CN115788768B - 基于涡激振动的风力机受风体及无叶式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡激振动的风力机受风体及无叶式垂直轴风力发电机，属于风力发电设备技术领域，受风体包括中心轴、伸缩骨架及外部包裹层，由动力机构驱动的伸缩骨架设于中心轴外部，中心轴上还设有用于改变受风体自振频率的调节组件。通过动力机构驱动伸缩骨架沿着中心轴的径向扩张与伸缩，改变受风体外形尺寸并使其增大后外形呈上小下大状；通过改变调节组件的上下位置来改变受风体自振频率；借助伸缩骨架外部的包裹层来保证受风体的气动外形。本发明能够精确控制旋涡脱落频率和受风体自振频率，保证大范围风速下锁频；含有该受风体的无叶式垂直轴风力发电机提高了风能利用率，具有发电效率高、抗风能力强、启动迅速、维修保养简单的优点。

Description

基于涡激振动的风力机受风体及无叶式垂直轴风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电设备技术领域，尤其涉及一种基于涡激振动的风力机受风体及无叶式垂直轴风力发电机。

背景技术

我国是世界上风力资源占有率最高的国家，风能储量在25亿KW以上，而目前风电装机量仅3亿kw左右，这意味着风电的开发还远没有达到天花板，风电市场未来战场的争夺还将持续。当前风电的体量还相对较小——2021年中国风力发电量占比仅为6.99％，而国际上不少国家的风力发电占比已经很高，例如丹麦风力发电量占比达到了48％，英国、德国也都超过了20％。当前，风力发电机主要有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种，其中水平轴风力发电机的发展历史长，已完全达到工业级生产，市面上商业风力发电机全部是水平轴。但是水平轴风力发电机在城市的应用效果并不理想，在北方、西北地区高风速下经常出现风机折断等抗风问题，其自身结构注定了很难平衡安全和成本，同时还存在叶片长，不易运输的缺陷。而基于涡激振动原理的垂直轴风力发电机在该方面则优于水平轴风力发电机，但是却存在风能利用率低的缺陷。

众所周知，涡激共振的激发条件需要旋涡脱落频率和物体自振频率严格锁频时，捕获风能的效率最高。而目前现有垂直轴风力发电机的受风体无法实现大范围风速下的锁频，这就导致运用涡激共振原理的垂直轴风力发电机的风能利用率较低，在实际工作中的效果无法达到商业推广的价值。有鉴于此，亟待改进现有的基于涡激振动原理的风力发电机，使其在风能利用率方面大幅提高，进而提高经济利用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于涡激振动的风力机受风体及无叶式垂直轴风力发电机，旨在解决现有技术中基于涡激振动的垂直轴风力发电机风能利用率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于涡激振动的风力机受风体，所述受风体包括中心轴、伸缩骨架及其外部的包裹层，所述伸缩骨架设置于中心轴的外侧，所述包裹层包覆在伸缩骨架的外部，所述伸缩骨架通过动力机构驱动其沿着中心轴的径向扩张与收缩，用于使受风体的横截面外形在圆形与正多边形之间切换、且使受风体的外形在尺寸增大后呈上小下大状；所述中心轴上还设有用于改变受风体自振频率的调节组件。

优选的，所述伸缩骨架包括若干组沿着中心轴长度方向间隔布置的伸缩架，每组伸缩架与动力机构相连，用于驱动伸缩架扩张与回缩。

优选的，所述动力机构包括电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮及驱动杆，所述主动锥齿轮由电机驱动，若干个主动锥齿轮沿中心轴的长度方向间隔布置，所述主动锥齿轮套装于中心轴上，所述从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，多个从动锥齿轮及驱动杆间隔设置于主动锥齿轮的四周；所述驱动杆的一端与从动锥齿轮同轴固定、另一端与伸缩架螺纹配合；通过电机驱动主动锥齿轮，带动从动锥齿轮及驱动杆旋转，进而驱动伸缩架相对中心轴径向伸缩；若干组伸缩架的从动锥齿轮及驱动杆上下一一对应；主动锥齿轮与从动锥齿轮的传动比沿着受风体的长度方向自上至下逐渐变小。

