一种垂直轴风力机支臂辅助启动装置的制作方法

1.本发明涉及风力机技术领域，尤其涉及一种垂直轴风力机支臂辅助启动装置。


背景技术：

2.风能已成为全球清洁能源的重要组成部分。风力机是将风能转换为电能的关键设备，根据其转轴与风向关系可分为两类：
①
水平轴风力机和
②
垂直轴风力机。较之水平轴风力机，垂直轴风力机具有安装与运维方便、制造成本低、运行噪声小、无需对风及受力恒定等优点，尤其适用于风向变化相对剧烈的城市、乡村等多建筑与多障碍物地区。垂直轴风力机根据其叶片受力形式还可分为阻力型和升力型；阻力型垂直轴风力机利用气流压差推动风轮转动，适用于低风速区域，风速较高时阻力剧增，从而导致其风能利用率(即风能转换为电能的效率)最大不超过30％。
3.升力型垂直轴风力机利用叶片升力的切向分量产生扭矩带动风轮旋转，其风能利用率较高，大型化升力型垂直轴风力机风能利用率甚至可与水平轴风力机接近(超过40％)。但升力型风力机的运行方式导致其启动性能较差，在风速较低时甚至无法自行启动。因此，有学者将两种类型垂直轴风力机相结合，设计了升阻混合型垂直轴风力机。
4.然而，以往设计多为简单的组合，仅将阻力型萨沃纽斯风力机安装于升力型达理厄风力机转轴中部，或者安装于转轴底部与顶部。此类升阻混合型风力机虽然能一定程度上增加启动力矩，但其中的阻力型风力机尺寸通常小于升力型风力机，导致阻力型风力机的叶片力臂较短，产生的启动力矩不足。此外，当此类升阻混合型风力机在相对较高转速下运行时，转轴处的阻力型风力机会产生较大阻力及大尺度的尾迹脱落漩涡，严重影响风力机的发电性能。而将阻力型风力机安装于升力型风力机的顶部或底部将额外增加塔架高度，其经济性不如增加叶片长度以产生更大发电量。
5.同时，传统升阻混合型风力机在风轮中心位置会产生大尺度脱落旋涡，旋涡的存在会导致运行至塔架后方的叶片遭受强烈湍流，严重影响叶片在后半周期的发电量。升阻混合型风力机因在后半周期的总力矩低于升力型风力机，导致其在高叶尖速比时的发电量反而不如普通升力型风力机。由此可见，当前升阻混合型垂直轴风力机存在一定的技术缺陷。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种既可提高升力型垂直轴风力机自启动性能，又可消除阻力型风力机在高叶尖速比下带来的高阻力矩的垂直轴风力机支臂辅助启动装置。
7.一种垂直轴风力机支臂辅助启动装置，其包括：
8.风力机转轴，所述风力机转轴竖直设置，且所述风力机转轴的底部旋转连接有风力机底座；
9.支臂上部件，一端与所述风力机转轴相连接，所述支臂上部件的另一端与叶片相
连接；
10.支臂下部件，旋转连接在所述支臂上部件的下表面，所述支臂下部件能够相对于所述支臂上部件旋转打开或收起，当所述支臂下部件处于打开状态时，所述支臂下部件自然下垂并与所述支臂上部件形成一夹角，当所述支臂下部件处于收起状态时，所述支臂下部件收入到所述支臂上部件内；
11.锁紧单元，设置在所述支臂上部件和支臂下部件上，当所述支臂下部件处于收起状态时，所述锁紧单元能够将所述支臂上部件锁紧在所述支臂下部件上。
12.在其中一个实施例中，所述支臂上部件的下表面具有一凹槽，所述凹槽内靠近所述支臂上部件的前缘位置设有旋转轴，所述支臂下部件的一端经所述旋转轴与所述支臂上部件旋转连接。
13.在其中一个实施例中，当所述支臂下部件处于收起状态时，所述支臂上部件和所述支臂下部件形成一翼型截面。
14.在其中一个实施例中，所述锁紧单元包括电磁铁、金属片和导线，所述电磁铁固定在所述支臂上部件上，且所述电磁铁经导线与外部的电源相连接，所述金属片固定在所述支臂下部件上，所述电磁铁能够在通电后产生磁性吸合所述金属片。
15.在其中一个实施例中，所述电磁铁固定在所述支臂上部件的上表面。
16.在其中一个实施例中，所述支臂上部件的另一端经连接件与所述叶片相连接，所述连接件的两端分别套设在所述支臂上部件上和所述叶片上。
17.在其中一个实施例中，所述支臂上部件相对于所述支臂下部件的旋转角度为0
‑
90
°
。
18.上述垂直轴风力机支臂辅助启动装置，具有以下有益效果：
19.1)、在低叶尖速比下，该支臂下部件因重力作用自然下垂，由此增大了受风面积，从而形成类似阻力型风力机结构，增加了启动力矩。又因为该支臂下部件从风力机转轴处一直延伸至叶片，使得支臂下部件的力臂比普通阻力型风力机的更长，因此，启动性能相对更好。
20.2)、在高叶尖速比下，支臂下部件因转速增加而增大了反向推力，驱使支臂下部件逐渐自动收起，配合锁紧单元实现完全收起，从而使得支臂下部件在高叶尖速比时的阻力矩大幅降低，消除了传统升阻混合型风力机阻力矩过大的问题。
21.3)、支臂下部件利用其自身重力和机械结构造型实现辅助启动功能，当其收起时仅需通过电磁铁将其吸附，避免了传统机械控制方法的复杂结构，从而减小了复杂性并降低了机械故障的风险，有利于实施。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明的垂直轴风力机支臂辅助启动装置的结构示意图；
