CN201786573U - 垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电机组,公开了垂直轴叶轮自动变面积高效吸收风能大功率发电机组，包括垂直于地面的内塔筒、外塔筒以及发电机，所述的内塔筒与外塔筒通过球面推力调心轴承转动支撑连接，外塔筒套装在内塔筒之外；外塔筒连接着叶轮；叶轮是由两支或两支以上的扇面组成并且均匀地布置在外塔筒周围；外塔筒内壁下端与内塔筒之间设有辊子轴承组；外塔筒外壁下端安装一个大齿轮；大齿轮啮合增速机构，增速机构啮合小齿轮，小齿轮与发电机驱动连接。本实用新型具有易检修、造价低、易启动、吸收风能效率高等优点。

Description

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组,尤其是涉及垂直轴叶轮自动变面积高效吸收风能大功率发电机组。

背景技术

目前，利用风能来发电的风力发电机，其结构有水平轴和垂直轴两种形式。水平轴式风力发电机已发展到5MW左右，由于水平轴式风力发电机，包括齿轮箱、发电机等机构零部件都要安装在一百米左右的高耸铁塔顶端上，这对制造安装、运行保养、维护检修造成了很大难度，存在建设成本、运行成本都很昂贵的问题。因此水平轴风力发电机很难再向大功率发展。

垂直轴风力发电机其特点是发电机、齿轮箱等重要部件都安装于地面上，制造安装方便、维护保养方便，在相同的发电机容量下其成本显著下降。然而现有的垂直轴风力发电机普遍存在采集风能效率低的问题。

最近，国内外多家公司提出了建造超大型垂直轴风力发电机计划（10MW），此计划一旦实现，会逐步取代水平轴风力发电机将成为世人瞩目的清洁能源主要发电设备之一。

发明内容

本实用新型针对现有技术中风力发电机塔顶高空设备安装、检修难度大、造价高、大功率机启动力矩大，难以启动、吸收风能效率低、电能需要进行“交-直-交”转换等问题，提供了一种通过设定固定轨道，从而实现叶轮上的扇叶可以自由调节，从而大大提高风能的利用效率的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，包括垂直于地面的内塔筒、外塔筒以及发电机，所述的内塔筒与外塔筒通过球面推力调心轴承转动支撑连接，外塔筒套装在内塔筒之外；外塔筒圆周上均布着两支或两支以上的叶轮；外塔筒内壁下端与内塔筒之间设有辊子轴承组；外塔筒外壁下端安装一个大齿轮 ；大齿轮啮合增速机构，增速机构啮合小齿轮，小齿轮与发电机驱动连接(见图1、2)。

作为优选，当发电机组功率中、小时，内塔筒采用钢管或现场浇注的混凝土管构成，当功率大时则采用多边形锥体(一般3～12边)的高耸桁架钢构塔。

作为优选，当发电机组功率小时，外塔筒采用钢管，当功率中、大时则采用鼠笼式桁架结构套筒体。

作为优选，所述的外塔筒内壁下端与内塔筒之间通过辊子轴承组径向约束转动连接，辊子轴承组包括三个或三个以上的多个辊子，辊子座体可微调、锁定。

作为优选，所述的叶轮 (参见图3)是由两支或两支以上的扇面组成，每个单支扇面又由两根或两根以上水平放置的横杆和两根或两根以上的垂直放置纵杆构成一个网格平面；在每个网格眼中的纵杆之间设有一根或一根以上的翼片轴，通过横杆上的轴承转动连接并且贯通于上、下所有横杆；在每个网格眼中的翼片轴上固定连接翼片；每个单支扇面当中的全部翼片轴上的所有翼片均安装时在一个平面内(参见图4)；全部翼片轴下端之间通过联动杆连接(参见图3)，一个单支扇面上的所有翼片同步同形位地转动。

作为优选，所述的叶轮中的翼片截面处处相同，截面的轮廓为NACA机翼形，翼片的圆端命名为翼首σ，尖端命名为翼尾τ(参见图5)。

作为优选，所述的叶轮其中的一根翼片轴下端固接着曲柄滑块；曲柄滑块与轨道机构滑动配合(参见图8、9)。

作为优选，所述的轨道机构中的α凸轮控制着翼的翼首σ，β凸轮控制着翼片的翼尾τ；α凸轮和β凸轮形状是根据翼首σ和翼尾τ轨迹逐点绘制成形的(参见图6)；翼片随着叶轮围绕内塔筒轴心线z-z做卫星式的公转同时也绕翼片轴自转，其连线σ-τ：在Ⅰ、Ⅳ象限（315°～45°）区域内与y轴垂直(参见图6、7)；在Ⅰ象限（45～90°）区域内σ-τ由垂直y轴旋转为平行y轴；在Ⅱ、Ⅲ象限（90～270°）区域内σ-τ与y轴平行；在Ⅰ象限（270～315°）区域内σ-τ由平行y轴旋转为垂直y轴。设定y轴的正方向始终与风速方向一致, 叶轮逆时针旋转。在（315°～45°）内翼片与风速方向垂直迎风面积大为动力区；在（45～90°）和（270～315°）内为过渡区；在（90～270°）内翼片与风速方向平行迎风面积小为减阻区。

