CN102305182B - 一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机 - Google Patents

一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，包括垂直设置的主轴，叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接，水平设置的桨叶套在支撑杆上，其特征在于：桨叶与桨叶转动控制机构相连。本发明有效的提升了垂直轴风力发电机的功率输出并且延长了风力发电机的使用寿命。

Description

一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种利用垂直轴风力发电机水平支撑杆上可变桨距角的桨叶在运行过程中产生升力减缓转动部分重力造成的摩擦力和零件磨损的垂直轴风力发电机。
背景技术：
风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术较成熟的可再生能源。风力发电机主要有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。相对于水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机叶轮的旋转轴垂直于地表面和来流风向，它具有几个突出的优点：一是风轮机塔架结构简单；二是发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空；三是叶片容易制造、成本低；四是叶轮运行不受风向的影响。
目前垂直轴风力发电机按风机翼型的组成形式主要分为四种：Savonius型、Darrieus型、H-rotor型和涡轮型。无论哪种类型的垂直轴风力发电机，风机在运转过程中整个转子的重量全部作用在转子的轴承上，大大增加了转子运行中的摩擦阻力，降低了风力发电机的性能；而且过大的负载又加剧了轴承磨损，在风力发电机20年的使用寿命中，轴承频繁的更换大大增加风力发电机维护成本并且延长风力发电机的停车时间，降低了能量输出。
对现有技术文献检索发现，为解决这一问题有人提出将磁悬浮技术引入垂直轴风力发电机设计中，如林修鹏公开的发明专利《磁浮减重力摩擦力垂直轴风力发电机》（申请号：200810016203），王誉燕的《磁悬浮垂直轴风车》（申请号：200810026780），林文奇的《一种垂直轴磁悬浮风力发电机》（申请号：201010273382）等，基本上都是利用同性磁极相斥的原理，将转子“浮”起来，使风力发电机转动部分与静止部分无机械接触，从而减少轴承的摩擦力与零件的磨损。但是磁悬浮装置制造成本昂贵，机构复杂又必然造成维护成本提高。申振华公开的实用新型专利《垂直轴风力机的支撑杆》（申请号：200920287376.X），是将支撑杆的横剖面做成翼型形状，选择升阻比尽可能高的翼型，调整合适的安装角。使支撑杆在转动时产生升力进而减少转子轴承的荷载，然而该专利未考虑到水平旋翼在来流风速中，逆风运行的桨叶绝对速度增加，顺风运行的桨叶绝对速度减小，安装角固定的水平桨叶会在主轴两侧产生的升力不均匀，不做相应的补偿，升力比值可以达到5:1。这个周期性的升力变化不仅使风力发电机机身向一侧倾斜，而且每根桨叶周期性变化的升力和阻力对桨叶与主轴连接处产生强烈的扭矩，大大加速了这些部位的疲劳损伤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机，在工作过程中可以使风力发电机转动部分产生平稳升力，减缓由于转动部位自身重力造成的摩擦力和零部件的磨损。
为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，包括垂直设置的主轴，叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接，水平设置的桨叶套在支撑杆上，其特征在于：桨叶与桨叶转动控制机构相连。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：在每根叶片与主轴的上下两端之间分别设置有支撑杆和桨叶，桨叶分别为上桨叶和下桨叶，下桨叶的下方设置有底盘，所述桨叶转动控制机构包括安装在下桨叶叶根后缘处的滚轮，滚轮通过一传动杆与下桨叶相连，垂直设置的细杆分别穿过上桨叶和下桨叶的后缘，在底盘上表面设置有滚轮轨道，滚轮在滚轮轨道上运动，所述滚轮轨道上各点不在同一水平平面上。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述滚轮轨道包括设置于底盘的在同一圆周上的圆弧形凹槽和圆弧形凸台。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述圆弧形凹槽和圆弧形凸台以圆心为对称点对称设置。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述圆弧形凹槽62和圆弧形凸台设置一组。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：圆弧形凹槽和圆弧形凸台上表面和底盘盘面的距离变化相对于攻角变化保持一致，圆弧形凹槽宽度大于圆弧形凸台宽度。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：在细杆的上桨叶下方处设有弹簧，并在支撑杆上设置有桨叶转动限位装置。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：还包括上风向标和下风向标，并分别与通过水平连接杆与主轴顶端的轴承、底盘固定连接，上风向标和下风向标之间通过竖向连接杆固定连接。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：上风向标与下风向标之间的距离大于叶片的长度，水平连接杆的臂长大于叶片旋转半径。
前述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：叶片和桨叶由碳基复合材料制成，上风向标和下风向标由轻质、高强度、耐腐蚀塑料板制成，支撑杆和滚轮采用不锈钢制成，底盘和轴承套选用45钢或A3钢制成。
本发明有益的效果是：
本发明充分利用垂直轴风力发电机的水平支撑杆，安装了可变桨距角的桨叶，桨叶随风轮旋转产生升力，并且伴随产生的阻力距等价于没有安装水平桨叶时支撑杆产生的阻力距，从而减缓由于风机转动部分的重力而产生的摩擦力和关键部位的磨损。装置结构简单，成本相对于磁悬浮技术低廉，同时也方便维修和安装，有效的提升了垂直轴风力发电机的功率输出并且延长了风力发电机的使用寿命。
附图说明
