CN103233857B

CN103233857B - 一种具有双层叶片的垂直轴风力机

Info

Publication number: CN103233857B
Application number: CN201310117773.3A
Authority: CN
Inventors: 张立勋; 梁迎彬; 焦启飞; 王晓宇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-04-07
Filing date: 2013-04-07
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2033-04-07
Also published as: CN103233857A

Abstract

本发明提供了一种具有双层叶片的垂直轴风力机，采用变桨距齿轮机构以及优化的定桨距叶片和变桨距叶片的弦径比。其中，定桨距叶片安装在风轮支撑臂外端，变桨距叶片安装在风轮支撑臂内侧。变桨距齿轮机构由固定齿轮、惰轮、同步轮和齿形带轮组成，借助轮系和皮带传动并通过协调各齿轮和齿形带轮的传动比实现变桨距叶片预期的运动。固定齿轮、惰轮、同步轮的齿数比为2:1:1，小齿形带轮与变速齿形带轮的齿数比为1:2；变桨距叶片的转速为风轮转速的一半，转动方向与风轮旋转方向相反；定桨距叶片的弦径比C/R为0.3；变桨距叶片的弦径比C/R为0.33。本发明的有益效果在于提高了风力机的启动能力且不需额外动力源。

Description

一种具有双层叶片的垂直轴风力机

技术领域

一种具有双层叶片的垂直轴风力机，属于风力发电机领域。

背景技术

风能是解决能源危机和环境污染的重要替代能源，垂直轴风力机已经成为一种重要的风力发电装置，但是升力型垂直轴风力机的启动能力是制约垂直轴风力机发展的重要因素之一，成为风机设计者关注的重点。目前，解决风力机启动问题的方案有多种，其中最具代表性的一种方法是升力型风力机与阻力型风力机相结合，利用阻力型风力机低风速启动性能好的优势改善升力型风力机的启动特性，通常是将φ型或H型风力机与S型风力机组合，如专利200920261028.5《升阻力混合型垂直轴风力机》中采用了将H型叶片与S型叶片组合的风轮结构；但是当风力机工作在高尖速比后，S型叶片的影响越来越严重并降低了风能利用率。另外一种方法就是采用具有较高启动特性的翼型，如非对称翼型NACA4415；但当翼型的弯度较大时会失去自启动能力，如FX63-137翼型。此外，还有人对现有翼型进行再设计以提高其启动能力，如US20070177970专利《Verticalaxiswindturbineandwindturbineblade》所述；但由于翼型对流场参数十分敏感，设计出适应不同雷诺数条件的翼型具有很大难度。研究发现，变桨距控制不仅可以提高风力机的启动能力，还可以进一步提高风能利用率；但是变桨距控制一般都需要额外的驱动单元，增加了系统复杂程度和成本。

发明内容

本发明所涉及的一种具有双层叶片的垂直轴风力机，其定桨距叶片固定安装，变桨距叶片则借助变桨距齿轮机构实现变桨距转动；并根据采用翼型的气动特性，优化两层叶片的安装位置和弦径比参数，实现两层叶片工作尖速比的协调统一，改善了风力机的启动能力；进而确保变桨距齿轮机构的驱动力矩来自定桨距叶片和自身叶片产生的合气动力，不需额外动力源。

本发明包括塔架、外转子发电机、风轮支撑臂、定桨距叶片、变桨距叶片和变桨距齿轮机构等；其中变桨距齿轮机构主要由固定齿轮、惰轮、同步轮、小齿形带轮、变速齿形带轮和同步带组成。外转子发电机的定子与塔架固连，发电机的转子与风轮支撑臂连接。风轮支撑臂上安装两层叶片，定桨距叶片弦长大，定桨距安装；变桨距叶片弦长小，采用由周转轮系以及带传动组成的变桨距齿轮机构。固定齿轮安装并固连在塔架上，惰轮、同步轮和变速齿形带轮分别安装在风轮支撑臂上；小齿形带轮与同步轮同轴安装，变桨距叶片与变速齿形带轮同轴安装；固定齿轮、惰轮、同步轮依次啮合；同步轮将旋转运动传递给小齿形带轮，再经同步带传递到变速齿形带轮；调整各齿轮和带轮的传动比确保变桨距叶片的转速为风轮转速的一半，且方向相反。

运动分析如下（参照附图说明图7）：

固定齿轮固定于塔架上，设其半径为r₁，惰轮和同步轮只滚而不滑动，惰轮半径为r₂，同步轮半径为r₃，风轮的旋转速度为ω₀；D点为固定齿轮与惰轮Ⅱ的接触点，C点为惰轮与同步轮的接触点，则风轮支撑臂上A点的速度为V_A=ω₀·OA=ω₀(r₁+r₂)；接触点D的速度为V_D=V_A+V_DA；由于齿轮Ⅰ固定不动且点D不滑动，因而V_D=V_A=ω₀(r₁+r₂)，方向与V_A相反；惰轮的角速度为逆时针方向；接触点C的速度为V_C=V_A+V_CA；则V_C=V_A+V_CA=ω₀(r₁+r₂)+ω₂r₂=2ω₀(r₁+r₂)。

