一种立轴式风机风功率放大的方法及具有风功率放大的立轴式风机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种立轴式风轮发电领域。
【背景技术】
[0002]随着经济的高速发展，能源的需求量与日倶增，特别在电力行业经常会出现电力供应不足的现象，所以充分利用能源十分必要。风能作为清洁能源已得到广泛的应用，风力机是利用风能发电一种机械设备。风力机最佳的风场是风向稳定的流速恒定的。但是，实际的风是一种随机的大气湍流运动，其瞬时风速和风向随时间的变化是随机的。这种随机性表现出来的不稳定性变化非常迅速，导致风力机不能很好利用所有的风能，而风向的变化也导致风力机不能很好的利用风能。
[0003]水平轴风力机天生就存在这种不足，需要不断的去偏航。而立轴风力机天生具有这种优势，不需要偏航。但是，常规立轴风力机也不能充分利用这种风向波动带来的能量变化。
[0004]本发明利用风向随机变化这一特性，提供了一种带有风功率放大功能的立轴式风轮，来提高风能的利用效率。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带有风功率放大的立轴式风机及风功率放大的方法，解决了现有立轴式风力机风能利用效率不高的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种立轴式风机风功率放大的方法，其特征在于:将立轴式风机固定在一绕固定轴旋转的塔架上，并在塔架上设置拍面与固定轴、立轴式风机的风机轴共面的尾舵，从而通过尾舵使任意方向的来风正对立轴式风机。
[0008]—种带有风功率放大的立轴式风机，包括叶轮主轴以及设置在叶轮主轴上的叶片，其特征在于:所述叶轮主轴设置在一风轮塔架上，该风轮塔架的一端转动的设置在一主轴杆上，在该风轮塔架的另一端设置有尾舵，所述主轴杆与所述叶轮主轴平行，所述的尾舵的拍面与主轴杆及叶轮主轴布置在同一平面内。
[0009]所述风轮塔架包括转动杆以及与转动杆固定连接的塔杆，所述转动杆一端与所述固定轴转动连接，在转动杆的另一端设置所述的尾舵，所述叶轮主轴设置在塔杆的上端。
[0010]在所述塔杆的下端设置有一万向脚轮，在与该万向轮配合的地面上设置有轨道。
[0011]所述转动杆与所述主轴采用球铰连接。
[0012]本发明技术方案的发电原理为，当风向发生改变时，风作用于尾舵拍面，产生推力，使尾舵随风向改变而发生偏转，最终使尾舵的拍面始终与风向平行。尾舵随风向发生改变的时候，尾舵带动叶轮和转动杆以主轴为中心发生偏转。风轮塔架底部采用万向轮支撑，叶轮和风轮塔架在旋转的过程中，万向轮滚动支撑着叶轮和风轮塔架选装。
[0013]风向在连续随机变化的情况下，叶轮和风轮塔架始终处于随风旋转的动态运动中，而叶片也在绕风轮主轴在旋转。这样进入叶轮的风由两部分组成，一部分为相对于风轮旋转的切向风速，另一部分为风力机来流风速，二者矢量和使真真进入叶轮的有效风速比来流风速更大，达到了增大风能功率效果。
[0014]进入风轮的风速为切向速度和来流风速的合速度。转动杆的长度越长，切向速度也就越大，合速度就越大。当进入风轮的有效速度增大时，风能利用效率也会相应的提高。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明利用风力机尾舵对风的原理，当风向变化时，尾舵在风力的作用下发生相应的转动，尾舵在转动的同时会通过转动杆带动风轮塔架绕固定杆转动，为立轴式风轮增加了一个切向速度。相对叶轮绕主轴杆旋转的切向速度，和立轴风轮的来流风速，二者叠加形成一个有效风速，该有效风速远大于来流风速，达到了风能的利用效率提高的目的。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
[0017]图2为图1的俯视图；
[0018]图3为本发明的工作原理图；
[0019]图4为风力机叶片速度图；
