CN101694205A - 一种集风式立轴风机的控制方法及其风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集风式立轴风机的控制方法及其风力发电机组，其特点是通过调节集风式立轴风机的集风系统的方位角度控制入流风速、相对风速、叶片的攻角、风轮的驱动力，从而能控制风能效率和风机功率；一种集风式立轴风力发电机，它主要由主轴、风轮、塔架、轴承、基座、变速箱、发电机和集风系统组成，集风系统主要由导风翼、集风翼和驱动、控制器件组成，通过调节和控制导风翼和集风翼的方位角，达到控制风能效率和风机功率的目的。

Description

一种集风式立轴风机的控制方法及其风力发电机组

技术领域

本发明属于风力发电机组的设计与制造技术，具体是集风式立轴(又称垂直轴)风机的控制方法及其风力发电机组。

背景技术

为了使风机在运行中达到高的风能效率和功率控制，现行的控制方法基本都采用变浆技术和偏航技术，这种方法对水平轴机型的控制是有效的，但用于立轴机型、特别是大型的，这些技术存在不小的问题：一是立轴风机的叶片处于风轮圆周上的线速度运行，调节浆距角转动叶片时的进动扭矩易导致叶片震颤而产生结构疲劳，降低了风机的安全性和使用寿命；二是立轴风机的叶片间距离较大，浆距角驱动机构、特别是液压或气动部件在运动与静止结合部的机构复杂，提高了控制成本、降低了控制可靠性；三是立轴风机没有偏航现象、无偏航技术可言。

为了避免出现上述问题，立轴风机的叶片相对于风轮必须是固定的。因此，运行中达到高的风能效率和功率控制就必须采用新的控制方法。

本发明设计了一种可调节的集风系统，提出了一种叶片相对于风轮固定的立轴风机的风能效率和功率控制的解决方案。这是一种全新的控制方法，同时还设计了一种新型的集风式立轴风力发电机组。

发明内容

本发明的目的是设计一种集风式立轴风机的控制方法和实现所述控制方法的一种集风式立轴风力发电机组。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：

一种集风式立轴风机的控制方法，其特征是通过调节集风式立轴风机的集风系统的方位角度能控制入流风速v，而入流风速v与相对风速u、相对风速u与叶片的攻角α、叶片的攻角α与风轮的驱动力F₁、风轮的驱动力F₁与风机功率之间彼此关联，因此通过调节集风系统的方位角度能达到控制风机功率的目的；所述集风系统由至少三个风导8和驱动器件组成，风导8由集风翼4、导风翼5和立柱6构成，其特征是集风翼4和导风翼5两者分别连接在立柱6的两侧、并且两者均能绕立柱6转动，立柱6竖向并且彼此之间等间距地置于以风机主轴1的轴心为圆心、以大于风轮2半径+导风翼5宽度为半径的圆周f上，集风翼4位于所述圆周f的外侧、导风翼5位于所述圆周f的内侧；集风翼4转动的方位角θ是立柱6横截面中心点和主轴1横截面轴心的连线a与集风翼4横截面中心线b之间的夹角、导风翼5转动的方位角β是所述连线a与导风翼5横截面中心线c之间的夹角；当与集风翼4和导风翼5连接的所述驱动器件工作时，集风翼4和导风翼5绕立柱6转动，调节方位角θ和方位角β变化而改变入流风速v。

一种集风式立轴风力发电机，它主要由主轴1、风轮2、塔架3、轴承7、基座10、变速箱11、发电机12和集风系统组成，其特征是：风轮2固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，变速箱11和发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，变速箱11的低速轴与主轴1的底端连接、变速箱11的高速轴与发电机12的转子轴连接，集风系统安装在塔架3上；所述风轮2由至少两个叶片9和至少四个悬臂13组成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；所述塔架3由至少三根立柱6、至少六根径向梁16、至少六根横梁24和至少两个轴承座17构成，径向梁16的一端与立柱6固连、另一端与轴承座17固连，横梁24的两端与相邻的立柱6固连；所述轴承7安装在轴承座17中间，所述主轴1安装在所述轴承7的中间；所述集风系统由至少三个风导8和驱动器件组成，风导8由集风翼4、导风翼5和所述塔架3的立柱6构成，集风翼4安装在所述立柱6外侧并能绕立柱6转动，集风翼4转动的方位角θ是立柱6横截面中心点和主轴1横截面轴心的连线a与集风翼4横截面中心线b之间的夹角，导风翼5安装在所述立柱6的内侧并能绕立柱6转动，导风翼5转动的方位角β是所述连线a与导风翼5横截面中心线c之间的夹角，所述驱动器件由驱动器18和传动装置20组成，传动装置20与所述导风翼5连接或者与所述集风翼4连接，驱动器18通过传动装置20驱动和控制导风翼5的方位角β变化或者驱动和控制集风翼4的方位角θ变化。通过调节集风翼4的方位角θ或导风翼5的方位角β大小来控制入流风速v、入流风速v与相对风速u、相对风速u与叶片的攻角α、叶片的攻角α与风轮的驱动力F₁、风轮的驱动力F₁与风机功率之间关联，通过调节集风翼4的方位角θ或导风翼5的方位角β控制风能效率和风机功率。

