CN103807100A - 一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，每组风叶单元与回转套轴之间设置有铰接装置及弹簧装置，通过铰接装置风叶单元与回转套轴可相对上下转动，当遇到强风时，随着风轮转速提高，风叶单元上升转动处于悬浮飞转的状态，稳定性越好，并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性，输出功率稳定，有利于延长发电机的使用寿命。弹簧装置设置于回转套轴上并且位于铰接装置的下方，其可辅助调节支杆与水平面的夹角，保持风轮组在高速旋转时各叶片的受力均衡。每组风叶单元包括风叶、连杆及两根以上相互平行设置的支杆，支杆的一端与连杆固接，支杆的另一端与风叶铰接。在风力推动旋转时，风叶相对支杆转动，调整输出功率，输出功率稳定。

Description

一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机技术领域，特别是涉及一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组。

背景技术

现有技术中，垂直轴风力发电机主要分为阻力型和升力型两类。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力差作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。但是，目前无论阻力型还是升力型的垂直轴风力发电机都普遍存在着以下缺陷：起动扭矩小、结构复杂、而且在强风时，风轮迎风面积及受力大，而使发电机输出功率过大，容易导致电机超出额定发电功率而损坏。

中国实用新型专利（公告号：CN 201155425Y）公开了一种“垂直轴柔性风轮”， 该垂直轴柔性风轮包括有一个立杆，立杆一端的轮毂通过连杆与不同的叶片连接，轮毂连接发电机将机械能转化为电能输出，立杆和每个叶片竖直设置，每个连杆水平设置，其一端和立杆相连接,另一端和叶片相连接，连杆与立杆以及连杆与叶片之间均分别呈90度直角，每一个叶片与连杆的连接处和立杆顶端之间分别系有一条柔性悬索，所述每个连杆与立杆的连接处，以及和叶片的连接处采用铰接方式。但是，该垂直柔性风轮难于保证垂直发电机的整体稳定性，且振动大，并且抗强风能力也有待进一步提高，适用风速范围窄的问题也有待于进一步解决。

因此，针对现有技术中的存在问题，亟需提供一种抗强风能力好、适用风速范围广及稳定性高的垂直轴风力发电机技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种结构简单、抗强风能力好、低噪音、适用风速范围广及稳定性高的展翼变桨式垂直轴风力发电机组。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，包括发电机、风轮和塔架，

设置有传动***，所述传动***包括有固定柱、轴承、回转套轴及传动轴，所述发电机装设于所述塔架，所述塔架设有固定柱，所述回转套轴通过轴承可旋转地装设于所述固定柱，所述回转套轴与所述传动轴固定连接，所述传动轴与所述发电机的转轴驱动连接，且所述传动轴设置于固定柱的内部；

所述风轮设置有至少两组均匀分布的风叶单元，每组风叶单元包括有风叶、连杆及至少两根相互平行设置的支杆，所述支杆的一端与所述连杆固接，所述支杆的另一端与所述风叶铰接；

每组所述风叶单元与所述回转套轴之间设置有铰接装置及弹簧装置，通过所述铰接装置所述风叶单元与所述回转套轴可相对上下转动，所述弹簧装置位于所述铰接装置的下方。

优选的，所述铰接装置由铰接座、第二销轴及铰接头组成，所述铰接座固设于所述回转套轴，所述铰接头固设于所述连杆，所述铰接座与所述铰接头通过所述第二销轴铰接，且所述第二销轴位于所述风叶重心所在水平面的上方。

优选的，所述弹簧装置为压缩弹簧。

优选的，所述支杆靠近风叶的一端与所述风叶通过第一销轴及弹簧连杆装置铰接，所述第一销轴垂直穿过所述支杆的上表面及下表面。

更优选的，所述弹簧连杆装置包括铰接件、第三销轴、第四销轴及弹簧，所述铰接件固设于所述支杆，并且所述铰接件与所述弹簧的一端通过第三销轴铰接，且位于所述第一销轴与所述风叶铰接的后部位置，所述弹簧的另一端通过第四销轴与所述风叶铰接，且第四销轴位于所述风叶的横截面重心位置的后部位置。

另一更优选的，所述弹簧连杆装置由第一壳体、拉伸弹簧及第二壳体组成，所述第一壳体铰接于所述支杆的所述铰接件，所述第二壳体的一端部可伸缩套设于所述第一壳体的内腔，所述拉伸弹簧设置于所述第一壳体与所述第二壳体形成的腔体内。

优选的，所述弹簧连杆装置的长度方向与所述第一销轴垂直设置。

优选的，所述传动轴与所述发电机的转轴通过联轴器连接。

优选的，所述轴承设置为上轴承和下轴承，所述上轴承和所述下轴承均分别装设于所述回转套轴与所述固定柱之间。

其中，所述风叶单元设置为两组对称的风叶单元，或者所述风叶单元设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。