同理，B点速度为V_A=ω₀·OB=ω₀(r₁+2r₂+r₃)，并且有接触点C的速度为V_C=V_B+V_CB，即V_C=V_B+V_BA=ω₀(r₁+2r₂+r₃)+ω₃r₃；则同步轮Ⅲ的转速为

ω_{3} = \frac{{2 ω}_{0} (r_{1} + r_{2}) - ω_{0} (r_{1} + 2 r_{2} + r_{3})}{r_{3}} = \frac{ω_{0} (r_{1} - r_{3})}{r_{3}},

顺时针方向；叶片转速与风轮转速的比值为

\frac{ω_{3}}{ω_{0}} = \frac{r_{1} - r_{3}}{r_{3}} .

（1）变桨距齿轮机构方案一

变桨距齿轮机构的目的是实现叶片转速为风轮转速的一半，本方案采用仅使用齿轮的直接方法，且令

\frac{ω_{3}}{ω_{0}} = \frac{r_{1} - r_{3}}{r_{3}} = \frac{1}{2},

则

\frac{r_{1}}{r_{3}} = \frac{2}{3} .

若固定齿轮、惰轮和同步轮的齿数关系满足Z₁:Z₂:Z₃=4:5:6，就可实现对叶片桨距角改变的要求。该方案结构简单，不过较大的惰轮和同步轮直径增大了变桨距齿轮机构的整体质量和转动惯量；虽然可以采取孔板式齿轮结构降低惰轮和同步轮的质量和转动惯量，但是当变桨距叶片安装位置距离风轮旋转中心较远时，必然要通过增加对应齿轮的直径。变桨距齿轮机构的质量和转动惯量的增加会对风力机的运行以及变桨距的实现产生一定影响，而且随着叶片安装半径的增加使得问题更加严重。

（2）变桨距齿轮机构方案二

本方案先通过齿轮传动实现风轮运动的转化，再经齿形带传动实现变桨距控制。此方案在方案一的基础上串联了一级齿形带传动，即小齿形带轮与同步轮同轴安装，同步轮带动小齿形带轮，然后经同步带实现变速轮的转动控制。其中各齿轮的齿数满足关系Z₁:Z₂:Z₃=2:1:1，ω₃=ω₀。小齿形带轮与变速齿形带轮的齿数关系满足Z_小:Z_变=1:2。

方案二只要求各齿轮具有一定的传动比，齿轮直径可以做得较小，从而降低了齿轮的质量和转动惯量；经齿轮传动后再采用带传动，克服了叶片安装距离的问题，同时进一步降低变桨距齿轮机构的附加质量。此外ω₃=ω₀，即同步轮的状态可以反映风轮的状态，通过测量同步轮的转速等信息就可以得到风轮的运行状态等信息。

所述的方案二中轮系传动装置可以做的比较紧凑，甚至可以制作成齿轮箱，在便于带传动安装的前提下，容易实现各级齿轮的润滑和保护。风轮支撑臂采用对称翼型截面。

此外，为了更好地改善垂直轴风力机的启动能力，根据采用翼型的气动特性，优化两层叶片的安装位置和弦径比的匹配，实现两层叶片工作尖速比的协调统一。垂直轴风力机采用NACA0015翼型，风力机数值模拟表明较好的尖速比区间为2.5～3.0，且翼型的流场模拟NACA0015的动态失速角在20～25度左右，由此可确定风力机比较合适的弦径比C/R在0.2～0.35范围内，故设计定桨距叶片的弦径比C/R=0.3，而变桨距叶片的弦径比C/R=0.33。

附图说明

图1一种具有双层叶片的垂直轴风力机第一方案整体示意图

图2一种具有双层叶片的垂直轴风力机第一方案轮系传动示意图

图3一种具有双层叶片的垂直轴风力机第二方案整体示意图

图4一种具有双层叶片的垂直轴风力机第二方案轮系传动示意图

图5一种具有双层叶片的垂直轴风力机的叶片在某周状态示意图

图6一种具有双层叶片的垂直轴风力机的叶片在下一周状态示意图

图7一种具有双层叶片的垂直轴风力机的轮系运动分析图

图8定桨距叶片在不同尖速比下的风能利用率

图9风力机尖速比、攻角和弦径比的关系曲线

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。

如图1和图2所示的方案一，外转子发电机2的定子安装在塔架1顶部，外转子发电机2的转子与风轮支撑臂5连接；定桨距叶片4安装在风轮支撑臂外端，变桨距叶片3安装在定桨距叶片4的内侧，在定桨距叶片4和变桨距叶片3的两端安装挡流板14。固定齿轮11位于外转子发电机2上部并与塔架1固连；惰轮10安装在风轮支撑臂5上，可绕自身转轴转动并与固定齿轮11啮合；同步轮8安装在风轮支撑臂5上，可绕自身转轴转动并与惰轮10啮合；变桨距叶片3的转轴与同步轮8固连。分别在惰轮10和同步轮8上打孔以降低惰轮10和同步轮8的质量和转动惯量。固定齿轮11、惰轮10和同步轮8的齿数满足关系：Z₁:Z₂:Z₃=4:5:6，实现ω_叶片/ω_风轮=-0.5。

