CN220791405U - 一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，由达里厄升力风车叶轮组，撒窝纽阻力叶轮组、窝达连接变速轮组，基座及动力输出头组成，所述达里厄升力风车叶轮组通过基座与动力输出头整体连接，所述撒窝纽阻力叶轮组与窝达连接变速轮组连接，所述窝达连接变速轮组与达里厄升力风车叶轮组连接，所述撒窝纽阻力叶轮组的转动带动窝达连接变速轮组内部齿轮发生相应的动力传递，为达里厄升力风车叶轮组提供转动动力源输入，所述达里厄升力风车叶轮组的转动角速度直接传递到动力输出头，提供一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，可以实现微风自启，并且保持高效风力转化为机械能的风机风车系统。

Description

一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统

技术领域

本实用新型涉及一种利用风力发电的风力风车，具体的指一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统。

背景技术

垂直轴的风车结构可以满足占地空间少，运行噪音小，转化效率高的这一需要。但目前市场上主流的垂直轴风力风车设备种类繁多，但按其工作原理大体可分为阻力型垂直轴风车和升力型垂直轴风车两种。

两种风车的主要运行特点如下所述：（1）阻力型垂直轴风车:阻力型垂直轴风力机的风轮转轴与风向垂直，依靠叶片对风力的阻挡作用，产生自我旋转。风车结构简单，不需要对风机构，动力输出具有转距较大但转速较低的特点，通常其风能转化效率大约在15%左右。因为仅15%左右的能效转化特性，使这种设备在市场应用上遭遇了比较大的应用瓶颈。

（2）升力型垂直轴风车:以1927年法国科学家达里厄提出的达里厄型风机模型为典型代表，升力型垂直轴风力机的风轮转轴与风向垂直，依靠叶片自身的转动线速度结合风力机械能的提取获得持续的转动。设备结构简单，不需要对风机构，通常其风能转化效率大约在40%左右。但此类结构却受限于无法自行启动，通过实验验证后我们发现，此类结构至少要求自身有2-3.5倍以上的叶尖风速比后方能从风力中汲取风能维持自转。而一旦风轮转速超过这个自转临界值后，这种结构便可以自行提取风能发生自转加速，并且可以开始对外输出扭矩。由此可见，拥有接近40%左右风能转化效率的达里厄风车，只要能解决其初始转动速度的介入难题，无疑是垂直轴类型风力风车的优选。

目前升力型垂直轴风车在实际应用时，通常都会有配套的启转部件介入。通常因设备大小不同，往往使用不同的启动机构和运行策略。比如中大型体积的此类风车常使用内置电机进行驱动，而中小体积的此类风车通常会将阻力型垂直轴风车与升力型风车转轮进行组合使用，利用阻力型垂直轴风车可以低速自启的特点来协助升力型风车转轮进行转动自启。

上述两种方式各有优缺点。

如内置电机进行驱动的方案，因为风轮上没有附加多余的附件，因此风轮在进入正常工况后，工作效率依然能保持在最优区间;但在风力资源不够持续的环境下，即使我们设计有风力检测装置来测算是否有启动助力需要，仍然需要不停的在启动助力和关停助力状态下切换，对应的我们还需要为启动助力设备及风力检测装置提供相应的能源储备，极端工况下甚至会发生发的电还没供的多问题。