图1是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机的正等测视图；
图2是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机的俯视图；
图3是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机水平桨叶翼型升阻力示意图；
图4是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机单根水平桨叶示意图；
图5是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机底盘的结构示意图；
图6是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机中滚轮布置示意图；
图7是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机“工”字形滚轮结构示意图；
图8是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机水平桨叶支撑杆与上部桨叶连接示意图；
图9是本发明支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机滚轮与底板接触示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
本发明的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，包括垂直设置的主轴1，4根升力型叶片2与主轴1平行设置，8个支撑杆3分别与叶片、主轴刚性连接，水平设置的桨叶4套在支撑杆3上，桨叶4与桨叶转动控制机构相连。在每根叶片2与主轴1的上下两端之间分别设置有支撑杆3和桨叶4，分别为上桨叶和下桨叶，下桨叶的下方设置有底盘6，所述桨叶转动控制机构包括安装在下桨叶叶根后缘处的滚轮5，滚轮5通过一传动杆8与下桨叶相连，垂直设置的细杆9分别穿过上桨叶41和下桨叶42的后缘，在底盘6上表面设置有滚轮轨道61，滚轮5在滚轮轨道61上运动，所述滚轮轨道61上各点不在同一水平平面上。桨叶3跟随叶片2旋转到不同位置可周期性的自动改变攻角，当叶片2逆风转动时，连接杆上桨叶4攻角减小，当叶片2顺风转动时，桨叶4攻角增加，整个转动部分将以滚轮5和底盘6的接触点为支撑点，向上“浮”起。
在细杆9的上桨叶41下方处设有弹簧10，使得同一竖直叶片上两个桨叶运动状态一致，并在支撑杆3上设置有桨叶转动限位装置11。
所述滚轮轨道61包括设置于底盘6的在同一圆周上的圆弧形凹槽62和圆弧形凸台63，圆弧形凹槽62和圆弧形凸台63以圆心为对称点对称设置，并且设置一组。
底盘圆弧形凹槽62与圆弧形凸台63的尺寸应根据桨叶在运行中所需要的攻角进行设计，并且底盘独立转动，由风向标调整方位，使得水平桨叶在任何风向都能保持逆风运行时攻角减小，顺风运行时攻角增大。
进一步的，本发明还包括上风向标71和下风向标72，并分别与通过水平连接杆73与主轴1顶端的轴承、底盘6固定连接，上风向标71和下风向标72之间通过竖向连接杆74固定连接。上风向标71与下风向标72之间的距离大于叶片2的长度，水平连接杆73的臂长大于叶片旋转半径。
进一步的，叶片2和桨叶4由碳基复合材料制成，上风向标和下风向标72由轻质、高强度、耐腐蚀塑料板制成，支撑杆3和滚轮采用不锈钢制成，底盘和轴承套选用45钢或A3钢制成。
具体实施方式一：如图1、图2所示为一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，计算其转动部分（包括竖直叶片、支撑杆、水平桨叶、发电机转子）重力G，计算垂直轴风力发电机不安装水平桨叶时，在额定转速、风速下连接杆产生的阻力距Mf。
具体实施方式二：为设计水平桨叶选用具有较高升阻比特性的翼型，在来流风速中，翼型上表面的气流速度较高，下表面的气流速度较低，形成一个环绕翼型流动的环流。由伯努利理论，环流致使翼型的上表面压力低于周围气压，下表面压力高于周围气压，如图3(a)，使翼型表面产生的升阻力如图3(b)所示。
具体实施方式三：由空气动力学理论设计水平桨叶在额定线速度Vrate=r·w0下翼型的弦长和扭角分布如图4，使设计的8根水平桨叶在该转速下（理论计算中攻角不变）产生的竖直升力FL=G，阻力FD对主轴产生的阻力距MD=Mf。结合设计风力发电机尺寸，计算逆风行进的水平桨叶绝对速度分布为：Vrel=Vrate+V0，顺风行进的水平桨叶绝对速度分布为：Vrel=Vrate-V0，其中，Vrel为水平桨叶上绝对速度随半径r的分布，w0为垂直轴风力发电机的额定转速，V0为额定风速。设定水平桨叶在来流风速中水平桨叶在运行的不同方位攻角α的变化，使水平桨叶在各个不同方位处运行时产生的升力一致。
具体实施方式四：选取水平桨叶靠近主轴处的截面翼型，在其弦长距前缘1/4的气动中心处钻贯穿孔如图4，套入支撑杆，桨叶表面气动升力合力FL作用于该孔上，风力发电机转动部分重力G也作用于该孔上，两个力方向相反，作用在同一条直线上。同时合成于该孔上的俯仰力矩使水平桨叶以滚轮和底盘接触点为支点，向上“浮”起。
具体实施方式五：根据上述水平桨叶运行到不同方位攻角α的变化分布，设计带有凹槽和凸台的底盘如图5。凹槽和凸台上表面和底盘盘面的距离变化相对于攻角α变化保持一致，凹槽宽度大于凸台宽度。
具体实施方式六：根据支撑杆的高度和凹槽与凸台尺寸设计滚轮装置，滚轮装置固定在翼型后缘处，滚轮轴心轴线与支撑杆形成一定的角度，轴线指向主轴中心，如图6所示。滚轮结构类似火车车轮，截面呈“工”字形，在凸台上时，滚轮边缘恰好卡住凸台，在凹槽时，凹槽边缘恰好包住滚轮，起到限位作用，如图7所示。
具体实施方式七：与同一根竖直叶片连接的上下两根水平桨叶在其靠近主轴处的后缘利用细杆连接，使两个叶片运行到同一位置攻角变化一致，连接处设置弹簧，缓解水平旋翼在运转过程中的震动，并在支撑杆上设置限位装置，使水平桨叶在设定的攻角α内转动，如图8。
具体实施方式八：将带有凹槽和凸台的底盘设计成独立的转动体，其运动方式不受上面转动部分影响，在主轴顶部设置灵活转动轴承，在轴承和下部底盘固定连接与主轴垂直的两根平行水平连接杆，在上下水平连接杆处固定两个风向标，如图1所示。当风向变化时，风力发电机叶轮不受风向影响继续转动，风向标受到风力作用通过水平连接杆对底盘产生力矩，调整底盘方位，始终保持桨叶在逆风运行时其尾部的滚轮在凹槽内滚动，在顺风运行时滚轮在凸台上滚动，实现自动调整水平桨叶攻角的功能，滚动局部示意图如图9。
具体实施方式九：理论与实验相结合，不断调整以上各装置结合点和尺寸，使桨叶运转时，始终以滚轮和底盘的接触点为支撑点，桨叶前缘部分受竖直向上升力作用带动转动部分“浮”起来而减缓其重力对轴承造成的摩擦力和磨损。

