[发明专利]一种具有双层叶片的垂直轴风力机

说明书

技术领域

一种具有双层叶片的垂直轴风力机，属于风力发电机领域。

背景技术

风能是解决能源危机和环境污染的重要替代能源，垂直轴风力机已经成为一种重要的风力发电装置，但是升力型垂直轴风力机的启动能力是制约垂直轴风力机发展的重要因素之一，成为风机设计者关注的重点。目前，解决风力机启动问题的方案有多种，其中最具代表性的一种方法是升力型风力机与阻力型风力机相结合，利用阻力型风力机低风速启动性能好的优势改善升力型风力机的启动特性，通常是将φ型或H型风力机与S型风力机组合，如专利200920261028.5《升阻力混合型垂直轴风力机》中采用了将H型叶片与S型叶片组合的风轮结构；但是当风力机工作在高尖速比后，S型叶片的影响越来越严重并降低了风能利用率。另外一种方法就是采用具有较高启动特性的翼型，如非对称翼型NACA4415；但当翼型的弯度较大时会失去自启动能力，如FX63-137翼型。此外，还有人对现有翼型进行再设计以提高其启动能力，如US20070177970专利《Vertical axis wind turbine and wind turbine blade》所述；但由于翼型对流场参数十分敏感，设计出适应不同雷诺数条件的翼型具有很大难度。研究发现，变桨距控制不仅可以提高风力机的启动能力，还可以进一步提高风能利用率；但是变桨距控制一般都需要额外的驱动单元，增加了系统复杂程度和成本。

发明内容

本发明所涉及的一种具有双层叶片的垂直轴风力机，其定桨距叶片固定安装，变桨距叶片则借助变桨距齿轮机构实现变桨距转动；并根据采用翼型的气动特性，优化两层叶片的安装位置和弦径比参数，实现两层叶片工作尖速比的协调统一，改善了风力机的启动能力；进而确保变桨距齿轮机构的驱动力矩来自定桨距叶片和自身叶片产生的合气动力，不需额外动力源。

本发明包括塔架、外转子发电机、风轮支撑臂、定桨距叶片、变桨距叶片和变桨距齿轮机构等；其中变桨距齿轮机构主要由固定齿轮、惰轮、同步轮、小齿形带轮、变速齿形带轮和同步带组成。外转子发电机的定子与塔架固连，发电机的转子与风轮支撑臂连接。风轮支撑臂上安装两层叶片，定桨距叶片弦长大，定桨距安装；变桨距叶片弦长小，采用由周转轮系以及带传动组成的变桨距齿轮机构。固定齿轮安装并固连在塔架上，惰轮、同步轮和变速齿形带轮分别安装在风轮支撑臂上；小齿形带轮与同步轮同轴安装，变桨距叶片与变速齿形带轮同轴安装；固定齿轮、惰轮、同步轮依次啮合；同步轮将旋转运动传递给小齿形带轮，再经同步带传递到变速齿形带轮；调整各齿轮和带轮的传动比确保变桨距叶片的转速为风轮转速的一半，且方向相反。

运动分析如下（参照附图说明图7）：

固定齿轮固定于塔架上，设其半径为r₁，惰轮和同步轮只滚而不滑动，惰轮半径为r₂，同步轮半径为r₃，风轮的旋转速度为ω₀；D点为固定齿轮与惰轮Ⅱ的接触点，C点为惰轮与同步轮的接触点，则风轮支撑臂上A点的速度为V_A=ω₀·OA=ω₀(r₁+r₂)；接触点D的速度为V_D=V_A+V_DA；由于齿轮Ⅰ固定不动且点D不滑动，因而V_D=V_A=ω₀(r₁+r₂)，方向与V_A相反；惰轮的角速度为逆时针方向；接触点C的速度为V_C=V_A+V_CA；则V_C=V_A+V_CA=ω₀(r₁+r₂)+ω₂r₂=2ω₀(r₁+r₂)。