CN201100217Y - 双向对旋风轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向对旋风轮风力发电机，其发电机含有定子总成、转子总成和外壳，转子总成通过轴承与定子总成的壳体连接，转子总成和定子总成的前端分别安装一个风轮，两个风轮叶片的迎角相反，所述定子总成前轴套与外壳前端转动连接，所述外壳的后端与一个支撑回转体的壳体连接，支撑回转体壳体内腔中的所述外壳侧壁上设置有固定架，该固定架和定子总成后轴套之间设置有电枢电刷总成，所述定子总成的后轴套与支撑回转体壳体的内环台阶转动连接，该支撑回转体的后端与尾舵连接，其下端与支架连接，所述支撑回转体使发电机的转动轴线相对于支架偏心设置。本实用新型设计合理、能够促使且调整发电机水平转动、风能利用率高。

Description

双向对旋风轮风力发电机

一、技术领域：

本实用新型涉及一种离网型水平轴风力发电机，特别是涉及一种双向对旋风轮风力发电机。

二、背景技术：

目前，公知的风力发电机种类繁多，其结构是由风轮机、发电机、风舵、支架等组成，其中定子大多采用固定式安装，当风力发电机处在风场时由风轮机把风能转换为旋转力带动发电机中转子转动，使定子线圈感应磁场切割磁力线而产生电流，电流的大小与风轮机的旋转面积成比例，与风速的3次方成比例，因为现有技术的限制，实际得到的能量是风动能10～30％左右，风动量转换为电能的比例还是很低，这样制约了风力发电的推广和应用，要想提高风力发电机效率，只有增大风轮机的面积比例和风速，而风速是自然力量人们无法控制改变其大小，而发电机的转速是可以改变，因此人们研制出双风轮风力发电机：其定子和转子都能转动，并且定子和转子的转向相反，提高发电机电枢绕组切割磁力线速度，增大发电机输出功率，但是这种双风轮风力发电机没有调速装置，风力太大或太小，都影响发电机的运行。

三、实用新型内容：

本实用新型的目的是：克服现有技术的缺陷，提供一种设计合理、能够促使且调整发电机水平转动、风能利用率高的双向对旋风轮风力发电机。

本实用新型的技术方案是：一种双向对旋风轮风力发电机，含有风轮、发电机、尾舵和支架，所述发电机含有定子总成、转子总成和外壳，所述转子总成的转动轴通过轴承与定子总成的壳体连接，该转动轴的前端安装有一个前风轮，所述定子总成前轴套的前端安装一个后风轮，并且前、后风轮叶片的迎角相反，所述定子总成前轴套通过轴承与所述外壳前端连接，所述外壳的后端与一个支撑回转体的壳体连接，并且支撑回转体壳体内腔中的所述外壳侧壁上设置有固定架，该固定架和定子总成后轴套之间设置有电枢电刷总成，所述定子总成的后轴套通过轴承与所述外壳的后端或所述支撑回转体壳体的内环台阶连接，所述支撑回转体的后端与尾舵连接，其下端与支架连接，所述支撑回转体的横向轴线与支架的竖向轴线之间具有一定距离，使发电机的转动轴线相对于支架偏心设置。

所述定子总成的后轴套和所述定子总成的壳体为分体组合式结构，二者通过螺栓连接。或者，所述定子总成的后轴套通过螺栓固定在所述定子总成壳体的后端盖上，所述定子总成的壳体和后端盖螺栓连接，并且二者的接触面之间设置有钢丝穿条。

所述支架上端的转轴通过轴承与所述支撑回转体下部内腔连接，并且所述转轴和所述支撑回转体之间设置有滑环电刷总成。

所述支撑回转体的壳体上设置有电枢引线孔。

所述尾舵含有连接盘、尾舵梁和两个V型尾翼，其中，尾舵梁后端和两个V型尾翼连接，其前端设置有一个立式轴套，该轴套和连接盘上设置的立轴相匹配，尾舵梁能够绕立轴转动。

所述连接盘和轴套之间设置有限位机构，所述限位机构含有限位螺栓和螺母，其中限位螺栓前端和连接盘上设有的螺纹孔相匹配，其后端设置有一个圆锥台体，该圆锥台体和所述轴套上设置的圆锥孔相匹配，所述螺母调整限位螺栓进入螺纹孔的位置。所述轴套和立轴之间设置有轴承和密封环。

