專利名稱：一種垂直軸風(fēng)力機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種用于發(fā)電的風(fēng)カ機。
背景技術(shù)：
垂直軸風(fēng)カ發(fā)電機分為阻カ型和升力型兩類阻力型風(fēng)カ機啟動性能好，但是適合在低尖速比下運行；升力型風(fēng)カ機氣動性能好，風(fēng)能利用率較高，但是其啟動性能差，甚至在不能自啟動。兩類風(fēng)力機的缺陷限制了垂直軸風(fēng)カ機的廣泛應(yīng)用，對垂直軸風(fēng)カ機的自啟動性能和風(fēng)能利用率的研究，以及風(fēng)力機環(huán)境適應(yīng)性與工作范圍的研究成為重點。針對上述問題，人們提出了多種方案，以申請?zhí)枮?0092(^610 . 5的實用新型專利“升阻力混合型垂直軸風(fēng)カ機”最具有代表性，其采用H型Darrius風(fēng)機與S型風(fēng)機組合， 通過升阻力型風(fēng)機的組合在一定程度上改善了風(fēng)カ機的啟動性能，但是存在S型葉片加工復(fù)雜，成本高的缺點，而且隨著風(fēng)速的提高S型葉片對風(fēng)力機的運行產(chǎn)生很大影響，降低了風(fēng)能利用率，即雖然提高了風(fēng)カ機低風(fēng)速工作范圍，但限制了高風(fēng)速的使用，且定槳距技術(shù)下風(fēng)能利用率較低。這使得此項發(fā)明功耗大、不適用于高風(fēng)速場合、成本高。實用新型專利ZL200820017859. 3通過改變?nèi)~片翼型氣動カ外形，改變了風(fēng)カ機的氣動參數(shù)，雖然改善了垂直軸風(fēng)カ機的啟動性能，但是翼型氣動カ外形的變化，對高尖速比下風(fēng)カ機的發(fā)電效率有很大影響，而且特殊的葉片翼型無疑增加了風(fēng)カ機成本。實用新型專利200820091137. 2 “垂直軸半活半固組合型葉片風(fēng)車”，由于只有ー個葉片活動，結(jié)構(gòu)上看似簡單，但未能充分利用風(fēng)カ機風(fēng)場資源，且加劇了固定葉片與活動葉片間湍流現(xiàn)象， 惡化了葉片受カ環(huán)境，提高了對葉片強度和剛度的要求，加劇風(fēng)カ機的振動，影響整體性能，實用性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供降低啟動風(fēng)速、拓寬工作范圍、提高發(fā)電效率的ー種垂直軸風(fēng)カ機。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是包括風(fēng)カ機塔架、風(fēng)カ機主軸、發(fā)電機、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、升力型葉片、阻力型葉片、升力型伺服電機、阻力型驅(qū)動電機、風(fēng)輪，風(fēng)カ機主軸與風(fēng)力機塔架相連，發(fā)電機安裝在風(fēng)カ機塔架上并與風(fēng)力機主軸相連，風(fēng)輪安裝在風(fēng)カ 機主軸上，風(fēng)輪上分別安裝升力型葉片和阻力型葉片，升力型葉片安裝升力型伺服電機，阻力型葉片安裝阻力型驅(qū)動電機，風(fēng)カ機主軸上安裝主軸位置編碼器和導(dǎo)電滑環(huán)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過風(fēng)向風(fēng)速連接板安裝在風(fēng)カ機主軸頂部。本發(fā)明還可以包括1、阻力型葉片與升力型葉片在風(fēng)輪上的安裝半徑分別為RD、も，Rd/Rl = 3/10。2、由阻力型葉片、升力型葉片、風(fēng)輪組成的機構(gòu)共有三組，每組之間夾角均為120/又。
3、升力型葉片和阻力型葉片均采用兩端支撐形式，升力型葉片轉(zhuǎn)動中心布置在距葉片前緣的1/4處。4、阻力型葉片包括兩個半葉片，兩個半葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩個半葉片閉合拼成完整的翼型，俯視垂直軸風(fēng)カ機吋，阻力型葉片在方位角130度由閉合轉(zhuǎn)為張開，在方位角190度時葉片張開到最大位置，在方位角270度至315度之間實現(xiàn)閉合。本發(fā)明的優(yōu)勢在干本發(fā)明葉片為對稱結(jié)構(gòu)，風(fēng)カ相對于葉片轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的カ矩為 0，葉片所受的氣動カ矩與葉片轉(zhuǎn)動方向一致，降低了電機消耗，降低了啟動風(fēng)速，提高了啟動性能和風(fēng)能利用率，應(yīng)用場合廣。


