风涡器及垂直轴风力发电机组
阅读：399发布：2020-05-08
专利汇可以提供风涡器及垂直轴风力发电机组专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 风 涡器及垂直轴 风 力 发 电机 组。该风涡器包括： 叶片 ，弧形薄片结构体，叶片具有相对的外表面和内表面；扰流装置，扰流装置沿叶片的轴向在外表面上螺旋延伸；以及导杆，沿叶片的轴向贯穿叶片，叶片通过导杆可转动设置。本发明通过在叶片的外表面设置扰流装置，使得风涡器在降低叶片的涡激振动效应的同时，也可以增强垂直轴风力 发电机组 的抗台风效能。，下面是风涡器及垂直轴风力发电机组专利的具体信息内容。
1.一种风涡器(100)，用于垂直轴风力发电机组的发电机，其特征在于，包括：
叶片(20)，为弧形薄片结构体，所述叶片(20)具有相对的外表面(a)和内表面(b)；
扰流装置(10)，所述扰流装置(10)沿所述叶片(20)的轴向在所述外表面(a)上螺旋延伸；以及
导杆(30)，沿所述叶片(20)的轴向贯穿所述叶片(20)，所述叶片(20)通过所述导杆(30)可转动设置。
2.根据权利要求1所述的风涡器(100)，其特征在于，所述扰流装置(10)的横截面包括两两相互连接的第一侧边(1)、第二侧边(2)和第三侧边(3)，所述扰流装置(10)通过所述第三侧边(3)连接于所述叶片(20)的所述外表面(a)，所述第一侧边(1)与所述第三侧边(3)的夹角、所述第二侧边(2)与所述第三侧边(3)的夹角均为锐角。
3.根据权利要求2所述的风涡器(100)，其特征在于，所述第一侧边(1)与所述第二侧边(2)圆滑过渡连接。
4.根据权利要求1所述的风涡器(100)，其特征在于，所述扰流装置(10)的横截面包括相互连接的第一侧边(1)、第二侧边(2)、第三侧边(3)和第四侧边(4)，所述扰流装置(10)通过所述第三侧边(3)连接于所述叶片(20)的所述外表面(a)，所述第四侧边(4)平行于所述第三侧边(3)设置，且所述第四侧边(4)的长度尺寸小于所述第三侧边(3)的长度尺寸。
5.根据权利要求2或4所述的风涡器(100)，其特征在于，所述第一侧边(1)与所述第二侧边(2)中的至少一者为直线或者内凹的曲线。
6.根据权利要求1所述的风涡器(100)，其特征在于，所述导杆(30)贯穿所述叶片(20)的部分与所述叶片(20)的所述外表面(a)连续分布；
所述扰流装置(10)包括一根条形带或者两根以上的条形带，所述两根以上的条形带在所述叶片(20)的所述外表面(a)上呈预定角度设置或者平行设置。
7.根据权利要求1所述的风涡器(100)，其特征在于，所述导杆(30)贯穿所述叶片(20)的部分将所述叶片(20)分为第一叶片(21)和第二叶片(22)；
所述扰流装置(10)包括两根以上的条形带，所述第一叶片(21)和所述第二叶片(22)的所述外表面(a)均螺旋延伸设置有至少一根条形带，所述至少一根条形带在所述导杆(13)的两侧交错设置或者对齐设置。
8.根据权利要求7所述的风涡器(100)，其特征在于，所述两根以上的条形带分别在所述第一叶片(21)和所述第二叶片(22)的所述外表面(a)上呈预定角度设置或者平行设置。
9.一种垂直轴风力发电机组，其特征在于，包括：
发电机(200)，所述发电机(200)的中心轴垂直于水平面设置，所述发电机(200)的转子外周侧间隔设置有多对安装耳片(210)；
如权利要求1至8任一项所述的风涡器(100)，所述风涡器(100)通过所述导杆(30)可转动地连接于每对所述安装耳片(210)之间。
风涡器及垂直轴风力发电机组
技术领域
背景技术
[0002] 在风电领域，超大、特大型机组将会是未来发展趋势，而垂直轴风力发电机组由于其风轮对塔柱的横向剪切力较小，在塔柱承载允许的情况下，垂直轴风力发电机组的风轮相对于水平轴风力发电机组能够做得更高更大，从而提升其发电效率。
