一种叶片带襟翼的变桨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叶片带襟翼的变桨垂直轴风力驱动装置及风力发电机，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、支撑架组件、复数个叶片组件,叶片组件包括：叶片主体，叶片转轴，叶片襟翼，叶片襟翼通过叶片转轴转动，并与叶片主体安装成一体；调节单元设置在支撑架组件的下部，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，并由曲柄带动叶片襟翼自动偏转一定角度，从而能主动改变叶片实际攻角。因此叶片带襟翼的自适应变桨垂直轴风力驱动装置具有提高叶片气动性能和风能利用率的特性。
【专利说明】
一种叶片带襟翼的变桨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，涉及一种叶片带襟翼的自适应变桨垂直轴风力驱 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。一种带有失速调 节的风力发电机组（申请号：20132055243.1 )，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，但此时叶片截面形状为非翼型流线型， 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，目的在于提供一种叶片带襟翼的自适 应变桨垂直轴风力发电机，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叶片带襟翼的自适应变桨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，复数个叶片组件， 分别安装在支撑架组件的外缘上;其中，叶片组件包括:叶片主体，固定安装在支撑架组件 的外缘上，叶片转轴，平行于叶片主体的轴线设置并与叶片主体转动连接，叶片襟翼，与叶 片转轴固定连接，叶片襟翼通过叶片转轴转动，并与叶片主体安装成一体，叶片转轴中心线 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，用于调整叶片襟翼 与叶片转轴中心线的角度，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，滑块顶部中心有顶部轴，曲柄，曲柄的一端与 叶片转轴固定相连，另一端通过滑块顶部轴与滑块活动连接，用于调整叶片襟翼与叶片转 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，支 撑架组件还至少包括一个与下支撑架相对设置的中支撑架，中支撑架与输出轴通过卡合的 方式固定连接。
[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:其中，叶 片主体为直叶片。
[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:其中，叶 片主体的横截面为对称翼型。
[0015] 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 片主体的横截面为非对称翼型。
[0016] 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 片襟翼达到最优转动角度时，轨道轨迹、曲柄长度以及输出轴中心线至叶片转轴中心线的 数学关系式为：
[0018] β-襟翼摆角(°);
[0019] AC-轨道凹槽中心线与输出轴中心线的直线距离(m);
[0020] AD-输出轴中心线与叶片转轴中心线的直线距离(m);
[0021] CD-滑块顶部轴的中心线与叶片转轴中心线的直线距离(m)。
[0022] 本实用新型提供了一种叶片带襟翼的自适应变桨垂直轴风力发电机，其特征在 于，具有:垂直轴风力驱动装置，具有输出轴，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。
[0023]其中，垂直轴风力驱动装置为叶片带襟翼的自适应变桨垂直轴风力驱动装置。 [0024]实用新型的作用与效果
[0025]根据本实用新型的垂直轴风力发电机，因为采用了叶片带襟翼的自适应变桨的垂 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 动叶片襟翼自动偏转一定角度，所以能主动改变叶片实际攻角，因此叶片带襟翼的自适应 变桨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】
[0026] 图1是本实用新型涉及的垂直轴风力发电机的示意图；
[0027] 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；
[0028] 图3是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中一种叶片组件的立体安装示意 图；
[0029] 图4是本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中叶片下端连接方式局部放大示意 图A;
[0030] 图5为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中滑块与曲柄连接示意图；
[0031 ]图6为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中轨道凹槽截面示意图；
[0032] 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
[0033] 图8为本实用新型涉及的垂直轴风力驱动装置中襟翼摆动示意图。
【具体实施方式】
[0034] 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。
[0035]图1是本实用新型涉及的垂直轴风力发电机的示意图。
[0036] 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。发电机20具有旋转轴21。
[0037] 图2是本实用新型的垂直轴风力驱动装置在实施例中的立体图。
[0038] 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。旋转单元11包 括输出轴111、支撑架组件112、复数个叶片组件113、键114。其中，输出轴111，位于旋转单元 11的中心。
[0039] 如图1所示，输出轴111与发电机20旋转轴21相连。
[0040] 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、下支撑架 112b和中支撑架112c，上支撑架112a、下支撑架112b和中支撑架112c呈轮辐形状，分别与输 出轴111通过键114以卡合的方式固定连接，复数个叶片组件113,分别安装在支撑架组件 112的外缘上，叶片组件113包括：叶片主体113a、叶片襟翼113b、叶片转轴113c，叶片主体 113a固定安装在支撑架组件112的外缘上。
