CN102251921A - 一种升力型风轮及控制转速和功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升力型风轮及控制转速与功率的方法，其中升力型风轮包括风轮主轴、支撑件以及至少两个升力型叶片，支撑件包括内支撑件以及外壳，外壳套设在内支撑件上，升力型叶片通过所述的内支撑件固定在风轮主轴上，所述的外壳的截面为翼型，在风轮主轴上还设置有一驱动控制器，驱动控制器包括电机、驱动齿轮和被动齿轮，电机的输出轴与所述的驱动齿轮的轮轴连接，被动齿轮固定在所述的外壳上，被动齿轮与所述的驱动齿轮啮合。与现有技术相比，本发明风轮在额定转速内，支撑件的外壳不发生扭转，处于水平位置；在超过额定转速后，驱动控制器发出扭转动作，外壳发生扭转，阻尼作用增加，从而限制风轮的转速增加。

Description

一种升力型风轮及控制转速和功率的方法

技术领域

本发明涉及风车技术领域，尤其是一种控制升力型立轴风轮转速和功率的的风轮及控制方法。

背景技术

与水平轴风车相比，升力型立轴风轮优点突出。转速慢，噪音低；发电机可置于地面，而维护费用低；无需对风，不存在偏航功率损失。正是因为这些优点，使得升力型立轴风轮的应用范围较广，特别是在中小型风力机应用领域更是甚广。目前，国内外研究者正是努力研究升力型立轴风轮，向巨型化发展。

不过，升力型立轴风轮与水平轴升力型风轮相比，有一个显著的缺点为：无法如水平轴一样，通过改变局部和整体叶片的桨距角，来控制风轮的转速和功率。这也是升力型立轴风轮较明显的缺点之一，至今没有较好的气动力学解决方法。在中小型风力机应用中，主要是通过控制器的卸荷装置来调节转速和控制功率，而此方法在大型应用中适用性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供的一种能够控制升力型立轴风轮转速与功率的升力型风轮及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种升力型风轮，包括风轮主轴、支撑件以及至少两个升力型叶片，其特征在于：所述的支撑件包括内支撑件以及外壳，所述的外壳套设在内支撑件上，所述的升力型叶片通过所述的内支撑件固定在所述的风轮主轴上，所述的外壳的截面为翼型，在所述的风轮主轴上还设置有一驱动控制器，所述的驱动控制器包括电机、驱动齿轮和被动齿轮，所述的电机的输出轴与所述的驱动齿轮的轮轴连接，所述的被动齿轮固定在所述的外壳上，所述的被动齿轮与所述的驱动齿轮啮合。

所述的内支撑件为圆柱形，所述的内支撑件与外壳采用轴承连接。

所述的升力型叶片为圆弧形或直线型。

一种升力型风轮转速和功率的控制方法，其特征在于：

第一步、设定额定风速以及风轮轴的额定转速；

第二步、检测实时风速以及风轮轴的转速，并与额定风速及风轮轴额定转速比较，当风速超过额定风速，且风轮轴的转速也超过额定转速时，驱动控制器开始启动，并驱动所述的外壳开始旋转，当风轮轴的转速回到额定转速时，停止旋转。

