CN102251919A - 垂直轴阻力型旋转门式风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机，包括安装平台、多层框架式塔架、与多层框架式塔架配装的旋转门、数控***以及发配电***，安装平台固装在地面上，塔架固装在安装平台上，旋转门设置在塔架中，每个旋转门包括多扇以塔架中的主轴为轴心等角度排列的风门，每扇风门由多具可转动的风页体组成，其特征在于：塔架顶部设有与数控***连接的风速风向传感器，最高层主轴顶端同轴配装有防逆转机构，每具风页体均配装有与数控***连接的风页偏转执行机构，风页体可控同步偏转，每具风页体的法线始终以正交方式跟踪风向。该风力发电机具有对风页的控制精度高、可靠性高、风能利用率高、且运动平稳性高、结构简单、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机。
背景技术
目前，风力机械基本上是根据风机主轴的的空间位置分为水平轴型式与垂直轴型式两类。垂直轴型式风力机械的风轮旋转轴与风向（地面）垂直。该结构型式种类较多，如：萨瓦里欧斯式、达里厄式、集涡式等。该结构型式的风能发电机发展起步较晚，尚未商业化；而且风能利用率低，功率比水平轴型的风能发电机小。为提高风能的利用率，近年来出现了一些设有多层风轮的垂直轴风力机，如公开号为CN101956670A的中国专利公开的“一种具有多层风轮的风力机”，公开号为CN101737270A的中国专利公开的一种“特大型垂直轴风力发电装置”，公开号为CN101629550A的中国专利公开的一种“自适应微动风挡垂直轴风力发电机”，均为通过设置多层的风轮机构来提高风能的利用率，特别是后两个专利所公布的结构中，设置根据风向转动的风叶来提高受风面的推力，减小背风面的阻力。但由于这两种结构中，虽然能形成不平衡力偶，但未能以受风面法线与风向平行、背风面法线与风向垂直方式（下称法线正交）自动跟踪风向。因此，未能充分获取风力动能，风能的利用率仍然偏低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机，该风力发电机具有对风页的控制精度高、可靠性高、风能利用率高、且运动平稳性高、结构简单、成本低的优点。
本发明是综合现行的风能利用技术装备的优点，以垂直轴型式风力机械的结构为基础，应用数控技术而设计的一种具有新的理论、新结构的风能利用装置。
本发明是以数字技术控制旋转门。根据风向，实时控制旋转门的风页，使旋转门力臂两侧的风页法线始终以正交方式自动跟踪风向，形成三个不平衡力偶。
实现本发明目的的技术方案是：
一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机，包括安装平台、多层框架式塔架、与多层框架式塔架配装的旋转门、数控***以及发配电***，安装平台固装在地面上，塔架固装在安装平台上，旋转门设置在塔架中，每个旋转门包括多扇以塔架中的主轴为轴心等角度排列的风门，每扇风门由多具可转动的风页体组成，与现有技术不同的是：塔架顶部设有与数控***连接的风速风向传感器，最高层主轴顶端同轴配装有防逆转机构，每具风页体均配装有与数控***连接的风页偏转执行机构，风页体可控同步偏转，每具风页体的法线始终以正交方式跟踪风向。
所述的风页偏转执行机构包括风页角度传感器、减速器和印制绕组电机，风页角度传感器、减速器和印制绕组电机同轴配装在风页体下端面的中心处，风页角度传感器、印制绕组电机与数控***连接。
所述的防逆转机构包括棘轮和棘爪，棘轮与主轴配装，棘轮的周节为12度，棘爪为三件，棘轮的逆转自由度不大于4度。
风页体的上、下端设有轴套分别套入风页上轴承组件与风页下轴承组件中，风页体通过风页上轴承组件、风页下轴承组件与风门框可转动连接组成风门；每具风页偏转执行机构的风页角度传感器上的轴与每具风页下轴承组件的轴键合；风门框下边框的内、外侧分别设有内承载滑车、外承载滑车。
每个旋转门由六具风门分别安装于主轴的六个平面上，六具风门的风门框与固定梁固定连接组成，旋转门呈正六面体形。
