一种各向多叶片垂直轴风力机的制作方法

本实用新型属于风能资源利用领域，具体涉及一种各向多叶片垂直轴风力机。

背景技术：

随着石油、煤炭等传统能源储备的日趋减少，人们面临严峻的能源危机，这极大地刺激了风力发电技术的研究和发展，包括风能在内的可再生能源则是应对挑战的重要策略，它将使人类成功的摆脱化石燃料的栓桔。近年来，风力发电技术得到各国政府的高度重视，具体表现为：风电装机容量的高速增长和风电标准的不断完善：新型的风力发电机不断涌现，并被广泛的应用和推广。垂直轴风力发电机是一种新型的风力发电机，其启动性好、适合任意风向，因此其对风能的利用率得到了大大提高，被各国广泛关注。

当前垂直轴风力发电机各叶片通过各种方式固定在风力机中心轴上，其工作原理可分为两个主要类型，一类是是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S型风轮(如图1)，它由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄(Darrieus)型风力机(如图2-图6)，不仅叶片弦宽较小、叶片数量2-3个，因此启动性能差，需要借助其它手段启动，但最大的缺陷在于由于叶片的连接结构形式，风力机无法实现气动限速，因此强风时就无法运转，否则风力机极易解体，如果作为并网型风力机，应用范围较窄，但优点是无需塔架，风力机结构简单、成本低；其次，H型垂直风力机，叶片数量少，启动时有“死点”位置，叶片多时，由于该型风力机在各个水平方向截面的力矩都很小，因此该类风力机如果叶片弦宽又较小时需要很高的启动风速，而且该型风力机叶片连接方式使叶片攻角无法改变，因此也就无法实现气动超速控制，一般仅能用卸载电阻做超速控制，不利于向大、中型方向发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对传统利用空气动力阻力运行的垂直轴风力机设计复杂，而利用翼型的升力做功的垂直轴风力机启动性能差等缺陷，根据空气动力学原理，提出了一种将各风力机叶片转轴置于风力机轮毂上，各方向由多个叶片组成，大大减小了单个叶片旋转产生的巨大轴向力，轮毂固定于风力机中心主轴上，不仅设计简单，加工方便，其有效迎风面积最大能达到其风力机与风向截面的50％左右，并且没有死点位置，适合任意风向。

本实用新型采用的技术方案为：一种各向多叶片垂直轴风力机，包括风力机叶片，风力机中心主轴，风力机上、下轮毂，其中叶片一侧有转轴，轮毂包括外圈、钣金结构以及中心轴孔，该垂直轴风力机将各叶片置于风力机轮毂上，轮毂固定于中心轴两端，该垂直轴风力机在各叶片方向上可以由多个叶片组合而成，风力机叶片通过位于叶片一侧的转轴与风力机上、下轮毂相连；风力机上、下轮毂的中心位置处与风力机中心轴固定，风能利用设备可接于中心轴底端，当轮毂带动风力机中心轴旋转时，中心轴同时也带动风能利用设备工作。

其中，该风力机主叶片由多个子叶片组成，叶片数目可以根据具体需求设计大于2个，其中心轴形状要满足在逆风处与叶片构成固定结构。

其中，中心轴两端当非焊接和粘结情况下，截面为非圆形，中心轴中部与叶片数相匹配的突出部分，便于叶片与中心轴和上下轮毂的稳定配合。

其中，上、下轮毂包括外圈、钣金结构以及中心轴孔。外圈为圆形，具有一定厚度，厚度根据风力机功率要求进行调整，上、下轮毂外圈有轴孔，轴孔位置在钣金结构凸出部分的延长线上，并且上、下轮毂外圈的轴孔能够保证在同一轴线上；钣金结构部分，位于钣金结构的中部有一定的突出部分，其位置与中心轴的突出部分吻合，上、下轮毂的钣金突出部分与中心轴中部突出部分以及叶片转轴构成一固定结构；中心孔与中心轴两端截面相一致。

