CN101526068B - 一种组合式螺旋叶轮风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋叶轮风力发电系统，该风力发电系统主要特点为，螺旋叶轮是由若干叶轮垂直构件沿轴向组装，同时，每个叶轮垂直构件又是由若干叶轮水平构件沿螺旋叶轮的径向拼接组合而成，螺旋叶轮通过传动机构与若干个发电机组连动，多发电机组以并联方式输出电能，有利于输出电能的后期处理，提高所供电能品质。本发明在发电机组与传动机构之间设置离合装置，控制装置接收处理风速风向电信号，并按预定程序实时控制单个发电机组与传动机构的离或合，进而改变螺旋叶轮起动和运行负载。此外，磁悬浮轴承的采用，既能克服叶轮受到的部分地球引力，又能减少叶轮与其它部件间的摩擦阻力，进而降低叶轮起动最低风速，提高风电转换效率。本发明风力发电系统，制造、运输、安装、维护、系列化成本大为降低。

Description

一种组合式螺旋叶轮风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，尤其为一种特大型风力发电设备。 

背景技术

大型风力发电设备，尤其是兆瓦级风力发电设备，若采用传统水平轴式浆状风叶，单个风叶长度要达到五十米至七十米，无论是塔架的竖立，浆状风叶的生产、运输、安装等，都会遇到难题。近些年，垂直轴风力发电设备普遍受到关注，但是，要达到兆瓦级，垂直轴风力发电设备的风叶制造一直是困扰业界的一个重大难题，因为兆瓦级垂直轴式风力发电设备的风叶既有形状要求，还有尺度要求，如此之大尺度要求下制造出规定的风叶形状，加工制造难度是十分困难，甚至可以说，几乎是不可能的。此外，兆瓦级风电设备风叶是庞大的，自身重量也可观，其起动风速要求也会相应较高，如何保证此类风电设备在较低风速条件下能够起动，这也是此类风电设备所面临并需要解决的难题之一。 

发明内容

本发明目的是，提供一种垂直轴式的螺旋叶轮风力发电系统，解决兆瓦级风电设备巨大叶轮制造、运输、安装所面临的难题，同时，有效降低兆瓦级风电设备的起动负载。 

为实现上述目的，本发明解决的主要技术问题是，第一，采用组合式螺旋叶轮设计，化整为零，体积庞大的螺旋叶轮是由若干块叶轮构件相互组装拼接构成，从而大大降低大型叶轮的制造运输安装成本；第二，对于一个螺旋叶轮，采用多个较小功率发电机组来替代传统单一的较大功率发电机组，并且通过离合机构，使多个小功率发电机组按实际需要离合，一方面可以减少风电叶轮起动负载，降低对起动风速的要求，另一方面可以根据风场风速变化情况，实时离合配载合适数量的小功率发电机组；第三，在叶轮和支承架之间，采用磁悬浮轴承，减少了叶轮转动时的摩擦阻力，从而也降低叶轮的起动风速。 

本发明技术方案是：所给出的组合式螺旋叶轮风力发电系统构成包括有，螺旋叶轮、传动机构、发电机组和支承架，螺旋叶轮通过传动机构连接发电机组，传动机构既与螺旋叶轮相连接，又与若干个发电机组转子轴相连接，其中螺旋叶轮是由若干个叶轮垂直构件沿该螺旋叶轮轴向拼接组合而成，所述的叶轮垂直构件又是由若干叶轮水平构件沿螺旋叶轮的径向拼接组合而成(参见图1、图2、图3)，所述叶轮水平构件分为中轴构件(参见图6)，中间构件(参见图7、图8)和边缘构件(参见图9)，若干中间构件对称位于中轴构件两侧，两个边缘构件位于中间构件外侧(参见图4、图5)。所述中轴构件、中间构件、边缘构件的周边有翻边，翻边朝向构件凹曲面方向，翻边上 设置有等距离通孔，相邻构件翻边贴靠并铆固。当螺旋叶轮各构件装配成整体螺旋叶轮后，在螺旋叶轮凹曲面由于各构件翻边形成许多规则化的突起，这些突起也起到了阻风作用，进而使整个螺旋叶轮的内凹曲面上所受到风力更大于外凸曲面上所受到风力，加大该螺旋叶轮的旋转力矩。 