与现有技术相比，本发明风轮在内支撑件上转动的套设翼型外壳，通过控制外壳的转动角度，从而控制风轮轴的转速及功率，与现有技术相比，本方法的有益效果为：

1、在升力型风轮的内支撑件上套设外壳，在额定运行条件范围内下外壳翼型弦线成水平状，阻力最小，此时与其它升力型风轮原理相同，因而不影响风轮的正常运行。

2、当遇到强风或发电机失电或控制器无法有效卸荷的故障条件时，外壳的偏转不同的角度，将产生不同的空气阻尼作用，因而控制风轮转速和功率。

3、当升力型风轮需要停机，可通过将翼型外壳偏转180°而拍向受力，将转速迅速下降，起到气动刹车的作用。

4、此方法采用气动力学的原理，可以保证升力型风轮在额定风速外高效地沿着额定功率运行，也为风轮的安全运行提供了另外一层保障。

5、此方法应用不受风轮结构的限制，不论是打蛋器型风轮还是直线翼型风轮，不论支撑件是属于水平结构还是处于倾斜结构，都可以应用此方法。

附图说明

图1是本发明具有两片升力叶片的直叶片升力型立轴风车示意图。

图2是本发明具有两片升力叶片的立轴风车俯视示意图

图3 是本发明活动支撑件结构示意图。

图4 是本发明正常运行条件下支撑翼阻力示意图

图5 是本发明转速控制动作条件下的支撑翼位置示意图。

其中：1、升力型叶片；2、叶轮主轴；3、叶片支撑件；4、轮毂；5、驱动齿轮；6、驱动控制器；7、被动齿轮；8、翼型外壳；9、圆柱形内支撑件；10、轴承；11、翼型弦线。

具体实施方式

1、            下面结合附图，对本发明作详细说明。如图1所示，本发明升力型风轮，包括风升力型叶片1和风轮主轴2，在风轮主轴2通过叶片支撑件3安装有2片或2片以上的升力型叶片1。每个风轮叶片2至少由1个叶片支撑件支撑，在风轮主轴2上固定有轮毂4，支撑件3并固定在轮毂4上。叶片支撑件3由活动式的翼型外壳8和固定的内部圆柱形内支撑件9组成，其中圆柱内支撑9通过轴承10与翼型外壳8相连。翼型外壳靠轴一端有被动齿轮7与驱动控制器6的驱动齿轮5相啮合。

2、    如图2所示，该风轮为叶片为圆弧形的打蛋器升力型风轮，包括2片或2片以上的升力型叶片1，以及与每个叶片连接的水平支撑3。

3、  如图3所示，支撑件内部圆柱形支撑件9起到支撑升力叶片1的作用和作为支撑件3旋转主轴的作用，翼型外壳结构8所在的角度位置可控制支撑件受不同的阻力大小。

4、  如图4所示，当风轮在额定转速内运行时，驱动控制器6不产生动作，支撑件翼型弦线处水平位置，与风向一致。

5、  如图5所示，当风轮超过额定转速时，驱动控制器6产生动作，通过驱动齿轮5带动被动齿轮7，进而使支撑件旋转对应的角度，翼型外壳8形成的拍面产生空气阻尼作用，将转速控制在额定转速范围内。

本发明为应用于升力型立轴风轮的一种利用空气阻力来控制转速和功率的方法，由升力型叶片1、可旋转的支撑件3和驱动控制器6构成。其中支撑件3内部的圆柱内支撑件起到主要支撑叶片1的作用，支撑件3的翼型外壳8起到调节风轮所受阻尼作用大小的作用。在额定转速内，支撑件翼型外壳8不发生扭转，处于水平位置；在超过额定转速后，驱动控制器6发出扭转动作，外壳发生旋转，阻尼作用增加，从而限制风轮的转速增加。

Claims (4)

1.一种升力型风轮，包括风轮主轴、支撑件以及至少两个升力型叶片，其特征在于：所述的支撑件包括内支撑件以及外壳，所述的外壳套设在内支撑件上，所述的升力型叶片通过所述的内支撑件固定在所述的风轮主轴上，所述的外壳的截面为翼型，在所述的风轮主轴上还设置有一驱动控制器，所述的驱动控制器包括电机、驱动齿轮和被动齿轮，所述的电机的输出轴与所述的驱动齿轮的轮轴连接，所述的被动齿轮固定在所述的外壳上，所述的被动齿轮与所述的驱动齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述的升力型风轮，其特征在于：所述的内支撑件为圆柱形，所述的内支撑件与外壳采用轴承连接。

3.根据权利要求1所述的升力型风轮，其特征在于：当可旋转部分的支撑件翼型弦线偏转与风向垂直时，其拍面面积所产生的气动阻力力矩至少为1倍升力叶片旋转产生的动力矩。

4.一种实现权利要求1所述的升力型风轮转速和功率的控制方法，其特征在于：具体的控制方法是：第一步、设定额定风速以及风轮轴的额定转速；

第二步、检测实时风速以及风轮轴的转速，并与额定风速及风轮轴额定转速比较，当风速超过额定风速，且风轮轴的转速也超过额定转速时，驱动控制器开始启动，并驱动所述的外壳开始旋转，当风轮轴的转速回到额定转速时，停止旋转。

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