CN203098139U - 一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，适用于风力发电领域小型风力发电机风轮系统，在基本不改变风轮尺寸的前提下，通过加装一级风轮，并采用同轴双叶轮对转新型结构，通过两级叶轮间的流场耦合，使第一级叶轮在充分利用风能发电的基础上，亦成为第二级叶轮的进口导向叶片和整流叶片，单套对转叶轮风力发电设备风能利用率达到传统单轴单叶轮风力发电机的1.5倍以上。该对转叶轮机结构简单，制造方便，便于推广应用。

Description

一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构

技术领域

本实用新型涉及一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，属于风能利用及风力发电技术领域。

背景技术

风能作为可再生能源已经在全球范围内得到了越来越广泛的应用。为了提高风能的利用率，目前风轮机大多以三叶片水平轴类型居多，风轮尺寸均比较大，国内最大的风轮直径已经达到70米以上，但其风能利用率最高才0.4左右【张果宇.风力发电机整机气动性能数值模拟计算与仿真研究[D].武汉:武汉大学,2009】，远远低于Betz极限值(风能利用系数理论最高值为0.593)【苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京:中国电力出版社,2003】。同时中国人多地少、风力资源分布不均、东西部发展不平衡的基本国情使得大型风力发电机组发电厂的建设、应用与并网发电都存在很大的局限性。但若减小风轮机的尺寸又会大大降低风力发电的效率，这对风力发电的家庭化、小型化、离网化应用是不利的。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决了传统小型风力发电机风能利用率低、发电量小、实用性差、家庭化困难等问题，提供一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构。

一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，包括第一级叶轮、第二级叶轮、轴承支架、第一级轴轴承、第一级轴、第二级轴、第二级轴轴承；

第一级叶轮安装于第一级轴上，第二级叶轮安装于第二级轴上，第二级轴中空，内部设有第一级轴轴承，第一级轴沿第二级轴轴心通入第二级轴内，第一级轴与第二级轴同心，第二级轴安装在第二级轴轴承上；

第二级轴轴承通过轴承支架固定；

第一级轴和第二级轴上安装有传动装置与各自发电机相连。

本发明的优点在于：

（1）大大提升了单套风力发电设备风轮系统的风能利用率，在叶轮尺寸不变的前提下，风能利用率达到传统单轴单叶轮风力发电机的1.5倍以上；

（2）大大提高了单套小型风力发电设备的发电总量。发电总量的提升一方面是受益于风轮系统效率的提升，另一方面则是因为双叶轮对转结构使得风力发电设备在恶劣条件（如风速过大）下稳定发电能力大大提升，从而延长了有效工作时间；

（3）大大降低了风力发电小型化、家庭化的难度，使得家家户户用上风力发电成为可能。这是因为本实用新型只需在传统小型风力发电设备上稍作改进，不需升级原有生产线，也不需增加过高的设计和生产成本即可实现技术上的革新。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型图1中第一级叶轮、第二级叶轮局部安装示意图；

图3是本实用新型第一级叶轮、第二级叶轮的尺寸示意图；

图4是本实用新型第一级叶轮、第二级叶轮中叶片安装角的示意图；

图中：

1-第一级叶轮    2-第二级叶轮  3-轴承支架

4-第一级轴轴承  5-第一级轴    6-第二级轴

7-第二级轴轴承

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实用新型为了解决了传统小型风力发电机风能利用率低、发电量小、实用性差、家庭化困难等问题，本实用新型的技术方案采用同轴双转子双叶轮对转结构替代传统小型风力发电机单轴单转子单叶轮结构，通过两级叶轮间的流场耦合，使第一级叶轮在充分利用风能发电的基础上，亦成为第二级叶轮的进口导向叶片和整流叶片。第二级叶轮与第一级叶轮同轴、反向对转，使第二级叶轮叶片入口流场在常用风力发电风速范围（5m/s～12m/s）内都能达到最优风能利用条件（最优攻角、最优流态），有效避免了因局部风速过高而失速或流动分离导致的效率降低，从而提升了整机风能利用率。