在上述技术方案中，所述的中轴构件、中间构件和边缘构件周边形状为矩形或三角形或六边形，中轴构件与中间构件之间，中间构件与中间构件之间，中间构件与边缘构件之间沿轴向和径向相互拼接组合成螺旋叶轮。上述构件可以采用对位拼接(参见图10和图12)，也可以采用错位拼接，以获得更佳的结构强度(参见图11和图13)。 

在上述技术方案中，所述传动机构由圆环状齿轮和传动齿轮构成，圆环状齿轮与螺旋叶轮固定连接，若干传动齿轮与圆环状齿轮呈外啮合或内啮合，若干传动齿轮分别一一对应地与若干发电机组转子轴连接。还可以在传动齿轮与发电机组转子轴之间设置有离合装置，该离合装置由励磁定块、复位弹簧、滑动销块构成，励磁定块、复位弹簧、滑动销块依次套装于发电机组转子轴，传动齿轮与发电机组转子轴呈松配合连接，滑动销块通过键槽与发电机组转子呈滑动配合，在复位弹簧张力作用下，滑动销块销键插入到传动齿轮销孔内，传动齿轮与发电机组转子轴同步转动，当励磁定块产生磁力，滑动销块受磁力吸引，克服复位弹簧张力而位移，使滑动销块销键退出传动齿轮销孔，发电机组转子轴脱离与传动齿轮的同步连接。 

在上述技术方案中，增加风速风向仪和自动控制装置，该自动控 制装置包括有信号处理电路、单片机控制电路和发电机组离合装置驱动电路，该自动控制装置接收处理风速风向仪信号，经单片机运算判断处理，再向所述驱动电路发出指令，由该驱动电路驱动相应的发电机组的离合装置的离或合，进而改变风力发电系统起动或运行负载。这样，当螺旋叶轮起动时，系统可以根据当时实际风力大小，自动调整减少与叶轮相连接的发电机组的个数，进而降低叶轮起动惯量，叶轮一经起动，系统可再次根据风力大小，将与叶轮相连接的发电机组个数自动调整到最佳数量。 

在上述技术方案中，所述螺旋叶轮上端和下端分别设置有连接件，该连接件由S片和轴销构成，上、下轴销分别固定于上、下S片轴心处，上、下S片则分别固定于螺旋叶轮的上端和下端，上轴销与支承架呈可转动连接，下轴销连接于磁悬浮轴承装置。所述的磁悬浮轴承装置包括永磁体，软铁磁套，滚珠、润滑材料及外壳，永磁体置于软铁磁套中，两个永磁体同极相对，若干滚珠均匀位于软铁磁套之间，软铁磁套与外壳之间和两个永磁体之间及两个软铁磁套之间充斥润滑材料。磁悬浮轴承的采用，使螺旋叶轮受到磁悬浮轴承产生的向上托举力，一方面能减少叶轮所受到地球引力，另一方面，能减少叶轮与其它部件之间的摩擦阻力，降低叶轮起动所需的最低风速。 

本发明的优点： 

第一、化整为零的螺旋叶轮设计，使特大型叶轮制造运输不再有难度。叶轮的所有构件均可采用注塑技术成型，大大降低叶轮制造难度和制造成本。螺旋叶轮各构件装配成整体螺旋叶轮后，在螺旋叶轮 凹曲面，由于各构件翻边形成许多规则化的突起，这些突起也起到了阻风作用，进而使整个螺旋叶轮的内凹曲面上所受到风力更大于外凸曲面上所受到风力，加大了该螺旋叶轮的旋转力矩。 

第二、单一螺旋叶轮带动多个小功率发电机组的设计方案，有效地解决了巨型叶轮起动风速要求高的难题。叶轮起动时，系统可以根据当时实际风力大小，自动调整减少与叶轮相连接的发电机组的个数，进而降低叶轮起动惯置，叶轮一经起动，系统可再次根据风力大小，将与叶轮相连接的发电机组个数自动调整到最佳数量。 

第三、本发明采用了磁悬浮轴承，使螺旋叶轮受到磁悬浮轴承产生的向上托举力，一方面能减少叶轮所受到地球引力，另一方面，能减少叶轮与其它部件之间的摩擦阻力，降低叶轮起动所需的最低风速。 

