一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本實(shí)用新型提供的一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置及風(fēng)力發(fā)電機(jī)，自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上用于帶動發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，其特征在于，具有旋轉(zhuǎn)單元，包括輸出軸，與旋轉(zhuǎn)軸連接，支撐架組件，固定在輸出軸上，用于帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，復(fù)數(shù)個葉片，分別安裝在支撐架組件的外緣上；以及調(diào)節(jié)單元，調(diào)節(jié)單元設(shè)置在旋轉(zhuǎn)單元的支撐架組件下部，包括凹槽軌道，滑塊及曲柄，滑塊在凹槽軌道內(nèi)滑動，通過凹槽的導(dǎo)向，帶動曲柄轉(zhuǎn)動，并由曲柄帶動葉片自動偏轉(zhuǎn)一定角度，從而能主動改變?nèi)~片實(shí)際攻角。因此自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置具有改善葉片失速特性，提高葉片氣動性能和風(fēng)能利用率的特性。
【專利說明】
一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置及風(fēng)力發(fā)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 中國風(fēng)能資源豐富，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、應(yīng)對氣候 變化及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，其中風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備對于 我國風(fēng)電發(fā)展起著極其重要作用。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)攻角成周期性變化的特點(diǎn)使得葉片 動態(tài)失速特性明顯，風(fēng)力機(jī)氣動性能受到影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及獲能效率有待提尚。
[0003] 當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時，葉片實(shí)際攻角發(fā)生變化。當(dāng)葉片攻角為負(fù)攻角時，葉片產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反；當(dāng)葉片的攻角增大至失速攻角時，氣體不再附著于葉片表面流 過，將在葉片吸力面發(fā)生流動分離，并在吸力面的尾緣出現(xiàn)渦流區(qū)，即所謂"失速"現(xiàn)象。風(fēng) 力機(jī)處在失速狀態(tài)時，不僅降低葉片氣動效率、影響風(fēng)力機(jī)能量捕捉，而且噪音會突然增 大，并引起風(fēng)力機(jī)葉片的振動及運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。因此盡可能地改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特 性、增大風(fēng)力機(jī)做功范圍以提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行效率具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。
[0004] 經(jīng)檢索，目前主要采用被動控制方式改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特性。如"一種帶有失 速調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組"（公開號：CN 203476605U)，通過調(diào)節(jié)葉片軸線與安裝板的擺動軸 線，使其在迎風(fēng)一側(cè)保證成銳角來達(dá)到調(diào)節(jié)失速的目的，氣動性能無法保證。
[0005] 隨著風(fēng)力機(jī)逐漸呈現(xiàn)大型化、大容量發(fā)展趨勢、失速被動控制所需成本不斷增高。 采用自適應(yīng)的方式，基于失速的產(chǎn)生原理和導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定等原因，采取相應(yīng)設(shè)計 改善風(fēng)力機(jī)的失速特性及穩(wěn)定性對于風(fēng)力機(jī)失速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高效運(yùn)行顯得至關(guān)重要。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種自適應(yīng)變槳的垂直 軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以解決垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動效率低和自啟性差等問題。
[0007] 本實(shí)用新型為達(dá)到以上目的，采用了如下技術(shù)方案：
