一种具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机的制作方法

：
1.本发明涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机，属于风力发电机领域。


背景技术：

2.目前垂直轴(即风力机转轴沿垂直方向)升力型风力发电机得到大力发展，是因为这类风力机无需设置偏航结构，不受风向影响、结构简单、便于制造和维护，尤其垂直轴升力型风力机适于高速旋转，能产生大功率发电。但现有的垂直轴升力型风力发电机的结构，多半为等弦长矩形直叶片,结构所受弯矩大，目前的升力型风力发电机在台风作用下很容易损坏。
3.为了解决常规风速下垂直轴升力型风力发电机可以正常工作、而在台风发生时能自动实现风轮变形，形成一个风阻小的构型，达到以防止台风对风力机造成危害的目的，本发明特提出一种具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机的设计。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机，其可克服台风对于垂直轴升力型发电机结构损害的问题。
5.本发明所采用的技术方案有：一种具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机，包括支柱、升力型风轮和自动变形系统；
6.所述升力型风轮包括等角度环绕支柱的n个叶片，所述升力型风轮的叶片的横截面为高升力翼型，叶片的垂直截面为圆弧形，高度z处的叶片横截面弦长c(z)由如下计算公式给出：
[0007][0008]
式中：设坐标系中心在叶片中心点，z为离中心点的叶片垂直高度值，r为叶片圆弧母线的半径r，h(z)为高度z处的叶片弦拱高，hm为叶片中间截面处的最大拱高，此形状的设计保证n个叶片向内位移后能形成一个闭合的曲形多面体；
[0009]
所述自动变体系统包括台风感知与报警装置和变形机构，所述台风感知与报警装置包括安装于支柱顶上的风速仪、与风速仪配套的无线发射模块和安装在变形机构上的信号接收模块；
[0010]
所述风速仪在感知风速达到台风级时，无线发射模块发出台风报警信号，并由信号接收模块接收无线报警信号，信号接收模块收到台风报警信号，立刻启动电子驱动板，所述电动蜗轮启动后沿蜗杆向后进动，n个叶片向内位移形成一个细长闭合的曲形多面体。
[0011]
进一步地，每个叶片上设有上下两副变形机构，所述变形机构包括撑杆前段、撑杆后段、蜗杆、进动蜗轮组、拉杆和折叠结构，所述撑杆前段和撑杆后段由折叠结构连接，所述蜗杆平行安装在撑杆后段的水平侧面，所述进动蜗轮组套装在蜗杆上，所述进动蜗轮组由电子驱动板、电动蜗轮和进动蜗轮组壳体组成，所述拉杆一端与叶片铰支连接，另一端与进动蜗轮组壳体铰支连接，所述撑杆后段包括止推销以及顶住止推销的压缩弹簧顶杆，所述撑杆前段包括被止推销挡住锁定挡块，所述进动蜗轮组壳体上固连有锥形拨块，所述进动蜗轮组壳体移动时，锥形拨块拨开拨开折叠结构的止推销以脱离挡块，撑杆前段和撑杆后段在拉杆作用下折叠变形，在所述拉杆和撑杆前段两者作用下，叶片向内位移，直到进动蜗轮组移动到拉杆根部为止。
[0012]
本发明具有如下有益效果：
[0013]
(1).本发明提供的具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机设计，在常规风速时可以高效利用风能发电，并不受风向影响，该垂直轴升力型风力机叶片设计为垂直长弧形、截面高推力翼型，风能利用率好，承力分布结构合理。
[0014]
(2).可以自动感知台风和自动变形防台风。
[0015]
