CN101457736A - 一种风力发动机的复合转子系统 - Google Patents

Abstract

本发明为风力机提供了一种可控的复合双转子系统，同时使用一个低速条件下工作的先导转子和一个在高速条件下工作的主力转子，通过超越离合器的恰当切换，使得风力机不仅在低风速条件下获得相对较大的启动力矩，以及启动后对低风速风能的捕获利用，而且又充分发挥了主力转子在高风速高转速条件下具有优异的捕风效率的优点，兼顾了对低风速和高风速风能的捕获利用，大幅度拓宽了风力机可开发利用的速度范围和地域范围，为风力机的普及利用创造了便利条件。

Description

一种风力发动机的复合转子系统

技术领域

本发明涉及一种风力机的风轮转子系统，特别是涉及一种可控制双转子复合转子系统。

背景技术

风力发动机技术领域面临的一项突出困难就是对低风速风能缺乏有效捕获能力，因而制约了风力机的使用空间。由于在低风速条件下缺乏足够启动力矩而不能捕获低速风能，对于水平轴风力发动机而言，一般认为3-4米/秒是一个瓶颈，低于此数值的风能由于不能被有效捕获，形成不了理想的旋转扭矩用以驱动发电机等，一般是割舍掉了。然而，据统计在人类方便开发的地区，风速小于4米/秒的地区占总土地面积的比例不低于85％，也就是意味着在绝大多数地区和绝大多数地域范围里，普通风力机是缺乏使用价值的。因此，如何有效捕获低风速风能，是摆在风力机行业的一个共同技术难关。

以下根据相关知识背景和背景技术进行说明。本说明书中多处用到“翼型”、“升力”、“阻力”、“升/阻比”、“攻角”、“转速”、“尖速比”、“尖速比与风能转换效率的关系”、“风能捕获效率”等多个名词以及相关知识和原理，这些知识和原理是空气动力学领域和风力发电领域里的常用概念和常识性知识，故不作详细展开论述。经典的文献有《风工程与工业空气动力学》(贺德馨等编著，国防工业出版社出版)，《风能技术(Wind Energy Handbook)》(Tony Burton等著，科学工业出版社出版)等。

根据空气动力学有关翼型和升力的常识性原理，我们知道：对翼型一定的桨叶而言，当风速一定的前提下，改变桨叶的攻角，可以同步改变桨叶的升/阻比和浆矩，但升阻比和浆矩同时又和桨叶的回转速度相关；

桨叶保持大攻角时，它在低风速或低转速条件下产生较大的旋转扭矩，另一方面，由于阻力的大小与速度的平方成正比，所以在高风速或高转速条件下产生很大的助力扭矩，它事实上成为了阻碍转子转动的阻尼；

桨叶保持小攻角时，它在高风速、高转速条件下产生很大的升力扭矩和较小的阻力扭矩，但它在低风速条件下只能产生很小的旋转扭矩，对转子的启动帮助非常小。

所以可以概括地说：单独对一副转子而言，它是难以做到既能方便低速启动又能兼顾高转速时高效率两全齐美的。

有研究者曾做过尝试：把一个高速转子和一个低速转子串联，刚性安装在一个主轴上，希望借此能够兼顾低速易启动和高速高效率，但理论和事实都证明这个思路是不可行的，因为：如果兼顾低速易启动就自然会采取诸如增大攻角、增多叶片数量和增加受风面积等措施，这样的结果一方面确实增大了启动力矩，但另一方面，当转子旋转加快后，它所产生的气动阻力也随之大为增大，不仅使自身速度被制约，更重要的是它还拖累主力转子的旋转速度，这便使得高风速高转速情形下的捕风效率反而下降，甚至得不偿失——所以，将两个转子一体化刚性叠加的方案是欠缺实际价值的。