所述的塔架包括制动器、短立柱、导轨、长立柱、十字横梁、主轴、主轴方位传感器、防逆转棘轮机构、上轴承组件、槽形夹板、安装板、上副轴、钩头键、下副轴和下轴承组件，制动器固定在第一层十字横梁下部的中心处，通过转动丝杆制动与主轴连接的动力轴，十字横梁通过槽形夹板紧固，十字横梁的四端与长立柱的法兰盘联接，第一层十字横梁与短立柱上端的法兰盘及长立柱下端的法兰盘联接，四件短立柱下端的法兰盘与安装平台的调整法兰盘通过螺栓联接；安装板设置在十字横梁上部的中心处，下轴承组件设置在安装板上部的中心处，上轴承组件设置在最高层，防逆转棘轮机构设置在最高层的上轴承组件上；主轴的上、下两端通过钩头键与上副轴、下副轴键合；导轨设置在十字横梁上部。
所述的安装平台为蛛网式平台，包括地梁、连接板、可调整桩脚、调整法兰盘、紧定螺母、地脚螺钉和固定桩脚，可调整桩脚与多件地梁、连接板、固定桩脚之间通过螺栓联接，调整法兰盘通过螺纹联接可调整桩脚，调整法兰盘与可调整桩脚通过调整螺套连接，固定桩脚通过地脚螺钉固定于地面或水泥地基上，安装平台与多层塔架之间设有斜拉锚。
安装平台的平台半径大于塔架高度的1/2。
所述的数控***包括工业控制机及与之连接的发配电控制***、传感信号接收器、控制信号发射器，设有传感信号发射器与风向信号处理模块、风速信号处理模块、旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块连接，风向信号处理模块、风速信号处理模块与风速风向传感器连接，设有控制信号接收器与风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，设有旋转门驱动与监测模块与旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块、风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，风页偏转执行机构与旋转门驱动与监测模块连接，数控***中的工业控制机通过群控接口与主控计算机连接，其中传感信号接收器与传感信号发射器为无线传输，控制信号发射器与控制信号接收器为无线传输，工业控制机与群控接口为光纤传输。
本发明核心功能性部件是数字化控制风页体的旋转门。该部件可根据风向，运用数控技术实时控制旋转门的风页体，使风门力臂两侧的风页体法线始终以正交方式自动跟踪风向，旋转门形成三个不平衡力偶，充分利用风力动能，高效率地将风能转化为电能。
本发明具有的优点或有益效果：
1、该装置运用动能学原理，数控技术实时控制旋转门的风页体，使风门力臂两侧的风页体法线始终以正交方式自动跟踪风向，直接将风的动能转化为机械能，风能的转换效率明显提高。
2．风力作用机理与水平轴桨叶型或垂直轴型风能装置不同，空气紊流扰动与风切变等因素不会产生严重影响。而且，此运动机理不会象水平轴桨叶型装置那样产生空气摩擦噪声。
3、切向作用力是定值，所以旋转门运动平稳。
4、该装置构建灵活，可根据风场资源及用户需求，选择动能部件数量构成不同功率的离网单机，也可配置不同数量的单机组建上网电站。该装置的运动部件逻辑动作与***偏航采用数字化控制，控制精度与可靠性高。并设计配置由计算机与光纤组成的群控数据网络，特别适宜在电磁干扰强、地电复杂地区建设风能电站。并可对电站运行实现自动化、远程化。
5、整机机械结构模块化、零部件加工简单，安装均采取螺栓连接方式并设有水平及同心度调整机构，维修调试简便并十分适宜野外施工。
6、制造成本低，具有很好的性价比，易于推广应用。
附图说明
图1为实施例的整机结构示意图；
图2为图1中安装平台中的可调整桩脚的结构示意图；
图3为图1中安装平台中的固定桩脚的结构示意图；
图4为实施例中塔架的结构示意图；
图5为图4中塔架顶部中心处的防逆转棘轮机构与主轴的配装示意图；
图6为图4中塔架的下轴承组件与主轴的配装示意图；
图7为塔架中的制动器的结构示意图；
图8为实施例中旋转门的结构示意图；
图9为图8中风页体与减速器的配装示意图；
图10为实施例中数控***及执行机构、发配电控制***的连接方框图；
