[发明专利]一种叶片失速延迟控制的垂直轴风力机

说明书

 

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体为在垂直轴风力机塔筒顶部安装涡轮吸气装置，装置由叶轮旋转产生动力，吸入空气导入支撑杆，在离心力作用下由叶片表面喷管射出，辅助气流改善叶片表面层流状态，从而提升叶片升力，进而提升风力机输出功率。

背景技术

垂直轴风力机被传统认为其风能利用率低而不被重视。但近年来，因其诸多优点逐渐显现出来，市场竞争力不断增强。

与水平轴风力机（HAWT）相比，垂直轴风力发电机（VAWT）具有明显的优势。VAWT叶型设计简单，国产化容易；发电机置于风机下或地面，安装和维护费用都低；不受风向限制，无需导航系统，不损失有用功；旋转速度相对较慢，噪音低于HAWT的75%；安全工作风速范围较大，对气候的适应性强，风机年运转时间长。实践证明，与HAWT相比，VAWT单位千瓦的投资成本可下降50%左右，且维护费用低，检修简单，寿命更长。

利用垂直轴风力机进行发电的主要有两种机型，即Darrieus型和Giromill型。其原理都是将叶片截面引入升力型翼型，在高速旋转时保证在顺风区内气流也吹向翼型前缘，产生足够的升力维持功率输出。通常，该升力型风力机最佳叶尖速比维持在2～4之间。

升力型风力机气动方面存在一个不可避免的问题，即是失速现象。叶片翼型在一个旋转周期内，攻角快速变化。翼型层流从覆面到分离使得叶轮在整个旋转周期内，输出转矩呈现正弦变化规律。同时，叶片叶尖处输出转矩较低，且存在延迟现象，因此其特有的失速现象使得风力机叶片不能高效的发挥气动性能。

发明内容

(ⅰ) 要解决的技术问题

本发明要解决的问题是利用风轮自身动力带动塔筒顶部涡轮机转动，进行吸气，气流经支撑杆导入叶片，在离心力作用下沿叶片外表面甩出，缓解叶片失速现象。

(ⅱ) 技术方案

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种叶片失速延迟控制的垂直轴风力机，包括叶片(5)、支撑叶片(5)的支撑杆(6)，其特征在于：在垂直轴风力机塔筒顶端安装涡轮吸气装置(1)，涡轮吸气装置底部与行星齿轮的太阳轮(4)连接，行星齿轮的星轮(2)转轴固定，与星轮(2)啮合的外齿圈(3)与支撑杆(6)固定连接；支撑杆(6)内、叶片(5)内设置有贯通的导气管(11)，支撑杆(6)内的导气管(11)贯通至外齿圈(3)内部空间，叶片(5)内的导气管(11)与叶片(5)外侧面喷管(12)贯通相连。

涡轮吸气装置用直圆筒(9)罩住，直圆筒内径大于涡轮吸气装置(1)桨叶旋转圆周直径。

所述直圆筒 (9)与星轮(2)的固定转轴固定连接，并在直圆筒 (9)上部外侧开孔，开孔处用遮雨棚(8)覆盖。

太阳轮(4)直径大于星轮(2)直径，外齿圈(3)随叶片一起转动时，通过啮合带动太阳轮(4)做高速转动。

支撑杆(6)为椭圆形空管，与外齿圈(3)连接贯通，连接处位置在星轮(2)位置上方。

叶片(5)内导气管(11)与支撑杆(6)内导气管(11)垂直贯通连接，并由叶片(5)内导气管(11)将传来的气流分流，输送至叶片的各个截面。

叶片(5)由复合材料制成，叶片(5)与内置导气管(11)一同合模制成。

叶片升力面即旋转叶轮外侧面安装若干喷管(12)，喷管(12)轴线方向与出口处叶片翼型切线方向一致。

支撑杆(5)与叶片(6)在距离叶片(6)翼型前缘1/4长弦线处连接。

(ⅲ) 有益效果

本发明有益的效果是：

本发明无需消耗额外能量，利用风轮自身转矩带动吸气涡轮机高速转动，将塔筒周围空气抽入导气系统。气流通过支撑杆和叶片内部导气管，在离心力作用下，从喷气管射出。叶片外侧在辅助气流作用下，层流分离得到缓解，即使在失速方位角下，依然有较好的扭矩输出。与原始风力机相比，在相同工况下，功率输出增加明显。

附图说明

图1 为垂直轴风力机塔筒顶部涡轮吸气机结构图；

图2 为垂直轴风力机风轮布置示意图；

图3 为风力机支撑杆和叶片内嵌导气系统示意图；

图4 为垂直轴风力机塔筒顶部涡轮吸气机剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述：

根据额定功率要求设计垂直轴风力机基本技术参数，包括叶片尺寸、风轮半径、翼型类型、塔筒高度等。其中，叶片5数可为3～5只，本实施例中设计为4只，见图2。