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1、(10)申请公布号 CN 104265563 A (43)申请公布日 2015.01.07 CN 104265563 A (21)申请号 201410529795.5 (22)申请日 2014.10.09 F03D 3/06(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市鼓楼区四牌楼 2 号 (72)发明人 苏银海 熊源泉 王颖 张亚玺 宋杰 张理 吴波 张书平 王金涛 茹晋波 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 李晓静 (54) 发明名称 一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风 机风轮系统 (57) 摘要 本发明公。
2、开了一种双半叶式低速启动升阻互 变式垂直轴风机风轮系统， 包括主轴、 连杆和可变 式叶片， 连杆包含上连杆和下连杆， 可变式叶片通 过连杆与主轴相连接。所述可变式叶片包含第一 叶片和第二叶片， 第一叶片的顶端和底部通过固 定转轴与上连杆和下连杆相连， 第二叶片通过前 缘转轴与第一叶片连接， 第一叶片和第二叶片之 间设有张开闭合部件。主轴和可变式叶片间还可 增设升力型叶片。本发明通过可变式叶片在阻力 叶型和升力叶型间的自动转换， 低风速时伸展为 阻力型叶片， 高风速时自动缩合成升力型叶片， 科 学有机地融合了阻力型叶片启动转矩大、 启动风 速低的优点和升力型叶片气动效率较高的优点， 实现低速启动。
3、、 高效运行的设计目标。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (10)申请公布号 CN 104265563 A CN 104265563 A 1/1 页 2 1.一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统， 包括主轴(1)、 连杆(4)和 可变式叶片(3)， 连杆(4)包含上连杆(4-1)和下连杆(4-2)， 上连杆(4-1)和下连杆(4-2) 一端连接着主轴、 另一端分别连接着可变式叶片 (3) 顶端和底部， 其特征在于 ： 所述可变式 叶片(3)包含。
4、第一叶片(3-1)和第二叶片(3-2)， 第一叶片(3-1)的顶端和底部分别通过固 定转轴 (6) 与连杆 (4) 相连， 即顶端连接着上连杆 (4-1)、 底端连接着下连杆 (4-2)， 第二叶 片 (3-2) 通过前缘转轴 (8) 与第一叶片 (3-1) 连接， 第一叶片 (3-1) 和第二叶片 (3-2) 之 间设有张开闭合部件。 2. 根据权利要求 1 所述的一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统， 其 特征在于 ： 所述可变式叶片 (3) 为三至六片， 沿主轴 (1) 周向均布。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系 统， 其。
5、特征在于 ： 所述张开闭合部件包含重块 (7)、 滑块 (9)、 槽道 (10)， 第一叶片 (3-1) 通 过固定转轴 (6) 安装在连杆 (4) 上， 第二叶片 (3-2) 顶端和底部均有通过活动转轴与连接 的滑块 (9)， 连杆 (4) 内设有槽道 (10)， 即分别设置于上连杆 (4-1) 下表面和下连杆 (4-2) 上表面， 滑块 (9) 沿槽道 (10) 滑动， 第一叶片 (3-1) 和第二叶片 (3-2) 相邻的两面上涂有 同极磁性涂料， 第二叶片 (3-2) 远离前缘转轴 (8) 的一端安装有重块 (7)。 4. 根据权利要求 3 所述的一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机。
