CN102086841B - 垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机的风轮斜拉支撑结构，其包括斜拉索和斜拉轴承；所述斜拉轴承套设固定在所述塔柱上位于所述发电机的外置转子的上方，所述斜拉索一端与所述斜拉轴承连接，另一端与所述叶片或其连接的支撑杆连接。该结构突破了传统风轮支撑结构将风轮重量经发电机传递到塔柱的力传递路径的限制，而将其直接传递到塔柱上。既可方便地实现大风轮的合理、有效的支撑，降低大风轮支撑结构的设计制造成本，也可降低摩擦阻力，提高发电效率，还可减小疲劳应力，提高风力发电机的使用寿命，并可增加风轮运行平稳性、减小风轮振动。

Description

垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机风轮重量的支撑结构，尤其是一种将风轮重量直接斜拉到塔柱的风轮斜拉结构。

背景技术

垂直轴风力发电机包括塔柱、风轮和发电机，风轮包括支撑杆和叶片，支撑杆一端与所述塔柱连接，另一端与叶片连接，在所述支撑杆和塔柱之间设置发电机。常规情况下支撑杆为悬臂梁，叶片重量作用在悬臂梁端部，在风轮转动时，容易出现以下一些问题：

(1)由于中型以上的风力发电机为了达到目标功率，一般使用体型较大的风轮，因叶片及支撑杆自身重量过大，支撑杆02在风轮转动的时候易产生挠度而下垂成为支撑杆02’叶片01也发生偏斜成叶片01’，如图1所示。这些变化会导致风轮气动外形及其特性发生变化，降低风轮的风功率利用系数。本领域技术人员针对上述的问题所提出的解决方案通常是，将支撑杆做得很强，但支撑杆重量增加导致其效率降低，制造成本上升，甚至增大到不能接受即无法实现支撑目的的程度，而且在风轮半径较大时，即使支撑杆强度增强仍会有较大挠度。

(2)支撑杆在塔柱一侧的固定端，也就是发电机转子连接端的端口受较大弯矩，这会易造成对发电机的损害，减少发电机的使用寿命。

(3)叶片旋转过程中旋转到相对于来风方向不同的位置时，受力不同，这些大小不一的受力经支撑杆悬臂放大，致使各叶片之间转速不同，从而产生振颤，这些会导致风轮运行不平稳和振动等问题。

(4)由于受力形式不合理，风轮重力传递是经支撑杆、发电机外转子传到塔柱，不仅导致摩擦阻力等增大，降低风机发电效率，而且导致各相关部件的疲劳应力大，寿命保证设计难、成本高。

目前急需一种可以保证风轮重量直接由塔柱承受，而不经过发电机，且基本不影响风轮旋转的新型风轮支撑结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其将垂直轴风力发电机风轮重量直接传递到塔柱的风轮支撑结构，达到降低风轮旋转摩擦阻力及其振动，避免风轮叶片因支撑杆挠曲变形而下垂所导致的风轮气动外形的改变，方便地实现大功率垂直轴风力发电机风轮的合理\有效的支撑。

本发明的发明思路为：

解决上述现有技术的问题最主要的方法是减小支撑杆悬臂梁的挠度，并改变风轮重量的传递路径，将其直接传递到塔柱上。而减小支撑杆悬臂梁端部挠度的最佳方法是在支撑杆即悬臂梁端部加一个支点，该支点应直接固连于塔柱，以达到直接将风轮重量传递到塔柱的目的。为不影响风轮旋转，塔柱上应设置一个摩阻较小的轴承作为该支点的固定处。另一方面，风轮旋转过程中会产生一定的升力，该升力可使得连接在支撑杆端部的叶片提升一些，如果再加上一个合理大小的向上的牵拉作用，即采用斜拉索并含一定的下垂量，可使升力效应仅仅体现为拉索力的少量变化，在向上牵拉和升力的共同作用下，就可以保证叶片基本上不下垂，且即可保证运行平稳性。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构为：垂直轴风力发电机的塔柱上设置风轮，所述风轮包括叶片和支撑杆，若干支撑杆的一端固定在所述塔柱上设置的发电机的外置转子上，另一端固定在所述叶片的内侧面上；所述斜拉结构包括一斜拉轴承及拉索；所述斜拉轴承套设固定在所述塔柱上位于所述发电机上方，所述拉索一端与所述轴承的外置转动件连接，另一端与所述叶片和/或支撑杆连接，每一个叶片上均对应设有一所述拉索。