所述前、后风轮采用含碳纤维玻璃钢材料的扭曲叶片，其叶片翼型选用美国经风洞试验和实践定型的翼型尺寸；所述转子总成采用高效永磁体结构；所述前风轮前端安装有整流罩。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的前、后风轮均采用含碳纤维玻璃钢材料的扭曲叶片，叶片翼型选用美国经风洞试验和实践定型的FX63-137翼型尺寸，其叶片的旋转面积大，并且前、后风轮叶片的迎角相反，转向相反，相对提高了风能利用率，实现弱风发电

2、本实用新型的发电机采用高效永磁结构，前风轮驱动装永磁体的转子顺时针转动，风叶迎角相反的后风轮驱动电枢绕组的定子逆时针转动，定、转子相对转动，提高了发电机电枢绕组切割磁力线速度，增大发电机输出功率。

3、本实用新型将前后风轮、发电机与支架上端转轴偏心布置，当风速超过额定风速时，前后风轮、发电机能绕支架上端转轴转动，偏离风向一定角度，减小风轮迎风面积，以达到调速的目的；当风速超过停机风速时，前后风轮顺桨，发电机与风向垂直，停机。支架上端转轴和支撑回转体下端壳体支架安设置有轴承和滑环电刷总成，便于转动和电流接通。

4、本实用新型采用尾舵调向，尾舵由尾舵梁和两个V型尾翼构成，尾舵梁另一端和尾舵连接盘铰接，尾翼一直顺着风向，带动前、后风轮始终对准风向。另外，尾舵和连接盘之间设置有轴套和立柱，便于调整尾舵的方向，并且尾舵还设置有限位机构，保证和限定尾舵的方向。

5、本实用新型适用范围广，既适用于强风发电，又适用于弱风发电。

四、附图说明：

图1为双向对旋风轮风力发电机的结构示意图；

图2为图1所示双向对旋风轮风力发电机的局部放大图；

图3为图2所示发电机的结构示意图；

图4为图2所示固定回转体的结构示意图；

图5为图4中A-A剖切图；

图6为图4中B-B剖视图；

图7为图1所示尾舵的结构示意图；

图8为图1所示前、后风轮叶片弦长的计算简图；

图9为图1所示前风轮叶片实际安装角计算简图；

图10为图1所示前风轮FX63-137翼型尺寸坐标简图；

图11为图1所示后风轮叶片实际安装角计算简图；

图12为图1所示后风轮FX63-137翼型尺寸坐标简图。

五、具体实施方式：

实施例一：参见图1～图12，图中，1-整流罩，2-前风轮，3-后风轮，4-发电机，5-支撑回转体，6-尾舵，7-支架，8-前端盖，9-外壳，10-连接盘，11-定子总成，12-转子总成，13-定子总成的前轴套，14-后端盖，15-固定架，17-定子总成的后轴套，18-滑环电刷总成，19-定位螺钉，20-压板，21-电枢引线孔，22-限位螺栓，23-螺母，24-立柱，25-密封圈，26-轴套，27-尾翼。

双向对旋风轮风力发电机的转子总成12的转动轴通过轴承与定子总成11的壳体连接，该转动轴的前端安装有一个前风轮2，前风轮2的前端中间安装一个整流罩1，定子总成11的前轴套13的前端安装一个后风轮3，并且前风轮2和后风轮3的叶片的迎角相反，定子总成11的前轴套13通过轴承与发电机4的前端盖8连接，前端盖和外壳9通过螺栓连接，外壳9的后端与一个支撑回转体5的壳体前端螺栓连接，并且支撑回转体5壳体内腔中的外壳9的侧壁上设置有固定架15，该固定架15和定子总成11的后轴套17之间设置有电枢电刷总成16，定子总成11的后轴套17通过螺栓固定在定子总成11壳体的后端盖14上，定子总成11的壳体和后端盖14螺栓连接，并且二者的接触面之间设置有钢丝穿条。定子总成11的后轴套17通过轴承与支撑回转体5壳体的内环台阶连接，支撑回转体5的后端与尾舵6连接，其下端与支架7连接，支撑回转体5的横向轴线与支架7的竖向轴线之间具有一定距离，使发电机4的转动轴线相对于支架偏心设置。

