CN204003265U - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种垂直轴风力发电机，包括上V型风轮、下V型风轮、直叶片、中心转轴、发电机、法兰盘、支撑塔架和爪型连接件；上下V型风轮分别通过爪型连接件固定在中心转轴的上部和下部，中心转轴的底端通过法兰盘连接发电机；发电机固定在支撑塔架上；直叶片竖直安装在上V型风轮与下V型风轮之间。本实用新型所述的垂直轴风力发电机由H型风轮和V型风轮组合而成，避免了支撑杆阻力的负荷影响，有效改善了垂直轴风力发电机的气动性能和自启动能力，降低了风轮转子轴承的载荷和摩擦阻力，提高了垂直轴风力发电机风能利用效率和运行的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及风能利用技术领域，特别涉及一种垂直轴风力发电机。
背景技术
风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，一般认为水平轴风力发电机风力利用系数较高，是目前世界上的主流风机，但是由于水平轴风力发电机自身固有的一些特点，如叶片受力情况复杂，需要偏航系统对风，机舱在塔架顶部不易维修等因素，使得水平轴风力机的制造成本和运营维护成本较高；而垂直轴风力发电机由于不需要偏航系统，齿轮箱等部件可以放在近地面或者塔架底部，维护方便，制造成本和运营成本较低。另外，需要注意的是，风电场的气候环境不同于实验条件下的环境，风场的气候比较恶劣，风向经常变化，所以考虑到对风损失，垂直轴风力机的性能不一定低于水平轴风力机，而且垂直轴风力机的叶片不受交变的重力应力作用，相对于水平轴风力机叶片的疲劳寿命较长，综合考虑风力发电后期的运营成本，垂直轴风力机具有很大的潜力。
现有的垂直轴风力机又分为阻力型风力机和升力型风力机，升力型风力机与阻力型风力机相比，风能利用系数较高，应用较为广泛，其中H型和型应用最为广泛，由于H型风轮扫略面积一般大于型风轮，而且H型直叶片相对于型弯叶片制造简单，然而，传统的H型垂直轴风力发电机存在以下不足：
自启动能力较差，H型风力发电机不具有自启动能力，因此，如何解决垂直轴风力机的自启动问题是目前研究的热点。
普通的垂直轴风力发电机一般通过支撑杆连接叶片和中心转轴，而支撑杆产生的阻力占整台风机的10％以上。
垂直轴风力机的整个风轮的重量全部作用在转子轴承上，这大大增加了转子轴承的摩擦阻力，降低了风机系统的性能，而且过大的负荷缩短了轴承的寿命。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种垂直轴风力发电机，有效改善了垂直轴风力发电机的气动性能和自启动能力，降低了风轮转子轴承的载荷和摩擦阻力，提高了垂直轴风力发电机风能利用效率和运行的可靠性。
为达到上述目的，本实用新型所述的垂直轴风力发电机采用以下技术方案：
一种垂直轴风力发电机，包括上V型风轮、下V型风轮、直叶片、中心转轴、发电机、法兰盘、支撑塔架和爪型连接件；所述上V型风轮通过爪型连接件固定在中心转轴的上部，所述下V型风轮通过爪型连接件固定在中心转轴的下部，所述中心转轴的底端通过法兰盘连接发电机；所述发电机固定在支撑塔架上；所述直叶片竖直安装在上V型风轮与下V型风轮之间。
所述上V型风轮和下V型风轮的开口方向相反。
上V型风轮包括上叶片，所述下V型风轮包括下叶片，所述上V型风轮开口向下，上叶片的吸力面朝上倾斜固定在爪型连接件上，所述下V型风轮开口向上，下叶片的吸力面朝上倾斜固定在爪型连接件上。
所述上叶片的展向与爪型连接件的中心轴线即中心转轴的中心轴线之间的夹角β为0°至90°。
上V型风轮和下V型风轮的叶片数量至少均为两片。
所述上叶片与下叶片的翼型前缘和后缘安装方向一致，在所述垂直轴风力发电机的旋转方向上，上叶片的前缘位于后缘的下游。
所述直叶片竖直安装在上叶片的下端与下叶片的上端，且直叶片的前缘和后缘与上叶片的前缘和后缘对应连接，直叶片的前缘和后缘还与下叶片的前缘和后缘对应连接。
所述直叶片的压力面面向中心转轴。