附图说明

图1是本发明螺旋叶轮形状示意图。 

图2是本发明螺旋叶轮轴向组装示意图。 

图3是本发明螺旋叶轮垂直构件形状直观示意图。 

图4是本发明螺旋叶轮垂直构件正面示意图。 

图5是本发明螺旋叶轮垂直构件径向展开示意图。 

图6是本发明螺旋叶轮中轴构件形状结构三视图。 

图7是本发明螺旋叶轮中间I构件形状结构三视图。 

图8是本发明螺旋叶轮中间II构件形状结构三视图。 

图9是本发明螺旋叶轮边缘构件形状结构三视图图。 

图10是采用矩形中轴构件、中间构件、边缘构件对位组合而成的螺旋叶轮展开平铺示意图。 

图11是采用矩形中轴构件、中间构件、边缘构件错位组合而成的螺旋叶轮展开平铺示意图。 

图12是采用三角形中轴构件、中间构件、边缘构件对位组合而成的螺旋叶轮展开平铺示意图。 

图13是采用六边形中轴构件、中间构件、边缘构件错位组合而成的螺旋叶轮展开平铺示意图。 

图14是本发明实施例一：大型螺旋叶轮风力发电系统结构示意图。 

图15是本发明实施例一中传动机构和多发电机组的结构示意图。 

图16是本发明实施例一中带离合装置发电机组装配示意图。 

图17是本发明实施例一中磁悬浮轴承结构示意图。 

图18是本发明实施例二：小型风力发电装置(供路灯照明)结构示意图。 

图19是本发明实施例三：小型风力发电机结构示意图。 

以上附图中，1是叶轮上轴销，2是叶轮上端S片，3是叶轮中轴构件，4是叶轮中间I构件，5是叶轮中间II构件，6是叶轮边缘构件，7是叶轮中芯轴，8是叶轮下端S片，9是叶轮下轴法兰盘，10是叶轮下轴销，11是中轴构件通孔，12是构件上沿翻边，13是翻边 通孔，14是中轴构件侧翻边，15是中轴构件上沿翻边，16是叶轮中间I构件侧翻边，17是叶轮中间I构件上沿翻边，18是叶轮中间II构件翻边，19是叶轮中间II构件上沿翻边，20是边缘构件侧翻边，21是边缘构件上沿翻边，22是风速风向仪，23是叶轮上轴销，24是支承架，25是圆环状齿轮，26是传动齿轮，27是发电机组，28是磁悬浮轴承装置，29是圆环状齿轮中心通孔，30是圆环状齿轮法兰盘，31是限位螺钉，32是垫片，33是传动齿轮的销孔，34是滑动销块的销键，35是复位弹簧，36是励磁定块，37是滑动销块的滑槽，38是发电机转子轴的滑键，39是螺旋叶轮下轴销，40是外壳，41是软铁磁套，42是永磁体，43是润滑材料，44是滚珠，45是软铁磁套方孔，46是限位螺钉，47是风速风向仪，48是上横梁，49是发电机组，50是传动齿轮，51是圆环状齿轮，52是螺旋叶轮，53是磁悬浮轴承，54是下横梁，55是路灯杆，56是风速风向仪，57是支承架，58是螺旋叶轮，59是圆环状齿轮，60是发电机组，61是支承架基座，62是支承架紧固钢缆。 

具体实施例

下面结合附图介绍本发明的实施例。 

实施例一：本实施例为一种大型风力发电系统，其构成及结构如图14所示。 

本实施例给出风力发电系统由以下各部分组成：螺旋叶轮、传动机构、多发电机组、磁悬浮轴承、风速风向仪、蓄电装置和控制装置。 

本实施例螺旋叶轮结构如图1、2、3、4、5、6、7、8、9所示。此螺旋叶轮由叶轮上轴销1，叶轮上端S片，中轴构件3，中间I构件4，中间II构件5，边缘构件6，叶轮中芯轴7，叶轮下端S片，叶轮下轴销9组成，中轴构件3位于中轴位置，中间I构件4、中间II构件5和边缘构件6径向对称分置于中轴构件两侧。图6、图7、图8、图9分别给出中轴构件3、中间I构件4、中间II构件5和边缘构件6的三视图。图中，各构件尺寸和形状相互关联，并由以下参数确定，即单片构件轴向高度h，各构件弧面半径R1、R2、R3、R4、R5，以及各弧面所构成的夹角θ1、θ2、θ3，调整上述各参数即可得到不同形状的构件，进而可以组合成不同形状的螺旋叶轮。图中，各构件四周设置有翻边(14、15、16、17、18、19、20、21)，翻边上设置有通孔，将构件左、右两侧翻边彼此铆固在一起，即形成该螺旋叶轮的一层垂直构件(如图3所示)，将相邻两层垂直构件的上、下沿翻边彼此铆固在一起，即可将八层同样的垂直构件固定为一个整体，各中轴构件能保证同轴心，用一根空芯轴7贯穿，上端S片2铆装在螺旋叶轮顶部垂直构件上沿，叶轮上轴销1固定于上端S片，下端S片8铆装在螺旋叶轮底部垂直构件下沿，叶轮下轴销10固定于下端S片，空芯轴7上端与叶轮的上轴销1套接，空芯轴7下端与叶轮的下轴销10套接。叶轮上轴销1与支承架上部呈可转动连接，叶轮下轴销10通过法兰盘9与传动机构圆环形齿轮25上的法兰盘30固定连接，同时，叶轮下轴销10与磁悬浮轴承28连接(参见图17)。磁悬浮轴承28和五个发电机组27均固定于支承架24，带离合装置 的五个发电机组27均匀设置于圆环形齿轮25外周边，发电机组上端的传动齿轮26与圆环形齿轮25的外周边齿轮啮合。同样道理，也可以将五个带离合装置发电机组传动齿轮与圆环形齿轮内周边齿轮啮合。各发电机组输出电源线与蓄电装置实行并联。风速风向仪22采集到风速电信号传输到控制装置，控制装置驱动并控制各发电机组的离合装置。 

