CN101560949A - 自起动无振动垂直轴风力机风轮 - Google Patents

Abstract

一种自起动无振动垂直轴风力机风轮，属叶轮机械技术领域。由旋转轴(4)、叶片安装支板(11)、n个通过叶片安装支板安装于旋转轴的螺旋形叶片(10)组成，上述n个螺旋形叶片结构完全相同且沿旋转轴(4)转动方向呈均匀分布，n为大于等于1的自然数，其特征在于：上述螺旋形叶片由叶素(3)沿螺旋形积叠线(6)积叠形成，叶素积叠按等安装角和0度俯仰角叠积形成，上述螺旋形积叠线所在回转面为绕旋转轴(4)的圆柱面；设上述螺旋形积叠线螺旋角(9)为Φ，n及Φ满足以下关系式：n×Φ＝k×360°，k为大于等于1的自然数。该风轮叶片载荷无周期性变化、能自起动。

Description

自起动无振动垂直轴风力机风轮

一、技术领域

本发明涉及一种自起动无振动垂直轴风力机风轮，属叶轮机械技术领域。

二、背景技术

风力发电机可分为水平轴和垂直轴两类。其中与水平轴风力机比较，垂直轴风力机具有无需对风调向系统、结构简单；风向变化不影响风力机性能；发电机可放置在地面上、维护性好且允许较大电机尺寸等优点。

垂直轴风力机风轮又可细分为阻力型和升力型两类，阻力型风轮利用叶片旋转过程中产生的阻力带动风轮转动，典型叶片形状为S形(如：气象部门应用的风速仪叶片)。另一类垂直轴风力机称为升力型，该类风力机利用翼型的升力产生转动力矩，其风能利用率较大程度高于阻力型风力机。田海姣在“垂直轴风力发电机发展概述”一文(应用能源技术第11期)对该类升力型风力机的发展与特点进行了较详细介绍。

垂直轴风力机存在的主要缺陷是力矩周期性变化和不能自起动。在此以升力型风力机为例进行简单分析说明。由图1，在风轮转动过程中，叶素弦线(前缘点与后缘点连线)相对于风向角度不断周期性变化，因此该叶素产生的关于转动轴的力矩也相应呈周期性变化。这样无论采用直叶片还是Φ型叶片，也无论叶片数量多少，都存在风力机风轮输出力矩的周期性变化。由于风轮转动过程中力矩周期性变化，在某些转角范围内力矩小并且有可能出现负力矩，风轮在起动过程中会自动向此转角范围缓慢转动而不能自起动。因此，垂直轴风力机不能自起动根源仍在于风轮转动过程中力矩周期性变化，解决了风轮输出力矩周期性变化也就不存在自起动问题。

风轮产生的力矩周期性变化形成周期性激振力，对塔架疲劳寿命影响很大；风力机不能自起动需要配备起动电动机和离合器，增加了结构复杂性和设备成本。目前工程实际应用中绝大多数是水平轴风力发电机(特别是大型风力发电机)，主要原因在于垂直轴风力机存在上述两个主要不足；而不在于通常所认为的垂直轴风力机风能利用系数小于水平轴风力机，实际上升力型垂直轴风力机风能利用系数与水平轴风力机相当。

国际专利WO2005/010355提出一种由多个螺旋型叶片(多于一个叶片)构成风轮的垂直轴风力机，并根据该专利技术研制出一种三叶片垂直轴风力机，名为qr5(quietrevo1ution 5，即5米高静音旋转，产品资料及照片可见网址：http://www.quietrevolution.co.uk/qr5.htm)。该风力机采用螺旋形(S形)叶片只能部份消除风轮力矩周期性变化和缓解起动问题。原因在于叶片呈弓形、叶素所处回转面不是圆柱面而是中间回转面半径大两端回转面半径小、并且叶素弦长中间长两端短。因此叶片中间部份产生的力矩大、两端逐渐变小，很难实现任意风速、风向和转速下力矩不变。并且该项专利中也未介绍消除力矩周期性变化具体实施方法。

美国专利US 6293835 B2提出应用螺旋形风力涡轮装置作为船舶推进动力，叶片采用翼型沿圆柱螺旋线旋转形成，以达到风向变化时无需对风旋转。实际上在叶片总螺旋角不等于360度整数倍时，即使在风向不变时，风力机风轮输出力矩仍然周期性变化。此外，该项发明中指出叶片数多于一个，表明该项专利没有考虑到叶片总螺旋角等于360度整数倍可解决力矩不稳定问题。因为只要叶片总螺旋角等于360度整数倍，即使只有一个叶片也不存在力矩不稳定问题。

因此上述两项专利有益于部份消除风轮力矩周期性变化和缓解起动问题，但由于未能考虑到风轮叶片垂直方向投影的各向同性(即：叶片总螺旋角等于360度整数倍和叶素积叠螺旋线所在回转面为圆柱面)，根据该两项专利技术很难设计出风轮输出力矩不周期性变化和具有自起动能力的风轮。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片载荷无周期性变化、能自起动的垂直轴风力机。