优选的，所述电机与中心轴相连，通过电机驱动中心轴及若干个主动锥齿轮旋转。

优选的，所述伸缩架包括若干组剪叉框架，每组剪叉框架由两根以上交叉配合的连杆组成，所述连杆中部与套筒转动配合，所述套筒与驱动杆螺纹配合；两两相邻剪叉框架的上下连杆末端均通过连接短节相连，所述连杆末端与连接短节的端部转动配合，所述连接短节的中部能够与包裹层相连。

优选的，每组剪叉框架由三根连杆交叉组成，分别为第一连杆、第二连杆和第三连杆，两个连接短节对应分为第一短节和第二短节；所述第一连杆与第二连杆平行设置在第三连杆的两侧，所述第一连杆与第二连杆的末端分别置于第一短节端部的单耳两侧、且通过转轴转动相连；所述第三连杆的末端与第二短节端部的双耳转动相连。

优选的，所述剪叉框架的外侧设有支撑架，所述支撑架为框架结构，包括连接板及其两侧的侧板，所述连接板与套筒外端面相连，两个侧板的一端与连接板端部相连、另一端与包裹层的弧形板相连；所述连接板的中部对应设有与驱动杆配合的连接孔。

优选的，所述包裹层包括长条状弧形板及柔性连接部，所述弧形板的长度方向与中心轴一致，所述弧形板的弧心朝向剪叉框架设置，所述弧形板的中部对应设有与驱动杆配合的连接孔；所述连接部由柔性防风材料制作而成，所述连接部的两侧分别与两侧的弧形板边缘相连。

优选的，所述调节组件包括圆柱状配重块及其四周的限位块和筒体，所述配重块与中心轴螺纹配合，所述限位块为多个、且径向设置于配重块的四周，所述筒体设置于限位块的外部、伸缩架的内部；所述筒体的上端固定于端盖上，所述端盖的中部与中心轴的上端固连，所述筒体的内壁上设有与限位块相匹配的限位槽，所述限位槽沿筒体的母线方向设置。

本发明还提供一种基于涡激振动的无叶式垂直轴风力发电机，包括上述受风体，所述受风体的中心轴与风力发电机的主轴相连。凡是含有上述受风体的基于涡激振动的无叶式垂直轴风力发电机均在本发明的保护范围之内。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过动力机构驱动伸缩骨架沿着中心轴的径向扩张与收缩，使受风体的横截面外形在圆形与正多边形之间切换；通过改变受风体内部调节组件的上下位置来改变受风体自振频率；借助伸缩骨架外部的包裹层来保证受风体的气动外形。本发明通过调节受风体的截面尺寸及配重块的位置，精确控制旋涡脱落频率和受风体自振频率，保证大范围风速下锁频；含有该受风体的无叶式垂直轴风力发电机能够在风能利用率、安全性能方面得到极大提升，具有发电效率高，对风的转向没有要求、抗风能力强、启动迅速、维修保养简单的优点，相比水平式风力发电机具有更加安全稳定、不需要偏航装置等优势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种基于涡激振动的风力机受风体的结构示意图(图中未画出包裹层的连接部)；

图2是本发明实施例提供的一种基于涡激振动的风力机受风体的仰视图；

图3是本发明中受风体横截面的原理示意图；

图4是本发明实施例中动力机构及调节组件在中心轴上的布置示意图；

图5是图4中动力机构的局部结构示意图；

图6是本发明实施例中伸缩架扩张后的状态图；

图7是图6中伸缩架收缩后的状态图；

图8是本发明实施例中调节组件的结构示意图(图中未画出筒体)；

图9是图8中调节组件的使用状态图；

图10是本发明实施例中支撑架与伸缩架及驱动杆的配合示意图；

图中：1-中心轴，2-包裹层，21-弧形板，22-连接部；3-伸缩架；4-主动锥齿轮，5-从动锥齿轮，6-驱动杆，7-连杆，71-第一连杆，72-第二连杆，73-第三连杆；8-套筒，9-连接短节，91-第一短节，92-第二短节；10-支撑架，101-连接板，102-侧板；11-配重块，12-限位块，13-筒体，14-端盖，15-限位槽，16-支撑套，17-轴承盘，18-配重安装处。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