本发明还包括以下的技术方案：

所述风轮2的另一种结构是由至少两个叶片9、至少四个悬臂13和至少四个撑臂21组成，撑臂21的一端与悬臂13连接、另一端与主轴1连接，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接。所述风轮2的另一种安装方案是沿竖直方向，在所述主轴1上连接至少两个风轮2。

所述塔架3的另一种结构是由至少三根立柱6、至少六根径向梁16、至少六根横梁24、至少两个轴承座17和至少三根立柱23构成，立柱6的两端与径向梁16固连，径向梁16的一端与轴承座17固连、另一端与立柱6和立柱23固连或者与横梁24固连，横梁24的两端与相邻两根立柱23固连。

所述风导8的另一种结构是由所述集风翼4、所述导风翼5、所述立柱6、支撑件14和定位器22组成，其特征是支撑件14固连在立柱6外侧，集风翼4安装在支撑件14竖直方向的转轴e上，导风翼5安装在立柱6的内侧并能绕立柱6转动，定位器22安装在支撑件14上；当定位器22处于定位工作状态时，集风翼4被固定在支撑件14上所述方位角θ的位置上，当定位器22处于去定位工作状态时，集风翼4在风的作用下，能绕支撑件14的竖向转轴e顺风转动。所述风导8的第三种结构是由所述集风翼4、所述导风翼5、所述立柱6和所述立柱23组成，集风翼4安装在立柱6与立柱23之间所述方位角θ的位置上，导风翼5连接在立柱6的内侧并能绕立柱6转动。所述风导8的第四种结构是仅由连接在所述立柱6上并绕立柱6转动的所述导风翼5组成。所述风导8的另一种安装方案是沿竖直方向，在所述塔架3上安装至少两组风导，每组风导至少由三个风导8组成。

所述传动装置20的一种设计方案是由减速器19、至少两个导轮组件25、钢丝绳26和至少三个钢丝绳连接件15组成，其特征是导轮组件25安装在相邻两个所述立柱6或者所述立柱23之间横梁24的中间位置，钢丝绳26通过连接件15与导风翼5连接，钢丝绳26经过导风翼5之间的导轮组件25上的导轮绕接在减速器19输出轴的动力轮上形成闭合，减速器19的输入轴与驱动器18为电机的轴连接，当电机转动时驱动导风翼5绕立柱6转动。所述传动装置20的第二种设计方案是由连接件27、转轴28和连接件29组成，其特征是连接件29的一端与转轴28连接、另一端与导风翼5连接，连接件27的一端与转轴28连接、另一端与驱动器18为步进电机的轴连接，步进电机安装在立柱6上，当所述步进电机转动时驱动导风翼5绕立柱6转动。所述传动装置20的第三种设计方案是由驱动器18为液压机的行程杆构成传动装置20，其特征是传动装置20与驱动器18为一体，所述液压机安装在所述径向梁16或者安装在所述横梁24上，所述液压机的行程杆与导风翼5连接，液压机工作时驱动导风翼5绕立柱6转动。用以上所述传动装置20的三种设计方案同样能驱动所述集风翼4绕立柱6转动，只需将连接导风翼5的地方改变为连接集风翼4。

本发明的有益效果：

一是在所述集风系统中，相邻的两个风导8之间形成了以集风翼4横截面中心线b的交点或者导风翼5横截面中心线c的交点为扇心的扇形区域；风经过上述扇形区域时，流通截面是由大变小的过程，由于流体的伯努利(Bernoulli)效应，风压和风速是由小变大的过程，因此，风导8所起的一个作用是聚集风能、提高风速；由于风能的功率与风速的立方成正比，所以本发明的效果之一是提高了吹到风机叶片上的风能功率。