图11为实施例中数控***中内含的软件结构示意图；
图12为实施例中旋转门的工作原理图；
图13为实施例中切向力表达式的函数图象；
图14为实施例中离网式发配电控制***原理图；
图15为实施例中上网式发配电控制***原理图。
图中，1-1.斜拉锚 1-2.动力轴 2-0.安装平台 2-1.地梁 2-2.连接板 2-3.可调整桩脚 2-4.调整螺套 2-5.调整法兰盘 2-6.紧定螺母 2-7.地脚螺钉 2-8.固定桩脚 3-0.塔架 3-1.制动器 3-2.短立柱 3-3.导轨 3-4.长立柱 3-5.十字横梁 3-6.主轴 3-7.主轴方位传感器 3-8.风速风向传感器 3-9.棘轮 3-10.上轴承组件 3-11.安装板 3-12.槽形夹板 3-13.上副轴 3-14.勾头键 3-15.下副轴 3-16.下轴承组件 3-17.杠杆 3-18.丝杆 3-19.闸瓦 4-0.旋转门 4-1.固定梁 4-2.风门框 4-3.风页上轴承组件 4-4.轴套 4-5.风页体 4-6.风页下轴承组件 4-7.风页角度传感器 4-8.减速器 4-9.印制绕组电机 4-10.内承载滑车 4-11.外承载滑车 5-1.配电柜 6-1.数控变速机 6-2.发电机 6-3.测速电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1-图10，一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机，包括安装平台2-0、多层框架式塔架3-0、与多层框架式塔架配装的旋转门4-0、数控***以及发配电***，安装平台2-0固装在地面上，塔架3-0固装在安装平台2-0上，旋转门4-0设置在塔架3-0中，每个旋转门4-0包括多扇以塔架3-0中的主轴3-6为轴心等角度排列的风门，每扇风门由多具可转动的风页体4-5组成，塔架3-0顶部设有与数控***连接的风速风向传感器3-8，最高层主轴3-6顶端同轴配装有防逆转机构，每具风页体4-5均配装有与数控***连接的风页偏转执行机构，风页体4-5可控同步偏转，每具风页体4-5的法线始终以正交方式跟踪风向。
风页偏转执行机构包括风页角度传感器4-7、减速器4-8和印制绕组电机4-9，风页角度传感器4-7、减速器4-8和印制绕组电机4-9同轴配装在风页体4-5下端面的中心处，风页角度传感器4-7、印制绕组电机4-9与数控***连接。
防逆转机构包括棘轮3-9和棘爪，棘轮3-9与主轴3-6配装，棘轮3-9的周节为12度，棘爪为三件，棘轮3-9的逆转自由度不大于4度。
风页体4-5的上、下端设有轴套4-4分别套入风页上轴承组件4-3与风页下轴承组件4-6中，风页体4-5通过风页上轴承组件4-3、风页下轴承组件4-6与风门框4-2可转动连接组成风门；每具风页偏转执行机构的风页角度传感器4－7上的轴与每具风页下轴承组件4-6的轴键合；风门框4-2下边框的内、外侧分别设有内承载滑车4-10、外承载滑车4-11。
每个旋转门4-0由六具风门分别安装于主轴3-6的六个平面上，六具风门的风门框4-2与固定梁4-1固定连接组成，旋转门4-0呈正六面体形。
塔架3-0包括制动器3-1、短立柱3-2、导轨3-3、长立柱3-4、十字横梁3-5、主轴3-6、主轴方位传感器3-7、防逆转棘轮机构、上轴承组件3-10、槽形夹板3-12、安装板3-11、上副轴3-13、钩头键3-14、下副轴3-15和下轴承组件3-16，制动器3-1固定在第一层十字横梁3-5下部的中心处，通过转动丝杆3-19制动与主轴3-6连接的动力轴1-2（即最下层的下副轴），十字横梁3-5通过槽形夹板3-12紧固，十字横梁3-5的四端与长立柱3-4的法兰盘联接，第一层十字横梁3－5与短立柱3-2上端的法兰盘及长立柱3-4下端的法兰盘联接，四件短立柱3-2下端的法兰盘与安装平台2-0的调整法兰盘2-5通过螺栓联接；安装板3-11设置在十字横梁3-5上部的中心处，下轴承组件3-16设置在安装板3-11上部的中心处，上轴承组件3-10设置在最高层，防逆转棘轮机构设置在最高层的上轴承组件3-10上；主轴3-6的上、下两端通过钩头键3-14与上副轴3-13、下副轴3-15键合；导轨3-3设置在十字横梁3-5上部。