风轮经支撑杆驱动发电机，其重量则通过设置在风轮或发电机上部塔柱上的斜拉轴承和斜拉索，直接传递到塔柱上。斜拉索的一端连接在斜拉轴承上，另一端连接在风轮上支撑杆或叶片上。为有效降低支撑杆挠度，与支撑杆的连接点应尽量靠近叶片，即支撑杆悬臂梁的悬臂端。

一般情况下，一根在支撑杆端部的斜拉索就足够降低支撑杆端部挠度减小到允许范围，但在风轮巨大即支撑杆较长时，也可在支撑杆中部或中部稍外侧再增加连接一根附加斜拉索的一端，该附加斜拉索的另一端连接在所述斜拉轴承套上。

本发明选用斜拉索而非刚性杆件是有道理的，其理由是：

1)拉索比起刚性杆件可以减小气动阻力；

2)包容风轮旋转时产生的升力。

所述风轮可以是设置上下两组或两组以上的所述支撑杆，每组所述支撑杆连接一个设于塔柱上的所述发电机的外置转子，或者，一些组支撑杆与塔柱之间不设置发电机而设置轴承，此时，下面一组或几组所述支撑杆上不必再设置斜拉索，这是因为上面一组所述支撑杆悬臂端被拉住后，通过所述叶片实际上也拉住了下面一组所述支撑杆悬臂端。

所述拉索的与所述叶片连接的一端，优选连接在所述叶片与所述支撑杆的连接点上。

所述拉索与支撑杆之间的角度优选为20-40度。

所述拉索与支撑杆之间的角度更优化的选择为25-35度。

所述斜拉轴承的启动扭矩即静摩擦扭矩M最好是能够满足

F为拉索力，R为斜拉轴承半径，θ为拉索与支撑杆之间的角度，

为风力发电机上下两电机最大允许转差角。

所述最大允差角是指上下两个支撑轮转动角度相差一个角度而叶片不被扭坏的最大允许值，是由叶片的刚度和强度决定的结构参数。

所述斜拉轴承的转动外圈的外表面上具有连接所述斜拉索的固定结构。该固定结构可以是固定于所述转动外圈上的固定环。

所述拉索为高强度材料制成的钢索。越是采用强度高的材料，钢索截面越小，风阻也越小。

所述风轮安装时叶片重量由起吊设备支撑，在此状态下，斜拉索为拉紧状态。

在该拉紧状态下，所述斜拉锁的予紧力轴力为200N～1000N，使得支撑杆处于水平位置。

当所述起吊设备撤去后，支撑杆端部有一变形下垂量，用以抵消风轮旋转升力。

所述拉索拉紧程度为支撑杆未受叶片重力作用时呈水平状态为宜。风轮安装时叶片等重量由起吊设备支撑，在此状态下将斜拉索拉紧，予紧力轴力约为200N～1000N，使得支撑杆处于水平位置，则当起吊设备撤去后，支撑杆端部会有一定的变形下垂，这个变形下垂量不必靠拉索予紧力消除，而是抵消风轮旋转升力所必须的一个下垂量。

本发明的有益效果为：

本发明所述的斜拉结构有效地解决了大风轮的重量支撑问题，直接将风轮重量传递到塔柱上，并不影响风轮旋转。既可大大降低支撑杆的设计制造成本，并且可有效降低发电机及支撑杆的疲劳应力，增加风力发电机的使用寿命。而且由于受力情况的改善，可大大减小旋转摩阻，提高发电效率。斜拉轴承所受的径向力基本自平衡，可增加运行平稳性、减小风轮振动。

本发明的创新之处在于，引入了一种新的风轮重量支撑的传递路径，突破了传统风轮支撑结构的限制，使得大风轮的支撑结构设计成为可能。利用传统的支撑杆支撑叶片的方法，对风轮的尺寸和重量有很大的限制，难以将风轮做大，从而难以实现大功率垂直轴风机的设计制造。

下面通过附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为未设置本发明的传统风轮支撑结构及变形示意图，在大风轮时不仅设计制造困难，并且风轮气动外形难以保证。

图2为设置了本发明提供的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构后的垂直轴风力发电机的结构示意简图。

图3为一根支撑杆上设置两根斜拉索的本垂直轴风力发电机的结构示意简图。

具体实施方式

如图2所示，一种垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其中，垂直轴风力发电机的塔柱03上设置风轮，所述风轮包括叶片01和支撑杆02，若干支撑杆02的一端固定在塔柱03上设置的发电机的外置转子06上，另一端固定在柱状竖直设置的叶片01的内侧面上；所述斜拉结构包括斜拉轴承04及拉索05；所述斜拉轴承04套设固定在所述塔柱03上位于所述发电机的外置转子06的上方，所述拉索05一端与所述斜拉轴承的外置转动件连接，另一端与所述叶片或支撑杆连接。在本实施例中，斜拉索连接在叶片01和支撑杆02的连接点上。