二是对采用升推型叶片(这种叶片与风作用时既能产生推力、又能产生升力)的风机，风速较小时叶片的动力主要由推力提供、风速较大时叶片的动力主要由升力提供，简单讲相对于风轮的旋转方向，叶片的推力来源于顺风、升力近似来源于逆风，产生推力与产生升力的风向是不同的。因此，仅用定向的集风系统不能有效利用升推型叶片的性能。在本发明所述集风系统中，风导8有调节风流导向的功能，对集风翼4固定安装在方位角θ位置的风导8，只有导风翼5能调节风流导向；当集风翼4固定安装在方位角θ≠0的方位上时，集风翼4形成扇形的扇心与主轴1的轴心不重合，此时的集风翼4能形成定向的偏离主轴1轴心的风流导向、但不能调节导向，导风翼5的作用是在集风翼4确定的导向上进一步改变和调节风流导向，方位角θ值的确定与风机安装地点的年均风速有关；对集风翼4和导风翼5都能绕立柱6转动的风导8，改变和调节风流导向的范围更大。风导8改变和调节风流导向的另一个作用是在风轮2的周围形成更多的出力风流，从而增加叶片的出力时间。本发明的效果之二是有效利用升推型叶片的性能，提高风机的风能利用效率。

三是本发明的集风系统既能聚集风能、提高风速和风机效率，还能在风速超过额定风速时，调节风导8溢出多余的风能、保持风机在额定风速下运行；通过调节导风翼5的方位角β和集风翼4的方位角θ控制作用在叶片9上的入流风速v、相对风速u和攻角α，从而达到控制风机功率的目的。现有的风机功率控制方法是通过调节叶片的浆矩角，来控制叶片的攻角；在风机运行时，叶片是运动部件，对运动部件、特别是大型的，实施控制涉及很多问题。与此相比，本发明的功率控制是通过安装在塔架上的集风系统来实现的，在风机运行时，塔架3和风导8相对于控制及其执行驱动机构是静止的，实施控制涉及的问题相对简单很多。本发明的效果之三是通过对风机运行中的静止部件风导的调节，来控制风机的功率，这是一个全新的风机功率控制方法。

四是本发明的主轴1和风轮2全部置于塔架3之中，减小了对主轴1和风轮2的抗弯矩强度要求，主轴1贯穿整个风轮2，使风轮2的结构得以简化和紧凑，因此降低了主轴1的材料成本和风轮的制造成本；由于本发明的塔架3比通常立轴风机塔架的跨度大，可采用多立柱结构，而这正是设置集风系统的要求，因此塔架立柱在结构上是一物两用。本发明的主轴1、风轮2、塔架3和风导8的总体造价与相同容量无集风系统的立轴风机相应总体造价差别不大，但本发明的控制方法带来的控制可靠性、易实施性和低成本的优势显著，主要体现在本发明控制方法的实施过程中不存在控制运动部件时产生的进动扭矩、陀螺扭矩、叶片震颤、叶片强度要求相对高、运动部件与静止部件结合部的传动机构复杂、故障率相对高等问题。本发明风导8设置在风轮2的外面，能在相当大程度上减小阵风对叶片9的冲击，集风翼4能在大风时自行解除集风功能而顺风转动，减小大风对风机的冲击压力、提高风机的安全性，消除了阵风和大风对叶片冲击引起风机故障、部件寿命降低、甚至疲劳断裂的主要根源。本发明的结构对安装风轮2和风导8提供了方便，塔架3安装与常见的输电塔安装相似，塔架3安装后在顶部安装起重葫芦或倒链便能吊装部件，发电机12和变速箱11安装在塔架3下面，因此不用租用起重吊车，降低安装和维修成本。本发明的效果之四是提高了控制过程的可靠性，减少引发故障的因素，延长风机寿命，降低控制、叶片、安装和维护成本。