6、风轮系统， 其 特征在于 ： 所述连杆(4)上设有卡块(5)， 第一叶片(3-1)远离主轴(1)一面设有与卡块(5) 配合的定位平面。 5. 根据权利要求 1 所述的一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统， 其 特征在于 ： 所述主轴 (1) 和可变式叶片 (3) 之间增设一圈升力型叶片 (2)。 6. 根据权利要求 5 所述的一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统， 其 特征在于 ： 所述升力型叶片 (2) 为三至六片， 沿主轴 (1) 周向均布 ； 若升力型叶片 (2) 数目 与可变式叶片 (3) 相同或为其一半时， 升力型叶片 (2) 与可变式叶片 (3) 共用连杆 。
7、(4) 与 主轴(1)连接 ； 当升力型叶片(2)数目与可变式叶片(3)数目不同且不为倍数时， 则另设副 连杆 (5) 与主轴 (1) 连接， 其中当升力型叶片 (2) 数目为可变式叶片 (3) 数目两倍时， 即升 力型叶片 (2) 数目为 6、 可变式叶片 (3) 数目为 3 时， 与可变式叶片 (3) 对应的三片升力型 叶片 (2) 安装在连杆 (4) 上， 另三片通过副连杆 (5) 安装。 权 利 要 求 书 CN 104265563 A 2 1/4 页 3 一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统 技术领域 0001 本发明涉及一种垂直轴风机风轮， 更具体地说是一种半叶式低速启。
8、动的升阻互变 式叶片垂直轴风机风轮系统， 属于风力发电技术领域。 背景技术 0002 风能资源具有着分布广泛， 储量丰富， 清洁可再生等优点， 在煤和石油等化石能源 日趋短缺、 环境日益恶化的国际背景下， 风能资源的开发利用日益受到世界各国的广泛关 注和持续投入， 风力发电技术和产业在世界范围内得到了较快的发展。在并网大型风力发 电技术领域， 目前世界上应用最为普遍的是水平轴风机， 其技术相对成熟， 生产批量大， 已 成为当今风机的主流机型。但随着分布式供能及风机小型化需求的上升， 水平轴风机启动 风速高、 工作噪音大、 抗风能力差等先天性不足等缺点逐步暴露， 而具有着结构相对简单、 启动风速。
9、低， 气动噪音小， 受风性能更好的垂直轴风机， 逐步步入人们的视野。 0003 垂直轴风机主要分为阻力型垂直轴风机和升力型垂直轴风机两大类。 升力型垂直 轴利用风的升力以几倍于风速的速度旋转， 可以高效率的输出风能， 但启动风速较高、 启动 转矩小， 通常不能自启动， 在城市和低风速区域应用较为困难。 而阻力型垂直轴风机虽然气 动效率较低， 但具有着启动转矩大， 可在较低风速小启动的有点 ； 若能将两种风机的优点结 合起来， 设计出兼具着启动风速低， 气动效率高两种优点的垂直轴风机明显有着更为优良 的应用前景和竞争力。 0004 为实现以上低速启动、 高效运行的设计目的， 目前通常将升力型垂直。
10、轴风机风轮 和阻力型垂直轴风机风轮叠加组合。 升力型叶片处于外圈， 阻力型叶片处于内圈对应位置， 如专利 (CN103527403A) 所述。这样的设计一方面利用了阻力型叶片启动风速低的优点， 微 风下利用阻力型叶片产生的较大的启动转矩带动风轮系统旋转， 降低了风机的启动风速 ； 另一方面， 在较高风速下， 升力型叶片出力占主导， 利用了升力型叶片气动效率较高的优 点。此时， 处于内圈的阻力型叶片受气流直接作用小， 主要在升力型叶片带动下转动。在带 来额外功率损耗的同时， 阻力型叶片的转动搅乱了整个流场原有的气流分布， 引起升力型 叶片压力面气压的下降。而升力型叶片对流场变化较为敏感， 流场和。
11、压力的变化带来气动 效率的下降， 造成在较高风速下， 这种类型的升阻结合式风轮系统利用风能的效率较升力 型风轮系统较低。此外， 专利 (CN103527403A) 中两片阻力型叶片的设计并不能完全保证消 除启动时的死点。 若风从正对阻力型叶片侧面方向吹来， 正对来流的叶片面积小， 需要很大 的风速， 风机才能启动或者完全不能启动。 0005 若能通过合理的设计， 使得低风速时叶片伸展为阻力型叶片， 以获得较低的启动 风速 ； 高风速时， 自动缩合成升力型叶片， 形成升力型风轮布局。此外， 升力型风轮中的双 H 型风轮系统若通过合理的气动设计， 能够获得比普通 H 型风轮更为优良的气动效率。通过。
