CN101956670B - 一种具有多层风轮的垂直轴风力机 - Google Patents

一种具有多层风轮的垂直轴风力机 Download PDF

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Abstract

一种具有多层风轮的垂直轴风力机，包括至少二个结构相同的风轮；每个风轮包括转轴(1)、叶片(2)及支架(3)和支架(4)；每个叶片(2)和转轴(1)之间固定连接一个支架(3)和一个支架(4)，且支架(3)与支架(4)相互平行；每个风轮的转轴(1)重合，而且至少二个结构相同的风轮在重合的转轴(1)的方向上层叠；上层风轮的每个支架(4)穿过重合的转轴(1)，且分别与下层风轮的一个支架(3)重合，形成上层风轮和下层风轮在重合的转轴(1)上的错开布置；重合的转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接。本发明可以使垂直轴风力机的扭矩波动更加平缓，有利于功率稳定输出，降低传动系统的疲劳程度。

Description

一种具有多层风轮的垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及风力机领域，尤其涉及一种具有多层风轮的垂直轴风力机。
背景技术
目前，两种主要的垂直轴风力机是Φ型垂直轴风力机和H型垂直轴风力机。如图1所示，在H型垂直轴风力机中，风轮包括转轴(1)、叶片(2)以及支架(3)和(4)；其中，每一个叶片(2)和转轴(1)之间固定连接一个支架(3)和一个支架(4)，而且每一个叶片(2)和转轴(1)之间连接的支架(3)与支架(4)相互平行；转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接，实现扭矩传递和风能转换。
目前的垂直轴风力机一般只具有一层风轮，无论是Φ型还是H型垂直轴风力机，其在运行过程中，由于叶片弦线与风向的角度(即攻角)是不断变化的，因此其输出扭矩在一个周期内是不断波动的。图2表示的是某三叶片垂直轴风力机在一个周期内的扭矩变化曲线示意图；其中，横坐标表示攻角θ(0°＜＝θ＜＝360°)，纵坐标表示扭矩系数CT；如图2所示，该垂直轴风力机在一个周期内，最大扭矩系数达0.93，而最小扭矩系数只有0.43，两者相差近2倍关系。因此，造成输出功率不稳定，发电机或风力提水机选配造成困难；而且扭矩的波动会造成传动系统(传动轴、轴承等)结构的疲劳，降低使用寿命。
如何消除扭矩的波动性，确保功率稳定输出，改善传动系统疲劳程度，是垂直轴风力机结构技术研究的重点之一。
发明内容
本发明实施例中提供了一种具有多层风轮的垂直轴风力机，可以使垂直轴风力机的扭矩波动更加平缓，有利于功率稳定输出，降低传动系统的疲劳程度。
一种具有多层风轮的垂直轴风力机，包括：
至少二层结构相同的风轮；
其中，每一层所述风轮包括转轴(1)、叶片(2)以及支架(3)和支架(4)；每一个所述叶片(2)和所述转轴(1)之间固定连接一个所述支架(3)和一个所述支架(4)，而且每一个所述叶片(2)和所述转轴(1)之间连接的所述支架(3)与所述支架(4)相互平行；
其中，每一层风轮的所有的所述支架(3)位于垂直转轴(1)的同一水平面上，而且每一层风轮的所有的所述支架(4)位于垂直转轴(1)的另一水平面上；
其中，每一层风轮的所述转轴(1)重合，而且所述至少二层结构相同的风轮在重合的转轴(1)的方向上层叠；
其中，上层风轮的每一个所述支架(4)穿过重合的转轴(1)，而且分别与下层风轮的一个所述支架(3)重合，形成所述上层风轮和所述下层风轮在重合的转轴(1)上的错开布置；
其中，重合的转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接。
可选地，每一层所述风轮包括的所述叶片(2)的数量为2个或3个或4个。
可选地，所述叶片(2)为直叶片或弯叶片。
可选地，所述支架(3)的表面铺设线条型的整流蒙皮。
可选地，所述支架(3)的横截面呈前凹后尖形状。