安装平台2-0为蛛网式平台，包括地梁2-1、连接板2-2、可调整桩脚2-3、调整法兰盘2-5、紧定螺母2-6、地脚螺钉2-7和固定桩脚2-8，可调整桩脚2-3与多件地梁2-1、连接板2-2、固定桩脚2-8之间通过螺栓联接，调整法兰盘2-5通过螺纹联接可调整桩脚2-3，调整法兰盘2-5与可调整桩脚2-3通过调整螺套2-4连接调整垂直高度，固定桩脚2-8通过地脚螺钉2-7固定于地面或水泥地基上，安装平台2-0与多层塔架3-0之间设有斜拉锚1-1。
安装平台2-0的平台半径大于塔架3-0高度的1/2。地梁2-1、连接板2-2、固定桩脚2-8的零件数量根据平台半径决定。
数控***包括工业控制机及与之连接的发配电控制***、传感信号接收器、控制信号发射器，设有传感信号发射器与风向信号处理模块、风速信号处理模块、旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块连接，风向信号处理模块、风速信号处理模块与风速风向传感器连接，设有控制信号接收器与风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，设有旋转门驱动与监测模块与旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块、风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，风页偏转执行机构与旋转门驱动与监测模块连接。
数控***中的工业控制机通过群控接口与主控计算机连接。
其中传感信号接收器与传感信号发射器为无线传输，控制信号发射器与控制信号接收器为无线传输，工业控制机与群控接口为光纤传输。
具体地，下面以三层塔架为例对本发明内容作进一步的阐述：
一、整机结构：参照图1，
（1）、整机机械结构由安装平台2-0、多层框架式塔架3-0和旋转门4-0构成，安装平台2-0固装在地面上，塔架3-0固装在安装平台2-0上，旋转门4-0经主轴3-6配装设置在塔架3-0中，主轴3-6的下端的动力轴1-2（即最下层的下副轴）与发电机6-2通过数控变速机6-1连接，斜拉锚1-1斜拉于塔架3-0与安装平台2-0之间，两端以螺栓联接。
（2）、旋转门4-0上的内承载滑车4-10、外承载滑车4-11的滑轮分别置于安装板3-11、导轨3-3上。承载滑车的滑轮与安装板、导轨的间距，安装板与导轨的平面度和水平可通过安装螺栓调整。
（3）、单机旋转门4-0的配置数量以单机额定功率指标确定。根据本设备塔架的设计强度不能超过六具。
二、安装平台：参照图2-图3，
安装平台2-0由地梁2-1、连接板2-2、可调整桩脚2-3、调整法兰盘2-5、紧定螺母2-6、地脚螺钉2-7和固定桩脚2-8构成蛛网式平台。
（1）、可调整桩脚2-3与多件地梁2-1、连接板2-2、固定桩脚2-8之间使用螺栓联接。地梁2-1、连接板2-2、固定桩脚2-8的数量根据平台半径确定。
（2）、调整法兰盘2-5通过螺纹联接可调整桩脚2-3，可通过调整法兰盘2-5的螺纹调整平台的水平面。
（3）、地脚螺钉2-6将固定桩脚2-8固定于地面或水泥地基上。
平台半径根据塔架高度确定，要求平台半径大于1/2塔架高度。
三、多层框架式塔架：参照图4-图7，
塔架3-0由制动器3-1、短立柱3-2、导轨3-3、长立柱3-4、十字横梁3-5、主轴3-6、主轴方位传感器3-7、防逆转棘轮机构、上轴承组件3-10、槽形夹板3-12、安装板3-11、上副轴3-13、钩头键3-14、下副轴3-15、下轴承组件3-16构成。
（1）、制动器3-1由螺栓固定在第一层十字横梁3-5下部的中心处，通过转动丝杆3-18使杠杆3-17摆动，并由杠杆3-17带动闸瓦3-19制动动力轴1-2。