阻力型升力型叶轮组合系统，因为两种叶轮的组合，使升力型叶轮在风速足够的工况下的自启成为了可能，但由于通常方案中，我们仅仅只是把两种叶轮进行了简单了同轴锁定，这样虽然使得两种叶轮系统成了一个整件结构，但由于结构材料的增加，使得整个系统启动起来，需要克服的扭矩及阻力也相应增加了。同时因为两种叶轮的速度输出比值与输出效率的不同。整体叶尖速度达到3.5倍风速比的时间通常比较长，甚至在主力输出的升力叶轮进入到最佳工作状态之后，中心部分的阻力叶轮反会因为转速度过快，扰乱空气的流动，降低整体系统工作效率。同时因为两种叶轮的速度效能曲线不同。因此在微风状态和特定的风速工况下会造成整体反而无法正常工作或者是效率极端底下的状态。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述升力型垂直轴风车在微风状态和特定的风速工况下会造成整体反而无法正常工作或者是效率极端底下的状态，提供一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统， 可以实现微风自启，并且保持高效风力转化为机械能的风机风车系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，由达里厄升力风车叶轮组，撒窝纽阻力叶轮组、窝达连接变速轮组，基座及动力输出头组成，所述达里厄升力风车叶轮组通过基座与动力输出头整体连接，所述撒窝纽阻力叶轮组与窝达连接变速轮组连接，所述窝达连接变速轮组与达里厄升力风车叶轮组连接，所述撒窝纽阻力叶轮组的转动带动窝达连接变速轮组内部齿轮发生相应的动力传递，为达里厄升力风车叶轮组提供转动动力源输入，所述达里厄升力风车叶轮组的转动角速度直接传递到动力输出头。

进一步的，所述的窝达连接变速轮组包括阻力风车上齿圈、阻力风车下齿圈、减速机基座、单相离合轴承、变速轮架，第一行星轮及第二行星轮，所述阻力风车下齿圈与减速机基座同轴装配，所述阻力风车下齿圈与减速机基座之间设有夹层，其夹层内装有单相离合轴承，所述阻力风车上齿圈与第一行星轮啮合，所述第一行星轮与第二行星轮啮合，所述第二行星轮与阻力风车下齿圈啮合，所述阻力风车上齿圈和撒窝纽阻力叶轮组装配形成整体结构，所述变速轮架与动力输出头装配形成整体结构

进一步的，所述的动力输出头还外接有发电机机组。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:

1.无需额外的动力储能和电力驱动系统，可以利用风能直接完成风车系统的适应启停。

2.安装形式方便，风车不仅可使用垂直轴方式安装，亦可使用实现水平车由方式安装固定方式。

3.利用机械传动的方式，实现传统阻力式风车与升力型垂直轴风车的转速匹配，提升设备的整体能量转化效率。

4.可通过实验进行不同速比的匹配校验，实现不同尺寸外型不同速比的最优解锁定。

5.新型传动机构的组合应用，可突破传统阻力风车作为达里厄风车启动源的时尺寸比例的原理限制，为更高的组合效率提供可能。

6.合理的传动速比，使风车系统获得更好的风速适应区间，更适合微风自启。

7.利用不同风车叶轮的转速耦合，使整体系统与风速在更短的时间内形成自冶，使各级叶轮转速变得更合理可控。

附图说明

图1是本实用新型风车系统整体结构示意图；

图2是本实用新型窝达连接变速轮组结构示意图；

附图标记：1-达里厄升力风车叶轮组，2-撒窝纽阻力叶轮组，3-窝达连接变速组，4-基座，5-动力输出头，10-阻力风车上齿圈，11-阻力风车下齿圈，12-减速机基座，13-单相离合轴承，14-变速轮架，16-第一行星轮A， 17-第二行星轮B。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，由达里厄升力风车叶轮组1，撒窝纽阻力叶轮组2、窝达连接变速轮组3，基座4及动力输出头5组成，所述达里厄升力风车叶轮组1通过基座4与动力输出头5整体连接，所述撒窝纽阻力叶轮组2与窝达连接变速轮组3连接，所述窝达连接变速轮组3与达里厄升力风车叶轮组1连接，所述撒窝纽阻力叶轮组2的转动带动窝达连接变速轮组3内部齿轮发生相应的动力传递，为达里厄升力风车叶轮组1提供转动动力源输入，所述达里厄升力风车叶轮组1的转动角速度直接传递到动力输出头5。