风轮叶片01通过支撑杆02驱动发电机，叶片全部及支撑杆一部分的重量经斜拉索05以及斜拉轴承04直接传递到塔柱03上.所述斜拉轴承内圈固定于塔柱上，外圈连接斜拉索。斜拉索的另一端可选在叶片或靠近叶片的支撑杆上，或这两者的连接部件上，风轮巨大时也可在支撑杆中部附近再增加一根附加斜拉索051。如图3所示。

拉索05为高强钢索，拉索05拉紧程度以支撑杆02未挂受叶片01重力作用(风轮安装时，叶片重量由其它起重设备承受)时呈水平状态为宜。过紧则风轮被拉起，难以消除风轮旋转时产生的升力影响，过松则导致支撑杆受力过大，下垂明显。

本发明所述的拉索05与支撑杆02之间的角度，即斜拉角θ不宜过大也不宜过小。如果超过本发明限定的范围，角度过大，则斜拉轴承难以被叶片带动，即斜拉索将构成对叶片旋转的一个阻力，阻碍叶片旋转，这样就会降低发电效率。如果角度过小则斜拉力太大，不仅对拉索要求大大提高，而且斜拉轴承的径向力也变大，轴承成本增加，这样使得整个风机成本上升。本发明公开的斜拉角度可以在最低成本的情况下，又能有效解决现有技术问题，且可以最大程度的增加发电的效率。

本斜拉结构中的斜拉轴承04在选择时应该注意其启动扭矩的选择，斜拉轴承的启动扭矩M应该是符合如下公式：

其中：F为拉索力，R为轴承半径，θ为斜拉角，

为上下电机最大允许转差角。其中拉索力可根据具体结构的力学分析得到。

所述拉索拉紧程度为支撑杆未受叶片重力作用时呈水平状态为宜。风轮安装时叶片等重量由起吊设备支撑，在此状态下将斜拉索拉紧，予紧力轴力约为200N～1000N，使得支撑杆处于水平位置，则当起吊设备撤去后，支撑杆端部会有一定的变形下垂，这个变形下垂量不必靠拉索予紧力消除，而是抵消风轮旋转升力所必须的一个下垂量。

具体设计中例如可以是：确定了拉索力、轴承半径和上下电机最大允许转差角，通过选择轴承的启动扭矩确定斜拉角，或确定了斜拉角后选择相应的轴承启动扭矩。

Claims (7)

1.一种垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其中的垂直轴风力发电机的塔柱上设置风轮，包括叶片和支撑杆，若干所述支撑杆的一端固定在所述塔柱上设置的发电机的外置转子上，另一端固定在所述叶片的内侧面上；其特征在于：所述斜拉结构包括斜一斜拉轴承和拉索；所述斜拉轴承套设固定在所述塔柱上位于所述发电机的上方，所述斜拉索一端与所述斜拉轴承连接，另一端与所述叶片和/或其连接的支撑杆连接；

所述风轮安装时叶片重量由起吊设备支撑,在此状态下，斜拉索为拉紧状态；

在该拉紧状态下，所述斜拉索的予紧力轴力为200N～1000N,使得支撑杆处于水平位置；

当所述起吊设备撤去后,支撑杆端部有一变形下垂量，用以抵消风轮旋转升力。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，所述拉索的所述另一端连接在所述叶片与所述支撑杆的连接点上。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，所述拉索与所述支撑杆之间的角度为20-40度。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，所述拉索与所述支撑杆之间的角度为25-35度。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，所述斜拉轴承的启动扭矩满足

F为拉索力，R为斜拉轴承半径，θ为拉索与支撑杆之间的角度，

为风力发电机上下两电机最大允许转差角。

6.根据权利要求1至5之一所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，还包括一增设的附加斜拉索，其一端与所述斜拉轴承连接，其另一端固联在所述支撑杆中部或中部外侧的支撑杆杆体上。

7.根据权利要求1至5之一所述的垂直轴风力发电机的风轮斜拉结构，其特征在于，所述风轮是设置上下两组所述支撑杆，每组所述支撑杆连接设于塔柱上的两个所述发电机的外置转子，所述斜拉索设置在所述塔柱和上面一组所述支撑杆上。

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