CN101054949B - 单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机 - Google Patents

单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，该单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，采用单桨叶和平衡阻尼器的设计有效提高风能利用率，解决了传统风力发电机“飞车”等问题，颗粒摩擦式离合器解决了单桨叶风力发电机启动难的问题，且该风力发电机制造成本低，有助于推广风力发电机。

Description

单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机
技术领域
本发明属于一种风力发电机，特别涉及一种单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机。
背景技术
水平轴螺旋桨式风力发电机是目前大量使用的主要风力发电机机型，这种形式是目前已知的风能利用效率最高的形式，它根据流体力学和空气动力学中的伯努利定理，由气流通过上弯下平的翼型叶片所产生的动力工作，它的风能利用效率远远高于其他形式的风力发电机。
目前世界上广泛使用的风力发电机桨叶为二叶、三叶、四叶或多叶，风力发电机叶片数量与转速成反比例，叶片数量越多，转速越低，叶片数量少则转速越高。
水平轴螺旋桨式风力发电机有一个最重要的参数，就是叶片的叶尖速度与风速的比值，一般称为周速比，也叫高速性系数，这个参数决定了风能的效率高低，这个比值越大则风能利用系数越高。
现有的水平轴螺旋桨叶式风力发电机多桨叶的设计，在桨叶在转动过程中很容易因为受风力变化受力不均衡造成振动，问题严重时会因为多个叶片同周期的振动造成有害谐振对风机造成严重损害。
风力发电机会因为一些不可控制因素，比如雷电击中发电机电力设备会影响到发电机的工作，造成电机因甩掉负荷超高速运转的“飞车”现象出现，损坏整个风力发电机组，对整个发电机造成巨大的损失。
多桨叶风力发电机的叶片一般需要进行两个一组、三个一组甚至多个一组的叶片选配，在选配过程中可能会造成很多桨叶无法配套而无法使用的结果，造成很大浪费，技术成本均偏高，制造成本也偏高。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可以减少振动对风力发电机损害，能有效解决“飞车”现象，制造难度低，成本也相对较低的单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机。
为了达到上述目的，本发明提供了一种单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，包括安装桨叶的风轮毂和连接风轮毂与发电机的动力传输装置，所述风轮毂上只安装一个桨叶，风轮毂上与桨叶相对的位置安装有平衡板，该平衡板上设置有至少一个阻尼板，阻尼板一端与平衡板活动连接，阻尼板中间由弹簧与平衡板连接，阻尼板与平衡板构成平衡阻尼器，阻尼板在风轮毂转速过大时会张开阻尼角α，阻尼角α范围为0°-90°。
所述平衡板质量与桨叶的质量相等，呈静态平衡。
所述动力传输装置采用离合器动力传输，离合器为颗粒摩擦式离心离合器，所述颗粒摩擦式离心离合器壳体与发电机主轴套通过轴承连接，壳体可通过轴承绕主轴套转动，壳体内部为铁饼型空区，壳体内设置有一定厚度的圆形动力摩擦盘，摩擦盘与发电机主轴的主轴套连接，摩擦盘设置在铁饼型空区的纵向对称面上，铁饼型空区和摩擦盘的空隙放置有球形金属小颗粒。
所述球形金属小颗粒的直径Φ为1-10毫米。
本发明的有益效果：
①.采用一个桨叶和一个平衡阻尼板的设计可以有效减少多叶片振动和谐振带来的问题，由于平衡板的存在，可以有效消除有害的振动和谐振。
②.本发明通过在平衡板上设置了至少一个阻尼板来解决“飞车”问题，当发电机在额定工作范围内工作时阻尼板是不打开的，当转速超过额定转速时，阻尼板会因为离心力大于弹簧拉力而张开阻尼角α，α角的范围为0°-90°，当阻尼板不打开时其与空气的正投影面积很小，投影面积会随阻尼角α的增大而增大，形成一个有效的阻力来防止转速继续升高，多个阻尼板同时打开会有效的降低桨叶的转速，直到额定范围内，此时离心力小于弹簧的拉力，弹簧将阻尼板拉回到原位置。阻尼板的面积和数量根据风力发电机的功率可以调节。
③.单桨叶形式可以将周速比提高到接近15∶1的最高效率状态，接近水平轴螺旋桨式风力发电机的理论最高值，在风能转化过程中达到“理想风力机”的状态。
④.单桨叶的设计根据桨叶的长度和质量提供一个平衡板，需要时仅需对平衡板进行改动，增加或减少一些配重达到与匹配的桨叶静态平衡即可，节省了大量的材料和大量工时，简化了工序和难度，降低了成本，与同功率机型相比，一般可降低成本20％-40％。
⑤.本发明通过颗粒摩擦式离心离合器的设置来解决单桨叶风力发电机启动这一问题，小型机组可以将颗粒摩擦式离心离合器直接加装在风轮毂上，大型机组加装在动力传动轴上，风力很小就可以启动，刚启动时叶片处在空载状态，只有风轮毂带动颗粒摩擦式离心离合器的壳体转动，当转速达到一定值时，由于离心力的作用金属小颗粒逐渐均匀分布在铁饼型空区与摩擦盘所形成的空隙当中，当摩擦力达到一定值时会带动摩擦盘一起转动，达到将动力传送到主轴上的目的，这种“颗粒摩擦式离心离合器”具有结构简单、容易制造、经久耐用等特点。
附图说明
图1为本发明一种实施例的风轮毂结构示意图
图2为本发明实施例颗粒摩擦式离心离合器静止状态的结构示意图
图3为本发明实施例颗粒摩擦式离心离合器工作状态的结构示意图
图4为本发明另一种实施例的结构示意图
具体实施方式
如图1至图3所示本发明包括安装桨叶的风轮毂7和连接风轮毂7与发电机的动力传输装置，风轮毂7上只安装一个桨叶8，风轮毂7上与桨叶8相对的位置安装有平衡板11，所述平衡板11上设置有一个阻尼板9，阻尼板9一端与平衡板11活动连接，阻尼板9中间由弹簧10与平衡板11连接，阻尼板与平衡板构成平衡阻尼器。颗粒摩擦式离心离合器的壳体5与主轴套6通过轴承2连接，主轴套6设置在风力发电机的主轴1上，壳体5内部为铁饼型空区，壳体5内设置有圆形摩擦盘3，摩擦盘3设置在铁饼型空区的纵向对称面上，摩擦盘3与主轴套6连接，铁饼型空区和摩擦盘3的空隙放置有球形金属小颗粒4。风轮毂7可以直接与离合器的壳体5连接；可以直接将桨叶安装到离合器壳体5；可以通过皮带、齿轮等方式将风轮毂与离合器壳体5连接。
如图4所示本发明的另一种实施方式，桨叶8直接安装在颗粒摩擦式离心离合器的壳体上，此种安装模式可省去风轮毂，其他部件安装方式同第一种实施例。
本发明的工作原理是：在整个风机刚启动时，只有桨叶8带动颗粒摩擦式离心离合器的壳体5转动，当转速达到一定值时，由于离心力的作用球形金属小颗粒4逐渐均匀分布在铁饼型空区与摩擦盘3所形成的空隙当中，转速继续升高球形金属小颗粒间结合更紧密，当摩擦力达到一定值时会带动摩擦盘3一起转动，达到将动力传送到主轴上的目的，当发电机在额定工作范围内工作时阻尼板9是不打开的，当转速超过额定转速时，阻尼板9会因为离心力大于弹簧10拉力而张开一个阻尼角α，阻尼角α的最佳调节范围在0°-90°，当阻尼板9不打开时其与空气的正投影面积很小，投影面积会随α角的增大而增大，形成一个有效的阻力来防止转速继续升高，有效的降低桨叶8的转速，直到额定范围内，弹簧10将阻尼板9拉回到原位置。一个平衡板11的设计可以有效减少多叶片振动带来的问题，由于平衡板11的存在，可以有效消除谐振减少振动对整个风机的损害，本发明由于只采用一个桨叶，在根据桨叶配备平衡板，可以有效节省大量的材料和大量工时，简化了工序和难度，降低了成本，与同功率机型相比，降低制造成本，有利于推广风力发电机。