(3).防台风变形设计，针对不同的叶片数，可以用计算公式严格给出叶片曲面的三维形状，叶片位置变形前可以高效发电；而风轮变形合拢后，严格合拢成为一个密切的整体细长曲形多面体，台风对细长闭合体的作用力大大减小，可以防止台风对风力机的损害。
[0016]
(4).本发明设计的变形机构，主体由机械结构组成，变体机构可靠，叶片形状和变体风轮构形经严格推导，密合变形可精确控制。
[0017]
(5).根据不同需求，可按照本发明设计不同尺寸大小和不同叶片数的防台风自动变形的垂直轴升力型风力机，大尺寸风力发电机，也可用于组网供电和海边、沙漠特大风场环境。
附图说明：
[0018]
图1是本发明的风力机工作状态示意图。
[0019]
图2(a)是本发明的风轮展开状态侧视图。
[0020]
图2(b)是本发明的风轮展开状态俯视图。
[0021]
图3是本发明的垂直轴升力型风力机推力原理图。
[0022]
图4(a)是本发明的风力机风轮合拢状态立视示意图。
[0023]
图4(b)是本发明的风力机风轮合拢状俯视示意图。
[0024]
图5(a)是本发明单个叶片基础构形的理论图。
[0025]
图5(b)是本发明单个叶片基础构形的另一理论图。
[0026]
图6是本发明单个叶片母线计算的理论图。
[0027]
图7是本发明4个叶片风轮的几何构形的理论图。
[0028]
图8是本发明6个叶片风轮的几何构形的理论图。
[0029]
图9是本发明的6个叶片风轮的几何构形的理论图。
[0030]
图10是本发明的叶片三维曲面设计理论图
[0031]
图11(a)是本发明的叶片工作状态时的结构示意图。
[0032]
图11(b)是本发明的叶片工作状态时的立体结构示意图。
[0033]
图12是本发明的变形机构工作状态的结构示意图。
[0034]
图13是本发明的变形机构的驱动结构示意图。
[0035]
图14(a)是本发明的变体机构的折叠结构(工作状态)示意图。
[0036]
图14(b)是本发明的变体机构的折叠结构剖开示意图。
[0037]
图14(c)是本发明的变体机构的折叠结构解锁示意图。
[0038]
图14(d)是本发明的变体机构的折叠结构变角示意图。
[0039]
图15是本发明的变形机构合拢状态的结构示意图。
[0040]
图16(a)是本发明的叶片合拢状态时的结构示意图。
[0041]
图16(b)是本发明的叶片合拢状态时的局部结构示意图。
[0042]
图17是本发明的叶片截面翼型图。
[0043]
图中：1-支柱，4-叶片，5撑杆前段，6-撑杆后段，7-蜗杆，8-进动蜗轮组，9-拉杆，10-折叠结构，11-信号接收模块，12-电子驱动板，13-电动蜗轮，14-进动蜗轮组壳体，15-风速仪，16-无线发射模块，17-压缩弹簧顶杆，18-止推销，19-挡块，20-锥形拨块，21-发电机。
具体实施方式：
[0044]
本发明具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机，包括支柱1、升力型风轮和自动变形系统，升力型风轮包括等角度环绕支柱1的n个叶片4，在本发明给定的叶片三维外形几何设计参数下，能够确保叶片位置变形后可以合拢形成一个闭合的曲形细长n阶多面体，以显著减小台风的作用力。自动变体系统包括台风感知与报警装置和变形机构，台风感知与报警装置包括风速仪15、无线发射模块16和信号接收模块13，变形机构包括撑杆前段5、撑杆后段6、蜗杆7、进动蜗轮组8、拉杆9和折叠结构10。
[0045]
升力型风轮2的叶片4的横截面为高升力翼型，叶片的垂直截面为圆弧形，叶片横截面弦线长度的分布尺寸可由本发明提出的计算公式给出，从而可在本发明变形机构执行防台风指令时，n个叶片可以严格合拢成一个闭合的曲形多面体。在本发明变形机构执行正常工作状态时，受风力作用叶片产生转动切向力矩，由升力型风轮2转动而带动支柱1，进而带动发电机21(见图1)。
