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CN103277246A - 一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机 - Google Patents

一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机 Download PDF

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CN103277246A CN2013102382326A CN201310238232A CN103277246A CN 103277246 A CN103277246 A CN 103277246A CN 2013102382326 A CN2013102382326 A CN 2013102382326A CN 201310238232 A CN201310238232 A CN 201310238232A CN 103277246 A CN103277246 A CN 103277246A
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顾荣蓉
宋小波
许海龙
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Abstract

本发明公开了一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于:包括与发电机相连的主轴(5),在所述主轴上设置上风轮和下风轮,所述上风轮和下风轮均包括竖向叶片，所述上风轮和下风轮的竖向叶片翼型相同，安装方向相反。本发明中两风轮支撑杆上水平旋翼同时旋转至迎风方位角，在主轴控制了下，两风轮可相互抵消主轴上不均匀弯矩，使风力机转子在产生转矩的同时产生均匀升力，从而减缓转子重力作用，减少转子磨耗，延长风力机使用寿命并提升功率输出。

Description

一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力发电机，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
垂直轴风力机被传统认为其风能利用率低而不被重视。但近年来，因其诸多优点逐渐显现出来，市场竞争力不断增强。
垂直轴风力机设计简单，制造、安装及维护费用低；不需偏航系统，不损失有用功；噪音低，安全风速范围大，年运转时间长。若能获取满意的风机体型，既可实现理想的风能利用率，又能大大延长风机整机的使用寿命。因而开展垂直轴风机最优体型设计和抗疲劳设计具有重要的理论研究意义和工程实用价值。并可实现巨大的经济效益和社会效益。
垂直轴风力发电机按其结构形式分为三种类型，即阻力型，如Savonius风机；升力型，如Darrieus型和马格努斯效应风轮。无论哪种类型的垂直轴风力机，风轮在旋转过程中，转子的重量全部集中在承接轴承上，大大增加了摩擦力并降低了风能利用率。并且随着风轮尺寸与重量的增加，过大的负载激增了关键零部件的更换频率。在风力机有效使用寿命期间内，零部件的更换不仅增加了风力发电机的维护成本并且延长了停车时间，加大了成本投入。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:减缓风力发电机转动部分产生的竖向重力载荷，降低摩擦力并提高风能利用率,并且抵消弯矩作用。
本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：
一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于:包括与发电机相连的主轴,在所述主轴上设置上风轮和下风轮,所述上风轮和下风轮均包括竖向叶片，所述上风轮和下风轮的竖向叶片翼型相同，安装方向相反，在来流风作用下，气动牵引力相反，风轮异向旋转。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上风轮通过轴承安装在主轴上。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述下风轮通过齿轮箱安装在主轴上。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述齿轮箱包括太阳轮，太阳轮与各行星轮啮合，各行星轮与齿圈啮合，所述太阳轮的转轴为主轴，所述行星轮与齿轮箱下部承台固定连接，齿圈位于齿轮箱外壁的内侧，齿圈与下风轮风轮支撑杆连接。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上风轮包括竖直设置的叶片,叶片通过风轮支撑杆连接在轴承上，在所述风轮支撑杆上设置有水平旋翼。