附图说明

图1是本发明中两种四叶片风轮和两种三叶片风轮的结构示意图。

图2是本发明中一种四叶片双风轮的结构示意图。

图3是本发明中一种四叶片四风轮的结构示意图。

图4是本发明中一种三叶片六风轮的结构示意图。

图5是本发明中一种两叶片四风轮的结构示意图

图6是本发明中一种三螺旋叶片风轮的结构示意图。

图7是本发明中一种五叶片风轮的结构示意图。

图8是本发明中两种五棱形塔架的结构示意图。

图9是本发明中两种四方形塔架的结构示意图。

图10是本发明中一种六棱形塔架的结构示意图。

图11是本发明中一种三棱形塔架的结构示意图。

图12是本发明中五种风导的结构示意图，其中图(a)和图(c)属同一种。

图13是本发明实施例一的结构示意图，其中图(a)未安装风轮。

图14是本发明实施例二的结构示意图，其中图(a)未安装风轮。

图15是本发明实施例三的结构示意图，其中图(a)未安装风轮。

图16是本发明实施例四(图a)和实施例五(图b)的结构示意图。

图17是本发明实施例四的风导结构示意图。

图18是本发明实施例一导风翼的驱动器位置和传动装置结构的一个横截面示意图。

图19是本发明实施例二中定位器处在定位工作状态(图a)和去定位工作状态(图b)时，集风翼处在不同位置的横截面示意图。

图20是本发明实施例一中风导的两种导向的横截面示意图，其中的局部放大视图是在两种导向状态下的集风翼方位角θ和导风翼方位角β与风导结构的位置关系示意图。

图21是以本发明实施例一的风轮为例，说明风在无集风系统的风机叶片上的作用力的示意图。

图22是以本发明实施例一中调节导风翼方位角β变化，导致风在叶片产生的驱动力F₁变化为例，说明本发明风机控制方法的原理示意图。

本发明说明书和说明书附图中使用的符号释义如下：

w-自然风速，v、v’-入流风速，ω-叶片旋转的相对风速，

u、u’-相对风速(即入流风速+叶片旋转相对风速的矢量合成风速)，

a-立柱6横截面中心点与主轴1横截面轴心之间的连线，

b-集风翼4横截面中心线，c、c’-导风翼5横截面中心线，

d-叶片弦线，e-支撑件14上的竖直方向的转轴

f-以风机主轴1的轴心为圆心、以大于风轮2半径+导风翼5宽度为半径的圆周线，立柱6竖向等间距地分布在此圆周上，

α、α’-叶片的攻角(即d与u、d与u’之间的夹角)，

β-导风翼5转动的方位角(即a与c之间的夹角)，

θ-集风翼4转动的方位角(即a与b之间的夹角)，

F、F’-相对风速u、u’在叶片上产生的作用力，

F₁、F₁’-F、F’垂直于风轮半径的分力、是风轮的转动驱动力，

F₂、F₂’-F、F’平行于风轮半径的分力、是风轮的轴向力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图13(b)是本发明实施例一的结构示意图，它由图1(a)所示的主轴1、一个四叶片风轮2和轴承7、图8(a)所示的五菱形塔架3、图12(a)和(c)所示的风导8、图18和图12(c)所示的驱动器18和传动装置20、图13(a)所示的基座10、变速箱11和发电机12组成；一个四叶片风轮2固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，变速箱11和发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，变速箱11的低速轴与主轴1的底端连接、变速箱11的高速轴与发电机12的转子轴连接；风轮结构由四个叶片9和八根悬臂13构成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；塔架结构由五根立柱6、十根径向梁16、十根横梁24和两个轴承座17构成，径向梁16的一端与立柱6固连、另一端与轴承座17固连，横梁24的两端与相邻的立柱6固连；轴承7安装在轴承座17中间，主轴1安装在轴承7的中间；集风系统的结构是五个集风翼4分别安装在五根立柱6外侧并能绕立柱6转动，五个导风翼5分别安装在五根立柱6的内侧并能绕立柱6转动，五个导风翼5的驱动器18是一个电机，安装在塔架下端一根横梁24的中间位置，传动装置20由一个减速器19、四个导轮组件25、一根钢丝绳26和五个钢丝绳连接件15组成，五个钢丝绳连接件15分别连接在五个导风翼5的下端，导轮组件25安装在相邻两个立柱6之间下端横梁24的中间位置，钢丝绳26通过五个连接件15分别与五个导风翼5连接，钢丝绳26经过导风翼5之间的四个导轮组件25上的导轮绕接在减速器19输出轴的动力轮上形成闭合，减速器19的输入轴与电机的轴连接，当电机转动时驱动导风翼5绕立柱6转动，每个集风翼4有一套驱动器18和传动装置20，驱动器18是步进电机，传动装置20由连接件27、转轴28和连接件29组成，连接件29的一端与转轴28连接、另一端与集风翼4连接，连接件27的一端与转轴28连接、另一端与步进电机的轴连接，五个步进电机分别安装在五根立柱6上，当步进电机转动时驱动集风翼4绕立柱6转动。实施例一的特点是导风翼5和集风翼4都能转动，方位角θ和β均能被调节(见图20)，相当于既能调节风导8的方向位置、又能调节风导8的弯曲度(即b与c之间的夹角)，因此调节风流导向的范围大而且控制流向精确性较高。