所述直叶片的压力面背向中心转轴。
本实用新型所述的垂直轴风力发电机由H型风轮和V型风轮组合而成，相比于传统的H型风轮，避免了支撑杆阻力的负荷影响，有效改善了垂直轴风力发电机的气动性能和自启动能力，降低了风轮转子轴承的载荷和摩擦阻力，提高了垂直轴风力发电机风能利用效率和运行的可靠性。
附图说明
图1是本实用新型所述的垂直轴风力发电机实施例一的整体结构示意图；
图2是实施例一中所述的垂直轴风力发电机的其中一部分结构示意图；
图3是实施例一中所述的垂直轴风力发电机的另一部分结构示意图；
图4是本实用新型所述的垂直轴风力发电机实施例二的结构示意图；
图5是本实用新型所述的垂直轴风力发电机实施例三的结构示意图；
图6是本实用新型所述的垂直轴风力发电机实施例四的结构示意图；
图7是垂直轴风力机叶片翼型几何参数和气流角度示意图；
图8是本实用新型实施例一中的垂直轴风力发电机的H型风轮示意图。
图9是本实用新型实施例一中的垂直轴风力发电机的H型风轮在内切圆所在的平面上的受力分析示意图。
图10是本实用新型实施例一中的垂直轴风力发电机的V型风轮在内切圆所在的平面上的受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本实用新型实施例。
实施例一
图1是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的整体结构示意图；图2是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的其中一部分结构示意图；图3是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的另一部分结构示意图。如图所示，所述垂直轴风力发电机100为一种H型和V型组合式垂直轴风力发电机，所述垂直轴风力发电机100包括上V型风轮1a、下V型风轮2a、直叶片3a、中心转轴4a、发电机5a、法兰盘6a、支撑塔架7a和爪型连接件8a；分别如图2和图3所示，所述上V型风轮1a通过爪型连接件8a固定在中心转轴4a的上部，所述下V型风轮2a通过爪型连接件8a固定在中心转轴4a的下部，所述中心转轴4a的底端通过法兰盘6a连接发电机5a；所述发电机5a固定在支撑塔架7a上；所述直叶片3a竖直安装在上V型风轮1a与下V型风轮2a之间。
如图2以及图3所示，所述上V型风轮1a包括上叶片9a，所述下V型风轮2a包括下叶片10a，本实施例中，所述上V型风轮1a和下V型风轮2a的开口方向相反，如图所示，所述上V型风轮1a开口向下，上叶片9a吸力面(9a3)朝上倾斜固定在爪型连接件8a上，所述上叶片9a的展向与爪型连接件8a的中心轴线即中心转轴4a的中心轴线之间的夹角β为0°至90°；所述下V型风轮2a开口向上，下叶片10a吸力面(10a1)朝上倾斜固定在爪型连接件8a上，如 上所述，上V型风轮1a与下V型风轮2a对称设置，因此，所述下叶片10a的展向与爪型连接件8a的中心轴线即中心转轴4a的中心轴线之间的夹角也为β。本实施例中，所述上叶片9a和下叶片10a均为直叶片，且上V型风轮1a和下V型风轮2a的叶片数量至少均为两片，所述上叶片9a与下叶片10a的翼型前缘和后缘安装方向一致，在所述垂直轴风力发电机100的旋转方向上，所述上叶片9a的前缘9a1位于后缘9a2的下游，本实施例中，所述垂直轴风力发电机100的旋转方向为，从图1中所示的垂直轴风力发电机100的顶端向下看去，所述垂直轴风力发电机100绕中心转轴4a顺时针旋转。
如上所述，所述直叶片3a竖直安装在上V型风轮1a与下V型风轮2a之间，如图1所示，所述直叶片3a竖直安装在上叶片9a的下端与下叶片10a的上端，且直叶片的前缘(3a4)和后缘(3a5)与上叶片(9a)的前缘(9a1)和后缘(9a2)对应连接，直叶片的前缘(3a4)和后缘(3a5)还与下叶片(10a)的前缘(10a2)和后缘(10a3)对应连接，直叶片3a的压力面3a1面向中心转轴4a。
实施例二
