[发明专利]迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机

说明书

本发明公开了一种迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机，包括垂直轴、横轴和叶片；垂直轴上垂直固定安装有横轴，且横轴为正偶数根，所有横轴的轴心线位于同一个旋转平面上，且每根横轴上都安装有叶片；叶片包括两块转板，两块转板为关于旋转平面对称设置且铰连接于横轴上；其特征是：两块转板均为轴心线与相铰连的横轴的轴心线平行的弧形板状结构；两块转板均能够围绕该横轴旋转，且当两块转板上远离横轴的外端距离旋转平面最远时，两块转板共同围形呈半圆管形结构；且当两块转板上远离横轴的外端距离旋转平面最近时，交汇于旋转平面；每块转板以其各个轴向平面为剖切面的断面形状均为翼型。本发明具有更高的流体动能转换率。

技术领域

本发明属于流体动能转换装置领域，具体涉及一种迎流体叶片自动变形垂直轴阻力差型动能转换机。

背景技术

人类的生活离不开能源，然而，能源的获取面临着很大的困境：

一、除在利用自然界流体动能转换外，绝大部分是用地壳中的化石能源，煤、天然气、石油、核能，但经统计和预测，化石能源在不久的将来会枯竭，迫使人们必须尽快找到新的能源来满足人类的需要；

二、更为严峻的是化石能源的使用，已造成二氧化碳不断排放累积于空间，形成了严重的温室效应，地球温度不断升高，南、北极冰川面积不断缩小，如不加以节制二氧化碳的排放，即将产生破坏地球生态平衡，以及影响到人类的生存。该问题早也已经引起国际社会的关注，各国都在加快技术探索，努力寻找转换绿色能源的新途径，减少化石能源的利用，尽快跟上“巴黎协议”的新要求。

在自然界中，水能与风能存量丰富，人类很早就开始利用这两种清洁能源来为人类服务(例如：水轮机和风车)。目前，各国对水能的利用主要采用拦坝汇集提高水位，利用水的重力势能转换能源的方式。但上述水能利用方式不仅成本巨大(不仅投资巨大，还需大量经费来转移群众)，还不利于地球的结构平衡(如：淹没土地和良田，破坏生态，影响气候等)。另外，据悉世界总风压能约在200亿千瓦左右，风能的利用相较于水能利用而言更为清洁环保，各国都竞相加大了对风能转换的投入，最大限度的获取绿色能源，以此来改变能源结构。

当前，风能转换方式主要由以下两种：一种是水平轴风力机(来流方向与风轮转轴呈水平关系)，另一种是垂直轴风力机(来流方向与风轮转轴呈垂直关系)。其中，现有的水平轴型风力机的优点是风能利用率高，根据中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验，实测的利用率在23％～29％^[1]；但水平轴型风力机的缺点也较为明显：①启动风速高；②叶片所受交变荷载，对叶片的疲劳强度非常不利；③噪声大；④变速箱、发电机必须置于几十米高空，安装投资大，维护困难。

现有的垂直轴风力机分为：a、阻力差型(savonins萨沃纽斯S型风力机)，b、升力型(由法国科学家达里厄发明形状分H和Φ型风力机)，c、升力型与阻力型混合风力机等^[2]。

而现有的垂直轴风力机所具有的优点^【3】是：①起动风速低；②变速机构及电机安装于地面，维护简单；③投资较水平轴风力机少50％左右；④由于叶尖速比低，噪声很低，利于环保。现有的垂直轴风力机的主要缺点是：①风能利用率较低。现有的垂直轴风力机主要是垂直轴阻力差型风力机，最为典型的就是萨沃纽斯S型风力机，利用顺风和逆风时受风曲面形状不同产生不同的阻力系数差，来扭动风轮转动。

下面根据流体动力学原理，对采用物体阻力系数最大的半圆柱壳的萨沃纽斯S型风力机的风能利用率低的原因进行说明：

顺风流体作用于叶片凹形曲面的阻力为：

逆风流体作用于叶片凸形曲面的阻力为：

其中：ρ-流体密度

A-迎流横截面积

Cd-凹形曲面阻力系数

C’_d-凸形曲面阻力系数