CN112128058A - 一种高效稳定的变倾角h型垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，尤其是一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机，属于风力发电技术领域。本发明通过设计带配重球的阻力型支撑杆提升了垂直轴风力发电机的自启动性能和转速稳定性。本发明通过设计叶片变倾角装置，能够针对不同的叶尖速比实时改变叶片倾角，改善了风力发电机叶片在高度方向上载荷不均匀的情况，从而极大减小了风剪效应的影响。本发明通过设计并在叶片上加装开裂襟翼来进行局部流动控制，能够显著提高风能利用率。本发明选用三叶片的风力发电机结构，从而使主轴振动幅度的影响最小，最大程度地降低主轴偏振效应。

Description

一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，尤其是一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机，属于风力发电技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源问题越来越成为人们关注的话题，风能作为一种清洁能源被社会重视并不断开发，而且风能作为一种可再生能源，具有储量大、分布范围广、无污染等优点。风力发电机作为获取风能的重要装置，按转轴的相对位置可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。相比于水平轴风发电力机，垂直轴风力发电机具有理论最大风能利用率高、受风多向性，无需对风、受力恒定性，寿命长，易于大型化、发电装置在地面，便于维护等优点，因此具有很大的发展潜力。

现有技术中大尺寸H型垂直轴风力发电机的常见结构如图1所示，包括底座100、与底座100连接的主轴200以及叶片500，主轴200自下而上安装有下支撑盘300、上支撑盘700，下支撑盘300、上支撑盘700分别通过下支撑杆400、上支撑杆600与叶片500连接，由于大尺寸H型垂直轴风力发电机的叶片尺寸较大，作为风力发电机的主要受力部件，当叶片长度过长时，风力发电机存在自启动性能比较差、转速不稳定、风剪效应显著、风能利用率低的缺点。因此，如何提供一种自启动性能好、转速稳定、风剪效应小、风能利用率高的大型高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供所解决的技术问题是：提供一种自启动性能好、转速稳定、风剪效应小、风能利用率高的大型高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机。其采用的技术方案如下：

本发明提供一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机，包括固定于地面的底座，所述底座上端依次固定连接电刷滑环支架轴以及发电电机支架，在所述电刷滑环支架轴外部固定连接有电刷滑环，所述发电电机支架与发电电机的定子部分固定连接，所述发电电机的转子部分与下支撑盘固定连接，所述下支撑盘周向连接有三个呈120°分布的带配重球的阻力型支撑杆，所述带配重球的阻力型支撑杆的另一端通过转轴铰链与固定设置于叶片下部的转轴铰链套连接，所述下支撑盘上端依次固定连接有主轴管体、电机支架管体以及电机支架上法兰，所述电机支架管体内设置有步进电机，所述步进电机固定安装于电机支架上法兰下表面且其输出轴伸出所述电机支架上法兰，所述步进电机输出轴外部套装有轴承，所述轴承固定设置于电机支架上法兰顶部凹槽中，所述轴承上端设置有轴承支柱，所述轴承支柱内孔下端与所述步进电机输出轴固定连接，上端与上支撑盘固定连接，所述上支撑盘周向安装有三个呈120°分布的上支撑盘支柱，所述每个上支撑盘支柱上安装有上支撑杆，所述上支撑杆的另一端通过球铰链与固定设置于叶片上部的球铰接套连接，所述叶片上固定设置有与其高度相等的开裂襟翼。

优选的，所述底座与所述电刷滑环支架轴之间、所述电刷滑环支架轴与所述发电电机支架之间分别通过法兰盘连接，所述电刷滑环通过螺栓固定安装在电刷滑环支架轴上，所述发电电机的转子部分与下支撑盘通过法兰盘连接，所述主轴管体与所述下支撑盘之间、所述电机支架管体与主轴管体之间分别通过法兰盘连接，所述轴承支柱顶部通过法兰盘与上支撑盘连接。

