專利名稱：一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種利用垂直軸風力發(fā)電機水平支撐桿上可變槳距角的槳葉在運行過程中產(chǎn)生升力減緩轉(zhuǎn)動部分重力造成的摩擦力和零件磨損的垂直軸風力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電是新能源中開發(fā)較早、應(yīng)用廣、技術(shù)較成熟的可再生能源。風力發(fā)電機主要有水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。相對于水平軸風力發(fā)電機而言，垂直軸風力發(fā)電機葉輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地表面和來流風向，它具有幾個突出的優(yōu)點一是風輪機塔架結(jié)構(gòu)簡單；二是發(fā)電機傳動機構(gòu)和控制機構(gòu)等裝置在地面或低空；三是葉片容易制造、成本低；四是葉輪運行不受風向的影響。目前垂直軸風力發(fā)電機按風機翼型的組成形式主要分為四種javonius型、 Darrieus型、H-rotor型和渦輪型。無論哪種類型的垂直軸風力發(fā)電機，風機在運轉(zhuǎn)過程中整個轉(zhuǎn)子的重量全部作用在轉(zhuǎn)子的軸承上，大大增加了轉(zhuǎn)子運行中的摩擦阻力，降低了風力發(fā)電機的性能；而且過大的負載又加劇了軸承磨損，在風力發(fā)電機20年的使用壽命中， 軸承頻繁的更換大大增加風力發(fā)電機維護成本并且延長風力發(fā)電機的停車時間，降低了能量輸出°對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，為解決這一問題有人提出將磁懸浮技術(shù)引入垂直軸風力發(fā)電機設(shè)計中，如林修鵬公開的發(fā)明專利《磁浮減重力摩擦力垂直軸風力發(fā)電機》(申請?zhí)?00810016203)，王譽燕的《磁懸浮垂直軸風車》(申請?zhí)?00810026780)，林文奇的 《一種垂直軸磁懸浮風力發(fā)電機》(申請?zhí)?0101027338 等，基本上都是利用同性磁極相斥的原理，將轉(zhuǎn)子“浮”起來，使風力發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分與靜止部分無機械接觸，從而減少軸承的摩擦力與零件的磨損。但是磁懸浮裝置制造成本昂貴，機構(gòu)復雜又必然造成維護成本提高。申振華公開的實用新型專利《垂直軸風力機的支撐桿》(申請?zhí)?00920287376. X)，是將支撐桿的橫剖面做成翼型形狀，選擇升阻比盡可能高的翼型，調(diào)整合適的安裝角。使支撐桿在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生升力進而減少轉(zhuǎn)子軸承的荷載，然而該專利未考慮到水平旋翼在來流風速中，逆風運行的槳葉絕對速度增加，順風運行的槳葉絕對速度減小，安裝角固定的水平槳葉會在主軸兩側(cè)產(chǎn)生的升力不均勻，不做相應(yīng)的補償，升力比值可以達到5 1。這個周期性的升力變化不僅使風力發(fā)電機機身向一側(cè)傾斜，而且每根槳葉周期性變化的升力和阻力對槳葉與主軸連接處產(chǎn)生強烈的扭矩，大大加速了這些部位的疲勞損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種風力發(fā)電機，在工作過程中可以使風力發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分產(chǎn)生平穩(wěn)升力，減緩由于轉(zhuǎn)動部位自身重力造成的摩擦力和零部件的磨損。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案—種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，包括垂直設(shè)置的主軸，葉片與主軸平行設(shè)置，支撐桿分別與葉片、主軸剛性連接，水平設(shè)置的槳葉套在支撐桿上，其特征在于槳葉與槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)相連。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在每根葉片與主軸的上下兩端分別設(shè)置有支撐桿和槳葉，分別為上槳葉和下槳葉，下槳葉的下方設(shè)置有底盤，所述槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)包括安裝在下槳葉葉根后緣處的滾輪，滾輪通過一傳動桿與下槳葉相連，垂直設(shè)置的細桿分別穿過上槳葉和下槳葉的后緣，在底盤上表面設(shè)置有滾輪軌道，滾輪在滾輪軌道上運動，所述滾輪軌道上各點不在同一水平平面上。