一种垂直轴风力发电机组的制作方法

1.本发明涉及风力发电设备技术领域，更加具体来说，本发明涉及一种垂直轴风力发电机组。


背景技术：

2.随着人口增长和经济飞速发展，社会对电能的需求越来越大，而全球电能主要来源为火力发电，需要大量不可再生能源——煤，并且煤炭燃烧造成大气污染和温室效应。我国提出碳达峰、碳中和的发展布局，火力发电必将减少，风能作为一种可再生的清洁能源，取之不尽用之不竭，风电产能必将逐步提高。
3.目前主要的风力发电机为高原、沿海地带的大型水平轴风力发电机，普通市内小型风力发电机有两种类型：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，由于水平轴风力发电机需要对风定向系统，结构复杂成本高；垂直轴风力发电机不需要对风定向系统，结构简单，对启动风速要求低。目前主要垂直轴风力发电机为h型、φ型以及s型，上述垂直轴风力发电机普遍存在叶片受风面积小，旋翼加工复杂，并且在极端风速下容易对支撑杆产生很大应力集中现象等问题，对发电效率以及使用寿命有较大的影响，不利于垂直轴风力发电机的推广应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明创新地提供了一种垂直轴风力发电机组，能够解决现有技术中存在的受风面积小，结构复杂的技术问题。
5.为实现上述的技术目的，本发明公开了一种垂直轴风力发电机组，包括叶片组件、支撑轴和发电机，
6.所述叶片组件包括两个渐开线叶片，两个所述渐开线叶片连接到所述支撑轴上，并且两个所述渐开线叶片呈中心对称分布，两个所述渐开线叶片的对称中心位于所述支撑轴的轴线上，
7.所述发电机设置在所述支撑轴的固定端，所述发电机的转子轴与所述支撑轴的固定端连接。
8.进一步地，所述渐开线叶片包括叶板和筋板，所述叶板为曲面板，并且所述叶板的纵向尺寸大于横向尺寸，
9.所述筋板设置在所述叶板上，并且所述筋板沿着所述叶板的纵向分布有多个。
10.进一步地，所述叶板在横向上轮廓线为多段曲线，包括位于中段的圆弧段，以及位于所述圆弧段两侧的过渡段以及与所述过渡段连接的渐开线段。
11.进一步地，所述渐开线段为基圆半径为150的渐开线曲线在第一象限曲线的一部分；
12.所述过渡段为五次多项式曲线的一部分，所述五次多项式为4.639/(10^13)*(x^5)-8.124/(10^10)*(x^4)+3.543/(10^07)*(x^3)-0.0001316*(x^2)+0.1258*x+140；
13.所述圆弧段的半径为200mm。
14.进一步地，所述叶板在纵向上的轮线为五次多项式曲线。
15.进一步地，所述筋板包括曲边和直边，所述曲边的轮廓线与所述叶板的横向轮廓线相同，所述曲边与所述叶板的内曲面连接，所述直边与所述叶板的两侧边缘平齐，所述叶板上设置有通风孔。
16.进一步地，所述筋板上设置有连接部，所述连接部形成在所述筋板的直边上，并且所述连接部偏向所述直边的一端设置。
17.进一步地，所述支撑轴上设置有连接法兰，所述筋板上的连接部与所述连接法兰连接。
18.进一步地，所述支撑轴的横截面为正多边形结构。
19.进一步地，所述支撑轴的横截面为正六边形，所述支撑轴的固定端的外接圆直径大于所述支撑轴另一端的外接圆直径。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明采用两个渐开线叶片中心对称的结构形式可以有效的增大叶片的受风面积，可以实现低风速启动，还可以抑制气流的末端涡流，提高叶片的稳定性。并且本发明还具有结构简单，装配方便等优点，适于大范围推广使用。
附图说明
22.图1示出本发明实施例垂直轴风力发电机组的结构示意图；
23.图2示出本发明实施例垂直轴风力发电机组的局部剖视示意图；
24.图3示出本发明实施例叶片组件的结构示意图；
25.图4示出本发明实施例叶片组件的俯视示意图；
26.图5示出渐开线的结构示意图。
27.图中，
28.1、叶片组件；11、叶板；12、筋板；2、支撑轴；3、发电机。
具体实施方式
29.下面结合说明书附图对本发明提供的垂直轴风力发电机组进行详细的解释和说明。