优选的，所述带配重球的阻力型支撑杆包括支撑杆主体，所述支撑杆主体为倾斜角度为10°的斜杆且靠近叶片的一端高、远离叶片的一端低，所述支撑杆主体上端开设有配重球容置槽，所述配重球容置槽内放置有多个配重球，所述配重球容置槽上方固定安装有挡板，所述支撑杆主体一侧面固定设置有横截面为V形的阻力片，所述阻力片的凸部工作在逆风区正对来流方向，用于减小这一侧的阻力系数，使这一侧所受的风阻力小于另一侧。所述转轴铰链包括转轴铰链主体，所述转轴铰链主体开设有第一连接槽，所述转轴铰链套开设有多个第一连接孔，所述转轴铰链套悬臂端插入第一连接槽内并通过第一连接螺栓锁紧固定，所述支撑杆主体通过转动接头与所述转轴铰链主体连接在一起。

优选的，所述上支撑杆靠近叶片的一端开设有卡槽，所述球铰链包括连接头、球头挡板、球座以及球铰链主体，所述球铰链主体左端开设有凹槽，所述凹槽内设置有球座，所述球座左端固定设置有球头挡板，所述连接头左端固定安装在所述卡槽内，右端穿过球头挡板中心孔后转动安装在所述球座内，所述连接头包括一体成型的直杆段、锥形段以及球头，所述直杆段固定安装在卡槽内，所述球头与球座之间构成球铰接触，所述球铰链主体右端开设有第二连接槽，所述球铰接套开设有多个第二连接孔，所述球铰接套悬臂端插入第二连接槽内并通过第二连接螺栓锁紧固定。

优选的，所述叶片靠近尾缘的一侧面固定设置有开裂襟翼，所述开裂襟翼与叶片等高，且开裂襟翼长度为22％c、布置位置92％c、偏转角为10°，其中，c为叶片的弦长。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过设计带配重球的阻力型支撑杆提升了垂直轴风力发电机的自启动性能和转速稳定性。

2、本发明通过设计叶片变倾角装置，能够针对不同的叶尖速比实时改变叶片倾角，改善了风力发电机叶片在高度方向上载荷不均匀的情况，从而极大减小了风剪效应的影响。

3、本发明通过设计并在叶片上加装开裂襟翼来进行局部流动控制，能够显著提高风能利用率。

4、本发明选用三叶片的风力发电机结构，从而使主轴振动幅度的影响最小，最大程度地降低主轴偏振效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：现有技术中大尺寸H型垂直轴风力发电机的结构示意图；

图2：本发明的整体结构示意图；

图3：本发明图2的主视图；

图4：本发明图2的剖视图；

图5：本发明另一视角的结构示意图；

图6：本发明的局部放大图；

图7：本发明图6的剖视图；

图8：本发明叶片的端面图；

图9：本发明图8的局部放大图；

图10：本发明开裂襟翼安装前后Cp-TSR曲线图；

图11：本发明叶片数量对主轴合成力大小影响的曲线图。

符号说明：

1、底座，2、电刷滑环支架轴，3、电刷滑环，4、发电电机支架，5、发电电机，6、下支撑盘，7、带配重球的阻力型支撑杆，8、转轴铰链套，9、转轴铰链，10、主轴管体，11、电机支架管体，12、步进电机，13、电机支架上法兰，14、轴承，15、轴承支柱，16、上支撑盘，17、球铰接套，18、球铰链，19、上支撑盘支柱，20、上支撑杆，21、叶片，22、开裂襟翼，23、配重球，24、阻力片，25、挡板，26、支撑杆主体，27、转动接头，28、转轴铰链主体，29、第一连接槽，30、第一连接螺栓，31、第一连接孔，32、卡槽，33、连接头，34、球头挡板，35、球座，36、球铰链主体，37、第二连接槽，38、第二连接螺栓，39、第二连接孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图2-图5所示，本发明实施例的一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机，包括固定于地面的底座1，底座1上端依次固定连接电刷滑环支架轴2以及发电电机支架4，在电刷滑环支架轴2外部固定连接有电刷滑环3，发电电机支架4与发电电机5的定子部分固定连接，发电电机5的转子部分与下支撑盘6固定连接，下支撑盘6周向连接有三个呈120°分布的带配重球的阻力型支撑杆7，带配重球的阻力型支撑杆7的另一端通过转轴铰链9与固定设置于叶片21下部的转轴铰链套8连接，下支撑盘6上端依次固定连接有主轴管体10、电机支架管体11以及电机支架上法兰13，电机支架管体11内设置有步进电机12，步进电机12固定安装于电机支架上法兰13下表面且其输出轴伸出电机支架上法兰13，步进电机12输出轴外部套装有轴承14，轴承14固定设置于电机支架上法兰13顶部凹槽中，轴承14上端设置有轴承支柱15，轴承支柱15内孔下端与步进电机12输出轴固定连接，上端与上支撑盘16固定连接，上支撑盘16周向安装有三个呈120°分布的上支撑盘支柱19，每个上支撑盘支柱19上安装有上支撑杆20，上支撑杆20的另一端通过球铰链18与固定设置于叶片21上部的球铰接套17连接，叶片21上固定设置有与其高度相等的开裂襟翼22。