本实施例中，支架7上端的转轴通过轴承与支撑回转体5下部内腔连接，并且该转轴和支撑回转体5之间设置有滑环电刷总成18，并且该转轴上端和支撑回转体5之间设置有定位螺钉19，其下端和支撑回转体5之间设置有密封垫和压板20，支撑回转体5的壳体上设置有电枢引线孔21，便于电源线引出。

尾舵6含有连接盘10、尾舵梁和两个V型尾翼27，其中，尾舵梁后端和两个V型尾翼27连接，其前端设置有一个立式轴套26，该轴套26和连接盘10上设置的立轴24相匹配，尾舵梁能够绕立轴24转动，立轴24采用螺栓形式。连接盘10和轴套26之间设置有限位机构，限位机构含有限位螺栓22和螺母23，其中限位螺栓22前端和连接盘10上设有的螺纹孔相匹配，其后端设置有一个圆锥台体，该圆锥台体和轴套26上设置的圆锥孔相匹配，螺母23调整限位螺栓22进入螺纹孔的位置。轴套26和立轴24之间设置有轴承和密封环25。

前风轮2和后风轮3采用含碳纤维玻璃钢材料的扭曲叶片，其叶片翼型选用美国经风洞试验和实践定型的FX63-137翼型尺寸；转子总成12采用高效永磁体结构。

本实施例中前、后风轮的具体尺寸(以1.5KW为例)为：

一.风轮

(一).风轮叶片扫掠面积S及风轮直径d的确定

A.前风轮：

1.风轮叶片扫掠面积S的确定

风力机的有效功率N_e(W)＝KC_aC_iSv³η，故风轮扫掠面积S为

S＝N_e/KC_aC_i v³η＝800/0.6127×0.832×1.040×10³×0.35＝4.31M²

式中：N_e-风力机的有效功率，W。取1500

K——单位换算系数，按表4-3-1选取。瓦特-平方米-米/秒取0.6127；何力主编《最新风电工程技术手册》。以下同C_aC_i-空气高度密度换算系数，空气湿度密度换算系数，按表4-3-1根据风力机使用地理、自然条件选取。

海拔高度1524米 C_a----0.832   C_i----1.040

v——按风力发电机使用地方风速给定m/s。取风速为10m/s

η——按表4-3-3选取，参见图4-2-6、图4-2-7。取0.35

2.风轮直径的确定

d＝2√S/π＝2√4.31/3.14＝2m

B.后风轮

1.风轮叶片扫掠面积S的确定

风力机的有效功率N_e(W)＝KC_aC_iSv³η，故风轮扫掠面积S为

S＝N_e/KC_aC_iv³η＝1000/0.6127×0.832×1.040×10³×0.35＝5.39M²

式中：N_e-风力机的有效功率，W。取1500

K——单位换算系数，按表4-3-1选取。瓦特-平方米-米/秒取0.6127；何力主编《最新风电工程技术手册》。以下同C_aC_i-空气高度密度换算系数，空气湿度密度换算系数，按表4-3-1根据风力机使用地理、自然条件选取。

