CN103321859A - 升力与阻力结合型垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升力与阻力结合型垂直轴风力机，其包括有阻力型叶轮、升力型叶轮、中心转轴、行星动力耦合部分、耦合部分支持平台、垂直轴发电机。本发明通过采用行星动力耦合装置将升力型叶轮和阻力型叶轮的运动进行有机的耦合，避免了风力机正常运行时两种叶轮的运动的互相干扰，提高了风力机的风能利用率；在此基础上，升力型叶轮和阻力型叶轮采用上、下布置安装的方式，两叶轮处于不同高度上，避免了外叶轮对内叶轮造成的影响，使阻力型叶轮的起动性能得到充分的发挥，从而使得升力与阻力结合型垂直轴风力机具有良好的起动性能。

Description

升力与阻力结合型垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机，尤其涉及一种升力与阻力结合型垂直轴风力机。

背景技术

现有的垂直轴风力机主要有升力型、阻力型和升阻复合型三类。其中，升力型垂直轴风力机具有较高的风能利用率，但其起动力矩小、起动性能差；阻力型垂直轴风力机具有较好的起动性能，但其风能利用率低；升力与阻力结合型垂直轴风力机能够发挥各自优势，克服两者缺点，使风力机同时具有较好的起动性能和较高风能利用率，而其升力叶片与阻力叶片的结合方式是升力与阻力结合型垂直轴风力机研究设计的关键，对开展升力与阻力结合型垂直轴风力机的研究设计具有重要的理论意义和应用价值。

目前，升力与阻力结合型垂直轴风力机的主要结构形式是在升力型风力机的转轴上加装阻力式叶片，如加装双S式风轮或风杯式风轮的达里厄风力机。该种升力与阻力结合型垂直轴风力机虽然解决了风力机的自起动问题，但也带来了一些新的问题：由于升力型风力机与阻力型风力机正常运行时叶尖速比的差异，升力叶片风轮的直径一般需为阻力叶片风轮直径的4～6倍。若选取的倍数较小，例如4倍，随升力叶片的叶尖速比的升高，阻力叶片慢于风速会产生较大的阻力，使风能利用率降低；若选取的倍数较大，例如5倍，阻力叶片风轮直径缩小，其起动力矩明显下降。所以，该种升力阻力结合式风力机始终存在着这一不能消除的矛盾点，影响了该种风力机的普及和向大中型机的发展。

发明内容

针对上述现有的升力与阻力结合型垂直轴风力机其升、阻叶片结合方式存在的问题，本发明的目的是提供一种利用行星差动轮系将升力型叶轮与阻力型叶轮产生的运动进行耦合输出，使得升力型叶轮与阻力型叶轮在自然风力变动情况下，工作状态始终保持相互之间不产生干扰、具备协同配合作用的有机统一体。即，使得升力与阻力结合型垂直轴风力机风力机在整体上既具备良好的起动性能、又具备较高的风能利用率。

本发明要解决的技术问题是，如何利用行星差动轮系将升力型叶轮与阻力型叶轮进行耦合，以使得升力型叶轮与阻力型叶轮在自然风力变动情况下，工作状态始终保持相互之间不产生干扰、具备协同配合作用的有机统一体的技术问题。

本发明所采用的具体技术方案是：一种升力与阻力结合型垂直轴风力机，包括有阻力型叶轮（1）、升力型叶轮（2）、行星动力耦合部分（3）、耦合部分支持平台（5）、中心转轴（111）和垂直轴发电机（4），其中，阻力型叶轮（1）与升力型叶轮（2）分别安装于所述中心转轴（111）的不同高度位置，上述阻力型叶轮（1）位于升力型叶轮（2）上方，垂直轴发电机（4）固定在耦合部分支持平台（5）上；上述行星动力耦合部分主要由连接轴（31）、套筒（32）、行星差动轮系、大轴承座（33）和联轴器（39）组成；上述阻力型叶轮的中心转轴（111）通过连接轴（31）、联轴器（39）与所述动力耦合部分（3）的行星差动轮系的太阳轮（34）相连；上述升力型叶轮的旋转连接法兰（24）通过连接套筒（32）与所述动力耦合部分的行星差动轮系的齿圈（35）相连，上述动力耦合部分的行星差动轮系的行星架（36）通过联轴器与发电机主轴（37）相连。

即，本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其行星动力耦合部分主要由与阻力型叶轮中心转轴连接轴、升力型叶轮旋转法兰连接件、行星差动轮系、轴承座和联轴器等组成，上述行星动力耦合部分将阻力型叶轮与升力型叶轮分别产生的旋转运动耦合得到一个总运动并输出到发电机上。