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述下风轮包括竖直设置的叶片,叶片通过风轮支撑杆连接在齿轮箱上，在所述风轮支撑杆上设置有水平旋翼。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述齿轮箱内行星齿轮顶部设置限位装置，所述限位装置包括与主轴固定连接的上部承台，齿圈通过滚珠圈抵住上部承台旋转，限位装置将下风轮限制在主轴下部，并将下风轮产生的升力传递给主轴，在齿轮箱和主轴的共同作用下抵消上下旋翼由于不平衡升力产生的弯矩。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：上风轮与下风轮中竖直叶片叶尖间距Δd设计应避免叶尖涡的相互影响，叶尖间距Δd满足：
Figure BDA00003343189500031
L为风轮竖向叶片的长度。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：在最大迎风逆行状态下，水平旋翼各截面入流合成速度Vrel为Vrel＝ω0r+V0，其中，ω0为风力机额定转速，V0为额定风速，随着旋翼展现距离r增大，合成速度逐渐增大，通过降低扭角λ和翼型弦长c，使旋翼各截面产生均匀竖向升力,即竖向升力为
Figure BDA00003343189500032
其中升力系数Cl在翼型失速之前与扭角λ呈线性关系,ρ为空气密度。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：上风轮、下风轮水平旋翼相互对应，即在相同的旋转角速度下，上风轮与下风轮对应水平旋翼同时运行至最大迎风方位角，两叶片以转轴对称呈平行状态上风轮与行星齿轮中太阳轮相连，下风轮与行星齿轮的齿圈相连接，星轮固定，通过调整齿圈和太阳轮直径比例，使太阳轮和齿圈转速保持一致。
前述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：水平旋翼靠近主轴端由风轮支撑杆与主轴固定连接，且风轮支撑杆与叶片的连接处为水平旋翼翼型1/4弦长的气动中心处。
本发明所达到的有益效果：
本发明采用双风轮设计的垂直轴风力机，其下风轮水平旋翼在竖直叶片的带动下进行反向旋转，进而产生较为均匀的升力，避免了单一风轮上的旋翼生成“一边倒”的升力效果。升力作用减缓了风轮转动部分的重量载荷，从而减缓摩擦力，降低磨耗，延长了零部件使用时间，提升了风力输出。
附图说明
图1双风轮异向旋转风力机正等测视图；
图2双风轮异向旋转风力机支撑杆旋翼示意图；
图3双风轮异向旋转风力机前视图；
图4双风轮异向旋转风力机齿轮箱内行星齿轮图；
图5双风轮异向旋转风力机齿轮箱与限位承台示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
如附图1所示，本发明所公布的垂直轴风力发电机包括与发电机相连的主轴5,在所述主轴上设置上风轮和下风轮,所述上风轮和下风轮在来流风作用下异向旋转。所述上风轮通过轴承4安装在主轴上。所述下风轮通过齿轮箱3安装在主轴上。所述齿轮箱包括齿轮箱外壁，在齿轮箱外壁内中心位置有太阳轮7，太阳轮与行星轮啮合，各行星轮与齿轮箱外壁内测的内齿相啮合，所述太阳轮7的转轴为主轴5。所述上风轮包括竖直设置的叶片1,叶片1通过风轮支撑杆连接在轴承4上，在所述风轮支撑杆一上设置有水平旋翼2。所述下风轮包括竖直设置的叶片1,每套风轮有3～4根竖直的叶片1，叶片1通过风轮支撑杆连接在齿轮箱3上，在所述风轮支撑杆上设置有水平旋翼2。整套风力机安装在含有发电机的底座6上。
根据所设计的垂直轴风力机额定功率、额定风速和转速设计风力机叶轮半径，各叶轮叶片长度，选择翼型，设定翼型弦长和安装角，即在最大迎风逆行状态下，旋翼各截面入流合成速度为Vrel＝ω0r+V0，其中，ω0为风力机额定转速，V0为额定风速。因此沿旋翼展现，合成速度逐渐增大，需逐渐降低扭角λ和翼型弦长c，使旋翼各截面产生均匀竖向升力。
测量所设计风力机转动部分（包括竖直叶片、支撑杆、水平旋翼、上下风轮连接套筒等）重力G。将所设计风力机模型进行数值仿真，通过CFD方法计算发电机不安装水平旋翼时，在额定风速、转速下连接杆产生的阻力距Mf。
为所设计的水平旋翼选用具有较高升阻比特性的翼型，根据风力机额定叶尖速比（数值叶片线速度与风速比值）设定旋翼靠近主轴端面的起始位置，在额定工况下，使得端面在顺风运行时合成入流速度（线速度和风速矢量速度）为0。根据叶素理论设计旋翼截面翼型弦长和扭角分布，见附图2，使所设计旋翼在额定工况下产生最小升力FLmin=G，对应阻力距FD对主轴产生的阻力距MD=Mf。
调整双风轮中竖直叶片见间距Δd，