海拔高度1524米 C_a----0.832 C_i----1.040

v——按风力发电机使用地方风速给定m/s。取风速为10m/s

η——按表4-3-3选取，参见图4-2-6、图4-2-7。取0.35

2.风轮直径的确定： $d=2\sqrt{S/\mathrm{\π}}=2\sqrt{5.39/3.14}=4.48m=2.6m$

3.确定风力机叶片数：取n＝3

4.确定单个叶片面积

S_y前＝K’S/k＝0.2×4.31÷3＝0.29M²

S_y后＝K’S/k＝0.2×5.39÷3＝0.36M²

式中：K’——密实比，取0.2；S——叶片扫掠面积；K——风轮叶片数。

(二)风轮转速：前风轮转速取400r/min  后风轮转速取350r/min

(三)叶片剖面翼型

采用美国经风洞实验及实践定型的FX63-137翼型，

1.前风轮翼型图，见图10，其尺寸坐标参见下表：

前风轮FX63-137翼型尺寸坐标

2.后风轮翼型图，见图12，其尺寸坐标参见下表：

后风轮FX63-137翼型尺寸坐标

(四)风轮叶片具体尺寸的确定

A.前风轮

1.叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比

λ₆＝2πRn/60v＝2×3.14×1×400/60×8＝5.23

λ₅＝λ₆r/R＝5.23×0.825/1＝4.32

λ₄＝λ₆r/R＝5.23×0.65/1＝3.4

λ₃＝λ₆r/R＝5.23×0.475/1＝2.48

λ₂＝λ₆r/R＝5.23×0.3/1＝1.57

λ₁＝λ₆r/R＝5.23×0.125/1＝0.65

2.叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长L_i，见图8

L₁＝r_iC_c/C_Lk＝0.125×2.6/1.1×3＝0.095m

L₂＝r_iC_c/C_Lk＝0.3×1.15/1.1×3＝0.105m

L₃＝r_iC_c/C_Lk＝0.475×0.65/1.1×3＝0.094m

L₄＝r_iC_c/C_Lk＝0.65×0.35/1.1×3＝0.069m

L₅＝r_iC_c/C_Lk＝0.825×0.22/1.1×3＝0.055m

L₆＝r_iC_c/C_Lk＝1×0.18/1.1×3＝0.054m

3.叶片的实际安装角θ_i，见图9

θ_i＝φ_i-α_m

由《最新风电工程技术手册》中图3-9尖速比λ与叶片相对迎风角φ的关系曲线查出：叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比的相对迎风角φ；

