CN102428268A - 风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴型风力发电机(1)。本发明的风力发电机主题具有创新的特征：装备有具有直线的纵向轴线的叶轮(3、4、5、6)，具有更大的简单性，并因此具有低的结构成本。此外，本发明的风力发电机主题的叶轮具有这样的横截面，即，具有简单且设有对称轴线的凹入外形，叶轮在其运动过程中描绘出基本上与双曲线抛物线相当的表面。

Description

风力发电机

技术领域

本发明涉及创新型垂直轴风力发电机。

背景技术

风能是将风的动能转化为其它形式能量的产物。迄今为止，这种转化是借助于风力发电机来实施的，风力发电机可以是水平轴型或垂直轴型。

本发明具体涉及垂直轴型的风力发电机。

众所周知，多年来，垂直轴型的风力发电机现已成为研究课题，成为不依赖于风向而运行的装置，并研究该装置的简单化，尤其是针对能量级在几个kW功率的小型装置。

风力发电机的运行基本上源自推力，当流体流冲击到翼型外形时，该外形就承受推力，该推力及时地受到风机的构造几何形状的引导而产生转矩，并因此致使风机转动。

在所看到的实施例中，通常采用弧形的纵向轴线的叶轮，在叶轮运动过程中，称为球面或圆筒面等，不管怎样总具有面向机器的转动轴线的凹陷度。

此外，业已发现，根据经典的翼型外形一般地构造叶轮横截面，其凹度总是面向机器的转动轴线，在其横截面的平面中呈非对称，由此，保持其功能仅在其圆形路径的单一区域内。

可以认识到，上述已知风力发电机具有很明显的缺点，这些缺点列举如下：

●已知垂直轴型风力发电机的叶轮具有显著的结构复杂性，因为叶轮是曲线的纵向轴线的叶轮，并因此其制造过程通常很复杂；

●在开始的低角速度阶段中，转矩小而可忽略，并且不支持标准的机器运行；

●仅在机器借助于附加的马达运转通过最小的角速度时，经典型的曲线轴线叶轮才贡献于转矩的形成，因为在低于如此值时不能触发机器的正确运行；

●一旦启动后，机器随着风力强度增加而趋于增大其角速度，并且需要保护系统以便防止角速度超过临界的角速度；

●叶轮在覆盖圆形路径时所描绘出的表面通常是桶形表面，由于桶形表面的中心区域具有较大的转动半径，所以只有该中心区域基本上贡献于转矩的产生；

●叶轮的中心部分仅在叶轮处于其圆形路径中位于有限的迎风区域上且其速度与风速相对时，才会提供转矩。

发明内容

本发明的目的是通过提供大致如权利要求1所述的风力发电机来解决上述缺点。

该过程的其它特征将在对应的从属权利要求中予以定义。

本发明克服了已知技术中所述的问题，具有若干个明显的优点。

本发明的风力发电机具有创新的特征，即，装备有直线的纵向轴线的叶轮，具有更大的简单性，并因此具有低的结构成本。此外，本发明的风力发电机的叶轮具有凹入外形的横截面，其简单且设有对称轴线。

如下文中详述，叶轮和风之间的空气动力学互相作用区域可按照平面图细分为四个象限。本发明的风力发电机的叶轮外形的凸面面向叶轮路径的内部，使得叶轮本身在位于第一象限和第三象限的第一部分内时均为工作的(因此，贡献于集中在驱动轴处的有用转矩的产生)，叶轮在第一象限时迎风前进，而在第三象限的第一部分时，叶轮的速度与风速相一致。

即使在开始的低速阶段时，叶轮也会在两个截然不同的路径位置中产生转矩，在所述微弱的运行模式中显著地提高了机器的性能。

沿着每个叶轮的纵向展开方向，可找到两个更加有利于转矩生成的区域，每个区域基本上位于叶轮相应的顶部和底部。基于此原因，在本发明风力发电机中，在转矩产生效率最大的所述部分处，有利地定位了附加的叶轮，它们有助于敏感地增加所产生的转矩，尤其是在开始阶段或在低速状态之下。

