CN220955906U - 一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置，包括发电装置本体、动叶片、叶片转轴，发电装置本体包括支撑立柱、回转支承、上横梁、下横梁以及发电机，所述发电机安装在支撑立柱一端；发电机中心轴上固定安装有回转支承，上横梁、下横梁分别固定安装在回转支承的上、下端面，在上横梁、下横梁之间设有叶片转轴，动叶片偏心安装在叶片转轴上；在上横梁或下横梁上安装有阻尼装置并与叶片转轴端部设置的齿轮啮合传动。本实用新型解决了垂直轴风力发电机逆风区的阻力问题，能够最大程度把自然风风能转换成机械能，风能转化效率高，在特大风力使用时，通过阻尼装置可以调节动叶片方向，保护风机，且结构简单，操作方便，噪音小，特别适用低风速风场风能的利用。

Description

一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置。

背景技术

现有的风力发电设备的驱动叶片常见的为水平轴三叶片和垂直轴阻力型或升力型叶片，目前，世界上大部分的大型风力发电机都采用水平轴风力发电机，但其需要偏航、变桨等控制，结构复杂，自启动性能较差，造价昂贵，且不适于小型风场；垂直轴风力发电机的主轴与水平面相垂直，结构相对简单，相对于水平轴风力发电机组，垂直轴风力发电机组具有自动对风向、结构简单、无噪声、安全可靠性高、维护方便等优点，特别适合小型风场和分布式能源场合使用，但目前垂直轴风力发电机普遍存在风能利用效率不高，发电效率低等问题，影响了该产品的推广应用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置，区别于结构复杂、自启动性能较差且造价昂贵的水平轴风力发电机，并解决垂直轴风力发电机普遍存在的风能利用效率不高，发电效率低等问题

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置，包括发电装置本体、动叶片、叶片转轴、阻尼装置，所述发电装置本体包括支撑立柱、回转支承、上横梁、下横梁以及发电机，所述支撑立柱一端安装在地基上，另一端安装有所述发电机；所述发电机的中心轴的轴线与所述支撑立柱轴线平行，在所述中心轴上固定安装有所述回转支承，所述上横梁、下横梁分别固定安装在所述回转支承的上端面及下端面，在所述上横梁、下横梁之间设有叶片转轴，所述叶片转轴上安装有所述动叶片，所述叶片转轴与所述动叶片横截面长度中心不重合；所述阻尼装置安装在上横梁或下横梁上，通过阻尼装置上的齿条与设于叶片转轴上的齿轮啮合传动。

所述动叶片为翼形叶片，所述叶片转轴处于动叶片横截面长度方向偏向翼形叶片前缘一端；如图3所示，即：L1＞L2，采用翼形叶片可减少运行时的阻力和噪音；

所述上横梁、下横梁为2-8组，每一组所述上横梁、下横梁上安装有1-5个叶片转轴；在上横梁或下横梁上安装有与叶片转轴数量相同的阻尼装置，一个阻尼装置与一个叶片转轴端部设置的齿轮啮合传动。所述阻尼装置包括外壳导向轴、支撑导轨、阻尼挡圈、阻尼弹簧，所述外壳中设有第一支撑导板、第二支撑导板、端面板，所述第一支撑导板、第二支撑导板、端面板上各设有一个同轴线的通孔，所述第一支撑导板、第二支撑导板上的通孔构成支撑导轨；所述导向轴由两端的第一光杆、第二光杆及中部的齿条组成，所述第一光杆、第二光杆与所述齿条结合部位各设有第一定位挡圈、第二定位挡圈；所述第一光杆、第二光杆安装在构成所述支撑导轨的第一支撑导板、第二支撑导板的通孔中，所述第二光杆并延伸至端面板上设置的通孔中；在第二支撑导板与端面板之间的所述第二光杆上还设有阻尼挡圈，在所述阻尼挡圈与端面板之间的所述第二光杆上套装有阻尼弹簧，所述阻尼弹簧两端分别与阻尼挡圈及端面板接触，实现轴向定位。

所述导向轴上的第一定位挡圈距支撑导轨中第一支撑导板的距离L₃与第二定位挡圈距支撑导轨中第二支撑导板的距离L₄相同。

所述导向轴中部的齿条与叶片转轴端部设置的齿轮啮合传动。

所述叶片转轴上的齿轮顺时针或逆时针转动180度，带动所述齿条产生的位移量与L₃、L₄的长度相同。通过限定L3＝L4且与齿轮转动180度带动齿条产生的位移量相同，确保导向轴左右运动行程终点位置受限；具体是：通过第一定位挡圈与支撑导轨中第一挡板的接触限制导向轴向左运动行程的终点；通过第二定位挡圈与支撑导轨中第二挡板的接触限制导向轴向右运动行程的终点。

