專利名稱：自起動無振動垂直軸風力機風輪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自起動無振動垂直軸風力機風輪，屬葉輪機械技術領域。
二背景技術：
風力發(fā)電機可分為水平軸和垂直軸兩類。其中與水平軸風力機比較，垂直軸風力機
具有無需對風調向系統(tǒng)、結構簡單；風向變化不影響風力機性能；發(fā)電機可放置在地面上、 維護性好且允許較大電機尺寸等優(yōu)點。
垂直軸風力機風輪又可細分為阻力型和升力型兩類，阻力型風輪利用葉片旋轉過程 中產生的阻力帶動風輪轉動，典型葉片形狀為S形(如氣象部門應用的風速儀葉片)。 另一類垂直軸風力機稱為升力型，該類風力機利用翼型的升力產生轉動力矩，其風能利用 率較大程度高于阻力型風力機。田海姣在"垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概述" 一文(應用能源 技術第11期)對該類升力型風力機的發(fā)展與特點進行了較詳細介紹。
垂直軸風力機存在的主要缺陷是力矩周期性變化和不能自起動。在此以升力型風力 機為例進行簡單分析說明。由圖l,在風輪轉動過程中，葉素弦線(前緣點與后緣點連線) 相對于風向角度不斷周期性變化，因此該葉素產生的關于轉動軸的力矩也相應呈周期性變 化。這樣無論采用直葉片還是O型葉片，也無論葉片數(shù)量多少，都存在風力機風輪輸出力 '矩的周期性變化。由于風輪轉動過程中力矩周期性變化，在某些轉角范圍內力矩小并且有 可能出現(xiàn)負力矩，風輪在起動過程中會自動向此轉角范圍緩慢轉動而不能自起動。因此， 垂直軸風力機不能自起動根源仍在于風輪轉動過程中力矩周期性變化，解決了風輪輸出力 矩周期性變化也就不存在自起動問題。
風輪產生的力矩周期性變化形成周期性激振力，對塔架疲勞壽命影響很大；風力機 不能自起動需要配備起動電動機和離合器，增加了結構復雜性和設備成本。目前工程實際 應用中絕大多數(shù)是水平軸風力發(fā)電機(特別是大型風力發(fā)電機)，主要原因在于垂直軸風 力機存在上述兩個主要不足；而不在于通常所認為的垂直軸風力機風能利用系數(shù)小于水平 軸風力機，實際上升力型垂直軸風力機風能利用系數(shù)與水平軸風力機相當。
3國際專利W02005/010355提出一種由多個螺旋型葉片(多于一個葉片)構成風輪的 垂直軸風力機，并根據(jù)該專利技術研制出一種三葉片垂直軸風力機，名為qr5(quiet revolution 5,即5米高靜音旋轉，產品資料及照片可見網(wǎng)址 http:〃www. Quietrevolution.co.uk/qr5.htm)。該風力機采用螺旋形(S形)葉片只能部 份消除風輪力矩周期性變化和緩解起動問題。原因在于葉片呈弓形、葉素所處回轉面不是 圓柱面而是中間回轉面半徑大兩端回轉面半徑小、并且葉素弦長中間長兩端短。因此葉片 中間部份產生的力矩大、兩端逐漸變小，很難實現(xiàn)任意風速、風向和轉速下力矩不變。并 且該項專利中也未介紹消除力矩周期性變化具體實施方法。
