專利名稱：一種帶有限速裝置的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種帶有限速裝置的帶有限 速裝置的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪。
背景技術(shù)：
目前，大部分風(fēng)力機(jī)的采風(fēng)器為水平軸風(fēng)輪。水平軸風(fēng)輪采用升力型葉片，轉(zhuǎn)速較 快，三葉片水平軸風(fēng)輪的葉尖速比為5 6左右。葉尖速比表示葉片的線速度與來流風(fēng)速 的比值。葉尖速比為5 6這表明風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較快。但在大風(fēng)下，水平軸風(fēng)輪通過失速 現(xiàn)象或變槳距或調(diào)速裝置很好地將其控制在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而限制了水平軸風(fēng)輪在大風(fēng) 下的功率輸出，保護(hù)風(fēng)力機(jī)組出現(xiàn)過載。垂直軸風(fēng)力機(jī)，同等運(yùn)行環(huán)境下，轉(zhuǎn)速較水平軸的慢，葉尖速比為2 3左右。且 垂直軸風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)在理論上可經(jīng)受強(qiáng)度更大的風(fēng)。在強(qiáng)風(fēng)下運(yùn)行或遇到強(qiáng)風(fēng)環(huán)境時(shí)，垂直 軸風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也較快，此時(shí)若不加以限制垂直軸風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，則首先發(fā)電機(jī)無法高效運(yùn)行，其 次也容易導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)過載而損壞。但垂直軸風(fēng)輪的限速技術(shù)一直是一個(gè)難以解決的課題。垂直軸風(fēng)輪受結(jié)構(gòu)的影 響，無法借鑒水平軸的變槳控制技術(shù)，或采用葉片的失速設(shè)計(jì)，或采用主動(dòng)失速控制技術(shù)， 來限制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速和功率輸出。因此，若不對垂直軸風(fēng)輪加以特殊控制，垂直軸風(fēng)輪無法在 強(qiáng)風(fēng)條件下運(yùn)行，垂直軸風(fēng)輪理論上可在25 45m/s (水平軸只能在小于25m/s風(fēng)速下運(yùn) 行)強(qiáng)風(fēng)下運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，也無法在實(shí)踐中得以實(shí)現(xiàn)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種限制垂直軸風(fēng)輪在額定風(fēng)速后功率輸出和轉(zhuǎn)速的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為解決垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制難題，而提供的一種 高速可增加風(fēng)輪阻尼作用的垂直軸風(fēng)輪限速裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種帶有限速裝置的垂直軸 直葉片升力型風(fēng)輪，包括風(fēng)輪軸以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸上的2個(gè)或2個(gè)以上升力型葉片，在 所述的風(fēng)輪軸頂部設(shè)置有一限速裝置，該限速裝置包括阻尼葉片以及將所述的阻尼葉片在 離心力作用下打開并調(diào)節(jié)阻尼葉片的力矩的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的阻尼葉片鉸接在所述的風(fēng)輪 軸頂部。所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括外罩、阻尼葉片連桿、偏移導(dǎo)向板以及彈簧，所述的阻尼葉片 下端連接在阻尼葉片連桿上端，阻尼葉片連桿下端鉸接在偏移導(dǎo)向板上，所述的偏移導(dǎo)向 板固定在風(fēng)輪軸頂部，所述的外罩套在所述的風(fēng)輪軸上，其上端頂在所述的阻尼葉片連桿 上，所述的彈簧套在外罩內(nèi)的阻尼葉片連桿上。所述的阻尼葉片至少有兩個(gè)，葉片與葉片之間成對稱形狀。所述的阻尼葉片連桿低端與軸相鏈接，可以在軸向0 90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
所述阻尼葉片質(zhì)量不均勻，一邊質(zhì)量高，一邊質(zhì)量低。