一般方程α、β，本例选定α=β=45°,翼片旋转过渡区：t[(90-β)°,90°），                                                

翼片与y轴垂直区：t[0°,(90-β)°）

t[(270+α)°,360°）

翼片旋转过渡区：t[270°,(270+α)°）

翼片与y轴平行区：t[90°,270°）

    作为优选，所述的地面上设有恒频器(高转速的同步电动机)与大齿轮连接(参见图1、2)。所述的发电机为两台或两台以上，以内塔筒的轴心线z-z到发电机轴心线之间距为r半径呈圆周均匀分布(见图1、2)。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有如下优点：

1、固定于地面的内塔筒采用桁架结构，内塔筒的当量直径可以设计很大其抗弯模量也大提高了整机抗弯刚度；套装在内塔筒之外的外塔筒当量直径也随之设计很大其抗扭模量也大确保了向大齿轮传递很大扭矩，为垂直轴风力发电机向大功率发展提供了先决条件。同时内、外塔筒均为桁架结构通风性很好，减小了风对塔架的倾翻力矩，使整个风机的稳定性好。

2、内、外塔筒的上端采用球面推力调心轴承连接不会产生安装附加力。下端采用三个或三个以上的多个辊子对外塔筒起到径向约束作用，这种上下端轴承方式给安装调试降低难度带来方便。

3、辊子轴承组的辊子数量可以充分地多，即辊子轴承组直径D（见图1）可充分大，支持着内、外塔筒的当量直径向大方向发展；辊子轴承组直径D可充分大，也使外塔筒高度h充分向下延伸接近地面，增加了叶轮长度L提高了迎风面积，吸收风能的效率得到了提高。

4、垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组的整机高度H及叶轮的扫风半径R都可以充分大，给垂直轴风力发电机向大功率方向发展奠定了坚实基础。

5、每个单支叶轮采用网格式结构（参见图3），网格眼中都有翼片。叶轮围绕着内塔筒z—z轴做卫星式圆周运动翼片随之绕翼片轴自转，曲柄滑块被α凸轮、β凸轮强制性地驱动，相邻的翼片轴之间有连杆联动使得所有的翼片在Ⅰ、Ⅳ象限与风速方向垂直获得动力；在Ⅱ、Ⅲ象限与风速方向平行充分减小阻力。这样叶轮吸收风能的效率得到了提高。

6、有一台小容量的直流逆变高频发生器产生高频电流驱动一个恒频器(极高转速同步电动机始终处于制动运行状态)，相当于钟表的擒纵机构控制大齿轮恒定转速，使发电机发出符合国家电网标准的交流电。从而实现取消“交-直-交”电控设备。

7、外塔筒下端的大齿轮带动多个增速器、小齿轮、发电机。增速机构中有离合器，风小时合上一台电机发电；风大时合上多台电机发电，一年四季风大风小都能发电，风能资源得到有效利用。

8、无载启动：增速机构的离合器、恒频器全打开，由液压制动闸控制叶轮转动速度，速度调到适当后，一台一台地合上增速机构的离合器，再全部松开液压制动闸，实现多机发电。大功率机难启动的问题也解决了。

9、智能柜检测出恒频器是动力运行状态，则风轮动力不足，智能柜指令离合器减少发电机台数；智能柜检测出恒频器是制动运行状态，则风轮动力过剩，智能柜指令离合器增加发电机台数。始终让恒频器处于制动运行-动力运行之间的临界状态，这是最合理的利用风能。

10、内外塔筒之间设有无接触限位器遇到台风飓风时起到防止外塔筒被抬起“飘升”现象。

附图说明

图1是本实用新型的纵向剖面结构示意图。

图2是图1中A-A剖面图。

图3是图4中C-C剖面图。

图4是图1中B-B剖面图。

图5是图4中Ⅱ处的放大示意图。

图6是α凸轮和β凸轮形状示意图。

图7是α凸轮和β凸轮对y轴镜像图。

图8是α凸轮和β凸轮交叉点处断开示意图。

图9是图1 中I处的放大示意图。

图10一个单支扇面旋转360°，扇面每间隔15°轨迹集合示意图。

图11三个单支扇面旋转120°，扇面每转过15°轨迹展开示意图。

附图标记

1—内塔筒、2—外塔筒、3—叶轮、3.0—扇面、3.1—横杆、3.2—纵杆、3.3—翼片轴、3.4—翼片、3.5—轴承、3.6—曲轴、4—连动杆、5—曲柄滑块机构、5.1—σ轴、5.2—τ轴、5.3—活柄、5.4—滑(轮)块σ、5.5—滑(轮)块τ、6—轨道机构、6.1—对风器、6.2—α凸轮、6.3—β凸轮、6.4—轨道盘、6.5—轴承、7—小齿轮、8—增速机构、9—大齿轮、10—辊子轴承组、11—无接触限位器、12—球面推力调心轴承、13—发电机、14—自动检测器柜、15—智能检测器柜、16—电池组高频逆变电源、17—液压制动闸、18—测速器、19—恒频器、20—测风装置、21—地面。

