一种可自适应变桨的垂直轴风力机

1.本发明涉及垂直轴风力机领域，具体是一种经过改进的，具备高效率低疲劳载荷等优点的新型垂直轴风力机。


背景技术：

2.随着世界各国对风能开发逐渐重视，具备无需对风、重心低等优势的垂直轴风力机引起了广泛的关注和研究。垂直轴风力机在风的吹动下能够旋转发电。但传统垂直轴风力机支撑轴与叶片以固定方式连接，这导致叶片在旋转过程中需承受较大且波动剧烈的气动载荷，不仅影响结构安全，还降低了风力机的气动效率，进而限制了风能的开发利用。这种以固定方式连接的叶片，运动时其自身弦线与轨迹切线的夹角(桨距角)不变，被称为固定桨叶片。
3.其中现有公开文件专利号为cn102011702b，名为“用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构”，其原理为在风力作用下，叶片会绕点2(参见对比文件摘要附图)偏转，并通过bz和bd的磁性吸引力使叶片偏转到合适的角度。其与本发明类似属于被动变桨(即依靠风和磁性或弹性力作用的变桨)，而被动变桨结构需要避免受离心力的影响，即叶片整体绕整个风力机的旋转中心旋转将受到离心力作用，风力机旋转速度不同，叶片受到的离心力就不同，导致出现多余的向外偏转，这将不利于降低气动载荷和提高气动效率。因此如果公开专利图中的2点处于叶片的重心处，则不会受离心力影响，但实际应用中2点需要比较靠前(偏离叶片重心)，正如其权利要求1公开的“叶片转轴位置尽量靠近叶片的中弧线，并在叶片气动中心附近位置或叶片压力中心前方位置”。而如果变桨中心2点靠后一些则可能会达不到在风力作用下变桨的效果，甚至往反方向变桨，所以必将会受离心力影响有外翻的趋势。
4.为了解决上述问题，本案由此而生。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.本发明采用叶片桨距角可变的结构以降低叶片气动载荷并提高风力机气动效率，以期解决上述背景技术中提出的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种可自适应变桨的垂直轴风力机，包括多个支撑轴与叶片，所述叶片与支撑轴通过转轴一连接，叶片受力绕转轴一偏转，所述叶片的气动中心处设有转轴二，转轴二通过弹簧与支撑轴连接；每个所述叶片上分别设有液压缸，液压缸的输出端连至对应叶片处，形成对各叶片之间的偏转约束，多个所述液压缸之间均相互连通，以通过内部液体的连通性使各叶片所受离心力互为平衡。
9.优选的，所述转轴一所处位置需位于叶片气动中心(约为叶片弦线上距前缘1/4弦长处)的前方(朝向叶片前缘的方向为前方)。也即此转轴一需靠近叶片前缘，可超出叶片前
缘，而若不超出叶片前缘，则距前缘距离不得超过叶片弦长的1/4。
10.所述转轴二位于转轴一的后方，且靠近叶片气动中心处。
11.优选的，所述液压缸位于支撑轴的前端，其输出端连至转轴二且与弹簧嵌套设计，进而共同对叶片偏转起到约束作用。
12.优选的，所述支撑轴的旋转中心处设有可调节的阻尼阀结构，多个液压缸之间分别连通有传导管道，每个所述液压管路的内侧端延伸并通至阻尼阀结构内以形成通路。
13.作为优选方案，进一步地，阻尼阀结构包括中空的支座，支座上周向开设有连通液压管路的通孔一，支座内转动连接有转座，转座上周向开设有与通孔一尺寸适配的通孔二，通过转动转座改变通孔一与通孔二的交错位置以调整液体流通阻力。
14.(三)有益效果
15.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
16.1、一种可自适应变桨的垂直轴风力机，针对每个叶片设计液压缸并通过液体通路互相连通，液压缸与弹簧嵌套并共同连接于转轴二，液压缸与弹簧嵌套设计并共同对叶片偏转起到约束作用。同时通过设计液压缸和液压通路，将能够利用液体压力的连通性使三个叶片的离心力互为平衡，从而消除离心力对叶片偏转的影响。
17.2、一种可自适应变桨的垂直轴风力机，在叶片前缘设计转轴一连接支撑轴与叶片，实现叶片在气动力作用下偏转以变桨，从而降低叶片所受气动载荷；在叶片上设计转轴二，通过弹簧与支撑轴相连，用于平衡气动力，防止叶片过度偏转、难以回正问题出现，同时通过约束叶片偏转幅度以获得较高的气动效率。
