CN117365832A - 摆翼调速的垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风力发电领域的摆翼调速的垂直轴风力机，目的是给升力型垂直轴机提供一种气动减速、自动调速方法，适用于不同功率的升力型垂直轴风力机及升阻结合型垂直轴风力机。将产生空气动力的升力型叶片与支臂用铰链连接，让叶片对支臂有一个自由度，铰链上装扭簧，对叶片受力偏摆起阻尼作用，又能让叶片偏摆后自动复位。叶片与支臂上装有拉线，拉线受驱动轮控制。转速不超过额定值时拉线不让叶片偏摆，当转速超额时，驱动轮释放拉线，离心力使叶片向外偏摆致使叶片呈倾斜状态，叶片倾斜使叶片上空气动力减小、捕风面积减小，又会使叶片在扭簧作用下自动向里收回，达到减速效果。还可以缓冲水平推力。

Description

摆翼调速的垂直轴风力机

技术领域

本发明属于风能利用领域，涉及垂直轴风力发电机技术，具体涉及一种采取摆翼调速方法解决升力型垂直轴风力机控制功率并自动调速的问题。

背景技术

升力型垂直轴风力机，分为弯叶片的φ型机(达里厄型，Darrieus)、直叶片的H型机两类。升力型垂直轴风轮都须由叶片和支臂构成，叶片是空气动力构件，使风轮产生旋转做功的动力；支臂是支撑叶片的构件，支臂长度决定风轮的直径，风轮直径乘上风轮高度(叶片长度决定风轮高度)等于捕风面积(即扫风面积，或过风面积)。φ型机由于叶片是弯的，叶臂一体，可视为以叶代臂(大型的φ型机也有附加的横支臂)。H型机叶片与支臂是横竖相交关系(如T形)，支臂横置，叶片竖置。现有的H型垂直轴机叶与臂的连接都是固定的刚性连接，其结构多为上下两个横置的支臂支撑一条叶片。其叶片绕垂直于大地的轴(垂直的机身)旋转。近十多年来国内出版的各种风力发电书籍上可见到关于φ型、H型垂直轴机的介绍，互联网上也可看到不少这两类机型的产品。

任何风力机都需要气动减速。大、中型水平轴风力机靠变桨来改变功角、改变气动力，从而改变风能获取大小；小型水平轴机靠尾舵在风压下偏摆，迫使风轮不正对着风，通过减少扫风面积来减少风能获取、控制风轮输出功率。这些都属于气动减速技术，可以让风轮对风能的捕获从额定值到接近零，在很宽的风速范围内能控制风轮转速。垂直轴风力机至今不论大中小型均未见合理有效的气动减速方法出现在产品上。由于不能有效控制转速，不是暴风下飞车导致损毁，就是舍弃中高风速段的发电时间为确保安全而停机。这是垂直轴机远不如水平轴机应用广泛的重要原因。

目前垂直轴机(这里都是指升力型)的减速方法：一种是对微型、小型机(5kw以下)用电磁刹车法，风大时将发电机短路，以大电磁阻力令风轮停转，这是一种虽不够合理但比较实用的办法，靠这种办法限速通常在15m/s风速就要刹车，风速再大后短路也难刹住。而这个风速及以上风速段正是发电的好机会。这种短路刹车法不适合用于10千瓦以上较大功率的产品。第二种办法是设置机械制动器，强制刹车，但这种方法如果用于正在旋转的情况下会对风轮构件造成很大冲击易使机件损坏，也不是合理办法，是不得已而用。还有一种在支臂远端(靠近叶片处)装扰流板的方法，属于气动减速装置，是合理的方法，类似飞机降落在跑道上后打开扰流板使滑行减速的方法。它可以用在较大功率的产品上。但支臂上装扰流板的方法只是增加了风轮运行阻力，并没有减少风轮对风功率的获取，而功率是风速的三次方、阻力只是风速的二次方关系，要多大的扰流板才能让超额风速段(通常13～15m/s以上风速就是超额风速)的减速阻力矩与风轮的超额输出扭矩达到动态平衡？支臂扰流板需要多大才适应很宽风速范围？这很难确定。难以做到在宽风速范围内自动控制能量输入和风轮转速。

总之可以说，垂直轴机现有的转速控制方法都是“抵抗”式的，没有减少风能吸收率的方式来实现对风功率输入的控制，不能通过对空气动力的控制达到转速受控。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的，在于解决现有升力型垂直轴风力机不能控制风功率输入、不能自动调整风轮转速的缺陷。现有的垂直轴风力机产品其叶片与支臂相互关系都是固定连接、即没有自由度的刚性连接，叶片与支臂一经组装好，其相互角度、叶片空间姿态即固定不变。这种叶与臂固定连接的模式，其风轮扫风面积、转动惯量、风能捕获率都是固定不可变的，这种模式也使得在需要时降低空气动力的措施难以采用。这是造成风轮转速难以控制，超额风速下常发生飞车的原因。而水平轴风轮除转动惯量不可变外，扫风面积可以通过偏航来变小、风能捕获率可以通过变桨来改变。只要有一个措施有效采用，都可以防止飞车事故。