由于本实施例中采用了一个螺旋叶轮带动多个小功率发电机组方案，并且多个小功率发电机组还可以根据风速需要，通过离合装置适时与螺旋叶轮啮合连接。低风速条件下起动，通过控制装置，减少与叶轮连动的发电机组个数，降低叶轮起动阻力。控制装置对从风速风向仪所传来的实时风速信号进行处理并送入控制装置中计算机进行分析运算，再产生一个驱动信号控制发电机组的离合装置。离合装置由带销孔传动齿轮、复位弹簧35、滑动销块34、励磁定块36等构成，发电机组转子轴上设置有滑键38，滑动销块上设置有滑槽37，滑动销块套装在发电机组转子轴外，转子轴上滑键38与滑动销块的滑槽37相配合，使滑动销块与转子轴始终同步转动，且滑动销块可以沿转子轴轴向移动。当驱动信号传到离合装置中励磁定块36，励磁定块36产生磁力，滑动销块34受磁力吸引而位移，克服复位弹簧35张力并脱离与传动齿轮26的同步连接。当驱动信号取消，励磁定块36磁力消失，滑动销块26在复位弹簧35张力作用下向传动齿轮26移动，滑动销块销键34插入到传动齿轮销孔33内，传动齿轮26与发电机转子轴37同步转动。 

本实施例所采用的磁悬浮轴承结构如图17所示，该磁悬浮轴承装置包括永磁体42，软铁磁套41，滚珠44、润滑材料43及外壳40，永磁体42置于软铁磁套41中，两个永磁体同极相对，若干滚珠44均匀位于软铁磁套41之间，软铁磁套41与外套40之间和两个永磁体42及软铁磁套41之间充斥润滑材料43。螺旋叶轮下轴销10插入到上软铁磁套41中央方孔45内并通过螺钉46固定。螺旋叶轮及圆环形齿轮的重量通过叶轮下轴销作用到磁悬浮轴承内部的上软铁磁套，在永磁体磁场力和滚珠的共同作用下，磁悬浮轴承内上软铁磁套及上永磁体部分能平稳转动，摩擦力极小，从而降低叶轮起动时对起动风速的要求，同时也提高了风能转换电能的效率。 

由于本实施例螺旋叶轮采用标准构件拼装组合而成，体积庞大的风电叶轮可以以散件形式运输到现场，就地再组装拼接，大大减少了运输和组装的难度。另外，由于叶轮构件标准化，且单个构件尺寸相对较小，便于模具化注塑生产，还可以根据需要组装成不同高径此的螺旋叶轮。如，本实施例中螺旋叶轮由八层构件构成，也可以再增加八层构件，使该螺旋叶轮的高径比增加一倍。又如，本实施例中每层构件共由七个构件构成，以中轴构件为对称，只需要四副模具就能满足整个螺旋叶轮拼装需要。这样，每增加一副模具，所拼装成螺旋叶轮直径就能增加该模具生产构件宽度的两倍。叶轮的上述特点，能使螺旋叶轮产品系列化更为方便，制造生产成本大大降低。 

实施例二： 

本实施例组成构造如图18所示。 

本实施例给出了一种小型螺旋叶轮风力发电装置，该装置可用于路灯照明，该装置通过上横梁48、下横梁54固定于路灯杆55。该装置传动圆环状齿轮51、传动齿轮50及三个发电机组49均设置在螺旋叶轮正上方，传动齿轮50与发电机转子轴固定。 