具体的，底座1与电刷滑环支架轴2之间、电刷滑环支架轴2与发电电机支架4之间分别通过法兰盘连接，电刷滑环3通过螺栓固定安装在电刷滑环支架轴2上，发电电机5的转子部分与下支撑盘6通过法兰盘连接，主轴管体10与下支撑盘6之间、电机支架管体11与主轴管体10之间分别通过法兰盘连接，轴承支柱15顶部通过法兰盘与上支撑盘16连接。

如图6、图7所示，带配重球的阻力型支撑杆7包括支撑杆主体26，支撑杆主体26为倾斜角度为10°的斜杆且靠近叶片21的一端高、远离叶片21的一端低，支撑杆主体26上端开设有配重球容置槽，配重球容置槽内放置有多个配重球23，配重球容置槽上方固定安装有挡板25，支撑杆主体26一侧面固定设置有横截面为V形的阻力片24，阻力片24的凸部工作在逆风区正对来流方向，用于减小这一侧的阻力系数，使这一侧所受的风阻力小于另一侧。转轴铰链9包括转轴铰链主体28，转轴铰链主体28开设有第一连接槽29，转轴铰链套8开设有多个第一连接孔31，转轴铰链套8悬臂端插入第一连接槽29内并通过第一连接螺栓30锁紧固定，支撑杆主体26通过转动接头27与转轴铰链主体28连接在一起。

具体的，带配重球的阻力型支撑杆7由配重球23、阻力片24、挡板25、支撑杆主体26组成。其中，支撑杆主体26上开设有用于安装配重球23的配重球容置槽，其上方固定设置有一块用于防止配重球23脱离配重球容置槽的挡板25。配重球23作用是改变风力发电机的转动惯量，由于转动惯量影响风力发电机的自启动性能，因此将支撑杆主体26设计为具有10°的倾斜角度。通过如此设置使得风力发电机在静止时，风力发电机静止时，放在配重球容置槽内的配重球23受到自身重力因素处于靠近主轴管体10的位置，此时整个风力发电机的转动惯量最小，自启动性能最佳。当来流风吹向风力发电机时，风力发电机启动，配重球23沿配重球容置槽向外滚动，在风力发电机工作过程风速产生波动时，配重球23此时已经远离主轴管体10，使得风力发电机整体的转动惯量增加，其转速波动明显小于不加配重球23的风力发电机。由于当风力发电机稳定运行时，转速的稳定性也会影响风力发电的质量，稳定转速能使得风力机功率稳定输出。故本发明通过采用并合理设计带配重球的阻力型支撑杆的结构来提升风力机自启动性能和转速稳定性。

此外，通过在支撑杆主体26一侧面安装阻力片24且阻力片24的凸部在逆风区正对来流方向，作用是减小带配重球的阻力型支撑杆7这一侧的阻力系数，使这一侧所受的风阻力小于另一侧。在旋转过程中，带配重球的阻力型支撑杆7在顺风区时阻力系数大，所受的阻力要大于在其在逆风区所受的阻力，其合成的转矩方向与风力发电机的旋转方向相同，进一步提升了风力发电机的自启动性能。

如图6-图7所示，上支撑杆20靠近叶片21的一端开设有卡槽32，球铰链18包括连接头33、球头挡板34、球座35以及球铰链主体36，球铰链主体36左端开设有凹槽，凹槽内设置有球座35，球座35左端固定设置有球头挡板34，连接头33左端固定安装在卡槽32内，右端穿过球头挡板34中心孔后转动安装在球座35内，连接头33包括一体成型的直杆段、锥形段以及球头，直杆段固定安装在卡槽32内，球头与球座35之间构成球铰接触，球铰链主体36右端开设有第二连接槽37，球铰接套17开设有多个第二连接孔39，球铰接套17悬臂端插入第二连接槽37内并通过第二连接螺栓38锁紧固定。