[0046]
自动变体系统可以实现上述叶片4自动位置变形的过程：首先支柱顶上的风速仪15在感知风速达到台风级时，由与风速仪15配套的无线发射模块16发出台风报警信号，并由安装在变形机构3上的信号接收模块11接收无线报警信号。变形机构3的撑杆前段5和撑杆后段6由折叠结构10连接，蜗杆7平行安装在撑杆后段6的水平侧面，进动蜗轮组8套装在蜗杆7上。进动蜗轮组8由信号接收模块11、电子驱动板12、电动蜗轮13和进动蜗轮组壳体14组成，拉杆9一端与叶片4铰支连接，另一端与进动蜗轮组壳体14铰支连接，当信号接收模块11收到台风报警信号，立刻启动电子驱动板12，于是电动蜗轮13启动后沿蜗杆7向后进动，而进动蜗轮组壳体14带动拉杆9向后移动。电动蜗轮13启动同时推动折叠结构10中的止推销18，在拉杆9作用下撑杆前段5与撑杆后段6开始折叠变形。由于撑杆前段5与叶片4铰支连接，在拉杆9和撑杆前段5两者作用下，叶片向内位移，直到进动蜗轮组8移动到拉杆9根部为止，这时n个叶片向内位移形成一个细长闭合的曲形多面体。
[0047]
图1是本发明具有防台风变形机构的垂直轴升力型风力机工作状态时的总体三维构形。图2(a)是风力机的侧视图，图2(b)是风力机的俯视图。与常规的直展长为直线的矩形
平面叶片形状不同的是，本发明的叶片的展向投影为大圆弧形，叶片截面为以所设计翼型为基础的不同弦长翼肋形状，叶片截面弦线长度中间最大，沿上下逐渐变小，其侧边三维曲线形状有严格规定。这种上下两头变小、脊背弧形的结构垂直轴升力型风力机比常规矩形直线叶片垂直轴升力型风力机，结构在风力作用下弯矩小，风能利用系数高。
[0048]
垂直轴升力型风力机与垂直轴阻力型风力机最大的区别是：阻力型风力机靠一侧凹面收风阻力大、另一侧凸面背风阻力小而产出转矩，它的转速与风速等级别，不可能转速大和发电功率大；图3给出垂直轴升力型风力机前进空气动力学原理，其中，v为风速，w为相对风速，u风叶线速度，l为升力。而垂直轴升力型风力机是依靠在风速与风叶转动线速度两者作用下，其叶片翼型升力l在旋转周圆切线上的投影分量产生前进推力，转速越大，推力越大(与速度平方成正比)。所以，垂直轴升力型风力机比垂直轴阻力型风力机可以产生更大的发的功率。
[0049]
图1、图2(a)、图2(b)都是风轮叶片展开工作的状态。但是本发明的垂直轴升力型风力机的叶片，不是直接从展开工作的状态来设计的，而是先设计防台风合拢后闭合的风轮整体外形，然后再设计出单个叶片的集合外形。为此，下面先从防台风合拢后闭合的风轮整体外形设计开始。
[0050]
图4(a)是风轮(以4个叶片风轮为例)合拢后呈闭合的曲形多面体状态，其目的时减小台风的作用力。图4(b)是风轮俯视图，可以看到，其外形为一个以叶片截面翼型外边为周线的曲形多(四)面体。
[0051]
曲形叶片三维几何形状设计需要从风力机合拢后的整体外形和展开时的效果状况两者综合考虑的。首先要确定设置几个环绕叶片。这里先以4个环绕叶片为例。
[0052]
第二步是确定风轮合拢整体基础外形和单个叶片基础外形，单个叶片是从整体外形作环向n(如4)等分得到，而整体外形又取决于单个叶片的基础参数。图5(a)、5(b)给出单个叶片的基础外形，其垂直向母线为圆弧线、横向截面线为翼型弦线的直纹曲面；实际叶片外形是在该基础外形上构造翼型截面边线为内外表面的三维曲面体。
[0053]
①
确定曲形多(四)面体母线的具体形状，本发明设计母线为大圆弧段：先确定合拢后中间截面最宽弦线离支柱中心轴线的距离hm和上下两端截面弦线离支柱中心轴线的距离h1(可取支柱半径)，于是通过三点就可以求得该母线的圆弧半径r(见下述3)叶片几何外形的计算公式推导)。