参见图1、2，本发明提供的一种基于涡激振动的风力机受风体，所述受风体包括中心轴1、伸缩骨架及其外部的包裹层2，所述伸缩骨架设置于中心轴1的外侧，所述包裹层2包覆在伸缩骨架的外部，所述伸缩骨架通过动力机构驱动其沿着中心轴1的径向扩张与收缩，用于使受风体的横截面外形在圆形与正多边形之间切换、且使受风体的外形在尺寸增大后呈上小下大状；所述中心轴1上还设有用于改变受风体自振频率的调节组件。采用该结构的受风体可以在大范围风速下高效收集风能，并能在强风下实现自我保护。同时，通过修改受风体距离底部不同高度截面的外形尺寸，使得来流风沿着整个受风体同步涡旋脱落，这样使得垂直于风向的力能够做更多的功，进而使受风体获得的动能尽可能接近贝茨极限。

当受风体的外径较小时，可在低风速下工作，达到一定风速后稳定运行一段时间，利用动力机构主动改变受风体外径，或同时改变受风体外径及其自身振动频率，获得更好的锁频效果。当风速很高具有破坏性时，启动动力机构及时缩小受风体的外径，减小受风面积同时还可解除涡激共振状态，确保设备安全运行。

鉴于通常情况下风向是多变的，受风体面向各个方向的来流风的部分采用圆形或多棱柱柱均可以导致旋涡脱落。本发明中受风体的理想状态如图3所示，图中所示的截面形式可以在一定条件下产生交替脱落的旋涡，这种截面形状可通过动力机构来改变受风体的外径并确保产生涡激振动。当风经过受风体时，在受风体后部形成旋涡，旋涡脱落的频率为：

式中：f——旋涡脱落频率；

v——风速；

Φ——受风体外径；

St——斯特劳哈尔常数。

这种方法很适合于静态结构，但对于不可忽略振动的结构，式(2)可以证明有更好的拟合:

Φ＝D+a·X (2)

式中：Φ——受风体外径

D——理论直径

X——振荡振幅

a——调整因素，调整因素a与雷诺数有关。

通过改变调整因素a可以使旋涡有秩序地脱落。

鉴于在受风体的整体纵向长度内，沿纵向的每个截面具有相同的旋涡脱落频率，这个频率与整个结构的法向振荡模态的频率一致。采用本发明提供的方案就能够改变受风体不同截面的外径，进而改变旋涡脱落的频率

在本发明的一个具体实施例中，如图1、4、5所示，所述伸缩骨架包括若干组沿着中心轴1长度方向间隔布置的伸缩架3，每组伸缩架3与动力机构相连，用于驱动伸缩架3扩张与回缩。其中，所述动力机构包括电机(图中未画出)、主动锥齿轮4、从动锥齿轮5及驱动杆6，所述主动锥齿轮4由电机驱动，若干个主动锥齿轮4沿中心轴1的长度方向间隔布置，所述主动锥齿轮4套装于中心轴1上，所述从动锥齿轮5与主动锥齿轮4啮合，多个从动锥齿轮5及驱动杆6间隔设置于主动锥齿轮4的四周；所述驱动杆6的一端与从动锥齿轮5同轴固定、另一端与伸缩架3螺纹配合；通过电机驱动主动锥齿轮4，带动从动锥齿轮5及驱动杆6旋转，进而驱动伸缩架3相对中心轴1径向伸缩；若干组伸缩架3的从动锥齿轮5及驱动杆6上下一一对应；主动锥齿轮与从动锥齿轮的传动比沿着受风体的长度方向自上至下逐渐变小。具体装配时，四周驱动杆贯穿支撑套16设置，驱动杆6上套装与支撑套上安装孔转动配合的轴承盘17，利用支撑套对驱动杆起到支撑作用。采用上述锥齿轮传动结构的传动比设计可实现受风体在外径增大过程中，沿着受风体的长度方向下方驱动杆的转速高于上方驱动杆的转速，进而下方伸缩架的扩张量大于上方伸缩架的扩张量，实现受风体外形尺寸上小下大的目的。