（2）、十字横梁3-5通过槽形夹板3-12紧固，十字横梁3-5的四端与长立柱3-4的法兰盘联接，第一层十字横梁3-5与短立柱3-2上端的法兰盘及长立柱3-4下端的法兰盘联接，四件短立柱3-2下端的法兰盘与安装平台2-0的调整法兰盘2-5通过螺栓联接。
（3）、安装板3-11安装在十字横梁3-5上部的中心处，下轴承组件3-16安装在安装板3-11上部的中心处，并使用螺栓固定联接，最高层安装上轴承组件3-10，安装方法相同。
（4）、主轴3-6的两端通过钩头键3-14与上副轴3-13、下副轴3-15键合，主轴方位传感器3-7置于最上层主轴3-6顶端并同轴联接。
（5）、防逆转棘轮机构安装在最高层上轴承组件3-10上，防逆转机构包括棘轮3-9和棘爪，棘轮3-9与主轴3-6配装，棘轮3-9的周节为12度，棘爪为三件，棘轮3-9的逆转自由度不大于4度。
（6）、导轨3-3是由四件弧形钢板拼接，并使用螺栓固定在十字横梁3-5的上部。
风速风向传感器3-8设置在塔架3-0顶部的中心处。
四、旋转门：参照图8-图9，
旋转门4-0由固定梁4-1、风门框4-2、风页上轴承组件4-3、轴套4-4、风页体4-5、风页下轴承组件4-6、风页角度传感器4-7、减速器4-8、印制绕组电机4-9、内承载滑车4-10、外承载滑车4-11构成。
（1）、每具风门框4-2上、下边框内侧均布同轴线安装六具风页上轴承组件4-3与风页下轴承组件4-6。
（2） 、每具风页体4-5上、下梁外侧中轴线上分别安装轴套4-4组成风页整件。
（3）、将风页角度传感器4-7、减速器4-8、印制绕组电机4-9同轴装配为风页偏转执行机构。
（4）、将六具风页整件上的轴套4-4分别套入风页上轴承组件4-3与风页下轴承组件4-6；将六具风页偏转执行机构的风页角度传感器4-7上的轴与六具风页下轴承组件4-6的轴键合；将内承载滑车4-10、外承载滑车4-11分别安装于风门框4-2下边框的内、外侧，如此构成一具风门整件。
（5）、将六具风门整件使用螺栓分别安装于主轴3-6的六个平面上；并将十二件固定梁4-1组成两个六边形对称安装于风门整件的风门框4-2的上、下部，如此构成一具旋转门4-0。
数控***及执行机构、发配电控制***的连接如图10所示：
数控***包括工业控制机及与之连接的发配电控制***、传感信号接收器、控制信号发射器，设有传感信号发射器与风向信号处理模块、风速信号处理模块、旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块连接，风向信号处理模块、风速信号处理模块与风速风向传感器连接，设有控制信号接收器与风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，设有旋转门驱动与监测模块与旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块、风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，风页偏转执行机构与旋转门驱动与监测模块连接。
数控***中的工业控制机通过群控接口与主控计算机连接。
其中传感信号接收器与传感信号发射器为无线传输，控制信号发射器与控制信号接收器为无线传输，工业控制机与群控接口为光纤传输。
1、旋转门运行控制的硬件：
旋转门运行控制的硬件包括：工业控制机、风速风向传感器3-8、风页角度传感器4-7、主轴方位传感器3-7、印制绕组电机4-9、控制信号接收器与控制信号发射器。风页偏转执行机构中的风页角度传感器4-7、印制绕组电机4-9与旋转门驱动与监测模块连接。
数控***中内含的软件结构如图11所示：
该软件结构包括主模块、风页故障检测模块、风页方位传感模块、主轴方位传感模块、风速传感模块、坐标转换模块、风页偏航程序模块、风页清零程序模块、风页减荷程序模块、风页加速偏转程序模块、起始形态调整模块、停机控制模块，还包括延时模块、风向传感模块，以及风页偏转控制程序模块与驱动模块。
2、旋转门运行控制软件：
a、基准方位调整程序：为***提供基准方位（即***0度）。为避免因瞬时风向不稳定引起旋转门运行抖动，该程序***延时子程序。