此外，垂直轴风力机还有一个共有的问题，即水平推力使得垂直轴顶部显著晃动，这水平激扰力产生于叶片，只要叶与臂是刚性连接的，此力就会通过支臂传递给垂直的机身。这是有害的力，有造成机身破坏甚至倾覆的趋势。

为解决上述问题，要让升力型垂直轴风力机能自动改变扫风面积，自动调整转速和风功率输入，并同时吸收水平推力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种摆翼调速的垂直轴风力机，以叶片偏摆的方式改变风能捕获率从而实现气动减速，由上叶片1、下叶片2与横置的支臂5构成叶与臂构件，支臂5与机身8固定连接，其特征是：上叶片1、下叶片2与支臂5通过铰链3连接。

所述的摆翼调速的垂直轴风力机，其特征在于铰链3上装有扭簧4。

所述的摆翼调速的垂直轴风力机，其特征在于在支臂5装有拉线6，拉线6一端连接叶片1、2，另一端绕于驱动轮7。

铰链上的扭簧，可以让叶片偏摆后自动复位。

有益效果

风力机必须在风速、转速超过额定值时，能控制住转速，让发电机转速不超过其额定转速，否则发电机会过热以至烧毁。本技术目的在于提供一种结构简单的解决方案——在风速、转速超额时让叶片自动限制转速。

将叶片1、2与支臂5做成铰链连接，旋转时叶片受到离心力作用，将自动向外偏摆，因为离心力方向是离开机身8(即转轴)向外的。图3说明这一点，图3中F是离心力。叶片绕铰链3偏摆。

将产生空气动力的升力型叶片与支臂用铰链连接，如图1那样，这样叶片对支臂有了一个自由度；铰链上装有扭簧，对叶片偏摆起阻尼作用，又能让叶片偏摆后有自动复位趋势。叶片与支臂上装有拉线6，拉线6受驱动轮7控制，见图1、图3。在转速不超过额定值时，拉线6拉住叶片不让叶片偏摆；当转速超额时，控制***发指令让驱动轮7放松拉线6，离心力将使叶片向外偏摆致使叶片呈倾斜状态。叶片倾斜将使叶片上空气动力减小，同时风轮的捕风面积减小，达到限制转速的效果。当转速下降时离心力减小，又会使叶片在扭簧反力作用下自动向里偏摆，趋向于回到竖直位置。这样的自动调节，使叶片(风轮)转速在额定转速范围。

在风速、转速大于额定值时叶片向外偏摆，产生的效果是：

第一，加大转动惯量，使转速下降或限制上升；第二，减小捕风面积，减少风能获取；第三，叶片姿态变斜不再竖直，使得叶片切向力变小，减小旋转驱动力。

这三方面的效应相互叠加实现自动限制转速。

在产生自动限制转速的有益效果同时，还可以吸收致使机身晃动的水平推力。损坏垂直轴风力机的不仅是超额转速，还有机身剧烈晃动，风力越大晃动越剧烈。刚性连接的构件形成力的刚性传递链。风力作用于叶片，除了产生切向力驱动叶片旋转同时还产生径向力(为便于理解，通俗地称为水平推力)，它水平沿着支臂、过轴心而传递给机身，形成水平激扰力，随着旋转此水平激扰力是周而复始的，当激扰力频率与风轮固有频率发生共振时，最易破坏风机。而本技术中叶片采用的是“柔性”连接，叶片的偏摆能缓冲水平推力，扭簧的变形能吸收水平推力的能量，从而减小甚至消除水平激扰力的破坏作用。

本技术所提供的方法，结构简单，没有复杂精密的动作机构，为受力复杂且工况严酷的风轮实现气动减速提供了一种不易发生损坏的简单结构及方法。铰链是一种简单、结实而可精可粗的结构，能经受大的载荷；扭簧既能限制叶片偏摆，又能让叶片自动复位，在超额定风速、转速范围以外这一调节过程可以自动进行而不依赖电子自控***。本技术适用于任何功率级别的升力型垂直轴风力发电机。

有益效果的说明：

将叶片与支臂做成铰链连接，叶片对支臂不是固定连接而是有了一个自由度，这样风轮旋转起来后，叶片受到离心力F的作用，有向外偏摆的趋势，如图5。铰链上装有扭簧，即可对叶片受力偏摆起阻尼作用又可以令叶片偏摆后趋向于复位。

风速超额时，令拉线放松，让叶片向外偏摆，偏摆后，风速、转速不再增加时，在扭簧约束下，叶片停留在某个偏摆角度。如果风速再增加，叶片动力加大，转速增加，叶片上增加了的离心力就会克服扭簧反力，打破在那个角度的动态平衡，使叶片再向外多偏摆一个角度，风速如不变将再次达到动态平衡，叶片偏摆角度停在那个位置。如果风速继续加大，同理，叶片又会向外再多偏摆一定角度。图4表示偏摆很大角度的情形。反之，如果风速减小，转速降低，扭簧又会将叶片向里扳回。