具体装配时，所述电机与中心轴1相连，电机可安装在中心轴的底部，电机的输出轴直接驱动中心轴或通过传动机构驱动中心轴转动；通过电机驱动中心轴1及若干个主动锥齿轮4旋转。通过电机同时驱动中心轴及主动锥齿轮旋转，带动多个驱动杆同时转动，进而驱动所有伸缩架同时伸缩，实现受风体粗细的调节。其中，电机优先采用步进电机，能够实现中心轴转速的精确控制。

在本发明的另一个具体实施例中，每个主动锥齿轮配备一个电机，主动锥齿轮为同轴固定的双排锥齿轮结构，上方锥齿轮由电机驱动，下方锥齿轮与各个从动锥齿轮啮合，通过控制器来控制各个电机，实现各组伸缩架的分级控制。

作为一种优选结构，如图1、2、6、7所示，所述伸缩架3包括若干组剪叉框架，每组剪叉框架由两根以上交叉配合的连杆7组成，所述连杆7中部与套筒8转动配合，所述套筒8与驱动杆6螺纹配合；两两相邻剪叉框架的上下连杆7末端均通过连接短节9相连，所述连杆7末端与连接短节9的端部转动配合，所述连接短节9的中部能够与包裹层2相连。采用该结构的剪叉框架可随驱动杆的转动实现自动扩张与回缩，进而实现受风体外径的大小调节。

具体制作时，如图6、7所示，每组剪叉框架由三根连杆7交叉组成，分别为第一连杆71、第二连杆72和第三连杆73，两个连接短节9对应分为第一短节91和第二短节92；所述第一连杆71与第二连杆72平行设置在第三连杆73的两侧，所述第一连杆71与第二连杆72的末端分别置于第一短节91端部的单耳两侧、且通过转轴转动相连；所述第三连杆73的末端与第二短节92端部的双耳转动相连。采用该结构能够在保证剪叉框架伸缩灵活的前提下，提高其整体强度。

进一步优化上述技术方案，如图1、2所示，所述剪叉框架的外侧设有支撑架10，所述支撑架10为框架结构，包括连接板101及其两侧的侧板102，所述连接板101与套筒8外端面相连，两个侧板102的一端与连接板101端部相连、另一端与包裹层2的弧形板21相连；所述连接板101的中部对应设有与驱动杆6配合的连接孔。采用支撑架可对弧形板启动支撑作用，使伸缩架回缩至最小时，弧形板能够合拢为一个圆柱体。其中，支撑架10可一体加工成型；安装时，如图10所示，连接板101通过双耳103与套筒8外端面的安装座80转动相连，同时将连接板101及弧形板21上与驱动杆6配合的连接孔设计为纵向长条孔，方便在改变受风体外径弧形板21发生倾斜时，为驱动杆6提供活动空间。另外，并在侧板102与弧形板21的交界处里侧安装扭簧104，起到预紧两侧板102的作用，若扭簧104同时与柔性连接部22的边缘相连同样也可以起到预紧连接部22的作用。

具体制作时，如图1、2所示，所述包裹层2包括长条状弧形板21及柔性连接部22，所述弧形板21的长度方向与中心轴1一致，所述弧形板21的弧心朝向剪叉框架设置，所述弧形板21的中部对应设有与驱动杆6配合的连接孔；所述连接部22由柔性防风材料制作而成，所述连接部22的两侧分别与两侧的弧形板21边缘相连。其中，连接部可采用高弹性材料制作，方便随着受风体的外径大小随意调节。