如图7所示，风轮支撑臂5绕塔架1的中心旋转；惰轮10和同步轮8都安装在风轮支撑臂5上，惰轮10分别与固定齿轮11和同步轮8啮合；惰轮10和同步轮8可以绕自身转轴转动，且随风轮支撑臂5公转。根据运动学关系（见“发明内容”中的相关推导），同步轮8与风轮的转速关系为：ω₃/ω₀=(r₁-r₃)/r₃，同步轮的旋转方向与风轮旋转方向相反。

如图3和图4所示的方案二，变桨距齿轮机构由固定齿轮11、惰轮10、同步轮8、小齿形带轮9、变速齿形带轮6和同步带7组成；外转子发电机2的定子与塔架1固连，外转子发电机2的转子与风轮支撑臂5连接；定桨距叶片4安装在风轮支撑臂外端，变桨距叶片3安装在定桨距叶片4的内侧，在定桨距叶片4和变桨距叶片3的两端安装挡流板14。固定齿轮11位于外转子发电机2上部并与塔架1固连；惰轮10安装在风轮支撑臂5上，可绕自身转轴转动并与固定齿轮11啮合；同步轮8安装在风轮支撑臂5上，可绕自身转轴转动并与惰轮10啮合；小齿形带轮9与同步轮8同轴固连；变速齿形带轮6安装于风轮支撑臂5上且可绕自身转轴转动，变桨距叶片3与变速齿形带轮6固连，变速齿形带轮6与小齿形带轮9借助同步带7传动。小齿形带轮9与变速齿形带轮6的齿数关系满足Z_小:Z_变=1:2。固定齿轮11、惰轮10和同步轮8的齿数关系满足Z₁:Z₂:Z₃=2:1:1；根据各齿轮和带轮传动的传动比关系，可以实现ω_叶/ω_风轮=-0.5。

图5和图6给出了风轮叶片在某相邻两周的状态示意图，其中，定桨距叶片4定桨运行，变桨距叶片3变桨距运行；且可以看出叶片的转速为风轮转速的一半，方向与风轮转动方向相反。

如图8和图9，垂直轴风力机采用NACA0015翼型，风力机数值模拟表明较好的尖速比区间为2.5～3.0，且翼型的流场模拟NACA0015的动态失速角在20～25度左右，由此可确定风力机比较合适的弦径比C/R在0.2～0.35范围内，故设计定桨距叶片4的弦径比C/R=0.3，而变桨距叶片3的弦径比C/R=0.33。

本发明采用外转子发电机，发电机定子与塔架固连，转子与风轮支撑臂直接相连，简化了风轮整体结构；设计了双层叶片风轮结构，且内层的变桨距叶片受变桨距轮系调控；依据低风速下优化得到的变桨距规律，提高了风力机的启动能力；不需要额外动力源，降低了系统动力源消耗。此外，内外两层叶片通过安装位置和弦径比的匹配，实现了内外两层叶片在最优工作尖速比区间的匹配。

Claims

1.一种具有双层叶片的垂直轴风力机，其特征在于：采用变桨距齿轮机构并优化定桨距叶片(4)和变桨距叶片(3)的弦径比；其中，所述的变桨距齿轮机构由固定齿轮(11)、惰轮(10)、同步轮(8)、小齿形带轮(9)、变速齿形带轮(6)和同步带(7)组成；外转子发电机(2)的定子与风力机的塔架(1)固连，外转子发电机(2)的转子与风轮支撑臂(5)连接；定桨距叶片(4)安装在风轮支撑臂外端，变桨距叶片(3)安装在定桨距叶片(4)的内侧；固定齿轮(11)位于外转子发电机(2)上部并与塔架(1)固连；惰轮(10)安装在风轮支撑臂(5)上，绕自身转轴转动并与固定齿轮(11)啮合；同步轮(8)安装在风轮支撑臂(5)上，绕自身转轴转动并与惰轮(10)啮合；小齿形带轮(9)与同步轮(8)同轴固连；变速齿形带轮(6)安装于风轮支撑臂(5)上且绕自身转轴转动，变桨距叶片(3)与变速齿形带轮(6)固连，变速齿形带轮(6)与小齿形带轮(9)借助同步带(7)传动，在定桨距叶片(4)和变桨距叶片(3)的两端安装挡流板(14)；定桨距叶片(4)的弦径比C/R为0.3；变桨距叶片(3)的弦径比C/R为0.33；固定齿轮(11)、惰轮(10)、同步轮(8)的齿数比为2:1:1，小齿形带轮(9)与变速齿形带轮(6)的齿数比为1:2；变桨距叶片(3)的转速为风轮转速的一半，转动方向与风轮旋转方向相反。