图14(b)是本发明实施例二的结构示意图，它由图1(a)和图3所示的主轴1、四个四叶片风轮2和轴承7、图8(a)所示的五菱形塔架3、图12(f)和图19所示的风导8及其驱动器18和传动装置20、图14(a)所示的基座10和发电机12组成；四个四叶片风轮2沿竖向相邻两个交错45°固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，主轴1的底端直接与直驱型的发电机12的转子轴连接；风轮结构共有十六个叶片9和三十二根悬臂13构成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；塔架结构由五根立柱6、十根径向梁16、十根横梁24和两个轴承座17构成，径向梁16的一端与立柱6固连、另一端与轴承座17固连，横梁24的两端与相邻的立柱6固连；轴承7安装在轴承座17中间，主轴1安装在轴承7的中间；集风系统的结构是五个集风翼4分别安装在五根立柱6外侧并固连在立柱6上、下段的两个支撑件14竖直方向的转轴e上，五个定位器22分别安装在五根立柱6外侧并固连在立柱6下段的支撑件14上，当定位器22处于定位工作状态时，集风翼4被固定在支撑件14上所述方位角θ的位置上，当定位器22处于去定位工作状态时，集风翼4在风的作用下，能绕支撑件14的竖向转轴e顺风转动，五个导风翼5分别连接在五根立柱6的内侧并能绕立柱6转动，每个导风翼5有一套驱动器18和传动装置20，驱动器18是步进电机，传动装置20由连接件27、转轴28和连接件29组成，连接件29的一端与转轴28连接、另一端与导风翼5连接，连接件27的一端与转轴28连接、另一端与步进电机的轴连接，五个步进电机分别安装在五根立柱6上，当步进电机转动时驱动导风翼5绕立柱6转动。实施例二的特点是导风翼5能转动，而集风翼4在定位器22处于定位工作状态时是固定的，只有方位角β能被调节，相当于风导8的方向位置是固定的、风导8的弯曲度能调节，集风翼4方位角θ值的确定与风机运行地点的年均风速有关，调节风流导向的范围和流向精确性比本发明实施例一的小一些，但驱动和控制系统相对简单；集风翼4能在大风时，通过控制定位器22处于去定位工作状态，顺风转动到风速w₂的方向上而解除其集风功能(见图19)，以减小大风对风机的冲击力。本发明实施例二适用于风况变化较大的地区。

图15(b)是本发明实施例三的结构示意图，它由图1(a)和图2所示的主轴1、两个四叶片风轮2和轴承7、图8(b)所示的五菱形塔架3、图12(b)所示的风导8、图15(a)所示的驱动器18、传动装置20、基座10和发电机12组成；两个四叶片风轮2沿竖向交错45°固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，主轴1的底端直接与直驱型发电机12的转子轴连接；风轮结构由八个叶片9和十六根悬臂13构成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；塔架结构由五根立柱6、十根径向梁16、十根横梁24、两个轴承座17和五根立柱23构成，立柱6的两端与径向梁16固连，径向梁16的一端与轴承座17固连、另一端与立柱6和立柱23固连，横梁24的两端与相邻两根立柱23固连；轴承7安装在轴承座17中间，主轴1安装在轴承7的中间；集风系统的结构是五个集风翼4分别安装在五根立柱6与五根立柱23之间所述方位角θ的位置上，五个导风翼5分别连接在五根立柱6的内侧并能绕立柱6转动，每个导风翼5有一套驱动器18和传动装置20，驱动器18是步进电机，传动装置20由连接件27、转轴28和连接件29组成，连接件29的一端与转轴28连接、另一端与导风翼5连接，连接件27的一端与转轴28连接、另一端与步进电机的轴连接，五个步进电机分别安装在五根立柱6上，当步进电机转动时驱动导风翼5绕立柱6转动。本发明实施例三的特点是集风翼4是固定的、导风翼5能转动，只能调节方位角β，相当于风导8的方向位置是固定的、风导8的弯曲度能调节，集风翼4方位角θ值的确定与风机运行地点的年均风速有关，调节风流导向的范围和流向精确性与本发明实施例二的相同，但驱动和控制系统的成本比本发明实施例二的低；它的塔架是双立轴结构，提高了风机的稳定性和安全性，适用于风力较大的地区。