所述圓筒采用滾輪與連桿相接觸，以采用滾動(dòng)摩擦來減小摩擦力，可以使阻尼葉 片順利發(fā)生偏轉(zhuǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明此升力型風(fēng)輪裝置的有益效果是1、在風(fēng)輪軸上頂部設(shè)置了內(nèi)部有阻尼葉片的限速裝置，利用阻尼葉片的質(zhì)量偏 心，在高速下產(chǎn)生的離心力時(shí)，葉片發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生阻尼力矩，限制轉(zhuǎn)速增加，也限制了 風(fēng)力機(jī)的功率輸出，保證了風(fēng)輪在額定功率下運(yùn)行。2、阻尼葉片在低轉(zhuǎn)速條件下，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，葉片與葉片組合構(gòu)成圓柱形或球形，不 影響風(fēng)輪的整體性能，更不會(huì)在低速狀態(tài)下產(chǎn)生阻尼作用。3、利用風(fēng)輪自身的轉(zhuǎn)速，來自動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼葉片的偏心大小，自動(dòng)控制了產(chǎn)生的阻 尼力矩的大小，從而在大于額定風(fēng)速的不同工況風(fēng)速下下限制了轉(zhuǎn)速的增加。4、此風(fēng)輪裝置用真真地可以實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速下的高效和安全運(yùn)行，較好地利用了大 風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)帶來的高風(fēng)能。5、限速裝置的采用可以使風(fēng)輪在實(shí)踐中增強(qiáng)適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。


圖1是本發(fā)明帶有限速裝置垂直軸風(fēng)輪整體示意圖。圖2是本發(fā)明限速裝置的結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明阻尼葉片結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是超額定速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)輪整體示意圖其中1、風(fēng)輪軸；2、升力型葉片；3、圓筒；4、阻尼葉片；5、阻尼葉片連桿；6、偏移
導(dǎo)向板，7、彈簧；8、滾輪。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明可控制功率升力型垂直 軸風(fēng)輪裝置，包括風(fēng)輪軸1，在風(fēng)輪軸1上安裝有2片或2片以上的升力型葉片2，圓筒形外 罩3、阻尼葉片4、阻尼葉片連桿5，阻尼葉片偏移導(dǎo)向板6，彈簧7和滾輪8組成限速裝置。如圖2所示，阻尼葉片4之間相互對稱，底端與軸相連接，通過偏移導(dǎo)向板6來限 制偏移方向和角度，并利用連接端和導(dǎo)向板6來傳遞阻尼力矩。圖3所示為兩片閉合的阻尼葉片2，為質(zhì)量不對中設(shè)計(jì)，一邊的質(zhì)量明顯大于另一 邊，在高速下產(chǎn)生離心力，從而拉動(dòng)連桿5發(fā)生偏轉(zhuǎn)。阻尼葉片4產(chǎn)生的阻尼力矩隨偏移量 的增大而增大。如圖2當(dāng)風(fēng)速處于額定風(fēng)速內(nèi)，風(fēng)輪以不超過額定轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)，在彈簧7推動(dòng) 圓筒的阻尼力下，葉片4處于合攏狀態(tài)，整體構(gòu)成圓筒狀或圓球狀，以減小對風(fēng)輪運(yùn)行的影 響。如圖4所示，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速，阻尼葉片4的離心力乘以連 桿5長度大于圓筒阻尼力與滾輪8到連桿低端距離的乘積，即離心力偏轉(zhuǎn)力矩大于圓筒3 阻尼力矩，阻尼葉片3產(chǎn)生偏移而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，一定程度上限制了轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，或轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，阻尼葉片的偏移量增加，產(chǎn)生的阻尼力矩進(jìn)一 步增加，進(jìn)一步限制轉(zhuǎn)速的增加。
當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，轉(zhuǎn)速回落，阻尼葉片產(chǎn)生的離心力減弱，在圓筒3內(nèi)彈簧8的推動(dòng) 力下，圓筒3向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿合攏。升力型風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩較小，因此設(shè)計(jì)較短的阻尼葉片連桿就可以產(chǎn)生較大阻尼 力矩，從而較好的限制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速增加。本發(fā)明為可控制功率輸出的升力型垂直軸風(fēng)輪，由升力型葉片2與垂直軸風(fēng)輪限 速裝置組成，限速裝置中阻尼葉片4在離心力的作用下，產(chǎn)生偏移，偏移后產(chǎn)生葉片阻尼作 用，從而限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加。