[0020]图中:I主轴；2转动杆；3球铰；4叶片；5叶轮轴；6尾舵；7塔杆；8万向脚轮；9轨道。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本发明包括了与地面垂直固定的主轴1，主轴I通过球铰3连接转动杆2，转动杆2围绕主轴I在O?360°角度范围旋转。转动杆2与塔杆7刚性连接，塔杆7底部安装有万向脚轮8，转动杆2旋转时可带动塔杆7也绕主轴I旋转。转动杆2的末端安装有尾舵6。当风向发生改变时，尾舵6的拍面会产生一个不等于零的推力，推动尾舵6拍面沿风向偏斜，并带动风轮和风轮塔架处于动态的围绕主轴I的旋转中。由于风向变化连续不停，在尾舵6的作用下，立轴风轮和风轮塔架也一直处于不同的旋转中。如果风向是左右摆动，风轮和风轮塔架做往返运动，如果风向做单向偏转，风轮和塔架就单方向偏转。由于风轮和风轮塔架一直做旋转运动，那么相对于他们，存在一个切向速度。
[0022]如图1所示，风轮塔架的另外一侧安装有尾舵6，尾舵6的拍面与叶轮主轴5、塔杆7、转动杆2和主轴I设于同一平面内。这样不管风向怎么变化，尾舵所述风阻力都会带动整个设备整体随风向变化。
[0023]如图2所示，在来流风的作用下，叶片4围绕叶轮主轴5旋转；在偏斜风的作用下，风轮和风轮塔架围绕主轴I旋转。
[0024]如图3所示，在风力发电过程中，风向不稳定。当塔杆7固定时，进入风轮的速度为来流风速V。而当塔杆7可移动时，在风向改变时候，尾舵6在风力的作用下发生偏转，以保证立轴式风轮始终正对风向。在对风调节过程中尾舵6会带动转动杆2绕主轴I转动。转动杆2转动同时带动立轴式风轮绕主轴I转动，立轴式风轮由此获得一个的切向速度U’。转动杆2的长度越长，切向速度U’越大。进入风轮的速度为切向速度U’与来流风速V的合速度W’。由图3可知，进入风轮的速度W’大于来流风速V，从而实现了风功率的放大，提高了风能利用效率。
[0025]图4为立轴式风轮叶片4的速度图，当立轴式风轮不绕主轴I转动时，叶片4受到来流风速V和风轮绕自身中心轴旋转时的切速度U，二者的合速度为W。当转动杆2带动立轴式风轮旋转时，叶片受到额外的切向速度U’，切向速度的方向为立轴式风轮绕主轴I旋转时的切线方向，U’与W的合速度为W’，由图可知W’大于W。本发明使进入立轴式风轮的速度增大，进而使叶片所受的风速增大，提高了风能利用效率。
【主权项】
1.一种立轴式风机风功率放大的方法，其特征在于:将立轴式风机固定在一绕固定轴旋转的塔架上，并在塔架上设置拍面与固定轴、立轴式风机的叶轮轴共面的尾舵，从而通过尾舵使任意方向的来风正对立轴式风机。2.一种带有风功率放大的立轴式风机，包括叶轮轴以及设置在叶轮轴上的叶片，其特征在于:所述叶轮主轴设置在一风轮塔架上，该风轮塔架的一端转动的设置在一主轴上，在该风轮塔架的另一端设置有尾舵，所述主轴与所述叶轮主轴平行，所述的尾舵的拍面与主轴及叶轮轴布置在同一平面内。3.根据权利要求2所述的立轴式风机，其特征在于:所述风轮塔架包括转动杆以及与转动杆固定连接的塔杆，所述转动杆一端与所述主轴转动连接，在转动杆的另一端设置所述的尾舵，所述叶轮主轴设置在塔杆的上端。4.根据权利要求3所述的立轴式风机，其特征在于:在所述塔杆的下端设置有一万向脚轮，在与该万向轮配合的地面上设置有轨道。5.根据权利要求3所述的立轴式风机，其特征在于:所述转动杆与所述主轴采用球铰连接。
【专利摘要】本发明公开了一种立轴式风机风功率放大的方法及带有风功率放大的立轴式风机，其中方法是将立轴式风机固定在一绕固定轴旋转的塔架上，并在塔架上设置拍面与固定轴、立轴式风机的风机轴共面的尾舵，从而通过尾舵使任意方向的来风正对立轴式风机。本发明公布的立轴式升力型风轮除了自身旋转利用风能外，还在尾舵的作用下，叶轮随着风向的变化绕主轴转动。因此，在转动过程中进入风力机的来流风有切向速度和主流风，二者使进入风轮的风速增大，从而提高风能利用效率。
【IPC分类】F03D11/00, F03D3/06
【公开号】CN105114246
【申请号】CN201510409672
【发明人】赵振宙, 田晨, 陈潘浩, 许波峰, 刘玄, 曾冠毓, 严畅, 李涛, 陈景茹
【申请人】河海大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月13日