美國專利US 6293835 B2提出應用螺旋形風力渦輪裝置作為船舶推進動力，葉片采 用翼型沿圓柱螺旋線旋轉形成，以達到風向變化時無需對風旋轉。實際上在葉片總螺旋角 不等于360度整數(shù)倍時，即使在風向不變時，風力機風輪輸出力矩仍然周期性變化。此外， 該項發(fā)明中指出葉片數(shù)多于一個，表明該項專利沒有考慮到葉片總螺旋角等于360度整類支 倍可解決力矩不穩(wěn)定問題。因為只要葉片總螺旋角等于360度整數(shù)倍，即使只有一個葉片 也不存在力矩不穩(wěn)定問題。
因此上述兩項專利有益于部份消除風輪力矩周期性變化和緩解起動問題，但由于未 能考慮到風輪葉片垂直方向投影的各向同性(即葉片總螺旋角等于360度整數(shù)倍和葉素 積疊螺旋線所在回轉面為圓柱面)，根據(jù)該兩項專利技術很難設計出風輪輸出力矩不周期 性變化和具有自起動能力的風輪。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種葉片載荷無周期性變化、能自起動的垂直軸風力機。 一種自起動無振動垂直軸風力機風輪，由旋轉軸、葉片安裝支板、n個通過葉片安裝 支板安裝于旋轉軸的螺旋形葉片組成，上述n個螺旋形葉片結構完全相同且沿旋轉軸轉動 方向呈均勻分布，n為大于等于l的自然數(shù)，其特征在于上述螺旋形葉片由葉素沿螺旋 形積疊線積疊形成，葉素積疊按等安裝角和O度俯仰角疊積形成，上述螺旋形積疊線所在 回轉面為繞旋轉軸的圓柱面；設上述螺旋形積疊線螺旋角為O,n及O滿足以下關系式n x。=kx 360°, k為大于等于l的自然數(shù)。
如果所有葉片軸向投影構成一個或多個完整圓環(huán)，那么在某一風速下，雖然風輪轉 動時，各葉素相對于風速方向變化所受氣體力周期性變化，但葉片產生的關于轉動軸的總 力矩恒定不變。因此本項發(fā)明提出的螺旋形升力型垂直軸風力機葉片設計技術，可有效解決現(xiàn)有此類風力機兩個主要不足1)葉片載荷周期性變化影響整機疲勞壽命，2)不能自 起動。該項專利應用可有力推動垂直軸風力機應用。
四
圖l構成葉片的葉素示意圖。
圖2 (a) 2個完整軸向投影圓環(huán)葉素積疊螺旋線水平方向投影圖。 圖2(b) 2個完整軸向投影圓環(huán)葉素積疊螺旋線垂直方向投影圖。 圖3(a)用于定義螺旋角的葉素積疊螺旋線水平方向投影圖。 圖3(b)用于定義螺旋角的葉素積疊螺旋線軸向投影圖。 圖4(a) 3個完整軸向投影圓環(huán)1個葉片風輪水平方向投影圖。 圖4(b) 3個完整軸向投影圓環(huán)1個葉片風輪軸向投影圖。 圖5 2個完整軸向投影圓環(huán)1個葉片風輪三維視圖。 圖6 1個完整軸向投影圓環(huán)1個葉片風輪三維視圖。 圖7l個完整軸向投影圓環(huán)2個葉片風輪三維視圖。 圖8l個完整軸向投影圓環(huán)3個葉片風輪三維視圖。
圖中標號名稱1、風速，2、葉素旋轉跡線，3、葉素，4、旋轉軸，5、葉素旋轉半徑， 6、葉素積疊螺旋線，7、直角坐標，其中Z表示鉛垂方向，8、葉素積疊螺旋線回轉半徑， 9、葉型積疊線螺旋角，10、螺旋形葉片，11、葉片安裝支板。
五、 具體實施方法
以下結合圖1到圖9說明本發(fā)明螺旋形升力型葉片構成的垂直軸風力機實施方法
1、 葉素積疊螺旋線確定
螺旋形葉片10由葉素3沿葉素積疊螺旋線6疊積形成。葉素積疊螺旋線6的回轉半 徑8取葉素3的旋轉半徑5，螺旋線高度取葉片髙度與葉片數(shù)乘積，給定螺旋線周期數(shù)(螺 旋線回轉360度為一個周期)，由上三個參數(shù)(螺旋線回轉半徑、螺旋線高度、螺旋線周 期限數(shù))確定葉素積疊螺旋線6。