18.3、一种可自适应变桨的垂直轴风力机，在液压通路的交汇处，发明了可调节的阻尼阀结构，可改变液体流通时的阻力，进而改变叶片偏转时的阻尼，用于提高叶片变桨稳定性并调节叶片变桨响应速度。
附图说明
19.图1为本发明示意图；
20.图2为本发明图1中a处局部结构放大示意图；
21.图3为本发明叶片与支撑轴连接处示意图；
22.图4为本发明阻尼阀结构示意图；
23.图5为本发明阻尼阀结构拆解示意图；
24.图6为本发明叶片受力及自适应变桨示意图。
25.图中：1、支撑轴；2、叶片；3、转轴一；4、转轴二；5、弹簧；6、液压缸；7、阻尼阀结构；71、支座；72、通孔一；73、转座；74、通孔二；8、液压管路。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
27.本发明实施例提供一种可自适应变桨的垂直轴风力机，采用叶片桨距角可变的结构以降低叶片气动载荷并提高风力机气动效率。可变桨结构中，支撑轴1与叶片2不再固定连接，而是通过两个转轴连接，叶片2在自身气动力的作用下绕靠近叶片2前缘的转轴一3偏
转，实现桨距角变化。
28.进一步地设计在于，该变桨系统通过转轴二4配备了弹簧5和液压机构，用于平衡气动力和离心力，便于叶片2以合适的幅度和适当的条件进行变桨，从而降低叶片2气动载荷并提高风力机气动效率。
29.参见附图1-3，具体的，转轴一3需靠近叶片2前缘，可超出叶片2前缘，而若不超出叶片2前缘，则距前缘距离不得超过叶片2弦长的1/4。这一结构限制是为了使叶片2能够在气动力作用下朝所需的方向偏转，起到卸载效果，从而降低气动力，降低气动载荷。其次，因转轴一3整体位置的设计，当叶片2受到气动力作用时，叶片2可绕转轴一3朝使气动力减小的方向偏转(变桨)，进行卸载，从而起到降低气动载荷的作用。
30.转轴二4与支撑轴1通过弹簧5连接，用于平衡叶片2气动力。进一步地，此转轴二4应位于叶片2气动中心处，即位于叶片2距离前缘的1/4弦长处。
31.通过设计上述弹簧5约束结构，通过弹簧5变形产生的弹性力平衡叶片2气动力，一方面防止叶片2过度偏转，难以回正。另一方面也是为了使叶片2处于一个合适的气动力范围，保证叶片2气动效率不因叶片2过度偏转而降低，且合适的偏转还能提升叶片2的气动效率，从而提升风力机获能效率。
32.实践中还存在如下问题，即风力机风轮转动时使得叶片2将受到离心力作用，并在离心力作用下，出现多余的向外偏转，这将不利于降低气动载荷和提高气动效率。同时，由于风轮转动速度在不同工况时存在变化，因而离心力也不同，难以通过可靠的装置平衡离心力。为此，本技术进一步设计了液压系统，即针对每个叶片2设计了一个用以平衡离心力作用的液压缸6。
33.参见附图3，液压缸6位于支撑轴1的前端，其输出端连至转轴二4且与弹簧5嵌套设计，液压缸6与弹簧5嵌套设计并共同对叶片2偏转起到约束作用。
34.液压缸6之间相互连通形成液压通路，并通入有液体(液体需要的是难以压缩，且粘性不大的液体，比如水或液压油)。通过设计液压缸6和液压通路，将能够利用液体压力的连通性使三个叶片2的离心力互为平衡，从而消除离心力对叶片2偏转的影响。
35.需要注意的是，液压系统的设计，将给各叶片2之间的偏转带来约束关系，但初步研究并未发现液压系统所带来的约束关系会明显降低变桨机构的降载提效效果。
36.参见附图4-5，进一步的，液压通路的交汇处，还设有可调节的阻尼阀结构7，其中阻尼阀结构7包括中空的支座71，支座71上周向开设有连通液压管路8的通孔一72，支座71内转动连接有转座73，转座73上周向开设有与通孔一72尺寸适配的通孔二74，即通过转动转座73改变通孔一72与通孔二74的交错位置(改变导出液体的通孔一的孔径尺寸)，可改变液体流通时的阻力，进而改变叶片2偏转时的阻尼，提高叶片2变桨稳定性并调节叶片2变桨响应速度。
37.其中液压管路8材质需为刚性，应能承受一定的内外两侧压力而不变形。
38.参见附图6，结合实际应用针对本技术的结构进行进一步具体说明：
