CN101344069A - 具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种电机技术领域的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，包括：中心机构、外围机构两个部分，中心机构中，基轴上均匀设有两组或两组以上的导轴承，导轴承的外环上设有摇杆架，基轴底部的导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮装配在一起；外围机构中，摇杆和弧形摇杆组成笼的一个层面，层面的数目与中心机构中的导轴承数目相同，摇杆的一端与摇杆架活动连接，另一端与六通接头活动连接，六通接头的两侧面与弧形摇杆采用活动的球形铰接，若干摇杆以摇杆架为中心呈放射状均匀分布，与若干弧形摇杆组成圆形底面，立杆与笼的上下底面中的六通接头固定连接，每个立杆的外侧均设有一竖向叶片。本发明结构可靠、风能利用率高。

Description

具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及一种电机技术领域的风力发电机，具体是一种具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机。

背景技术

为了生产电力，人们使用矿物燃料、核燃料、水能、风能等，但为了保护环境，在可以预见的未来，风能将以其洁净及可再生的优点而得到广泛的应用。

目前，风力发电机组所应用的风力发电机按主轴布置的方式来分类主要有水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机两种形式。水平轴风力发电机建有高的塔架来支撑整个机组的重量并有效的利用高空的风能，塔架还使得水平轴风力发电机结构上受力合理。另外，水平轴风力发电机还有尖速比高、风能转换效率高等优点，所以，已得到广泛应用。但缺点是，塔架的造价昂贵而使得风电厂造价高，发电机与变速箱与风力发电机一起放置在高空，因而维护保养不便，另外，当风向改变时，水平轴风力发电机需要对风；垂直轴风力发电机具有的显著优点是整个机组如风力发电机、齿轮箱、发电机等可以方便的安装在地面上，使得风电场的造价低，机组维护保养方便，垂直轴风力发电机可有效的利用低空的水平轴风力发电机弃掉的风能，另外，当风向改变时，可接受任何方向的来风，无需对风，其中法国学者达里厄发明的达里厄垂直轴风力发电机的风轮具有更高的尖速比及与水平轴风力发电机的风轮同等级的风能转换效率，但垂直轴风力发电机的缺点与优点一样突出，垂直轴风力发电机要承受在每转一圈360度范围内在迎风与背风的交递转换中交变型的冲击力，同时还要承受自然界风的大小和方向不断变化而产生的冲击力以及安装与制造的误差造成风力发电机运行时轨迹变化而形成的冲击力，这个缺陷使得垂直轴风力发电机易损、寿命短，目前，在结构的设计上还没有解决这个问题，这是限制垂直轴风力向大型机发展而不能得到广泛使用的主要原因。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请为为：02827922.0的中国专利，名称为：风力发电用的风车，该专利自述为：风车由塔状的框架和设置在框架上的能绕纵向轴(既垂直轴)自如旋转的旋转部件构成。如采用该专利的结构制作大型风力发电机，塔状的框架制作成本太高，另外，各个连接是紧固连接，如按这样的结构制作成大型垂直轴风力发电机，各种冲击力合力连续的作用会在较短的时间内使得风力发电机的连接部件在应力集中处的根部产生疲劳破坏而断掉，所以，该专利技术不适应大型或巨型的垂直轴风力发电机。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出了一种具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，使用鸟笼状的结构，避免部件之间因受力过大而发生损坏，本发明可以应用于大型风力发电机如直径为100米的风力发电机，可做到整体重量轻、造价低、结构牢固、零部件受力小、易维护保养、运行稳定、可靠性高及寿命长。

本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括：中心机构、外围机构两个部分。

中心机构包括：基轴、导轴承、摇杆架、大齿轮、推力轴承、圆形基础板，基轴的底端焊有一圆形基础板，圆形基础板与地脚螺钉通过钢筋混凝土浇筑形成基轴的支墩，基轴上均匀设有两组或两组以上的导轴承，导轴承的外环上设有摇杆架，基轴底部的导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮装配在一起，导轴承、推力轴承、大齿轮三者同步转动，推力轴承的推力头与推力轴承的底座上的镜板无间隙接触，推力轴承的底座固定在支墩上；