轉(zhuǎn)速越高，阻尼葉片4偏轉(zhuǎn)越大，產(chǎn)生的阻尼力矩越大，從而 越發(fā)有效地限制高了風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速增加，使風(fēng)輪在高風(fēng)速下繼續(xù)高效運(yùn)行，并保護(hù)了風(fēng)輪 的過載運(yùn)行，真真意義上體現(xiàn)垂直軸風(fēng)輪可在較寬風(fēng)速內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種帶有限速裝置的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，包括風(fēng)輪軸(1)以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸上的2個(gè)或2個(gè)以上升力型葉片(2)，其特征在于在所述的風(fēng)輪軸(1)頂部設(shè)置有一限速裝置，該限速裝置包括阻尼葉片(4)以及將所述的阻尼葉片在離心力作用下打開并調(diào)節(jié)阻尼葉片的力矩的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的阻尼葉片(4)鉸接在所述的風(fēng)輪軸(1)頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包 括外罩(3)、阻尼葉片連桿(5)、偏移導(dǎo)向板(6)以及彈簧(7)，所述的阻尼葉片(4)下端連 接在阻尼葉片連桿(5)上端，阻尼葉片連桿(5)下端鉸接在偏移導(dǎo)向板(6)上，所述的偏移 導(dǎo)向板(6)固定在風(fēng)輪軸⑴頂部，所述的外罩(3)套在所述的風(fēng)輪軸⑴上，其上端頂在 所述的阻尼葉片連桿(5)上，所述的彈簧(7)套在外罩(3)內(nèi)的阻尼葉片連桿(5)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于在所述的外罩(3) 的上端設(shè)置有滾輪(8)，該滾輪(8)頂在所述的阻尼葉片連桿(5)上。2、根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于所述的阻尼葉 片(2)為兩片或三片，且合攏時(shí)成球形或圓柱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于所述的阻尼葉片的 阻力系數(shù)和連桿的長度設(shè)計(jì)，必須滿足條件在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)，(阻力葉片離心力X連桿長 度)< (滾輪阻尼力對連桿的垂直分力X滾輪到連桿底端的距離)；當(dāng)超速時(shí)，滿足條件: (阻力葉片離心力對連桿的垂直分力X連桿長度)》(滾輪阻尼力對連桿的垂直分力X 滾輪到連桿底端的距離)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于所述的阻尼葉片面積和阻力系數(shù)的設(shè)計(jì)為jpC^i^F-iy/sin^/sin沒=|q/WC/z(C^-t/S0)2i ，這里的Cd為阻力葉片的阻力系數(shù)，F(xiàn)為阻力葉片面積，1為力臂長度，θ為力臂與軸的夾角，V為實(shí)際 風(fēng)速，ω為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，P為空氣密度，Ct為升力葉片的升力系數(shù)，N為升力葉片數(shù)量，c為升 力葉片弦長，h為升力葉片高度，Uk表示升力葉片的相對速度，Ukci表示額定轉(zhuǎn)速下的升力葉 片的相對速度，R表示升力型風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑，從而在最大工作風(fēng)速內(nèi)能限制升力型為額定 轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸直葉片升力型風(fēng)輪，其特征在于所述的連桿為離心 伸縮桿。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種升力型垂直軸風(fēng)輪的限速裝置，包括風(fēng)輪軸以及設(shè)置在所述風(fēng)輪軸上的2個(gè)或2個(gè)以上升力型葉片，在所述的風(fēng)輪軸頂部上還設(shè)置一套限速裝置，限速裝置中阻尼葉片在離心力的作用下，會(huì)發(fā)生偏移，病產(chǎn)生阻尼作用，從而限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加。轉(zhuǎn)速越高，阻尼葉片偏轉(zhuǎn)越大，產(chǎn)生的阻尼力矩越大，從而有效限制高風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速增加，使風(fēng)輪在高風(fēng)速下繼續(xù)高效運(yùn)行，并保護(hù)了風(fēng)輪的過載運(yùn)行，真真意義上顯現(xiàn)垂直軸風(fēng)輪可在較寬風(fēng)速內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F03D3/06GK101892948SQ201010230618
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者丁琳, 劉軍峰, 劉立群, 范江山, 趙振宙, 鄭源, 陳冷 申請人:河海大學(xué);南京河?？萍加邢薰?br>