圖1是本發(fā)明的三維整體效果圖；圖2是本發(fā)明的主視圖；圖3是垂直軸風(fēng)カ機升力與阻力型葉片狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明垂直軸風(fēng)カ機升力型葉片變槳距規(guī)律；圖5是風(fēng)カ機信息采集裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1 5，本發(fā)明的風(fēng)カ機主軸5與風(fēng)カ機塔架1通過法蘭連接并與地面固定，風(fēng)輪3繞風(fēng)カ機主軸5旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機2安裝在風(fēng)カ機主軸5下部，風(fēng)輪3通過鏈條將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運動傳遞到發(fā)電機2 ；風(fēng)速風(fēng)向傳感器7位于風(fēng)カ機主軸5頂部，主軸位置編碼器11 和導(dǎo)電滑環(huán)12套裝在風(fēng)カ機主軸5上，并位于風(fēng)速風(fēng)向傳感器7下面，防雨罩6套裝在主軸位置編碼器11和導(dǎo)電滑環(huán)12外圍，以保證傳感器正常使用；升力型葉片10和阻力型葉片8安裝在風(fēng)輪3上，阻力型驅(qū)動電機4安裝在阻力型葉片頂部，升力型伺服電機9安裝在升力型葉片頂部。風(fēng)速風(fēng)向傳感器7和主軸位置編碼器11將采集信息經(jīng)導(dǎo)電滑環(huán)12傳遞給控制器，實現(xiàn)變槳距控制。結(jié)合圖3和圖4，以大地為參考坐標系，升阻力混合型垂直軸風(fēng)カ機在運轉(zhuǎn)過程中，葉片的狀態(tài)如圖3所示。對于阻力型葉片，葉片在方位角約130°開始由閉合逐漸張開， 在方位角190°時葉片張開到最大位置，然后在方位角270°至315°范圍內(nèi)實現(xiàn)閉合，然后保持葉片閉合狀態(tài)，直到下一次張開，由于阻カ型葉片的開合作用提高了上風(fēng)向順風(fēng)區(qū)的驅(qū)動カ矩，并降低了下風(fēng)向逆風(fēng)區(qū)的阻力矩，可以使風(fēng)機在很低的風(fēng)速下啟動，提高了風(fēng)力機的啟動性能；對于升力型葉片其變化規(guī)律遵循圖4所示規(guī)律，在不同尖速比下采用不同變槳規(guī)律，提高垂直軸風(fēng)カ機的風(fēng)能利用率，通過調(diào)節(jié)垂直軸風(fēng)カ機未啟動狀態(tài)下葉片的槳距角，可實現(xiàn)垂直軸風(fēng)カ機的自啟動，提高風(fēng)カ機啟動性能。結(jié)合圖5，本發(fā)明風(fēng)輪3經(jīng)角接觸球軸承19繞風(fēng)カ機主軸5旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)輪3端部安裝有端面法蘭20，將風(fēng)輪3的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給主軸位置編碼器11和導(dǎo)電滑環(huán)12，并在端面法蘭20與風(fēng)カ機主軸5接觸位置安裝毛氈密封圈18 ；主軸位置編碼器11套裝在風(fēng)カ機主軸5上，主軸位置編碼器11的固定環(huán)與風(fēng)力機主軸5固結(jié)，旋轉(zhuǎn)部分則通過編碼器連接件 21與端面法蘭20固結(jié)，用于采集風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)信息；導(dǎo)電滑環(huán)12安裝在主軸位置編碼器11上面，通過滑環(huán)連接件17與端面法蘭20螺釘固結(jié)，防雨罩6套在主軸位置編碼器11和導(dǎo)電滑環(huán)12外圍，以防止雨水和灰塵的進入，在防雨罩6和風(fēng)カ機主軸5連接處安裝有迷宮式密封環(huán)16，防止雨水滲入并保護傳感設(shè)備；風(fēng)向儀13與風(fēng)速儀14置于風(fēng)カ機主軸5頂部， 安裝在風(fēng)向風(fēng)速連接板15上，風(fēng)向儀13采集垂直軸風(fēng)カ機附近流場風(fēng)向，風(fēng)速儀14采集風(fēng)場風(fēng)速變化情況。