專利名稱：一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，屬于風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為可再生能源已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了提高風(fēng)能的利用率，目前風(fēng)輪機(jī)大多以三葉片水平軸類型居多，風(fēng)輪尺寸均比較大，國內(nèi)最大的風(fēng)輪直徑已經(jīng)達(dá)到70米以上，但其風(fēng)能利用率最高才0.4左右張果宇.風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬計(jì)算與仿真研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2009，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Betz極限值(風(fēng)能利用系數(shù)理論最高值為0.593)蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)[M].北京:中國電力出版社，2003。同時(shí)中國人多地少、風(fēng)力資源分布不均、東西部發(fā)展不平衡的基本國情使得大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電廠的建設(shè)、應(yīng)用與并網(wǎng)發(fā)電都存在很大的局限性。但若減小風(fēng)輪機(jī)的尺寸又會(huì)大大降低風(fēng)力發(fā)電的效率，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電的家庭化、小型化、離網(wǎng)化應(yīng)用是不利的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決了傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率低、發(fā)電量小、實(shí)用性差、家庭化困難等問題，提供一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)。一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪、軸承支架、第一級(jí)軸軸承、第一級(jí)軸、第二級(jí)軸、第二級(jí)軸軸承；第一級(jí)葉輪安裝于第一級(jí)軸上，第二級(jí)葉輪安裝于第二級(jí)軸上，第二級(jí)軸中空，內(nèi)部設(shè)有第一級(jí)軸軸承， 第一級(jí)軸沿第二級(jí)軸軸心通入第二級(jí)軸內(nèi)，第一級(jí)軸與第二級(jí)軸同心，第二級(jí)軸安裝在第二級(jí)軸軸承上；第二級(jí)軸軸承通過軸承支架固定；第一級(jí)軸和第二級(jí)軸上安裝有傳動(dòng)裝置與各自發(fā)電機(jī)相連。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)大大提升了單套風(fēng)力發(fā)電設(shè)備風(fēng)輪系統(tǒng)的風(fēng)能利用率，在葉輪尺寸不變的前提下，風(fēng)能利用率達(dá)到傳統(tǒng)單軸單葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的1.5倍以上；(2)大大提高了單套小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電總量。發(fā)電總量的提升一方面是受益于風(fēng)輪系統(tǒng)效率的提升，另一方面則是因?yàn)殡p葉輪對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使得風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在惡劣條件(如風(fēng)速過大)下穩(wěn)定發(fā)電能力大大提升，從而延長了有效工作時(shí)間；(3)大大降低了風(fēng)力發(fā)電小型化、家庭化的難度,使得家家戶戶用上風(fēng)力發(fā)電成為可能。這是因?yàn)楸緦?shí)用新型只需在傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上稍作改進(jìn)，不需升級(jí)原有生產(chǎn)線，也不需增加過高的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本即可實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的革新。

[0012]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型圖1中第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪局部安裝示意圖；圖3是本實(shí)用新型第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪的尺寸示意圖；圖4是本實(shí)用新型第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪中葉片安裝角的示意圖；圖中:1-第一級(jí)葉輪 2-第二級(jí)葉輪3-軸承支架4-第一級(jí)軸軸承5-第一級(jí)軸 6-第二級(jí)軸7-第二級(jí)軸軸承
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型為了解決了傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率低、發(fā)電量小、實(shí)用性差、家庭化困難等問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案采用同軸雙轉(zhuǎn)子雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單軸單轉(zhuǎn)子單葉輪結(jié)構(gòu)，通過兩級(jí)葉輪間的流場稱合，使第一級(jí)葉輪在充分利用風(fēng)能發(fā)電的基礎(chǔ)上，亦成為第二級(jí)葉輪的進(jìn)口導(dǎo)向葉片和整流葉片。第二級(jí)葉輪與第一級(jí)葉輪同軸、反向?qū)D(zhuǎn)，使第二級(jí)葉輪葉片入口流場在常用風(fēng)力發(fā)電風(fēng)速范圍(5m/s 12m/s)內(nèi)都能達(dá)到最優(yōu)風(fēng)能利用條件(最優(yōu)攻角、最優(yōu)流態(tài))，有效避免了因局部風(fēng)速過高而失速或流動(dòng)分離導(dǎo)致的效率降低，從而提升了整機(jī)風(fēng)能利用率。本實(shí)用新型的一 種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括第一級(jí)葉輪1、第二級(jí)葉輪2、軸承支架3、第一級(jí)軸軸承4、第一級(jí)軸5、第二級(jí)軸6、第二級(jí)軸軸承7。第一級(jí)葉輪I安裝于第一級(jí)軸5上，第二級(jí)葉輪2安裝于第二級(jí)軸6上，第二級(jí)軸