外围机构包括：立杆、减振器、支撑轮、六通接头、摇杆、弧形摇杆、环形支座、叶片，外围机构为鸟笼形状，中心机构中的基轴作为笼的纵向中心轴，摇杆和弧形摇杆组成笼的一个层面，层面的数目与中心机构中的导轴承数目相同，摇杆的一端与摇杆架活动连接，另一端与六通接头的一面活动连接，六通接头的两侧面与弧形摇杆采用活动的球形铰接，若干摇杆以摇杆架为中心呈放射状均匀分布，与若干弧形摇杆组成圆形底面，支撑轮与下底面的六通接头的底面固定连接，支撑轮沿环形支座滚动，立杆与笼的上下底面中的六通接头固定连接，每个立杆的外侧均设有一竖向叶片，叶片的上下连接臂分别与上下底面中的六通接头相连，组成笼的侧面。叶片数量可根据风力发电机的功率和效率进行选择，立杆、支撑轮、六通接头、摇杆、弧形摇杆的数量由叶片数量决定。

所述基轴，其外侧设有导轴承连接管，导轴承连接管在风力发电机为大型机时可以使得风力发电机的中心机构更加牢固，导轴承连接管与基轴上设置的导轴承的外环连接。

所述基轴，由若干段空心钢管组成，各段钢管之间用法兰连接，将各段轴端装有的法兰上的螺栓带紧，垂直找正后，在法兰上打销钉定位并把紧螺栓。

所述推力轴承，其推力头与底座之间的接触面积大于百分之七十五。

所述导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮，三者之间的间隙通过加设簿钢垫片校正。

所述摇杆的两端均设有垂直于轴向的孔，一端的孔与摇杆架的销轴活动铰接，另一端的孔与六通接头的销轴活动铰接。

所述六通接头，其中与弧形摇杆相连的两侧面设有球形接头，与弧形摇杆之间球形铰接；六通接头与摇杆相连的一侧面设有销轴，销轴与摇杆活动连接。

所述弧形摇杆，其两端均装有球形接头，与六通接头球型铰接，当两端安装在六通接头的球形凹面内并被定位后，可以围绕球心在相应的平面内摇动。

所述弧形摇杆与六通接头之间设有减震器。

所述环形支座的中心应与风力发电机的设计中心与完全一致。

所述叶片的角度可根据设计需要进行调节。

当风力发电机受旋转冲力作用时，摇杆产生微小摇动(细长杆的柔性变形很大)，弧形摇杆也随摇杆一起摇动，有效减少了轴向的冲击，这是因为弧形摇杆两端均装有球形接头并与六通接头球型铰接，当两端安装在六通接头的球形凹面内并被定位后，可以围绕球心在相应的平面内摇动；由于在弧形摇杆上加装了减振器，减振器可以伸缩减振，减少了切线方向上的冲击；基轴将径向的冲击力传到地面上。所以，当风力发电机旋转时，当迎风面的叶片接受风力的作用并将力传至六通接头，六通接头再将力传至弧形摇杆及摇杆，由于鸟笼结构中弧形摇杆组成的环形结构的作用，当基轴、减振器、摇杆及弧形摇杆克服各向的冲击力的作用后，每个摇杆都产生一个平稳的力矩(在背风面的摇杆的力作用小一些)，由于摇杆架与导轴承的外环之间用键传递扭矩，最终摇杆架上的总的力矩的作用，推动导轴承的外环及导轴承连接管一起转动，使与之相连的大齿轮旋转进而平稳地输出力矩做功，叶片的安放角可根据设计需要进行调节。下导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮三者之间的间隙通过加设簿钢垫片校正，盘车后，用螺钉将三者把紧及打销钉定位，这样，保证了运行时推力轴承在平稳地承受风力发电机本身重量产生的轴向推力的同时，推力轴承的推力头与相连的大齿轮及导轴承的外环一起转动，而导轴承只承受径向力。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

