一種垂直軸風力發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種垂直軸風力發(fā)電機，包括上V型風輪、下V型風輪、直葉片、中心轉軸、發(fā)電機、法蘭盤、支撐塔架和爪型連接件；上下V型風輪分別通過爪型連接件固定在中心轉軸的上部和下部，中心轉軸的底端通過法蘭盤連接發(fā)電機；發(fā)電機固定在支撐塔架上；直葉片豎直安裝在上V型風輪與下V型風輪之間。本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機由H型風輪和V型風輪組合而成，避免了支撐桿阻力的負荷影響，有效改善了垂直軸風力發(fā)電機的氣動性能和自啟動能力，降低了風輪轉子軸承的載荷和摩擦阻力，提高了垂直軸風力發(fā)電機風能利用效率和運行的可靠性。
【專利說明】一種垂直軸風力發(fā)電機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及風能利用【技術領域】，特別涉及一種垂直軸風力發(fā)電機。
【背景技術】
[0002]風力發(fā)電機可以分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機，一般認為水平軸風力發(fā)電機風力利用系數(shù)較高，是目前世界上的主流風機，但是由于水平軸風力發(fā)電機自身固有的一些特點，如葉片受力情況復雜，需要偏航系統(tǒng)對風，機艙在塔架頂部不易維修等因素，使得水平軸風力機的制造成本和運營維護成本較高；而垂直軸風力發(fā)電機由于不需要偏航系統(tǒng)，齒輪箱等部件可以放在近地面或者塔架底部，維護方便，制造成本和運營成本較低。另外，需要注意的是，風電場的氣候環(huán)境不同于實驗條件下的環(huán)境，風場的氣候比較惡劣，風向經(jīng)常變化，所以考慮到對風損失，垂直軸風力機的性能不一定低于水平軸風力機，而且垂直軸風力機的葉片不受交變的重力應力作用，相對于水平軸風力機葉片的疲勞壽命較長，綜合考慮風力發(fā)電后期的運營成本，垂直軸風力機具有很大的潛力。
[0003]現(xiàn)有的垂直軸風力機又分為阻力型風力機和升力型風力機，升力型風力機與阻力型風力機相比，風能利用系數(shù)較高，應用較為廣泛，其中H型和P型應用最為廣泛，由于H型風輪掃略面積一般大于0型風輪，而且H型直葉片相對于爐型彎葉片制造簡單，然而，傳統(tǒng)的H型垂直軸風力發(fā)電機存在以下不足:
[0004]自啟動能力較差，H型風力發(fā)電機不具有自啟動能力，因此，如何解決垂直軸風力機的自啟動問題是目前研究的熱點。
[0005]普通的垂直軸風力發(fā)電機一般通過支撐桿連接葉片和中心轉軸，而支撐桿產(chǎn)生的阻力占整臺風機的10%以上。
[0006]垂直軸風力機的整個風輪的重量全部作用在轉子軸承上，這大大增加了轉子軸承的摩擦阻力，降低了風機系統(tǒng)的性能，而且過大的負荷縮短了軸承的壽命。
實用新型內(nèi)容
[0007]有鑒于此，本實用新型提供一種垂直軸風力發(fā)電機，有效改善了垂直軸風力發(fā)電機的氣動性能和自啟動能力，降低了風輪轉子軸承的載荷和摩擦阻力，提高了垂直軸風力發(fā)電機風能利用效率和運行的可靠性。
[0008]為達到上述目的，本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機采用以下技術方案:
[0009]一種垂直軸風力發(fā)電機，包括上V型風輪、下V型風輪、直葉片、中心轉軸、發(fā)電機、法蘭盤、支撐塔架和爪型連接件；所述上V型風輪通過爪型連接件固定在中心轉軸的上部，所述下V型風輪通過爪型連接件固定在中心轉軸的下部，所述中心轉軸的底端通過法蘭盤連接發(fā)電機；所述發(fā)電機固定在支撐塔架上；所述直葉片豎直安裝在上V型風輪與下V型風輪之間。
[0010]所述上V型風輪和下V型風輪的開口方向相反。
[0011]上V型風輪包括上葉片，所述下V型風輪包括下葉片，所述上V型風輪開口向下，上葉片的吸力面朝上傾斜固定在爪型連接件上，所述下V型風輪開口向上，下葉片的吸力面朝上傾斜固定在爪型連接件上。
[0012]所述上葉片的展向與爪型連接件的中心軸線即中心轉軸的中心軸線之間的夾角β 為 0° 至 90°。
[0013]上V型風輪和下V型風輪的葉片數(shù)量至少均為兩片。
[0014]所述上葉片與下葉片的翼型前緣和后緣安裝方向一致，在所述垂直軸風力發(fā)電機的旋轉方向上，上葉片的前緣位于后緣的下游。
