[发明专利]一种双半叶式低速启动升阻互变式垂直轴风机风轮系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。