[發明專利]一種雙半葉式低速啟動升阻互變式垂直軸風機風輪系統

在審

• 申請號: 201410529795.5
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104265563A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 蘇銀海;熊源泉;王穎;張亞璽;宋杰;張理;吳波;張書平;王金濤;茹晉波
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李曉靜

技術領域

本發明涉及一種垂直軸風機風輪，更具體地說是一種半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，屬于風力發電技術領域。

背景技術

風能資源具有著分布廣泛，儲量豐富，清潔可再生等優點，在煤和石油等化石能源日趨短缺、環境日益惡化的國際背景下，風能資源的開發利用日益受到世界各國的廣泛關注和持續投入，風力發電技術和產業在世界范圍內得到了較快的發展。在并網大型風力發電技術領域，目前世界上應用最為普遍的是水平軸風機，其技術相對成熟，生產批量大，已成為當今風機的主流機型。但隨著分布式供能及風機小型化需求的上升，水平軸風機啟動風速高、工作噪音大、抗風能力差等先天性不足等缺點逐步暴露，而具有著結構相對簡單、啟動風速低，氣動噪音小，受風性能更好的垂直軸風機，逐步步入人們的視野。

垂直軸風機主要分為阻力型垂直軸風機和升力型垂直軸風機兩大類。升力型垂直軸利用風的升力以幾倍于風速的速度旋轉，可以高效率的輸出風能，但啟動風速較高、啟動轉矩小，通常不能自啟動，在城市和低風速區域應用較為困難。而阻力型垂直軸風機雖然氣動效率較低，但具有著啟動轉矩大，可在較低風速小啟動的有點；若能將兩種風機的優點結合起來，設計出兼具著啟動風速低，氣動效率高兩種優點的垂直軸風機明顯有著更為優良的應用前景和競爭力。

為實現以上低速啟動、高效運行的設計目的，目前通常將升力型垂直軸風機風輪和阻力型垂直軸風機風輪疊加組合。升力型葉片處于外圈，阻力型葉片處于內圈對應位置，如專利(CN103527403A)所述。這樣的設計一方面利用了阻力型葉片啟動風速低的優點，微風下利用阻力型葉片產生的較大的啟動轉矩帶動風輪系統旋轉，降低了風機的啟動風速；另一方面，在較高風速下，升力型葉片出力占主導，利用了升力型葉片氣動效率較高的優點。此時，處于內圈的阻力型葉片受氣流直接作用小，主要在升力型葉片帶動下轉動。在帶來額外功率損耗的同時，阻力型葉片的轉動攪亂了整個流場原有的氣流分布，引起升力型葉片壓力面氣壓的下降。而升力型葉片對流場變化較為敏感，流場和壓力的變化帶來氣動效率的下降，造成在較高風速下，這種類型的升阻結合式風輪系統利用風能的效率較升力型風輪系統較低。此外，專利(CN103527403A)中兩片阻力型葉片的設計并不能完全保證消除啟動時的死點。若風從正對阻力型葉片側面方向吹來，正對來流的葉片面積小，需要很大的風速，風機才能啟動或者完全不能啟動。

若能通過合理的設計，使得低風速時葉片伸展為阻力型葉片，以獲得較低的啟動風速；高風速時，自動縮合成升力型葉片，形成升力型風輪布局。此外，升力型風輪中的雙H型風輪系統若通過合理的氣動設計，能夠獲得比普通H型風輪更為優良的氣動效率。通過增加葉片個數，消除啟動時死點的存在。以實現低速啟動、高效運行、無啟動死點的設計目的，本方案即為解決此類問題而設計。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種雙半葉式低速啟動的升阻互變式垂直軸風機風輪系統，低風速時葉片伸展為阻力型葉片，獲得較低的啟動風速；高風速時，自動閉合成升力型葉片，實現低速啟動、高效運行、無啟動死點的設計目的。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種半葉式低速啟動的升阻互變式葉片垂直軸風機風輪系統，包括主軸、若干連桿及可變式葉片，可變式葉片通過連桿與主軸連接，所述連桿包含上連桿和下連桿，上連桿和下連桿一端連接著主軸、另一端分別連接著可變式葉片頂端和底部，可變式葉片包含第一葉片和第二葉片，第一葉片頂端和底部分別通過固定轉軸與連桿相連，即頂端連接著上連桿、底端連接著下連桿，第二葉片通過前緣轉軸與第一葉片連接，第一葉片和第二葉片之間設有張開閉合部件。可變式葉片和主軸間還可再增設一圈升力型葉片，以便在較高風速下，利用雙升力型布局增加風能利用效率。

作為優選，所述可變式葉片為三至六片，沿主軸周向均布。同樣所述升力型葉片也為三至六片，沿主軸周向均布。當升力型葉片數目與可變式葉片數目相同或為其一半時，升力型葉片與可變式葉片共用連桿與主軸連接；當升力型葉片數目與可變式葉片數目不同且不為其兩倍時，則另設副連桿，升力型葉片通過副連桿與主軸連接，副連桿同樣包含著上副連桿和下副連桿，其中當升力型葉片數目為可變式葉片數目兩倍時，即升力型葉片數目為6、可變式葉片數目為3時，與可變式葉片對應的三片升力型葉片安裝在連桿上以減輕重量，另三片設置副連桿安裝。