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述滾輪軌道包括設(shè)置于底盤的在同一圓周上的圓弧形凹槽和圓弧形凸臺。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述圓弧形凹槽和圓弧形凸臺以圓心為對稱點對稱設(shè)置。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述圓弧形凹槽62和圓弧形凸臺設(shè)置一組。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于圓弧形凹槽和圓弧形凸臺上表面和底盤盤面的距離變化相對于攻角變化保持一致，圓弧形凹槽寬度大于圓弧形凸臺寬度。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在細桿的上槳葉下方處設(shè)有彈簧，并在支撐桿C3)上設(shè)置有槳葉轉(zhuǎn)動裝置限位(11)。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于還包括上風向標和下風向標，并分別與通過水平連接桿與主軸頂端的軸承、底盤固定連接，上風向標和下風向標之間通過豎向連接桿固定連接。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于上風向標與下風向標之間的距離大于葉片的長度，水平連接桿的臂長大于葉片旋轉(zhuǎn)半徑。前述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于葉片和槳葉由碳基復合材料制成，上風向標和下風向標由輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕塑料板制成，支撐桿和滾輪采用不銹鋼制成，底盤和軸承套選用45鋼或A3鋼制成。本發(fā)明有益的效果是本發(fā)明充分利用垂直軸風力發(fā)電機的水平支撐桿，安裝了可變槳距角的槳葉，槳葉隨風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，并且伴隨產(chǎn)生的阻力距等價于沒有安裝水平槳葉時支撐桿產(chǎn)生的阻力距，從而減緩由于風機轉(zhuǎn)動部分的重力而產(chǎn)生的摩擦力和關(guān)鍵部位的磨損。裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本相對于磁懸浮技術(shù)低廉，同時也方便維修和安裝，有效的提升了垂直軸風力發(fā)電機的功率輸出并且延長了風力發(fā)電機的使用壽命。


圖1是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機的正等測視圖；圖2是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機的俯視圖；圖3(a)、3(b)是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機水平槳葉翼型升阻力示意圖；圖4是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機單根水平槳葉示意圖5是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機底盤的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機中滾輪布置示意圖；圖7是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機“工”字形滾輪結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機水平槳葉支撐桿與上部槳葉連接示意圖；圖9是本發(fā)明支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機滾輪與底板接觸示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進一步的描述。本發(fā)明的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，包括垂直設(shè)置的主軸 1，4根升力型葉片2與主軸1平行設(shè)置，8個支撐桿3分別與葉片、主軸剛性連接，水平設(shè)置的槳葉4套在支撐桿3上，槳葉4與槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)相連。