CN102121453A - V型立式风车 - Google Patents

Abstract

一种V型立式风车，主要由可转动的底座、斜向上的风叶主支撑臂、主支撑臂上的副支撑臂、连接在主支撑臂之间的水平连杆、T型柱、风叶、联轴器、发电机、变速箱等构成，风轮具有复数条斜向上的与水平面呈30～75度角的主支撑臂，使整个风轮呈现为V字型的造型，风叶安装在主支撑臂的顶端，以V型的底部作为风轮转动支点，支撑臂之间用水平连杆相连以增强，利用一个T型柱来控制风轮摇摆，发电机及变速箱等位于T型柱圆盘之上，充分利用发电机及变速箱的重量来增加T型柱圆盘的重量，叶片展长方向与垂直方向呈0～45度夹角，叶片的攻角采用电脑控制的伺服电机或液压装置来调整。

Description

V型立式风车

所属领域

本发明涉及到一种V型立式风车，属于风能利用的能源领域。

技术背景

现有用于风力发电的大型垂直轴风轮，通常是采用达里厄式Φ型风轮为主，这种风轮的结构简单，但是也有着明显的缺陷，由于转轴很长，需要拉索施加紧张力压住结构以保持风轮竖直，导致风轮存在剧烈振动、轴承摩擦力大、不能自启动和刹车等。为解决高大转轴带来的问题，人们又发展了H型风轮，当叶片的支撑臂采用三角向量支撑形式时，长旋转主轴可以省略，其特点是风轮的旋转支点一般位于风轮的中心位置，因此这种H型涡轮需要安装在高大的立柱上，发电机也需要吊装在高空中，会增加成本，而且由于立柱的坚固程度有限，导致它不可能做得很大。

本发明即是试图通过风轮结构的创新，来实现垂直轴风轮既避免采用高大中心转轴或者高大立柱，又能实现大型化的问题，同时实现自启动、提高风能利用率并降低建造成本的目的。

发明内容

发明人经过研究，认为采用一种V字型的风轮能够有效地解决既避免利用高大中心转轴或高大立柱，又能使风轮做大的问题。这种V字型风轮的优点，是可以将风轮的旋转支点放在地面或离地面不高的基础上，方便于安装与维修；该V型风轮的制造方法，是将风轮叶片的支撑臂一端连接在靠近地面的转动底座上，另一端斜向上伸展，支撑臂与支撑臂之间有一定的夹角，就呈现为V字造型，风叶则安装在支撑臂的顶端。为了尽可能地实现风轮扫风面积最大化和提高风轮的高度，这些支撑臂与水平面的夹角应该在30～75度之间，如图1所示，其与水平面夹角θ＝30～75度。由两条支撑臂构成的一个单独V型支撑，由多个支撑臂则构成多V型支撑结构，相应地可制成一个二叶片风轮或多叶片型风轮，如图2所示。为了更稳固地支撑叶片，当叶片较长时，在叶片的支撑臂上，还应该加有小的支撑臂作为副支撑臂，使叶片至少被2个及以上的支撑点支撑住，如图1所示，因此叶片的支撑臂又称为主支撑臂。图1中表示了这种主支撑臂与副支撑臂之间的关系，但是，这种支撑关系并不是唯一的，如图5所示，主支撑臂57也可以在上，而副支撑臂56可以在下，而在下的副支撑臂56也可以有多个。

很显然，这种V型结构，由于旋转支点在风轮的下部，属于一种偏心结构，其上大下小，重心在上，因此它也是一个不稳定结构，除非在底部用一根强大的柱子来作为钉子钉住它，否则它不容易保持站立状态。

本发明采用一种T型的柱子来做这种钉子，实现保证V型结构稳定不倒的目标。该T型柱子由一个立柱与一个圆盘构成，圆盘置于立柱之上，与立柱固定在一起，圆盘的直径根据立柱的高度和支撑臂与水平面的夹角θ而定，圆盘重量应足以压住整个风轮使风轮不倾倒，T型柱的立柱安装在风轮的转动底座中，并同转动底座一起安装在一个坚强的基座上，转动底座和风轮的支撑臂可以T型柱的立柱为圆心旋转，如图1所示。

在T型柱圆盘向下的一面上，安装有环形轨道，每条主支撑臂与环形轨道相对应处，安装有滚轮，该滚轮顶在环形轨道下方，起到防止风轮倾倒的作用，同时保证支撑臂能够绕着环形轨道顺利转动，如图1所示，所述的环形轨道和滚轮的组合也可以用一个推力轴承来代替。