[0008] 本實(shí)用新型提供了一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上 用于帶動發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，其特征在于，具有:旋轉(zhuǎn)單元，包括:輸出軸，與旋轉(zhuǎn) 軸連接;支撐架組件，固定在輸出軸上，用于帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，復(fù)數(shù)個葉片，分別安裝在支撐 架組件的外緣上，葉片的頂部和底部分別設(shè)置有頂部轉(zhuǎn)軸和底部轉(zhuǎn)軸，頂部轉(zhuǎn)軸中心線和 底部轉(zhuǎn)軸中心線重合，葉片通過頂部轉(zhuǎn)軸和底部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，頂部轉(zhuǎn)軸和底部轉(zhuǎn)軸中心線與 輸出軸中心線在一個平面上；以及調(diào)節(jié)單元，設(shè)置在支撐架組件下部，用于調(diào)整葉片與葉片 底部轉(zhuǎn)軸中心線的角度，其中調(diào)節(jié)單元包括:軌道，呈橢圓形，圍繞輸出軸且設(shè)置在支撐架 組件下部，滑塊，卡合在軌道內(nèi)且在軌道內(nèi)滑動，曲柄，曲柄的一端與于葉片底部轉(zhuǎn)軸相連， 另一端與滑塊相連，用于調(diào)整葉片與葉片底部轉(zhuǎn)軸的角度。
[0009] 在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:其中，軌道的橫 截面呈τ'字形。
[0010]另外，在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:其中，支 撐架組件包括一個與軌道平行的下支撐架，下支撐架與輸出軸通過卡合的方式固定連接。 [0011]另外，在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:其中，支 撐架組件還包括一個與下支撐架相對設(shè)置的上支撐架，上支撐架與輸出軸通過卡合的方式 固定連接。
[0012] 另外，在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:其中，葉 片為直葉片。
[0013] 另外，在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:葉片的橫 截面為對稱翼型。
[0014] 另外，在本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征:葉片的橫 截面為非對稱翼型。
[0015] 本實(shí)用新型提供了一種自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，具有:垂直 軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，具有輸出軸，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具有旋轉(zhuǎn)軸，與輸出軸連接，旋轉(zhuǎn)軸由垂直軸風(fēng) 力驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。
[0016] 其中，垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置為自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置。
[0017] 實(shí)用新型的作用與效果
[0018] 根據(jù)本實(shí)用新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)椴捎昧俗赃m應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動 裝置，在風(fēng)力驅(qū)動裝置的支撐架組件下部設(shè)置了調(diào)節(jié)單元，調(diào)節(jié)單元包括凹槽軌道，滑塊及 曲柄，滑塊在凹槽軌道內(nèi)滑動，通過凹槽的導(dǎo)向，帶動曲柄轉(zhuǎn)動，并由曲柄帶動葉片自動偏 轉(zhuǎn)一定角度，所以能主動改變?nèi)~片實(shí)際攻角，因此自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置具有 改善葉片失速特性，提高葉片氣動性能和風(fēng)能利用率的特性。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖；
[0020] 圖2是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置在實(shí)施例中的立體圖；
[0021] 圖3是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置在實(shí)施例中的正視圖；
[0022] 圖4是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置在實(shí)施例中的俯視圖；
[0023] 圖5為本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中，曲柄連接的局部放大圖；
[0024] 圖6為本實(shí)用新型軌道凹槽截面圖。
[0025] 圖7為本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中偏心軌跡計算示意圖；以及
[0026] 圖8為本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置中葉片的氣動性能示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以 下實(shí)施例結(jié)合附圖對本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置作具體闡述。
[0028]圖1是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的示意圖。
