CN101776041B - 一种变桨距型垂直轴风轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变桨距垂直轴风轮，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的两对或两对以上的叶片支架，在所述每对叶片支架末端之间固定一个叶片转轴，在所述的叶片转轴上固定有圆弧形叶片，在所述的叶片支架末端设有叶片桨距控制装置，该叶片桨距控制装置包括定位盘，叶片归位弹簧以及定位销钉，所述的定位销钉设置在定位盘的圆周上，且至少为三个，所述的叶片归位弹簧的一端与叶片支架连接，叶片归位弹簧的另一端连接在所述的圆弧形叶片上，在所述的圆弧形叶片设置有定位槽，所述的圆弧形叶片在所述叶片归位弹簧的作用下，通过卡槽定位在所述定位盘的不同定位销钉上。与现有技术相比，本发明实现了风轮的启动、高效运行、并在强风和狂风下保持额定风速运行的功能转化。

Description

一种变桨距型垂直轴风轮

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体是一种垂直轴风轮。

背景技术

目前，市场上的风力机以水平轴风力机为主，水平轴风力机发展比较成熟，应用范围较为广阔。相比，垂直轴风力机发展相对缓慢。但与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有许多水平轴风力机无法比拟的优点，如：升力型垂直轴风轮转速较慢，噪音较低；发电机可置于地面，便于维护；无需对风，不存在偏航功率损失，等。正因为这些优点，使得垂直轴风力机的发展逐步被重视，但由于垂直轴风力机发展历程较短，因而有很多技术不成熟，有很多技术仍然需要不断地探索。

垂直轴风轮由于其叶片处于旋转风轮的最外缘，因此，当其处于高速旋转的时候，离心力非常大，动能也较大，如果欲在强风和狂风中将高速旋转的风轮减速或者停止运行，单纯依靠机械刹车是非常困难的，必须借助于空气动力学的原理进行控制转速，然后配合机械刹车停车。但目前利用空气动力学进行控制转速或刹车的垂直轴风力机非常罕见。

垂直轴风轮由于结构的因素，其工作风速范围较广，理论上可以在强风和狂风下运行。但在实践中，风速越大，风轮旋转越快，风轮叶片所受的离心力越大，其强度富裕度越小，为了避免破坏风轮，在预知有强风时往往采取停机运行的措施，未能较好地利用强风所带来的有利风能。而且受发电机输出功率的影响，风轮转速越快发电机功率输出有限，且只有在额定转速下旋转的风力机输出功率最大，因此风轮转速太快未必输出功率就高。基于这些因素的考虑，为了使垂直轴风力机更好地在强风和狂风下工作，有效地采取空气动力学来控制垂直轴风轮的转速是非常必要的。

最后，垂直轴风轮升力型叶片在静止、空气流过时，由于气流产生分离现象，因此阻力矩较高，难以自行启动。因此，在设计新型垂直轴风轮时，必须考虑垂直轴风轮的启动性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为解决垂直轴风力机的启动和高风速下稳定、经济和安全的运行，而提供的一种利用空气动力学控制转速和力矩的变桨距型垂直轴风轮。

本发明采用的技术方案是：

一种变桨距垂直轴风轮，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的两对或两对以上的叶片支架，在所述每对叶片支架末端之间固定一个叶片转轴，在所述的叶片转轴上固定有圆弧形叶片，在所述的叶片支架末端设有叶片桨距控制装置，该叶片桨距控制装置包括定位盘，叶片归位弹簧以及定位销钉，所述的定位销钉设置在定位盘的圆周上，且至少为三个，所述的叶片归位弹簧的一端与叶片支架连接，叶片归位弹簧的另一端连接在所述的圆弧形叶片上，在所述的圆弧形叶片设置有定位槽，所述的圆弧形叶片在所述叶片归位弹簧的作用下，通过卡槽定位在所述定位盘的不同定位销钉上。