图4是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的另一种结构示意图。如图所示，本实施例中的垂直轴风力发电机的结构与实施例一种的垂直轴风力发电机100的结构大致相同，在此，不再描述其具体结构，唯一不同的地方是，本实施例中直叶片3b的压力面3b1背向中心转轴4b。
实施例三
图5是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的另一种结构示意图。如图所示，本实施例中的垂直轴风力发电机中，上V型风轮1c开口向上，下V型风轮2c开口向下，且本实施例中的直叶片3c的压力面3c1面向中心转轴4c，也可以直叶片3c的压力面3c1背向中心转轴4c(未示出)。
实施例四
图6是本实用新型所述的垂直轴风力发电机的另一种结构示意图。如图所示，本实施例中的垂直轴风力发电机中，采用三层开口向上的V型风轮1d1、1d2和1d3，直叶片3d被V型风轮的叶片支撑，且本实施例中的直叶片3d的压力面3d1面向中心转轴4d，也可以是直叶片3d的压力面3d1背向中心转轴4d(未示出)。
作为本实施例的变形，还可以采用单层或双层或更多层开口向上的V型风轮，或者采用单层或双层或更多层开口向下的V型风轮。
下面结合附图7-图10，并结合实施例一种所述的垂直轴风力发电机，详细描述各叶片的受力分析。
图7是垂直轴风力机叶片翼型几何参数和气流角度示意图。图中，A点为叶片的翼型后缘，B点位叶片的翼型前缘，AB的连线为翼型弦线，其中AB之间的上半段弧线所在的面为吸力面3a2，AB之间的下半段弧线所在的面为压力面3a3，C点位于压力面3a3上，AC的连线为零升力线，即当来流方向d与AC线平行或者接近平行时，叶片将不产生升力；所述弦线AB的长度为n，所述来流方向d与弦线AB之间的夹角为i，该夹角i为几何攻角，来流风向d与零升力线AC之 间的夹角为δ。
图8是实施例一中的垂直轴风力发电机的H型风轮示意图。如图所示，直叶片3a的内切圆为R，其中心为O，该H型风轮绕中心O旋转。
图9是所述H型风轮在内切圆R所在的平面上的受力分析示意图。图9中，来流方向为d1，Va为来流风速，Vt为叶片切向速度，L1为升力，D1为阻力，Vo为叶片处的相对风速，该风速是Va和Vt的合成速度，Vo与叶片翼型零升力线的夹角是绝对攻角。由空气动力学的相关知识可知，当气流流过有绝对攻角的翼型时，将产生垂直于Vo的升力L1和平行于Vo的阻力D1，二者的合成为F1，由Vo＝Va-Vt，如果Va和Vt已知，则可求出Vo，叶片所受的气动力F1也可求出。对于叶片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了当叶片翼型的零升力线处于与风向平行或接近的位置外，其他方位的气动力都产生一个驱动风轮旋转的力矩。通过对风轮处于不同位置时各叶片的受力分析得到，对于单数叶片的风轮，无论风轮处于什么位置，都将产生一个驱动风轮旋转的驱动扭矩。
图10是所述V型风轮在内切圆R所在的平面上的受力分析示意图。如图10所示，由于V型风轮的叶片展向与中心转轴的轴向夹角为β，所以V型风轮叶片的翼型截面平面与水平面夹角也为β，则风速为Va’的流风作用在V型风轮叶片的翼型剖面上的风速为Va’*cosβ。如图10所示，来流风作用在V型风轮叶片上的空气动力类似与作用在H型风轮叶片上的空气动力，唯一不同的是V型风轮的叶片展向与中心转轴有一个夹角β，流风作用在上V型风轮的升力L2除了可以分解成平行于旋转平面的分力FT驱动风轮旋转之外，还可以分解成垂直于旋转平面的分力FL，以上举风轮。
当风轮由静止启动时，来流风作用在本实用新型所述的垂直轴风力发电机上时，H型风轮产生驱动风轮旋转的扭矩T1，V型风轮产生驱动风轮旋转的扭矩 T2。本实用新型所述的垂直轴风力发电机与传统的H型垂直轴风力发电机相比，增加了V型风轮的启动力矩T2，降低了风力发电机的启动风速。