12、 增加叶片个数， 消除启动时死点的存在。以实现低速启动、 高效运行、 无启动死点的设计目 的， 本方案即为解决此类问题而设计。 说 明 书 CN 104265563 A 3 2/4 页 4 发明内容 0006 发明目的 ： 为了克服现有技术中存在的不足， 本发明提供一种双半叶式低速启动 的升阻互变式垂直轴风机风轮系统， 低风速时叶片伸展为阻力型叶片， 获得较低的启动风 速 ； 高风速时， 自动闭合成升力型叶片， 实现低速启动、 高效运行、 无启动死点的设计目的。 0007 技术方案 ： 为解决上述技术问题， 本发明的一种半叶式低速启动的升阻互变式叶 片垂直轴风机风轮系统， 包括主轴、 若干连杆。
13、及可变式叶片， 可变式叶片通过连杆与主轴连 接， 所述连杆包含上连杆和下连杆， 上连杆和下连杆一端连接着主轴、 另一端分别连接着可 变式叶片顶端和底部， 可变式叶片包含第一叶片和第二叶片， 第一叶片顶端和底部分别通 过固定转轴与连杆相连， 即顶端连接着上连杆、 底端连接着下连杆， 第二叶片通过前缘转轴 与第一叶片连接， 第一叶片和第二叶片之间设有张开闭合部件。可变式叶片和主轴间还可 再增设一圈升力型叶片， 以便在较高风速下， 利用双升力型布局增加风能利用效率。 0008 作为优选， 所述可变式叶片为三至六片， 沿主轴周向均布。 同样所述升力型叶片也 为三至六片， 沿主轴周向均布。当升力型叶片数。
14、目与可变式叶片数目相同或为其一半时， 升力型叶片与可变式叶片共用连杆与主轴连接 ； 当升力型叶片数目与可变式叶片数目不同 且不为其两倍时， 则另设副连杆， 升力型叶片通过副连杆与主轴连接， 副连杆同样包含着上 副连杆和下副连杆， 其中当升力型叶片数目为可变式叶片数目两倍时， 即升力型叶片数目 为 6、 可变式叶片数目为 3 时， 与可变式叶片对应的三片升力型叶片安装在连杆上以减轻重 量， 另三片设置副连杆安装。 0009 作为优选， 所述张开闭合部件包含重块、 滑块、 槽道等， 第一叶片通过固定转轴安 装在上连杆和下连杆上， 第二叶片顶端和底部均有通过活动转轴与之连接滑块， 上连杆下 表面和下。
15、连杆上表面内设有槽道， 滑块沿槽道滑动， 第一叶片和第二叶片相邻的两面上涂 有同极磁性涂料， 第二叶片远离前缘转轴的一端安装有重块。 0010 作为优选， 所述连杆上设有卡块， 第一叶片远离主轴一面设有与卡块配合的定位 平面。 0011 有益效果 ： 本发明的半叶式低速启动的升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统， 具 有以下优点 ： 0012 1. 科学有机地融合了阻力型垂直轴风机启动转矩大、 启动风速低的优点和升力型 垂直轴风机气动效率较高的特点， 兼具着启动风速低， 气动效率高的复合式垂直轴风机风 轮系统。 0013 2. 通过可变式叶片叶型随风轮系统转速的变化， 在阻力型和升力型间的自动转 。
16、变， 充分利用阻力型和升力型两种叶片的优点。 低风速小转速下， 可变式叶片展开成阻力型 叶片， 充分利用阻力型叶片启动风速低、 启动力矩大的优点， 实现了低速启动的设计目的 ； 风速较高、 风轮转速较大时， 叶片闭合成升力型叶片， 风轮系统自动转变为升力型叶片布 局。消除了传统升力型叶片、 阻力型叶片结合布局的风轮系统中阻力型叶片对于升力型叶 片的干扰， 从而导致的效率低于单纯升力型叶片布局， 此外若增设一圈升力型叶片， 双升力 型叶片布局的风轮系统具有着比单升力型叶片布局更高的风能利用效率， 以便更好地利用 风能， 实现了高效运行的设计目的。 0014 3. 在充分的利用了升力型风机效率高、。