[0003] 风轮包括围绕转轴分布的多个叶片，通过风力推动风轮围绕该转轴转动以带动发电机进行发电。叶片在一定的风速下会产生大幅度的振动，这种现象称为叶片的涡激振动。有些风力发电机组在叶片迎风面增加了涡流发生器，形状类似于飞机机翼上的小块涡流发生器，目的在于减少涡激振动，增加叶片的风能利用效率。但是，功能较单一，例如无法增强风力发电机组的抗台风效能。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种风涡器及垂直轴风力发电机组，该风涡器在降低叶片涡激振动效应的同时，也可以增强垂直轴风力发电机组的抗台风效能。
[0005] 一方面，本发明实施例提供了一种风涡器，用于垂直轴风力发电机组的发电机，风涡器包括：叶片，弧形薄片结构体，叶片具有相对的外表面和内表面；扰流装置，扰流装置沿叶片的轴向在外表面上螺旋延伸；以及导杆，沿叶片的轴向贯穿叶片，叶片通过导杆可转动设置。
[0006] 根据本发明实施例的一个方面，扰流装置的横截面包括两两相互连接的第一侧边、第二侧边和第三侧边，扰流装置通过第三侧边连接于叶片的外表面，第一侧边与第三侧边的夹角、第二侧边与第三侧边的夹角均为锐角。
[0007] 根据本发明实施例的一个方面，第一侧边与第二侧边圆滑过渡连接。
[0008] 根据本发明实施例的一个方面，扰流装置的横截面包括相互连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边，扰流装置通过第三侧边连接于叶片的外表面，第四侧边平行于第三侧边设置，且第四侧边的长度尺寸小于第三侧边的长度尺寸。
[0009] 根据本发明实施例的一个方面，第一侧边与第二侧边中的至少一者为直线或者内凹的曲线。
[0010] 根据本发明实施例的一个方面，导杆贯穿叶片本体的部分与叶片的外表面连续分布；扰流装置包括一根条形带或者两根以上的条形带，两根以上的条形带在叶片的外表面上呈预定角度设置或者平行设置。
[0011] 根据本发明实施例的一个方面，导杆贯穿叶片的部分将叶片分为第一叶片和第二叶片；扰流装置包括两根以上的条形带，第一叶片和第二叶片的外表面均螺旋延伸设置有至少一根条形带，至少一根条形带在导杆的两侧交错设置或者对齐设置。
[0012] 根据本发明实施例的一个方面，两根以上的条形带分别在第一叶片和第二叶片的外表面上呈预定角度设置或者平行设置。
[0013] 另一方面，本发明实施例还提供了一种垂直轴风力发电机组，其包括：发电机，发电机的中心轴垂直于水平面设置，发电机的转子外周侧间隔设置有多对安装耳片；如前所述的任一种风涡器，风涡器通过导杆可转动地连接于每对安装耳片之间。
[0015] 下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
[0016] 图1是本发明实施例提供的一种扰流装置的结构示意图；
[0017] 图2是图1所示的扰流装置的第一种横截面的结构示意图；
[0018] 图3是图1所示的扰流装置的第二种横截面的结构示意图；
[0019] 图4是图1所示的扰流装置的第三种横截面的结构示意图；
[0020] 图5是图1所示的扰流装置的第四种横截面的结构示意图；
[0021] 图6是本发明实施例提供的第一种风涡器的结构示意图；
[0022] 图7是本发明实施例提供的第二种风涡器的结构示意图；
[0023] 图8是本发明实施例提供的第三种风涡器的结构示意图；
[0024] 图9是本发明实施例提供的第四种风涡器的结构示意图；
[0025] 图10是本发明实施例提供的第五种风涡器的结构示意图；
[0026] 图11是本发明实施例提供的第六种风涡器的结构示意图；
[0027] 图12是本发明实施例提供的第七种风涡器的结构示意图；
[0028] 图13是本发明实施例提供的第八种风涡器的结构示意图；
[0029] 图14是本发明实施例提供的一种垂直轴风力发电机组的局部结构示意图。
[0030] 其中：
[0031] 10-扰流装置；1-第一侧边；2-第二侧边；3-第三侧边；4-第四侧边；a-外表面；b-内表面；