[0015]所述直葉片豎直安裝在上葉片的下端與下葉片的上端，且直葉片的前緣和后緣與上葉片的前緣和后緣對應連接，直葉片的前緣和后緣還與下葉片的前緣和后緣對應連接。
[0016]所述直葉片的壓力面面向中心轉軸。
[0017]所述直葉片的壓力面背向中心轉軸。
[0018]本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機由H型風輪和V型風輪組合而成，相比于傳統(tǒng)的H型風輪，避免了支撐桿阻力的負荷影響，有效改善了垂直軸風力發(fā)電機的氣動性能和自啟動能力，降低了風輪轉子軸承的載荷和摩擦阻力，提高了垂直軸風力發(fā)電機風能利用效率和運行的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機實施例一的整體結構示意圖；
[0020]圖2是實施例一中所述的垂直軸風力發(fā)電機的其中一部分結構不意圖；
[0021]圖3是實施例一中所述的垂直軸風力發(fā)電機的另一部分結構不意圖；
[0022]圖4是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機實施例二的結構示意圖；
[0023]圖5是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機實施例三的結構示意圖；
[0024]圖6是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機實施例四的結構示意圖；
[0025]圖7是垂直軸風力機葉片翼型幾何參數(shù)和氣流角度示意圖；
[0026]圖8是本實用新型實施例一中的垂直軸風力發(fā)電機的H型風輪示意圖。
[0027]圖9是本實用新型實施例一中的垂直軸風力發(fā)電機的H型風輪在內(nèi)切圓所在的平面上的受力分析示意圖。
[0028]圖10是本實用新型實施例一中的垂直軸風力發(fā)電機的V型風輪在內(nèi)切圓所在的平面上的受力分析示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖詳細描述本實用新型實施例。
[0030]實施例一
[0031]圖1是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的整體結構示意圖；圖2是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的其中一部分結構示意圖；圖3是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的另一部分結構不意圖。如圖所不，所述垂直軸風力發(fā)電機100為一種H型和V型組合式垂直軸風力發(fā)電機，所述垂直軸風力發(fā)電機100包括上V型風輪la、下V型風輪2a、直葉片3a、中心轉軸4a、發(fā)電機5a、法蘭盤6a、支撐塔架7a和爪型連接件8a ;分別如圖2和圖3所示，所述上V型風輪Ia通過爪型連接件8a固定在中心轉軸4a的上部，所述下V型風輪2a通過爪型連接件8a固定在中心轉軸4a的下部,所述中心轉軸4a的底端通過法蘭盤6a連接發(fā)電機5a ;所述發(fā)電機5a固定在支撐塔架7a上；所述直葉片3a豎直安裝在上V型風輪Ia與下V型風輪2a之間。
[0032]如圖2以及圖3所示，所述上V型風輪Ia包括上葉片9a，所述下V型風輪2a包括下葉片10a，本實施例中，所述上V型風輪Ia和下V型風輪2a的開口方向相反，如圖所示，所述上V型風輪Ia開口向下，上葉片9a吸力面(9a3)朝上傾斜固定在爪型連接件8a上，所述上葉片9a的展向與爪型連接件8a的中心軸線即中心轉軸4a的中心軸線之間的夾角β為0°至90° ;所述下V型風輪2a開口向上，下葉片1a吸力面(1al)朝上傾斜固定在爪型連接件8a上，如上所述，上V型風輪Ia與下V型風輪2a對稱設置，因此，所述下葉片1a的展向與爪型連接件8a的中心軸線即中心轉軸4a的中心軸線之間的夾角也為β。本實施例中，所述上葉片9a和下葉片1a均為直葉片，且上V型風輪Ia和下V型風輪2a的葉片數(shù)量至少均為兩片，所述上葉片9a與下葉片1a的翼型前緣和后緣安裝方向一致，在所述垂直軸風力發(fā)電機100的旋轉方向上，所述上葉片9a的前緣9al位于后緣9a2的下游，本實施例中，所述垂直軸風力發(fā)電機100的旋轉方向為，從圖1中所示的垂直軸風力發(fā)電機100的頂端向下看去,所述垂直軸風力發(fā)電機100繞中心轉軸4a順時針旋轉。