该T型柱亦可以用一个发电机来代替，T型柱的立柱和圆盘，可以作为发电机的定子；而圆盘下的环轨和滚轮，可以作为发电机的转子，主支撑臂直接连在发电机的转子上，如图5所示。

为使风轮既具有较轻的重量，又能够让结构有相当的强度，本发明将各支撑臂之间用水平的连杆相互连接，使之成为一个外观似多面体的框架结构，如同一个具有尖底的花篮，斜向的主支撑臂为这个篮子的经线，水平连杆相当于纬线，通过编织在一起后，可以获得相对坚固的篮子，在这个篮子的经线上端安装风叶而构成风轮，为加强风轮支撑结构的强度，水平连杆可以多层安装，如图1所示。

风轮的风叶一般采用直叶片，使得制造和安装均容易，叶片可以呈垂直的状态安装在主支撑臂和副支撑臂上，也可以成斜坡状安装，呈斜坡状安装可以使风轮更加稳固，这是因为斜坡状的叶片在外侧迎风时，会得到一个向下的分力，而在内侧迎风时，会得到一个向上的分力，因此能够减少风轮的摆动力矩；为尽可能获取最大的扫风面积，风叶在呈斜坡状安装时，风叶倾斜的幅度不应大于45度夹角，因此，风叶的安装角度，其展长方向应该是与垂直方向呈0～45度角，如图1所示，倾斜夹角a＝0～45度。

显然，风轮的风叶除了采用直叶片外，也可以采用“＜”型叶片和C型叶片，但是叶片两端的连线与垂直方向仍会存在0～45度的夹角，如图6、图7所示。

为了使叶片的攻角能够得到随时的调整，以便在任一相位角时获取最大的升力，以及在风轮转速超过规定转速后实现气动刹车，叶片与主支撑臂及副支撑臂的连接处应该采用铰接，以便叶片能够转动，并在叶片接头处安有齿轮或液压装置，在铰接处安装伺服电机，通过电机来控制叶片攻角的调整，如图3所示，图3a中标示了叶片的转动轴32处于叶片外时叶片与支撑臂的铰接方法，图3b中标示了叶片的转动轴32处于叶片内时叶片与支撑臂的铰接方法，叶片攻角的调整还可以通过液压***来实现，此时图3a中的齿轮被液压***替换。具有这种叶片攻角调整功能的，只能是直叶片和“＜”型叶片。显然，优选的应该是直叶片，其中，当叶片垂直安装时，攻角调整所需的力最小，当叶片与垂直方向呈现一定夹角时，调整攻角所需的力增加。

叶片攻角的调整伺服电机或液压***，依靠安装于风轮上的电脑芯片来指挥动作，该电脑芯片系根据安装在风轮中心一定高度上的风向仪和风速仪给出的风向信号和风速信号来决定调整的时间和角度的，而这种电脑计算所需要的程序由已公知的垂直轴风轮叶片的攻角与升力关系的公式来设定，如图1所示。

风轮的发电机置于T型柱的圆盘上，以便充分利用发电机自身的重量来加大圆盘重量，以更好地压住风轮减少振动，风轮的动力通过联接在主支撑臂上的联轴器输出，该联轴器与T型柱子圆盘上中心位置的一个动力输出轴相连，该动力输出轴可以是发电机的转子轴或者是变速齿轮箱的主动转轴，如图4所示。

以上结构，构成了一个可以调整攻角的，多叶片的立式风轮。这种风轮结构与目前常规的H型风轮区别在于，V型立式风轮的转动支点在风轮的底部，而H型风轮的转动点在风轮的中部。

当然该风轮也可以采用将叶片固定在主支撑臂和副支撑臂上的连接方式，特别是当风轮直径不是太大，转速较高的情况下，此时可省略掉伺服电机、液压***、风向仪与风速仪等，这种风轮的风叶除了直叶片外，还可以采用“＜”和C型，如图5、图6、图7所示。