Claims (4)

1.一种单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，它包括安装桨叶(8)的风轮毂(7)和连接风轮毂(7)与发电机的动力传输装置，其特征是：所述风轮毂(7)上只安装一个桨叶(8)，风轮毂(7)上与桨叶(8)相对的位置安装有平衡板(11)，所述平衡板(11)上设置有至少一个阻尼板(9)，阻尼板(9)一端与平衡板(11)活动连接，阻尼板(9)中间由弹簧(10)与平衡板(11)连接，阻尼板(9)转动阻尼角α范围为0°-90°，阻尼板与平衡板构成平衡阻尼器。
2.根据权利要求1所述的单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，其特征是：所述平衡板(11)的质量与桨叶(8)的质量相等，呈静态平衡。
3.根据权利要求1所述的单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，其特征是：所述动力传输装置为颗粒摩擦式离心离合器，所述颗粒摩擦式离心离合器的壳体(5)与主轴套(6)通过轴承(2)连接，主轴套(6)设置在风力发电机的主轴(1)上，壳体(5)内部为铁饼型空区，壳体(5)内设置有圆形摩擦盘(3)，摩擦盘(3)设置在铁饼型空区的纵向对称面上，摩擦盘(3)与主轴套(6)连接，铁饼型空区和摩擦盘(3)的空隙放置有球形金属小颗粒(4)。
4.根据权利要求3所述的单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机，其特征是：所述球形金属小颗粒(4)的直径Φ为1-10毫米。
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