上述阻力型叶轮的叶片的上边缘、下边缘分别与第一叶片转轴和第二叶片转轴固定连接，上述第一叶片转轴和第二叶片转轴的另一端分别通过所述上支撑臂和下支撑臂上的带座轴承形成可转动连接，上支撑臂和下支撑臂分别通过第一法兰和第二法兰固定在所述中心转轴上；上述带座轴承优选为带座外球面轴承。

上述升力型叶轮的叶片通过支撑臂连接件、上支撑臂、下支撑臂与旋转连接法兰相连接。

上述升力型叶轮、阻力型叶轮和动力耦合部分各自分别通过带座角接触轴承，再通过支撑架与所述耦合部分支持平台固定连接。

本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其阻力型叶轮由上叶片支撑臂、上连接法兰、上挡块、上叶片转轴、叶片支撑框、风帆叶片、下叶片转轴、下挡块、下连接法兰、下叶片支撑臂和中心转轴组成。叶片安装在支撑臂上，可以绕叶片转轴旋转，支撑臂上叶片挡块可以限制转动角度。当风吹向叶片时，一侧的叶片顺风摆动，对风不产生阻力；而另一侧侧的叶片在风力作用下，转向挡块限定的位置，并继续受到风的作用产生阻力，该阻力推动叶片绕垂直转轴旋转，从而整个阻力型叶轮就开始旋转。

本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其升力型叶轮由叶片、叶片与支撑臂连接件、连接法兰、上支撑臂和下支撑臂组成。叶片具有翼型的剖面，具有翼型的气动特性，在风的作用下所产生的升力远远大于阻力，该升力推动叶片绕转轴开始旋转。

采用上述技术方案的升力与阻力结合型垂直轴风力机，与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：

本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机运用行星差动轮系的动力耦合特性，将升力型叶轮和阻力型叶轮耦合，使得垂直轴风力机具有良好的气动性能和风能利用率，为大型升阻复合型风力机的研究与开发奠定了一定的基础。

本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机的行星动力耦合装置，能够将升力型叶轮和阻力型叶轮的运动进行有机地耦合，避免了风力机正常运行时两种叶轮的运动的互相干扰，提高了升力与阻力结合型垂直轴风力机的风能利用率。

本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其升力型叶轮和阻力型叶轮采用上下布置安装的方式，两叶轮不处于同一高度上，避免了外叶轮对内叶轮造成的影响，使阻力型叶轮的起动性能得到充分的发挥，从而使得升力与阻力结合型垂直轴风力机具有良好的起动性能。

更进一步的是，本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机，由于阻力型叶轮的起动力矩比升力型叶轮的起动力矩大，所以在相同风速下，阻力型叶轮首先开始旋转，与之连接的动力耦合部分的太阳轮转动，并推动与升力型叶轮连接的齿圈，升力型叶轮的中心转轴在该力矩和风产生的力矩的两者作用下，就开始起动旋转，从而升力与阻力结合型垂直轴风力机的输出轴就带动发电机开始转动，风力机完成了起动过程。所以，本发明的升力与阻力结合型垂直轴风力机即使是与纯升力型垂直轴风力机相比较，其起动性能更好，更易于起动。

附图说明

图1为升力与阻力结合型垂直轴风力机结构示意图；

图2为升力与阻力结合型垂直轴风力机俯视结构示意图；

图3为阻力型叶轮结构示意图；

图4为阻力型叶轮俯视结构示意图；

图5为升力型叶轮结构示意图；

图6为图5沿A-A方向剖面结构示意图；

图7为行星动力耦合部分剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1、图2所示，升力与阻力结合型垂直轴风力机主要由阻力型叶轮1、升力型叶轮2、行星动力耦合部分3及其支持平台5和垂直轴发电机4组成。

如图1至图7所示，阻力型叶轮位于升力型叶轮上方，阻力型叶轮的中心转轴111穿过升力型叶轮的旋转连接法兰24后通过连接轴31、联轴器39等与动力耦合部分的行星差动轮系的太阳轮34相连，升力型叶轮的旋转连接法兰24通过连接套筒32与动力耦合部分的行星差动轮系的齿圈35相连，而动力耦合部分的行星差动轮系的行星架36通过联轴器与发电机主轴37相连；阻力型叶轮1和升力型叶轮2的重量通过角接触轴承传递到大轴承座33上，然后再通过由铝型材等构成的支撑架38传递到耦合部分的支撑平台上。