在本发明的另一个具体实施例中，包裹层还可以整体采用柔性防风材料制作，间隔固定在连接短节及支撑架的侧板末端即可，这样制作的受风体整体性更好，制作简单方便。

在本发明的一个具体实施例中，如图8、9所示，所述调节组件包括圆柱状配重块11及其四周的限位块12和筒体13，所述配重块11与中心轴1螺纹配合，所述限位块12为多个、且径向设置于配重块11的四周，所述筒体13设置于限位块12的外部、伸缩架3的内部；所述筒体13的上端固定于端盖14上，所述端盖14的中部与中心轴1的上端固连，所述筒体13的内壁上设有与限位块12相匹配的限位槽15，所述限位槽15沿筒体13的母线方向设置。当然，配重块的位置并不局限于图1中受风体下部的配重安装处18，也可根据实际情况安装在受风体的上部或中部，通过电机驱动中心轴旋转，进而带动配重块上下移动，实现受风体自振频率的调节。当然，也可以通过将受风体设计为内外套装的分体式结构，另外配置电机来实现配重块的单独升降，实现受风体自振频率的单独控制。

具体实施时，当风速增加时，在配重块单独控制情况下，受风体外径可不变，根据公式f＝(St·v)/Φ得出漩涡频率增大，此时需要增加受风体自振频率，通过驱动配重块靠近底部支点，即配重块向下运动。而在电机驱动中心轴旋转同时带动配重块下降及受风体外径增大的情况下，通过增加受风体外径可以使漩涡脱落频率下降，即当风速增加的时候，可以同时增大受风体外径和提高受风体自振频率，使得漩涡脱落频率与自振频率对应。

很显然，利用一个步进电机驱动中心轴上的锥齿轮传动机构及配重块同时动作，是控制成本的最佳选择。其中，电机驱动中心轴旋转的方式并不局限于直接驱动，也可以通过链传动、带传动、齿轮传动等方式的一种或几种配合来实现，但是需要注意控制受风体的重心处于轴向中心位置。其中，步进电机也可以增加减速箱或者蜗轮蜗杆减速箱来实现自锁。

配重块在不同位置时，测得实际振动频率后进行拟合，配合不同风速下旋涡脱落频率进行控制。鉴于受风体是一种能够小角度摆动的刚性固体，可以假设在y＝L/2高度处x的摆动振幅为零。在此位置，根据(2)的理论圆柱直径匹配受风体直径Φ＝D(L/2)＝d，旋涡脱落频率f与风速的关系如下:

式中：L——受风体的长度

——在受风体支点处风速

d——受风体测量点的外径尺寸

在受风体的任何其他部分振荡值不可忽略时，旋涡脱落的频率为:

其中，v_∞(y)和X(y)分别为风速和受风体在每个高度y处的振荡振幅。

鉴于在受风体的整个纵向长度内，旋涡脱落频率是相同的，可知:

其中，受风体在不同高度的外径按照上小下大的规律改变，采用中心轴上不同高度的锥齿轮传动比来实现。

本发明还提供一种基于涡激振动的无叶式垂直轴风力发电机，包括上述受风体，所述受风体的中心轴与风力发电机的主轴相连。凡是含有上述受风体的基于涡激振动的无叶式垂直轴风力发电机均在本发明的保护范围之内。采用上述结构的受风体能够提高风能利用率，进而提高发电效率。

综上所述，本发明提供的受风体外形能够在圆形与正多边形之间切换，同时借助包裹层来保证受风体的气动外形，通过调节其外径尺寸及配重块的位置，实现旋涡脱落频率和受风体自振频率的精确控制，保证了大范围风速下锁频；该结构的受风体对风的转向没有要求、抗风能力强、维修保养简单，含有该受风体的无叶式垂直轴风力发电机具有发电效率高、启动迅速的优点，能够在风能利用率、安全性能方面得到极大提升，无论是在低风速地区还是高风速地区，垂直轴风力发电机相比水平式风力发电机更加安全稳定，且具备不需要偏航装置等优势，方便推广应用。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (8)

