CN101892948B - 一种带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升力型垂直轴风轮的限速装置，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的2个或2个以上升力型叶片，在所述的风轮轴顶部上还设置一套限速装置，限速装置中阻尼叶片在离心力的作用下，会发生偏移，病产生阻尼作用，从而限制风轮转速的增加。转速越高，阻尼叶片偏转越大，产生的阻尼力矩越大，从而有效限制高风速下的转速增加，使风轮在高风速下继续高效运行，并保护了风轮的过载运行，真正意义上显现垂直轴风轮可在较宽风速内运转的优点。

Description

一种带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮

技术领域

本发明涉及了升力型垂直轴风力机技术领域，具体是一种带有限速装置的带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮。

背景技术

目前，大部分风力机的采风器为水平轴风轮。水平轴风轮采用升力型叶片，转速较快，三叶片水平轴风轮的叶尖速比为5～6左右。叶尖速比表示叶片的线速度与来流风速的比值。叶尖速比为5～6这表明风轮旋转速度较快。但在大风下，水平轴风轮通过失速现象或变桨距或调速装置很好地将其控制在额定转速运行，从而限制了水平轴风轮在大风下的功率输出，保护风力机组出现过载。

垂直轴风力机，同等运行环境下，转速较水平轴的慢，叶尖速比为2～3左右。且垂直轴风轮的结构在理论上可经受强度更大的风。在强风下运行或遇到强风环境时，垂直轴风轮的转速也较快，此时若不加以限制垂直轴风轮转速，则首先发电机无法高效运行，其次也容易导致风力机过载而损坏。

但垂直轴风轮的限速技术一直是一个难以解决的课题。垂直轴风轮受结构的影响，无法借鉴水平轴的变桨控制技术，或采用叶片的失速设计，或采用主动失速控制技术，来限制风轮的转速和功率输出。因此，若不对垂直轴风轮加以特殊控制，垂直轴风轮无法在强风条件下运行，垂直轴风轮理论上可在25～45m/s(水平轴只能在小于25m/s风速下运行)强风下运行的优点，也无法在实践中得以实现。

因此，有必要设计一种限制垂直轴风轮在额定风速后功率输出和转速的方法。

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转速控制难题，而提供的一种高速可增加风轮阻尼作用的垂直轴风轮限速装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮，包括风轮轴以及设置在所述风轮轴上的2个或2个以上升力型叶片，在所述的风轮轴顶部设置有一限速装置，该限速装置包括阻尼叶片以及将所述的阻尼叶片在离心力作用下打开并调节阻尼叶片的力矩的调节机构，所述的阻尼叶片铰接在所述的风轮轴顶部；所述的调节机构包括外罩、阻尼叶片连杆、偏移导向板以及弹簧，所述的阻尼叶片下端连接在阻尼叶片连杆上端，阻尼叶片连杆下端铰接在偏移导向板上，所述的偏移导向板固定在风轮轴顶部，所述的外罩套在所述的风轮轴上，其上端顶在所述的阻尼叶片连杆上，所述的弹簧套在外罩内的阻尼叶片连杆上。

所述的外罩的上端设置有滚轮，该滚轮顶在所述的阻尼叶片连杆上。

所述的阻尼叶片至少有两个，叶片与叶片之间成对称形状。

所述的阻尼叶片为两片或三片，且合拢时成球形或圆柱形。

所述的阻尼叶片连杆低端与轴相链接，可以在轴向0～90°范围内旋转。

所述阻尼叶片质量不均匀，一边质量高，一边质量低。

所述圆筒采用滚轮与连杆相接触，以采用滚动摩擦来减小摩擦力，可以使阻尼叶片顺利发生偏转。

所述的阻尼叶片的阻力系数和连杆的长度设计，必须满足条件：在额定转速之内，(阻力叶片离心力×连杆长度)≤(滚轮阻尼力对连杆的垂直分力×滚轮到连杆底端的距离)；当超速时，满足条件：(阻力叶片离心力对连杆的垂直分力×连杆长度)≥(滚轮阻尼力对连杆的垂直分力×滚轮到连杆底端的距离)。