[0054]
②
确定风轮合拢整体基础外形和单个叶片基础外形。以上述圆弧段母线绕支柱中心轴线作旋成体，则得到合拢整体基础外形。再根据多面体数n等分旋成体成n片，每片曲面外形即为单个叶片基础外形，这样就保证了合拢后整体外形的密合性。这个叶片基础外形还仅是以圆弧母线为基础、并有纵向弦线宽度分布的直纹曲面。
[0055]
第三步是确定单个叶片的实际三维形状。在已确定叶片基础外形和翼定的基础上，以基础外形横截线为弦线构建以翼型上下缘线的截面边线，然后根据不同弦长翼型截面边线以母线为导引线扫掠形成叶片的三维曲面外形。
[0056]
第四步，对n(如4)个单个叶片外形以侧边母线相连接，就构成合拢后的整体闭合风轮外形。
[0057]
第五步，将合拢后的整体闭合风轮分割为n个(如4个)单个叶片，进一步按半径大小外移一定距离，就形成具有特殊曲面形状的工作状态垂直轴升力型风力机(图1、图2(a)、
图2(b))。
[0058]
3)叶片几何外形的计算公式推导
[0059]
①
叶片母线的计算和确定
[0060]
见图6，设已知叶片母线的理论弦长ab(合拢后中心轴弦长)为l，母线的的理论拱高(叶片母线中间点到合拢后中心轴的距离)为h，设∠bam为α，∠amho为β，am长为l。母线设计为圆弧线，其半径为r，则由三点成圆，可知：
[0061][0062][0063]
β＝90
°‑
α
[0064]
所以母线圆弧的半径为：
[0065][0066]
于是母线的几何形状确定了。
[0067]
下面根据不同的叶片数来确定单个叶片基础外形(即以叶片母线为导引线，以变化的截面弦长为横向宽度的直纹曲面，图5)。
[0068]
②
以4个叶片设计为例
[0069]
图7给出4个叶片风轮的单个叶片俯视理论图。360
°
的圆周一分为四，因此∠bmodm＝90
°
。设母线理论长l为6000mm，理论拱高h为500mm.显然，图6中的oam＝h＝500mm.
[0070]
于是，单个叶片基础外形直纹曲面的中间最大弦长则为：
[0071][0072]
类似可求得叶片任一截面的弦长
[0073]
c1＝b1d1＝2oa1·
tan 45
°
＝2oa1[0074]
由上述设计确定了叶片基础外形直纹曲面，加上翼型截面上下缘曲线，就可得到叶片的三维外形。
[0075]
③
以6个叶片设计为例
[0076]
图8给出6个叶片风轮的单个叶片俯视理论图。360
°
的圆周一分为六，因此∠bmodm＝60
°
。设母线理论长l为6000mm,理论拱高h为500mm.显然，图8中的oam＝h＝500mm.
[0077]
于是，单个叶片基础外形直纹曲面的中间最大弦长则为：
[0078][0079]
类似可求得叶片任一截面的弦长
[0080]
c1＝b1d1＝2oa1·
tan30
°
＝oa1[0081]
由上述设计确定了叶片基础外形直纹曲面，加上翼型截面上下缘曲线，就可得到叶片的三维外形。
[0082]
④
以n个叶片设计为例
[0083]
图9给出n个叶片风轮的单个叶片横截面示意图。360
°
的圆周一分为n，可知∠bmodm＝360
°
/n。设母线理论长l，理论拱高h，叶片中间横截面最大弦长为c
max
,
[0084]
于是，单个叶片中间横截面的最大弦长则为：
[0085][0086]
见图10，设坐标系中心在叶片中心点，z为离中心点的叶片垂直高度值，设叶片圆弧母线的半径为r，即hom＝hod＝r；c(z)为高度z处的叶片横截面弦长，h(z)为高度z处的叶片弦拱高gd，hm为叶片中间截面处的最大拱高em。为了求得n分单个叶片任一横截面的弦长c(z)，需先求母线任一截面的弦拱高h(z)，从图9可知，
[0087][0088]
于是任一截面的母线弦拱高为：