本发明的叶片变倾角装置包括下支撑盘6、带配重球的阻力型支撑杆7、转轴铰链套8、转轴铰链9、主轴管体10、电机支架管体11、步进电机12、电机支架上法兰13、轴承14、轴承支柱15、上支撑盘16、球铰接套17、球铰链18、上支撑盘支柱19、上支撑杆20、叶片21，本发明为保证垂直轴风力机在整周旋转过程中倾角能够按照一定规律变化且能满足结构紧凑、传动可靠等要求，采用上述变倾角装置实现调节倾角的目的。具体的，步进电机12输出轴转动带动轴承支柱15、上支撑盘16、上支撑杆20同步转动，通过球铰链18带动球铰接套17以及与球铰接套17固定连接的叶片21转动，从而改变倾角。由于叶片21下端固定设置的转轴铰链套8通过转轴铰链9与带配重球的阻力型支撑杆7活动连接，带配重球的阻力型支撑杆7与下支撑盘6固定连接，因此叶片21上部倾角改变时下方叶片也会发生适应性改变。本发明通过设计上述的叶片变倾角装置使得叶片21上下载荷差就减小，有效降低叶片21会因上下载荷不平衡而产生的振动，提高叶片21的使用寿命，从而达到减小风剪效应影响的目的。

需要说明的是，因为自然界的风速是不均匀的(对风速沿高度的分布用指数律公式表示为：

式中，V_s为离地高度Z处的平均风速，单位m/s；V₀为离地参考高度Z₀处的平均风速，单位m/s；

为风速廓线指数，这会导致叶片上部和下部受到的风速不同，此时通过叶片底部和顶部的风速传感器来检测风速差，将这个风速差值信号传给单片机计算、处理，最后通过单片机发出控制信号来控制步进电机旋转角度，从而实现风力发电机的变倾角功能。

如图8-图10所示，叶片21靠近尾缘的一侧面固定设置有开裂襟翼22，开裂襟翼与叶片21等高，且开裂襟翼长度为22％c、布置位置92％c、偏转角为10°，其中，c为叶片21的弦长。

具体的，对比不同襟翼参数下垂直轴风力发电机Cp-TSR曲线，以最大风能利用率Cpmax、风力机高效运行区范围Δλ、启动力矩M为研究目标，得到了本发明研究工况下最佳的尾缘开裂襟翼22设计参数：襟翼长度22％c、布置位置92％c、偏转角10°，如图8、图9所示。加装开裂襟翼22的垂直轴风力发电机与3.5kW原型风力发电机的Cp-TSR曲线图，如图10所示。由该图可以看出，加装开裂襟翼22后，垂直轴风力发电机的整体性能都有了很大提升。示例的，加装开裂襟翼22后的Cpmax值相比原型提高约9.8％，Δλ范围扩大约65％。尤其是TSR>1.5的高叶尖速比部分，开裂襟翼22使风力机性能提升显著。

由于垂直轴风力发电机在旋转过程中，上风区叶片21对下风区流场的干扰，使下风区流场出现紊乱，进而导致了垂直轴风力发电机的整体性能下降，尤其是风能利用率降低，本发明通过对垂直轴风力发电机加装开裂襟翼22来进行局部流动控制并能显著提高风能利用率。

除此之外，叶片21所受的气动力载荷通过支撑杆传递到主轴时，会造成主轴的受力不平衡，引起主轴振动，本发明采用三叶片的风力发电机构型使主轴振动幅度的影响最小。具体的，由于叶片21数量必须为一个整数，因此通过比对实际风力发电机常见叶片21数量的标准差值，以此分析叶片21数量对主轴偏振的影响。分别计算当叶片数量为2、3、4、5时，垂直轴风力发电机旋转一周主轴合成力的变化，结果，如图11所示。可以看到，当叶片数为3时，主轴合成力大小幅度变化最小。对于主轴振动力变化幅度大小，可以用标准差S(是各数据偏离平均数的距离的平均数，标准差能反映一个数据集的离散程度.)来衡量,S值越大，振动力波动越大，主轴振动幅度越大；S值越小，振动力波动越小，主轴振动幅度越小。分别计算各叶片数对应的衡量主轴合成力大小震荡幅度的标准差S值，如表1所示，当叶片数为3时，S最小，与其他数量的叶片作对比，主轴振幅最大降低了72.2％。因此，本发明风力发电机的叶片数选为3片，使得主轴振幅最小。