本实用新型的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，如图1所示，包括第一级叶轮1、第二级叶轮2、轴承支架3、第一级轴轴承4、第一级轴5、第二级轴6、第二级轴轴承7。

第一级叶轮1安装于第一级轴5上，第二级叶轮2安装于第二级轴6上，第二级轴6中空，内径略大于第一级轴5外径，第二级轴6轴内装有第一级轴轴承4，使第一级轴5能够沿第二级轴6轴心通入第二级轴6内，第一级轴5与第二级轴6同心，并可做独立、自由转动。第二级轴6安装在第二级轴轴承7上，也可做独立、自由转动；

第一级叶轮1与第二级叶轮2按一定间距前后布置，气流首先流经第一级叶轮1叶片并带动第一级叶轮1转动，流经第一级叶轮1后的气流方向发生偏转，并流经第二级叶轮2，第二级叶轮2叶片与第一级叶轮1叶片反向安装，使第二级叶轮2与第一级叶轮1同轴、反向对转；

第二级轴轴承7通过轴承支架3固定；

第一级轴5和第二级轴6上安装有传动装置与各自发电机相连。

本实用新型中对转风轮两级叶轮的轴采用同轴双转子结构，第一级轴5为较细的实心轴，轴距较长，第二级轴6为较粗的空心轴，轴距较短。第一级轴5的外径略小于第二级轴6的内径，从第二级轴6的轴心穿过，装配时，每根轴通过成对配套的滚珠轴承支承，第一级轴轴承4分置于第二级轴轴承7两侧，其中一个安装于第二级叶轮2的轮毂内，另一个安装于第二级轴6的后端（通过轴承支架固定），通过第一级轴轴承4、第二级轴轴承7的空间位置来保证两根轴同心，使两轴可独立、自由旋转。第一级叶轮1、第二级叶轮2与第一级轴5、第二级轴6都采用螺纹连接，叶轮旋转方向与螺纹旋向相同以防止风轮与轴脱离，同时在第一级叶轮1、第二级叶轮2基底处开螺纹孔，沿径向加装紧固螺栓。每根轴各带动一台发电机工作，发电机固定在轴承支架3上，由同步皮带传动。

如图3所示，第一级叶轮1的外经为R1，第二级叶轮2的外径为R2，第二叶轮2的外径R2较大，大约为第一叶轮1的外径R1的1～1.5倍。第一级叶轮1与第二级叶轮2之间的安装间距L根据叶轮设计参数可调。

如图4中，第一级叶轮1叶片的安装角为α，第二级叶轮2叶片的安装角为β，第一级叶轮1与第二级叶轮2一前一后同心布置，第一级叶轮1与第二级叶轮2上叶片安装角相反。以逆时针方向为正，第一级叶轮1上叶片的安装角α为25～35度，第二级叶轮2上叶片的安装角β为-15～-25度。

工作原理与过程：

本实用新型的双叶轮对转风轮结构工作时，来流首先流经第一级叶轮1叶片并带动第一级叶轮1转动，第一级叶轮1通过第一级轴5输出轴功带动发电机发电。这一部分的工作过程与传统风力发电机是完全相同的。

来流在流经第一级叶轮1后，损失的动能转化为第一级轴5上的轴功，发出电能，并伴随少量流动和机械摩擦造成的损失。但因单级叶轮机尺寸有限、叶片数较少、转速较低，风能转化率也较低，气流在流经第一级叶轮1后仍有较高的动能可供利用。但气流在流经第一级叶轮1后，气流方向将发生明显偏转。为充分利用流向偏转后的气流动能，第二级叶轮2叶片安装角β与第一级叶轮1叶片安装角α相反，并经精确计算确定其安装角度数绝对值应略小于第一级叶轮1叶片安装角度数绝对值。这样，偏转后的气流又可以以最佳攻角流经第二级叶轮2，使第二级叶轮2与第一级叶轮1同轴、反向对转，驱动第二级轴6转动，并带动另一台发电机发电。这一过程比单级风轮更有效地利用了通过单位截面气流的动能，减少了单位截面上风能的浪费，大幅提高了风能利用率。