其中，俯视时，相邻的两个叶片(2)和所述转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角为β，且β满足β＝360°/(i×j)；其中，i表示风轮的层数，j表示每个风轮的叶片(2)的数量。
与现有的技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例中，将至少二层风轮在转轴的方向上进行层叠、错开布置，可以使不同的输出扭矩进行叠加并作用到转轴上，由于叠加扭矩的扭矩波动更加平缓，使得转轴可以带动传动系统稳定输出功率，降低传动系统的疲劳程度，提高使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有一种H型垂直轴风力机的结构示意图；
图2为某单风轮、三叶片垂直轴风力机在一个周期内的扭矩变化曲线示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种具有多层风轮的垂直轴风力机的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种支架(3)的横截面示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种具有2层风轮、3叶片垂直轴风力机俯视时相邻的两个叶片(2)和转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角示意图；
图6为本发明实施例中提供的一种具有2层风轮、2叶片垂直轴风力机俯视时相邻的两个叶片(2)和转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角示意图；
图7为本发明实施例中提供具有2层风轮、3叶片的垂直轴风力机在一个周期内的叠加扭矩变化曲线示意图。
具体实施方式
本发明实施例中提供了一种具有多层风轮的垂直轴风力机，该垂直轴风力机将至少二层风轮在转轴的方向上进行层叠、错开布置，可以使不同的输出扭矩进行叠加并作用到转轴上，由于叠加扭矩的扭矩波动更加平缓，使得转轴可以带动传动系统稳定输出功率，降低传动系统的疲劳程度，提高使用寿命。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种具有多层风轮的垂直轴风力机的结构示意图。如图3所示，该垂直轴风力机可以包括：
至少二层结构相同的风轮；
其中，每一层风轮包括转轴(1)、叶片(2)以及支架(3)和支架(4)；
本发明实施例中，每一层风轮包括的叶片(2)的数量可以是如图3所示的3个，也可以是2个或4个，本发明实施例不作限定；其中，叶片(2)可以是直叶片，也可以是弯叶片，本发明实施例不作限定；
如图3所示，每一个叶片(2)和转轴(1)之间固定连接一个支架(3)和一个支架(4)，而且每一个叶片(2)和转轴(1)之间连接的支架(3)与支架(4)相互平行；
如图3所示，每一层风轮的所有的支架(3)位于垂直转轴(1)的同一水平面上，而且每一层风轮的所有的支架(4)位于垂直转轴(1)的另一水平面上；
如图3所示，每一层风轮的所有的支架(3)在重力方向上高于所有的支架(4)；
如图3所示，每一层风轮的转轴(1)重合，即所有的风轮共用同一个转轴(1)，而且至少二层结构相同的风轮在重合的转轴(1)的方向上层叠；
其中，上层风轮的每一个支架(4)穿过重合的转轴(1)，而且分别与下层风轮的一个支架(3)重合，形成上层风轮和下层风轮在重合的转轴(1)上的错开布置；
其中，重合的转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接，实现扭矩传递和风能转换。
本发明实施例中，垂直轴风力机在转动时，每一个支架(3)会收到风力的阻击，为了增强自起动性能，可以在每一个支架(3)的表面(包括迎风面和背风面)铺设线条型的整流蒙皮。其中，线条型的整流蒙皮可以起到减小风阻力的作用，提高风能利用效率。
本发明实施例中，每一个支架(3)的横截面呈前凹后尖形状。请一并参阅图4，图4表示的每一个支架(3)横截面示意图，从图4可以看出，每一个支架(3)的横截面呈前凹后尖形状，其中，迎风面呈凹槽形状，背风面呈“＞”形状。当较小的风从各个方向进入每一个支架(3)的呈凹槽形状的迎风面后产生压差，形成推力推动垂直轴风力机运转，实现自起动。特别是，在每一个支架(3)的呈凹槽形状的迎风面的面积越大时，垂直轴风力机自起动性能越强。从而，本发明实施例提供的具有多层风轮的垂直轴风力机在风速较小的情况下也能够顺利自起动，降低对自自动风速的要求，提高风能利用效率。