[0032] 20-叶片；21-第一叶片；22-第二叶片；30-导杆；
[0033] 100-风涡器；200-发电机；210-安装耳片。
[0034] 在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
[0035] 下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
[0036] 下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明提供的风涡器及垂直轴风力发电机组的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037] 为了更好地理解本发明，下面结合图1至图14对本发明实施例提供的风涡器及垂直轴风力发电机组进行详细描述。
[0038] 图1是本发明实施例提供的一种扰流装置的结构示意图。
[0039] 参阅图1，本发明实施例提供了一种扰流装置10，用于垂直轴风力发电机组的风涡器，扰流装置10沿风涡器的轴向在风涡器的叶片的外表面上螺旋延伸。
[0040] 当外界的自然风吹到风涡器的叶片上时，扰流装置10可以将风分流打散，使吹到叶片上的风力降到最低，降低风涡器的叶片出现涡激振动效应的可能性。
[0041] 本发明实施例提供的扰流装置10，通过在风涡器的叶片的外表面上螺旋延伸设置，可以降低叶片发生涡激振动效应的可能性。
[0042] 下面结合附图详细描述扰流装置的具体结构。
[0043] 图2是图1所示的扰流装置的第一种横截面的结构示意图，图3是图1所示的扰流装置的第二种横截面的结构示意图；
[0044] 请一并参阅图2和图3，扰流装置10的横截面包括两两相互连接的第一侧边1、第二侧边2和第三侧边3，扰流装置10通过第三侧边3连接于叶片的外表面，第一侧边1与第三侧边3的夹角、第二侧边2与第三侧边3的夹角均为锐角。
[0045] 进一步地，第一侧边1与第二侧边2中的至少一者为直线，例如，第一侧边1与第二侧边2均为直线，当外界的自然风吹到风涡器的叶片上时，自然风在第一侧边1与第二侧边2相交的位置处分流打散，并分别沿着第一侧边1与第二侧边2吹到叶片的外表面，从而有效抑制叶片的气流涡旋，进而抑制叶片的涡激振动，降低叶片形成涡激振动效应对叶片结构所产生的破坏力。
[0046] 优选地，第一侧边1与第二侧边2圆滑过渡连接，如图2所示。当外界的自然风吹到风涡器的叶片上时，自然风在第一侧边1与第二侧边2圆滑过渡的位置处分流打散，并且二者圆滑过渡的位置可以降低自然风初始接触到扰流装置的冲击力，然后分别沿着第一侧边1与第二侧边2吹到叶片的外表面，从而自然风与扰流装置接触时的冲击力经过一次缓冲后再吹到叶片上，可以有效抑制叶片的气流涡旋，进而抑制叶片的涡激振动，降低叶片形成涡激振动效应对叶片结构所产生的破坏力。
[0047] 作为一种可选的实施方式，第一侧边1与第二侧边2中的至少一者为内凹的曲线，例如，第一侧边1与第二侧边2均为内凹的曲线，第一侧边1与第二侧边2可以直接连接，优选地，二者圆滑过渡连接，如图3所示。当外界的自然风吹到风涡器的叶片上时，自然风在第一侧边1与第二侧边2圆滑过渡的位置处分流打散，二者圆滑过渡的位置可以降低自然风初始接触到扰流装置的冲击力；然后分别沿着第一侧边1与第二侧边2吹到叶片的外表面，第一侧边1与第二侧边2的内凹的曲线相对于图2所示的直线可以进一步缓冲自然风与第一侧边1或者第二侧边2接触时的冲击力，从而自然风与扰流装置的冲击力经过两次缓冲后再吹到叶片上，可以进一步有效抑制叶片的气流涡旋，进而抑制叶片的涡激振动，进一步降低叶片形成涡激振动效应对叶片结构所产生的破坏力。
[0048] 图4是图1所示的扰流装置的第三种横截面的结构示意图，图5是图1所示的扰流装置的第四种横截面的结构示意图。
[0049] 请一并参阅图4和图5，扰流装置10的横截面包括相互连接的第一侧边1、第二侧边2、第三侧边3和第四侧边4，扰流装置10通过第三侧边3连接于叶片11的外表面，第四侧边4平行于第三侧边3设置，且第四侧边4的长度尺寸小于第三侧边3的长度尺寸。优选地，第一侧边1、第二侧边2相对于第三侧边3与第四侧边4的中线对称设置。