如此的附加叶轮有利于在机器的背风区域内生成显著的湍流，当叶轮在低速区域内运动时，限制叶轮的阻力转矩，并以增大的“ω”提速，从而还提供用于自调整机器的系统，以防止叶轮达到可能有危险的临界速度。

附图说明

本发明还有其它的优点以及特征和运行模式，将在本发明优选实施例的以下详细描述中变得清楚，本发明的优选实施例借助于实例给出，它们没有限制的目的。现将参照附图中的图，其中：

图1和2各示出由流体流冲击的一般的空气动力学的外形；

图3示出根据本发明第一优选实施例的本发明风力发电机的立体图；

图4示出图3的风力发电机的细节的平面图；

图5示出本发明风力发电机的主视图；

图6示出图3和4的细节；

图7示出图3和4的细节的立体图；

图8-10示意地示出本发明风力发电机的某些运行瞬时的空气动力学性状；

图11示出曲线图，反映本发明风力发电机的运行曲线；

图12示出根据本发明第二优选实施例的本发明风力发电机的立体图；以及

图13示出图12的风力发电机的细节的平面图。

具体实施方式

参照图1，普通的垂直轴型风力发电机包括图示为外形100的叶轮。流体流通常冲击在如此的外形100上，其速度在图中用矢量V_a表示，流体流在外形100上并因此在相关叶轮上产生作用力F，该作用力通常在入射角α近似地在0°和15°之间时可分解为平行于流体流的分量R和垂直于流体流的分量P。

参照图2，显示了外形200，该外形的入射角不再包含在上述情形中所述的值之间。在此情形中，叶轮的外形200受到流体流冲击并经受阻力F’，该阻力一般具有方向和等同于图中用矢量V_a表示的流体流的检测量在。

正如本领域的技术人员充分了解的，在所示的两种情形中，流体流和翼型外形之间的相互作用之后产生的力F具有通常正比于速度模量V_a平方的数值。

在垂直轴型风力发电机中，在机器转动运动过程中，每个叶轮的各个部分在其后的各个瞬间中达到图1或图2中所示状态中的一个状态。

一般地说，机器的几何结构当然趋于致使图1状态的效果比图2状态的效果更多地出现，这是通过加工叶轮的或多或少复杂的外形来达到的，它们涉及到叶轮的纵向轴线和表征叶轮的外形。

接下来参照图3，图中示出根据本发明第一优选实施例的本发明的垂直轴型风力发电机1。具体来说，该风力发电机1包括驱动轴2，该驱动轴可转动地连接到负荷承载结构(为在描述中清晰起见，图中未予示出)，并一体地接合到多个叶轮3、4、5、6，其接合方式将在下文中详细描述。在本发明优选实施例中，此处借助于实例给出且无限制的目的，接合到驱动轴2上的叶轮是四个，如下文中将会说明的，叶轮也可以是不同的数量。

每个叶轮具有大致直线的纵向轴线。

叶轮通过一对花键元件连接到驱动轴。特别是，所述成对的花键元件包括顶部花键元件7和底部花键元件8，顶部花键元件放置在驱动轴2的顶部，底部花键元件放置在驱动轴2的底部。

顶部花键元件7和底部花键元件8分别具有多个臂，各个臂连接到相应的叶轮。特别是，由于这里描述的优选实施例包括四个叶轮，所以顶部花键元件7和底部花键元件8各包括相应的四个顶部臂71、72、73、74和四个底部臂81、82、83、84。较佳地，如此的顶部和底部臂角度上等距离地间距开。换句话说，所有成对的臂在其间形成相应的角度。

在本文所述的具有四个叶轮的情形中，所述臂具有交叉的形状，因为各个臂与其相邻的臂形成了基本上直角。因此，下文中在如此优选实施例的处理之中，花键元件7和8将被称为顶部十字7和底部十字8。