有一项专利号为200520061167的专利，它的设计思想是这样的：一种用于风力发电的框架式多级风轮机，风轮组由多级不同直径的框架式风轮同轴线依次安装构成，每一风轮与一齿轮箱的连接，通过该齿轮箱中的一竖直轴将各风轮的绕水平轴线的转动转换成绕垂直轴线的转动，并向支撑架的底部传送；支撑架设于一承载转动架之上，该承载转动架通过一回转装置设于一与地基相连的环形稳定框之上；所述承载转动架的主承载架的一端设有一发电机，该发电机的轴与一指向承载转动架中心的水平轴连接，该水平轴通过一对锥形齿轮与齿轮箱中向下设置的竖直轴连接。该发明构思的意图是多风轮多级利用风能，但是它的关键弊端是没有将各个风轮进行可控地分离控制利用，因为其几个风轮的功率、转速、扭矩等是不一样的，但该发明将它们机械性地连接在一个封闭系统内，同时输入到一个主轴上，所以实际工作情形是这样的：本来应该高速的风轮被低速风轮拖累而不能按应有转速旋转，产生不了最佳出功，应该低速旋转的风轮被其它风轮强制性牵引，而被迫高速旋转，产生过大的气动阻尼，所以也不能理想地出功，总之，各个转子相互牵扯拖累，它是无法达到有效利用风能的发明目的的，另外，其庞大而复杂的的结构，使其经济性、可靠性、实用性都受到影响。申请号为200610157178.2的专利，它是与前述200520061167的专利为同一发明人，其内容主要是为200520061167专利解决传动优化问题，对如本文所述其它各项弊端并没有改观。

总之，就已经公开的各种技术路线而言，都不能解决能同时用一台风力机同时兼顾解决低速和高速高效率风能利用这一难题的。

发明内容

本发明目要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种可控制的的复合双转子系统，能够在低风速、低转速条件下提供理想的启动转矩，在高风速和高转速条件下由主力转子继续工作，先导转子被脱开而不成为主力转子的累赘，从而做到了低速是获得大转矩，高速时避免大气动阻力转矩的阻碍作用，提高风能利用范围和风能捕获效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

将两个独立的转子单元串联安装在转子主轴上，所述两个转子单元与主轴间不是刚性固定的，而是通过超越离合器连接，使得两个转子以及转子与主轴之间构成一种可控的旋转离合运动关系，更具体描述如下：

所述两个转子单元，一个是主力转子单元，另一个是先导转子单元，各自有着相应的作用分工：

a.其中“主力转子”单元是由攻角小于18度的螺旋桨叶片组成，它在尖速比大于2的高尖速比条件下(高风速或高转速条件下)具有较高的旋转扭矩和风能捕获效率，产生较大的旋转扭矩，而当尖速比低于此数值时(即在低风速或低转速条件下)只产生较小的旋转扭矩；

b.所述“先导转子”是一个低速转子，由至少4个螺旋桨叶片组成，它在尖速比小于2的低尖速比条件下(即低风速或低转速条件下)产生相对较大的旋转扭矩；

显然，先导转子的作用是捕获主力转子难以有效捕获到的低风速风能，为直接驱动转子启动提供主要的旋转扭矩；而在高尖速比条件下(尖速比大于2)，主力转子则承担全部的风能捕获功能并驱动主轴旋转；

关于所述的离合器装置，最佳选择是超越离合器，它可以有两种安装方式：一种是在先导转子与主轴之间，以及主力转子与主轴之间各安装有一个离合器；另一种方案是在先导转子与主力转子之间安装离合器。通过这样安装在主轴上的主力转子单元和先导转子单元，以及它们之间离合器，便使得所述两个转子单元之间以及转子单元与主轴之间形成一种可控的离合旋转运动关系，该系统的逻辑关系是这样的：

a，当先导转子单元的旋转角速度大于主力转子单元的角速度时，离合器处于接合状态，此时先导转子对主轴起驱动作用；

b，当先导转子单元的旋转角速度等于主力转子单元的角速度时，离合器处于接合与分离之间的临界状态，即先导转子和主力转子共同承担对主轴驱动作用；

c，当先导转子单元的旋转角速度小于主力转子单元的角速度时，离合器处于分离状态，即主力转子对主轴施加驱动作用，先导转子对主轴不产生驱动作用

本发明的优点在于：

通过使用一个低速条件下工作的先导转子和一个在高速条件下工作的主力转子，通过超越离合器的恰当切换，使得风力机不仅在低风速条件下获得相对较大的启动力矩，以及启动后可以对低风速风能予以利用；另一方面，它充分发挥了主力转子在高风速条件下具有优异的捕风效率的优点，兼顾了对低风速和高风速风能的捕获利用，大幅度拓宽了一台风力机可开发使用的速度范围和地域范围，为风力机的普及利用创造了便利条件