拉线的作用是把叶片强制拉回：如果叶片向外偏摆到某个位置时，自控***检测到风轮转速、风速低于额定值，扭簧又没有把叶片扳回，自控***这时发出指令让驱动轮7驱动拉线6把叶片拉回到竖直状态，让叶片空气动力加大、转速提高。

叶片竖直时，即与支臂垂直时，风轮捕风面积最大，见图1、图3，图2是其俯视图；叶片偏斜时，捕风面积会减小(这从几何上可以算出来)，见图3。叶片向外偏摆到极限位置时，即与支臂接***行的状态，这时捕风面积将为最小，见图4。叶片的偏摆可以使得风轮捕风面积可以在最大和最小之间自动变化，这样可以实现连续调节。

叶片竖直时，叶片切向力(推动风轮旋转的空气动力的一个分力)是最大的，偏摆斜置时，切向力会减小(同等风速下)。这一点也是自动限速可利用的因素。额定风速时(一般为12m/s，五级风力)让叶片处于竖直状态；超额风速时，叶片向外偏摆，虽然捕风面积减小了，但这时风功率密度(风速越高则风功率密度越大)增加，风轮输入功率仍可限制或保持在额定范围。

叶片越向外偏摆，质量分布越向外移，则此旋转体转动惯量越大。根据经典物理学中绕定轴转动的刚体的转动惯量的定义：J＝∫r²dm，(式中J是转动惯量，r是质点距轴心距离，m是质点质量)；又根据刚体转动定律：L＝Jω，动量矩L一定时，如转动惯量J增加，必引起角速度ω减小。

本技术采用铰链来连接叶片，利用离心力让叶片质量分布得以改变，又应用转动体的转动定律，达到改变转速的目的。

从空气动力学来说，垂直轴风轮中当叶片竖直时(叶片垂直于大地)，切向力是最大的，图2中的f表示切向力，即叶片旋转动力。当叶片变得倾斜时(与水平面不垂直时)，切向力f会减小。到极端位置——叶片水平时，叶片上不再有切向力(叶片如果变到水平位置时就相当于横支臂那样的空间姿态，支臂上是不会有旋转动力的，只会有扫风阻力)。

综上，利用离心力让叶片偏摆从而改变风轮质量分布，以达到改变转速的目的；质量分布改变的同时也改变了捕风面积，自动减少了风能获取；叶片空间姿态的改变也改变了空气动力，自动调整了旋转动力。本技术把一体叶片分为上下两体，把与支臂刚性连接改为铰链连接而有一个自由度，这种方法，带来了几种物理效应有机结合，使得气动减速通过叶片来实现，使得气动减速措施更加有效、合理，装置简单。同时叶片的铰链连接缓冲了叶片上的水平推力向支臂的传递。

附图说明

图1整体平视示意图，适合于小型、中型、大型机。

图2俯视示意图。表现叶片(俯视叶片，看到的是叶片断面)、支臂、机身。

图3表现叶片绕机身(垂直轴)旋转时在离心力作用下向外倾斜的趋势。

图4表现叶片旋转时向外倾斜到接近极限(接近水平)位置的状态。

图5表现叶片初始状态是向里倾斜的状态，是一种可实施的方式。

具体实施方式

上下叶片可以做成同等宽度、同等长度，所受空气动力和离心力就会相等，所偏摆角度也会基本相等，但不排除上叶片受重力作用向外偏摆角度多一点，下叶片受重力作用向外偏摆角度少一点，这不影响运转。但如要完全一致，可以在扭簧参数设计上精确计算以求达到。

用铰链与支臂连接的叶片，在不旋转或转速很低时，叶片会在扭簧反力作用下向里自动收回。

上、下叶片的初始角度，可以如图1那样竖直；也可以如图5那样预先向里有一定倾斜；发出额定功率时，要如图1那样处于竖直状态。叶片初始角度如图5那样向里倾斜的好处是便于起动，因为向里倾斜，风轮质量分布靠里，转动惯量减小，有利于起动加速。加速到一定转速，叶片应进入竖直状态，有利于空气动力最大、发出最大旋转动力。

本技术采用拉线，可以拉动叶片。当传感器测出转速、输出功率小于额定值、叶片又处于向外倾斜状态、扭簧不足以拉回原位时，控制***发指令把叶片强制拉回到竖直状态。

不论将上下两个叶片都与支臂铰链连接，还是将上、下两个叶片一个固定，一个铰链连接，都属于本技术发明的方法。只要是叶片与支臂有铰链连接，就属于本技术的方法。

Claims (3)

1.一种摆翼调速的垂直轴风力机，以叶片在离心力作用下自动偏摆的方式改变风能捕获量，同时实现气动减速，由上叶片(1)、下叶片(2)与横置的支臂(5)构成叶与臂构件，支臂(5)与机身(8)刚性连接，其特征是：上叶片(1)、下叶片(2)与支臂(5)通过铰链(3)连接。

2.由权利要求1所述的摆翼调速的垂直轴风力机，其特征在于铰链(3)上装有扭簧(4)。

3.由权利要求1所述的摆翼调速的垂直轴风力机，其特征在于在支臂(5)装有拉线(6)，拉线一端连接叶片(1)、(2)，另一端绕于驱动轮(7)。