30.本发明采用两个渐开线叶片中心对称的结构形式可以有效的增大叶片的受风面积，可以实现低风速启动，还可以抑制气流的末端涡流，提高叶片的稳定性。并且，通过采用六方等强杆作为支撑轴，即支撑轴的横截面为正六边形，不影响流场分布与气动性能。本发明还具有安装方便，质量轻，气动阻力小，有效抑制涡区产生，具有启动力矩小，噪声低等优点。以下结合具体实施例对本发明进行详细介绍：
31.本发明提供一种垂直轴风力发电机组，如图1、图2所示，包括叶片组件1、支撑轴2和发电机3，叶片组件1包括两个渐开线叶片，两个渐开线叶片连接到支撑轴2上，并且两个渐开线叶片呈中心对称分布，两个渐开线叶片的对称中心位于支撑轴2的轴线上，发电机3设置在支撑轴2的固定端，发电机3的转子轴与支撑轴2的固定端连接。采用渐开线叶片中心对称分布的方式可以增大受风面积，并且还能抑制末端涡流，提高稳定性，减小噪音。
32.可选地，如图3、图4所示，渐开线叶片包括叶板11和筋板12，为碳纤维等复合材料，叶板11为曲面板，并且叶板11的纵向尺寸大于横向尺寸，筋板12设置在叶板11上，并且筋板12沿着叶板11的纵向分布有多个，筋板12用于与支撑轴2进行连接。
33.叶板11在横向上轮廓线为多段曲线，包括位于中段的圆弧段，以及位于圆弧段两侧的过渡段以及与过渡段连接的渐开线段。在本实施例中，渐开线段为基圆半径为150的渐开线曲线在第一象限曲线的一部分，如图5所示；过渡段为五次多项式曲线，五次多项式为4.639/(10^13)*(x^5)-8.124/(10^10)*(x^4)+3.543/(10^07)*(x^3)-0.0001316*(x^2)+0.1258*x+140，即叶板11在横向上轮廓线初始是基圆半径为150的渐开线曲线在第一象限曲线的一部分，之后采用五次多项式曲线过渡与中间圆弧连接。其中，圆弧段的半径为200mm，叶板11在纵向上的轮线为五次多项式曲线。叶板11在的外壁面由轴向上的五次多项式曲线沿着径向组合曲线进行扫略形成整个曲面，叶板11可以采用五轴加工中心或者3d打印或者模具加工等工艺成曲面。
34.筋板12包括曲边和直边，曲边的轮廓线与叶板11的横向轮廓线相同，曲边与叶板11的内曲面连接，筋板12与叶板11的轴线垂直设置。可选地，筋板12通过粘接的方式与叶板11固定连接，筋板12的直边与叶板11的两侧边缘平齐，叶板11上设置有通风孔用于气体通流。
35.筋板12上设置有连接部，连接部形成在筋板12的直边上，并且连接部偏向直边的一端设置。可选地，连接部包括圆弧缺口和连接孔，连接孔围绕圆弧缺口设置多个，连接部用于与支撑轴2上的法兰连接，圆弧缺口与法兰进行定位，连接孔与法兰固定连接。两个渐开线叶片相对设置在支撑轴2的两侧，并与支撑轴2固定，当有风来流由于凹面和凸面气动阻力系数不同，形成推力，在两个对称渐开线叶片作用下，可以形成力偶矩，渐开线叶片带动支撑轴2转动，进而通过支撑轴2带动发电机3发电。
36.可选地，两个叶片上的筋板12为一体结构，叶板11与筋板12连接后即形成整体的叶片组件1。
37.支撑轴2上设置有连接法兰，筋板12上的连接部与连接法兰连接。可选地，在支撑轴2上开设有多个环形凹槽，多个环形凹槽沿轴向分布，每一个连接法兰对应一个环形凹槽设置。相对应地，连接法兰内周壁上也设置有环形凹槽，在连接法兰内的环形凹槽内设置弹簧卡圈，然后安装到支撑轴2上，弹簧卡圈的一部分嵌入到支撑轴2上的环形凹槽内，一部分嵌入到连接法兰内的环形凹槽内，通过弹簧卡圈在支撑轴2的轴向上对连接法兰进行限位，然后渐开线叶片再通过螺栓与连接法兰连接。
38.可选地，支撑轴2的横截面为正多边形结构，以使其力学性能更好，避免出现极端风速下支撑杆产生较大应力集中现象，使支撑轴2可以抵抗工作中或者超速制动式的径向力，保证工作强度、减小形变量。在本实施例中，支撑轴2的横截面为正六边形，不影响流场分布与气动性能。支撑轴2的固定端的外接圆直径大于支撑轴2另一端的外接圆直径，并且支撑轴2为中空结构，可以降低支撑轴2的重量。
39.可选地，发电机3为磁悬浮发电机，可以降低启动力矩，从而实现更小风力时能够启动。支撑轴2的固定端设置固定法兰，在本实施例中，支撑轴2的下端构成固定端，在靠近支撑轴2下端的位置设置环形凹槽，固定法兰内壁上也设置环形凹槽，然后在固定法兰和支撑轴2之间设置弹簧卡圈，弹簧卡圈的一部分嵌入到支撑轴2上的环形凹槽内，一部分嵌入
到固定法兰的环形凹槽内，通过弹簧卡圈在支撑轴2的轴向上对固定法兰进行限位，即固定法兰和连接法兰采用相同的方式与支撑轴2连接。