具体实施方式

下面结合附图1～8以实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例1

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，如图1、2所示，包括垂直于地面21的内塔筒1、外塔筒2以及发电机13。塔筒1与外塔筒2通过球面推力调心轴承12转动支撑连接，外塔筒2套装在内塔筒1之外；外塔筒2圆周上均布两支或两支以上的叶轮3；外塔筒2内壁下端与内塔筒1之间设有辊子轴承组10；外塔筒2外壁下端安装一个大齿轮 9；大齿轮 9啮合增速机构8，增速机构8 啮合小齿轮7，小齿轮7与发电机13驱动连接。

轨道机构6中的α凸轮6.2控制着翼片3.4的翼首σ，β凸轮6.3控制着翼片3.4的翼尾τ；α凸轮6.2和β凸轮6.3形状是根据翼首σ和翼尾τ轨迹逐点绘制成形的(参见图6)；翼片3.4随着叶轮3围绕内塔筒1轴心线z-z做卫星式的公转同时也绕翼片轴3.3自转，其连线σ-τ：在Ⅰ、Ⅳ象限（315°～45°）区域内与y轴垂直(参见图6、7)；在Ⅰ象限（45～90°）区域内σ-τ由垂直y轴旋转为平行y轴；在Ⅱ、Ⅲ象限（90～270°）区域内σ-τ与y轴平行；在Ⅰ象限（270～315°）区域内σ-τ由平行y轴旋转为垂直y轴。设定y轴的正方向始终与风速方向一致, 叶轮3逆时针旋转。在（315°～45°）内翼片3.4与风速方向垂直迎风面积大为动力区；在（45～90°）和（270～315°）内为过渡区；在（90～270°）内翼片3．4与风速方向平行迎风面积小为减阻区。

翼片轴3.3与曲轴3.6固定连接（参见图8、9)；连杆4与曲轴3.6转动连接带动多个翼片3.4；σ轴5.1和τ轴5.2分别与翼片3.4翼首σ点和翼尾τ点相对应；σ轴5.1和τ轴5.2通过横梁与曲轴3.6固定连接；活柄5.3在σ轴5.1上转动；滑(轮)块σ5.4在活柄5.3上转动；滑(轮)块τ5.5在τ轴5.2上转动；滑(轮)块σ5.4和滑(轮)块τ5.5分别与α凸轮6.2和β凸轮6.3滑动连接。

地面21上设有测速器18与大齿轮9上的数码盘间隙连接。

地面21上设有液压制动器17与大齿轮9上的制动盘间隙连接。

内塔筒1顶端安有测风装置20。

发电机13为两台或两台以上，以内塔筒1的轴心线z-z到发电机13轴心线之间距为r半径呈圆周均匀分布。 

实施例2

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其中发电机13为异步发电机，并增设整流逆变 “交-直-交”电控设备，测速器18设定转速基准值，人工观察测速器18当读数大于转速基准值时：大齿上所具能量有余，增速机构8上的离合器手动方式连接增加电机13的运转台数；当读数小于转速基准值时：大齿上所具能量不足，增速机构8上的离合器手动方式断开减少电机13的运转台数。一年四季风大风小都能发电从而有效合理地利用风能源。其余同实施例1。

实施例3

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，如图1、2所示，垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组中发电机13为同步发电机，设有一台电池组高频逆变电源16产生高频电源，驱动一个恒频器19（极高转速的同步电动机）再通过减速机构控制大齿轮恒速转动（极高转速同步电动机始终处于制动运行状态，相当于钟表的擒纵机构）确保同步发电机转子转速恒定。设有自动检测器柜14它能检测发电机13发出电的实际频率等参数进行工作记录，并与标准频率50Hz进行比对是否在许用偏差内，若超差报警、自动切断停止对国家电网的并入。设有智能检测器15它能检测到恒频器19（极高转速的同步电动机）是处于制动运行状态还是动力运行状态，或是临界状态。若制动运行状态意味着大齿上所具能量有余，智能检测器15指令增速机构8上的离合器自动方式连接增加电机13的运转台数；若动力运行状态意味着大齿上所具能量不足，智能检测器15指令增速机构8上的离合器自动方式断开减少电机13的运转台数；恒频器19始终处于临界状态，使发电机发出符合国家标准频率的交流电，从而实现取消“交-直-交”电控设备。其余同实施例1。

