一种垂直轴风力机偏航系统及其制作方法及具有其的风能船的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种垂直轴风力机偏航系统及其制作方法及具有其的风能船，通过设置桨叶(400)偏航系统，使桨叶(400)旋转到任何位置时都处于最佳迎角，升阻比最大，风能利用系数最高。
【专利说明】一种垂直轴风力机偏航系统及其制作方法及具有其的风能 船
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可再生能源利用【技术领域】内的风能利用装置领域，尤其涉及一种垂直 轴风力机偏航系统及其制作方法及具有其的风能船。
【背景技术】
[0002] 可再生能源的利用是当前国内外都十分重视的问题，而风能利用的主流产品就是 水平轴风力发电机组，目前已经做到数兆瓦。但由于这种风力机的结构存在先天性的弱点， 如风叶采用悬臂梁结构、风轮主轴承负荷不均衡等等，使进一步增大单机功率的技术难度 和研制成本都大大增高。至今难于接近10兆瓦级门槛。相比水平轴风力机，垂直轴风力机 的发展更缓慢。即使是业界认为最有可能与水平轴风力机竞争的达里厄式垂直轴风力机， 至今也未进入大规模应用。制约其发展的主要因素有 ：
[0003] 一·效率低。阻力型垂直轴风力机效率低下，没有竞争力。而升力型一般都采用 对称型风叶，其升阻比相对较低。经查询，目前国内外各种升力型垂直轴风力机的桨叶都不 具备自动偏航功能，其桨叶在旋转过程中，每一周只有两处才可达到升力最大。利用叶素理 论和矢量分析法将其升力分解后可知，能够利用来推动风轮旋转的，只有与风轮旋转圆面 相切的那一部分力。
[0004] 二.难以做大功率。以φ型达里厄风力机为例,欲做大功率,就要增大其风轮的 扫掠面积，必须增加中轴的长度。为了防止其细长的中轴在风中弯折，需要用数根缆绳将中 轴顶端的轴承座固定。这种结构限制了风轮的安装高度，使其只能在接近地面的高度运转。 而接近地面的风力一般较弱，湍流也较大，不利于风轮稳定高效地运行。为避免中轴折断， 目前，能上高杆的达里厄型风力机都是小功率产品。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种使桨叶在运行过程中始终保持最佳迎角、 提高风力机运行效率的垂直轴风力机偏航系统及其制作方法及具有其的风能船。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种垂直轴风力机偏航系 统，包括塔身，所述塔身内设有可自由转动的主轴，所述主轴外设有筒形的中柱体，所述中 柱体由立柱和横梁组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴固定连接；
[0007] 上下两组横梁或上下多组横梁上设有向外延伸的桨臂，桨叶与桨臂铰接；
[0008] 所述中主体上还设有偏航装置，所述偏航装置包括偏航导轨轮、偏航导臂和偏航 臂，所述偏航轮可转动地套装在所述主轴承座上，偏航导轨轮上设有导轨，所述偏航导臂一 端设有可在导轨内滚动的偏航轮，偏航导臂另一端与横梁铰接；所述偏航臂一端与桨臂铰 接，另一端与偏航导臂铰接。
[0009] 所述主轴可转动地安装在主轴承座上，所述主轴承座与塔身固定连接；所述偏航 轮可转动地套装在所述主轴承座上，所述偏航导轨轮上固定设有调向副齿轮，所述塔身上 设有传动轴，传动轴上设有与调向副齿轮相啮合的调向主齿轮，还设有驱动所述传动轴的 驱动机构。
[0010] 所述驱动机构为调向电机，所述调向电机通过调向蜗轮蜗杆与传动轴连接。
[0011] 所述驱动机构包括调向大齿轮和调向小齿轮，所述调向大齿轮可转动地安装在塔 身上，调向大齿轮上固定有风向标；所述调向小齿轮与调向大齿轮相啮合，调向小齿轮通过 调向蜗轮蜗杆与传动轴连接。
[0012] 所述驱动机构包括可转动地安装在塔身上的管形轴，所述管形轴上固定设有风向 标，管形轴上固定设有调向大齿轮，所述传动轴上设有调向小齿轮，所述调向大齿轮与调向 小齿轮相啮合。
[0013] 一种上述的垂直轴风力机偏航系统的制作方法，制作方法的核心是确定偏航导轨 轮的导轨轨迹，包括如下步骤：
[0014] 1)根据实际使用情况确定桨叶的最佳迎角a KM ;
[0015] 2)建立偏航机构模型，模拟中柱体旋转过程；
[0016] 3)桨叶旋转到一个位置时，调整桨叶角度，使其满足最佳迎角a KM的要求，根 据偏航臂、偏航导臂和横梁的相对位置，得出偏航导臂末端即偏航导轨轮的导轨该点的位 置；
[0017] 4)根据第3步确定偏航导轨轮的导轨的完整轨迹；
[0018] 5)根据第4步得出的偏航导轨轮的导轨的完整轨迹加工偏航导轨轮。
[0019] 一种风能船，包括船体，所述船体上具有上述的垂直轴风力机偏航系统。
[0020] 上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，桨叶在转动过程中， 在偏航导轨轮的导轨的作用下，偏航导臂驱动桨叶实时改变角度，满足在每个位置时，桨叶 都具有最佳迎角，升阻比最大，风能利用系数最高，提高风力机效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例中提供的垂直轴风力机偏航系统的结构示意图；
[0022] 图2为风轮转动时相对于桨叶的风速、风向变化示意图；
[0023] 图3为确定偏航导轨轮的轨迹的原理图；