其中，叶片部分，叶片转轴位于叶片的一侧，转轴上下两端高出叶片一定高度，使转轴上下两端安装于上、下轮毂外圈的轴孔中，并能使叶片在风力作用下自由旋转，在各个叶片方向可以由多个叶片组合而成，各叶片可以独自工作。

其中，风力机中心主轴上下两端为与上、下轮毂中心处中心孔相匹配，使上、下轮毂固定于中心轴上下两端；风能利用设备与中心轴连接后，利用中心轴的转动带动风能利用设备工作。

其中，风力机上、下轮毂，固定于中心轴的两端，轮毂外圈上有固定叶片的轴孔，相应轴孔中心轴线重合，确保叶片安装后与中心轴平行；同时，轮毂与中心轴连接的钣金上有突出结构，使叶片在迎风位置时不会自由旋转。

其中，叶片通过位于其一侧的转轴与位于上、下轮毂外圈的轴孔相连；轮毂固定于风力机中心轴两端；风能利用设备可连接与风力机中心轴，通过中心轴旋转带动风能利用设备工作；

风力机叶片根据空气动力学原理，由风向调节其自身位置，在迎风位置由于轮毂钣金结构的突出部分使其难以自由旋转，在逆风位置由于其与钣金结构脱离从而自由旋转，大大提高了风能利用面积，达到提高风能利用率的目的。

本实用新型有益效果为：

本实用新型提出的各向多叶片垂直轴风力机，与单叶片相比其对叶片轴部结构强度的要求相应降低，根据空气动力学原理，能够自动减少逆风面面积，从而提高风力机利用风能的效率，并且该风力机结构设计简单，维护方便快捷，风能利用率高，启动力矩大，无“死点”，由于存在上、下轮毂其结构稳定性好，适用于当前各种风力资源开发地区，并适用于部分风力资源开发价值较低的区域。

附图说明

图1为现有技术的S型垂直轴风力机示意图；

图2为现有技术的H型达里厄风力机示意图；

图3为现有技术的Δ型达里厄风力机示意图；

图4为现有技术的菱型达里厄风力机示意图；

图5为现有技术的Y型达里厄风力机示意图；

图6为现有技术的Φ型达里厄风力机示意图；

图7为本实用新型的叶片示意图；

图8为本实用新型的中心轴示意图；

图9为本实用新型的轮毂示意图；

图10为本实用新型的钣金结构示意图；

图11为本实用新型的风力机工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

本实用新型一种各向多叶片垂直轴风力机，包括风力机叶片(如图7)，风力机中心主轴(如图8)，风力机上、下轮毂(如图9)，其中叶片一侧有转轴，轮毂包括外圈、钣金结构(如图10)以及中心轴孔。

中心轴两端当非焊接和粘结情况下，截面为非圆形，中心轴中部与叶片数相匹配的突出部分，便于叶片与中心轴和上下轮毂的稳定配合。

上、下轮毂包括外圈、钣金结构以及中心轴孔。外圈为圆形，具有一定厚度，厚度根据风力机功率要求进行调整，上、下轮毂外圈有轴孔，轴孔位置在钣金结构凸出部分的延长线上，并且上、下轮毂外圈的轴孔能够保证在同一轴线上；钣金结构部分，位于钣金结构的中部有一定的突出部分，其位置与中心轴的突出部分吻合，上、下轮毂的钣金突出部分与中心轴中部突出部分以及叶片转轴构成一矩形；中心孔与中心轴两端截面相一致。

叶片部分，叶片转轴位于叶片的一侧，转轴上下两端高出叶片一定高度，使转轴上下两端安装于上、下轮毂外圈的轴孔中，并能使叶片在风力作用下自由旋转。

各组成部分的连接关系为：

轮毂固定于风力机中心轴两端；叶片通过位于其一侧的转轴与位于上、下轮毂外圈的轴孔相连；风能利用设备可连接与风力机中心轴，通过中心轴旋转带动风能利用设备工作。

风力机中心主轴上下两端截面与上、下轮毂中心处中心孔截面相匹配，使上、下轮毂固定于中心轴上下两端；风能利用设备与中心轴连接后，利用中心轴的转动带动风能利用设备工作。