6中空，內(nèi)徑略大于第一級(jí)軸5外徑，第二級(jí)軸6軸內(nèi)裝有第一級(jí)軸軸承4，使第一級(jí)軸5能夠沿第二級(jí)軸6軸心通入第二級(jí)軸6內(nèi)，第一級(jí)軸5與第二級(jí)軸6同心，并可做獨(dú)立、自由轉(zhuǎn)動(dòng)。第二級(jí)軸6安裝在第二級(jí)軸軸承7上，也可做獨(dú)立、自由轉(zhuǎn)動(dòng)；第一級(jí)葉輪I與第二級(jí)葉輪2按一定間距前后布置，氣流首先流經(jīng)第一級(jí)葉輪I葉片并帶動(dòng)第一級(jí)葉輪I轉(zhuǎn)動(dòng)，流經(jīng)第一級(jí)葉輪I后的氣流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并流經(jīng)第二級(jí)葉輪2，第二級(jí)葉輪2葉片與第一級(jí)葉輪I葉片反向安裝，使第二級(jí)葉輪2與第一級(jí)葉輪I同軸、反向?qū)D(zhuǎn)；第二級(jí)軸軸承7通過軸承支架3固定；第一級(jí)軸5和第二級(jí)軸6上安裝有傳動(dòng)裝置與各自發(fā)電機(jī)相連。本實(shí)用新型中對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪兩級(jí)葉輪的軸采用同軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，第一級(jí)軸5為較細(xì)的實(shí)心軸，軸距較長，第二級(jí)軸6為較粗的空心軸，軸距較短。第一級(jí)軸5的外徑略小于第二級(jí)軸6的內(nèi)徑，從第二級(jí)軸6的軸心穿過，裝配時(shí)，每根軸通過成對(duì)配套的滾珠軸承支承，第一級(jí)軸軸承4分置于第二級(jí)軸軸承7兩側(cè)，其中一個(gè)安裝于第二級(jí)葉輪2的輪轂內(nèi)，另一個(gè)安裝于第二級(jí)軸6的后端(通過軸承支架固定)，通過第一級(jí)軸軸承4、第二級(jí)軸軸承7的空間位置來保證兩根軸同心，使兩軸可獨(dú)立、自由旋轉(zhuǎn)。第一級(jí)葉輪1、第二級(jí)葉輪2與第一級(jí)軸5、第二級(jí)軸6都采用螺紋連接，葉輪旋轉(zhuǎn)方向與螺紋旋向相同以防止風(fēng)輪與軸脫離，同時(shí)在第一級(jí)葉輪1、第二級(jí)葉輪2基底處開螺紋孔，沿徑向加裝緊固螺栓。每根軸各帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)固定在軸承支架3上，由同步皮帶傳動(dòng)。如圖3所示，第一級(jí)葉輪I的外經(jīng)為Rl，第二級(jí)葉輪2的外徑為R2，第二葉輪2的外徑R2較大，大約為第一葉輪I的外徑Rl的I 1.5倍。第一級(jí)葉輪I與第二級(jí)葉輪2之間的安裝間距L根據(jù)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)可調(diào)。如圖4中，第一級(jí)葉輪I葉片的安裝角為α，第二級(jí)葉輪2葉片的安裝角為β，第一級(jí)葉輪I與第二級(jí)葉輪2 —前一后同心布置，第一級(jí)葉輪I與第二級(jí)葉輪2上葉片安裝角相反。以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，第一?jí)葉輪I上葉片的安裝角α為25 35度，第二級(jí)葉輪2上葉片的安裝角β為-15 -25度。工作原理與過程:本實(shí)用新型的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)工作時(shí),來流首先流經(jīng)第一級(jí)葉輪I葉片并帶動(dòng)第一級(jí)葉輪I轉(zhuǎn)動(dòng)，第一級(jí)葉輪I通過第一級(jí)軸5輸出軸功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這一部分的工作過程與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是完全相同的。來流在流經(jīng)第一級(jí)葉輪I后，損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為第一級(jí)軸5上的軸功，發(fā)出電能，并伴隨少量流動(dòng)和機(jī)械摩擦造成的損失。但因單級(jí)葉輪機(jī)尺寸有限、葉片數(shù)較少、轉(zhuǎn)速較低，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率也較低，氣流在流經(jīng)第一級(jí)葉輪I后仍有較高的動(dòng)能可供利用。但氣流在流經(jīng)第一級(jí)葉輪I后，氣流方向?qū)l(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。為充分利用流向偏轉(zhuǎn)后的氣流動(dòng)能，第二級(jí)葉輪2葉片安裝角β與第一級(jí)葉輪I葉片安裝角α相反，并經(jīng)精確計(jì)算確定其安裝角度數(shù)絕對(duì)值應(yīng)略小于第一級(jí)葉輪I葉片安裝角度數(shù)絕對(duì)值。這樣，偏轉(zhuǎn)后的氣流又可以以最佳攻角流經(jīng)第二級(jí)葉輪2，使第二級(jí)葉輪2與第一級(jí)葉輪I同軸、反向?qū)D(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)第二級(jí)軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)另一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這一過程比單級(jí)風(fēng)輪更有效地利用了通過單位截面氣流的動(dòng)能，減少了單位截面上風(fēng)能的浪費(fèi)，大幅提高了風(fēng)能利用率。