在每根葉片2與主軸1的上下兩端分別設(shè)置有支撐桿3和槳葉4，分別為上槳葉和下槳葉，下槳葉的下方設(shè)置有底盤 6，所述槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)包括安裝在下槳葉葉根后緣處的滾輪5，滾輪5通過一傳動桿8與下槳葉相連，垂直設(shè)置的細桿9分別穿過上槳葉41和下槳葉42的前緣，在底盤6上表面設(shè)置有滾輪軌道61，滾輪5在滾輪軌道61上運動，所述滾輪軌道61上各點不在同一水平平面上。槳葉3跟隨葉片2旋轉(zhuǎn)到不同位置可周期性的自動改變攻角，當葉片2逆風轉(zhuǎn)動時， 連接桿上槳葉4攻角減小，當葉片2順風轉(zhuǎn)動時，槳葉4攻角增加，整個轉(zhuǎn)動部分將以滾輪 5和底盤6的接觸點為支撐點，向上“浮”起。在細桿9的上槳葉41下方處設(shè)有彈簧10，使得同一豎直葉片上兩個槳葉運動狀態(tài)一致，并在支撐桿3上設(shè)置有槳葉轉(zhuǎn)動裝置限位11。所述滾輪軌道61包括設(shè)置于底盤6的在同一圓周上的圓弧形凹槽62和圓弧形凸臺63，圓弧形凹槽62和圓弧形凸臺63以圓心為對稱點對稱設(shè)置，并且設(shè)置一組。底盤圓弧形凹槽62與圓弧形凸臺63的尺寸應(yīng)根據(jù)槳葉在運行中所需要的攻角進行設(shè)計，并且底盤獨立轉(zhuǎn)動，由風向標調(diào)整方位，使得水平槳葉在任何風向都能保持逆風運行時攻角減小，順風運行時攻角增大。進一步的，本發(fā)明還包括上風向標71和下風向標72，并分別與通過水平連接桿73 與主軸1頂端的軸承、底盤6固定連接，上風向標71和下風向標72之間通過豎向連接桿74 固定連接。上風向標71與下風向標72之間的距離大于葉片2的長度，水平連接桿73的臂長大于葉片旋轉(zhuǎn)半徑。進一步的，葉片2和槳葉4由碳基復合材料制成，上風向標和下風向標72由輕質(zhì)、 高強度、耐腐蝕塑料板制成，支撐桿3和滾輪采用不銹鋼制成，底盤和軸承套選用45鋼或A3 鋼制成。
具體實施方式
一如圖1、圖2所示為一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，計算其轉(zhuǎn)動部分(包括豎直葉片、支撐桿、水平槳葉、發(fā)電機轉(zhuǎn)子)重力G，計算垂直軸風力發(fā)電機不安裝水平槳葉時，在額定轉(zhuǎn)速、風速下連接桿產(chǎn)生的阻力距Mf。
具體實施方式
二為設(shè)計水平槳葉選用具有較高升阻比特性的翼型，在來流風速中，翼型上表面的氣流速度較高，下表面的氣流速度較低，形成一個環(huán)繞翼型流動的環(huán)流。 由伯努利理論，環(huán)流致使翼型的上表面壓力低于周圍氣壓，下表面壓力高于周圍氣壓，如圖 3(a)，使翼型表面產(chǎn)生的升阻力如圖3(b)所示。
具體實施方式
三由空氣動力學理論設(shè)計水平槳葉在額定線速度Vrate = r · W。下翼型的弦長和扭角分布如圖4，使設(shè)計的8根水平槳葉在該轉(zhuǎn)速下(理論計算中攻角不變) 產(chǎn)生的豎直升力& = G，阻力對主軸產(chǎn)生的阻力距Md = Mf。結(jié)合設(shè)計風力發(fā)電機尺寸， 計算逆風行進的水平槳葉絕對速度分布為= Vrate+V0,順風行進的水平槳葉絕對速度分布為VMl = Vrate-Vtl,其中，Vrel為水平槳葉上絕對速度隨半徑r的分布，Wtl為垂直軸風力發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速，Vtl為額定風速。設(shè)定水平槳葉在來流風速中水平槳葉在運行的不同方位攻角α的變化，使水平槳葉在各個不同方位處運行時產(chǎn)生的升力一致。
具體實施方式
四選取水平槳葉靠近主軸處的截面翼型，在其弦長距前緣1/4的氣動中心處鉆貫穿孔如圖4，套入支撐桿，槳葉表面氣動升力合力&作用于該孔上，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分重力G也作用于該孔上，兩個力方向相反，作用在同一條直線上。同時合成于該孔上的俯仰力矩使水平槳葉以滾輪和底盤接觸點為支點，向上“浮”起。
具體實施方式
五根據(jù)上述水平槳葉運行到不同方位攻角α的變化分布，設(shè)計帶有凹槽和凸臺的底盤如圖5。凹槽和凸臺上表面和底盤盤面的距離變化相對于攻角α變化保持一致，凹槽寬度大于凸臺寬度。
具體實施方式
六根據(jù)支撐桿的高度和凹槽與凸臺尺寸設(shè)計滾輪裝置，滾輪裝置固定在翼型后緣處，滾輪軸心軸線與支撐桿形成一定的角度，軸線指向主軸中心，如圖6所示。滾輪結(jié)構(gòu)類似火車車輪，截面呈“工”字形，在凸臺上時，滾輪邊緣恰好卡住凸臺，在凹槽時，凹槽邊緣恰好包住滾輪，起到限位作用，如圖7所示。
具體實施方式
七與同一根豎直葉片連接的上下兩根水平槳葉在其靠近主軸處的后緣利用細桿連接，使兩個葉片運行到同一位置攻角變化一致，連接處設(shè)置彈簧，緩解水平旋翼在運轉(zhuǎn)過程中的震動，并在支撐桿上設(shè)置限位裝置，使水平槳葉在設(shè)定的攻角α內(nèi)轉(zhuǎn)動，如圖8。
具體實施方式
