CN108561271B - 一种组合式垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式垂直轴风力机包括顶部叶轮、行星齿轮箱、塔架结构、塔架叶轮、隔板、发电机和基础。风力机采用升阻结合型叶轮。采用分层组合式塔架，每层有隔板，将该层塔架叶轮重量传递至塔架，主轴仅传递扭矩，不受载荷，有利于垂直轴风力机大型化。塔架中安置塔架叶轮，充分利用捕风面积，提高风能利用率；升力型叶片保证高转速效率，阻力型叶片保证低转速扭矩；各层叶轮间采用柔性联轴器连接，克服不共轴影响。顶部叶轮中的升力型叶片保证高转速效率；顶部叶轮桁架的横截面为半圆形，作为支撑的同时也起阻力型叶片的作用。行星齿轮箱消除顶部叶轮与塔架叶轮间转速差，减少能量传输损耗，提高转化效率。

Description

一种组合式垂直轴风力机
技术领域
本发明属于风力发电机设计领域，具体是一种组合式垂直轴风力机。
背景技术
传统化石能源经过百余年的开采日益枯竭，对于清洁绿色的可再生能源的开发利用愈发受到人们的重视。风能作为利用最为广泛的清洁能源，已成为新能源领域的代表。当今风力发电领域，水平轴风力机应用最为普遍，然而水平轴风力机存在着重心高、维修难的问题。垂直轴风力机由于发电机位于风机底部，重心低且便于维护等优点，越来越受到领域内研究者的青睐。
目前垂直轴风力机也存在一些明显的不足。就阻力型垂直轴风力机来讲，其启动转矩高，在低风速下启动性能好，然而由于其叶尖速比总是小于1，在高风速下其风能利用率低；就升力型垂直轴风力机来说，其叶尖速比可以达到1甚至更高，然而由于叶片限制，其低风速转矩小，难以自启动。另外，垂直轴风力机需要依靠主轴向下传递能量，在垂直轴风力机容量增大时，主轴更长，对主轴的强度要求相应更高，这也是阻碍垂直轴风力机大型化的一个重要原因。
申请号201710961029.X的文献提供了一种多轮风向标式活叶垂直轴风力机，采用塔架式结构降低主轴载荷，但采用平板式阻力型叶片，导致其风能利用效率不高。申请号201710702416.1的文献提供了一种升阻结合型垂直轴风力机，叶轮采用升力型和阻力型叶片相结合的结构，兼顾了低风速启动性与风能利用率，但是由于采用了柱式塔筒，使得风力机主轴载荷较高，造成风力机难以大型化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种组合式垂直轴风力机。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种组合式垂直轴风力机，包括基础；所述基础与地面连接；其特征在于该风力机还包括顶部叶轮、行星齿轮箱、塔架结构、塔架叶轮、隔板和发电机；所述发电机安装于基础上；
所述塔架结构由若干层塔架组成；最下层的塔架固定于基础上；相邻两层塔架之间通过隔板连接；每层塔架由若干片导流板组成；导流板均匀地布置于隔板上，上下两端分别与上下两层的隔板连接；
每层塔架内部安装一个塔架叶轮；每个塔架叶轮由若干个塔架叶轮升力叶片、若干个塔架叶轮阻力叶片、若干个塔架叶轮桁架组和一个塔架叶轮转轴组成；相邻两个塔架叶轮的塔架叶轮转轴之间通过柔性联轴器连接，最下层的塔架叶轮的塔架叶轮转轴通过柔性联轴器与发电机的轴端连接；塔架叶轮桁架组均匀地安装于塔架叶轮转轴上，每个塔架叶轮桁架组包括两个平行安装于塔架叶轮转轴上的塔架叶轮桁架；一个塔架叶轮升力叶片安装于一个塔架叶轮桁架组的末端，一个塔架叶轮阻力叶片的两端安装于一个塔架叶轮桁架组中的两个塔架叶轮桁架上；塔架叶轮转轴的两轴端通过隔板轴承安装在隔板中；
所述行星齿轮箱固定于最上层的塔架上；所述行星齿轮箱包括行星架、行星轮、齿圈和太阳轮；所述齿圈固定于行星齿轮箱内部；行星轮分别与齿圈和太阳轮啮合；行星轮通过轴承安装于行星架上；太阳轮的轴端通过柔性联轴器与最上层的塔架叶轮转轴连接；
所述顶部叶轮包括若干个顶部叶轮升力叶片、若干个顶部叶轮桁架和一个顶部叶轮转轴；顶部叶轮转轴与行星架的轴端固定连接，顶部叶轮桁架均匀地安装于顶部叶轮转轴上，每个顶部叶轮桁架上安装有一个顶部叶轮升力叶片。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、风力机采用升阻结合型叶轮。风力机由小型部件组装而成，无大型零部件，便于生产、运输和安装。整体结构采用模块化设计，各零部件结构和生产工艺简单，形制相似度高，综合生产成本低。
2、采用分层组合式塔架，每层有隔板，将该层塔架叶轮重量传递至塔架，主轴仅传递扭矩，不受载荷；相对传统塔筒节约材料，降低主轴载荷，有利于垂直轴风力机大型化。
