CN102392782A - 一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机，包括Φ-D型叶片、S型叶片、Φ-D型叶片轴、S型叶片轴、发电机和单向轴承；Φ-D型叶片轴与发电机的转子固定连接，S型叶片轴通过单向轴承套在Φ-D型叶片轴上；Φ-D型叶片至少为两组、且均布在Φ-D型叶片轴上；S型叶片为两组、且上下设置在S型叶片轴上并呈90°交错分布；单向轴承的外圈相对于内圈的锁死方向与叶片的旋转方向相同。本发明利用S型叶片大启动力矩的特点，弥补Φ-D型叶片启动性能差的缺陷；采用单向轴承实现两种叶片的非固定连接，消除了固定组合形式S型叶片对Φ-D型叶片正常运行后的阻碍影响，既提高了该风力机的启动性能，又保证了其发电性能。

Description

一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种能有效结合阻力型叶片优良启动性能和升力型叶片优良发电性能的发电装置。

背景技术

 随着水平轴风力机的不断发展，其缺点也愈加凸显。而垂直轴风力机以其简单的结构，低廉的制造维护成本以及灵活的适应性和可塑性等优点，获得了越来越多的关注和应用。对于垂直轴风力发电机，为了保证较高的功率系数（即Cp），目前国内外普遍使用升力型叶片进行发电，其中以H型Darrieus叶片（即H-D型叶片）和Φ型Darrieus叶片（即Φ-D型叶片）应用最为普遍。但由于升力型叶片固有的气动结构缺点，其启动转矩很小，较难实现自启动，例如目前商用升力型水平轴风力机要借用启动电机实现风力机启动。这样以来，不仅增加了制造使用成本，还增加了结构重量和复杂性，这些都不利于中小型垂直轴风力机的应用。因此，通过特定的结构和设计来实现优良启动性能和发电性能的有效结合以成为当前垂直轴风力发电机的技术研究热点之一。

哈尔滨工业大学曲建俊等提出基于活固叶片的新型升阻复合型垂直轴风力机，及澳大利亚卧龙岗大学Paul Cooper等提出的基于锥齿轮传动旋转叶片的"Wollongong Turbine"。张富昌提出的升阻互补型立轴风力机，及赵振宙等提出的一种升阻互补型垂直轴风轮。以上可以概括两种设计方法，升阻力型叶片变换和升阻力型叶片固定结合。缺点：1)方法一通过升阻力型变换叶片形式优化启动和发电性能，在风力机运转过程中，叶片通常处于运动状态，这将在叶片周围产生很强的气流扰动，特别是在风力机高速运转的情况下，大大降低了叶片的气动性能，严重时可能导致叶片失速。同时活动的叶片也会降低使用寿命和产生噪音。2）方法二通过升阻力固定结合形式优化启动和发电性能，只是机械的组合了两种叶片的优点，当阻力型叶片帮助升力型叶片启动后，即开始正常发电时，阻力型叶片由于固定连接将对升力型叶片产生阻碍力矩，降低风力机发电性能。

发明专利内容

针对现有结构中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种有效结合阻力型叶片优良的启动性能和升力型叶片优良的发电性能，既提高运行平稳性，结构简单，成本低廉的升阻力非固定组合型垂直轴风力机。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机，包括Φ-D型叶片、S型叶片、Φ-D型叶片轴、S型叶片轴、发电机和单向轴承；所述Φ-D型叶片轴与发电机的转子固定连接，所述S型叶片轴为中空结构并通过单向轴承套在Φ-D型叶片轴上；所述Φ-D型叶片至少为两组、且均布在Φ-D型叶片轴上；所述S型叶片为两组、且沿S型叶片轴的轴线上下设置在S型叶片轴上并呈90°交错分布，两组S型叶片位于Φ-D型叶片的内侧；所述单向轴承的外圈相对于内圈的锁死方向与Φ-D型叶片的旋转方向相同，单向轴承的自由转动方向与Φ-D型叶片的旋转方向相反。

作为本发明的一种优选方案，所述Φ-D型叶片为三组。

相比现技术，本发明的升阻力非固定组合型垂直轴风力机具有如下优点：

1、利用S型叶片大启动力矩的特点，弥补Cp值较高的Φ-D型叶片启动性能差的缺陷；同时采用单向轴承实现两种叶片的非固定连接，消除了固定组合形式S型叶片对Φ-D型叶片正常运行后的阻碍影响；有效结合S型叶片（即阻力型叶片）优良的启动性能和Φ-D型叶片（即升力型叶片）优良的发电性能，既提高了该风力发动机的启动性能，又保证了其发电性能。