升阻力混合型垂直軸風(fēng)カ機信息采集與升力型葉片的位置伺服控制的原理描述如下主軸位置編碼器11采集風(fēng)輪位置，傳感器采集的信息經(jīng)導(dǎo)電滑環(huán)12傳遞給控制器， 控制器經(jīng)算法解算出合適的變槳規(guī)律，控制器輸出的控制規(guī)律以及電機動カ線經(jīng)導(dǎo)電滑環(huán) 12傳遞給伺服電機9，升力型伺服電機驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度以獲得最佳氣動性能，葉片轉(zhuǎn)動信息經(jīng)葉片編碼器反饋到控制器，控制器做出相應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)葉片的位置伺服控制。本發(fā)明包括這樣ー些特征1、所述垂直軸風(fēng)カ機采用風(fēng)輪繞主軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)方式，階梯狀主軸上安裝有角接觸球軸承，軸承兩支撐形式以保證風(fēng)カ機的剛度和風(fēng)カ機旋轉(zhuǎn)精度，同時保證風(fēng)カ機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。2、風(fēng)速風(fēng)向傳感器位于主軸頂部，并在風(fēng)速風(fēng)向傳感器下安裝導(dǎo)電滑環(huán)和位置編碼器，風(fēng)速和風(fēng)向信息、升カ葉片伺服電機編碼器反饋信號、阻力型葉片驅(qū)動電機編碼器反饋信號等通過導(dǎo)電滑環(huán)將信息傳遞到控制器，同時動カ電源也通過導(dǎo)電滑環(huán)傳到各傳感器和各電機，實現(xiàn)葉片的位置伺服控制。3、升力型和阻力型葉片都采用兩端支撐形式，葉片軸端部均安裝有角接觸球軸承以保證葉片的剛度，降低葉片變形對氣動參數(shù)的影響。4、升力型葉片轉(zhuǎn)動中心布置在距葉片前緣的1/4弦長處，葉片伺服電機安裝在葉片軸頂部，控制器通過控制蝸輪蝸桿減速電機調(diào)節(jié)葉片的槳距角，葉片軸端安裝有編碼器， 編碼器將葉片位置反饋給控制器，通過葉片的槳距角位置伺服控制實現(xiàn)垂直軸風(fēng)カ機最大功率輸出。5、本發(fā)明中，內(nèi)層阻カ型葉片由兩個半葉片構(gòu)成，葉片端部與力矩電機連接，兩葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩葉片閉合拼成完整的翼型，カ矩電機控制葉片的張開角度，葉片軸處安裝有限位開關(guān)，以保證葉片的安全。6、本發(fā)明中，升力型葉片和阻力型葉片按照額定風(fēng)速下的最佳尖速比布置，阻力型葉片和升力葉片安裝的風(fēng)輪半徑比為0. 3，實現(xiàn)風(fēng)力機低尖速比向高尖速比運轉(zhuǎn)的過渡， 提高風(fēng)力機的風(fēng)能利用率。
權(quán)利要求
1.ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是包括風(fēng)カ機塔架、風(fēng)カ機主軸、發(fā)電機、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、升力型葉片、阻力型葉片、升力型伺服電機、阻力型驅(qū)動電機、風(fēng)輪，風(fēng)カ機主軸與風(fēng)力機塔架相連，發(fā)電機安裝在風(fēng)カ機塔架上并與風(fēng)力機主軸相連，風(fēng)輪安裝在風(fēng)カ機主軸上，風(fēng)輪上分別安裝升力型葉片和阻力型葉片，升力型葉片安裝升力型伺服電機，阻力型葉片安裝阻力型驅(qū)動電機，風(fēng)カ機主軸上安裝主軸位置編碼器和導(dǎo)電滑環(huán)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過風(fēng)向風(fēng)速連接板安裝在風(fēng)カ機主軸頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是阻力型葉片與升力型葉片在風(fēng)輪上的安裝半徑分別為も、&，Rd/Rl = 3/10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是由阻力型葉片、升力型葉片、風(fēng)輪組成的機構(gòu)共有三組，每組之間夾角均為120度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是升力型葉片和阻力型葉片均采用兩端支撐形式，升力型葉片轉(zhuǎn)動中心布置在距葉片前緣的1/4處。