[0033]如上所述，所述直葉片3a豎直安裝在上V型風輪Ia與下V型風輪2a之間，如圖1所示，所述直葉片3a豎直安裝在上葉片9a的下端與下葉片1a的上端，且直葉片的前緣(3a4)和后緣(3a5)與上葉片(9a)的前緣(9al)和后緣(9a2)對應連接，直葉片的前緣(3a4)和后緣(3a5)還與下葉片(1a)的前緣(10a2)和后緣(10a3)對應連接，直葉片3a的壓力面3al面向中心轉軸4a。
[0034]實施例二
[0035]圖4是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的另一種結構示意圖。如圖所示，本實施例中的垂直軸風力發(fā)電機的結構與實施例一種的垂直軸風力發(fā)電機100的結構大致相同，在此，不再描述其具體結構，唯一不同的地方是，本實施例中直葉片3b的壓力面3bl背向中心轉軸4b。
[0036]實施例三
[0037]圖5是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的另一種結構示意圖。如圖所示，本實施例中的垂直軸風力發(fā)電機中，上V型風輪Ic開口向上，下V型風輪2c開口向下，且本實施例中的直葉片3c的壓力面3cI面向中心轉軸4c，也可以直葉片3c的壓力面3cI背向中心轉軸4c (未示出)。
[0038]實施例四
[0039]圖6是本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機的另一種結構示意圖。如圖所示，本實施例中的垂直軸風力發(fā)電機中，采用三層開口向上的V型風輪ldl、ld2和ld3，直葉片3d被V型風輪的葉片支撐，且本實施例中的直葉片3d的壓力面3dl面向中心轉軸4d，也可以是直葉片3d的壓力面3dl背向中心轉軸4d(未示出)。
[0040]作為本實施例的變形，還可以采用單層或雙層或更多層開口向上的V型風輪，或者采用單層或雙層或更多層開口向下的V型風輪。
[0041]下面結合附圖7-圖10,并結合實施例一種所述的垂直軸風力發(fā)電機,詳細描述各葉片的受力分析。
[0042]圖7是垂直軸風力機葉片翼型幾何參數(shù)和氣流角度示意圖。圖中，A點為葉片的翼型后緣，B點位葉片的翼型前緣，AB的連線為翼型弦線，其中AB之間的上半段弧線所在的面為吸力面3a2，AB之間的下半段弧線所在的面為壓力面3a3，C點位于壓力面3a3上，AC的連線為零升力線，即當來流方向d與AC線平行或者接近平行時，葉片將不產(chǎn)生升力；所述弦線AB的長度為n，所述來流方向d與弦線AB之間的夾角為i，該夾角i為幾何攻角，來流風向d與零升力線AC之間的夾角為δ。
[0043]圖8是實施例一中的垂直軸風力發(fā)電機的H型風輪示意圖。如圖所示，直葉片3a的內(nèi)切圓為R，其中心為0，該H型風輪繞中心O旋轉。
[0044]圖9是所述H型風輪在內(nèi)切圓R所在的平面上的受力分析示意圖。圖9中，來流方向為dl，Va為來流風速，Vt為葉片切向速度，LI為升力，Dl為阻力，Vo為葉片處的相對風速，該風速是Va和Vt的合成速度，Vo與葉片翼型零升力線的夾角是絕對攻角。由空氣動力學的相關知識可知，當氣流流過有絕對攻角的翼型時，將產(chǎn)生垂直于Vo的升力LI和平行于Vo的阻力D1，二者的合成為F1，由Vo = Va-Vt，如果Va和Vt已知，則可求出Vo，葉片所受的氣動力Fl也可求出。對于葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當葉片翼型的零升力線處于與風向平行或接近的位置外，其他方位的氣動力都產(chǎn)生一個驅動風輪旋轉的力矩。通過對風輪處于不同位置時各葉片的受力分析得到，對于單數(shù)葉片的風輪，無論風輪處于什么位置，都將產(chǎn)生一個驅動風輪旋轉的驅動扭矩。
[0045]圖10是所述V型風輪在內(nèi)切圓R所在的平面上的受力分析示意圖。如圖10所示，由于V型風輪的葉片展向與中心轉軸的軸向夾角為β，所以V型風輪葉片的翼型截面平面與水平面夾角也為β，則風速為Va’的流風作用在V型風輪葉片的翼型剖面上的風速為Va’*cosi3。如圖10所示，來流風作用在V型風輪葉片上的空氣動力類似與作用在H型風輪葉片上的空氣動力，唯一不同的是V型風輪的葉片展向與中心轉軸有一個夾角β，流風作用在上V型風輪的升力L2除了可以分解成平行于旋轉平面的分力Ft驅動風輪旋轉之夕卜，還可以分解成垂直于旋轉平面的分力Fy以上舉風輪。
[0046]當風輪由靜止啟動時，來流風作用在本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機上時，H型風輪產(chǎn)生驅動風輪旋轉的扭矩T1，V型風輪產(chǎn)生驅動風輪旋轉的扭矩T2。本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機與傳統(tǒng)的H型垂直軸風力發(fā)電機相比，增加了 V型風輪的啟動力矩T2，降低了風力發(fā)電機的啟動風速。