所述的圆弧形叶片为圆弧形升力型叶片。

所述的限位销钉为三个，分别设置在叶片变桨桨角0°、90°和180°三处。

所述的升力型叶片密实度σ为0.13～0.5，σ＝2NC/D，其中C为叶片弦长，N为叶片数，D为升力型叶片旋转直径。

与现有技术相比，本发明变桨距升力型风轮的有益效果是：

1、所采用风轮采用弧形升力型叶片，具有同步变桨功能，可利用空气动力学和风轮离心力来实现变桨，进而有效控制风轮转速，增强了风轮的性能。

2、所采用的叶片变桨功能由空气动力启动，由叶片归位弹簧和离心力来驱动风轮叶片变桨，由叶片桨距控制装置中的档位弹簧和定位销钉固定风轮叶片的空间位置，使叶片实现了由阻力型风轮向升力型风轮，再到阻力型风轮角色的转变，从而利用空气动力学性能，实现了风轮的启动、高效运行、并在强风和狂风下保持额定风速运行的功能转化。

3、本风力机有效地控制转速，在正常运行时具有升力型垂直轴风轮的高效性能，在启动时具有阻力型垂直轴风轮的高启动力矩，在强风下具有保持额定转速运行的众多优点。从而，在实践中实现了在较大风速范围内的安全运行，延长了有效运行时间，加强了恶劣气候环境适应性。

4、本垂直轴风力机可以在高速旋转状态下，利用空气动力学阻力和叶片回位弹簧拉力，实现了升力型风轮向阻力型风轮角色的转变，从而在高速旋转状态下，配合机械制动力，使风力机快速刹车。

附图说明

图1是本发明变桨距垂直轴风轮示意图。

图2是本发明两叶片变桨距，启动状态时的垂直轴风轮俯视示意图

图3是本发明两叶片变桨距，正常状态时的垂直轴风轮俯视示意图。

图4是本发明两叶片变桨距，高风速高速状态时的垂直轴风轮俯视示意图。

图5是叶片支架两端的叶片桨距控制器的俯视意图。

图6是叶片支架两端的叶片桨距控制器的局部剖面图。

其中：1、风轮轴；2、叶片支架；3、叶片；4、叶片转轴；5、叶片桨距控制器；6、叶片归位控制弹簧；7、档位控制弹簧；8、启动档位；9、正常运行档位；10、极限阻尼档位；11、定位销钉；12、螺母；13、定位槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。如图1所示，本发明为垂直轴风轮，包括风轮轴1，在风轮轴1上安装两对或两对以上叶片支架2，每对支架2之间设有直叶片升力型叶片3。沿叶片翼型弦长方向，叶片的尾缘固定于叶片转轴4，在叶片转轴4的两端设有叶片桨距控制器5。叶片桨距控制装置5包括定位盘，叶片归位弹簧6以及定位销钉11，定位销钉11设置在定位盘的圆周上，且至少为三个，在本实施例中，定销钉11为三个，分别设置在叶片变桨桨角0°、90°和180°三处。叶片变桨桨角角度范围为0～180°，当叶片弦线与叶片支架成一条直线时，且叶片前缘端超向风轮轴时为0°；当叶片弦线与叶片支架成一条直线时，且后缘背向风轮轴时为180°；当叶片弦线与叶片支架垂直时，为90°。叶片归位弹簧6的一端与叶片支架2连接，叶片归位弹簧6的另一端连接在圆弧形叶片3上，在圆弧形叶片3设置有定位槽13，圆弧形叶片3在叶片归位弹簧6的作用下，通过卡槽13定位在所述定位盘的不同定位销钉11上，叶片归位弹簧6的拉力系数与叶片3的离心力有关系，当叶片确定后其大小与风轮的转速有关。

如图2所示，当风轮停止时，叶片旋转速度为零，无离心力，在归位控制弹簧6的作用下，叶片的弦线与叶片支架3处于同一直线上。此时，由于叶片为圆弧形翼型，处于顺风和逆风向的叶片阻力不同，因而构成了阻力型风力机。阻力型风力机启动力矩较大，在叶片空气阻力差的驱动下，风轮开始旋转。但是，风轮叶片3虽然因旋转具有一定的离心力，但受档位控制弹簧7和定位销钉11的限制，叶片无变桨动作。风轮仍然为阻力型风轮，继续加速。

如图3所示，当风轮在阻力差作用下，风轮加速到最后完全启动。加速使叶片受到的离心力加大，当风轮转速最大时，叶片在离心力的作用下克服启动档位8的弹簧压力和归位弹簧的拉力，绕转轴发生旋转位移，变桨动作启动。此时，归位弹簧的拉力较小，在离心力以及惯性力的作用下，风轮立刻进入下一正常运行档位9，此位置叶片的弦线与叶片支架相垂直，风轮由阻力型风轮转变为升力型风轮。由于受升力作用，风轮继续加速旋转，且在该定位销钉11的阻力作用下，风轮在一定范围内的转速下，叶片始终保持该位置，保证了风轮的稳定而高效运行。