八將帶有凹槽和凸臺的底盤設(shè)計成獨立的轉(zhuǎn)動體，其運動方式不受上面轉(zhuǎn)動部分影響，在主軸頂部設(shè)置靈活轉(zhuǎn)動軸承，在軸承和下部底盤固定連接與主軸垂直的兩根平行水平連接桿，在上下水平連接桿處固定兩個風向標，如圖1所示。當風向變化時，風力發(fā)電機葉輪不受風向影響繼續(xù)轉(zhuǎn)動，風向標受到風力作用通過水平連接桿對底盤產(chǎn)生力矩，調(diào)整底盤方位，始終保持槳葉在逆風運行時其尾部的滾輪在凹槽內(nèi)滾動，在順風運行時滾輪在凸臺上滾動，實現(xiàn)自動調(diào)整水平槳葉攻角的功能，滾動局部示意圖如圖9。
具體實施方式
九理論與實驗相結(jié)合，不斷調(diào)整以上各裝置結(jié)合點和尺寸，使槳葉運轉(zhuǎn)時，始終以滾輪和底盤的接觸點為支撐點，槳葉前緣部分受豎直向上升力作用帶動轉(zhuǎn)動部分“浮”起來而減緩其重力對軸承造成的摩擦力和磨損。
權(quán)利要求
1.一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，包括垂直設(shè)置的主軸(1)，葉片 (2)與主軸(1)平行設(shè)置，支撐桿C3)分別與葉片、主軸剛性連接，水平設(shè)置的槳葉(4)套在支撐桿(3)上，其特征在于槳葉(4)與槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在每根葉片(2)與主軸(1)的上下兩端分別設(shè)置有支撐桿(3)和槳葉G)，分別為上槳葉和下槳葉，下槳葉的下方設(shè)置有底盤(6)，所述槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)包括安裝在下槳葉葉根后緣處的滾輪(5)，滾輪( 通過一傳動桿(8)與下槳葉相連，垂直設(shè)置的細桿(9)分別穿過上槳葉Gl)和下槳葉0 的后緣，在底盤(6)上表面設(shè)置有滾輪軌道(61)，滾輪(5)在滾輪軌道(61)上運動，所述滾輪軌道(61)上各點不在同一水平平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述滾輪軌道(61)包括設(shè)置于底盤(6)的在同一圓周上的圓弧形凹槽(6 和圓弧形凸臺(63)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述圓弧形凹槽(62)和圓弧形凸臺(63)以圓心為對稱點對稱設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述圓弧形凹槽(62和圓弧形凸臺(6 設(shè)置一組。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于圓弧形凹槽和圓弧形凸臺上表面和底盤盤面的距離變化相對于攻角變化保持一致，圓弧形凹槽寬度大于圓弧形凸臺寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在細桿(9)的上槳葉Gl)下方處設(shè)有彈簧(10)，并在支撐桿C3)上設(shè)置有槳葉轉(zhuǎn)動裝置限位(11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于還包括上風向標(71)和下風向標(72)，并分別與通過水平連接桿(7 與主軸(1)頂端的軸承、底盤(6)固定連接，上風向標(71)和下風向標(7 之間通過豎向連接桿(74)固定連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于上風向標(71)與下風向標(72)之間的距離大于葉片(2)的長度，水平連接桿(73)的臂長大于葉片旋轉(zhuǎn)半徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于葉片( 和槳葉α)由碳基復合材料制成，上風向標和下風向標m由輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕塑料板制成，支撐桿C3)和滾輪采用不銹鋼制成，底盤和軸承套選用45鋼或A3 鋼制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種支撐桿帶變槳距角葉片的垂直軸風力發(fā)電機，包括垂直設(shè)置的主軸，葉片與主軸平行設(shè)置，支撐桿分別與葉片、主軸剛性連接，水平設(shè)置的槳葉套在支撐桿上，其特征在于槳葉與槳葉轉(zhuǎn)動控制機構(gòu)相連。本發(fā)明有效的提升了垂直軸風力發(fā)電機的功率輸出并且延長了風力發(fā)電機的使用壽命。
文檔編號F03D7/06GK102305182SQ20111022575
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者嚴偉, 張建新, 戴雙喜, 明宇, 朱杰, 李益, 楊杰, 江泉, 潘盼, 蔡新, 郭興文, 顧榮蓉 申請人:河海大學常州校區(qū)