附图说明

图1  是本发明所述一种先导转子单元较佳实施例的外形结构示意图。

图2  是本发明所述一种主力转子单元较佳实施例的外形结构示意图。

图3  是本发明所述一种摩擦式超越离合器结构原理剖切示意图。

图4  是本发明所述一种棘轮式超越离合器结构原理剖切示意图。

图5  是本发明所述主力转子和先导转子各分别与主轴之间各安装一个超越离合器的系统装配剖切示意图。

图6  是只在先导转子与主轴之间安装超越离合器的装配剖切示意图。

图7  是包括先导转子与主力转子的一个完整的转子系统实施例的外形结构图。

图8  是本发明所述转子系统安装在发电机上的常规模式实施例的原理简图。

图9  是本发明所述主力转子和先导转子风别被装置在发电机的主轴两端的一种特殊实施例方案简图。

各附图中相关零件序号与名称对照如下：

1.先导转子桨叶；

2.主力转子桨叶；

3.主轴；

4.主力转子离合器；

5.先导转子离合器(5a.离合器主动端口；5b.离合器被动端口)；

6.棘轮爪；

7.连接键；

12.发电机本体

具体实施方式

以下结合附图及实施例对发明作进一步详细描述：

如图1所示是一个由6片桨叶组成的先导转子单元的较佳实施例，显然它的桨叶数量多、桨叶面积大、攻角大，所以总体捕风能力强，低风速时，便于捕获风能，但是它在获得一定的旋转速度后，所受到的气动助力也大为增加，风能利用效率大为降低。这一特点在空气动力学和风能技术领域属于一般常识，本说明书不加赘述。

如图2所示是一个由3片桨叶组成的主力转子单元较佳实施例，显然与先导转子单元相比，它的桨叶数量少、桨叶面积小、攻角小，所以低风速时捕风能力弱，但是一旦在它获得一定的启动速度后，高风速和高转速条件下有非常好的捕风能力以及风能利用效率，这些特点在空气动力学和风能技术领域属于一般常识，本说明书不加赘述。

如图3所示是一种摩擦式超越离合器剖切示意图。超越离合器的结构原理在机械工程技术领域属于一般共性知识，本说明书不作详述。权威而详细的技术文献有《机械设计手册》(机械工业出版社，新版，第3卷《机械零部件与传动设计》，第22篇《联轴器、离合器与制动器》，第10章《超越离合器》)。

如图4所示是棘轮式超越离合器剖切示意图。

如图5所示是主力转子和先导转子分别与主轴之间安装一个超越离合器的装配示意图，两个转子单元分别通过所述两个离合器装置与所述主轴金进行连接，使两个转子单元与主轴之间分别构成两条可控的离合旋转传动链，即

a)先导转子——先导转子离合器——主轴—

b)主力转子——主力转子离合器——主轴—

显然，在两条传动链中，主力转子单元与先导转子单元两者，只有率先启动者或旋转角速度快的那一个转子才能使得自身离合器处于接合承载状态，并通过离合器驱动主轴旋转；而启动落后者或旋转速度慢者，离合器自然就处在分离空载状态，该转子将被超越，它也就不能对主轴起驱动作用；