[0089][0090]
其中r由(1)、(2)、(3)(4)得出，最大拱高hm为已知设计值。同
②
，类似可求得叶片任一截面的弦长c(z)：
[0091][0092]
这样分设n个叶片的曲面外形设计计算公式都已推导得出。
[0093]
4)叶片自动位移变形机构设计
[0094]
①
台风感知与报警装置的设置
[0095]
如图11(a)、图11(b)所示，台风感知与报警装置安装在支柱1的顶部，包括风速仪15和无线发射模块16。当风速仪15在感知风速达到台风级时，安装风速仪15下面配套的无
线发射模块16发出台风报警无线信号。然后由安装在进动蜗轮组壳体14上的信号接收模块11收到台风报警无线信号，激发电子驱动板12执行变形机构运转。
[0096]
②
变形机构的设计
[0097]
前面讲的叶片是处在合拢状态，风轮工作时，只要将环绕的若干个叶片向外作径向位移成一定半径环列的风轮。反之，当工作时的风轮御道台风时，变形机构将叶片重新向内位移，直至合拢成一个闭合体。图1是风轮展开工作状态时的示意图，图4(a)是风轮合拢状态时的示意图，图11(a)是单个叶片展开工作状态时的示意图。图11(b)是从顶部看单个叶片展开工作状态。
[0098]
图12是单个叶片展开工作状态时的变形机构，主要包括撑杆前段5、撑杆后段6、蜗杆7、进动蜗轮组8、拉杆9和折叠结构10。此时，撑杆前段5、撑杆后段6由折叠结构10锁定为直线状态。蜗杆7平行安装在撑杆后段6的水平侧面，进动蜗轮组8套装在蜗杆7上。
[0099]
图13给出了是本发明的变形机构的驱动结构。进动蜗轮组8由信号接收模块11、电子驱动板12、电动蜗轮13和进动蜗轮组壳体14组成。拉杆9一端与叶片4铰支连接，另一端与进动蜗轮组壳体14铰支连接。当信号接收模块11收到台风报警信号，立刻启动电子驱动板12，于是电动蜗轮13启动后沿蜗杆7向后进动，而进动蜗轮组壳体带动拉杆9向后移动。电动蜗轮13启动同时推动折叠结构10止推销18，在拉杆9作用下撑杆前段5与撑杆后段6开始折叠变形；由于撑杆前段5与叶片铰支连接，在拉杆9和撑杆前段5两者作用下，叶片向内位移，直到进动蜗轮组移动到拉杆根部为止。
[0100]
图14(a)是变体机构的折叠结构工作状态，撑杆前段5、撑杆后段6由折叠结构10锁定为“同一根”直线撑杆，由上下位置两副撑杆支撑工作状态的叶片。图14(b)给出了折叠结构剖开图，可以看到，撑杆后段6中的压缩弹簧顶杆17顶住止推销18，而撑杆前段5的挡块19被止推销18挡住锁定，因此撑杆前段5和撑杆后段6被锁定成直线。图14(c)给出了折叠结构解锁示意图，当固连于进动蜗轮组壳体14的锥形拨块20，在进动蜗轮组壳体14移动时，拨开止推销18，撑杆前段5和撑杆后段6在拉杆9作用下开始折叠变形，锥形拨块20也脱离止推销18。图14(d)给出了折叠结构已折叠变形状态。
[0101]
图15给出最终变形机构成三角形锁定状态，变形机构的尺寸是根据展开时叶片与支柱的距离和合拢时叶片与支柱的距离来决定的。其中撑杆前段5、撑杆后段6、蜗杆7和拉杆9的长度可以调节设计，原则上拉杆9越短变形距离越大。但是变形后的机构应限制在合拢的风轮曲体内。图15给出变形机构是一种撑杆前段5、撑杆后段6、蜗杆7和拉杆9等长的设计。
[0102]
图16给出了叶片合拢状态时的结构示意图，单个叶片有上下两副变形机构。这时n个叶片向内位移形成一个细长闭合的的曲形多面体(图4)。
[0103]
翼型的设计是垂直轴升力型风力机效率大小的重要元素。本发明采用一种非对称厚翼型并作优化修形，经计算其升阻比大，有效攻角范围大。图17给出的叶片截面翼型图。
[0104]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。