如图4所示，当风轮经受的风速增大为强风或狂风时，升力型风轮会增大转速，此时叶片3离心力加大，在离心力和惯性力的作用下，克服正常运行档位9的阻力和归位弹簧6的拉力，继续发生变桨动作。此时，叶片进入极限阻尼档位10，叶片构成了一个反向阻力型风力机，所受的合力矩与旋转方向相反，旋转速度迅速下降。转速下降，离心力下降，归位弹簧6因拉升长度增大，拉力较高，在归位弹簧拉力的作用下，叶片脱离极限阻尼档位10的阻力，出发叶片变桨动作，归位正常运行档位9。从而有效限制转速的增加。

当遇到极限强风和极限阵风条件时，为了避免旋转的风轮被破坏而需要停车时，配合机械刹车，可以使风轮减速。在风轮减速后，叶片所受离心力减小，在归位弹簧和机械刹车制动力的作用下，风轮的叶片不断触动变桨动作，迅速归位到启动档位8。此后，受阻力型风轮结构限制，转速进一步降低，叶片具有的能量减小，从而更加有利于刹车。

如图5所示，叶片桨距控制器由三个档位和一个叶片归位弹簧组成，叶片归位弹簧一端固定于叶片支架，一端固定于可旋转变桨的叶片上。随着转速增加，叶片旋转的角度越大，叶片归位弹簧拉伸长度越大，其要求叶片归位的拉力越明显。叶片桨距控制器上设有三个档位，可以将叶片在满足一定转速的情况下固定于三个不同的桨角位置上。

如同6所示，叶片旋转控制器的档位控制由一个定位销钉11和档位控制弹簧7和螺母12组成。定位销钉11可以上下移动，当向上移动时，弹簧受压产生的弹力增大。在叶片展向两端设置叶片档位卡槽13，在销钉11和卡槽13之间产生的阻力控制叶片的变桨。

本发明为变桨式升力型垂直轴风轮，叶片采用变桨距设计，在离心力和档位控制弹簧的作用下，风轮叶片随转速的增加驱动变桨动作，由阻力性叶片变为升力型叶片再到反向阻力型叶片，此设计有效克服了单纯升力型叶片启动难的缺点，也克服现有升力型风力机强风下转速失控而被迫停机运行的缺点，利用改变叶片变桨后产生的空气动力，有效控制风轮转速，增加了风轮的可靠性和有效工作风速，提高了风轮的有效工作时间和抗强风性，达到了提高风力机的经济性的效果。

Claims (4)

1.一种变桨距垂直轴风轮，包括风轮轴(1)以及设置在所述风轮轴(1)上的两对或两对以上的叶片支架(2)，其特征在于：在所述每对叶片支架(2)末端之间固定一个叶片转轴(4)，在所述的叶片转轴(4)上固定有圆弧形叶片(3)，在所述的叶片支架(2)末端设有叶片桨距控制装置(5)，该叶片桨距控制装置(5)包括定位盘，叶片归位弹簧(6)以及定位销钉(11)，所述的定位销钉(11)设置在定位盘的圆周上，且至少为三个，所述的叶片归位弹簧(6)的一端与叶片支架(2)连接，叶片归位弹簧(6)的另一端连接在所述的圆弧形叶片(3)上，在所述的圆弧形叶片(3)设置有定位槽(13)，所述的圆弧形叶片(3)在所述叶片归位弹簧(6)的作用下，通过卡槽(13)定位在所述定位盘的不同定位销钉(11)上；所述的定位销钉(11)为三个，分别设置在叶片变桨桨角0°、90°和180°三处。

2.根据权利要求1所述的变桨距垂直轴风轮，其特征在于：所述的圆弧形叶片(3)为圆弧形升力型叶片。

3.根据权利要求1所述的变桨距垂直轴风轮，其特征在于：所述的圆弧形叶片一端固定在所述的叶片转轴上。

4.根据权利要求2所述的变桨距垂直轴风轮，其特征在于：所述的升力型叶片密实度σ为0.13～0.5，σ＝2NC/D，其中C为叶片弦长，N为叶片数，D为升力型叶片旋转直径。

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