[0041 ] 如图3所示，叶片主体113a从边缘向内开有缺口，缺口的一端形成叶片主体顶部， 缺口的另一端形成叶片主体底部，叶片主体顶部和主体底部平行于叶片主体轴线分别设置 有顶部通孔和底部通孔，顶部通孔中心线和底部通孔中心线重合，在本实施例中叶片主体 的轴线平行于输出轴中心线。
[0042]叶片转轴113c通过顶部通孔和底部通孔与叶片主体113a转动连接，叶片襟翼113b 与叶片转轴113c固定连接，通过叶片转轴安装在叶片主体的缺口内，叶片襟翼通过叶片转 轴转动，叶片转轴中心线与输出轴中心线在一个平面上;键114,分别位于输出轴111与上支 撑架112a、输出轴111与下支撑架112b、输出轴111与中支撑架112c的结合部，起连接作用。 [0043]调节单元12包括轨道凹槽121、滑块122、曲柄123。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，滑块122,卡合在轨道121内且在轨道121内滑 动，滑块122顶部中心有顶部轴。
[0044] 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。
[0045] 如图4所示，曲柄123的一端与叶片转轴113c固定相连，另一端与滑块122相连，用 于调整叶片襟翼113b与叶片转轴113c的角度。
[0046] 如图5所示，滑块122顶部中心有顶部轴，曲柄123与滑块122通过顶部轴相连接，二 者无相对平动自由度，曲柄123绕滑块122顶部轴旋转。
[0047]作为一种变形，叶片主体113a为直叶片，其横截面为非对称翼型。
[0048]如图2所示，以六叶片垂直轴风力驱动装置作为本实用新型【具体实施方式】的示意 对象。当来风从任意方向吹来时，叶片主体113a及叶片襟翼113b受到气动力推动叶片整体 顺时针旋转，支撑架组件112与叶片主体113a固定连接，因此，支撑架组件112将顺时针旋 转，支撑架组件112与输出轴111之间通过键114连接，输出轴111被支撑架组件112推动顺时 针旋转，从而可以带动发电机发电。
[0049]叶片整体旋转过程中，由于叶片转轴113c连接了叶片主体113a、叶片襟翼113b及 曲柄123,且叶片转轴113c与曲柄123之间无旋转自由度，当叶片主体113a和叶片襟翼113b 受到气动力作用顺时针旋转时，曲柄123受到叶片转轴113c传递的作用力将做逆时针旋转 趋势。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122顶部轴逆时 针旋转。当叶片主体113a及叶片襟翼113b绕输出轴111转旋转任意角度后，曲柄123平动位 移发生变化，将推动滑块122在轨道凹槽121内滑动。由于滑块122的运动轨迹受到轨道凹槽 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。此时，曲柄123将带动叶片襟翼113b绕叶片转轴113c中心线旋转一定角度，从而 改变气动攻角，达到自适应摆动的目的，提高气动力输出。
[0050]自适应变桨的规律受到凹槽轨道121的轨迹、曲柄123长度以及输出轴中心线到叶 片转轴中心线的直线距离的影响。可通过数学计算，约束上述三个因素之间的数学关系，从 而确定叶片襟翼113b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]式中：
[0053] β-襟翼摆角(°);
[0054] AC-轨道凹槽中心线到输出轴中心线的直线距离(m);
[0055] AD-输出轴中心线到叶片转轴中心线的直线距离(m);
[0056] CD-滑块顶部轴的中心线与叶片转轴中心线的直线距离(m)。
[0057] 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 线到叶片转轴中心线的直线距离;CD为滑块顶部轴中心线与叶片转轴中心线的直线距离。 [0058]实施例的作用与效果
[0059]根据本实用新型的叶片带襟翼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 将带动叶片襟翼绕叶片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。
[0060]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. 一种叶片带襟翼的变桨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， 复数个叶片组件，分别安装在所述支撑架组件的外缘上， 其中，所述叶片组件包括： 叶片主体，固定安装在所述支撑架组件的外缘上， 叶片转轴，平行于所述叶片主体的轴线设置并与所述叶片主体转动连接， 叶片襟翼，与所述叶片转轴固定连接，所述叶片襟翼通过所述叶片转轴转动，并与所述 叶片主体安装成一体，所述叶片转轴中心线与所述输出轴中心线在一个平面上；以及 调节单元，设置在所述支撑架组件下部，用于调整所述叶片襟翼与所述叶片转轴中心 线的角度， 所述调节单元包括： 轨道，呈椭圆形，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，所述滑块顶部中心有顶部轴， 曲柄，所述曲柄的一端与于所述叶片转轴相连，另一端通过所述顶部轴与所述滑块相 连，用于调整所述叶片襟翼与所述叶片转轴中心线的角度。2. 根据权利要求1所述的风力驱动装置，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3所述的风力驱动装置，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中支撑架，所述中支撑 架与所述输出轴通过卡合的方式固定连接。6. 根据权利要求1所述的风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片主体为直叶片。7. 根据权利要求6所述的风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片主体的横截面为对称翼型。8. 根据权利要求6所述的风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片主体的横截面为非对称翼型。9. 根据权利要求1所述的风力驱动装置，其特征在于： 其中，所述叶片襟翼达到最优转动角度时，所述轨道轨迹、所述曲柄长度以及所述输出 轴中心线至所述叶片转轴中心线的数学关系式为： β一襟翼摆角(°);AC-所述轨道凹槽中心线与所述输出轴中心线的直线距离(m); AD-所述输出轴中心线与所述叶片转轴中心线的直线距离(m); CD-所述顶部轴的中心线与所述叶片转轴中心线的直线距离(m)。10. -种叶片带襟翼的变桨垂直轴风力发电机，其特征在于，具有： 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，所述旋转轴由所述叶片带襟翼的变桨垂直轴 风力驱动装置带动旋转而发电， 其中，所述风力驱动装置为权利要求1-9中所述的叶片带襟翼的变桨垂直轴风力驱动 装置。
【文档编号】F03D7/06GK205669456SQ201620219047
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李春, 袁全勇, 杨阳, 张俊伟, 缪维跑, 叶柯华, 丁勤卫
【申请人】上海理工大学