如图1、图7所示，升力型叶轮2、阻力型叶轮1和动力耦合部分3各自分别通过带座角接触轴承，再通过支撑架与耦合部分支持平台5固定连接。

如图3、图4所示，阻力型叶轮的叶片16的上边缘、下边缘分别与第一叶片转轴14和第二叶片转轴17固定连接，第一叶片转轴14和第二叶片转轴17的另一端分别通过上支撑臂11和下支撑臂110上的带座轴承形成可转动连接，上支撑臂11和下支撑臂110分别通过第一法兰12和第二法兰19固定在所述中心转轴111上；作为一种优选，上述带座轴承最好采用带座外球面轴承。

如图5、图6所示，升力型叶轮的叶片21通过支撑臂连接件22、上支撑臂23、下支撑臂25与旋转连接法兰24相连接。

如图7所示，行星动力耦合部分主要由与阻力型叶轮中心转轴连接轴31、与升力型叶轮旋转法兰连接套筒32、行星差动轮系、大轴承座33和联轴器等组成，阻力型叶轮的中心转轴111通过连接轴31、联轴器39等与动力耦合部分的行星差动轮系的太阳轮34相连，升力型叶轮的旋转连接法兰24通过连接套筒32与动力耦合部分的行星差动轮系的齿圈35相连，而动力耦合部分的行星差动轮系的行星架36通过联轴器与发电机主轴37相连。

由于阻力型叶轮的起动力矩比升力型叶轮的起动力矩大，所以在相同风速下，阻力型叶轮首先开始旋转，与之连接的动力耦合部分的太阳轮转动，并推动与升力型叶轮连接的齿圈，升力型叶轮的中心转轴在该力矩和风产生的力矩的两者作用下，就开始起动旋转，从而复合型垂直轴风力机的输出轴就带动发电机开始转动，风力机完成了起动过程。通过该种方式，升阻复合型垂直轴风力机就比纯升力型垂直轴风力机的起动性能好，易于起动。

当升阻复合型垂直轴风力机正常运行之后，升力型叶轮和阻力型叶轮在风的作用下绕各自的中心轴旋转，而行星动力耦合部分就将升力型叶轮和阻力型叶轮的转速和转矩进行耦合，使风力机在较高的转速下得到较大的转矩，能够与发电机更好地相协调，并充分发挥了升力型垂直轴风力机风能利用率高的特点。

上述升力与阻力结合型垂直轴风力机通过采用行星动力耦合技术将升力型叶轮和阻力型叶轮耦合，使得升力与阻力结合型垂直轴风力机既具有良好的起动性能，又具有较大的风能利用率。

Claims (5)

1.一种升力与阻力结合型垂直轴风力机，包括有阻力型叶轮（1）、升力型叶轮（2）、行星动力耦合部分（3）、耦合部分支持平台（5）、中心转轴（111）和垂直轴发电机（4），其中，阻力型叶轮（1）与升力型叶轮（2）分别安装于所述中心转轴（111）的不同高度位置，上述阻力型叶轮（1）位于升力型叶轮（2）上方，垂直轴发电机（4）固定在耦合部分支持平台（5）上；其特征在于，所述行星动力耦合部分主要由连接轴（31）、套筒（32）、行星差动轮系、大轴承座（33）和联轴器（39）组成，所述阻力型叶轮的中心转轴（111）通过连接轴（31）、联轴器（39）与所述动力耦合部分（3）的行星差动轮系的太阳轮（34）相连，所述升力型叶轮的旋转连接法兰（24）通过连接套筒（32）与所述动力耦合部分的行星差动轮系的齿圈（35）相连，所述动力耦合部分的行星差动轮系的行星架（36）通过联轴器与发电机主轴（37）相连。

2.根据权利要求1所述的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其特征在于，所述阻力型叶轮的叶片（16）的上边缘、下边缘分别与第一叶片转轴（14）和第二叶片转轴（17）固定连接，所述第一叶片转轴（14）和第二叶片转轴（17）的另一端分别通过所述上支撑臂（11）和下支撑臂（110）上的带座轴承形成可转动连接，所述上支撑臂（11）和下支撑臂（110）分别通过第一法兰（12）和第二法兰（19）固定在所述中心转轴（111）上；

所述升力型叶轮的叶片（21）通过支撑臂连接件（22）、上支撑臂（23）、下支撑臂（25）与旋转连接法兰（24）相连接。

3.根据权利要求2所述的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其特征在于，所述第一叶片转轴（14）和第二叶片转轴（17）的另一端分别通过所述上支撑臂（11）和下支撑臂（110）上的带座外球面轴承形成可转动连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其特征在于，所述升力型叶轮（2）和所述阻力型叶轮（1）的重量通过角接触轴承传递到大轴承座（33）上，然后再通过支撑架（38）传递到耦合部分的支撑平台（5）上。

5.根据权利要求4所述的升力与阻力结合型垂直轴风力机，其特征在于，所述支撑架（38）材质为铝型材。

Images