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是升力型葉片和阻力型葉片均采用兩端支撐形式，升力型葉片轉(zhuǎn)動中心布置在距葉片前緣的1/4處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是阻力型葉片包括兩個半葉片，兩個半葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩個半葉片閉合拼成完整的翼型，俯視垂直軸風(fēng)カ機吋，阻力型葉片在方位角130度由閉合轉(zhuǎn)為張開，在方位角190度時葉片張開到最大位置，在方位角270度至315度之間實現(xiàn)閉合。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是阻力型葉片包括兩個半葉片， 兩個半葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩個半葉片閉合拼成完整的翼型，俯視垂直軸風(fēng)カ機吋，阻力型葉片在方位角130度由閉合轉(zhuǎn)為張開，在方位角190度時葉片張開到最大位置，在方位角270度至315度之間實現(xiàn)閉合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是阻力型葉片包括兩個半葉片， 兩個半葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩個半葉片閉合拼成完整的翼型，俯視垂直軸風(fēng)カ機吋，阻力型葉片在方位角130度由閉合轉(zhuǎn)為張開，在方位角190度時葉片張開到最大位置，在方位角270度至315度之間實現(xiàn)閉合。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種垂直軸風(fēng)カ機，其特征是阻力型葉片包括兩個半葉片， 兩個半葉片軸通過傳動比為1的齒輪嚙合，兩個半葉片閉合拼成完整的翼型，俯視垂直軸風(fēng)カ機吋，阻力型葉片在方位角130度由閉合轉(zhuǎn)為張開，在方位角190度時葉片張開到最大位置，在方位角270度至315度之間實現(xiàn)閉合。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種垂直軸風(fēng)力機，包括風(fēng)力機塔架、風(fēng)力機主軸、發(fā)電機、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、升力型葉片、阻力型葉片、升力型伺服電機、阻力型驅(qū)動電機、風(fēng)輪，風(fēng)力機主軸與風(fēng)力機塔架相連，發(fā)電機安裝在風(fēng)力機塔架上并與風(fēng)力機主軸相連，風(fēng)輪安裝在風(fēng)力機主軸上，風(fēng)輪上分別安裝升力型葉片和阻力型葉片，升力型葉片安裝升力型伺服電機，阻力型葉片安裝阻力型驅(qū)動電機，風(fēng)力機主軸上安裝主軸位置編碼器和導(dǎo)電滑環(huán)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過風(fēng)向風(fēng)速連接板安裝在風(fēng)力機主軸頂部。本發(fā)明葉片為對稱結(jié)構(gòu)，風(fēng)力相對于葉片轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩為0，葉片所受的氣動力矩與葉片轉(zhuǎn)動方向一致，降低了電機消耗，提高了啟動性能和風(fēng)能利用率，應(yīng)用場合廣。
文檔編號F03D3/06GK102536643SQ20121001180
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者尉越嘯, 張健, 張松, 張立勛, 梁迎彬 申請人:哈爾濱工程大學(xué)