40.进一步地，本发明垂直轴风力发电机组还包括控制器、蓄电池和逆变器，磁悬浮发电机的线缆从自身底座引出与控制器接线，控制器与蓄电池接线，蓄电池与逆变器接线并且预留直流输出口，其中，控制器具有多种功能，例如过速制动保护，整流等。磁悬浮发电机发电经过控制器整流，存贮在蓄电池中，可供直流电气使用，或者，还可以通过逆变器转成交流电供交流电器使用，当转速过高，控制器开始制动保护，降低转速避免对发电机造成损坏。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
45.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种垂直轴风力发电机组，其特征在于，包括叶片组件、支撑轴和发电机，所述叶片组件包括两个渐开线叶片，两个所述渐开线叶片连接到所述支撑轴上，并且两个所述渐开线叶片呈中心对称分布，两个所述渐开线叶片的对称中心位于所述支撑轴的轴线上，所述发电机设置在所述支撑轴的固定端，所述发电机的转子轴与所述支撑轴的固定端连接。2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述渐开线叶片包括叶板和筋板，所述叶板为曲面板，并且所述叶板的纵向尺寸大于横向尺寸，所述筋板设置在所述叶板上，并且所述筋板沿着所述叶板的纵向分布有多个。3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述叶板在横向上轮廓线为多段曲线，包括位于中段的圆弧段，以及位于所述圆弧段两侧的过渡段以及与所述过渡段连接的渐开线段。4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述渐开线段为基圆半径为150的渐开线曲线在第一象限曲线的一部分；所述过渡段为五次多项式曲线的一部分，所述五次多项式为4.639/(10^13)*(x^5)-8.124/(10^10)*(x^4)+3.543/(10^07)*(x^3)-0.0001316*(x^2)+0.1258*x+140；所述圆弧段的半径为200mm。5.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述叶板在纵向上的轮线为五次多项式曲线。6.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述筋板包括曲边和直边，所述曲边的轮廓线与所述叶板的横向轮廓线相同，所述曲边与所述叶板的内曲面连接，所述直边与所述叶板的两侧边缘平齐，所述叶板上设置有通风孔。7.根据权利要求6所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述筋板上设置有连接部，所述连接部形成在所述筋板的直边上，并且所述连接部偏向所述直边的一端设置。8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述支撑轴上设置有连接法兰，所述筋板上的连接部与所述连接法兰连接。9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述支撑轴的横截面为正多边形结构。10.根据权利要求9所述的垂直轴风力发电机组，其特征在于，所述支撑轴的横截面为正六边形，所述支撑轴的固定端的外接圆直径大于所述支撑轴另一端的外接圆直径。

技术总结
本发明公开了一种垂直轴风力发电机组，包括叶片组件、支撑轴和发电机，所述叶片组件包括两个渐开线叶片，两个所述渐开线叶片连接到所述支撑轴上，并且两个所述渐开线叶片呈中心对称分布，两个所述渐开线叶片的对称中心位于所述支撑轴的轴线上，所述发电机设置在所述支撑轴的固定端，所述发电机的转子轴与所述支撑轴的固定端连接。本发明采用两个渐开线叶片中心对称的结构形式可以有效的增大叶片的受风面积，可以实现低风速启动，还可以抑制气流的末端涡流，提高叶片的稳定性。并且本发明还具有结构简单，装配方便等优点，适于大范围推广使用。使用。使用。


技术研发人员：汲福岩 湛晓亮 张澎 刘金树 刘兴民 童秋菊 赵伟楠
受保护的技术使用者：秦皇岛天秦装备制造股份有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/4