17、 阻力型风机转速低的基础上， 采用本发明 的新型风轮系统的垂直轴风机， 相比于现有的复合式垂直轴风机在风能利用效率上将有较 说 明 书 CN 104265563 A 4 3/4 页 5 大程度的提升。 附图说明 0015 图 1 低风速小转速时风轮系统俯视图 ； 0016 图 2 高风速高转速时风轮系统俯视图 ； 0017 图 3 高风速下升力状态下的可变式叶片示意图 ； 0018 图 4 低风速下阻力状态下的可变式叶片示意图 ； 0019 图 5 高风速下升力状态下的风轮系统侧视图 ； 0020 图 6 为增设升力型叶片的风轮系统俯视图 ； 0021 图 7 高风速下升力状态下的升力型叶片、。
18、 可变式叶片数目不同时风轮系统侧视 图 ； 0022 图中有 ： 主轴 1 ； 升力型叶片 2 ； 可变式叶片 3 ； 叶片 3-1 ； 第二叶片 3-2 ； 连杆 4 ； 上 连杆 4-1 ； 下连杆 4-2 ； 副连杆 5 ； 上副连杆 5-1 ； 下副连杆 5-2 ； 固定转轴 6 ； 重块 7 ； 前缘 转轴 8 ； 滑块 9 ； 槽道 10 ； 卡块 11。 具体实施方式 0023 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 0024 实施例 1 0025 如图 1 到 5 所示， 为本发明的双半叶式低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮 系统。风轮系统由主轴 1、 可变式叶片 3、 连杆。
19、 4 组成。可变式叶片 3 沿主轴 1 周向均布， 数 目为三至六片， 通过连杆 4 安装在主轴 1 上。可变式叶片 3 包含第一叶片 3-1 和第二叶片 3-2， 第二叶片 3-2 通过前缘转轴 8 与第一叶片 3-1 连接。连杆 4 包括上连杆 4-1 和下连杆 4-2， 两者平行安装， 上连杆和下连杆的一端分别通过固定转轴 6 连接第一叶片 3-1 上部和 下部， 另一端都连接主轴 1。第二叶片 3-2 顶端和底部均有通过活动转轴与之连接滑块 9。 第二叶片 3-2 通过带转轴的滑块 9 安装在上连杆和下连杆上， 上连杆下表面和下连杆上表 面内对应的位置分别设有直线槽道10， 滑块9沿槽。
20、道10滑动， 第一叶片3-1和第二叶片3-2 相邻的两面上涂有同极磁性涂料， 第二叶片3-2远离前缘转轴8的一端安装有重块7。 上连 杆下表面和下连杆上表面均设有卡块 11， 第一叶片 3-1 远离主轴 1 向外一面上部和下部均 设有与卡块 11 配合的定位平面。 0026 在本发明中， 所有叶片均选用轻质耐腐蚀材料 ( 包括不饱和树脂、 饱和树脂、 碳纤 维、 轻质铝合金等 ) 制造的空心叶片， 具有着耐腐蚀性能好、 质量轻、 强度高、 绝热性能良 好、 易加工等优点， 采用极薄的厚度即可满足设计强度要求， 以减轻风轮质量。可变式叶片 3 为一片沿前后缘点间弧线剖成两半的 H 型升力型叶片，。
21、 前缘处以前缘转轴 8 连接。 0027 当风机静止或风速较小、 风轮转速较小时， 以其中一片可变式叶片 3 为例， 如图 4 中所示的重块 7 产生的离心力较小。由于可变式叶片 3 内侧两面 AD B 和 CE B 均为同极 磁性面相斥， 离心力不足以抵消磁性力， 使得第一叶片 3-1 和第二叶片 3-2 有相互排斥张 开展平的趋势。以固定转轴 6 为定位点， 第二叶片 3-2 沿滑块 9 所在槽道 10 方向向主轴 1 移动， 可变式叶片此时伸展为阻力型叶片。 阻力型叶片具有着启动转矩大、 启动风速低的优 点， 较低的风速就可提供较大的启动风速， 以实现微风启动的设计目的。通过控制 AD 。
22、B 面 说 明 书 CN 104265563 A 5 4/4 页 6 和CE B面上磁性力大小及槽道10的长度， 可限制叶片伸展开的角度， 调节阻力型叶片受风 面大小。 0028 当风速逐渐增大， 风机的转速逐渐上升时， 重块 7 产生的离心力逐渐增大。当其大 小超过磁性阻力时， 第一叶片 3-1 和第二叶片 3-2 产生相互闭合的趋势。以固定转轴 6 为 定位点， 第二叶片 3-2 沿滑块 9 所在槽道 10 方向向远离主轴 1 方向移动， 可变式叶片 3 此 时逐渐闭合为升力型叶片。与连杆 4 固连的卡块 11 与第二叶片 3-2 半径外侧面上的定位 平面相配合， 限定此时可变式叶片 3 。
