而偏向中心方向；6点方向的内叶片2由于内叶片尾部的受风面积比转轴前部的叶片头部大，内叶片尾部会转动到接触阻力限位挡块7为止，此刻内叶片的迎风角为近90度，气动叶片上的阻力最大而升力很小，该阻力对风力机产生的力矩达到最大值；3点方向，作用在内叶片2尾部的风力把内叶片2快速反转到与升力限位挡块6接触的位置，此时内叶片2的头部与风力机旋转前进方向一致，风力在其上产生的阻力最大，但由于力矩较小，对风力机输出转矩影响不大；0点方向，内叶片2以最小阻力原则调整头部方位，使背风侧的负面阻力降为最低。

风力机启动或低转速时，对内叶片状态更细化的说明如图3所示，图中展示的状态是风力机由图2所示的初始状态逆时针旋转45度时内叶片的姿态。叶片转动到10点半方向，内叶片受风力和离心力的联合作用，由于风力机转速低，内叶片尾部受到的风阻力大于离心力，尾部向风力机转轴方向收拢；同理，内叶片经过9点和7点半位置后，实现图2所示6点的姿态。在4点半方向，内叶片所受的风力使其尾部保持与阻力限位挡块的接触；由于风力可能不稳定，在3点钟附近一个不确定的一段区间，内叶片尾部会急剧翻转，直至碰到升力限位挡块为止；图3所示，在2点半位置，内叶片尾部受风面形成的阻力将使内叶片紧靠升力限位挡块，并产生阻挡风力机正转的负向力矩，但由于阻力方向与风力机主轴距离较小，总阻力距较小；随着叶片继续向0点方向转动，内叶片的迎风角逐渐变小，阻力也逐渐减小。

如图4所示，随着风速的加强，风力机转速不断加快，外叶片的升力效应会逐渐显现，并持续加速风力机转速，使叶片的线速度超过风速(叶尖速比大于1)。当内叶片线速度大于外界风速时，在风的作用下，12点方向的内叶片2为头部迎风的水平方位；9点方向的内叶片2头部向下，尾部受离心力(此时较大)和风阻的联合作用，使内叶片紧靠着升力限位挡块；6点方向的内叶片2，由于其线速度已经超过风场风速，内叶片将在离心力和相对风速的联合作用下保持紧靠升力限位挡块；同理，以下的环节内叶片将始终保持与升力限位挡块8接触，直至风力机转速下降到内叶片的线速度小于风速，返回到图2所示状态。

如前所述，在图4所示的整周循环中，内叶片2与支撑连杆5没有相对运动，内叶片2始终与外叶片1保持平行，形成内外两层升力型叶片，共同驱动风力机转动。

升力型外叶片1的工作过程与普通垂直轴升力型风力机无异，不属本发明的内容，不做赘述。

以上对本发明所提供的一种带双层升力增强及升阻自动转换叶片的垂直轴风力机进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。