本实用新型中，当环境风力风速大于20米/秒时，在顺风区间，动叶片在风力的作用下，产生较大的转动力矩，带动转轴齿轮，由转轴齿轮带动阻尼装置内齿条克服阻尼弹簧的阻力向右产生位移，动叶片沿叶片转轴顺时针旋转一定角度，见图4，风力越大，动叶片旋转角度越大；当环境风力风速小于20米/秒时，动叶片阻尼装置作用下保持静止。风速20米/秒是在顺风区驱动动叶片旋转的临界风速，顺风区间驱动动叶片旋转的临界风速大小的设定可通过改变弹簧阻力的大小调整。

发电机置于支撑立柱上端，将风力的机械能转化为电能，本实用新型回转支承旋转时，动叶片能自动识别风向并调节其方向，不需要转向机构，结构简单，风能转化效率显著提高，特别适用低风速风场风能的利用。

本实用新型中，叶片转轴上端装有与安装在横梁上的阻尼装置中的齿条啮合的齿轮，阻尼装置为单向阻尼，在动叶片处于顺风方向的0～180°区间有阻尼，逆风方向的180°范围无阻尼。

参见附图3，在顺风向时，动叶片的迎风面受力，动叶片将在迎风面的风力作用下带动叶片转轴作顺时针方向转动，叶片转轴上的齿轮带动阻尼装置中的齿条向阻尼弹簧方向移动，阻尼挡圈压缩阻尼弹簧，产生阻尼力，对动叶片的转动施加约束，使阻尼力与迎风面风力达到平衡；当顺风向风力等级小于等于20米/秒时，阻尼弹簧不发生弹性变形，此时，动叶片在风力作用下形成沿顺时针方向转动的趋势，并通过叶片转轴上设置的齿轮对阻尼装置中的齿条施加向阻尼弹簧方向运动的力，通过阻尼挡圈对阻尼弹簧施加压力，由于阻尼弹簧刚度设置，受压后并不产生弹性变形，因此，阻尼装置将约束动叶片保持与上横梁或下横梁同轴线，保证动叶片与横梁夹角为0°；在D点与风向夹角为0°，在F点与风向夹角为180°，动叶片与风向夹角在0～180°之间变化，动风叶与风向方向形成较大的迎风面积，产生较大的风压，在横梁上产生力矩，推动横梁带动中心轴旋转；带动电机旋转发电；动叶片旋转到F点，动叶片进入逆风区，动叶片迎风面改变，此时，由于动叶片轴心两边风压不相等，A区风压大于B区风压，阻尼装置反向无阻尼，动叶片在风压的作用下，动叶片带动转轴一起作逆时针方向转动，叶片转轴上的齿轮带动阻尼装置中的齿条向支撑导轨中的第一挡板方向移动，由于逆风方向的180°范围无阻尼，此时阻尼弹簧处于松弛状态，对动叶片不构成约束；在逆风方向时，动叶片将不受约束自适应调整与风向平行，形成最小的逆风阻力；当风机风叶旋转到D点时，动叶片与上、下横梁夹角变成0°0，回到初始状态，见图3。

参见附图4，当顺风方向风力等级超过20米/秒时，动叶片在风力作用下沿顺时针方向转动，通过叶片转轴上设置的齿轮带动阻尼装置中的齿条运动，通过阻尼挡圈压缩阻尼弹簧产生阻尼力，当阻尼力与迎风面风力达到平衡时，动叶片停止转动，此时，动叶片与上横梁或下横梁轴线产生一定夹角，通过风力与阻尼装置的协同作用，在大风环境下，有效减小动叶片的迎风面积，降低回转支承的旋转速度，保证电机正常旋转对外发电，风力减小到正常范围时，动叶片回归到与上横梁或下横梁同轴线的正常位置。

本实用新型具有以下优点：：

1.本实用新型采用可转动的动叶片，能保证垂直型风力发电装置回转支承旋转过程中，在自然风力和阻尼装置的共同作用下，在动叶片处于逆风区间阻力最小，在动叶片处于顺风区间迎风面最大，解决了垂直轴风力发电机逆风区的阻力问题，能够最大程度把自然风风能转换成机械能，提升风力发电装置的发电效率。