[0024] 图4为图3的典型位置结构示意图；
[0025] 图5为图3的完整轨迹机构示意图；
[0026] 图6为图1垂直轴风力机偏航系统的剖视图；
[0027] 图7为实施例二的风向调整机构的结构示意图；
[0028] 图8为图7的剖视图；
[0029] 图9为实施例三的风向调整机构的结构示意图；
[0030] 图10为图9的局部放大图；
[0031] 图11为图9的局部放大图；
[0032] 图12为桨叶升力产生的作用力分析示意图；
[0033] 上述图中的标记均为：101、立柱，102、横梁，103、斜杆，104、桨臂，105、横担梁， 107、风轮轮毂，108、主轴，109、主轴承座，110、主轴承座载荷分担组件，111、载荷分担轴承， 202、桨臂与桨叶铰链机构，300、塔身，400、桨叶，501、偏航导轨轮，502、偏航轮，503、偏航导 臂，504、偏航臂，505、偏航导臂座，506、偏航臂滚轮，507、调向蜗轮蜗杆，508、调向主齿轮， 509、调向副齿轮，510、调向电机，511、调向大齿轮，512、调向小齿轮，513、调向大齿轮导向 轮，514、风向标，515、传动轴，516、管形轴，517、联轴器，605、偏航臂与桨叶铰链机构。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0035] 有关研究表明，垂直轴风力机的风能利用系数Cp与风轮的尖速比λ关系密切。对 某一种翼型的桨叶400,只有当尖速比λ达到某一定值λ μ时，其风轮的Cp值才能达到最 大。不同的翼型，其最大Cp值所对应的最佳尖速比λ Μ也是有差异的。根据Templin经验 公式，最佳尖速比λ μ与风轮旋转半径R、风轮叶片数B以及叶片弦长C的关系为：
[0036]
【权利要求】
1. 一种垂直轴风力机偏航系统，包括塔身（300)，所述塔身（300)内设有可自由转动的 主轴（108)，其特征在于，所述主轴（108)外设有筒形的中柱体，所述中柱体由立柱（101)和 横梁（102)组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴（108)固定连接； 上下两组横梁（102)或上下多组横梁（102)上设有向外延伸的桨臂（104)，桨叶（400) 与桨臂（104)铰接； 所述中主体上还设有偏航装置，所述偏航装置包括偏航导轨轮（501)、偏航导臂（503) 和偏航臂（504)，所述偏航轮（502)可转动地套装在所述主轴承座（109)上，偏航导轨轮 (501)上设有导轨，所述偏航导臂（503) -端设有可在导轨内滚动的偏航轮（502)，偏航导 臂（503)另一端与横梁（102)铰接；所述偏航臂（504) -端与桨臂（104)铰接，另一端与偏 航导臂（503)铰接。
2. 如权利要求1所述的垂直轴风力机偏航系统，其特征在于，所述主轴（108)可转动 地安装在主轴承座（109)上，所述主轴承座（109)与塔身（300)固定连接；所述偏航导轨轮 (501)上固定设有调向副齿轮（509)，所述塔身（300)上设有传动轴（515)，传动轴（515)上 设有与调向副齿轮（509)相啮合的调向主齿轮（508)，还设有驱动所述传动轴（515)的驱动 机构。
3. 如权利要求2所述的垂直轴风力机偏航系统，其特征在于，所述驱动机构为调向电 机（510)，所述调向电机（510)通过调向蜗轮蜗杆（507)与传动轴（515)连接。
4. 如权利要求2所述的垂直轴风力机偏航系统，其特征在于，所述驱动机构包括调向 大齿轮（511)和调向小齿轮（512)，所述调向大齿轮（511)可转动地安装在塔身（300)上， 调向大齿轮（511)上固定有风向标（514);所述调向小齿轮（512)与调向大齿轮（511)相 啮合，调向小齿轮（512)通过调向蜗轮蜗杆（507)与传动轴（515)连接。
5. 如权利要求2所述的垂直轴风力机偏航系统，其特征在于，所述驱动机构包括可转 动地安装在塔身（300)上的管形轴（516)，所述管形轴（516)上固定设有风向标（514)，管 形轴（516)上固定设有调向大齿轮（511)，所述传动轴（515)上设有调向小齿轮（512)，所 述调向大齿轮（511)与调向小齿轮（512)相啮合。
6. -种如权利要求1-5任一所述的垂直轴风力机偏航系统的制作方法，其特征在于， 制作方法的核心是确定偏航导轨轮（501)的导轨轨迹，包括如下步骤： 1) 根据实际使用情况确定桨叶（400)的最佳迎角a KM; 2) 建立偏航机构模型，模拟中柱体旋转过程； 3) 桨叶（400)旋转到一个位置时，调整桨叶（400)角度，使其满足最佳迎角a "的要 求，根据偏航臂（504)、偏航导臂（503)和横梁（102)的相对位置，得出偏航导臂（503)末端 即偏航导轨轮（501)的导轨该点的位置； 4) 根据第3步确定偏航导轨轮（501)的导轨的完整轨迹； 5) 根据第4步得出的偏航导轨轮（501)的导轨的完整轨迹加工偏航导轨轮（501)。
7. -种风能船，其特征在于，包括船体，所述船体上具有如权利要求1-5所述的垂直轴 风力机偏航系统。
【文档编号】F03D7/06GK104343633SQ201410523201
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】莫海路, 莫鲁路, 莫安路, 莫蓉 申请人:莫海路