b、风页偏转角度控制程序：（1）旋转门在自动控制偏航过程中，根据主轴方位传感器信号控制风页的偏转角度；（2）报警程序：风页运行发生停止偏转或逻辑混乱故障时，***报警并启动停机缓冲程序；（3）减荷程序；当风速大于额定工作风速时，工业控制机启动减荷程序，改变风页偏航控制角度，减小风页的风力载荷，避免强风对装备的损毁；（4）如果旋转门需停止运行，为防止惯性冲击，应先启动停机缓冲程序，后执行手动停机；（5）由于风门由 
象限向
象限或由
象限向
象限过过渡时，风页法线与风向的夹角应相应迅速变更，故设风页偏转加速程序。
c、风页清零程序：由于采用精度较低的印制绕组电机作为风页的驱动执行元件，故设清零程序。每具风门转动2π度即执行风页清零程序，对风页驱动归位，以消除风页的偏转积累误差。
控制信号采取射频无线传输方式。
3、旋转门的工作原理与技术参数：
（1）、 旋转门的工作原理如图12所示：
本设备是多个旋转门串连组合。每个旋转门由主轴及呈π/3夹角的六具风门组成。每具风门携带六具备有动力驱动并受控同步偏转的风页。旋转门的运动状态由软件程序控制。
设定旋转门与风页旋向为俯视方向的逆时针旋向。风向Φd以地理坐标系D正东方向为0°。***坐标系(软件程序的基准方位坐标)T以风向为0°。Φx为风门臂与风向的夹角，Φy为风页法线与风向的夹角。当风向改变时，软件程序根据风向传感信号建立***坐标系T ，为***软件运行建立基准方位坐标。同时调整风页的起始工作角度，形成两臂风页法线正交状态。旋转门旋转过程中，风页偏转角度控制程序根据主轴角度传感器的旋转变量同步偏转风页，保持风页法线始终以正交方式跟踪风向。当风门一臂转动到***坐标Φx=0－а，对称的另一臂转动到Φx＝π－в时，风页偏转加速程序加快风页的偏转速度，在а与в角度内，将一臂原法线与风向平行的风页转变成与风向垂直；另一臂的风页转变成与风向与风向平行状态。继续保持风页法线始终以正交方式跟踪风向。а与в为风页转变转换的过渡角，其值为π/10。
（2）、工作原理及主要技术参数
为使分析计算过程简单明了，作如下简化：
a、不考虑空气的粘性，忽略雷诺系数；
b、风门视为面密度均匀的薄板；
c、风页在 
象限时，风压密度均匀；在
象限时，风压密度为0；
d、风阻系数为1；
e、不计运动的摩擦负功。
功率：
1、作用于风门的风力 (风页在
象限时)
根据伯努力方程，风压密度为：
Fm=1/2·Cr·ρ·V2·9.8=0.6125·V2(N) (式1－1)
Cr（风阻系数）＝1
ρ（空气密度）＝0．125Kg/m3
V（风速）＝m/t
每具风门的风压
Fmax=Fm·S 风门面积S=H (风门高度)·R(风门半径) (式1－2)；
2、风门的切向力 (风门在
象限时)
圆周运动过程中，风门在 
象限始终保持三具风门的法线与风向平行，受到风力的推动做圆周运动，此推动力在质点上分解为切向力与径向力。其中切向力圆周运动的推动力。
每具风门切向力的函数表达式：
Fa= Fmax·Sin(ωt＋Φa) Φa=0
Fb= Fmax·Sin(ωt＋Φb) Φb= π/3
Fb= Fmax·Sin(ωt＋Φc) Φc= 2π/3 (式1－3)
表达式的函数图象如图13所示：
切向力函数的傅立叶级数展开式：
Fa= 2Fmax/π-4 Fmax/π[1/3·Cos(ωt+Φa)+ 1/15·Cos(2ωt+Φa)
+ 1/35·Cos(3ωt+Φa)+ ···1/(4n2-1)·Cos(nωt+Φa)] (式1－4)
Fb= 2Fmax/π-4 Fmax/π[1/3·Cos(ωt+Φb)+ 1/15·Cos(2ωt+Φb)
+ 1/35·Cos(3ωt+Φb)+ ···1/(4n2-1)·Cos(nωt+Φb)] (式1－5)
Fc= 2Fmax/π-4 Fmax/π[1/3·Cos(ωt+Φc)+ 1/15·Cos(2ωt+Φc)
+ 1/35·Cos(3ωt+Φc)+ ···1/(4n2-1)·Cos(nωt+Φc)] (式1－6)