[0047]當風輪啟動后，假定穿過風輪的風速和風向在某一時間段是恒定的，當風力機啟動并達到設計轉速后，葉輪將以恒定轉速做圓周運動，那么通過對風輪葉片處于不同位置時各葉片的受力分析得到，對于單數(shù)葉片的H型風輪，無論風輪處于什么位置，都將產(chǎn)生一個驅動風輪旋轉的驅動力矩Tl。而對于V型風輪，由于葉片傾斜安裝，所以，當風輪旋轉起來之后，V型風輪葉片便把受到的風力轉換成了升力L，又把升力L分解成平行于旋轉平面的分力Ft和垂直于旋轉平面的分力Fl，平行于旋轉平面的分力Ft就會產(chǎn)生驅動風輪旋轉的力矩T2，從而加快了風輪的旋轉，提高了風輪的風能利用效率；垂直于旋轉平面的分力^上舉風輪，使風輪作用在轉子軸承的載荷減少，從而減小了軸承的摩擦阻力。
[0048]本實用新型所述的垂直軸風力發(fā)電機由H型風輪和V型風輪組合而成，相比于傳統(tǒng)的H型風輪，避免了支撐桿阻力的負荷影響，有效改善了垂直軸風力發(fā)電機的氣動性能和自啟動能力，降低了風輪轉子軸承的載荷和摩擦阻力，提高了垂直軸風力發(fā)電機風能利用效率和運行的可靠性。
【權利要求】
1.一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述垂直軸風力發(fā)電機包括上V型風輪(la)、下V型風輪(2a)、直葉片(3a)、中心轉軸(4a)、發(fā)電機(5a)、法蘭盤(6a)、支撐塔架(7a)和爪型連接件(8a)； 所述上V型風輪(Ia)通過爪型連接件(8a)固定在中心轉軸(4a)的上部，所述下V型風輪(2a)通過爪型連接件(8a)固定在中心轉軸(4a)的下部,所述中心轉軸(4a)的底端通過法蘭盤^a)連接發(fā)電機(5a);所述發(fā)電機(5a)固定在支撐塔架(7a)上；所述直葉片(3a)豎直安裝在上V型風輪(Ia)與下V型風輪(2a)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述上V型風輪(Ia)和下V型風輪(2a)的開口方向相反。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，上V型風輪(Ia)包括上葉片(9a)，所述下V型風輪(2a)包括下葉片(10a)，所述上V型風輪(Ia)開口向下，上葉片(9a)的吸力面(9a3)朝上傾斜固定在爪型連接件(8a)上，所述下V型風輪(2a)開口向上，下葉片(1a)的吸力面(1al)朝上傾斜固定在爪型連接件(8a)上。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述上葉片(9a)的展向與爪型連接件(8a)的中心軸線即中心轉軸(4a)的中心軸線之間的夾角β為0°至90。。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，上V型風輪(Ia)和下V型風輪(2a)的葉片數(shù)量至少均為兩片。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述上葉片(9a)與下葉片(1a)的翼型前緣和后緣安裝方向一致，在所述垂直軸風力發(fā)電機的旋轉方向上，上葉片Oa)的前緣(9al)位于后緣(9a2)的下游。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述直葉片(3a)豎直安裝在上葉片(9a)的下端與下葉片(1a)的上端，且直葉片的前緣(3a4)和后緣(3a5)與上葉片(9a)的前緣(9al)和后緣(9a2)對應連接，直葉片的前緣(3a4)和后緣(3a5)還與下葉片(1a)的前緣(10a2)和后緣(10a3)對應連接。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述直葉片(3a)的壓力面(3al)面向中心轉軸(4a)。
9.根據(jù)權利要求7所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于，所述直葉片(3a)的壓力面(3al)背向中心轉軸(4a)。
【文檔編號】F03D9/00GK204003265SQ201420378171
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權日:2014年7月10日
【發(fā)明者】胡立強 申請人:胡立強