同时，流经第一级叶轮1后的气流，在流态上将发生一定程度的变化。原本湍流度不高的气流将变为高湍流度气流，并伴随有从第一级叶轮1叶片尾缘脱离的涡，其中高湍流动可增强气体输运能力，有效抑制第二级叶轮2叶片尾缘的流动分离，而从第一级叶轮1叶片尾缘脱落的涡将与第二级叶轮2叶片前缘流动发生耦合，通过合理设计翼型和两个叶轮的间距L，这两种气动作用即可大大提高单位流量气流的做功能力。

此外，第一级叶轮1直径R1略小于第二级叶轮2的直径R2，部分气流不经过第一级叶轮1直接吹向第二级叶轮2叶尖段，保证了第二级叶轮具有良好的起动性。在风力较小时，第二级叶轮仍能有效利用风能输出轴功，而在风力较大时，第一级叶轮由于旋转半径较小，受大风影响较小，发电量提升，且对高速来流起到整流作用，使第二级叶轮也能始终处于良好工况下工作。

本实用新型在实际使用中，只需按传统风力发电机安装调试方法安装调试即可正常工作。通过支架安装在楼宇外墙、房屋顶层、路灯顶端都可实现全天候高效率发电，一台风机一天的正常发电量即可满足普通家庭当日用电需求，达到节能减排的效果。

实施例：

采用本实用新型的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，进行风洞吹风研究，来流风速分别取7m/s、8m/s、9m/s和10m/s。分别测量相同设计尺寸（相同翼型、相同最大旋转半径）单轮风轮结构和对转风轮结构输出功率，得到实验结果如下表：

表1实验结构

通过表1可见，本实用新型的双叶轮对转风轮结构在中等风力情况下，相比常规单叶轮风轮结构，在风能利用率方面有至少40%的提升。

Claims (7)

1.一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，包括第一级叶轮（1）、第二级叶轮（2）、轴承支架（3）、第一级轴轴承（4）、第一级轴（5）、第二级轴（6）、第二级轴轴承（7）；

第一级叶轮（1）安装于第一级轴（5）上，第二级叶轮（2）安装于第二级轴（6）上，第二级轴（6）中空，内部设有第一级轴轴承（4），第一级轴（5）沿第二级轴（6）轴心通入第二级轴（6）内，第一级轴（5）与第二级轴（6）同心，第二级轴（6）安装在第二级轴轴承（7）上；

第二级轴轴承（7）通过轴承支架（3）固定；

第一级轴（5）和第二级轴（6）上安装有传动装置与各自发电机相连。

2.根据权利要求1所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的第一级轴轴承（4）分别置于第二级轴轴承（7）两侧，其中一个安装于第二级叶轮（2）的轮毂内，另一个安装于第二级轴（6）的后端。

3.根据权利要求1所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的第一级叶轮（1）与第一级轴（5）、第二级叶轮（2）与第二级轴（6）分别采用螺纹连接，叶轮旋转方向与螺纹旋向相同。

4.根据权利要求1所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的第一级叶轮（1）的外经为R1，第二级叶轮（2）的外径为R2，R2＞R1。

5.根据权利要求4所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的R2为R1的1～1.5倍。

6.根据权利要求1所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的第一级叶轮（1）的叶片与第二级叶轮（2）的叶片反向安装。

7.根据权利要求6所述的一种适用于小型风力发电机的双叶轮对转风轮结构，其特征在于，所述的第一级叶轮（1）的叶片安装角为α，第二级叶轮（2）的叶片安装角为β，设逆时针方向为正，第一级叶轮（1）上叶片的安装角α为25～35度，第二级叶轮（2）上叶片的安装角β为-15～-25度。

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