2、 葉片形成
將選定葉素3沿葉素積疊螺旋線6按等安裝角(葉素弦線與切向夾角，通常為0度) 和0度俯仰角(葉素型面水平)積疊構成未分割葉片。再根據(jù)葉片數(shù)進行等長度分割(如 果風輪只有一個葉片，則不需要分割)，將分割的葉片沿旋轉軸4方向平移，使各葉片位 于同一高度、轉動方向均勻分布。采用以上方法可得一個螺旋線周期單葉片風輪(圖4、 5 );二個螺旋線周期單葉片風輪(圖6); —個螺旋線周期二個葉片風輪(圖7); —個螺旋線 周期三個葉片風輪(圖8),以及由此方法構成的一個或者多個螺旋線周期若干個葉片風輪。 只要葉片軸向投影是一個或多個完整周期，則風向不影響風力機葉片旋轉軸4產生的力失巨， 同時風輪旋轉過程中不會產生力矩的波動，因此可解決力矩不穩(wěn)定和風力機起動問題。 3、風力機風輪構成
風力機主要由風輪、發(fā)電機、控制器、負載等部件組成。對于離網(wǎng)型風力機，負載主 要為蓄電池；對于并網(wǎng)型風力機，負載為逆變器。由于上述各部件為風力機必備部件、其 功能及相互之間關系也屬常識性內容，在此不作介紹，以下著重介紹本發(fā)明主要涉及的風 力機風輪構成。
本發(fā)明所涉及的風輪主要由螺旋形葉片9、轉動軸4、葉片安裝支板11組成。本發(fā)明 中，風輪葉片9通過葉片安裝支板11與轉動軸4連接。安裝支板ll可采用安裝螺釘分別 與葉片9及轉動軸4固定，也可采用焊接方法進行連接。風從風輪側向吹向風力機風輪， 風輪轉動帶動發(fā)電機發(fā)電。
權利要求
1、一種自起動無振動垂直軸風力機風輪，由旋轉軸(4)、葉片安裝支板(11)、n個通過葉片安裝支板安裝于旋轉軸的螺旋形葉片(10)組成，上述n個螺旋形葉片結構完全相同且沿旋轉軸(4)轉動方向呈均勻分布，n為大于等于1的自然數(shù)，其特征在于上述螺旋形葉片由葉素(3)沿螺旋形積疊線(6)積疊形成，葉素積疊按等安裝角和0度俯仰角疊積形成，上述螺旋形積疊線所在回轉面為繞旋轉軸(4)的圓柱面；設上述螺旋形積疊線螺旋角(9)為Φ，n及Φ滿足以下關系式n ×Φ＝k×360°，k為大于等于1的自然數(shù)。
全文摘要
一種自起動無振動垂直軸風力機風輪，屬葉輪機械技術領域。由旋轉軸(4)、葉片安裝支板(11)、n個通過葉片安裝支板安裝于旋轉軸的螺旋形葉片(10)組成，上述n個螺旋形葉片結構完全相同且沿旋轉軸(4)轉動方向呈均勻分布，n為大于等于1的自然數(shù)，其特征在于上述螺旋形葉片由葉素(3)沿螺旋形積疊線(6)積疊形成，葉素積疊按等安裝角和0度俯仰角疊積形成，上述螺旋形積疊線所在回轉面為繞旋轉軸(4)的圓柱面；設上述螺旋形積疊線螺旋角(9)為Φ，n及Φ滿足以下關系式n×Φ＝k×360°，k為大于等于1的自然數(shù)。該風輪葉片載荷無周期性變化、能自起動。
文檔編號F03D3/06GK101560949SQ20091003281
公開日2009年10月21日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權日2009年6月3日
發(fā)明者周正貴, 夏 徐, 名 邱 申請人:南京航空航天大學