24.图2是本发明的图1的局部结构示意图；
25.图3是本发明的支臂下部件处于打开状态时的示意图；
26.图4是本发明的支臂上部件处于转动加速状态的示意图；
27.图5是本发明的支臂下部件处于收起状态时的示意图。
具体实施方式
28.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
29.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.参阅图1
‑
5所示，本发明一实施例提供一种垂直轴风力机支臂辅助启动装置，其包括：风力机转轴1、支臂上部件2、支臂下部件3和锁紧单元4。
32.所述风力机转轴1竖直设置，且所述风力机转轴1的底部旋转连接有风力机底座5；支臂上部件2的一端与所述风力机转轴1相连接，所述支臂上部件2的另一端与叶片6相连接；支臂下部件3旋转连接在所述支臂上部件2的下表面，所述支臂下部件3能够相对于所述支臂上部件2旋转打开或收起，当所述支臂下部件3处于打开状态时，所述支臂下部件3自然下垂并与所述支臂上部件2形成一夹角，当所述支臂下部件3处于收起状态时，所述支臂下部件3收入到所述支臂上部件2内；锁紧单元4设置在所述支臂上部件2和支臂下部件3上，当所述支臂下部件3处于收起状态时，所述锁紧单元4能够将所述支臂上部件2锁紧在所述支臂下部件3上。
33.本发明中，在来流风作用下，下垂的支臂下部件3产生推力，辅助风力机启动。当风力机启动后转速逐渐增加，支臂下部件3受到与旋转方向相反的作用力而收起，当转速增加到特定值时，锁紧单元4使得支臂上部件2、支臂下部件3合并为翼型结构，从而降低风力机的阻力。
34.在本发明一实施例中，所述支臂上部件2的下表面具有一凹槽21，所述凹槽21内靠近所述支臂上部件2的前缘位置设有旋转轴7，所述支臂下部件3的一端经所述旋转轴7与所述支臂上部件2旋转连接。本实施例中，凹槽21的深度与支臂下部件3相适配，凹槽21的长度与所述支臂上部件2的长度相适应。
35.在本发明一实施例中，当所述支臂下部件3处于收起状态时，所述支臂上部件2和所述支臂下部件3形成一翼型截面。如此，可以减小阻力矩。
36.在本发明一实施例中，所述锁紧单元4包括电磁铁41、金属片42和导线43，所述电磁铁41固定在所述支臂上部件2上，且所述电磁铁41经导线43与外部的电源相连接，所述金
属片42固定在所述支臂下部件3上，所述电磁铁41能够在通电后产生磁性吸合所述金属片42。
37.可选地，所述电磁铁41固定在所述支臂上部件2的上表面。
38.在本发明一实施例中，所述支臂上部件2的另一端经连接件8与所述叶片6相连接，所述连接件8的两端分别套设在所述支臂上部件2上和所述叶片6上。
39.可选地，所述支臂上部件2相对于所述支臂下部件3的旋转角度为0
‑
90
°
。
40.本发明的工作原理如下：
41.当风力机未启动处于静止状态时，支臂下部件3自然下垂，在来流风作用下产生推力，又因为该结构最大旋转角度为90
°
且力臂较长，因此，支臂将产生较大的旋转力矩，推动垂直轴风力机启动。此外，当来流风作用在其中一个叶片6使其产生推力时，其余叶片6可在来流风作用下向反方向旋转收拢，从而减小了支臂的阻力矩。而传统的升阻混合型风力机在启动阶段一侧阻力型叶片虽然提供了启动力矩，但另一侧的阻力型叶片将产生的阻力矩，导致启动效率相对较低。
42.一旦垂直轴风力机开始启动，风轮旋转速度将不断增大，使得支臂受到的相对速度将大于来流风，因此，支臂下部件3将绕旋转轴7旋转而逐渐收起。当风力机转轴1转速增加到一定阶段，支臂下部件3将完全收起，此时，将由系统控制给电磁铁41通电，使得支臂下部件3与支臂上部件2完全贴合，形成完整的翼型形状。由此，可以使垂直轴风力机在高尖速比下的阻力矩降至最低。
43.综上，本发明的优点在于：
44.1)、在低叶尖速比下，该支臂下部件3因重力作用自然下垂，由此增大了受风面积，从而形成类似阻力型风力机结构，增加了启动力矩。又因为该支臂下部件3从风力机转轴1处一直延伸至叶片6，使得支臂下部件3的力臂比普通阻力型风力机的更长，因此，启动性能相对更好。
45.2)、在高叶尖速比下，支臂下部件3因转速增加而增大了反向推力，驱使支臂下部件3逐渐自动收起，配合锁紧单元4实现完全收起，从而使得支臂下部件3在高叶尖速比时的阻力矩大幅降低，消除了传统升阻混合型风力机阻力矩过大的问题。
46.3)、支臂下部件3利用其自身重力和机械结构造型实现辅助启动功能，当其收起时仅需通过电磁铁41将其吸附，避免了传统机械控制方法的复杂结构，从而减小了复杂性并降低了机械故障的风险，有利于实施。
47.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
48.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。