由以上级数展开式可知：切向力可分解为谐波分量与非谐波分量。由于谐波分量中的函数正交性和集风组件惯量的作用，谐波分量在风门做圆周运动过程中不起作用。圆周运动的作用力是三具风门切向力的非谐波分量之和。而且，切向力的非谐波分量在风力、风向不变的情况下是定值，所以风门的运动是匀速圆周运动。
风门匀速圆周运动的作用力：
Fd=6Fmax/π (式1－7)；
3、旋转门的速转
用上述分析计算方法，可以得到：
旋转门圆周运动轨迹边沿的线速度
Vx=2V/π (式1－8)
旋转门圆周运动角速度
ω＝ Vx/R=2V/Rπ R（旋转门半径） (式1－9)
尖速比 λ＝Vx/V=2/π (式1－10)
由于风压密度分布均匀，故将Fd作用点Ro视为 R/2处，故风门旋转半径为
Ro=Rs/2。其线速度：
Vxo=Ro·ω= V/π (式1－11)；
4、功率
Wd= Fd·Vxo=0.373·V3·S·10-3 (Kw) (式1－12)
Wd为单具旋转门的功率，整机功率为：
W=n·Wd n (单机风门的串连数量) (式1－13)；
（二）起动风速
从该设备的结构来看，起动风速主要取决于整机的摩擦力矩与负载的启动力矩。但传动均为滚动摩擦，其力矩可忽略。影响启动风速的主要因素是负载的起动力矩。故：
Gmax=Ro·n·Fd
Vmin=( Gmax·π/1.84·n ·H)1/2 /R (m) (式1－14)
Vmin（起动风速） Gmax(负载的起动力矩 单位N·m)；
（三）最大工作风速
影响最大工作风速的因素是设备的机械强度。本设计的最大工作风速为：
Vmax=20 m/t (式1－15)；
（四）风能利用系数
目前对此种结构的风能装备的风能利用系数尚无定义。现采用水平轴桨叶式的风能利用系数的定义计算此种结构的风能利用系数，仅以定性分析。
C≈Wd（单具旋转门的输出功率）/ Wmax（作用于单具旋转门风能功率）≈0.6。
二、发配电***控制的设计与工作原理：
发配电控制***为离网式和上网式。
1、离网式：如图14所示，
离网式发配电控制***包括：数控调速***、数控变速机6-1、发电机6-2、蓄电池、逆变器和配电柜5-1，数控调速***包括与工业控制机连接的调速机驱动模块、测速电机6-3，数控变速机6-1、发电机6-2、蓄电池、逆变器和配电柜5-1顺序连接，数控变速机6-1与调速机驱动模块连接，测速电机6-3与数控变速机6-1连接。发电机6-2为直流发电机。数控变速机6-1与动力轴1-2连接。
设备运行过程中，数控调速***根据测速电机6-3的转速变量值，控制数控变速机6-1的变速比，使转速基本达到直流发电机的额定转速。直流发电机对蓄电池充电，经逆变器逆变为交流电至配电柜5-1。
2、上网式：如图15所示，
上网式发配电控制***包括：数控调速***、数控变速机6-1、发电机6-2、调速电机、测频模块和配电柜5-1，数控调速***包括与工业控制机连接的调速机驱动模块、测速电机6-3，数控变速机6-1、发电机6-2、调速电机与测频模块顺序连接，测速电机6-3与数控变速机6-1连接，测频模块与工业控制机连接，发电机6-2与配电柜5-1连接。发电机6-2为同步交流发电机。数控变速机6-1与动力轴1-2连接。
设备运行过程中，数控调速***根据测速电机6-3的转速变量值，控制数控变速机6-1的变速比，使转速达到同步交流发电机的额定转速。如同步交流发电机的输出频率未能达到标准值，数控调速***则对测频模块测量数值进行处理后，启动调速电机对同步交流发电机转速进行再调整，使输出频率达到标准值。
三．单机制造成本的估算
以额定功率500Kw单机为例概算制造、安装费用成本如表一。
表一：制造成本概算表
Claims (9)
1.一种垂直轴阻力型旋转门式风力发电机，包括安装平台、多层框架式塔架、与多层框架式塔架配装的旋转门、数控***以及发配电***，安装平台固装在地面上，塔架固装在安装平台上，旋转门设置在塔架中，每个旋转门包括多扇以塔架中的主轴为轴心等角度排列的风门，每扇风门由多具可转动的风页体组成，其特征在于：塔架顶部设有与数控***连接的风速风向传感器，最高层主轴顶端同轴配装有防逆转机构，每具风页体均配装有与数控***连接的风页偏转执行机构，风页体可控同步偏转，每具风页体的法线始终以正交方式跟踪风向。