图16(a)是本发明实施例四的结构示意图，它由图1(c)和图4所示的主轴1、六个三叶片风轮2和轴承7、图9(b)所示的四方形塔架3、图12(d)所示的风导8、图17所示的风导结构及其驱动器18和传动装置20、图16(a)所示的基座10、变速箱11和发电机12组成；六个三叶片风轮2沿竖向相邻两个交错60°固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，变速箱11和发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，变速箱11的低速轴与主轴1的底端连接、变速箱11的高速轴与发电机12的转子轴连接；风轮结构由十八个叶片9和三十六根悬臂13构成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；塔架结构由四根立柱6、十六根径向梁16、十六根横梁24、四个轴承座17和四根立柱23构成，径向梁16的一端与轴承座17固连、八根位于塔架3上下端的径向梁16另一端与立柱6和立柱23固连、八根位于塔架3中段的径向梁16另一端与横梁24固连，四根立柱6的两端与八根位于塔架3上下端的径向梁16固连，横梁24的两端与相邻两根立柱23固连；轴承7安装在轴承座17中间，主轴1安装在轴承7的中间；集风系统的结构是在四根立柱6的每根内侧沿竖直方向连接三个导风翼5，这三个导风翼5之间彼此被固连形成一个大风导并能绕立柱6转动，在每个大风导的上下两端各连接一个液压机，即液压机为驱动器18、液压机的行程杆为传动装置20，八个液压机分别安装在八根径向梁16上，液压机工作时驱动大风导绕立柱6转动。本发明实施例四的特点在于它的风导结构是由竖向固连的三个导风翼5构成的连接在立柱6内侧并能绕立轴6转动的、无弯曲度或者说是平面的、方向位置能调节的大风导，调节风流导向的范围大、但流向精确性比本发明实施例一的低，风导、驱动和控制系统的成本相对低，塔架也是双立轴结构，适用于大机型。

图16(b)是本发明实施例五的结构示意图，它由图5所示的主轴1、四个两叶片风轮2和轴承7、图11所示的三菱形塔架3、图12(e)所示的风导8、图16(b)所示的驱动器18、传动装置20、基座10、变速箱11和发电机12组成；四个两叶片风轮2沿竖向相邻两个交错90°固连在主轴1上，主轴1通过轴承7安装在塔架3的中心位置，风轮2安装在塔架3的里面，塔架3固定在基座10上面，变速箱11和发电机12安装在塔架3下面的基座10里面，变速箱11的低速轴与主轴1的底端连接、变速箱11的高速轴与发电机12的转子轴连接；风轮结构由八个叶片9和十六根悬臂13构成，悬臂13的一端与主轴1连接、另一端与叶片9连接；塔架结构由三根立柱6、六根径向梁16、六根横梁24、两个轴承座17构成，径向梁16的一端与轴承座17固连、另一端与立柱6固连，横梁24的两端与相邻两根立柱6固连；轴承7安装在轴承座17中间，主轴1安装在轴承7的中间；集风系统的结构是三个导风翼5分别安装在三根立柱6上并能绕立柱6转动，三个导风翼5的上端分别连接三个液压机，即液压机为驱动器18、液压机的行程杆为传动装置20，三个液压机分别安装在塔架上端的三根径向梁16上，液压机工作时驱动导风翼5绕立柱6转动。本发明实施例五的特点是立柱6置于导风翼5的中间，导风翼5能绕立柱6转动，相当于风导8的方向位置能调节、风导8的弯曲度被固定为平面(即b与c之间的夹角＝180°)，调节风流导向的范围大、但流向精确性比本发明实施例一的低，塔架、风导、驱动和控制系统的成本相对低。

下面结合附图和实施例一对本发明控制方法的原理作详细的描述。

图20是本发明实施例一集风系统的风导8在两种导向状态下的横截面示意图，结合其中的局部放大视图可见，圆周f的圆心是风轮2和主轴1的轴心、圆周f的半径大于风轮2的半径+导风翼5的宽度，五根立柱6竖向并且彼此等间距地分别在圆周f上，五个集风翼4分别连接在五根立柱6上位于圆周f的外侧并能绕立柱6转动、五个导风翼5分别连接在五根立柱6上位于圆周f的内侧并能绕立柱6转动，集风翼4转动的方位角θ是立柱6横截面中心点和主轴1横截面轴心的连线a与集风翼4横截面中心线b之间的夹角、导风翼5转动的方位角β是所述连线a与导风翼5横截面中心线c之间的夹角；图20(a)是五个集风翼4和五个导风翼5均按顺时针方向转动的风流导向示意图，图20(b)是五个集风翼4和五个导风翼5均按逆时针方向转动的风流导向示意图。

在立轴风机运行中，每旋转一周，叶片的攻角α经历360°的变化，α只有在约≤±30°范围内，风作用在叶片上才能产生升力、驱动风轮，在其他的角度范围内，叶片处于失速状态、无力驱动风轮，所以在立轴风机运行中，风轮上的叶片以轮换接力的方式驱动风轮转动。大体上，对四叶片风轮在某一时刻只有两个叶片对风轮提供动力。因此，在下面本发明控制方法原理的描述和图示中，只分析本发明实施例一中两个叶片上风作用力变化的状况。

