CN114458539B - 对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置 - Google Patents

对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风力发电领域内的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，包括经轴承套设在支柱上的旋转套筒，旋转套筒上安装有多个对数螺旋线叶片，叶片沿轴向扭转角度分布，叶片由根部至顶部宽度变化为：由窄变宽再变窄，叶片的根部经下支座与旋转套筒固定连接，叶片的上部经上支座与旋转套筒固定连接，支柱的底部安装在底座上，底座上安装发电机，发电机套设在旋转套筒下端，本发明启动简单，适用范围广，利用减振装置的立方非线性，能够在较宽范围内吸收振动。

Description

对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电装置。
背景技术
随着社会的发展，人们对电力的需求越来越大，整个经济社会需要全面转向绿色低碳，可再生能源发电作为电力领域实现碳中和重要一环广受关注，其中风能作为一种清洁、可再生、无污染的能源，被寄予厚望。
目前风力发电机从结构上考虑，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。两种风力机各有利弊，水平轴风力机技术比较成熟，获取能量的效率较高，但是成本较高，体型较大，造成噪音和视觉污染；垂直轴风力机结构简单，易于维护，但是效率较低，自启动较为困难。垂直轴风力机在启动时受到风的冲击，会产生振动。阻尼器能够吸收主体结构的振动能量，常见的阻尼器包括调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、调谐弹簧阻尼器等。阻尼器属于被动控制减震装置，使用方便可靠，质量轻，成本低。
随着风能的发展，富含风资源的区域逐渐被开发殆尽，分布式，小型化发电成为一个发展方向，垂直轴风力机得到了更多的关注。因此有必要提出一种结构简单，易于维护，启动性能优异的新型风力机。并且此新型风力机安装便捷，转速低，噪音低，寿命长，外观优美，对周围环境影响小.
发明内容
针对现有技术中存在的垂直轴风力发电装置自启动困难，振动噪声大，功率系数低，对环境影响大的问题，本发明提供了一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，启动简单，利用减振装置的立方非线性，能够在较宽范围内吸收振动。
本发明工作时，叶片受到风的冲击后旋转，同时将力矩通过旋转套筒传递给发电机，将风能转化为电能，如此实现风力发电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，包括经轴承套设在支柱上的旋转套筒，所述旋转套筒上安装有多个对数螺旋线叶片，所述叶片沿轴向扭转角度分布，所述叶片由根部至顶部宽度变化为：由窄变宽再变窄，所述叶片的根部经下支座与旋转套筒固定连接，所述叶片的上部经上支座与旋转套筒固定连接，所述支柱的底部安装在底座上，底座上安装发电机，发电机套设在旋转套筒下端。
作为本发明的进一步限定，所述沿轴向扭转角度分布具体为：距离叶片底部高度与叶片轴向长度的百分比代表不同的轴向距离；不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，叶片截面记作XZ平面，使用X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
叶片轴向18％处，拟合的曲线方程为：z＝0.0012x^2-0.3235x+64.86，
叶片轴向36％处，拟合的曲线方程为：z＝0.001x^2+0.1066x+48.92，
叶片轴向54％处，拟合的曲线方程为：z＝0.0007x^2-0.6183x+19.97，
叶片轴向72％处，拟合的曲线方程为：z＝0.0064x^2+1.316x+3.665，
叶片轴向90％处，拟合的曲线方程为：z＝0.1216x^2+2.224x-19.54。
作为本发明的进一步限定，所述旋转套筒与支柱之间设置有减震装置，所述减震装置设置有两组，分别设置在上支座和下支座之间、下支座与发电机之间。
作为本发明的进一步限定，所述旋转套筒内加工有用以安装减震装置腔体。
作为本发明的进一步限定，所述减震装置包括套设在支柱上的向心轴承，向心轴承的外周经一对锥形弹簧组件和一对线性弹簧组件与旋转套筒相连；
所述锥形弹簧组件包括锥形弹簧，锥形弹簧的大径端连接在第一连接件上，锥形弹簧的小径端连接在第二连接件上，第一连接件铰接在旋转套筒上，第二连接件铰接在向心轴承上，所述第一连接件与第二连接件还经阻尼器相连；
所述线性弹簧组件包括线性弹簧，线性弹簧的一端铰接在旋转套筒上、另一端铰接在向心轴承上；
锥形弹簧和线性弹簧均处于压缩状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、叶片根据对数螺线方式，沿轴向扭转角度，拉伸而成，对数螺线的曲率半径线性过渡，流体阻力较小，提高了获能系数；阻力型风力机启动力矩低，不再受到风力资源的限制，极大地增加了使用范围；
2、与传统的垂直轴风力机相比，该新型叶片风力发电装置利用减振装置的立方非线性，能够在较宽范围内吸收叶片受到来流冲击产生的振动，有效的抑制减小了垂直轴风力机的震动与噪声，极大的提高了发电装置的使用寿命；同时该发电装置造型美观，对周围的环境影响较小；