[0029] 如圖1所示，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)100具有：垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置10以及與垂直軸風(fēng) 力驅(qū)動裝置10連接的發(fā)電機(jī)20。
[0030]發(fā)電機(jī)20具有旋轉(zhuǎn)軸21。
[0031] 圖2是本實(shí)用新型涉及的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置在實(shí)施例中的立體圖。
[0032] 如圖2所示，垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置具有:旋轉(zhuǎn)單元11和調(diào)節(jié)單元12。
[0033]旋轉(zhuǎn)單元11包括輸出軸111、支撐架組件112、復(fù)數(shù)個葉片113、復(fù)數(shù)個頂部轉(zhuǎn)軸 114a、復(fù)數(shù)個底部轉(zhuǎn)軸114b、鍵115。
[0034]其中，輸出軸111，位于旋轉(zhuǎn)單元11的中心。
[0035]如圖1所示，輸出軸111與發(fā)電機(jī)20旋轉(zhuǎn)軸21相連。
[0036]如圖2所示，支撐架組件112固定在輸出軸111上，它包括上支撐架112a和下支撐架 112b〇
[0037]上支撐架112a和下支撐架112b呈輪輻形狀，分別與輸出軸111通過鍵115以卡合的 方式固定連接。
[0038]復(fù)數(shù)個葉片113,分別安裝在支撐架組件112的外緣上，葉片113為直葉片，其橫截 面為對稱翼型。
[0039] 頂部轉(zhuǎn)軸114a，固定安裝在葉片113的上部。
[0040] 底部轉(zhuǎn)軸114b。固定安裝在葉片113的下部，頂部轉(zhuǎn)軸114a中心線和底部轉(zhuǎn)軸114b 中心線重合，葉片113通過頂部轉(zhuǎn)軸114a和底部轉(zhuǎn)軸114b轉(zhuǎn)動，頂部轉(zhuǎn)軸114a和底部轉(zhuǎn)軸 114b中心線與輸出軸111中心線在一個平面上。
[00411 鍵115,分別位于輸出軸111與上支撐架112a和輸出軸111與下支撐架112b的結(jié)合 部，起連接作用。
[0042]調(diào)節(jié)單元12包括軌道凹槽121、復(fù)數(shù)個滑塊122、復(fù)數(shù)個曲柄123。
[0043]其中，軌道凹槽121，呈橢圓形，圍繞輸出軸111且設(shè)置在下支撐架112b下部。
[0044] 滑塊122,卡合在軌道121內(nèi)且在軌道121內(nèi)滑動。
[0045]如圖6所示，軌道凹槽內(nèi)邊緣有凸出，可防止滑塊122在垂直方向上的移動。
[0046]曲柄123,曲柄123的一端與葉片113底部轉(zhuǎn)軸114b固定相連，另一端與滑塊122相 連，用于調(diào)整葉片113與轉(zhuǎn)軸114b的角度。
[0047] 如圖5所示，由于曲柄123與滑塊122相連接，二者無相對平動自由度，曲柄123將繞 滑塊旋轉(zhuǎn)。
[0048] 作為一種變形，葉片113為直葉片，其橫截面為非對稱翼型。
[0049] 當(dāng)葉片113繞輸出軸111轉(zhuǎn)動任意角度后，曲柄123平動位移發(fā)生變化，將推動滑塊 122在凹槽121內(nèi)滑動。由于滑塊122的運(yùn)動軌跡受到凹槽121的約束，與曲柄123平動軌跡不 相符。因此，曲柄123受滑塊122的軌跡影響繞滑塊122頂部軸旋轉(zhuǎn)。
[0050] 以六葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)作為本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】的示意對象。當(dāng)來流風(fēng)從任 意方向吹來時，葉片113主體部件受到氣動力，推動葉片113順時針旋轉(zhuǎn)。由于底部轉(zhuǎn)軸114b 固定連接了曲柄123和葉片113,且底部轉(zhuǎn)軸114b與曲柄123之間無旋轉(zhuǎn)自由度。當(dāng)葉片113 受到氣動力作用順時針旋轉(zhuǎn)時，曲柄123受到底部轉(zhuǎn)軸114b傳遞的作用力將逆時針旋轉(zhuǎn)。下 支撐架112b的支架位于曲柄123和葉片113底部之間，被底部轉(zhuǎn)軸114b穿過。當(dāng)曲柄123逆時 針旋轉(zhuǎn)時，下支撐架112的支架無移動自動度，將推動下支撐架112b順時針旋轉(zhuǎn)。輸出軸111 被支撐架112推動順時針旋轉(zhuǎn)，從而可以帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0051 ]自適應(yīng)變槳的規(guī)律受到凹槽軌道121的軌跡、曲柄123長度以及下支撐架112b中心 至邊緣長度的影響?？赏ㄟ^數(shù)學(xué)計算，約束上述三個因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而確定葉片 113在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動的角度，以取得全局最優(yōu)動態(tài)氣動攻角。
[0052]
(1)
[0053] 式中：
[0054] β-槳距角（。）；
[0055] AC-橢圓軌道凹槽中心線到輸出軸中心線的直線距離(m);
[0056] AD-輸出軸中心線到葉片底部轉(zhuǎn)軸中心線的直線距離(m);
[0057] CD -曲柄與滑塊連接軸的中心線與葉片底部轉(zhuǎn)軸中心線的直線距離(m)。
[0058] 如圖7所示，A為輸出軸中心線上的點(diǎn);C為橢圓軌道凹槽中心線上的點(diǎn);D為葉片底 部轉(zhuǎn)軸中心線上的點(diǎn)。AC為橢圓軌道凹槽中心線到輸出軸中心線的直線距離;AD為輸出軸 中心線到葉片底部轉(zhuǎn)軸中心線的直線距離;CD為曲柄與滑塊連接軸的中心線與葉片底部轉(zhuǎn) 軸中心線的直線距離。