本发明的有益效果：

本发明每组风叶单元与回转套轴之间设置有铰接装置及弹簧装置，通过所述铰接装置所述风叶单元与所述回转套轴可相对上下转动，在额定风速范围内保持风叶的垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，随着风轮转速提高，风叶单元的离心力随之同步增大，风叶单元上升转动，且转动角度的大小与离心力同步增大或减小，风叶单元处于悬浮飞转的状态，整个风轮如转动的陀螺般围绕自身中轴线作“自转”，风速越大，风轮转得越快，稳定性越好，并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性，输出功率稳定，有利于延长发电机的使用寿命。同时，弹簧装置位于铰接装置的下方，其可辅助调节支杆与水平面的夹角，保持风轮组在高速旋转时各叶片的受力均衡，利用高速旋转形成的陀螺效应保持整个机组的稳定性。

每组风叶单元包括风叶、连杆及两根以上相互平行设置的支杆，支杆的一端与连杆固接，支杆的另一端与风叶铰接。在风力推动旋转时，风叶相对支杆转动，改变风叶弦长方向与支杆的夹角，从而改变风叶的气动特性，调整本发明的功率输出，功率输出稳定，使本发明在强风时也能正常发电，具有工作风速范围广，抗强风能力好，并且无尾舵，结构简单、低噪音及适用风速范围广及稳定性高等优点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的一个实施例的另一角度结构示意图。

图3是本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的风叶与支杆连接结构示意图。

在图1至图3中包括有：

1——塔架

2——发电机

3——联轴器

4——传动轴

5——固定柱

6——回转套轴、

7——轴承

8——弹簧装置

11——铰接座

12——铰接头

13——第二销轴

14——连杆

15——支杆

16——风叶

17——弹簧连杆装置

18——第一销轴

19——铰接件

20——第三销轴

21——弹簧

22——第四销轴。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，如图1至图3所示，包括发电机2、风轮和塔架1，并设置有传动***，传动***包括有固定柱5、轴承7、回转套轴6及传动轴4，发电机2装设于塔架1，塔架1设有固定柱5。所述回转套轴6通过轴承7可旋转地装设于固定柱5，回转套轴6与传动轴4固定连接，传动轴4通过联轴器3与发电机2的转轴传动连接，且传动轴4设置于固定柱5的内部。

风轮包括风叶单元，在本实施例中，风叶单元设置为两组对称的风叶单元，需说明的是，风叶单元也可设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。每组风叶单元包括风叶16、连杆14及两根以上相互平行设置的支杆15，支杆15的一端与连杆14固接，支杆15的另一端与风叶16通过第一销轴18及弹簧连杆装置17铰接，该第一销轴18垂直穿过支杆15的上表面及下表面，使得风叶16可相对于支杆15上下转动。本实施例中，支杆15与风叶16铰接的弹簧连杆装置17包括铰接件19、第三销轴20、第四销轴22及弹簧21，铰接件19固设于支杆15，并且铰接件19与弹簧21的一端通过第三销轴20铰接，且位于第一销轴18与风叶16铰接的后部位置，弹簧21的另一端通过第四销轴22与风叶16铰接，且第四销轴22位于风叶16的横截面重心位置的后部位置。在达到额定转速之前，风叶16与支杆15之间处于风能利用率最高的最佳角度θ，在超出额定转速之后，随着离心力的进一步增大，离心力克服弹簧连杆装置17的拉力，角度开始增大直至成为负力矩，其有效抑制风轮转速的提高，使整机在强风时仍能保持正常的功率输出，抗强风能力好。同时，在风力推动旋转时，风叶16在离心力作用下绕第一销轴18转动，改变风叶16弦长方向与支杆15的夹角，调节风叶16的攻角θ，从而改变风叶16的气动特性，调整本发明的功率输出，功率输出稳定。本发明在强风时也能正常发电，具有工作风速范围广，抗强风能力好，并且无尾舵，结构简单、低噪音及适用风速范围广及稳定性高等优点。

在本实施例中，每组风叶单元与回转套轴6之间设置有铰接装置及弹簧装置8，弹簧装置8，该弹簧装置8为压缩弹簧并且位于铰接座11的正下方。其中，铰接装置由铰接座11、第二销轴13及铰接头12组成，铰接座11固设于回转套轴6，铰接头12固设于连杆14，铰接座11与铰接头12通过第二销轴13铰接，且第二销13轴位于风叶16的重心所在水平面的的上方。在额定风速范围内保持风叶16的垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，随着风轮转速提高，风叶单元的离心力随之同步增大，风叶单元绕第二销轴13轴线上升转动，且转动角度的大小与离心力同步增大或减小，风叶单元处于悬浮飞转的状态，整个风轮如转动的陀螺般围绕自身中轴线作“自转”，风速越大，风轮转得越快，稳定性越好，并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性，输出功率稳定，有利于延长发电机2的使用寿命。同时，本发明的连杆14与回转套轴6之间还设有弹簧装置8，弹簧装置8设置于回转套轴6上并且位于铰接座11的下部，其可辅助调节支杆15与水平面的夹角，缓冲因风叶单元受风压不均衡引起的振动，保持风轮在高速旋转时各叶片的受力均衡，利用高速旋转形成的陀螺效应保持整个机组的稳定性。