同時(shí)，流經(jīng)第一級(jí)葉輪I后的氣流，在流態(tài)上將發(fā)生一定程度的變化。原本湍流度不高的氣流將變?yōu)楦咄牧鞫葰饬?，`并伴隨有從第一級(jí)葉輪I葉片尾緣脫離的渦，其中高湍流動(dòng)可增強(qiáng)氣體輸運(yùn)能力，有效抑制第二級(jí)葉輪2葉片尾緣的流動(dòng)分離，而從第一級(jí)葉輪I葉片尾緣脫落的渦將與第二級(jí)葉輪2葉片前緣流動(dòng)發(fā)生耦合，通過合理設(shè)計(jì)翼型和兩個(gè)葉輪的間距L，這兩種氣動(dòng)作用即可大大提高單位流量氣流的做功能力。此外，第一級(jí)葉輪I直徑Rl略小于第二級(jí)葉輪2的直徑R2，部分氣流不經(jīng)過第一級(jí)葉輪I直接吹向第二級(jí)葉輪2葉尖段，保證了第二級(jí)葉輪具有良好的起動(dòng)性。在風(fēng)力較小時(shí)，第二級(jí)葉輪仍能有效利用風(fēng)能輸出軸功，而在風(fēng)力較大時(shí)，第一級(jí)葉輪由于旋轉(zhuǎn)半徑較小，受大風(fēng)影響較小，發(fā)電量提升，且對(duì)高速來流起到整流作用，使第二級(jí)葉輪也能始終處于良好工況下工作。本實(shí)用新型在實(shí)際使用中，只需按傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝調(diào)試方法安裝調(diào)試即可正常工作。通過支架安裝在樓宇外墻、房屋頂層、路燈頂端都可實(shí)現(xiàn)全天候高效率發(fā)電，一臺(tái)風(fēng)機(jī)一天的正常發(fā)電量即可滿足普通家庭當(dāng)日用電需求，達(dá)到節(jié)能減排的效果。實(shí)施例:采用本實(shí)用新型的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)洞吹風(fēng)研究，來流風(fēng)速分別取7m/s、8m/s、9m/s和10m/S。分別測(cè)量相同設(shè)計(jì)尺寸(相同翼型、相同最大旋轉(zhuǎn)半徑)單輪風(fēng)輪結(jié)構(gòu)和對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)輸出功率，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表:表I實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求1.一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一級(jí)葉輪(I)、第二級(jí)葉輪(2)、軸承支架(3)、第一級(jí)軸軸承(4)、第一級(jí)軸(5)、第二級(jí)軸(6)、第二級(jí)軸軸承(7)；第一級(jí)葉輪(I)安裝于第一級(jí)軸(5)上，第二級(jí)葉輪(2)安裝于第二級(jí)軸(6)上，第二級(jí)軸(6)中空，內(nèi)部設(shè)有第一級(jí)軸軸承(4)，第一級(jí)軸(5)沿第二級(jí)軸(6)軸心通入第二級(jí)軸(6)內(nèi)，第一級(jí)軸(5)與第二級(jí)軸(6)同心，第二級(jí)軸(6)安裝在第二級(jí)軸軸承(7)上； 第二級(jí)軸軸承(7)通過軸承支架(3)固定； 第一級(jí)軸(5)和第二級(jí)軸(6)上安裝有傳動(dòng)裝置與各自發(fā)電機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一級(jí)軸軸承(4)分別置于第二級(jí)軸軸承(7)兩側(cè)，其中一個(gè)安裝于第二級(jí)葉輪(2)的輪轂內(nèi)，另一個(gè)安裝于第二級(jí)軸(6)的后端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一級(jí)葉輪(I)與第一級(jí)軸(5)、第二級(jí)葉輪(2)與第二級(jí)軸(6)分別采用螺紋連接，葉輪旋轉(zhuǎn)方向與螺紋旋向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一級(jí)葉輪(I)的外經(jīng)為R1，第二級(jí)葉輪(2)的外徑為R2，R2 > R1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的R2為Rl的I 1.5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一級(jí)葉輪(I)的葉片`與第二級(jí)葉輪(2)的葉片反向安裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一級(jí)葉輪(I)的葉片安裝角為α，第二級(jí)葉輪(2)的葉片安裝角為β，設(shè)逆時(shí)針方向?yàn)檎谝患?jí)葉輪(I)上葉片的安裝角α為25 35度，第二級(jí)葉輪(2)上葉片的安裝角β為-15 -25度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種適用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，適用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪系統(tǒng)，在基本不改變風(fēng)輪尺寸的前提下，通過加裝一級(jí)風(fēng)輪，并采用同軸雙葉輪對(duì)轉(zhuǎn)新型結(jié)構(gòu)，通過兩級(jí)葉輪間的流場耦合，使第一級(jí)葉輪在充分利用風(fēng)能發(fā)電的基礎(chǔ)上，亦成為第二級(jí)葉輪的進(jìn)口導(dǎo)向葉片和整流葉片，單套對(duì)轉(zhuǎn)葉輪風(fēng)力發(fā)電設(shè)備風(fēng)能利用率達(dá)到傳統(tǒng)單軸單葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)的1.5倍以上。該對(duì)轉(zhuǎn)葉輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)F03D1/02GK203098139SQ201320138868
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者李志強(qiáng), 吳云柯 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)