[0059]如圖8所示，L為葉片所受升力;D為葉片所受阻力;u為葉片線速度;v為風(fēng)速;w為相 對速度。
[0060] 實(shí)施例的作用與效果
[0061] 根據(jù)本實(shí)用新型的自適應(yīng)變槳的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，具有旋轉(zhuǎn)單元和調(diào)節(jié)單 元，因?yàn)樵谥渭芙M件下部設(shè)置了調(diào)節(jié)單元，當(dāng)葉片繞輸出軸轉(zhuǎn)動任意角度后，曲柄平動位 移發(fā)生變化，將推動滑塊在軌道凹槽內(nèi)滑動。由于滑塊的運(yùn)動軌跡受到凹槽的約束，與曲柄 平動軌跡不相符。因此，曲柄受滑塊的軌跡影響繞滑塊頂部軸旋轉(zhuǎn)，此時，曲柄將帶動葉片 繞底部轉(zhuǎn)軸中心線旋轉(zhuǎn)一定角度，從而改變氣動攻角，達(dá)到自適應(yīng)變槳的目的，改善了葉片 失速特性，提高了葉片氣動性能和風(fēng)能利用率。
[0062] 上述實(shí)施方式為本實(shí)用新型的優(yōu)選案例，并不用來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上用于帶動發(fā)電機(jī)的旋 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，其特征在于，具有： 旋轉(zhuǎn)單元，包括： 輸出軸，與所述旋轉(zhuǎn)軸連接， 支撐架組件，固定在所述輸出軸上，用于帶動所述輸出軸轉(zhuǎn)動， 復(fù)數(shù)個葉片，分別安裝在所述支撐架組件的外緣上，所述葉片的頂部和底部分別設(shè)置 有頂部轉(zhuǎn)軸和底部轉(zhuǎn)軸，所述頂部轉(zhuǎn)軸中屯、線和所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線重合，所述葉片通過 所述底部轉(zhuǎn)軸和所述頂部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線與所述輸出軸中屯、線在一個平面 上；W及 調(diào)節(jié)單元，設(shè)置在所述支撐架組件下部，用于調(diào)整所述葉片與所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線的 角度， 其中，所述調(diào)節(jié)單元包括： 軌道，呈楠圓形，圍繞所述輸出軸且設(shè)置在所述支撐架組件下部， 滑塊，卡合在所述軌道內(nèi)且在所述軌道內(nèi)滑動， 曲柄，所述曲柄的一端與所述底部轉(zhuǎn)軸相連，另一端與所述滑塊相連，用于調(diào)整所述葉 片與所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線的角度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，所述軌道的橫截面呈"C"字形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，所述支撐架組件包括一個與所述軌道平行的下支撐架，所述下支撐架與所述輸 出軸通過卡合的方式固定連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，所述支撐架組件還包括一個與所述下支撐架相對設(shè)置的上支撐架，所述上支撐 架與所述輸出軸通過卡合的方式固定連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，所述葉片為直葉片。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，所述葉片的橫截面為對稱翼型。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置，其特征在于： 其中，達(dá)到所述葉片最優(yōu)轉(zhuǎn)動角度時，所述軌道軌跡、所述曲柄長度W及所述下支撐架 中屯、至邊緣長度的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：β-獎距角η; AC-所述軌道凹槽中屯、線與所述輸出軸中屯、線的直線距離(m); AD-所述輸出軸中屯、線與所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線的直線距離(m); CD-所述曲柄與所述滑塊連接軸的中屯、線與所述底部轉(zhuǎn)軸中屯、線的直線距離(m)。8. -種自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括：自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力 驅(qū)動裝置，具有輸出軸； 發(fā)電機(jī)，具有旋轉(zhuǎn)軸，與所述輸出軸連接，所述旋轉(zhuǎn)軸由所述自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力 驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)而發(fā)電， 其中，所述自適應(yīng)變獎的垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置為權(quán)利要求1-7中所述的自適應(yīng)變獎的 垂直軸風(fēng)力驅(qū)動裝置。
【文檔編號】F03D7/06GK205578183SQ201620185361
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】張俊偉, 李春, 楊陽, 李洋, 袁全勇, 葉舟, 陽君, 孫瑞
【申請人】上海理工大學(xué)