39.一、在叶片2旋转运动过程中，当运动至上风区时，左侧叶片2所处的位置，叶片2会受到一个朝向风轮内侧的较大的气动力fn，该气动力将会对叶片2结构造成一定的威胁。此时，可变桨叶片2在气动力、弹簧5与液压缸6的共同作用下，自适应地朝内侧偏转。叶片2偏转后，将能够降低该气动力，并使切向力有所提升，在降低气动载荷的情况下提升叶片2从
来流风中获取的能量。
40.二、当叶片2运动至下风区时，图6中右侧叶片2所处位置，叶片2会受到一个朝向风轮外侧的一个较大气动力。此时的气动力与叶片2在上风区的作用力对于叶片2而言互为相反的力，因此叶片2将承受疲劳载荷。对于本发明的自适应变桨叶片2，该叶片2将在气动力、弹簧5与液压力的共同作用下，自适应地朝外侧偏转。叶片2偏转后，可降低此时的气动力，同时使切向力有所提升，在降低气动载荷的情况下提升叶片2气动效率。
41.三、当叶片2运动至正下方，即上风区与下风区交界处时，理想情况下，叶片2将不受到明显的气动力，尤其是径向上，气动力几乎为零。此时自适应叶片2将在弹簧5的约束下保持未变桨的状态。此时的状态可尽可能地降低气动阻力，有利于整体风力机的效率的提升。由于三个叶片2受液压连通的相互约束，此时正下方的叶片2也可能会受液压作用而出现微小偏转，这取决于其余两个叶片2的受载特点。
42.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可自适应变桨的垂直轴风力机，包括多个支撑轴与叶片，所述叶片与支撑轴通过转轴一连接，叶片受力绕转轴一偏转，其特征在于：所述叶片的气动中心处设有转轴二，转轴二通过弹簧与支撑轴连接；每个所述叶片上分别设有液压缸，液压缸的输出端连至对应叶片处，形成对各叶片之间的偏转约束，且多个所述液压缸之间均相互连通，通过其内部液体的连通性使各叶片所受离心力互为平衡。2.根据权利要求1所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述转轴一位于叶片气动中心的前方。3.根据权利要求1所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述转轴二位于转轴一的后方，且靠近叶片气动中心处。4.根据权利要求1所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述液压缸位于支撑轴的前端，其输出端连至转轴二且与弹簧嵌套设计，进而共同对叶片偏转起到约束作用。5.根据权利要求1所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述支撑轴的旋转中心处设有可调节的阻尼阀结构，多个液压缸之间分别连通有传导管道，每个所述液压管路的内侧端延伸并通至阻尼阀结构内以形成通路。6.根据权利要求5所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述阻尼阀结构包括中空的支座，支座上周向开设有连通液压管路的通孔一，支座内转动连接有转座，转座上周向开设有与通孔一尺寸适配的通孔二，通过转动转座改变通孔一与通孔二的交错位置以调整液体流通阻力。7.根据权利要求6所述一种可自适应变桨的垂直轴风力机，其特征在于：所述液压管路采用刚性材质。

技术总结
本发明公开了一种可自适应变桨的垂直轴风力机，包括多个支撑轴与叶片，所述叶片与支撑轴通过转轴一连接，叶片受力绕转轴一偏转，所述叶片的气动中心处设有转轴二，转轴二通过弹簧与支撑轴连接；每个所述叶片上分别设有液压缸，液压缸的输出端连至对应叶片处，形成对各叶片之间的偏转约束，多个所述液压缸之间均相互连通，以通过内部液体的连通性使各叶片所受离心力互为平衡。本发明采用叶片桨距角可变的结构以降低叶片气动载荷并提高风力机气动效率。在可变桨结构中，支撑轴与叶片通过两个转轴连接，使得叶片在自身气动力的作用下绕靠近叶片前缘的转轴一偏转，实现桨距角变化，且通过转轴二配备弹簧和液压机构，以平衡气动力和离心力。和离心力。和离心力。


技术研发人员：郝文星 张杭丽 蒋伟江 毛贺 赵徐涛 柴炎福
受保护的技术使用者：绍兴文理学院
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/5/16