23、的迎风角。 0029 实施例 2 0030 如图 6 和图 7 所示， 本发明的另一种布局的双半叶式低速启动的升阻互变式叶片 垂直轴风机风轮系统， 在可变式叶片 3 与主轴 1 之间增设升力型叶片 2。升力型叶片 2 沿主 轴周向均布， 数目同样为三至六片。当升力型叶片 2 数目与可变式叶片 3 数目相同或为其 一半时， 可变式叶片 3 与升力型叶片 2 共用连杆 4 与主轴 1 连接 ； 可变式叶片 3 数目与升力 型叶片 2 数目不同且不为其一半时， 则另设副连杆， 升力型叶片 2 通过副连杆 5 与主轴 1 连 接。其中当可变式叶片 3 数目为升力型叶片 2 数目的一半时， 即升力型叶片。
24、数目为 6、 可变 式叶片数目为 3 时， 与可变式叶片 3 对应的三片升力型叶片 2 安装在连杆 4 上以减轻重量， 另三片设置副连杆 5 安装。 0031 升力型叶片 2 采用与可变式叶片 3 同样的材料制造， 为竖直等径的 H 型叶片， 截面 不变也不扭曲， 形状简单、 制造成本低 ； 0032 本发明在使用时， 当风机静止或风速较小、 风轮转速较小时， 以其中一片可变式叶 片 3 为例， 如图 4 中所示的重块 7 产生的离心力较小。由于可变式叶片 3 内侧两面 AD B 和 CE B 均为同极磁性面相斥， 离心力不足以抵消磁性力， 使得第一叶片 3-1 和第二叶片 3-2 有相互排斥。
25、张开展平的趋势。以固定转轴 6 为定位点， 第二叶片 3-2 沿滑块 9 所在槽道 10 方向向主轴 1 移动， 可变式叶片此时伸展为阻力型叶片。阻力型叶片具有着启动力矩大、 启 动风速低的优点， 较低的风速就可提供较大的启动风速， 以实现微风启动的设计目的。 通过 控制 AD B 面和 CE B 面上磁性力大小及槽道 10 的长度， 可限制叶片伸展开的角度， 调节阻 力型叶片受风面大小。 0033 当风速逐渐增大， 风机的转速逐渐上升时， 重块 7 产生的离心力逐渐增大。当其大 小超过磁性阻力时， 第一叶片3-1和第二叶片3-2产生相互闭合的趋势。 以固定转轴6为定 位点， 第二叶片 3-2。
26、 沿滑块 9 所在槽道 10 方向向远离主轴 1 方向移动， 可变式叶片 3 此时 逐渐闭合为升力型叶片。与连杆 4 固连的卡块 11 与可变式叶片 3 外半叶上的定位平面相 配合， 限定此时可变式叶片 3 的迎风角。处于升力状态的可变式叶片 3， 使得风轮系统以双 H 型布局工作， 通过合理设计内外圈叶片间的大小比例、 距离、 角度等， 可获得比普通的单 H 型布局的风轮系统更高的效率。 0034 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， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104265563 A 6 1/6 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 7 2/6 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 8 3/6 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 9 4/6 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 10 5/6 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 11 6/6 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 104265563 A 12 。