2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的风页偏转执行机构包括风页角度传感器、减速器和印制绕组电机，风页角度传感器、减速器和印制绕组电机同轴配装在风页体下端面的中心处，风页角度传感器、印制绕组电机与数控***连接。
3.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的防逆转机构包括棘轮和棘爪，棘轮与主轴配装，棘轮的周节为12度，棘爪为三件，棘轮的逆转自由度不大于4度。
4.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：风页体的上、下端设有轴套分别套入风页上轴承组件与风页下轴承组件中，风页体通过风页上轴承组件、风页下轴承组件与风门框可转动连接组成风门；每具风页偏转执行机构的风页角度传感器上的轴与每具风页下轴承组件的轴键合；风门框下边框的内、外侧分别设有内承载滑车、外承载滑车。
5.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：每个旋转门由六具风门分别安装于主轴的六个平面上，六具风门的风门框与固定梁固定连接组成，旋转门呈正六面体形。
6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的塔架包括制动器、短立柱、导轨、长立柱、十字横梁、主轴、主轴方位传感器、防逆转棘轮机构、上轴承组件、槽形夹板、安装板、上副轴、钩头键、下副轴和下轴承组件，制动器固定在第一层十字横梁下部的中心处，通过转动丝杆制动与主轴连接的动力轴，十字横梁通过槽形夹板紧固，十字横梁的四端与长立柱的法兰盘联接，第一层十字横梁与短立柱上端的法兰盘及长立柱下端的法兰盘联接，四件短立柱下端的法兰盘与安装平台的调整法兰盘通过螺栓联接；安装板设置在十字横梁上部的中心处，下轴承组件设置在安装板上部的中心处，上轴承组件设置在最高层，防逆转棘轮机构设置在最高层的上轴承组件上；主轴的上、下两端通过钩头键与上副轴、下副轴键合；导轨设置在十字横梁上部。
7.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的安装平台为蛛网式平台，包括地梁、连接板、可调整桩脚、调整法兰盘、紧定螺母、地脚螺钉和固定桩脚，可调整桩脚与多件地梁、连接板、固定桩脚之间通过螺栓联接，调整法兰盘通过螺纹联接可调整桩脚，调整法兰盘与可调整桩脚通过调整螺套连接，固定桩脚通过地脚螺钉固定于地面或水泥地基上，安装平台与多层塔架之间设有斜拉锚。
8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于：安装平台的平台半径大于塔架高度的1/2。
9.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的数控***包括工业控制机及与之连接的发配电控制***、传感信号接收器、控制信号发射器，设有传感信号发射器与风向信号处理模块、风速信号处理模块、旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块连接，风向信号处理模块、风速信号处理模块与风速风向传感器连接，设有控制信号接收器与风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，设有旋转门驱动与监测模块与旋转门状态信号处理模块、风页角度清零处理模块、风页故障信号处理模块、风页偏转控制信号处理模块、旋转门制动信号处理模块连接，风页偏转执行机构与旋转门驱动与监测模块连接，数控***中的工业控制机通过群控接口与主控计算机连接，其中传感信号接收器与传感信号发射器为无线传输，控制信号发射器与控制信号接收器为无线传输，工业控制机与群控接口为光纤传输。
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