还是参照图3，显然，顶部十字7和底部十字8具有两两相对的臂。具体来说，顶部十字7的臂71与底部十字的臂81相对，而臂72与臂82相对，所有其它的臂依此类推。

现借助于实例来考虑叶轮3，显然，发电机的每个叶轮的原理保持不变，叶轮3在其顶部31处连接到顶部臂71，在其底部32处连接到底部臂82。具体来说，底部臂82就是角度方向上邻近于与顶部臂71相对的底部臂81的那个臂，如上文中详述的，叶轮3连接到该底部臂82。因此，叶轮3呈相对于驱动轴2倾斜，驱动轴2沿着风力发电机的垂直轴线放置。

以完全类似方式，将叶轮4连接在顶部臂72和底部臂83之间，底部臂83在角度方向上相邻于与顶部臂72相对的底部臂82。

此外，风力发电机包括第三花键元件9，其适于在其中心部分处将叶轮3、4、5和6连接到驱动轴2。应该认识到，在此情形中，该第三花键元件9也具有十字形状，中心臂91、92、93、94沿角度方向等距离间距开并在其间形成基本上直角。应该认识到，如此中心十字的定位增强了发电机1的坚固性，因为这有利于减小叶轮在其转动过程中产生的任何挠性振动。

最后，附加叶轮在图中借助于实例且无限制目的地用附图标记741和742表示，它们有利地悬垂在顶部臂和底部臂上。附加叶轮741和742以基本上平行于叶轮6且刚好与臂74连接的方式悬垂在顶部臂74上。

发电机叶轮和至此所描述的附加叶轮较佳地通过可逆的机械连接装置连接到十字元件的臂。具体地说，每个叶轮在其顶部和底部处一体地分别连接到顶板和底板上；所述板用螺栓连接到相应的顶部臂和底部臂。例如，还是参照图1，叶轮4包括用螺栓连接到相应的顶部臂72的顶板41，以及连接到底部臂83的底板(图中不可见)。

此外，驱动轴沿着其垂直展开方向具有多个翅片12，它们用作湍流的发生器。由翅片12产生的湍流诸如对位于发电机背风侧区域的叶轮产生效应，即，该区域是一旦流体流通过驱动轴2后流体流冲击叶轮的那个区域。

参照图4，图中示出顶部十字7(然而，显然如此视图也适用于底部十字)，其中，可看到臂71、72、73和74布置成彼此成直角。

此外，还是在该图中，示出了中心十字9，由于叶轮上述的倾斜度，该中心十字相对于顶部十字(也相对于图中未示出的底部十字)倾斜45°。

现参照图5，将会认识到，由于叶轮具有上述的结构，叶轮适于在围绕驱动轴2转动过程中描绘出基本上与双曲线抛物面相当的表面。

这样的表面也被称为“不可展直的(skew ruled)”表面，其完全为本领域的技术人员所熟知，因此其特性不作进一步讨论。

将会认识到，随着叶轮数的增加，叶轮转动过程中描绘出的表面将会更好地近似双曲线抛物面的几何图形。

现参照图6，图中示出叶轮3的外形10，然而，很显然地，选择叶轮3只是举例而已，因为下面将要描述的情形与本发明风力发电机1的所有叶轮保持相同的情形。具体来说，外形10基本上是月牙形，并具有对称轴线y-y。叶轮3是这样的情形：其外形10沿着其所有纵向展开方向使其凸面总是朝向驱动轴2。此外，还如图中所示，该外形10具有正交于对称轴线y-y的轴线x-x，相对于叶轮路径的切线形成偏离角β。

现参照图7，图中示出该外形10沿着叶轮3的纵向展开方向的倾斜度的演变(因此，基本上是沿着偏离角β的轴线的变化)。因此，只要保持外形10面向驱动轴2的凸度，就可获得叶轮特殊的扭转。