因为先导转子对低速风能的捕获能力要优于主力转子，显然先导转子要领先启动，它推动转子克服负载的阻力力矩和转动惯量产生旋转并做功，另外一方面，由于先导转子已经承担了负载的阻力和转动惯量的影响，所以，主力转子转动的负担就会很小，外界风对它产生的升力就很容易促使它旋转，它旋转的越快，从外界捕获并吸收的风能就会迅速增加，这就会促使它赚得更快，如此循环，主力转子的角速度便会超过先导转子，这样先导转子就会被超越而失去对主轴的驱动作用，主力转子单方面承担对主轴的驱动；如果风速变得过小，到一定范围，主力转子由于失去了足够的升力力矩，它会在负载阻碍下，逐步减速，甚至停下来，于是，先导转子的离合器处于接合承载状态，主力转子被超越，主轴旋转的负担又落到先导转子上......，这样循环往复，不断切换，所以，风力机就会产生这样一个积极效果：即能方便地捕获低速风能予以应用，又能高效率地捕获高速风能，使得风力机的实用范围大为拓宽，使用价值大为提升。

如图6所示是本发明所述只在先导转子与主轴之间安装超越离合器的装配剖切示意图。

本实施例中，超越离合器的主动端口刚性连接在主轴上，其从动端口与主轴刚性连接，主力转子又与所述主轴刚性连接(与前者不同的是：主力转子通过主轴被间接刚性地与先导转子固定，它们之间没有使用超越离合器)，使所述先导转子单元与所述主轴之间构成一种可控的离合旋转传动关链，即——先导转子——离合器装置——(主力转子+主轴)。

当先导转子获得风能驱动率先启动后，不是单独直接驱动主轴，而是要同时驱动主力转子，使主力转子被启动后才能驱动主轴旋转，通过处于接合承载状态的超越离合器传递扭矩推动主力转子转动，这样主力转子也能够通过转动吸收更多的风能，产生更大的升力，形成有效扭矩，它推动转子克服负载的阻力力矩和转动惯量产生旋转并做功，另外一方面，由于先导转子已经承担了负载的阻力和转动惯量的影响，所以，主力转子转动的负担就会很小，外界风对它产生的升力就很容易促使它旋转，它旋转的越快，从外界捕获并吸收的风能就会迅速增加，这就会促使它赚得更快，此效应不断增强，主力转子的角速度便会超过先导转子，如果风速提升到一定程度，主力转子会更高速地旋转，当主力转子旋转速度超过先导转子后，离合器自动切换到分离空载状态，先导转子被超越，它也就不能对主轴起驱动作用......此过程与前述情形一样。如果风速变得过小，到一定范围，主力转子由于失去了足够的升力力矩，它会在负载阻碍下，逐步减速，甚至停下来，于是，先导转子的离合器处于接合承载状态，主力转子被超越，主轴旋转的负担又落到先导转子上......如此不断循环，所以转子系统总是能够做到低风速启动，高转速时低阻力高效率。

如图7所示是包括先导转子与主力转子的一个完整的转子系统外形结构图，此实施例的实验效果证明，主力转子排列在前率先迎风，更有利于风能的高效捕获，从理论上也很容易找到支持依据：在主力转子不动而先导转子转动情形下，主力转子对来流的扰动可以忽略不计，先导转子的捕风效果几乎不受影响；如果主力转子高速旋转起来以后，它吸收了大部分风能，只有很小一部分风能逃逸，但这是先导转子肯定已经被超越而失去作用，所以这部分风能不吸收其实没有任何影响。反之，如果先导转子安置在前，主力转子安置在后，那主力转子永远是处于被扰动状态，不仅吸收到的是遗漏能量，而且其紊乱的流场会离心发散，影响到先导转子直径范围之外，大大降低高速情形下主力转子获得的风能，因此不能颠倒顺序。

另外，实际中的大量实验也充分证明：原先3.5米/秒风速下不能启动的风力发电机，使用本发明构思的技术后，启动风速降低到了1.6-1.8米/秒，而且，由于主力转子的桨叶攻角可以预先调整到高风速高转速条件下的最佳角度，所以，高速条件下其表现更为理想，效率提高了约19％以上。

如图8所示是本发明所述转子系统的主轴直接贯穿发电机，使得主力转子单元和先导转子单元风别处于发电机的两侧的方案，这一结构实质上仍然属于本发明的一种特殊实施例，它的优点是转子两头布置，容易处理平衡问题，力学结构性能更好，另外两个转子之间的间距足够大，所以相互之间的流场更不容易发生扰动，涡流损失影响就更小。