本发明的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的工作过程及原理如下：

风力推动风轮转动，风叶单元绕铰接装置的第二销轴13上升转动呈悬浮旋转状态，风轮产生陀螺效应，稳定性好，同时压缩弹簧10保持多组风叶单元受力均衡，并具有缓冲作用，保证整个风轮的稳定性。当风速增到一定程度，风叶单元中的风叶16在离心力作用下，风叶16绕第一销轴18转动改变风叶16与支杆15之间的夹角，调整风叶16的公交，从而调整输出功率，防止功率过大损害发电机2。

本发明主要具有如下优点： 

（1）有效地提高了风轮总成的稳定性，继而降低了整个机组的成本；

（2）采用铰接式支杆15的连接方式，运行稳定可靠；

（3）抗强风能力好，无噪音且制造工艺简单；

（4）无尾舵回转***，易于加工，制造的综合成本低；

（5）重量轻，便于安装，且降低运输成本；

（6）风叶16与支杆15的铰链机构，增加了风轮的工作风速范围，有效提高风能利用率。

本并满足以下标准：

1、适用的最高风速为35m/s，在高寒地区，适用的最高风速为40m/s；

2、正常运行的温度范围为-20℃～+50℃，高寒地区，正常运行的温度范围为-25℃～+45℃；

3、运行的最高海拔为4000m；

4、运行的最高相对湿度为95﹪。

实施例2

本实施例的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中， 弹簧装置为压缩弹簧10。在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。

实施例3

本实施例的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。在本实施例中，回转套轴6与固定柱5之间的轴承7设置为上轴承7与下轴承7，上轴承7与下轴承7均装设于回转套轴6与固定柱5之间，此结构可确保回转套轴6平稳转动，振动少。

实施例4

本实施例的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的主要技术方案与实施例1基本相同，与实施例1的不同之处在于：弹簧连杆装置由第一壳体、拉伸弹簧及第二壳体组成，第一壳体设于支杆，第二壳体的一端可滑动设置于第一壳体的内部，拉伸弹簧设置于第一壳体与第二壳体组成的腔体内。在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。

实施例5

本实施例的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组的主要技术方案与实施例1基本相同，风叶单元的数目为两组以上，相邻风叶单元之间夹角为相等，在本实施例中，具体的，风叶单元的数目为三组，相邻风叶单元之间夹角为120°，每组风叶单元的支杆15数目为两根。需说明的是，风叶单元也可为两组、四组及其他组数，每组风叶单元的支杆15数目也不限于两根，根据实际需要可设置三根、四根等数目。

在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，包括发电机、风轮和塔架，其特征在于：

设置有传动***，所述传动***包括有固定柱、轴承、回转套轴及传动轴，所述发电机装设于所述塔架，所述塔架设有固定柱，所述回转套轴通过轴承可旋转地装设于所述固定柱，所述回转套轴与所述传动轴固定连接，所述传动轴与所述发电机的转轴驱动连接，且所述传动轴设置于固定柱的内部；

所述风轮设置有至少两组均匀分布的风叶单元，每组风叶单元包括有风叶、连杆及至少两根相互平行设置的支杆，所述支杆的一端与所述连杆固接，所述支杆的另一端与所述风叶铰接；

每组所述风叶单元与所述回转套轴之间设置有铰接装置及弹簧装置，通过所述铰接装置所述风叶单元与所述回转套轴可相对上下转动，所述弹簧装置位于所述铰接装置的下方。

2.根据权利要求1所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述铰接装置由铰接座、第二销轴及铰接头组成，所述铰接座固设于所述回转套轴，所述铰接头固设于所述连杆，所述铰接座与所述铰接头通过所述第二销轴铰接，且所述第二销轴位于所述风叶重心所在水平面的上方。

3.根据权利要求1或2所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述弹簧装置为压缩弹簧。

4.根据权利要求1或2所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述支杆靠近风叶的一端与所述风叶通过第一销轴及弹簧连杆装置铰接，所述第一销轴垂直穿过所述支杆的上表面及下表面。

5.根据权利要求4所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述弹簧连杆装置包括铰接件、第三销轴、第四销轴及弹簧，所述铰接件固设于所述支杆，并且所述铰接件与所述弹簧的一端通过第三销轴铰接，且位于所述第一销轴与所述风叶铰接的后部位置，所述弹簧的另一端通过第四销轴与所述风叶铰接，且第四销轴位于所述风叶的横截面重心位置的后部位置。

6.根据权利要求4所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述弹簧连杆装置由第一壳体、拉伸弹簧及第二壳体组成，所述第一壳体铰接于所述支杆的所述铰接件，所述第二壳体的一端部可伸缩套设于所述第一壳体的内腔，所述拉伸弹簧设置于所述第一壳体与所述第二壳体形成的腔体内。

7.根据权利要求5或6所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述弹簧连杆装置的长度方向与所述第一销轴垂直设置。

8.根据权利要求1或2所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述传动轴与所述发电机的转轴通过联轴器连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述轴承设置为上轴承和下轴承，所述上轴承和所述下轴承均分别装设于所述回转套轴与所述固定柱之间。

10.根据权利要求1所述的一种展翼变桨式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述风叶单元设置为两组对称的风叶单元，或者所述风叶单元设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。

Images