图22(a)是本发明实施例一集风系统的风导8，以图20(a)所示的导向为起始状态，在风轮2以圆弧箭头所示方向旋转过程中，调节导风翼5按顺时针方向转动至虚线所示的位置，即图22(a)中由c转动到c’)的过程中，流经迎风面上三个集风翼4之间形成的两个扇形区域的自然风速w的主要风流由实线所示的流向改变到虚线所示的流向；为了清楚地比较，图22(a)将导风翼5开始调节时刻和终止调节时刻的风轮2位置置于相同的角度方位上；流经下方和右方两个叶片上的入流风速由v改变到v’、相对风速由u改变到u’、叶片的攻角由α改变到α’，在叶片上产生作用力由F改变到F’、风轮的转动驱动力由F₁改变到F₁’、风轮的轴向力由F₂改变到F₂’，可见调节导风翼5按顺时针方向转动的效果是减小叶片攻角、减小风轮的转动驱动力和增大风轮的轴向力，即图22(a)中α＞α’、F₁＞F₁’、F₂＜F₂’；同理，调节集风翼4按顺时针方向转动也得到相同的效果。图22(b)是本发明实施例一集风系统的风导8，以图20(a)所示的导向为起始状态，在风轮2以圆弧箭头所示方向旋转过程中，调节导风翼5按逆时针方向转动至虚线所示的位置，即图22(b)中由c转动到c’时，流经迎风面上三个集风翼4之间形成的两个扇形区域的自然风速w的主要风流由实线所示的流向改变到虚线所示的流向；为了清楚比较，图22(b)将导风翼5开始调节时刻和终止调节时刻的风轮2位置置于相同的角度方位上；流经下方和右方两个叶片上的入流风速由v改变到v’、相对风速由u改变到u’、叶片的攻角由α改变到α’，在叶片上产生作用力由F改变到F’、风轮的转动驱动力由F₁改变到F₁’、风轮的轴向力由F₂改变到F₂’，可见调节导风翼5按逆时针方向转动的效果是增大叶片攻角、增大风轮的转动驱动力和减小风轮的轴向力，即图22(b)中α＜α’、F₁＜F₁’、F₂＞F₂’；同理，调节集风翼4按逆时针方向转动也得到相同的效果。由上述的分析可见，逆时针方向转动导风翼5或集风翼4将提高叶片的风能利用效率、增大风轮的转动驱动力F₁，从而提高风机的功率；顺时针方向转动导风翼5或集风翼4将降低叶片的风能利用效率、减小风轮的转动驱动力F₁，从而降低风机的功率。因此，通过调节集风系统方位角度的方法，能达到控制风能效率和风机功率的目的。

图21是以本发明实施例一的风轮2为例，在没有集风系统的情况下，风在叶片上产生的作用力示意图，这种情况下的入流风向与自然风向一致，即v与w平行，风在下方叶片产生的作用力状况与图22所示的有集风系统的下方叶片的状况比较相近，但风在右方叶片产生的作用力状况差别较大，在图22所示的有集风系统的右方叶片上风轮的转动驱动力F₁比图21所示无集风系统的右方叶片上风轮的转动驱动力F₁大得多。由此可见，集风系统对自然风向的改变使风轮迎风面上的相对风速u，在更大范围上处于叶片攻角α的出力范围中，这提高了叶片的出力时间和风能利用效率，并且在相当程度上补偿了风导对其附近的自然风速w速度降低的不利影响。

Claims (10)

1.一种集风式立轴风机的控制方法，其特征是通过调节集风式立轴风机的集风系统的方位角度能控制入流风速(v)，而入流风速(v)与相对风速(u)、相对风速(u)与叶片的攻角(α)、叶片的攻角(α)与风轮的驱动力(F1)、风轮的驱动力(F₁)与风机功率之间彼此关联，因此通过调节集风系统的方位角度能达到控制风机功率的目的；所述集风系统由至少三个风导(8)和驱动器件组成，风导(8)由集风翼(4)、导风翼(5)和立柱(6)构成，其特征是集风翼(4)和导风翼(5)两者分别连接在立柱(6)的两侧、并且两者均能绕立柱(6)转动，立柱(6)竖向并且彼此之间等间距地分布在以风机主轴(1)的轴心为圆心、以大于风轮(2)半径+导风翼(5)宽度为半径的圆周(f)上，集风翼(4)位于所述圆周(f)的外侧、导风翼(5)位于所述圆周(f)的内侧；集风翼(4)转动的方位角(θ)是立柱(6)横截面中心点和主轴(1)横截面轴心的连线(a)与集风翼(4)横截面中心线(b)之间的夹角、导风翼(5)转动的方位角(β)是立柱(6)横截面中心点和主轴(1)横截面轴心的连线(a)与导风翼(5)横截面中心线(c)之间的夹角；当与集风翼(4)和导风翼(5)连接的所述驱动器件工作时，集风翼(4)和导风翼(5)绕立柱(6)转动，从而调节方位角(θ)和方位角(β)变化而控制入流风速(v)。