所述的阻尼叶片面积和阻力系数的设计为： $\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_{d}F{(V-\mathrm{\ω}l\sin \mathrm{\θ})}^{2}l\sin \mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{C}_t\mathrm{\ρNch}{(U_R-U_{R0})}^{2}R,$ 这里的C_d为阻力叶片的阻力系数，F为阻力叶片面积，l为力臂长度，θ为力臂与轴的夹角，V为实际风速，ω为旋转转速，ρ为空气密度，C_t为升力叶片的升力系数，N为升力叶片数量，c为升力叶片弦长，h为升力叶片高度，U_R表示升力叶片的相对速度，U_R0表示额定转速下的升力叶片的相对速度，R表示升力型风轮的旋转半径，从而在最大工作风速内能限制升力型为额定转速运行。

所述的连杆为离心伸缩杆。

与现有技术相比，本发明此升力型风轮装置的有益效果是：

1、在风轮轴上顶部设置了内部有阻尼叶片的限速装置，利用阻尼叶片的质量偏心，在高速下产生的离心力时，叶片发生偏移，从而产生阻尼力矩，限制转速增加，也限制了风力机的功率输出，保证了风轮在额定功率下运行。

2、阻尼叶片在低转速条件下，不发生偏转，叶片与叶片组合构成圆柱形或球形，不影响风轮的整体性能，更不会在低速状态下产生阻尼作用。

3、利用风轮自身的转速，来自动调节阻尼叶片的偏心大小，自动控制了产生的阻尼力矩的大小，从而在大于额定风速的不同工况风速下下限制了转速的增加。

4、此风轮装置用真真地可以实现高风速下的高效和安全运行，较好地利用了大风、强风带来的高风能。

5、限速装置的采用可以使风轮在实践中增强适应恶劣环境的能力。

附图说明

图1是本发明带有限速装置垂直轴风轮整体示意图。

图2是本发明限速装置的结构示意图

图3是本发明阻尼叶片结构示意图。

图4是超额定速运行时的风轮整体示意图

其中：1、风轮轴；2、升力型叶片；3、圆筒；4、阻尼叶片；5、阻尼叶片连杆；6、偏移导向板，7、弹簧；8、滚轮。

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，本发明可控制功率升力型垂直轴风轮装置，包括风轮轴1，在风轮轴1上安装有2片或2片以上的升力型叶片2，圆筒形外罩3、阻尼叶片4、阻尼叶片连杆5，阻尼叶片偏移导向板6，弹簧7和滚轮8组成限速装置。

如图2所示，阻尼叶片4之间相互对称，底端与轴相连接，通过偏移导向板6来限制偏移方向和角度，并利用连接端和导向板6来传递阻尼力矩。

图3所示为两片闭合的阻尼叶片2，为质量不对中设计，一边的质量明显大于另一边，在高速下产生离心力，从而拉动连杆5发生偏转。阻尼叶片4产生的阻尼力矩随偏移量的增大而增大。

如图2当风速处于额定风速内，风轮以不超过额定转速的速度旋转，在弹簧7推动圆筒的阻尼力下，叶片4处于合拢状态，整体构成圆筒状或圆球状，以减小对风轮运行的影响。

如图4所示，当风速超过额定风速后，风轮转速超速，阻尼叶片4的离心力乘以连杆5长度大于圆筒阻尼力与滚轮8到连杆低端距离的乘积，即离心力偏转力矩大于圆筒3阻尼力矩，阻尼叶片3产生偏移而产生阻尼效应，一定程度上限制了转速继续上升。