2.本实用新型结构简单，造价不高，且使用时噪音小，适用范围广。

3.本实用新型在特大风力使用时，动叶片通过阻尼装置可以调节风叶方向，保护风机。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的阻尼装置结构示意图。

图3是本实用新型中动叶片在迎风面及逆风面时转动方向示意图。

图4是在风力较大时阻尼装置调控动叶片相对风向的位置变化示意图。

图5是本实用新型中动叶片结构示意图。

图中：1.地基 2.支撑立柱 3.发电机 4.下横梁 5.动叶片 6.上横梁 7.回转支承8.中心轴 9.阻尼装置 10.齿轮 11.叶片转轴 12.阻尼弹簧 13.阻尼挡圈 14.壳体 15.第一支撑导板 16.第二支撑导板 17.端面板 18.第一定位挡圈 19.第二定位挡圈,20.导向轴，20-1.第一光杆，20-2.齿条，20-3.第二光杆，21，翼形叶片前缘.22，翼形叶片后缘。

图3中，显示的是风力等级小于等于20米/秒时，在顺风区，阻尼弹簧不发生弹性变形，阻尼装置约束动叶片保持与上横梁或下横梁同轴线，动叶片与横梁夹角为0°。在逆风区，由于阻尼装置反向无阻尼，动叶片将不受约束，在风压的作用下，动叶片将逆时针方向转动，自适应调整至与风向平行，形成最小的逆风阻力；当风机风叶旋转到D点时，动叶片与上、下横梁夹角变成0°，回到初始状态。

图4中，C点位置显示的是风力等级超过20米/秒时，动叶片的位置变化情况，即动叶片在风力及阻尼装置协同作用下，沿顺时针方向转动一定角度，直至动叶片上承受的风力与阻尼力达到平衡。

E点位置显示的是动叶片在逆风区由于动叶片轴心两边风压不相等，A区风压大于B区风压，阻尼装置反向无阻尼，在风压的作用下，动叶片带动转轴一起作逆时针方向转动。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

实施例1

参见附图1，一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置，包括发电装置本体、动叶片(5)、叶片转轴(11)、阻尼装置(9)，所述发电装置本体包括支撑立柱(2)、回转支承(7)、上横梁(6)、下横梁(4)以及发电机(3)，所述支撑立柱(2)一端安装在地基(1)上，另一端安装有所述发电机(3)；所述发电机(3)的中心轴(8)的轴线与所述支撑立柱(2)轴线平行，在所述中心轴(8)上固定安装有所述回转支承(7)，所述上横梁(6)、下横梁(4)分别固定安装在所述回转支承(7)的上端面及下端面，在所述上横梁(6)、下横梁(4)之间设有叶片转轴(11)，所述叶片转轴(11)上安装有所述动叶片(5)，所述动叶片(5)为翼形叶片，所述叶片转轴(11)处于动叶片(5)横截面长度方向偏向翼形叶片前缘(21)一端；参见附图3，叶片转轴(11)距翼形叶片后缘(22)的距离L1大于翼形叶片前缘(21)距叶片转轴(11)的距离L2，即：L1＞L2，采用翼形叶片可减少运行时的阻力和噪音；

所述上横梁(6)、下横梁(4)为2组，每一组所述上横梁(6)、下横梁(4)上安装有1个叶片转轴(11)，所述阻尼装置(9)安装在上横梁(6)上，通过阻尼装置(9)上的齿条与设于叶片转轴(11)上的齿轮(10)啮合传动；

所述阻尼装置(9)包括外壳(14)、导向轴(20)、支撑导轨、阻尼挡圈(13)、阻尼弹簧(12)，所述外壳(14)中设有第一支撑导板(15)、第二支撑导板(16)、端面板(17)，所述第一支撑导板(15)、第二支撑导板(16)、端面板(17)上各设有一个同轴线的通孔，第一支撑导板(15)、第二支撑导板(16)上的通孔构成支撑导轨；所述导向轴(20)由两端的第一光杆(20-1)、第二光杆(20-3)及中部的齿条(20-2)组成，所述第一光杆(20-1)、第二光杆(20-3)与所述齿条(20-2)结合部位各设有第一定位挡圈(18)、第二定位挡圈(19)；所述第一光杆(20-1)、第二光杆(20-3)安装在构成所述支撑导轨的第一支撑导板(15)、第二支撑导板(16)的通孔中，所述第二光杆(20-3)并延伸至端面板(17)上设置的通孔中；在第二支撑导板(16)与端面板(17)之间的所述第二光杆(20-3)上还设有阻尼挡圈(13)，在所述阻尼挡圈(13)与端面板(17)之间的所述第二光杆(20-3)上套装有阻尼弹簧(12)，所述阻尼弹簧(12)两端分别与阻尼挡圈(13)及端面板(17)接触，实现轴向定位；