风力机上、下轮毂，固定于中心轴的两端，轮毂外圈上有固定叶片的轴孔，相应轴孔中心轴线重合，确保叶片安装后与中心轴平行；同时，轮毂与中心轴连接的钣金上有突出结构，使叶片在迎风位置时不会自由旋转。

风力机叶片根据空气动力学原理，由风向调节其自身位置，在迎风位置由于轮毂钣金结构的突出部分使其难以自由旋转，在逆风位置由于其与钣金结构脱离从而自由旋转，大大提高了风能利用面积，达到提高风能利用率的目的。

本实用新型的垂直轴风力机，根据空气动力学原理，当风吹来时，迎风面叶片由于轮毂上突出的钣金结构，使叶片迎风面处于迎风位置；

风力推动叶片，叶片通过轮毂带动中心轴转动；

当叶片旋转至背风面时，由于风力作用，叶片与轮毂上的钣金结构脱离，叶片通过叶片转轴可以自由旋转，从而减少了叶片与风的作用面积，减少风力机阻力，提高风力机的风能利用率。

本垂直风力机的具体工作过程是：

步骤一：如图11当风吹过时，根据空气动力学原理，由于空气运动产生压力，叶片受到风力作用，将进行自由旋转；

步骤二：处于迎风面的叶片旋转时，由于轮毂钣金部位的结构，阻止了其自由旋转，在叶片受风力影响的情况下，叶片带动轮毂绕中心轴旋转，进而轮毂带动中心轴旋转，使风力机做功；

步骤三：当叶片转至逆风面时，轮毂钣金部位的结构对叶片的阻止作用失效，此时，叶片在风力作用下与轮毂的钣金部位脱离，并自由旋转，由于风力作用，叶片将在其逆风面积最小的位置处于平衡；

步骤四：随着叶片带动轮毂绕中心轴进一步旋转，叶片从逆风面再次位于迎风位置，此时，叶片受风力作用，与轮毂钣金结构压合，接下来就重复步骤二～步骤四。

本实施例中，以1MW输出功率为例，选取风速1m/s，空气密度1.29kg/m³，机械效率0.98。

根据风力机轴功率公式：

W＝Q×P×3600×0.98×η

其中，W表示风力机轴功率，单位W；Q表示流量，单位m³/s；P表示全风压，单位Pa；3600表示每小时3600s；η表示风力机内效率。

Q＝v×S

其中，v表示风速，单位m/s；S表示风力机有效风能利用面积。

P＝0.5×ρ×v²

其中，ρ表示空气密度，单位kg/m³。

由于叶片的最大有效风能利用面积：

叶片面积-叶片转轴的厚度

最小有效风能利用面积：

0.707×叶片面积-叶片转轴的厚度

本实施例中，取风力机内效率为0.8。

将各已知量带入相应公式中，可以得到额定输出功率为1MW的风力机，需要有效风能利用面积为549.1533m²。

选取叶片为正方形，则叶片高度和长度约为23.43米。

叶片旋转时的轴向力F：F＝m×ω²×r

其中m表示叶片质量，ω表示叶片旋转速度，r表示叶片半径。

选取每个方向为2个叶片组合时，叶片旋转时的轴向力F：

单个叶片旋转的轴向力降为原来的1/4，两个叶片总的轴向力也为采用单个叶片时的1/2。这大大提高了风力机整体结构的安全可靠性。

在叶片高度和转轴直径一定的情况下，叶片宽度越宽风力机利用风能的效率越高，即风力机内效率越高，并且上、下轮毂其结构稳定性好，在各个叶片方向选用多个叶片组合的形式，大大减小了叶片旋转的轴向力。由于风力机叶片面积与有效风能利用面积有关，两者之间成正比关系，因此，可以看出在相同输出功率的情况下，本实施例的风力机叶片尺寸与传统风力机尺寸相比较小，这大大提高风力机对了风能的利用率，减少了风力机生产成本，并大大节约了资源。