3、根据对数螺线方式拉伸的叶片旋转时流动损失较小，同时风力发电装置整体下宽上窄，尾流的影响范围较小。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明俯视图。
图3为本发明截面图。
图4为本发明中减振装置结构示意图。
图5为本发明中叶片轴向不同位置截面示意图。
图6为本发明提出的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置叶片轴向 18％处叶片截面型线示意图。
图7为本发明提出的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置叶片轴向 36％处叶片截面型线示意图。
图8为本发明提出的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置叶片轴向 54％处叶片截面型线示意图。
图9为本发明提出的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置叶片轴向 72％处叶片截面型线示意图。
图10为本发明提出的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置叶片轴向90％处叶片截面型线示意图。
图11为本发明额定工况下叶片轴向25％、50％、75％截面处数值模拟速度云图。
图12为本发明无减振装置下受到的力矩示意图。
图13为本发明有减振装置下受到的力矩示意图。
图14为本发明无减振装置下受到的推力示意图。
图15为本发明有减振装置下受到的推力示意图。
图16为本发明不同叶尖速比下功率系数与文献值的对比示意图。
其中，1支柱，2上支座，3减震装置，31向心轴承，32锥形弹簧，33 第一连接件，34第二连接件，35阻尼器，36第三连接件，37第四连接件， 38线性弹簧，4叶片，5旋转套筒，6下支座，7发电机，8底座。
具体实施方式
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做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。
实施例
如图1-3所示的一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，包括经轴承套设在支柱1上的旋转套筒5，旋转套筒5上安装有多个对数螺旋线叶片4 (本实施例中设置6个，但不局限于此，可根据实际需要选择数量)，叶片4 沿轴向扭转角度分布，叶片4由根部至顶部宽度变化为：由窄变宽再变窄，具体为中部偏下区域的叶片4最宽，叶片4的根部经下支座6与旋转套筒5 固定连接，下支座6可采用两块法兰盘配合螺栓组成，生产时可在叶片4的根据打孔，使用螺栓穿过后夹紧在法兰盘之间，叶片4的上部经上支座2与旋转套筒5固定连接，上支座2可采用固定在旋转套筒5外周的圆环，叶片 4的上部侧边沿焊接在圆环上，共同组成叶轮，支柱1的底部安装在底座8 上，底座8上安装发电机7，发电机7套设在旋转套筒5下端。
如图4所示，本实施例中，旋转套筒5与支柱1之间设置有减震装置3，减震装置3设置有两组，分别设置在上支座2和下支座6之间、下支座6与发电机7之间，旋转套筒5内加工有用以安装减震装置3腔体，减震装置3 包括套设在支柱1上的向心轴承31，向心轴承31的外周经一对锥形弹簧32 组件和一对线性弹簧38组件与旋转套筒5相连；
锥形弹簧32组件包括锥形弹簧32，锥形弹簧32的大径端连接在第一连接件33上，锥形弹簧32的小径端连接在第二连接件34上，第一连接件33 铰接在旋转套筒5上，第二连接件34铰接在向心轴承31上，第一连接件33 与第二连接件34还经阻尼器35相连；
线性弹簧38组件包括线性弹簧38，线性弹簧38的一端经第三连接件36 铰接在旋转套筒5上、另一端经第四连接件37铰接在向心轴承31上；
锥形弹簧32和线性弹簧38均处于压缩状态。
如图5所示，本实施例中，叶片的长度共约220mm，沿轴向扭转角度分布具体为：距离叶片底部高度与叶片轴向长度的百分比代表不同的轴向距离；不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，叶片截面记作XZ平面，使用X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
如图6所示，叶片轴向18％处：
表1
Figure BDA0003482293190000061
Figure BDA0003482293190000071
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0012x2-0.3235x+64.86
如图7所示，叶片轴向36％处：
表2
序号 X Z 序号 X Z
1 49.39 56.54 11 29.95 52.98
2 47.45 56.16 12 28.00 52.66
3 45.51 55.78 13 26.05 52.35
4 43.57 55.40 14 24.10 52.05
5 41.63 55.04 15 22.14 51.75
6 39.69 54.68 16 20.19 51.46
7 37.74 54.32 17 18.23 51.18
8 35.80 53.98 18 16.28 50.91