一种自起动无振动垂直轴风力机风轮，由旋转轴、叶片安装支板、n个通过叶片安装支板安装于旋转轴的螺旋形叶片组成，上述n个螺旋形叶片结构完全相同且沿旋转轴转动方向呈均匀分布，n为大于等于1的自然数，其特征在于：上述螺旋形叶片由叶素沿螺旋形积叠线积叠形成，叶素积叠按等安装角和0度俯仰角叠积形成，上述螺旋形积叠线所在回转面为绕旋转轴的圆柱面；设上述螺旋形积叠线螺旋角为Φ，n及Φ满足以下关系式：n×Φ＝k×360°，k为大于等于1的自然数。

如果所有叶片轴向投影构成一个或多个完整圆环，那么在某一风速下，虽然风轮转动时，各叶素相对于风速方向变化所受气体力周期性变化，但叶片产生的关于转动轴的总力矩恒定不变。因此本项发明提出的螺旋形升力型垂直轴风力机叶片设计技术，可有效解决现有此类风力机两个主要不足：1)叶片载荷周期性变化影响整机疲劳寿命，2)不能自起动。该项专利应用可有力推动垂直轴风力机应用。

四、附图说明

图1构成叶片的叶素示意图。

图2(a)2个完整轴向投影圆环叶素积叠螺旋线水平方向投影图。

图2(b)2个完整轴向投影圆环叶素积叠螺旋线垂直方向投影图。

图3(a)用于定义螺旋角的叶素积叠螺旋线水平方向投影图。

图3(b)用于定义螺旋角的叶素积叠螺旋线轴向投影图。

图4(a)3个完整轴向投影圆环1个叶片风轮水平方向投影图。

图4(b)3个完整轴向投影圆环1个叶片风轮轴向投影图。

图52个完整轴向投影圆环1个叶片风轮三维视图。

图61个完整轴向投影圆环1个叶片风轮三维视图。

图71个完整轴向投影圆环2个叶片风轮三维视图。

图81个完整轴向投影圆环3个叶片风轮三维视图。

图中标号名称：1、风速，2、叶素旋转迹线，3、叶素，4、旋转轴，5、叶素旋转半径，6、叶素积叠螺旋线，7、直角坐标，其中Z表示铅垂方向，8、叶素积叠螺旋线回转半径，9、叶型积叠线螺旋角，10、螺旋形叶片，11、叶片安装支板。

五、具体实施方法

以下结合图1到图9说明本发明螺旋形升力型叶片构成的垂直轴风力机实施方法：

1、叶素积叠螺旋线确定

螺旋形叶片10由叶素3沿叶素积叠螺旋线6叠积形成。叶素积叠螺旋线6的回转半径8取叶素3的旋转半径5，螺旋线高度取叶片高度与叶片数乘积，给定螺旋线周期数(螺旋线回转360度为一个周期)，由上三个参数(螺旋线回转半径、螺旋线高度、螺旋线周期限数)确定叶素积叠螺旋线6。

2、叶片形成

将选定叶素3沿叶素积叠螺旋线6按等安装角(叶素弦线与切向夹角，通常为0度)和0度俯仰角(叶素型面水平)积叠构成未分割叶片。再根据叶片数进行等长度分割(如果风轮只有一个叶片，则不需要分割)，将分割的叶片沿旋转轴4方向平移，使各叶片位于同一高度、转动方向均匀分布。采用以上方法可得一个螺旋线周期单叶片风轮(图4、5)；二个螺旋线周期单叶片风轮(图6)；一个螺旋线周期二个叶片风轮(图7)；一个螺旋线周期三个叶片风轮(图8)，以及由此方法构成的一个或者多个螺旋线周期若干个叶片风轮。只要叶片轴向投影是一个或多个完整周期，则风向不影响风力机叶片旋转轴4产生的力矩，同时风轮旋转过程中不会产生力矩的波动，因此可解决力矩不稳定和风力机起动问题。

3、风力机风轮构成

风力机主要由风轮、发电机、控制器、负载等部件组成。对于离网型风力机，负载主要为蓄电池；对于并网型风力机，负载为逆变器。由于上述各部件为风力机必备部件、其功能及相互之间关系也属常识性内容，在此不作介绍，以下着重介绍本发明主要涉及的风力机风轮构成。

本发明所涉及的风轮主要由螺旋形叶片9、转动轴4、叶片安装支板11组成。本发明中，风轮叶片9通过叶片安装支板11与转动轴4连接。安装支板11可采用安装螺钉分别与叶片9及转动轴4固定，也可采用焊接方法进行连接。风从风轮侧向吹向风力机风轮，风轮转动带动发电机发电。

Claims (1)

1、一种自起动无振动垂直轴风力机风轮，由旋转轴(4)、叶片安装支板(11)、n个通过叶片安装支板安装于旋转轴的螺旋形叶片(10)组成，上述n个螺旋形叶片结构完全相同且沿旋转轴(4)转动方向呈均匀分布，n为大于等于1的自然数，其特征在于：

上述螺旋形叶片由叶素(3)沿螺旋形积叠线(6)积叠形成，叶素积叠按等安装角和0度俯仰角叠积形成，上述螺旋形积叠线所在回转面为绕旋转轴(4)的圆柱面；

设上述螺旋形积叠线螺旋角(9)为Φ，n及Φ满足以下关系式：n ×Φ＝k×360°，k为大于等于1的自然数。

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