另外，本发明所述的主轴也可以不是一个刚性的整体，而是一个多段轴组合体，各段之间用联轴器等连接起来，这样的具体实施方式也属于本发明总体构思范围之内的一种特殊实施例，并不构成对本发明的创造性突破。

由以上实施例可以表明，本发明使得风力机不仅在低风速条件下获得相对较大的启动力矩，以及启动后对低风速风能的捕获利用，而且又充分发挥了主力转子在高风速高转速条件下具有优异的捕风效率的优点，兼顾了对低风速和高风速风能的捕获利用，大幅度拓宽了风力机可开发利用的速度范围和地域范围，为风力机的大面积普及利用创造了便利条件。

尽管本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (10)

1.一种风力发动机的复合转子系统，它包括由复数个桨叶组成的转子单元，用于安装所述转子单元的主轴，以及它们之间的连接件和随动件，其特征在于：

所述复合转子系统同时包括两个转子单元，即一个先导转子单元和一个主力转子单元，以及离合器装置，

所述离合器装置围绕所述主轴安装并与所述转子单元连接，使所述两个转子单元之间以及转子单元与主轴之间构成一种可控的旋转离合传动关系。

2.如权利要求1所述的一种复合转子系统，其特征在于：

它包含两个独立的离合器装置，所述两个转子单元分别通过所述两个离合器装置与所述主轴金进行连接，使所述两个转子单元与主轴之间分别构成两条可控的离合旋转传动链，即

a)先导转子——先导转子离合器——主轴—

b)主力转子——主力转子离合器——主轴—

3.如权利要求1所述的一种复合转子系统，其特征在于：

它只包含一个离合器装置，所述离合器装置的主动端口与所述先导转子单元刚性连接，其从动端口与主轴刚性连接，主轴同时又与主力转子单元刚性连接，使所述先导转子单元与所述主轴之间构成一种可控的离合旋转传动关链，即

——先导转子——离合器装置——主力转子+主轴

4.如权利要求1所述的一种复合转子系统，其特征在于：所述离合器装置是超越离合器，它具有接合承载状态与分离空载状态两种工作模式。

5.如权利要求1、2或3所述的一种复合转子系统，所述两个转子单元与所述主轴之间通过所述超越离合器所形成的一种可控的离合旋转传动动关系的特征是：

第一种关系，当先导转子单元的旋转角速度大于主力转子单元的角速度时，先导转子的离合器处于接合承载状态，主力转子的离合器呈空载分离状态，即此时只有先导转子对主轴输出扭矩，主力转子被先导转子超越而失去对主轴的驱动作用；

第二种关系，当先导转子单元的旋转角速度等于主力转子单元的角速度时，两个离合器均处于接合与分离之间的临界状态，即先导转子和主力转子共同承担对主轴驱动作用；

第三种关系，当先导转子单元的旋转角速度小于主力转子单元的角速度时，先导转子的离合器处于分离空载状态，主力转子的离合器处于接合承载状态，即只有主力转子对主轴输出扭矩，先导转子被超越而对主轴失去驱动作用。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种复合转子系统，其特征在于：

所述主力转子单元是由攻角小于18度的螺旋桨叶片组成；

所述先导转子单元是一个低风速转子，是由至少4个螺旋桨叶片组成。

7.如权利要求1至5中任意一项所述的离合器，其特征在于：该超越离合器是棘轮式超越离合器。

8.如权利要求1至5中任意一项所述的离合器，其特征在于：该超越离合器是摩擦式式超越离合器。

9.如权利要求1至5中任意一项所述的一种复合转子系统，其特征在于：主力转子总是被安装在先导转子的上游而率先迎风。

10.如权利要求1至5所述的一种复合转子系统，其特征在于：复合转子系统的主轴贯穿发电机轴心，使主力转子和先导转子分别处于发电机的前后两端，所述超越离合器的安装方式仍满足前述各种关系。

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