Figure BDA00003343189500051
L为风轮竖向叶片的长度，见附图3，使得叶片尖部在旋转过程中拖曳涡强的相互影响降至较低位置，同时保证材料的合理使用。
本发明中上风轮与主轴通过轴承连接，主轴与电机转子连接，其输出转矩直接传递至电机。下风轮与齿轮箱相连接，齿轮箱内安装行星齿轮。下风轮转矩通过行星齿轮反向传递至发电机。轴承与齿轮箱由套筒相连接，可抵消上下旋翼在不同方位角不平衡升力产生的弯矩。
如附图4所示，所述齿轮箱包括太阳轮7，太阳轮7与各行星轮9啮合，各行星轮与齿圈8啮合，所述太阳轮7的转轴为主轴5，所述行星轮9与齿轮箱下部承台固定连接，齿圈8位于齿轮箱外壁的内侧，齿圈与下风轮风轮支撑杆连接，为输入轴；太阳轮为电机转子轴，为输出轴。通过行星齿轮的调向，将上下风轮的转矩一同传至发电机。
对行星齿轮进行合理调节，即通过理论计算，调节外齿圈和太阳轮直径的比例，使得上风轮与下风轮转速相等，并且水平旋翼上下相互对应，对应旋翼同时运行至最大迎风方位角。
如附图5所示，齿轮箱外齿圈8顶部设有滚珠圈11，滚珠圈抵住支撑杆上部承台10，上部承台与旋转主轴5固定连接。外齿圈与承台反向旋转，并通过滚珠圈将升力传递给主轴。
本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于:包括与发电机相连的主轴(5),在所述主轴上设置上风轮和下风轮,所述上风轮和下风轮均包括竖向叶片，所述上风轮和下风轮的竖向叶片翼型相同，安装方向相反。
2.根据权利要求1所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上风轮通过轴承(4)安装在主轴上。
3.根据权利要求1所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述下风轮通过齿轮箱(3)安装在主轴上。
4.根据权利要求3所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述齿轮箱包括太阳轮（7），太阳轮（7）与各行星轮（9）啮合，各行星轮与齿圈（8）啮合，所述太阳轮（7）的转轴为主轴（5），所述行星轮（9）与齿轮箱下部承台固定连接，齿圈（8）位于齿轮箱外壁的内侧，齿圈与下风轮风轮支撑杆连接。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上风轮包括竖直设置的叶片(1),叶片(1)通过风轮支撑杆连接在轴承(4)上，在所述风轮支撑杆上设置有水平旋翼(2)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述下风轮包括竖直设置的叶片(1),叶片(1)通过风轮支撑杆连接在齿轮箱(3)上，在所述风轮支撑杆上设置有水平旋翼(2)。
7.根据权利要求4所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：所述齿轮箱(3)内行星齿轮顶部设置限位装置，所述限位装置包括与主轴固定连接的上部承台（10），齿圈通过滚珠圈（11）抵住上部承台旋转。
8.根据权利要求1所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：上风轮与下风轮中竖直叶片叶尖间距Δd满足：
Figure FDA00003343189400021
L为风轮竖向叶片的长度。
9.根据权利要求8所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：在最大迎风逆行状态下，水平旋翼各截面入流合成速度Vreal为Vreal＝ω0r+V0，其中，ω0为风力机额定转速，V0为额定风速，随着旋翼展现距离r增大，合成速度逐渐增大，通过降低扭角λ和翼型弦长c，使旋翼各截面产生均匀竖向升力,即竖向升力为
Figure FDA00003343189400022
其中升力系数Cl在翼型失速之前与扭角λ呈线性关系,ρ为空气密度。
10.根据权利要求8所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机的设计方法，其特征在于：上风轮、下风轮水平旋翼(2)相互对应，即在相同的旋转角速度下，上风轮与下风轮对应水平旋翼同时运行至最大迎风方位角，通过调整齿圈和太阳轮直径比例，使太阳轮和齿圈转速保持一致。
11.根据权利要求8所述的共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机，其特征在于：水平旋翼(2)靠近主轴端由风轮支撑杆与主轴固定连接，且风轮支撑杆与叶片的连接处为水平旋翼翼型1/4弦长的气动中心处。
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