为了实现人工控制转速的功能，风叶的副支撑臂还可以做成可以伸缩的，如图6所示，61为上副支撑臂，62为下副支撑臂，它们均可由液压来驱动伸缩，当风轮转速过高时，副支撑臂62伸长，上副支撑臂61缩短，使风叶抬起，减小扫风面积并增大风轮直径，使风轮减速，此时风叶与主支撑臂及副支撑臂的连接处也需要采取铰接的方式；在图5的结构形式下，副支撑臂还可以采用可以弹性伸缩的结构，当风轮转速过高时，使副支撑臂依靠风叶离心力被拉出而使风轮直径变大，扫风面积变小，从而减少风轮出力和降低转速。显然，这种风叶的上下调整动作也可以用作增加风轮出力能力的手段，即当风叶处于逆风位置(升力小于阻力的位置)时，将风叶抬起，减小逆风的阻力，当风叶处于顺风的位置(升力大于阻力的位置)时，将风叶放下，获取最大的升力。

附图说明

图1为V型立式风轮风车结构原理示意图。图中：

1.风叶 2.副支撑臂 3.水平连杆 4.风向标 5.风速仪 6.转动底座 7.T型柱立柱 8.滚轮 9.环轨 10.T型柱圆盘 11.主支撑臂 12.副支撑臂 13.基座 14发电机或变速箱15动力输出轴 16弹性联轴器

图2为三叶片V型立式风轮风车示意图。图中：

21.风叶 22.副支撑臂 23.水平连杆 24.T型柱圆盘 25.T型柱立柱 26.转动底座

图3为叶片与主、副支撑臂用铰接连接示意图。图中：

31.支撑臂 32.转动轴 33.风叶叶片接头 34.风叶 35.齿轮 36.伺服电机 37.伺服电机齿轮

a.叶片转动轴处于叶片外时的示意图，b.叶片转动轴处于叶片内时的示意图

图4为风轮动力输出结构原理示意图。图中：

41.主支撑臂 42.联轴器 43.水平连杆 44.动力输出轴 45.T型柱子的立柱 46.基座47.转动底座 48.T型柱圆盘 49.发电机或变速箱与发电机

图5为使用发电机替代T型柱时风车结构原理示意图。图中：

51.叶片与支撑臂连接点 52.发电机定子 53.发电机转子 54.基座 55.转动底座 56.副支撑臂 57.主支撑臂

图6为采用“＜”型叶片的风车结构示意图。图中：

61.上副支撑臂 62.下副支撑臂

图7为采用C型叶片的风车结构示意图

具体实施方式

以下结合附图，通过实例来进一步说明本发明，但本发明不限于这些实例。

实例1三叶片V型立式风轮

其外观形状如附图2所示。其结构原理如附图1、附图2、附图3、附图4所示。

该风轮具有如附图1中所示的斜向支撑臂11，该支撑臂与水平面夹角θ为30～75度，支撑臂11上安装有副支撑臂2，在顶端安装有呈向内倾斜状的叶片1，叶片1与垂直方向的夹角a为1～45度，支撑臂的下端，安装在一个可以转动的底座6上，底座6中安装一个T型柱子的立柱7，使得支撑臂可以绕立柱7转动，T型柱子由立柱7与圆盘10组成，在圆盘10的下平面，安装有环轨9，在支撑臂与环轨9所对应处，安装有滚轮8，滚轮8顶在环轨9下面，使支撑臂可以顺环轨做环形运动，滚轮8与环轨9也可以用一个推力轴承来代替；为强化风轮支撑结构的强度，在支撑臂11之间用水平连杆3相连，附图2中展示了3叶片立式风轮的情况下水平连杆23的连接方法，水平连杆可以有多层的设置。为使风叶的攻角能够随风速和风向的不同而调整，在附图2中的叶片与支撑臂、副支撑臂的连接处28，可以采用如附图3所示的铰接，附图3展示了这种铰接和叶片攻角调整的原理，在附图3中，叶片34上连接有叶片接头33，叶片接头33被转动轴32与支撑臂31铰接在一起，33置于31之上，在叶片接头33上安装有与接头固定的齿轮35，在支撑臂31上安装有伺服电机36与电机齿轮37，37与35啮合，叶片34因此可以被伺服电机36控制转动，伺服电机的驱动由计算机芯片所设的程序来决定，驱动的参数由如附图1中所示的风向标4与风速计5所提供的信息来决定；风轮的动力输出通过设在风轮主支撑臂上的联轴器来实现，附图4中展示了此输出方法的设置的方式，附图4中，来自于主支撑臂41的力通过联轴器42，带动一个设在T型柱圆盘48上中心部位的轴44旋转，轴44连接发电机或变速齿轮箱49，带动发电机转子或通过变速齿轮箱带动发电机转子转动，实现发电功能。