λ₆＝5.23 φ₆＝6.5°；θ₆＝φ_i-α_m＝4°-10°＝-6°

λ₅＝4.32 φ₅＝8°； θ₅＝φ_i-α_m＝5°-10°＝-5°

λ₄＝3.4  φ₄＝10°；θ₄＝φ_i-α_m＝6.5-10°＝-3.5°

λ₃＝2.48 φ₃＝14°；θ₃＝φ_i-α_m＝9°-10°＝-1°

λ₂＝1.57 φ₂＝23°；θ₂＝φ_i-α_m＝16°-10°＝6°

λ₁＝0.65 φ₁＝40°；θ₁＝φ_i-α_m＝40°-10°＝30°

式中：θ_i——叶片从转动中心至叶尖不同位置的半径r_i所对应的叶片实际安装角(°)，

φ_i——r_i所对应的叶片相对迎风角(°)，

α_m——叶片的平均迎角(°)，

α_m＝α₀+C_L/K_L(1+3/R_z)＝-8+1.75/0.079〔1+3/12.7〕＝10°

式中：α₀——升力系数为零时的叶片迎角(°)通常为负值。翼型FX63-137 α₀＝-8°。

R_z——展弦比。R_z＝R²/S_y＝R²/RL_m＝R/L_m

＝1/〔0.095+0.105+0.094+0.069+0.055+0.054〕÷6＝12.7

C_L——升力系数；K_L——升力曲线平均斜率

K_L＝(C_L(max)-C_L(0))/(α_L(max)-α₀)＝〔1.75-0〕/〔14+8〕＝0.079

C_L(max)——升力曲线最大值；C_L(0)——零升力；

α_L(max)——当升力曲线最大值C_L(max)所对应的最大迎角(°)。

FX63-137翼型：C_L(max)＝1.75、C_L(max)＝14°

B.后风轮

1.叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比

λ₆＝2πRn/60v＝2×3.14×1.3×350/60×10＝4.76

λ₅＝λ₆r/R＝4.76×1.065/1.3＝3.9

λ₄＝λ₆r/R＝4.76×0.83/1.3＝3.04

λ₃＝λ₆r/R＝4.76×0.595/1.3＝2.18

λ₂＝λ₆r/R＝4.76×0.36/1.3＝1.32

λ₁＝λ₆r/R＝4.76×0.125/1.3＝0.46

2.叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长L_i

L₁＝riC_c/C_Lk＝0.125×2.6/1.1×3＝0.095m

L₂＝r_iC_c/C_Lk＝0.36×1.4/1.1×3＝0.153m

L₃＝r_iC_c/C_Lk＝0.595×0.75/1.1×3＝0.135m

L₄＝r_iC_c/C_Lk＝0.83×0.45/1.1×3＝0.113m

L₅＝r_iC_c/C_Lk＝1.065×0.25/1.1×3＝0.081m

L₆＝r_iC_c/C_Lk＝1.3×0.2/1.1×3＝0.079m

3.叶片的实际安装角θ_i，见图11

θ_i＝φ_i-α_m

由《最新风电工程技术手册》中图3-9尖速比λ与叶片相对迎风角φ的关系曲线查出：叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比的相对迎风角φ；

λ₆＝4.76 φ₆＝7°；θ₆＝φ_i-α_m＝7°-11.5°＝-4.5°

λ₅＝3.9 φ₅＝8°；θ₅＝φ_i-α_m＝8-11.5°＝-3.5°

λ₄＝3.04 φ₄＝12°；θ₄＝φ_i-α_m＝12°-11.5°＝0.5°

λ₃＝2.18 φ₃＝17°；θ₃＝φ_i-α_m＝8°-11.5°＝-3.7°

λ₂＝1.32 φ₂＝25°；θ₂＝φ_i-α_m＝25°-11.5°＝13.5°

λ₁＝0.46 φ₁＝45°；θ₁＝φ_i-α_m＝45°-11.5°＝33.5°

式中：θ_i——叶片从转动中心至叶尖不同位置的半径r_i所对应的叶片实际安装角(°)，φ_i——r_i所对应的叶片相对迎风角(°)，

α_m——叶片的平均迎角，(°)

α_m＝α₀+C_L/K_L(1+3/R_z)＝-8+1.75/0.079〔1+3/22.3〕＝11.5°

式中：α₀——升力系数为零时的叶片迎角(°)通常为负值。翼型FX63-137 α₀＝-8°。

R_z——展弦比。R_z＝R²/S_y＝R²/RL_m＝R/L_m

＝1.3/〔0.095+0.153+0.135+0.113+0.081+0.079〕÷6＝22.3

C_L——升力系数；K_L——升力曲线平均斜率

K_L＝(C_L(max)-C_L(0))/(α_L(max)-α₀)＝〔1.75-0〕/〔14+8〕＝0.079

C_L(max)——升力曲线最大值；C_L(0)——零升力；

α_L(max)——当升力曲线最大值C_L(max)所对应的最大迎角，(°)。

FX63-137翼型：C_L(max)＝1.75、C_L(max)＝14°

二.发电机

前风轮2带动的转子总成12的转动轴由GB276-94 6205、GB276-94 6203轴承支撑，为强化磁场，加厚了钕铁硼材质的永磁体，永磁体轮毂材质选ZL101铸铝，转子总成12的转动轴和定子总成11的壳体选1Cr18Ni9Ti不锈钢。后风轮3带动的定子总成11、电机绕组和定子总成11的壳体采用φ133H8/h7配合，分别在定子铁心、定子壳体加工4°R1.5×40斜槽，用φ3×40园键固定。定定子总成11由GB276-94 6208、GB276-94 6203轴承支撑在外壳8和支撑回转体内腔，外壳9和支撑回转体5螺栓联结。支撑回转体5铰接轴和支架7固定联结，以保证整机随风向偏转。发电机电刷采用压盖压簧结构，体积小，接触良好。