如按国家标准发电设备使用寿命20至30年计，在这漫长的岁月里，每转一圈每一个零件都要承受一次冲击力，要求风力发电机除了重量轻外，可靠性高是一个重要的技术指标，由于采用的杆件均为超细长杆(按材料力学分类)的金属件，本发明的鸟笼结构垂直轴风力发电机做到了重量轻，但柔性变形很大，所以，本发明的鸟笼结构垂直轴风力发电机在受力最严重的部位采用活动铰接，加装支撑轮，支撑轮在环形支座上平稳滚动运行且承载了整个风力发电机约三分之二的重量，可以将一部分冲击力传到地面上，基本消除了冲击力对零件的破坏，避免了在冲击力连续的作用下，在较短的时间内使得风力发电机的连接部件在应力集中处的根部产生疲劳破坏而断掉，基轴的受力大大减轻，这样的布置使得基轴可以做的更长，本发明的垂直轴风力发电机具有了很好的自我保护功能；

以上按两个导轴承叙述，本发明的内容包括三个或三个以上的导轴承，与之相配的摇杆增加到三组或三组以上，其余与之相配的零部件也相应地增加，在技术上只需要将除两组之外(必须保留两组)的其它组摇杆与销轴相配合的间隙增加，使之能够微小的浮动起来，做到整体运动不别劲，最终就可以将风力发电机做的更高，更好地利用高空的风能；

本发明的鸟笼结构垂直轴风力发电机具有相对独立的零部件结构，其优点是如果有一处损坏了，可以方便地单独更换损坏的零件，避免了须将整个风力发电机拆开修理的维修作业。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2本发明中心机构的结构示意图；

图3本发明中心机构下端部放大图；

图4本发明外围机构下端部放大图；

图5本发明摇杆的结构示意图；

图6本发明六通接头的结构示意图；

图7本发明叶片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以直径60米、高为60米的鸟笼结构形式的垂直轴风力发电机为例。

如图1所示，本实施例包括：中心机构1、外围机构2两个部分。

如图2、图3所示，中心机构1包括：基轴3、导轴承4、摇杆架5、大齿轮8、推力轴承9、圆形基础板19，基轴3的底端焊有一圆形基础板19，圆形基础板19与地脚螺钉通过钢筋混凝土浇筑形成基轴的支墩，基轴3上均匀设有两组或两组以上的导轴承4，导轴承4的外环上设有摇杆架5，基轴3底部的导轴承4的外环与推力轴承9的推力头与大齿轮8装配在一起，大齿轮8设置在导轴承4下方，推力轴承9设置在大齿轮8下方，导轴承4、推力轴承9、大齿轮8三者同步转动，推力轴承9的推力头与推力轴承9的底座上的镜板无间隙接触，推力轴承9的底座固定在支墩上。

如图4所示，外围机构2包括：立杆10、减振器11、支撑轮12、六通接头13、摇杆14、弧形摇杆15、环形支座16、叶片17，外围机构为鸟笼形状，外围机构为鸟笼形状，中心机构中的基轴3作为笼的纵向中心轴，摇杆14和弧形摇杆15组成笼的一个层面，层面的数目与中心机构中的导轴承4数目相同，摇杆14的一端与摇杆架5活动连接，另一端与六通接头13的一面活动连接，六通接头13的两侧面与弧形摇杆15采用活动的球形铰接，若干摇杆14以摇杆架5为中心呈放射状均匀分布，与若干弧形摇杆15组成圆形底面，支撑轮12与下底面的六通接头13的底面固定连接，支撑轮12沿环形支座16滚动，立杆10与笼的上下底面中的六通接头13固定连接，每个立杆10的外侧均设有一竖向叶片17，叶片17的上下连接臂分别与上下底面中的六通接头13相连，组成笼的侧面。叶片17数量可根据风力发电机的功率和效率进行选择，立杆10、支撑轮12、六通接头13、摇杆14、弧形摇杆15的数量由叶片17数量决定。

