专利名称：共轴式双风轮风力机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风能转换装置，具体地说，涉及一种可实现恒转速性能的双风轮风力机。
背景技术：
随着煤炭、石油等不可再生资源的减少，太阳能、风能等自然资源的利用越来越广泛。众所周知，风力机是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置，按风轮轴的位置不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，能量驱动链呈水平方向的称之为水平轴风力机，能量驱动链呈垂直方向的称之为垂直轴风力机。风力机的转速随风速的大小而变化，为使输出地波动性减小，必须设置调速、稳速系统。水平轴风力机是目前研制和使用最多的风力机，水平轴风力机一般有三种调速方案(1)使风轮偏离于风向以改变风能捕获量；(2)用变桨距结构使桨叶或桨叶的一部分绕大梁偏转，以实现攻角的改变或使叶片失速效应加深；C3)人力机械(或液压)系统制动或叶尖扰流器空气制动。目前，各种水平轴风力机的调速都没有超出这些方案的范围。随着国家大型风力场的快速兴建及所发电能的并网运行，对风力机输出转速波动性有了更严格的要求，它可能使机械调速系统会变得复杂和笨重；或者使变极发电机变得昂贵和笨重；也可能使交-直-交变流系统复杂、昂贵和可靠性降低。而传统调速最大的缺点在于只有当输出转速有明显变化之后，才能从变化量中取出反馈信息，作用到调速系统上，使风力机在略异于原转速的情况下工作。由此可见， 输出转速即具有波动性，也不是恒定值。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有水平轴风力机存在的上述不足，提供了一种结构简单、使用方便、以及通过简单机械传动装置实现无波动和恒转速输出的共轴式双风轮风力机。本实用新型的技术方案是一种共轴式双风轮风力机，该风力机包括两个直径不同呈相反方向转动的风轮和一个Si-H行星差动轮系输出机构，行星差动轮系输出机构包括中心齿轮、中心齿圈、行星齿轮和行星架四个构件，中心齿轮和中心齿圈分别与行星齿轮相啮合，行星架与行星齿轮连接，用于支撑行星齿轮；其中，中心齿轮与第一风轮同轴一体，中心齿圈与第二风轮同轴一体，行星架为风力机的输出轴，它与工作机械的动力输入轴连接；优选的是，风力机桨叶设计参数若满足以下条件时，风力机实现恒转速输出，满足条件如下Z^Df/ 2ΜξJ^y= Z2(CyJCy2HSJSMRj^Hhn2)j其中，ZpZ2-分别代表中心齿轮、中心齿圈的齿数；D1, D2-分别代表第一风轮、第二风轮的直径；I1, I2-分别代表第一风轮、第二风轮的桨叶片数；[0010]I1^2-分别代表第一风轮、第二风轮的风能利用系数；Cyl、Cy2-分别代表第一风轮、第二风轮上桨叶翼型的升力系数；S1, S2-分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力面积；R1、分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力合力对水平转轴力矩的力臂。本实用新型的有益效果是本实用新型结构简单紧凑，仅有四个传动构件组成，体积小、重量轻、使用方便，以差动轮系的传动理论为依据，采用Si-H差动轮系输出机构(又称NGV型机构)，使该风力机的输出角速度不随风速的变化而改变，与现有的水平轴风力机的调速方案不同。目前几乎所有类型的水平轴风力机传动调速方案是用输出转速本身的波动值去反馈控制自己的输出转速。而本实用新型的重要理论在于在风速变动的同时可随机地改变两个风轮的转速，但它们转速改变量的差值却恒定不变，这种恒定的差动效果，能保证风力机恒转速、无波动的输出。与普通风力机相比，简单的Si-H差动轮系输出机构代替了普通风力机中复杂的调速系统，同时，为使风力机的输出转速与工作机械(如发电机)所需要的输入转速匹配， 只要参数选择得当，输出角速度根据需要可以任意设计确定，此时，ZK-H差动轮系输出机构又是一个变速装置。它将自动适应风速变化的转速输出系统与为了适应工作要求而改变输出转速的调速系统合为一体，毋须再设置调速系统，即可实现无波动、恒转速输出，这提高了风力机作为动力机在精密传动中应用的可靠性。本实用新型风力机工作风速区间大，风力机输出轴的输出角速度的选择范围广，可与多种工作机械配套使用。
附图1为本实用新型具体实施方式
传动机构的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式
结合附图说明对本实用新型做进一步的说明，但不作为对本实用新型保护范围的限制。
具体实施方式
如图1所示，一种共轴式双风轮风力机，该风力机包括两个直径不同呈相反方向转动的风轮和一个Si-H行星差动轮系输出机构，行星差动轮系输出机构包括中心齿轮1、中心齿圈2、行星齿轮3和行星架4四个构件，中心齿轮1和中心齿圈2 分别与行星齿轮3相啮合，行星架4与行星齿轮3连接，用于支撑行星齿轮3 ；其中，中心齿轮1与第一风轮5同轴一体，中心齿圈2与第二风轮6同轴一体，行星架4为风力机的输出轴，它与工作机械的动力输入轴连接。风力机实现恒转速输出条件的确定，中心齿轮、中心齿圈的绝对角速度分别为第一风轮、第二风轮的绝对角速度ω” ω2，输出角速度为风力机输出轴的角速度ωΗ，设中心齿轮、中心齿圈的齿分别为乙、22，ω2、ωΗ之间的关系式( ω 厂 ω Η) / ( ω 2- ω Η) = -Ijll可得^^ + [{ZjZ^^/yi + iZjZ,)][0023]此方程式为用分数形式表达的矢量方程式，式中<、‘ ^是矢量，不仅表示大小值的模，还有转向。对于已设计完成的机构，Zp &是个定值，所以上式分数中的分母 [1+( / )]即是个定值，若能实现分子丨5+[(22/々]^丨也是个定值，则输出轴的角速度