[0050] 第一侧边1与第二侧边2中的至少一者为直线，例如，第一侧边1与第二侧边2均为直线，如图4所示。
[0051] 第一侧边1与第二侧边2中的至少一者为内凹的曲线，例如，第一侧边1与第二侧边2均为内凹的曲线，如图5所示。
[0052] 可以理解的是，扰流装置10的横截面还可以有多种结构形式，而不限于附图所示的结构，例如，图2至图5中扰流装置10的横截面的第一侧边1与第二侧边2中的任一者可以为直线，而另一者为内凹的曲线等。
[0053] 图6是本发明实施例提供的第一种风涡器的结构示意图。
[0054] 参阅图6，本发明实施例提供了一种风涡器100，用于垂直轴风力发电机组的发电机，风涡器100包括：叶片20、导杆30和如前所述的任一种扰流装置10。
[0055] 叶片20为弧形薄片结构体，其具有相对的外表面a和内表面b。扰流装置10沿叶片20的轴向在外表面a上螺旋延伸。
[0056] 导杆30沿叶片20的轴向贯穿叶片20，叶片20通过导杆30可转动地设置。导杆30可以与电机转子的外周侧枢转连接，一方面，导杆30可以提高叶片20的刚度，防止叶片20变形，另一方面，导杆30可以支撑叶片20，以带动叶片20转动。
[0057] 风涡器100处于工作状态时，通过导杆30带动叶片20相对于垂直轴风力发电机组的发电机转动预定角度，其内表面b为迎风面，外表面a为背风面，内表面b的弧形凹面结构可以用于积聚风能，从而推动发电机转动而发电，而外表面a设置的扰流装置10可以将下风向的风分流打散，降低了叶片20出现涡激振动效应的可能性，提高了风能利用率。
[0058] 风涡器100处于非工作状态时，例如，在垂直轴风力发电机组初始吊装或者出现故障维修时，通过导杆30带动叶片20相对于发电机反向转动，以使内表面b朝向发电机，当风吹向风涡器100时，外表面a上设置的扰流装置10可以将风分流打散，使吹到风涡器100上的风力降到最低，有效提升机组的吊装效率及安全性，延长了作业窗口期。另外，如果遇到台风等恶劣天气时，也可以使风涡器100调整到非工作状态，增强了机组的抗台风能力，提高了机组的稳固性。
[0059] 本发明实施例提供的风涡器100，通过在叶片20的外表面a设置扰流装置10，在降低叶片20发生涡激振动效应的同时，也可以增强垂直轴风力发电机组的抗台风效能。
[0060] 下面结合附图进一步详细描述风涡器100的具体结构。
[0061] 再次参阅图6，导杆30贯穿叶片20的部分与叶片20的外表面a连续分布。示例性的，导杆30与叶片20一体成型设置，导杆30的横截面可以为方形或者圆弧段，其厚度大于或者等于叶片20的厚度。当导杆30的厚度等于叶片20的厚度时，叶片20的外表面a和内表面b与导杆30均连续分布；当导杆30的厚度大于叶片20的厚度时，叶片20的外表面a与导杆30均连续分布。
[0062] 导杆30的两端凸出于叶片20设置并用于支撑叶片20。扰流装置10可以包括一根条形带，其沿叶片20的轴向在外表面a上螺旋延伸。
[0063] 图7是本发明实施例提供的第二种风涡器的结构示意图，图8是本发明实施例提供的第三种风涡器的结构示意图。
[0064] 请一并参阅图7和图8，扰流装置10还可以包括两根以上的条形带，两根以上的条形带沿叶片20的轴向在外表面a上螺旋延伸。两根以上的条形带在叶片20的外表面a上可以相互平行设置，如图7所示，两根以上的条形带也可以在叶片20的外表面a上呈预定角度设置，如图8所示，从而将吹来的风分流更多，进一步降低吹到风涡器100上的风力。
[0065] 图9是本发明实施例提供的第四种风涡器的结构示意图，图10是本发明实施例提供的第五种风涡器的结构示意图。
[0066] 请一并参阅图9和图10，导杆30贯穿叶片20的部分将叶片20分为第一叶片21和第二叶片22。导杆30与叶片20一体成型设置，导杆30的横截面为方形或者圆弧段，其厚度大于叶片20的厚度。导杆30的横截面还可以为圆形，其直径尺寸大于叶片20的厚度。下面以圆形横截面的导杆30为例进行说明。