Claims (9)

1.一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，包括垂直设置的主轴(1)，叶片(2)与主轴(1)平行设置，支撑杆(3)分别与叶片、主轴刚性连接，水平设置的桨叶(4)套在支撑杆(3)上，其特征在于：桨叶(4)与桨叶转动控制机构相连，在每根叶片(2)与主轴(1)的上下两端之间分别设置有支撑杆(3)和桨叶(4)，桨叶分别为上桨叶和下桨叶，下桨叶的下方设置有底盘(6)，所述桨叶转动控制机构包括安装在下桨叶叶根后缘处的滚轮(5)，滚轮(5)通过一传动杆(8)与下桨叶相连，垂直设置的细杆(9)分别穿过上桨叶(41)和下桨叶(42)的后缘，在底盘(6)上表面设置有滚轮轨道(61)，滚轮(5)在滚轮轨道(61)上运动，所述滚轮轨道(61)上各点不在同一水平平面上。
2.根据权利要求1所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述滚轮轨道(61)包括设置于底盘(6)的在同一圆周上的圆弧形凹槽(62)和圆弧形凸台(63)。
3.根据权利要求2所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述圆弧形凹槽(62)和圆弧形凸台(63)以圆心为对称点对称设置。
4.根据权利要求2所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述圆弧形凹槽(62)和圆弧形凸台(63)设置一组。
5.根据权利要求2所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：圆弧形凹槽和圆弧形凸台上表面和底盘盘面的距离变化相对于攻角变化保持一致，圆弧形凹槽宽度大于圆弧形凸台宽度。
6.根据权利要求1所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：在细杆(9)的上桨叶(41)下方处设有弹簧(10)，并在支撑杆(3)上设置有桨叶转动限位装置(11)。
7.根据权利要求1所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：还包括上风向标(71)和下风向标(72)，并分别通过水平连接杆(73)与主轴(1)顶端的轴承、底盘(6)固定连接，上风向标(71)和下风向标(72)之间通过竖向连接杆(74)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：上风向标(71)与下风向标(72)之间的距离大于叶片(2)的长度，水平连接杆(73)的臂长大于叶片旋转半径。
9.根据权利要求7所述的一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，其特征在于：叶片(2)和桨叶(4)由碳基复合材料制成，上风向标和下风向标(72)由轻质、高强度、耐腐蚀塑料板制成，支撑杆(3)和滚轮采用不锈钢制成，底盘和轴承套选用45钢或A3钢制成。
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