一种自适应变桨的垂直轴风力驱动装置及风力发电机的制作方法
【专利摘要】根据本实用新型提供的一种自适应变桨的垂直轴风力驱动装置及风力发电机，自适应变桨的垂直轴风力驱动装置安装在风力发电机上用于带动发电机的旋转轴旋转而发电，其特征在于，具有旋转单元，包括输出轴，与旋转轴连接，支撑架组件，固定在输出轴上，用于带动输出轴转动，复数个叶片，分别安装在支撑架组件的外缘上；以及调节单元，调节单元设置在旋转单元的支撑架组件下部，包括凹槽轨道，滑块及曲柄，滑块在凹槽轨道内滑动，通过凹槽的导向，带动曲柄转动，并由曲柄带动叶片自动偏转一定角度，从而能主动改变叶片实际攻角。因此自适应变桨的垂直轴风力驱动装置具有改善叶片失速特性，提高叶片气动性能和风能利用率的特性。
【专利说明】
一种自适应变桨的垂直轴风力驱动装置及风力发电机
技术领域
[0001]本实用新型属于风力发电领域，涉及一种自适应变桨的垂直轴风力驱动装置。
【背景技术】
[0002] 中国风能资源丰富，大力发展风力发电对调整能源结构、保障能源安全、应对气候 变化及促进经济社会可持续发展具有重要意义，其中风力机作为风力发电的关键设备对于 我国风电发展起着极其重要作用。然而，垂直轴风力机攻角成周期性变化的特点使得叶片 动态失速特性明显，风力机气动性能受到影响，结构稳定性及获能效率有待提尚。
[0003] 当风力机叶片旋转时，叶片实际攻角发生变化。当叶片攻角为负攻角时，叶片产生 转矩方向与旋转方向相反；当叶片的攻角增大至失速攻角时，气体不再附着于叶片表面流 过，将在叶片吸力面发生流动分离，并在吸力面的尾缘出现涡流区，即所谓"失速"现象。风 力机处在失速状态时，不仅降低叶片气动效率、影响风力机能量捕捉，而且噪音会突然增 大，并引起风力机叶片的振动及运行不稳定等现象。因此尽可能地改善风力机叶片失速特 性、增大风力机做功范围以提高风力机运行效率具有重要的社会意义和经济意义。
[0004] 经检索，目前主要采用被动控制方式改善风力机叶片失速特性。如"一种带有失 速调节的风力发电机组"（公开号：CN 203476605U)，通过调节叶片轴线与安装板的摆动轴 线，使其在迎风一侧保证成锐角来达到调节失速的目的，气动性能无法保证。
[0005] 随着风力机逐渐呈现大型化、大容量发展趋势、失速被动控制所需成本不断增高。 采用自适应的方式，基于失速的产生原理和导致风力机运行不稳定等原因，采取相应设计 改善风力机的失速特性及稳定性对于风力机失速调节和稳定高效运行显得至关重要。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种自适应变桨的垂直 轴风力发电机，以解决垂直轴风力机气动效率低和自启性差等问题。
[0007] 本实用新型为达到以上目的，采用了如下技术方案：
[0008] 本实用新型提供了一种自适应变桨的垂直轴风力驱动装置，安装在风力发电机上 用于带动发电机的旋转轴旋转而发电，其特征在于，具有:旋转单元，包括:输出轴，与旋转 轴连接;支撑架组件，固定在输出轴上，用于带动输出轴转动，复数个叶片，分别安装在支撑 架组件的外缘上，叶片的顶部和底部分别设置有顶部转轴和底部转轴，顶部转轴中心线和 底部转轴中心线重合，叶片通过顶部转轴和底部转轴转动，顶部转轴和底部转轴中心线与 输出轴中心线在一个平面上；以及调节单元，设置在支撑架组件下部，用于调整叶片与叶片 底部转轴中心线的角度，其中调节单元包括:轨道，呈椭圆形，围绕输出轴且设置在支撑架 组件下部，滑块，卡合在轨道内且在轨道内滑动，曲柄，曲柄的一端与于叶片底部转轴相连， 另一端与滑块相连，用于调整叶片与叶片底部转轴的角度。
[0009] 在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:其中，轨道的横 截面呈τ'字形。
[0010]另外，在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:其中，支 撑架组件包括一个与轨道平行的下支撑架，下支撑架与输出轴通过卡合的方式固定连接。 [0011]另外，在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:其中，支 撑架组件还包括一个与下支撑架相对设置的上支撑架，上支撑架与输出轴通过卡合的方式 固定连接。
[0012] 另外，在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:其中，叶 片为直叶片。
[0013] 另外，在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:叶片的横 截面为对称翼型。
[0014] 另外，在本实用新型的垂直轴风力驱动装置中，还可以具有这样的特征:叶片的横 截面为非对称翼型。
[0015] 本实用新型提供了一种自适应变桨的垂直轴风力发电机，其特征在于，具有:垂直 轴风力驱动装置，具有输出轴，风力发电机，具有旋转轴，与输出轴连接，旋转轴由垂直轴风 力驱动装置带动旋转而发电。
[0016] 其中，垂直轴风力驱动装置为自适应变桨的垂直轴风力驱动装置。
[0017] 实用新型的作用与效果