[0067] 扰流装置10包括两根以上的条形带，第一叶片21和第二叶片22的外表面a均螺旋延伸设置有至少一根条形带，至少一根条形带在导杆30的两侧可以对齐设置。
[0068] 当第一叶片21和第二叶片22的外表面a均螺旋延伸设置有一根条形带时，如图9所示，风涡器100的结构与图6所示的结构类似，不同之处在于，导杆30将一根连续分布的条形带截断。当第一叶片21和第二叶片22的外表面a均螺旋延伸设置有两根以上的条形带时，两根以上的条形带可以相互平行设置，如图10所示，风涡器100的结构与图7所示的结构类似，不同之处在于，导杆30将中间连续分布的若干条形带截断。导杆30两侧对齐设置的条形带和导杆30的截断作用可以将吹来的风向分流到各个方向，相对于图6、图7中的扰流装置10进一步降低了吹到风涡器100上的风力。
[0069] 图11是本发明实施例提供的第六种风涡器的结构示意图，图12是本发明实施例提供的第七种风涡器的结构示意图，图13是本发明实施例提供的第八种风涡器的结构示意图。
[0070] 请一并参阅图11至图13，至少一根条形带在导杆30的两侧交错设置。例如，当第一叶片21和第二叶片22的外表面a均螺旋延伸设置有一根条形带时，一根条形带在导杆30的两侧交错设置，如图11所示。当第一叶片21和第二叶片22的外表面a均螺旋延伸设置有两根以上的条形带时，两根以上的条形带在导杆30的两侧可以交错设置，同时，两根以上的条形带也可以分别在第一叶片21和第二叶片22的外表面a上平行设置，如图12所示。
[0071] 另外，两根以上的条形带可以分别在第一叶片21和第二叶片22的外表面a上呈预定角度设置，如图13所示。导杆30两侧交错设置的条形带和导杆30的截断作用可以将吹来的风向更多地分流到各个方向，极大地降低了吹到叶片20上的风力，使叶片20形成涡激振动效应所产生的破坏力降到最低。
[0072] 需要说明的是，两根以上的条形带中的各根条形带的横截面结构可以相同，以便于设计与制造。各根条形带的横截面结构也可以不同，扰流效果更好，但设计与制造相对复杂，可以根据气流大小等具体的适用场合而定。
[0073] 另外，扰流装置10可以采用塑料、橡胶、金属材料、或者多种材料合成的复合材料制作而成。扰流装置10与叶片20可以一体成型设置，也可以分体设置，例如，当扰流装置10为金属材料时，可以在叶片20制作完成后再将扰流装置10焊接至叶片20的外表面a上，以便于根据不同的风况而适应性地调整扰流装置10的结构和布局。
[0074] 图14是本发明实施例提供的一种垂直轴风力发电机组的局部结构示意图。参阅图14，本发明实施例还提供了一种垂直轴风力发电机组，其包括发电机200和如前所述的多个风涡器100。
[0075] 发电机200的中心轴垂直于水平面设置，发电机200的转子外周侧间隔设置有多对安装耳片210。风涡器100通过导杆30可转动地连接于每对安装耳片210之间。
[0076] 当垂直轴风力发电机组处于工作状态时，各个风涡器100根据风向通过导杆30转动预定角度，使叶片20的内表面b积聚风能推动发电机转动而发电，而外表面a上的扰流装置10将下风向的风分流打散，降低了叶片20出现涡激振动效应的可能性，提升了风能利用率和发电效率。
[0077] 当垂直轴风力发电机组在初始吊装、出现故障维修或者遇到台风等恶劣天气时，发电机200处于非工作状态，各个风涡器100通过导杆30反向转动，使叶片20的内表面b朝向发电机200，通过外表面a上的扰流装置10使风涡器100受到的风力降到最低，从而在发电机200的外周侧形成保护墙，提高了发电机200的可靠性。
[0078] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
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