3、塔架中安置塔架叶轮，充分利用捕风面积，提高风能利用率；采用升阻结合型叶片，升力型叶片保证高转速效率，阻力型叶片保证低转速扭矩，减弱阻力型叶片拉低叶轮转速的影响，在转矩与效率间找到平衡；各层叶轮间采用柔性联轴器连接，克服不共轴影响。
4、顶部叶轮中的升力型叶片保证高转速效率；顶部叶轮桁架的横截面为半圆形，作为支撑的同时也起阻力型叶片的作用。
5、行星齿轮箱消除顶部叶轮与塔架叶轮间转速差，减少能量传输损耗，提高转化效率。
6、发电机与塔架之间无直接连接，不向塔架传递扭矩，不会造成塔架的切向载荷。
7、导流板为翼型结构，作为支撑的同时也具有导流功能。
附图说明
图1为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的整体结构主视示意图；
图2为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的顶部叶轮轴测示意图；
图3为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的行星齿轮箱主视剖视图；
图4为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的塔架局部轴测示意图；
图5为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的塔架叶轮轴测示意图；
图6为本发明组合式垂直轴风力机一种实施例的顶部叶轮、行星齿轮箱和塔架的连接示意图；(图中：1、顶部叶轮；2、行星齿轮箱；3、塔架；4、塔架叶轮；5、隔板；6、发电机；7、基础；8、导流板；9、顶部叶轮升力叶片；10、顶部叶轮桁架；11、顶部叶轮转轴；12、隔板轴承；13、塔架叶轮升力叶片；14、塔架叶轮阻力叶片；15、塔架叶轮桁架；16、塔架叶轮转轴；17、行星架；18、行星轮；19、齿圈；20、太阳轮；21、柔性联轴器)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种组合式垂直轴风力机(简称风力机，参见图1-6)，其特征在于该风力机包括顶部叶轮1、行星齿轮箱2、塔架结构、塔架叶轮4、隔板5、发电机6和基础7；
所述基础7通过螺栓与地面连接，螺栓强度满足相应要求；基础7采用混凝土浇筑而成，满足风力机运行中的所需要的工程稳固性要求；所述发电机6安装于基础7上；
所述塔架结构指风力机整体的支撑结构部分；塔架结构由若干层(本实施例为三层，可根据风力机功率要求灵活增减层数)高度一致的塔架3组成；最下层的塔架3通过螺栓固定于基础7上；相邻两层塔架3之间通过隔板5连接；每层塔架3由若干片(本实施例为六片)翼型导流板8组成；导流板8均匀地布置于隔板5上，上下两端分别与上下两层的隔板5连接；导流板8的后缘(较小端)指向风力机轴心；翼型导流板8具有聚风导流作用，可增强塔架叶轮4的扭矩；导流板8宽度与厚度由机械强度要求决定，长度由风力机整机高度而定；隔板5功能有三：连接上下两层导流板8；增强塔架结构的稳定性；承载各层塔架叶轮4的重量并传递至下层导流板8，最终传递至地面；
优选地，塔架3的直径由下向上逐层变小，以增强塔架结构的稳定性；
每层塔架3内部安装一个塔架叶轮4，塔架叶轮4为塔架3内部捕获风能的结构；每个塔架叶轮4由若干个(本实施例为三个)塔架叶轮升力叶片13、若干个(本实施例为三个)塔架叶轮阻力叶片14、若干个(本实施例为三个)塔架叶轮桁架组和一个塔架叶轮转轴16组成；相邻两个塔架叶轮4的塔架叶轮转轴16之间通过柔性联轴器21连接，最下层的塔架叶轮4的塔架叶轮转轴16通过柔性联轴器21与发电机6的轴端连接，以应对塔架3受载荷形变产生的不共轴现象；塔架叶轮桁架组均匀地安装于塔架叶轮转轴16上，每个塔架叶轮桁架组包括两个平行安装于塔架叶轮转轴16上的塔架叶轮桁架15；一个塔架叶轮升力叶片13安装于一个塔架叶轮桁架组的末端，一个塔架叶轮阻力叶片14的两端安装于一个塔架叶轮桁架组中的两个塔架叶轮桁架15上；塔架叶轮转轴16的两轴端通过隔板轴承12安装在隔板5中，受隔板5的径向约束；隔板轴承12的内圈与塔架叶轮转轴16连接，外圈与隔板5连接；塔架叶轮4重量通过下端隔板轴承12传递给隔板5，再传递至塔架3，最终至地面；
所述行星齿轮箱2起传递能量的作用；所述行星齿轮箱2固定于最上层的塔架3上；所述行星齿轮箱2包括行星架17、行星轮18、齿圈19和太阳轮20；所述齿圈19固定于行星齿轮箱2内部；行星轮18分别与齿圈19和太阳轮20啮合；行星轮18通过轴承安装于行星架17上，轴承内圈与行星架17连接，轴承外圈与行星轮18连接；太阳轮20的轴端通过柔性联轴器21与最上层的塔架叶轮转轴16连接；