[0018] 根据本实用新型的垂直轴风力发电机，因为采用了自适应变桨的垂直轴风力驱动 装置，在风力驱动装置的支撑架组件下部设置了调节单元，调节单元包括凹槽轨道，滑块及 曲柄，滑块在凹槽轨道内滑动，通过凹槽的导向，带动曲柄转动，并由曲柄带动叶片自动偏 转一定角度，所以能主动改变叶片实际攻角，因此自适应变桨的垂直轴风力驱动装置具有 改善叶片失速特性，提高叶片气动性能和风能利用率的特性。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型涉及的垂直轴风力发电机的示意图；
[0020] 图2是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置在实施例中的立体图；
[0021] 图3是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置在实施例中的正视图；
[0022] 图4是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置在实施例中的俯视图；
[0023] 图5为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中，曲柄连接的局部放大图；
[0024] 图6为本实用新型轨道凹槽截面图。
[0025] 图7为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中偏心轨迹计算示意图；以及
[0026] 图8为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中叶片的气动性能示意图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以 下实施例结合附图对本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置作具体阐述。
[0028]图1是本实用新型涉及的垂直轴风力发电机的示意图。
[0029] 如图1所示，垂直轴风力发电机100具有：垂直轴风力驱动装置10以及与垂直轴风 力驱动装置10连接的发电机20。
[0030]发电机20具有旋转轴21。
[0031] 图2是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置在实施例中的立体图。
[0032] 如图2所示，垂直轴风力驱动装置具有:旋转单元11和调节单元12。
[0033]旋转单元11包括输出轴111、支撑架组件112、复数个叶片113、复数个顶部转轴 114a、复数个底部转轴114b、键115。
[0034]其中，输出轴111，位于旋转单元11的中心。
[0035]如图1所示，输出轴111与发电机20旋转轴21相连。
[0036]如图2所示，支撑架组件112固定在输出轴111上，它包括上支撑架112a和下支撑架 112b〇
[0037]上支撑架112a和下支撑架112b呈轮辐形状，分别与输出轴111通过键115以卡合的 方式固定连接。
[0038]复数个叶片113,分别安装在支撑架组件112的外缘上，叶片113为直叶片，其横截 面为对称翼型。
[0039] 顶部转轴114a，固定安装在叶片113的上部。
[0040] 底部转轴114b。固定安装在叶片113的下部，顶部转轴114a中心线和底部转轴114b 中心线重合，叶片113通过顶部转轴114a和底部转轴114b转动，顶部转轴114a和底部转轴 114b中心线与输出轴111中心线在一个平面上。
[00411 键115,分别位于输出轴111与上支撑架112a和输出轴111与下支撑架112b的结合 部，起连接作用。
[0042]调节单元12包括轨道凹槽121、复数个滑块122、复数个曲柄123。
[0043]其中，轨道凹槽121，呈椭圆形，围绕输出轴111且设置在下支撑架112b下部。
[0044] 滑块122,卡合在轨道121内且在轨道121内滑动。
[0045]如图6所示，轨道凹槽内边缘有凸出，可防止滑块122在垂直方向上的移动。
[0046]曲柄123,曲柄123的一端与叶片113底部转轴114b固定相连，另一端与滑块122相 连，用于调整叶片113与转轴114b的角度。
[0047] 如图5所示，由于曲柄123与滑块122相连接，二者无相对平动自由度，曲柄123将绕 滑块旋转。
[0048] 作为一种变形，叶片113为直叶片，其横截面为非对称翼型。
[0049] 当叶片113绕输出轴111转动任意角度后，曲柄123平动位移发生变化，将推动滑块 122在凹槽121内滑动。由于滑块122的运动轨迹受到凹槽121的约束，与曲柄123平动轨迹不 相符。因此，曲柄123受滑块122的轨迹影响绕滑块122顶部轴旋转。
[0050] 以六叶片垂直轴风力机作为本实用新型【具体实施方式】的示意对象。当来流风从任 意方向吹来时，叶片113主体部件受到气动力，推动叶片113顺时针旋转。由于底部转轴114b 固定连接了曲柄123和叶片113,且底部转轴114b与曲柄123之间无旋转自由度。当叶片113 受到气动力作用顺时针旋转时，曲柄123受到底部转轴114b传递的作用力将逆时针旋转。下 支撑架112b的支架位于曲柄123和叶片113底部之间，被底部转轴114b穿过。当曲柄123逆时 针旋转时，下支撑架112的支架无移动自动度，将推动下支撑架112b顺时针旋转。输出轴111 被支撑架112推动顺时针旋转，从而可以带动发电机发电。