其中，所述的窝达连接变速轮组3包括阻力风车上齿圈10、阻力风车下齿圈11、减速机基座12、单相离合轴承13、变速轮架14，第一行星轮16及第二行星轮17，所述阻力风车下齿圈11与减速机基座12同轴装配，所述阻力风车下齿圈11与减速机基座12之间设有夹层，其夹层内装有单相离合轴承13，所述阻力风车上齿圈10与第一行星轮16啮合，所述第一行星轮16与第二行星轮17啮合，所述第二行星轮17与阻力风车下齿圈11啮合，所述阻力风车上齿圈10和撒窝纽阻力叶轮组3装配形成整体结构，所述变速轮架14与动力输出头5装配形成整体结构。

所述的动力输出头5还外接有发电机机组。

实际工作过程如下：当设备处于停止状态时，达里厄升力风车叶轮组1和撒窝纽阻力叶轮组2相对于基座4处于静止状态；

达里厄升力风车叶轮组1的工作原理为典型的升力模型，升力型叶片产生升力的前提条件是需要有合适的风向攻角。其风轮工作原理稍显复杂，但直观表现为，只有当叶片本身具有一定转速的时候。这种类型的风车轮组方可从风源中汲取动能获得机械能输出。也就是向外输出转动转矩。

撒窝纽阻力叶轮组2的工作原理为典型的阻力模型。当空气流经过叶轮组的时候，叶轮组会对空气产生阻碍作用，进而从空气中获取转动力矩。因此在设备本身处于停止状态的前提下，外部空气产生流动时，虽然两组风车轮片都会受到风力的驱动作用。但因为两种轮片工作原理不同。前者将无法因为风能的输入自主的发生有序的转动。后者却可以很轻易的发生转动。随着风力的加强和持续作用。撒窝纽阻力叶轮组2将会逐渐启动，并且由于按叶轮外型的动力引导作用，其转动方向将趋向叶轮设计期望的转动方向。

随着撒窝纽阻力叶轮组2的转动动作，窝达连接变速轮组3内部齿轮发生相应的动力传递，为达里厄升力风车叶轮组1提供转动动力源输入。 经过一段时间之后随着窝达连接变速轮组3部分的动力传输持续进行。达里厄升力风车叶轮组1自身开始得到相应的转动速度和转动方向。当达里厄升力风车叶轮组转动速度达到自身的汲能临界点之后。达里厄升力风车叶轮组部分便可实现自主汲取风能获得转矩发生自主加速，由于风机叶轮组都有自己特有的自洽转速限制。因此风机的实际转速并不会无限增加，风机会根据负载以及风速的综合特性。平衡在一个特定的转速范围之内达到稳定。

达里厄升力风车叶轮组1与动力输出头5是整体连接结构。因此达里厄升力风车叶轮组的转动角速度会以1:1的比率直接传递到动力输出头部分。

其中，动力输出头部分，作为风机风车的整体输出接口，可以直接接入发电机机组或者是其他的。由于外部设备对于整个系统会有机械能的消耗作用。因此整个系统的转速将会有相应的下降。通过窝达连接变速轮组的齿轮比的不同设计。可以使达里厄升力风车叶轮组1和撒窝纽阻力叶轮组2两个叶轮组持续处于最佳的风能汲取基础速度区间上。如设备达里厄升力风车叶轮组1转速偏低时，撒窝纽阻力叶轮组2转速也将会有对应的下降，而一旦撒窝纽阻力叶轮组转速下降且外部仍有足够的风力输入时，撒窝纽阻力叶轮组便可以经由自身低转速高力矩的特性。提高自己对风轮的汲取效率。反之，当达里厄升力风车叶轮组在合适的条件下面得到了较高的转动角速度。则会自动触发内部单向离合轴承13的离合释放效果，进而切断撒窝纽阻力叶轮组对其转动的阻碍作用，获取最高的能量转化效率。