2.根据权利要求1所述控制方法的一种集风式立轴风力发电机组，主要由主轴(1)、风轮(2)、塔架(3)、轴承(7)、基座(10)、变速箱(11)、发电机(12)和集风系统组成，其特征是：风轮(2)固连在主轴(1)上，主轴(1)通过轴承(7)安装在塔架(3)的中心位置，风轮(2)安装在塔架(3)的里面，塔架(3)固定在基座(10)上面，变速箱(11)和发电机(12)安装在塔架(3)下面的基座(10)里面，集风系统安装在塔架(3)上；所述风轮(2)由至少两个叶片(9)和至少四个悬臂(13)组成，悬臂(13)的一端与主轴(1)连接、另一端与叶片(9)连接；所述塔架(3)由至少三根立柱(6)、至少六根径向梁(16)、至少六根横梁(24)和至少两个轴承座(17)构成，径向梁(16)的一端与立柱(6)固连、另一端与轴承座(17)固连，横梁(24)的两端与相邻的立柱(6)固连；所述轴承(7)安装在轴承座(17)中间，所述主轴(1)安装在所述轴承(7)的中间；所述集风系统由至少三个风导(8)和驱动器件组成，风导(8)由所述集风翼(4)、所述导风翼(5)和所述塔架(3)的立柱(6)构成，集风翼(4)连接在所述立柱(6)外侧并能绕立柱(6)转动，导风翼(5)连接在所述立柱(6)内侧并能绕立柱(6)转动，当与集风翼(4)和导风翼(5)连接的所述驱动器件工作时，集风翼(4)和导风翼(5)绕所述立柱(6)转动。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的集风系统，其特征是所述风导(8)由所述集风翼(4)、所述导风翼(5)、所述立柱(6)、支撑件(14)和定位器(22)组成，支撑件(14)固连在立柱(6)外侧，集风翼(4)安装在支撑件(14)竖直方向的转轴(e)上，导风翼(5)连接在立柱(6)内侧并能绕立柱(6)转动，定位器(22)安装在支撑件(14)上；当定位器(22)处于定位工作状态时，集风翼(4)被固定在支撑件(14)上所述方位角(θ)的位置上；当定位器(22)处于去定位工作状态时，集风翼(4)在风的作用下绕支撑件(14)的竖向转轴(e)顺风转动。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的集风系统，其特征是所述风导(8)由所述导风翼(5)和所述立柱(6)组成，导风翼(5)连接在所述立柱(6)上并能绕立柱(6)转动。

5.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征是所述塔架(3)由至少三根立柱(6)、至少六根径向梁(16)、至少六根横梁(24)、至少两个轴承座(17)和至少三根立柱(23)构成；所述立柱(6)的两端与所述径向梁(16)固连，所述径向梁(16)的一端与所述轴承座(17)固连、另一端与所述立柱(6)和所述立柱(23)固连或者与横梁(24)固连，所述横梁(24)的两端与相邻两根所述立柱(23)固连。

6.根据权利要求2和权力要求5所述的风力发电机组，其特征是所述风导(8)由所述集风翼(4)、所述导风翼(5)、所述立柱(6)和所述立柱(23)组成，集风翼(4)安装在立柱(6)与立柱(23)之间所述方位角(θ)的位置上，导风翼(5)连接在立柱(6)的内侧并能绕立柱(6)转动。

7.根据权利要求2所述的风力发电机组，其特征是所述风轮(2)由至少两个叶片(9)、至少四个悬臂(13)和至少四个撑臂(21)组成；撑臂(21)的一端与悬臂(13)连接、另一端与主轴(1)连接，悬臂(13)的一端与主轴(1)连接、另一端与叶片(9)连接。

8.根据权利要求2或权力要求7所述的风力发电机组，其特征在于沿竖直方向，在所述主轴(1)上连接一至十五个所述风轮(2)，每个风轮(2)由二至十二个叶片(9)组成。

9.根据权利要求2或权利要求5所述的风力发电机组，其特征是所述塔架(3)由三至二十四根立柱(6)组成或由三至二十四根立柱(6)和三至二十四根立柱(23)组成。

10.根据权力要求2、权力要求3、权力要求4、权力要求6或权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于沿竖直方向，在所述塔架(3)的立柱(6)上连接一至十五个所述集风翼(4)和导风翼(5)或连接一至十五个所述导风翼(5)。

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