将为恒定值。由于第一风轮、第二风轮呈相反方向转动，因此满足{^ + [(4/4)]^卜C成立的条件，即矢量g、^反向。这里规定《工、《2仅代表矢量本身的模，并规定Co1的转向为 “ + ”，ω2的转向为“-”，此时矢量方程丨^ + [(22/4)]€卜C可用标量方程表示如下ω「(Z2ZZ1) ω 2 = C 或 ω = (Z2ZZ1) ω 2+C式中C为根据工作要求而设定的一个恒定转速值。同理，矢量方程e^—i + tC^/ZjKl/p + A/Z,)]可用标量方程表示为ωΗ = { ω ^[( / ) 0^]}/^+ / )]上式是实现《,为恒转速输出的运动学条件，此式是《,数值的计算式。仍设Zp Z2-分别代表中心齿轮、中心齿圈的齿数；Dp D2-分别代表第一风轮、第二风轮的直径；I1, i2-分别代表第一风轮、第二风轮的桨叶片数；I1J2-分别代表第一风轮、第二风轮的风能利用系数；Cyl, Cy2-分别代表第一风轮、第二风轮上桨叶翼型的升力系数；S1, S2-分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力面积；J1、分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力合力对水平转轴力矩的力臂ωι、ω2可分别表示为m^inD^^liA-C^R^Yω2-[(π022ξ2)/(4^2'Ξ2 2*ι2)}ν满足方程ω r (Z2ZZ1) ω 2 = C或ω i = (Z2A1) ω 2+C的条件为直线ω (V)与直线 (Z2A1) ω2(ν)有相同的斜率，即满足方程
_01 ωχ{Υ) ^ZjZM^iV)
dVdV所表达的条件才行。不难导出，满足此条件时，有下式成立Z1 (Z)12 /A2 rn /ξ2 )·= ^2 (Cyl /cy2 MS1IS2 y(RjT2y (iji2)此式是实现ωΗ为恒转速输出的风力机风轮桨叶设计参数条件的表达式。图1所示为D2 > D1,根据风力机气动力特点可知应使ω2 < Q1才较为有利。公式中的C值，是根据ωΗ的大小及方向在设计时确定的，其大小和正负根据工作机械(通常是发电机)需要而定。当C>0时，0^与GJ1转向相同；当C<0时，0^与ω2转向相同。 所以输出角速度ωΗ的选择范围广，它可与多种工作机械配套使用是本实用新型风力机的一个特点。从理论上讲，风速的变化对C值大小的影响并不敏感，只要ω”《2都不同时为零， 且按各自被规定的方向转动，则从运动学条件来看，在启动风速到制动风速的整个应用风速区间，该风力机均能以恒转速输出。所以工作风速区间大是本实用新型风力机的又一个显著特点。
权利要求1.一种共轴式双风轮风力机，其特征在于该风力机包括两个直径不同呈相反方向转动的风轮和一个Si-H行星差动轮系输出机构，ZK-H行星差动轮系输出机构包括中心齿轮、 中心齿圈、行星齿轮和行星架四个构件，中心齿轮和中心齿圈分别与行星齿轮相啮合，行星架与行星齿轮连接，用于支撑行星齿轮；其中，中心齿轮与第一风轮同轴一体，中心齿圈与第二风轮同轴一体，行星架为风力机的输出轴，它与工作机械的动力输入轴连接。
2.根据权利要求1所述的共轴式双风轮风力机，其特征在于风力机桨叶设计参数若满足以下条件时，风力机可实现恒转速输出，满足条件如下Z1(DlVA2Hi1^2)-= ^2 (cyl /cy2 )<s, /S2 y{JJY2y (i, /i2),其中，乙、Z2-分别代表中心齿轮、中心齿圈的齿数；Dp D2-分别代表第一风轮、第二风轮的直径；I1^ i2-分别代表第一风轮、第二风轮的桨叶片数；I1^ I2-分别代表第一风轮、第二风轮的风能利用系数；Cyl> Cy2-分别代表第一风轮、第二风轮上桨叶翼型的升力系数；S1, S2-分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力面积；R1, T2-分别代表第一风轮、第二风轮上单片桨叶的升力合力对水平转轴力矩的力臂。
专利摘要本实用新型涉及一种共轴式双风轮风力机，该风力机包括两个直径不同呈相反方向转动的风轮和一个ZK-H行星差动轮系输出机构，ZK-H行星差动轮系输出机构包括中心齿轮、中心齿圈、行星齿轮和行星架四个构件，中心齿轮和中心齿圈分别与行星齿轮相啮合，行星架与行星齿轮连接，用于支撑行星齿轮；中心齿轮与第一风轮同轴一体，中心齿圈与第二风轮同轴一体，行星架为风力机的输出轴，它与工作机械的动力输入轴连接。本实用新型结构简单紧凑，仅有四个传动构件组成；采用ZK-H差动轮系输出机构，将转速输出系统与调速系统合为一体，毋须再设置调速系统，即可实现无波动、恒转速输出，提高了风力机作为动力机在精密传动中应用的可靠性；风力机工作风速区间大，风力机输出角速度的选择范围广，可与多种工作机械配套使用。
文档编号F03D11/00GK202055985SQ20112013836
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者蒋钧 申请人:青岛黄海职业学院