三.尾舵

尾舵6由尾舵梁和固定在尾舵梁上的两个V型尾翼27构成，重量轻，平衡性好。尾舵梁另一端通过尾舵联接盘10和支撑回转体5联接。尾翼6一直顺着风向，带动风轮始终对准风向。

使用时，前风轮2驱动装永磁体的转子总成12顺时针转动，风叶迎角相反的后风轮3驱动定子总成11逆时针转动，定、转子相对转动，提高了发电机电枢绕组切割磁力线速度，增大发电机输出功率；前后风轮、发电机4与支架7上端转轴偏心布置，当风速超过额定风速时，前后风轮、发电机4能绕支架7上端转轴转动，偏离风向一定角度，减小风轮迎风面积，以达到调速的目的；当风速超过停机风速时，前后风轮顺桨，发电机4与风向垂直，停机；支架7上端转轴和支撑回转体5下端壳体支架安设置有轴承和滑环电刷总成，便于转动和电流接通。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，相同之处不重述，不同之处在于：定子总成的后轴套通过轴承与发电机外壳的后端连接，支撑回转体不设置内环台阶。

实施例三：本实施例与实施例一或实施例二基本相同，相同之处不重述，不同之处在于：定子总成的后轴套和定子总成的壳体为一体式结构。

改变转子总成、定子总成、外壳之间的具体连接方式，以及改变支撑回转体和尾舵的具体结构能够组成多个实施例，均为本实用新型的常见变化范围，在此不一一详述。

Claims (9)

1. 一种双向对旋风轮风力发电机，含有风轮、发电机、尾舵和支架，其特征是：所述发电机含有定子总成、转子总成和外壳，所述转子总成的转动轴通过轴承与定子总成的壳体连接，该转动轴的前端安装有一个前风轮，所述定子总成前轴套的前端安装一个后风轮，并且前、后风轮叶片的迎角相反，所述定子总成前轴套通过轴承与所述外壳前端连接，所述外壳的后端与一个支撑回转体的壳体连接，并且支撑回转体壳体内腔中的所述外壳侧壁上设置有固定架，该固定架和定子总成后轴套之间设置有电枢电刷总成，所述定子总成的后轴套通过轴承与所述外壳的后端或所述支撑回转体壳体的内环台阶连接，所述支撑回转体的后端与尾舵连接，其下端与支架连接，所述支撑回转体的横向轴线与支架的竖向轴线之间具有一定距离，使发电机的转动轴线相对于支架偏心设置。

2. 根据权利要求1所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述定子总成的后轴套和所述定子总成的壳体为分体组合式结构，二者通过螺栓连接。

3. 根据权利要求2所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述定子总成的后轴套通过螺栓固定在所述定子总成壳体的后端盖上，所述定子总成的壳体和后端盖螺栓连接，并且二者的接触面之间设置有钢丝穿条。

4. 根据权利要求1所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述支架上端的转轴通过轴承与所述支撑回转体下部内腔连接，并且所述转轴和所述支撑回转体之间设置有滑环电刷总成。

5. 根据权利要求1所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述支撑回转体的壳体上设置有电枢引线孔。

6. 根据权利要求1所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述尾舵含有连接盘、尾舵梁和两个V型尾翼，其中，尾舵梁后端和两个V型尾翼连接，其前端设置有一个立式轴套，该轴套和连接盘上设置的立轴相匹配，尾舵梁能够绕立轴转动。

7. 根据权利要求6所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述连接盘和轴套之间设置有限位机构，所述限位机构含有限位螺栓和螺母，其中限位螺栓前端和连接盘上设有的螺纹孔相匹配，其后端设置有一个圆锥台体，该圆锥台体和所述轴套上设置的圆锥孔相匹配，所述螺母调整限位螺栓进入螺纹孔的位置。

8. 根据权利要求6或7所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述轴套和立轴之间设置有轴承和密封环。

9. 根据权利要求1所述的双向对旋风轮风力发电机，其特征是：所述前、后风轮采用含碳纤维玻璃钢材料的扭曲叶片；所述转子总成采用永磁体结构；所述前风轮前端安装有整流罩。

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