1.一种基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述受风体包括中心轴、伸缩骨架及其外部的包裹层，所述伸缩骨架设置于中心轴的外侧，所述包裹层包覆在伸缩骨架的外部，所述伸缩骨架通过动力机构驱动其沿着中心轴的径向扩张与收缩，用于使受风体的横截面外形在圆形与正多边形之间切换、且使受风体的外形在尺寸增大后呈上小下大状；所述中心轴上还设有用于改变受风体自振频率的调节组件；所述伸缩骨架包括若干组沿着中心轴长度方向间隔布置的伸缩架， 每组伸缩架与动力机构相连，用于驱动伸缩架扩张与回缩；所述动力机构包括电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮及驱动杆，所述主动锥齿轮由电机驱动，若干个主动锥齿轮沿中心轴的长度方向间隔布置，所述主动锥齿轮套装于中心轴上，所述从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，多个从动锥齿轮及驱动杆间隔设置于主动锥齿轮的四周；所述驱动杆的一端与从动锥齿轮同轴固定、另一端与伸缩架螺纹配合；通过电机驱动主动锥齿轮，带动从动锥齿轮及驱动杆旋转，进而驱动伸缩架相对中心轴径向伸缩；若干组伸缩架的从动锥齿轮及驱动杆上下一一对应；主动锥齿轮与从动锥齿轮的传动比沿着受风体的长度方向自上至下逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述电机与中心轴相连，通过电机驱动中心轴及若干个主动锥齿轮旋转。

3.根据权利要求1所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述伸缩架包括若干组剪叉框架，每组剪叉框架由两根以上交叉配合的连杆组成，所述连杆中部与套筒转动配合，所述套筒与驱动杆螺纹配合；两两相邻剪叉框架的上下连杆末端均通过连接短节相连，所述连杆末端与连接短节的端部转动配合，所述连接短节的中部能够与包裹层相连。

4.根据权利要求3所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：每组剪叉框架由三根连杆交叉组成，分别为第一连杆、第二连杆和第三连杆，两个连接短节对应分为第一短节和第二短节；所述第一连杆与第二连杆平行设置在第三连杆的两侧，所述第一连杆与第二连杆的末端分别置于第一短节端部的单耳两侧、且通过转轴转动相连；所述第三连杆的末端与第二短节端部的双耳转动相连。

5.根据权利要求3所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述剪叉框架的外侧设有支撑架，所述支撑架为框架结构，包括连接板及其两侧的侧板，所述连接板与套筒外端面相连，两个侧板的一端与连接板端部相连、另一端与包裹层的弧形板相连；所述连接板的中部对应设有与驱动杆配合的连接孔。

6.根据权利要求5所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述包裹层包括长条状弧形板及柔性连接部，所述弧形板的长度方向与中心轴一致，所述弧形板的弧心朝向剪叉框架设置，所述弧形板的中部对应设有与驱动杆配合的连接孔；所述连接部由柔性防风材料制作而成，所述连接部的两侧分别与两侧的弧形板边缘相连。

7.根据权利要求1所述的基于涡激振动的风力机受风体，其特征在于：所述调节组件包括圆柱状配重块及其四周的限位块和筒体，所述配重块与中心轴螺纹配合，所述限位块为多个、且径向设置于配重块的四周，所述筒体设置于限位块的外部、伸缩架的内部；所述筒体的上端固定于端盖上，所述端盖的中部与中心轴的上端固连，所述筒体的内壁上设有与限位块相匹配的限位槽，所述限位槽沿筒体的母线方向设置。

8.一种基于涡激振动的无叶式垂直轴风力发电机，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的受风体，所述受风体的中心轴与风力发电机的主轴相连。