表1不同叶片数量对应的振幅

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种高效稳定的变倾角H型垂直轴风力发电机，包括固定于地面的底座，其特征在于：所述底座上端依次固定连接电刷滑环支架轴以及发电电机支架，在所述电刷滑环支架轴外部固定连接有电刷滑环，所述发电电机支架与发电电机的定子部分固定连接，所述发电电机的转子部分与下支撑盘固定连接，所述下支撑盘周向连接有三个呈120°分布的带配重球的阻力型支撑杆，所述带配重球的阻力型支撑杆的另一端通过转轴铰链与固定设置于叶片下部的转轴铰链套连接。所述下支撑盘上端依次固定连接有主轴管体、电机支架管体以及电机支架上法兰，所述电机支架管体内设置有步进电机，所述步进电机固定安装于电机支架上法兰下表面且其输出轴伸出所述电机支架上法兰，所述步进电机输出轴外部套装有轴承，所述轴承固定设置于电机支架上法兰顶部凹槽中，所述轴承上端设置有轴承支柱，所述轴承支柱内孔下端与所述步进电机输出轴固定连接，上端与上支撑盘固定连接，所述上支撑盘周向安装有三个呈120°分布的上支撑盘支柱，所述每个上支撑盘支柱上安装有上支撑杆，所述上支撑杆的另一端通过球铰链与固定设置于叶片上部的球铰接套连接，所述叶片上固定设置有与其高度相等的开裂襟翼。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述底座与所述电刷滑环支架轴之间、所述电刷滑环支架轴与所述发电电机支架之间分别通过法兰盘连接，所述电刷滑环通过螺栓固定安装在电刷滑环支架轴上，所述发电电机的转子部分与下支撑盘通过法兰盘连接，所述主轴管体与所述下支撑盘之间、所述电机支架管体与主轴管体之间分别通过法兰盘连接，所述轴承支柱顶部通过法兰盘与上支撑盘连接。

3.根据权利要求1和2所述的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述带配重球的阻力型支撑杆包括支撑杆主体，所述支撑杆主体为倾斜角度为10°的斜杆且靠近叶片的一端高、远离叶片的一端低，所述支撑杆主体上端开设有配重球容置槽，所述配重球容置槽内放置有多个配重球，所述配重球容置槽上方固定安装有挡板，所述支撑杆主体一侧面固定设置有横截面为V形的阻力片，所述阻力片的凸部工作在逆风区正对来流方向，用于减小这一侧的阻力系数，使这一侧所受的风阻力小于另一侧。所述转轴铰链包括转轴铰链主体，所述转轴铰链主体开设有第一连接槽，所述转轴铰链套开设有多个第一连接孔，所述转轴铰链套悬臂端插入第一连接槽内并通过第一连接螺栓锁紧固定，所述支撑杆主体通过转动接头与所述转轴铰链主体连接在一起。

4.根据权利要求1和3所述的垂直轴风利发电机，其特征在于：所述上支撑杆靠近叶片的一端开设有卡槽，所述球铰链包括连接头、球头挡板、球座以及球铰链主体，所述球铰链主体左端开设有凹槽，所述凹槽内设置有球座，所述球座左端固定设置有球头挡板，所述连接头左端固定安装在所述卡槽内，右端穿过球头挡板中心孔后转动安装在所述球座内，所述连接头包括一体成型的直杆段、锥形段以及球头。所述直杆段固定安装在卡槽内，所述球头与球座之间构成球铰接触，所述球铰链主体右端开设有第二连接槽，所述球铰接套开设有多个第二连接孔，所述球铰接套悬臂端插入第二连接槽内并通过第二连接螺栓锁紧固定。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风利发电机，其特征在于：所述叶片靠近尾缘的一侧面固定设置有开裂襟翼，所述开裂襟翼与叶片等高，且开裂襟翼长度为22％c、布置位置92％c、偏转角为10°，其中，c为所述叶片的弦长。

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