实例2发电机替代T型柱时的V型立式风车

附图5展示了一个3叶片的V型立式风车示意图。在附图5中，叶片与支撑臂的连接处51采用固定连接，采用了盘式发电机，叶片支撑臂安装在可以转动的底座55上，发电机转子53与转动底座55相连，位于55之上，发电机定子52安装在转子之上，并通过轴与基座54相连，固定在一起，该风车系一种小型的风车，因此，叶片与支撑臂之间只设有2个支撑点即可。

实例3采用“＜”型叶片和C型也的V型立式风车

附图6为采用“＜”型叶片的V型立式风车示意图，此时叶片与支撑臂的连接处采用固定连接；附图7为采用C型叶片的V型立式风车示意图，叶片与支撑臂的连接处采用固定连接。

以上实例说明了本发明的思路和构造基本特点，即叶片的主要支撑臂之间呈V型，风轮的转动支点位置在风轮的下部，支撑臂之间用水平连杆相连以增强，风轮的支撑结构为尖底的花篮形状，风轮的底部位于一个较强的基座上，利用一个T型柱来控制风轮摇摆，保持风轮平衡站立，发电机及变速箱等位于T型柱圆盘之上，充分利用发电机及变速箱的重量来增加T型柱圆盘的重量，叶片的展长方向与垂直方向有0～45度的夹角，叶片的攻角采用电脑控制的伺服电机或液压装置来调整。

尚有叶片副支撑臂可以伸缩的例子未再列举，但在本发明所述的发明内容中已有描述。按本发明的思路和构造要点，稍具本行业知识的人员，也可以在此基础上作改动和改进，但只要不脱离本发明的思路范围和特点，其亦不应超出本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种V型立式风车，主要由可转动的底座、斜向上的风叶主支撑臂、主支撑臂上的副支撑臂、连接在主支撑臂之间的水平连杆、T型柱、风叶、联轴器、发电机、变速箱等构成，其特征在于：风叶主支撑臂一端连接在可转动的底座，另一端斜向上延伸，在顶端装有风叶，任意两条主支撑臂之间形成V字造型，且各主撑臂之间用水平连杆相连，所述的V字构型的结构，至少由两条以上的主支撑臂构成，所述的水平连杆，至少设立一层。

2.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：构成V字构型的主支撑臂，其倾斜角度与水平面的夹角为30～75度。

3.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：具有一个安装在可转动底座中的T型柱，该T型柱为一个立柱和一个圆盘构成，在圆盘的向下一面上装有环轨或推力轴承。

4.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：在主支撑臂与T型柱圆盘下方装有环轨的相对处，支撑臂上装有滚轮，该滚轮顶在所述环轨的下方；当T型柱圆盘下方的环轨为推力轴承时，则滚轮与推力轴承合为一体。

5.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：在主支撑臂的顶端装有的风叶，受到来自主支撑臂和副支撑臂的支撑，所述副支撑臂装在主支撑臂上，风叶安装在主支撑臂和副支撑臂上，风叶的展长方向与垂直方向呈0～45度夹角，风叶可以采用直叶片、“＜”型叶片和C型叶片，当采用“＜”型叶片和C型叶片时，其叶片两端的连线与垂直方向呈0～45度的夹角。

6.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：风叶与主支撑臂、副支撑臂的连接处采用铰接的方式，并在接头处安有齿轮或液压装置，可通过采用伺服电机驱动或液压驱动的方式，通过电脑芯片控制来使叶片转动，以调整风叶攻角，叶片的转动轴可处于叶片外，也可以处于叶片内，电脑芯片的控制程序根据安装在风轮中心的风向仪和风速计提供的信息来决定攻角的调整幅度。

7.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：风叶与支撑臂、副支撑臂采用铰接，副支撑臂可以伸缩，伸缩的动力为液压驱动或风叶离心力。

8.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：风叶与支撑臂、副支撑臂采用固定连接。

9.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：发电机和变速箱放置在T型柱圆盘上，发电机转子轴或变速箱主动轴通过联轴器与主支撑臂相连。

10.根据权力要求1所述的V型立式风车，其特征在于：也可以采用将发电机的转子连接在风轮的可转动底座上，发电机的定子位于转子之上，定子与风轮转动底座下的基座固定连接。

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