所述顶部叶轮1为风力机顶部捕获风能的结构；所述顶部叶轮1包括若干个(本实施例为四个)顶部叶轮升力叶片9、若干个(本实施例为四个)顶部叶轮桁架10和一个顶部叶轮转轴11；顶部叶轮转轴11通过销钉与行星架17的轴端固定连接，顶部叶轮桁架10均匀地安装于顶部叶轮转轴11上，每个顶部叶轮桁架10上安装有一个顶部叶轮升力叶片9；
顶部叶轮1的高度与半径由所设计功率决定；顶部叶轮1的半径为塔架叶轮4的三倍，两者叶尖速比相同，因而顶部叶轮1转速为塔架叶轮4的三分之一，因此为了减少能量传递过程中的损失，需要升速比为三的行星齿轮箱2提高顶部叶轮1的转速将其能量向下传递给塔架叶轮4。太阳轮20的转速为行星架17转速的三倍。
顶部叶轮升力叶片9和塔架叶轮升力叶片13采用NACA0012标准叶片的气动外形；塔架叶轮阻力叶片14的横截面为半圆形；所述顶部叶轮桁架10的横截面为半圆形，同时起阻力型叶片的作用；
本发明组合式垂直轴风力机的工作原理和工作流程是：
当风速低于风力机切入风速时，风力机处于待机状态，不发电。
当风速位于风力机切入风速和切出风速之间时，风力机进入运行状态，顶部叶轮1和塔架叶轮4经由行星齿轮箱2协同运行，将风能转化为机械能，通过塔架叶轮转轴16向下传递至发电机6，发电机6将机械能转化为电能输出；同时在运行状态中，低风速时，风力机主要由塔架叶轮阻力叶片14产生启动力矩，驱动顶部叶轮1与塔架叶轮4转动；高风速时，主要由顶部叶轮升力叶片9和塔架叶轮升力叶片13提升转速，增加风能捕获。升阻结合型叶轮的使用兼顾了低风速启动性能与高风速下的风能捕获效率。
当风速高于风力机切出风速时，为保护自身机械部件及电气部件，风力机进入停机状态，停止发电。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种组合式垂直轴风力机，包括基础；所述基础与地面连接；其特征在于该风力机还包括顶部叶轮、行星齿轮箱、塔架结构、塔架叶轮、隔板和发电机；所述发电机安装于基础上；
所述塔架结构由若干层塔架组成；最下层的塔架固定于基础上；相邻两层塔架之间通过隔板连接；每层塔架由若干片导流板组成；导流板均匀地布置于隔板上，上下两端分别与上下两层的隔板连接；
每层塔架内部安装一个塔架叶轮；每个塔架叶轮由若干个塔架叶轮升力叶片、若干个塔架叶轮阻力叶片、若干个塔架叶轮桁架组和一个塔架叶轮转轴组成；相邻两个塔架叶轮的塔架叶轮转轴之间通过柔性联轴器连接，最下层的塔架叶轮的塔架叶轮转轴通过柔性联轴器与发电机的轴端连接；塔架叶轮桁架组均匀地安装于塔架叶轮转轴上，每个塔架叶轮桁架组包括两个平行安装于塔架叶轮转轴上的塔架叶轮桁架；一个塔架叶轮升力叶片安装于一个塔架叶轮桁架组的末端，一个塔架叶轮阻力叶片的两端安装于一个塔架叶轮桁架组中的两个塔架叶轮桁架上；塔架叶轮转轴的两轴端通过隔板轴承安装在隔板中；
所述行星齿轮箱固定于最上层的塔架上；所述行星齿轮箱包括行星架、行星轮、齿圈和太阳轮；所述齿圈固定于行星齿轮箱内部；行星轮分别与齿圈和太阳轮啮合；行星轮通过轴承安装于行星架上；太阳轮的轴端通过柔性联轴器与最上层的塔架叶轮转轴连接；
所述顶部叶轮包括若干个顶部叶轮升力叶片、若干个顶部叶轮桁架和一个顶部叶轮转轴；顶部叶轮转轴与行星架的轴端固定连接，顶部叶轮桁架均匀地安装于顶部叶轮转轴上，每个顶部叶轮桁架上安装有一个顶部叶轮升力叶片；顶部叶轮的半径为塔架叶轮的三倍，两者叶尖速比相同。
2.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于基础采用混凝土浇筑而成。
3.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于导流板为翼型；导流板的后缘指向风力机轴心。
4.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于塔架的直径由下向上逐层变小。
5.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于顶部叶轮升力叶片和塔架叶轮升力叶片采用NACA0012标准叶片的气动外形。
6.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于塔架叶轮阻力叶片的横截面为半圆形。
7.根据权利要求1所述的组合式垂直轴风力机，其特征在于所述顶部叶轮桁架的横截面为半圆形，起阻力型叶片的作用。
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