当风速继续增大，或转速继续增加，阻尼叶片的偏移量增加，产生的阻尼力矩进一步增加，进一步限制转速的增加。

当风速减小时，转速回落，阻尼叶片产生的离心力减弱，在圆筒3内弹簧8的推动力下，圆筒3向上运动，推动连杆合拢。

升力型风轮产生的力矩较小，因此设计较短的阻尼叶片连杆就可以产生较大阻尼力矩，

从而较好的限制风轮的转速增加。

本发明为可控制功率输出的升力型垂直轴风轮，由升力型叶片2与垂直轴风轮限速装置组成，限速装置中阻尼叶片4在离心力的作用下，产生偏移，偏移后产生叶片阻尼作用，从而限制风轮转速的增加。转速越高，阻尼叶片4偏转越大，产生的阻尼力矩越大，从而越发有效地限制高了风速下的转速增加，使风轮在高风速下继续高效运行，并保护了风轮的过载运行，真真意义上体现垂直轴风轮可在较宽风速内运转的优点。

Claims (6)

1.一种带有限速装置的垂直轴直叶片升力型风轮，包括风轮轴(1)以及设置在所述风轮轴上的2个或2个以上升力型叶片(2)，其特征在于：在所述的风轮轴(1)顶部设置有一限速装置，该限速装置包括阻尼叶片(4)以及将所述的阻尼叶片在离心力作用下打开并调节阻尼叶片的力矩的调节机构，所述的阻尼叶片(4)铰接在所述的风轮轴(1)顶部；所述的调节机构包括外罩(3)、阻尼叶片连杆(5)、偏移导向板(6)以及弹簧(7)，所述的阻尼叶片(4)下端连接在阻尼叶片连杆(5)上端，阻尼叶片连杆(5)下端铰接在偏移导向板(6)上，所述的偏移导向板(6)固定在风轮轴(1)顶部，所述的外罩(3)套在所述的风轮轴(1)上，其上端顶在所述的阻尼叶片连杆(5)上，所述的弹簧(7)套在外罩(3)内的阻尼叶片连杆(5)上。

2.根据权利要求1所述的垂直轴直叶片升力型风轮，其特征在于：在所述的外罩(3)的上端设置有滚轮(8)，该滚轮(8)顶在所述的阻尼叶片连杆(5)上。

3.根据权利要求1或2所述的垂直轴直叶片升力型风轮，其特征在于：所述的阻尼叶片(2)为两片或三片，且合拢时成球形或圆柱形。

4.根据权利要求1所述的垂直轴直叶片升力型风轮，其特征在于：所述的阻尼叶片的阻力系数和连杆的长度设计，必须满足条件：在额定转速之内，(阻力叶片离心力×连杆长度)≤(滚轮阻尼力对连杆的垂直分力×滚轮到连杆底端的距离)；当超速时，满足条件：(阻力叶片离心力对连杆的垂直分力×连杆长度)≥(滚轮阻尼力对连杆的垂直分力×滚轮到连杆底端的距离)。

5.根据权利要求1所述的垂直轴直叶片升力型风轮，其特征在于：所述的阻尼叶片面积和阻力系数的设计为： $\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_{d}F{(V-\mathrm{\ω}l\sin \mathrm{\θ})}^{2}l\sin \mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{C}_t\mathrm{\ρNch}{(U_R-U_{R0})}^{2}R,$ 这里的C_d为阻力叶片的阻力系数，F为阻力叶片面积，l为力臂长度，θ为力臂与轴的夹角，V为实际风速，ω为旋转转速，ρ为空气密度，C_t为升力叶片的升力系数，N为升力叶片数量，c为升力叶片弦长，h为升力叶片高度，U_R表示升力叶片的相对速度，U_R0表示额定转速下的升力叶片的相对速度，R表示升力型风轮的旋转半径，从而在最大工作风速内能限制升力型为额定转速运行。

6.根据权利要求1所述的垂直轴直叶片升力型风轮，其特征在于：所述的连杆为离心伸缩杆。

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