当风轮启动后，假定穿过风轮的风速和风向在某一时间段是恒定的，当风力机启动并达到设计转速后，叶轮将以恒定转速做圆周运动，那么通过对风轮叶片处于不同位置时各叶片的受力分析得到，对于单数叶片的H型风轮，无论风轮处于什么位置，都将产生一个驱动风轮旋转的驱动力矩T1。而对于V型风轮，由于叶片倾斜安装，所以，当风轮旋转起来之后，V型风轮叶片便把受到的风力转换成了升力L，又把升力L分解成平行于旋转平面的分力FT和垂直于旋转平面的分力FL，平行于旋转平面的分力FT就会产生驱动风轮旋转的力矩T2，从而加快了风轮的旋转，提高了风轮的风能利用效率；垂直于旋转平面的分力FL上举风轮，使风轮作用在转子轴承的载荷减少，从而减小了轴承的摩擦阻力。
本实用新型所述的垂直轴风力发电机由H型风轮和V型风轮组合而成，相比于传统的H型风轮，避免了支撑杆阻力的负荷影响，有效改善了垂直轴风力发电机的气动性能和自启动能力，降低了风轮转子轴承的载荷和摩擦阻力，提高了垂直轴风力发电机风能利用效率和运行的可靠性。
Claims (9)
1.一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述垂直轴风力发电机包括上V型风轮(1a)、下V型风轮(2a)、直叶片(3a)、中心转轴(4a)、发电机(5a)、法兰盘(6a)、支撑塔架(7a)和爪型连接件(8a)；
所述上V型风轮(1a)通过爪型连接件(8a)固定在中心转轴(4a)的上部，所述下V型风轮(2a)通过爪型连接件(8a)固定在中心转轴(4a)的下部，所述中心转轴(4a)的底端通过法兰盘(6a)连接发电机(5a)；所述发电机(5a)固定在支撑塔架(7a)上；所述直叶片(3a)竖直安装在上V型风轮(1a)与下V型风轮(2a)之间。
2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述上V型风轮(1a)和下V型风轮(2a)的开口方向相反。
3.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，上V型风轮(1a)包括上叶片(9a)，所述下V型风轮(2a)包括下叶片(10a)，所述上V型风轮(1a)开口向下，上叶片(9a)的吸力面(9a3)朝上倾斜固定在爪型连接件(8a)上，所述下V型风轮(2a)开口向上，下叶片(10a)的吸力面(10a1)朝上倾斜固定在爪型连接件(8a)上。
4.根据权利要求3所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述上叶片(9a)的展向与爪型连接件(8a)的中心轴线即中心转轴(4a)的中心轴线之间的夹角β为0°至90°。
5.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，上V型风轮(1a)和下V型风轮(2a)的叶片数量至少均为两片。
6.根据权利要求5所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述上叶片(9a)与下叶片(10a)的翼型前缘和后缘安装方向一致，在所述垂直轴风力发电机的旋转方向上，上叶片(9a)的前缘(9a1)位于后缘(9a2)的下游。
7.根据权利要求6所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述直叶片(3a)竖直安装在上叶片(9a)的下端与下叶片(10a)的上端，且直叶片的前缘(3a4)和后缘(3a5)与上叶片(9a)的前缘(9a1)和后缘(9a2)对应连接，直叶片的前缘(3a4)和后缘(3a5)还与下叶片(10a)的前缘(10a2)和后缘(10a3)对应连接。
8.根据权利要求7所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述直叶片(3a)的压力面(3a1)面向中心转轴(4a)。
9.根据权利要求7所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于，所述直叶片(3a)的压力面(3a1)背向中心转轴(4a)。
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