2、无其他辅助启动装置，既提高了Φ-D型叶片运行地平稳性，且结构简单，成本低廉，可以实现大规模民用和商用。

附图说明

图1为升阻力非固定组合型垂直轴风力机的结构示意图；

图2为升阻力非固定组合型垂直轴风力机在运行时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

 如图1所示，一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机，包括Φ-D型叶片1（即Φ型Darrieus垂直轴风力机的叶片）、S型叶片2（即Savonious型垂直轴风力机的叶片）、Φ-D型叶片轴3、S型叶片轴4、发电机5、单向轴承6和主支架7。发电机5安装在主支架7上，Φ-D型叶片轴3与发电机5的转子固定连接。S型叶片轴4为中空结构，并通过单向轴承6套在Φ-D型叶片轴3上，Φ-D型叶片轴3与单向轴承6的内圈固定，S型叶片轴4与单向轴承6的外圈固定。Φ-D型叶片1至少为两组、且均布在Φ-D型叶片轴3上；本实施例中，Φ-D型叶片1为三组，且均布在Φ-D型叶片轴3，使该Φ-D型叶片轴3受力更均匀。S型叶片2为两组、且沿S型叶片轴4的轴线上下设置在S型叶片轴4上并呈90°交错分布，两组S型叶片2位于Φ-D型叶片1的内侧，单向轴承6的外圈相对于内圈的锁死方向与Φ-D型叶片1的旋转方向相同，单向轴承6的自由转动方向与Φ-D型叶片1的旋转方向相反。单向轴承是在一个方向上可以自由转动，而在另一个方向上锁死的一种轴承，单向轴承为现有产品，故不再赘述。

图1和图2所示的Φ-D型叶片1和S型叶片2的旋转方向为顺时针（俯视），单向轴承6的外圈相对于内圈的锁死方向与两种叶片的旋转方向相同，自由转动方向与两种叶片的旋转方向相反。这种结构可实现S型叶片对Φ-D型叶片只提供正向驱动力矩，而不会产生反向阻碍力矩，可广泛应用于建立建筑物中小型垂直轴风力机，同时对大型商用垂直轴风力机提供一种思路。

该垂直轴风力机主要是利用风力驱动Φ-D型叶片进行发电；同时利用S型叶片辅助Φ-D型叶片启动。Φ-D型叶片和S型叶片两种叶片的相互工作关系由连接它们的单向轴承实现，通过单向轴承一个方向锁死另一个方向自由转动的结构特点满足不同条件下的运转状态。

本实施例中，该风力机运行主要有三个状态：辅助启动、分离旋转和辅助旋转。在辅助启动状态，风速不足以使Φ-D型叶片实现自启动，S型叶片在风力的作用下产生顺时针驱动力矩（俯视，下同），由于此时Φ-D型叶片处于静止状态，S型叶片相对于Φ-D型叶片具有顺时针旋转的运动趋势，此时单向轴承6处于锁死状态，Φ-D型叶片轴3和S型叶片轴4相互“固定”，Φ-D型叶片随S型叶片开始旋转启动，两种叶片的转速相同，既Ω_L=Ω_D；当Φ-D型叶片启动后，Φ-D型叶片的来流速度不断增大，转速不断升高，尖速比一般可达到3～6，然而S型叶片为阻力型叶片，S型叶片的线速度要小于风速，此时Ω_L＞Ω_D，S型叶片相对于Φ-D型叶片逆时针旋转，此时单向轴承处于自由转动状态，S型叶片轴空套在Φ-D型叶片轴上，因此S型叶片不会对Φ-D型叶片产生反方向阻碍力矩，风机处于分离旋转状态；当风速降低导致Φ-D型叶片转速具有下降到S型叶片转速以下的趋势时，单向轴承重新处于锁死状态，S型叶片产生顺时针驱动力矩，提高Φ-D型叶片转速，风机处于辅助旋转状态。

本实施例中，S型叶片轴通过上下两个单列单向轴承与Φ-D型叶片轴相连，同时通过力学分析，设计叶片的体积与重量，并选择合适的单向轴承型号，保证能够正常运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种升阻力非固定组合型垂直轴风力机，包括Φ-D型叶片（1）、S型叶片（2）、Φ-D型叶片轴（3）、S型叶片轴（4）和发电机（5）；所述Φ-D型叶片轴（3）与发电机（5）的转子固定连接，所述S型叶片轴（4）为中空结构并套在Φ-D型叶片轴（3）上；所述Φ-D型叶片（1）至少为两组、且均布在Φ-D型叶片轴（3）上；所述S型叶片（2）为两组、且沿S型叶片轴（4）的轴线上下设置在S型叶片轴（4）上并呈90°交错分布，两组S型叶片（2）位于Φ-D型叶片（1）的内侧；其特征在于：还包括单向轴承（6），所述S型叶片轴（4）通过单向轴承（6）套在Φ-D型叶片轴（3）外，单向轴承（6）的外圈相对于内圈的锁死方向与Φ-D型叶片（1）的旋转方向相同，单向轴承（6）的自由转动方向与Φ-D型叶片（1）的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的升阻力非固定组合型垂直轴风力机，其特征在于：所述Φ-D型叶片（1）为三组。

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