在本发明实施例提供的具有多层风轮的垂直轴风力机中，俯视时，相邻的两个叶片(2)和转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角为β，且β满足β＝360°/(i×j)；其中，i表示风轮层数，即风轮个数；j表示每个风轮的叶片(2)的数量。
举例来说，若本发明实施例中提供的垂直轴风力机具有2层风轮，而且每层风轮包括3个叶片(2)，则俯视时，相邻的两个叶片(2)和转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角为β＝360°/(2×3)＝60°。如图5所示，用虚线表示的支架(3)表示的是下层风轮的支架(3)，用虚线表示的叶片(2)表示的是下层风轮的叶片(2)；用实线表示的支架(3)表示的是上层风轮的支架(3)，用实线表示的叶片(2)表示的是上层风轮的叶片(2)。
再举例来说，若本发明实施例中提供的垂直轴风力机具有2层风轮，而且每层风轮包括2个叶片(2)，则俯视时，相邻的两个叶片(2)和转轴(1)连接的支架(3)之间的夹角为β＝360°/(2×2)＝90°。如图6所示，用虚线表示的支架(3)表示的是下层风轮的支架(3)，用虚线表示的叶片(2)表示的是下层风轮的叶片(2)；用实线表示的支架(3)表示的是上层风轮的支架(3)，用实线表示的叶片(2)表示的是上层风轮的叶片(2)。
请一并参阅图7，图7是本发明实施例中提供的具有2层风轮，而且每层风轮包括3个叶片(2)的垂直轴风力机在一个周期内的叠加扭矩变化曲线示意图；其中，横坐标表示攻角θ(0°＜＝θ＜＝360°)，纵坐标表示扭矩系数CT。如图7所示，该垂直轴风力机在一个周期内，最大扭矩系数达0.71，而最小扭矩系数只有0.55，两者相差30％，与图2相比，扭矩波动大幅度减小。优选地，若风轮为3层或4层，则扭矩波动会更进一步减小，从而可以使得扭矩波动更加平缓。
本发明实施例中，将至少二层风轮在转轴的方向上进行层叠、错开布置，可以使不同的输出扭矩进行叠加并作用到转轴上，由于叠加扭矩的扭矩波动更加平缓，使得转轴可以带动传动系统稳定输出功率，降低传动系统的疲劳程度，提高使用寿命。
以上对本发明实施例中提供的一种具有多层风轮的垂直轴风力机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种具有多层风轮的垂直轴风力机，其特征在于，包括：
至少二层结构相同的风轮；
其中，每一层所述风轮包括转轴(1)、叶片(2)以及第一支架(3)和第二支架(4)；每一个所述叶片(2)和所述转轴(1)之间固定连接一个所述第一支架(3)和一个所述第二支架(4)，而且每一个所述叶片(2)和所述转轴(1)之间连接的所述第一支架(3)与所述第二支架(4)相互平行；
其中，每一层风轮的所有的所述第一支架(3)位于垂直转轴(1)的同一水平面上，而且每一层风轮的所有的所述第二支架(4)位于垂直转轴(1)的另一水平面上；
其中，每一层风轮的所述转轴(1)重合，而且所述至少二层结构相同的风轮在重合的转轴(1)的方向上层叠；
其中，上层风轮的每一个所述第二支架(4)穿过重合的转轴(1)，而且分别与下层风轮的一个所述第一支架(3)重合，形成所述上层风轮和所述下层风轮在重合的转轴(1)上的错开布置；
其中，重合的转轴(1)下端与发电机或风力提水机的传动轴连接；
每一层所述风轮包括的所述叶片(2)的数量为3个；
所述叶片(2)为直叶片或弯叶片；
所述第一支架(3)的表面铺设线条型的整流蒙皮；所述第一支架(3)的横截面呈前凹后尖形状；
俯视时，相邻的两个叶片(2)和所述转轴(1)连接的第一支架(3)之间的夹角为β，且β满足β＝360°/(i×j)；其中，i表示风轮的层数，j表示每个风轮的叶片(2)的数量。
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