实施例4

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其内塔筒1是垂直地面并固定于地面的悬臂梁，为钢管。其余同实施例1。

实施例5

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，内塔筒1是垂直地面并固定于地面的悬臂梁，采用六边形椎体的高耸桁架钢构塔。其余同实施例1。

实施例6

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，对风器6.1是电力驱动轨道盘6.4，根据测风装置20指示的风速方向人工操作电器盘使对风器6.1转动，确保轨道机构6的 y轴正方向与风速一致。其余同实施例1。

实施例7

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，对风器6.1是电力驱动轨道盘6.4，根据测风装置20指示的风速方向智能检测器15指令对风器6.1转动，确保轨道机构6的 y轴正方向与风速一致。其余同实施例1。

实施例8

垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，由两台垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组组成一个小单元在风场中布局。两台的叶轮3相对旋转即两个塔筒中间是风的推进方向。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，包括垂直于地面（21）的内塔筒（1）、外塔筒(2)以及发电机(13)，其特征在于：所述的内塔筒（1）与外塔筒（2）通过球面推力调心轴承（12）转动支撑连接，外塔筒(2)套装在内塔筒（1）之外；外塔筒(2)连接着叶轮（3）；叶轮（3）是由两支或两支以上的扇面（3.0）组成并且均匀地布置在外塔筒(2)周围；外塔筒(2)内壁下端与内塔筒（1）之间设有辊子轴承组(10)；外塔筒(2)外壁下端安装一个大齿轮(9)；大齿轮(9)啮合增速机构(8)，增速机构(8) 啮合小齿轮(7)，小齿轮(7)与发电机(13)驱动连接。

2.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述内塔筒（1）为钢管、混凝土管或多边形锥体高耸桁架钢构中的一种或多种组合而成。

3.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述外塔筒（2）为钢管或鼠笼式桁架结构套筒中的一种或多种组合而成。

4.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的外塔筒(2)内壁下端与内塔筒(1)之间通过有辊子轴承组(10)径向约束转动连接，辊子轴承组(10)包括三个或三个以上的多个辊子。

5.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的叶轮(3)是由两支或两支以上的扇面(3.0)组成，每个单支扇面 (3.0)又由两根或两根以上的横杆(3.1)和两根或两根以上的纵杆(3.2)构成网格平面；在每个网格眼中的纵杆(3.2)之间设有一根或一根以上的翼片轴(3.3)，通过横杆(3.1)上的轴承(3.5)转动连接并且贯通于上、下所有横杆(3.1)；在每个网格眼中的翼片轴(3.3) 段上固定连接翼片(3.4) ；每根翼片轴(3.3)上的所有翼片(3.4)均在一个平面内；所有翼片轴(3.3)下端之间通过联动杆(4)连接，一支叶轮(3)上的全部翼片(3.4)同步同形位转动。

6.根据权利要求1或5所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的叶轮(3)中的翼片(3.4)截面处处相同，截面的轮廓为NACA机翼形，翼片(3.4)的圆端命名为翼首σ，尖端命名为翼尾τ。

7.根据权利要求1或5所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的叶轮(3)其中的一根翼片轴(3．3)下端固接着曲柄滑块机构(5)；曲柄滑块机构(5)的滑块（5.4）与轨道机构(6)滑动配合。

8.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的轨道机构（6）中的α凸轮（6.2）控制着翼片（3.4）的翼首σ，β凸轮（6.3）控制着翼片（3.4）的翼尾τ；α凸轮（6.2）和β凸轮（6.3）形状是根据翼首σ和翼尾τ轨迹逐点绘制成形的；翼片（3.4）随着叶轮（3）围绕内塔筒（1）轴心线做卫星式的公转同时也自转，其连线σ-τ：在Ⅰ、Ⅳ象限（315°～45°）区域内与y轴垂直；在Ⅰ象限（45～90°）区域内σ-τ由垂直y轴旋转为平行y轴；在Ⅱ、Ⅲ象限（90～270°）区域内σ-τ与y轴平行；在Ⅰ象限（270～315°）区域内σ-τ由平行y轴旋转为垂直y轴。

9.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的地面（21）上设有高转速的恒频器（19）与齿轮系连接，地面（21）上设有液压制动器（17）与大齿轮（9）上的制动盘间隙连接，内塔筒（1）顶端安有测风装置（20）。

10.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮自动变面积风力发电机组，其特征在于：所述的发电机（13）为两台或两台以上，以内塔筒（1）的轴心线到发电机（13）轴心线之间距为r半径呈圆周均匀分布。

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