9 33.85 53.64 19 14.32 50.64
10 31.90 53.30 20 12.36 50.39
拟合后的曲线方程为：
z＝0.001x2+0.1066x+48.92；
如图8所示，叶片轴向54％处：
表3
Figure BDA0003482293190000072
Figure BDA0003482293190000081
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0007x2-0.6183x+19.97
如图9所示，叶片轴向72％处：
表4
序号 X Z 序号 X Z
1 17.47 28.63 11 11.23 19.26
2 16.86 27.68 12 10.59 18.33
3 16.24 26.74 13 9.95 17.41
4 15.62 25.80 14 9.31 16.48
5 15.00 24.86 15 8.67 15.56
6 14.38 23.92 16 8.02 14.64
7 13.76 22.99 17 7.37 13.72
8 13.13 22.05 18 6.72 12.80
9 12.50 21.12 19 6.07 11.89
10 11.87 20.19 20 5.41 10.97
拟合后的曲线方程为：
z＝0.0064x2+1.316x+3.665
如图10所示，叶片轴向90％处：
表5
Figure BDA0003482293190000082
Figure BDA0003482293190000091
拟合后的曲线方程为：
z＝0.1216x2+2.224x-19.54。
下面对上述实施例进行试验模拟；
如图11为本发明额定工况下叶片轴向25％、50％、75％截面处数值模拟速度云图，可以看出风力机的尾流影响范围较小，对靠近地面的流场影响较大。
如图12-15所示，可以明显看出，本发明在抑制震动方面有显著效果，可有效抑制震动，设计的减震装置中压缩状态下的锥形弹簧和线性弹簧同时工作，才能实现非线性能量阱的立方非线性，吸振的频带范围宽，从而能够有效抑制和减弱海流带来的涡激振动。
如图16所示，可以看出，与传统的垂直轴风力机相比，本发明的功率系数有明显的提升。
本发明的实施过程为：风力机叶片受到风的冲击后旋转，同时将力矩通过旋转套筒传递给发电机组，将风能转化为电能。，
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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，其特征在于，包括经轴承套设在支柱(1)上的旋转套筒(5)，所述旋转套筒(5)上安装有多个对数螺旋线叶片(4)，所述叶片(4)沿轴向扭转角度分布，所述叶片(4)由根部至顶部宽度变化为：由窄变宽再变窄，所述叶片(4)的根部经下支座(6)与旋转套筒(5)固定连接，所述叶片(4)的上部经上支座(2)与旋转套筒(5)固定连接，所述支柱(1)的底部安装在底座(8)上，底座(8)上安装发电机(7)，发电机(7)套设在旋转套筒(5)下端，所述沿轴向扭转角度分布具体为：距离叶片底部高度与叶片轴向长度的百分比代表不同的轴向距离；不同轴向距离下截面曲线上的坐标以如下方式表示，叶片截面记作XZ平面，使用 X和Z分别代表截面曲线上部分点的坐标值：
叶片轴向18%处，拟合的曲线方程为：z=0.0012x^2-0.3235x+64.86，
叶片轴向36%处，拟合的曲线方程为：z=0.001x^2+0.1066x+48.92，
叶片轴向54%处，拟合的曲线方程为：z=0.0007x^2-0.6183x+19.97，
叶片轴向72%处，拟合的曲线方程为：z=0.0064x^2+1.316x+3.665，
叶片轴向90%处，拟合的曲线方程为：z=0.1216x^2+2.224x-19.54。
2.根据权利要求1所述的对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述旋转套筒(5)与支柱(1)之间设置有减震装置(3)，所述减震装置(3)设置有两组，分别设置在上支座(2)和下支座(6)之间、下支座(6)与发电机(7)之间。
3.根据权利要求2所述的对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述旋转套筒(5)内加工有用以安装减震装置(3)腔体。
4.根据权利要求2所述的对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述减震装置(3)包括套设在支柱(1)上的向心轴承(31)，向心轴承(31)的外周经一对锥形弹簧(32)组件和一对线性弹簧(38)组件与旋转套筒(5)相连；
所述锥形弹簧(32)组件包括锥形弹簧(32)，锥形弹簧(32)的大径端连接在第一连接件(33)上，锥形弹簧(32)的小径端连接在第二连接件(34)上，第一连接件(33)铰接在旋转套筒(5)上，第二连接件(34)铰接在向心轴承(31)上，所述第一连接件(33)与第二连接件(34)还经阻尼器(35)相连；
所述线性弹簧(38)组件包括线性弹簧(38)，线性弹簧(38)的一端铰接在旋转套筒(5)上、另一端铰接在向心轴承(31)上；
锥形弹簧(32)和线性弹簧(38)均处于压缩状态。
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