本实施例中螺旋叶轮由于尺寸相对较小，可以采用一个中轴构件，两个中间构件，两个边缘构件拼装组合而成，这样只需要开出三副构件的模具即能实现螺旋叶轮。若螺旋叶轮的直径再小的话，也可以将螺旋叶轮轴向分段开模制作，这样只需要一副模具即能实现螺旋叶轮。 

螺旋叶轮受风转动，三个发电机组随之转动并发电，发出电能输入到蓄电池中，再经逆变为路灯提供电能。 

实施例三： 

本实施例给出一种小型独立螺旋叶轮风力发电装置，该装置组成构造如图19所示。 

本实施例支承架基座61通过支承架紧固钢缆固定，螺旋叶轮58固定于圆环状齿轮59，三个发电机组60转子轴通过传动齿轮与圆环状齿轮啮合。本实施例螺旋叶轮的制作方法同实施例二。 

本实施例比较适宜安装在地势险峻的风口处。 

Claims (8)

1.一种组合式螺旋叶轮风力发电系统，该系统构成包括有，螺旋叶轮、传动机构、发电机组和支承架，螺旋叶轮通过传动机构连接发电机组，传动机构既与螺旋叶轮相连接，又与若干个发电机组转子轴相连接，其中螺旋叶轮是由若干个叶轮垂直构件沿该螺旋叶轮轴向拼接组合而成，其特征在于：所述的叶轮垂直构件又是由若干叶轮水平构件沿螺旋叶轮的径向拼接组合而成，所述叶轮水平构件分为中轴构件，中间构件和边缘构件，若干中间构件对称位于中轴构件两侧，两个边缘构件位于中间构件外侧。

2.根据权利要求1所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：所述中轴构件、中间构件、边缘构件的周边有翻边，翻边朝向构件凹曲面方向，翻边上设置有等距离通孔，相邻构件翻边贴靠并铆固。

3.根据权利要求1或2所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：所述的中轴构件、中间构件和边缘构件周边形状为矩形或三角形或六边形，中轴构件与中间构件之间，中间构件与中间构件之间，中间构件与边缘构件之间沿轴向和径向相互拼接组合成螺旋叶轮。

4.根据权利要求1所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：所述传动机构由圆环状齿轮和传动齿轮构成，圆环状齿轮与螺旋叶轮固定连接，若干传动齿轮与圆环状齿轮呈外啮合或内啮合，若干传动齿轮分别一一对应地与若干发电机组转子轴连接。

5.根据权利要求4所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：传动齿轮与发电机组转子轴之间设置有离合装置，该离合装置由励磁定块、复位弹簧、滑动销块构成，励磁定块、复位弹簧、滑动销块依次套装于发电机组转子轴，传动齿轮与发电机组转子轴呈松配合连接，滑动销块通过键槽与发电机组转子轴呈滑动配合，在复位弹簧张力作用下，滑动销块销键插入到传动齿轮销孔内，传动齿轮与发电机组转子轴同步转动，当励磁定块产生磁力，滑动销块受磁力吸引，克服复位弹簧张力而位移，使滑动销块销键退出传动齿轮销孔，发电机组转子轴脱离与传动齿轮的同步连接。

6.根据权利要求5所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：该风力发电系统还包括风速风向仪和自动控制装置，该自动控制装置包括有信号处理电路、单片机控制电路和发电机组离合装置驱动电路，该自动控制装置接收处理风速风向仪信号，经单片机运算判断处理，再向所述驱动电路发出指令，由该驱动电路驱动相应的发电机组的离合装置的离或合，进而改变风力发电系统起动或运行负载。

7.根据权利要求1所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：所述螺旋叶轮上端和下端分别设置有连接件，该连接件由S片和轴销构成，上、下轴销分别固定于上、下S片轴心处，上、下S片则分别固定于螺旋叶轮的上端和下端，上轴销与支承架呈可转动连接，下轴销连接于磁悬浮轴承装置。

8.根据权利要求7所述的组合式螺旋叶轮风力发电系统，其特征在于：所述的磁悬浮轴承装置包括永磁体，软铁磁套，滚珠、润滑材料及外壳，永磁体置于软铁磁套中，两个永磁体同极相对，若干滚珠均匀位于软铁磁套之间，软铁磁套与外壳之间和两个永磁体之间及两个软铁磁套之间充斥润滑材料。

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