所述基轴3，其外侧设有导轴承连接管18，导轴承连接管18在风力发电机为大型机时可以使得风力发电机的中心机构更加牢固，导轴承连接管18与基轴3上设置的导轴承4的外环连接。

所述基轴3，由若干段空心钢管组成，各段钢管之间用法兰连接，将各段轴端装有的法兰上的螺栓带紧，垂直找正后，在法兰上打销钉定位并把紧螺栓。

所述摇杆架5与导轴承4的外环之间采用键传递扭矩。

所述推力轴承9，其推力头底座之间的接触面积大于百分之七十五。

所述导轴承4的外环与推力轴承9的推力头与大齿轮8，三者之间的间隙通过加设簿钢垫片校正。

如图5所示，所述摇杆14的两端均设有垂直于轴向的孔，一端的孔与摇杆架5的销轴活动铰接，另一端的孔与六通接头13的销轴活动铰接。

如图6所示，所述六通接头13，其中与弧形摇杆15相连的两侧面设有球形接头，与弧形摇杆15之间球形铰接；六通接头13与摇杆14相连的一侧面设有销轴，销轴与摇杆活动连接。

所述弧形摇杆15，其两端均装有球形接头，与六通接头13球型铰接，当两端安装在六通接头13的球形凹面内并被定位后，可以围绕球心在相应的平面内摇动。

所述弧形摇杆15与六通接头13之间设有减震器11。

所述环形支座16的中心应与风力发电机的设计中心与完全一致

如图7所示，所述叶片17两端设有上下连接臂，可调节连接臂调节叶片17的安放角。

本实施例的以下三个零件的安装误差会使得风力发电机在转动时产生较大的冲击力，其具体安装过程具体如下：

一是基轴3的安装，基轴3用空心钢管做成数段，各段用法兰连接，安装时，将各段轴端装有的法兰上的螺栓带紧，垂直找正后(最大误差1厘米)，在法兰上打销钉定位并把紧螺栓，用钢筋混凝土浇注圆形基础板及地脚螺钉；

二是推力轴承9的安装，推力轴承9的底座平稳放置在按设计高度预先浇注好的钢筋混凝土支墩上，找水平后(最大误差0.1厘米)，在底座外圈上焊接地脚螺钉并用二期混凝土浇注地脚螺钉；

三是环形支座16的安装，按设计高度安装环形支座16并使其中心与风力发电机的设计中心同心，找正中心，校水平后(实际很难做到水平，误差以厘米计)，用混凝土将环形支座16的支腿浇注牢靠。

为了克服基轴3、推力轴承9及环形支座16的安装误差产生的冲击力，同时，为了克服以上三个零件在制造上的误差产生的冲击力及风力造成的冲击力，先把所有的冲击力的合力分解成三个分力，切线方向上的力、轴向力、及径向力，当风力发电机旋转产生垂直冲击力时，摇杆14的微小摇动(细长杆的柔性变形很大)，弧形摇杆15也随摇杆14一起摇动，有效减少了轴向力的冲击，这是因为弧形摇杆15两端均装有球形接头并与六通接头13球型铰接，当两端安装在六通接头13的球形凹面内并被定位后，可以围绕球心在相应的平面内摇动；风力发电机旋转产生切向冲击力时，由于在弧形摇杆15上加装了减振器11，减振器11可以伸缩减振，减少了切线方向上的冲击；基轴3将径向的冲击力传到地面上。所以，当风力发电机旋转时，当迎风面的叶片17接受风力的作用并将力传至六通接头13，六通接头13再将力传至弧形摇杆15及摇杆14，由于鸟笼结构中弧形摇杆15组成的环形结构的作用，当减振器11、摇杆14及弧形摇杆15克服各向的冲击力的作用后，每个摇杆都产生一个平稳的力矩(在背风面的摇杆的力作用小一些)，由于摇杆架5与导轴承4的外环之间用键传递扭矩，最终摇杆架5上的总的力矩的作用，推动导轴承4的外环及导轴承连接管18一起转动，使与之相连的大齿轮8旋转进而平稳地输出力矩做功，叶片17的安放角可根据设计需要进行调节。将导轴承4的外环与推力轴承9的推力头与大齿轮8，三者之间的间隙通过加设簿钢垫片校正，盘车后，用螺钉将三者把紧及打销钉定位，这样，保证了运行时推力轴承9在平稳地承受风力发电机本身重量产生的轴向推力的同时，推力轴承9的推力头与相连的大齿轮8及导轴承4的外环一起转动，而导轴承只承受径向力。