所述导向轴上的第一定位挡圈(18)距支撑导轨中第一支撑导板(15)的距离L₃与第二定位挡圈(19)距支撑导轨中第二支撑导板(16)的距离L₄相同；

所述导向轴(20)中部的齿条(20-2)与叶片转轴(11)端部设置的齿轮(10)啮合传动；

所述叶片转轴(11)上的齿轮(10)转动180度，带动所述齿条(20-2)产生的位移量与L₃、L₄的长度相同。通过限定L3＝L4且与齿轮转动180度带动齿条产生的位移量相同，确保导向轴左右运动行程终点位置受限；具体是：通过第一定位挡圈与支撑导轨中第一挡板的接触限制导向轴向左运动行程的终点；通过第二定位挡圈与支撑导轨中第二挡板的接触限制导向轴向右运动行程的终点。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别在于：所述上横梁(6)、下横梁(4)为4组，每一组所述上横梁(6)、下横梁(4)上安装有2个叶片转轴；每一个叶片转轴上端安装有一个齿轮(10)；在上横梁(6)上安装有2个阻尼装置(9)，每一个阻尼装置(9)中的导向轴(20)中部的齿条(20-2)均与一个叶片转轴(11)端部设置的齿轮(10)啮合传动。

实施例3

本实施例3与实施例2的区别在于：所述上横梁(6)、下横梁(4)为8组，每一组所述上横梁(6)、下横梁(4)上安装有4个叶片转轴；每一个叶片转轴下端安装有一个齿轮(10)；在下横梁(6)上安装有4个阻尼装置(9)，每一个阻尼装置(9)中的导向轴(20)中部的齿条(20-2)均与一个叶片转轴(11)端部设置的齿轮(10)啮合传动。

本实用新型的工作原理简述于下：

本实用新型中，叶片转轴上装有与安装在上横梁或下横梁上的阻尼装置中的齿条啮合的齿轮，阻尼装置为单向阻尼，在动叶片处于顺风方向的0～180°区间有阻尼，逆风方向的180°范围无阻尼。

当环境风力风速大于20米/秒时，在顺风区间，动叶片在风力的作用下，产生较大的转动力矩，带动转轴齿轮，由转轴齿轮带动阻尼装置内齿条克服阻尼弹簧的阻力向右产生位移，动叶片沿叶片转轴顺时针旋转一定角度，见图4，风力越大，动叶片旋转角度越大；当环境风力风速小于20米/秒时，动叶片阻尼装置作用下保持静止。风速20米/秒是在顺风区驱动动叶片旋转的临界风速，顺风区间驱动动叶片旋转的临界风速大小的设定可通过改变弹簧阻力的大小调整。

参见附图3，在顺风向时，动叶片的迎风面受力，动叶片将在迎风面的风力作用下带动叶片转轴作顺时针方向转动，叶片转轴上的齿轮带动阻尼装置中的齿条向阻尼弹簧方向移动，阻尼挡圈压缩阻尼弹簧，产生阻尼力，对动叶片的转动施加约束，使阻尼力与迎风面风力达到平衡；

当顺风向风力等级小于等于20米/秒时，阻尼弹簧不发生弹性变形，此时，动叶片在风力作用下形成沿顺时针方向转动的趋势，并通过叶片转轴上设置的齿轮对阻尼装置中的齿条施加向阻尼弹簧方向运动的力，通过阻尼挡圈对阻尼弹簧施加压力，由于阻尼弹簧刚度大，受压后并不产生弹性变形，因此，阻尼装置将约束动叶片保持与上横梁或下横梁同轴线，保证动叶片与横梁夹角为0°；在D点与风向夹角为0°，在F点与风向夹角为180°，动叶片与风向夹角在0～180°之间变化，动风叶与风向方向形成较大的迎风面积，产生较大的风压，在横梁上产生力矩，推动横梁带动电机中心轴旋转；带动电机旋转发电；