在所考虑的四叶轮风力发电机的情形中，从顶部十字到底部十字，该外形10经历约为90°的转动。

具有上述扭转形式的叶轮的制造模式完全在本领域的技术人员的认知范围内，下面将不作描述。

在下文中，将描述本发明的风力发电机1的某些空气动力学分析。

参照图8，风力发电机1示意地显示在平面图中；尤其是，图中示出驱动轴2以及叶轮6和4的外形的背面，由具有用矢量V_r表示的速度的风冲击的叶轮致使驱动轴2以逆时针方向的速度ω转动。将会认识到，对所述两个叶轮所作的说明，将会重现在发电机的所有其它叶轮上。

叶轮/风相互作用的区域，传统上将其划分为四个象限，下面描述中将要参照这四个象限。

对于叶轮的上述特别对称外形，在第一象限和第三象限的第一部分中获得了正推力(图中用力P确定)。具体来说，第一象限表示迎风区域(即，被速度为V_r的流体流首先冲击)，其中叶轮速度V_ω与流体流的速度相反，而在第三象限的第一部分中，叶轮速度与风速相一致，且有V_ω＜V_r。

现参照图9，在第一象限中，示出附加叶轮741和742的背面，它们保持叶轮同样的结构，但明显地设有较小的转动半径。如图中清楚地可见，所述背面具有这样的主要功能：特别在启动阶段过程中，造成显著增大的转矩，还在温和风的情况下，造成达到发电机运行所需最小角速度“ω”的转矩。

参照图10，图中示出位于背风侧区域(第三和第四象限)内叶轮的两个背面，对此，特别对于驱动轴的高角速度值，背面和流体流之间的相互作用趋于产生阻力转矩。事实上，图中所示力F的方向趋于使轴沿与转动方向相反的顺时针方向转动。有利地，如上所示，沿着驱动轴，机器装备有湍流发生器的翅片，翅片在背风侧区域内产生显著的湍流，尤其是以高的角速度值ω，以便在第三和第四象限内降低叶轮任何有效的升力效应，因此，确定随二阶“ω”增大的阻力转矩。由此，产生的湍流降低了产生所述阻力效应的升力F效应。因此，在图中所示的第三和第四象限的背风侧区域内，对叶轮的同样运动仅提供了阻力。

总体上，本发明的风力发电机根据其几何形状而有系数k₁和k₂，该风力发电机具有由简单表达式表示的合成转矩：

$C_m=k_1{S}_1{V}_r^2$

而阻力转矩同样地具有如下表达式：

$C_r=k_2{S}_2{V}_r^4$

因此，发电机获得的转矩是

$C_G=C_m-C_r=k_1{S}_1{V}_r^2-k_2{S}_2{V}_r^4$

达到其最大值的表达式是

$\frac{\mathrm{\δ}{C}_G}{d{V}_r}=2k_1{S}_1{V}_r-4k_2{S}_2{V}_r^3=2k_1{S}_1{V}_r\{1-\frac{4k_2{S}_2}{2k_1{S}_1}{V}_r^2\}=0$

即， $V_{\mathrm{rm}}={\left\{\frac{k_1{S}_1}{2k_2{S}_2}\right\}}^{1/2}=\frac{1}{2^{1/2}}{\left\{\frac{k_1{S}_1}{k_2{S}_2}\right\}}^{1/2}$

因此，本发明的风力发电机具有自保护功能，防止出现有害于结构和电气设备的角速度，如下式消去C_G：

$C_G=k_1{S}_1{V}_r^2-k_2{S}_2{V}_r^4=0$

求真实和有效解的方程如下：

$V_{\mathrm{ro}}={\left\{\frac{k_1{S}_1}{k_2{S}_2}\right\}}^{1/2}$

简而言之，至此已作分析的要点突出地显示在图11的曲线图中。图中可明显地看见机器的自保护能力，该自保护能力由急剧变化所确定，即，发电机所获得的转矩随着通过正常使用区域的风强度的增强而急剧下降，其值落入0.707×V_ro附近的范围内。

现参照最后的图12和13，图中示出根据本发明第二优选实施例的风力发电机1’。与第一优选实施例的主要差别在于，发电机1’装备有三个叶轮。实施的原理绝对相同，因此，将不作详细描述。