本实施例在受力最严重的部位采用活动铰接，做到了重量轻，又基本消除了冲击力对零件的破坏作用，最终实现了可靠地，长期地稳定运行。

Claims (10)

1、一种具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征在于，包括：中心机构、外围机构两个部分，

中心机构包括：基轴、导轴承、摇杆架、大齿轮、推力轴承、圆形基础板，基轴的底端焊有一圆形基础板，圆形基础板与地脚螺钉通过钢筋混凝土浇筑形成基轴的支墩，基轴上均匀设有两组或两组以上的导轴承，导轴承的外环上设有摇杆架，基轴底部的导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮装配在一起，导轴承、推力轴承、大齿轮三者同步转动，推力轴承的推力头与推力轴承的底座上的镜板无间隙接触，推力轴承的底座固定在支墩上；

外围机构包括：立杆、减振器、支撑轮、六通接头、摇杆、弧形摇杆、环形支座、叶片，外围机构为鸟笼形状，中心机构中的基轴作为笼的纵向中心轴，摇杆和弧形摇杆组成笼的一个层面，层面的数目与中心机构中的导轴承数目相同，摇杆的一端与摇杆架活动连接，另一端与六通接头的一面活动连接，六通接头的两侧面与弧形摇杆采用活动的球形铰接，若干摇杆以摇杆架为中心呈放射状均匀分布，与若干弧形摇杆组成圆形底面，支撑轮与下底面的六通接头的底面固定连接，支撑轮沿环形支座滚动，立杆与笼的上下底面中的六通接头固定连接，每个立杆的外侧均设有一竖向叶片，叶片的上下连接臂分别与上下底面中的六通接头相连，组成笼的侧面，叶片数量根据风力发电机的功率和效率进行选择，立杆、支撑轮、六通接头、摇杆、弧形摇杆的数量由叶片数量决定。

2、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述基轴，其外侧设有导轴承连接管，导轴承连接管与基轴上设置的导轴承的外环连接。

3、根据权利要求1或2所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述基轴，由若干段空心钢管组成，各段钢管之间用法兰连接。

4、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述摇杆架与导轴承的外环之间用键传递扭矩。

5、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述推力轴承，其推力头与底座之间的接触面积大于百分之七十五。

6、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述导轴承的外环与推力轴承的推力头与大齿轮，三者之间的间隙通过加设簿钢垫片校正。

7、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述摇杆的两端均设有垂直于轴向的孔，一端的孔与摇杆架的销轴活动铰接，另一端的孔与六通接头的销轴活动铰接。

8、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述六通接头，其中与弧形摇杆相连的两侧面设有球形接头，与弧形摇杆之间球形铰接；六通接头与摇杆相连的一侧面设有销轴，销轴与摇杆活动连接。

9、根据权利要求1所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述弧形摇杆，其两端均装有球形接头，与六通接头球型铰接。

10、根据权利要求1或9所述的具有鸟笼结构的垂直轴风力发电机，其特征是，所述弧形摇杆与六通接头之间设有减震器。

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