动叶片旋转到F点，动叶片进入逆风区，动叶片迎风面改变，此时，由于动叶片轴心两边风压不相等，A区风压大于B区风压，阻尼装置反向无阻尼，动叶片在风压的作用下，动叶片带动转轴一起作逆时针方向转动，叶片转轴上的齿轮带动阻尼装置中的齿条向支撑导轨中的第一挡板方向移动，由于逆风方向的180°范围无阻尼，此时阻尼弹簧处于松弛状态，对动叶片不构成约束；在逆风方向时，动叶片将不受约束自适应调整与风向平行，形成最小的逆风阻力；当风机风叶旋转到D点时，动叶片与上、下横梁夹角变成0°，回到初始状态，见图3。

参见附图4，当顺风方向风力等级超过20米/秒时，动叶片在风力作用下沿顺时针方向转动，通过叶片转轴上设置的齿轮带动阻尼装置中的齿条运动，通过阻尼挡圈压缩阻尼弹簧产生阻尼力，当阻尼力与迎风面风力达到平衡时，动叶片停止转动，此时，动叶片与上横梁或下横梁轴线产生一定夹角，通过风力与阻尼装置的协同作用，在大风环境下，有效减小动叶片的迎风面积，降低回转支承的旋转速度，保证电机正常旋转对外发电，风力减小到正常范围时，动叶片回归到与上横梁或下横梁同轴线的正常位置。确保大风力情况下发电机的正常运行，不至于烧毁发电机。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种垂直轴偏心动叶片风力发电装置，包括发电装置本体、动叶片、叶片转轴、阻尼装置，所述发电装置本体包括支撑立柱、回转支承、上横梁、下横梁以及发电机，其特征在于：所述支撑立柱一端安装在地基上，另一端安装有所述发电机；所述发电机的中心轴的轴线与所述支撑立柱轴线平行，在所述中心轴上固定安装有所述回转支承，所述上横梁、下横梁分别固定安装在所述回转支承的上端面及下端面，在所述上横梁、下横梁之间设有叶片转轴，所述叶片转轴上安装有所述动叶片，所述叶片转轴与所述动叶片横截面长度中心不重合；所述阻尼装置安装在上横梁或下横梁上，通过阻尼装置上的齿条与设于叶片转轴上的齿轮啮合传动。

2.根据权利要求1所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述动叶片为翼形叶片，所述叶片转轴处于动叶片横截面长度方向偏向翼形叶片前缘一端。

3.根据权利要求2所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述上横梁、下横梁为多组，每一组所述上横梁、下横梁上安装有一个或多个叶片转轴。

4.根据权利要求3所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述上横梁、下横梁为2-8组，每一组所述上横梁、下横梁上安装有1-5个叶片转轴。

5.根据权利要求4所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：在上横梁或下横梁上安装有与叶片转轴数量相同的阻尼装置，一个阻尼装置与一个叶片转轴端部设置的齿轮啮合传动。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述阻尼装置包括外壳、导向轴、支撑导轨、阻尼挡圈、阻尼弹簧，所述外壳中设有第一支撑导板、第二支撑导板、端面板，所述第一支撑导板、第二支撑导板、端面板上各设有一个同轴线的通孔，所述第一支撑导板、第二支撑导板上的通孔构成支撑导轨；所述导向轴由两端的第一光杆、第二光杆及中部的齿条组成，所述第一光杆、第二光杆与所述齿条结合部位各设有第一定位挡圈、第二定位挡圈；所述第一光杆、第二光杆安装在构成所述支撑导轨的第一支撑导板、第二支撑导板的通孔中，所述第二光杆并延伸至端面板上设置的通孔中；在第二支撑导板与端面板之间的所述第二光杆上还设有阻尼挡圈，在所述阻尼挡圈与端面板之间的所述第二光杆上套装有阻尼弹簧，所述阻尼弹簧两端分别与阻尼挡圈及端面板接触，实现轴向定位。

7.根据权利要求6所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述导向轴上的第一定位挡圈距支撑导轨中第一支撑导板的距离L₃与第二定位挡圈距支撑导轨中第二支撑导板的距离L₄相同。

8.根据权利要求7所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述导向轴中部的齿条与叶片转轴端部设置的齿轮啮合传动。

9.根据权利要求8所述的垂直轴动叶片风力发电装置，其特征在于：所述叶片转轴上的齿轮顺时针或逆时针转动180度，带动所述齿条产生的位移量与L₃、L₄的长度相同。