其中，阻力风车上齿圈10与撒窝纽阻力叶轮组2装配成一体结构，可由撒窝纽阻力叶轮组2同角速度转动，阻力风车下齿圈11与减速机基座12同轴装配，阻力风车下齿圈与减速机基座同轴装配中间有夹层，夹层内装有单相离合轴承13，使阻力风车下齿圈与减速机基座同轴装配允许发生单向的同轴转动释放效果。

变速轮架14与动力输出头5装配后形成整体结构。14变速轮架与动力输出头会产生统一的角速度运动效果。当撒窝纽阻力叶轮组2受到风力驱动发生转动时，撒窝纽阻力叶轮组内轴带动阻力风车上齿圈10一同转动，阻力风车上齿圈10的转动通过16第一行星轮A.传递到17第二行星轮B，17第二行星轮B与阻力风车下齿圈11有齿轮啮合，当阻力风车下齿圈受到反向力时。因为单相离合轴承13的止转效果，使得反作用力由减速机基座12同轴装配传回变速轮架14强迫其发生转动，进而带动与之相连的达里厄升力风车叶轮组1正转，形成变速运行驱动效果。

本实用新型使用时：

1.无需额外的动力储能和电力驱动系统，可以利用风能直接完成风车系统的适应启停。

2.安装形式方便，风车不仅可使用垂直轴方式安装，亦可使用实现水平车由方式安装固定方式。

3.利用机械传动的方式，实现传统阻力式风车与升力型垂直轴风车的转速匹配，提升设备的整体能量转化效率。

4.可通过实验进行不同速比的匹配校验，实现不同尺寸外型不同速比的最优解锁定。

5.新型传动机构的组合应用，可突破传统阻力风车作为达里厄风车启动源的时尺寸比例的原理限制，为更高的组合效率提供可能。

6.合理的传动速比，使风车系统获得更好的风速适应区间，更适合微风自启。

7.利用不同风车叶轮的转速耦合，使整体系统与风速在更短的时间内形成自冶，使各级叶轮转速变得更合理可控。

Claims (3)

1.一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，由达里厄升力风车叶轮组（1）、撒窝纽阻力叶轮组（2）、窝达连接变速轮组（3）、基座（4）及动力输出头（5）组成，其特征在于，所述达里厄升力风车叶轮组（1）通过基座（4）与动力输出头（5）整体连接，所述撒窝纽阻力叶轮组（2）与窝达连接变速轮组（3）连接，所述窝达连接变速轮组（3）与达里厄升力风车叶轮组（1）连接，所述撒窝纽阻力叶轮组（2）的转动带动窝达连接变速轮组（3）内部齿轮发生相应的动力传递，为达里厄升力风车叶轮组（1）提供转动动力源输入，所述达里厄升力风车叶轮组（1）的转动角速度直接传递到动力输出头（5）。

2.根据权利要求1所述的一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，其特征在于，所述的窝达连接变速轮组（3）包括阻力风车上齿圈（10）、阻力风车下齿圈（11）、减速机基座（12）、单相离合轴承（13）、变速轮架（14），第一行星轮（16）及第二行星轮（17），所述阻力风车下齿圈（11）与减速机基座（12）同轴装配，所述阻力风车下齿圈（11）与减速机基座（12）之间设有夹层，其夹层内装有单相离合轴承（13），所述阻力风车上齿圈（10）与第一行星轮（16）啮合，所述第一行星轮（16）与第二行星轮（17）啮合，所述第二行星轮（17）与阻力风车下齿圈（11）啮合，所述阻力风车上齿圈（10）和撒窝纽阻力叶轮组（2）装配形成整体结构，所述变速轮架（14）与动力输出头（5）装配形成整体结构。

3.根据权利要求1所述的一种带自适应自启效果的高效能升力型风车系统，其特征在于，所述的动力输出头（5）还外接有发电机机组。