[0051 ]自适应变桨的规律受到凹槽轨道121的轨迹、曲柄123长度以及下支撑架112b中心 至边缘长度的影响。可通过数学计算，约束上述三个因素之间的数学关系，从而确定叶片 113在旋转过程中转动的角度，以取得全局最优动态气动攻角。
[0052]
(1)
[0053] 式中：
[0054] β-桨距角（。）；
[0055] AC-椭圆轨道凹槽中心线到输出轴中心线的直线距离(m);
[0056] AD-输出轴中心线到叶片底部转轴中心线的直线距离(m);
[0057] CD -曲柄与滑块连接轴的中心线与叶片底部转轴中心线的直线距离(m)。
[0058] 如图7所示，A为输出轴中心线上的点;C为椭圆轨道凹槽中心线上的点;D为叶片底 部转轴中心线上的点。AC为椭圆轨道凹槽中心线到输出轴中心线的直线距离;AD为输出轴 中心线到叶片底部转轴中心线的直线距离;CD为曲柄与滑块连接轴的中心线与叶片底部转 轴中心线的直线距离。
[0059]如图8所示，L为叶片所受升力;D为叶片所受阻力;u为叶片线速度;v为风速;w为相 对速度。
[0060] 实施例的作用与效果
[0061] 根据本实用新型的自适应变桨的垂直轴风力驱动装置，具有旋转单元和调节单 元，因为在支撑架组件下部设置了调节单元，当叶片绕输出轴转动任意角度后，曲柄平动位 移发生变化，将推动滑块在轨道凹槽内滑动。由于滑块的运动轨迹受到凹槽的约束，与曲柄 平动轨迹不相符。因此，曲柄受滑块的轨迹影响绕滑块顶部轴旋转，此时，曲柄将带动叶片 绕底部转轴中心线旋转一定角度，从而改变气动攻角，达到自适应变桨的目的，改善了叶片 失速特性，提高了叶片气动性能和风能利用率。
[0062] 上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，安装在风力发电机上用于带动发电机的旋 转轴旋转而发电，其特征在于，具有： 旋转单元，包括： 输出轴，与所述旋转轴连接， 支撑架组件，固定在所述输出轴上，用于带动所述输出轴转动， 复数个叶片，分别安装在所述支撑架组件的外缘上，所述叶片的顶部和底部分别设置 有顶部转轴和底部转轴，所述顶部转轴中屯、线和所述底部转轴中屯、线重合，所述叶片通过 所述底部转轴和所述顶部转轴转动，所述底部转轴中屯、线与所述输出轴中屯、线在一个平面 上；W及 调节单元，设置在所述支撑架组件下部，用于调整所述叶片与所述底部转轴中屯、线的 角度， 其中，所述调节单元包括： 轨道，呈楠圆形，围绕所述输出轴且设置在所述支撑架组件下部， 滑块，卡合在所述轨道内且在所述轨道内滑动， 曲柄，所述曲柄的一端与所述底部转轴相连，另一端与所述滑块相连，用于调整所述叶 片与所述底部转轴中屯、线的角度。2. 根据权利要求1所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述轨道的横截面呈"C"字形。3. 根据权利要求1所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述支撑架组件包括一个与所述轨道平行的下支撑架，所述下支撑架与所述输 出轴通过卡合的方式固定连接。4. 根据权利要求3所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述支撑架组件还包括一个与所述下支撑架相对设置的上支撑架，所述上支撑 架与所述输出轴通过卡合的方式固定连接。5. 根据权利要求1所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片为直叶片。6. 根据权利要求5所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片的横截面为对称翼型。7. 根据权利要求3所述的自适应变奖的垂直轴风力驱动装置，其特征在于： 其中，达到所述叶片最优转动角度时，所述轨道轨迹、所述曲柄长度W及所述下支撑架 中屯、至边缘长度的数学关系式为：β-奖距角η; AC-所述轨道凹槽中屯、线与所述输出轴中屯、线的直线距离(m); AD-所述输出轴中屯、线与所述底部转轴中屯、线的直线距离(m); CD-所述曲柄与所述滑块连接轴的中屯、线与所述底部转轴中屯、线的直线距离(m)。8. -种自适应变奖的垂直轴风力发电机，其特征在于，包括：自适应变奖的垂直轴风力 驱动装置，具有输出轴； 发电机，具有旋转轴，与所述输出轴连接，所述旋转轴由所述自适应变奖的垂直轴风力 驱动装置带动旋转而发电， 其中，所述自适应变奖的垂直轴风力驱动装置为权利要求1-7中所述的自适应变奖的 垂直轴风力驱动装置。
【文档编号】F03D7/06GK205578183SQ201620185361
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】张俊伟, 李春, 杨阳, 李洋, 袁全勇, 叶舟, 阳君, 孙瑞
【申请人】上海理工大学