发电机1’包括顶部花键元件301和底部花键元件302，此次顶部和底部花键元件各包括顶部臂和底部臂，顶部臂和底部臂在角度方向上间距等于约120°的角度，因此，它们具有大致Y形的形状。发电机的叶轮在图中借助于实例且无限制的目的表示为叶轮400，发电机叶轮具有对称的新月形外形，但其沿着叶轮纵向展开方向在叶轮不同的部分处经历120°角的转动。

至多，本发明的风力发电机还可实施为仅有两个叶轮。在此情形中(未示出)，花键元件将具有两个臂，它们之间间隔180°的角，诸叶轮相对于驱动轴基本上布置成X状形状。

至此本发明已经参照其两个优选实施例作了描述。应该理解到，也可能存在其它的实施例，所有这些实施例都落入同一发明的概念内，它们都被包括在附后权利要求书的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种垂直轴型风力发电机(1、1’)，该风力发电机包括可转动地连接到负荷承载结构的驱动轴(2)，所述驱动轴(2)一体地接合到多个叶轮(3、4、5、6)，各个叶轮具有基本上直线的纵向轴线，所述叶轮(3、4、5、6)相对于所述驱动轴(2)的布置，使得它们适于在运动过程中描绘出基本上与双曲线抛物线相当的表面。

2.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述叶轮

(3、4、5、6)通过至少一对花键元件(7、8)连接到所述驱动轴(2)。

3.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述成对的花键元件(7、8)包括：放置在所述驱动轴(2)顶部处的顶部花键元件(7)和放置在所述驱动轴(2)底部处的底部花键元件(8)。

4.如权利要求2或3所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述顶部花键元件(7)和底部花键元件(8)分别具有两个或多个顶部臂(71、72、73、74)和底部臂(81、82、83、84)。

5.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，每个花键元件(7、8)的所述臂(71、72、73、74；81、82、83、84)在角度方向上等距离间隔开。

6.如权利要求4或5所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述多个叶轮(3、4、5、6)的每个叶轮(3)在其顶部(31)处连接到相应的顶部臂(71)，而在其底部(32)处连接到相应的底部臂(82)，底部臂(82)相邻于与所述相应的顶部臂(71)相对的底部臂(81)。

7.如权利要求4至6中的一项所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，还包括一个或多个悬垂在所述顶部臂(71、72、73、74)和/或底部臂(81、82、83、84)上的附加叶轮(741、742)。

8.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述顶部臂(71、72、73、74)和底部臂(81、82、83、84)中每个臂(74)包括至少一个附加叶轮(741)，所述附加叶轮布置成基本上平行于与所述臂(74)连接的所述多个叶轮(3、4、5、6)的相应叶轮(6)。

9.如权利要求2至8中的一项所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，还包括放置在所述驱动轴(2)的中心部分处的第三花键元件(9)，所述第三花键元件(9)适于在其相应的中心部分处将所述多个叶轮(3、4、5、6)的每个叶轮(3)连接到所述驱动轴(2)。

10.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述第三花键元件(9)具有两个或多个中心臂(91、92、93、94)，所述中心臂在角度方向上等距离地间距开。

11.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，每个中心臂(91、92、93、94)连接到所述多个叶轮(3、4、5、6)的相应叶轮(6、3、4、5)。

12.如前述权利要求中任一项所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述多个叶轮(3、4、5、6)的每个叶轮具有大致月牙形的外形(10)。

13.风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述外形(10)具有对称轴线y-y。

14.如前述权利要求所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，每个叶轮(3、4、5、6)具有扭矩，以使所述月牙形的外形(10)的凸面沿着其纵向轴线的展开方向保持面向所述驱动轴(2)。

15.如前述权利要求中任一项所述的风力发电机(1、1’)，其特征在于，所述驱动轴(2)沿着其垂直展开方向具有多个翅片(12)，所述翅片用作作用在背风区域内的湍流发生器。

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