CN101566122A - 垂直轴风轮机 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风轮机，包括固定圆形芯及转子，该转子可旋转地支撑于该固定芯。该转子并具有径向延伸的转子臂及风力接合叶片位于转子臂的远端部。该叶片包括至少两段直叶片，两段直叶片中的至少一段叶片以第一角度斜向倾斜。

Description

垂直轴风轮机

技术领域

本发明涉及风力发电机，也称为风轮机，且更特别地涉及垂直轴风力发电机。

背景技术

本发明人先前已经在2009年2月12日递交的中国专利申请200910003900.0中提出了一种无轴式垂直轴风轮机，其中该中国专利申请的全部内容在此通过引用并入，在该无轴式垂直轴风轮机中，转子包括有充分构架支撑的筒状转盘结构，该结构可旋转地支撑于一固定的垂直中空芯。翼形的转子叶片位于转子臂的远端部。由转子叶片上的气流产生的空气动力使得转盘围绕该中空芯转动。

转子臂可以为从转盘径向延伸的系-拉式(tie-stayed)桁架转子臂，或者为从转盘径向延伸的一对上部和下部桁架式转子臂，且在该对上部和下部桁架式转子臂之间置有一斜向延伸的系-拉式(tie-stayed)桁架。系-拉式(tie-stayed)臂从上部径向桁架式臂的内端部斜向延伸至下部径向桁架式臂的远端部。转子臂的系-拉式(tie-stayed)组件设计为增强转子臂的结构强度，以抗衡作用在叶片上的重力和离心力。然而，这样的系-拉式(tie-stayed)组件将导致对翼形叶片的内侧的气流和翼形叶片与转盘之间的气流产生阻力和干扰。

在200910003900.0中设想，转子臂可由空气动力外形的外壳包围，该外壳有效地将转子臂变成翼形叶片或翼。垂直轴风轮机的一个普遍问题为在弱风条件下转子可能不能或者至少存在困难进行自启动。而且，为了优化发电及保护风轮机，需要在某些情形下控制转子的速度或在某些情形下停止风机。已知的风轮机采用调角和失速装置以控制转子速度。

在200910003900.0中设想，利用转子的运动，通过设置于转盘下部横向止推滚子邻近的传动装置，机械转动在芯塔的发电机。传动装置包括一对齿轮，可旋转地设置在芯塔壁的开口内。较小齿轮接合设置在止推滚子下方，旋转盘下部的环状构件内周的环齿轮。随着转子的运动，环齿轮转动较小齿轮。较小齿轮固定于较大齿轮，较大齿轮接合发电装置齿轮转动发电装置。

本发明人试图改进先前的设计。

发明内容

在此公开了一种含固定的圆形芯的垂直轴风轮机。转子可旋转地支撑于该固定芯，并具有径向延伸的转子臂。风力接合叶片位于径向延伸的转子臂的远端部。每叶片包括至少两段直叶片，至少其中一段叶片以第一角度斜向倾斜。

在此还公开了设置于固定芯的发电机组和用于将该转子的旋转扭矩传递至该发电机组的扭矩传动系统。该扭矩传动系统包括一对配合齿轮，所述齿轮驱动与该发电机组联结的扭矩传动轴。该扭矩传动轴包括可轴向移动的联结件和枢转联结件。

相应地，本发明提供了根据任何一项从属权利要求的垂直轴风轮机。

根据仅以举例方式给出的下述描述，本发明的其它方面将会变得明白。

附图说明

现在将仅以举例的方式参照附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1为根据本发明的垂直轴风轮机的第一实施例的透视图示，

图2为垂直轴风轮机的第一实施例的剖面正视图示，

图3为根据本发明的垂直轴风轮机的第二实施例的透视图示，

图4为垂直轴风轮机的第二实施例的剖面正视图示，

图5为根据本发明的垂直轴风轮机的第三实施例的透视图示，

图6为垂直轴风轮机的第三实施例的剖面正视图示，

图7为根据本发明的垂直轴风轮机的第四实施例的透视图示，

图8为垂直轴风轮机的第四实施例的剖面正视图示，

图9为根据本发明的垂直轴风轮机的上部径向转子臂位置的剖面俯视图示，

图10为垂直轴风轮机的下部径向转子臂位置的剖面俯视图示，

图11为在图2标示为“细节A”的部分的局部剖面正视图示，及

图12为在图4、6和8标示为“细节B”的部分的局部剖面正视图示。

图13为通过转子臂展示阻力板用于干扰穿过叶片的气流的横断面图示。

图14为转子臂顶部展示阻力板的透视图示。

具体实施方式

在附图中，描述了根据本发明的无轴式垂直风轮机的各种实施例。风轮机包括三个基本功能部分，即：垂直支撑结构1、至少一个设置于该结构的风力驱动转子2和由所述转子驱动的用于发电的发电机3。如所描述的，风轮机可以包括单个转子，或者在未描述的其它实施例中，可以包括垂直叠置的独立旋转的多个转子。转子垂直地一个叠置在另一个之上，且每个转子与设置于垂直支撑结构的对应扭矩传动装置和发电单元连接。

垂直支撑结构包括形成风轮机的固定芯的垂直延伸的圆柱形塔。芯塔4延伸风轮机的整个高度，并可以由顶盖(未示出)覆盖，该顶盖可以为平的、斜的或圆盖形的。在优选实施例中，芯塔4是由两个同心圆形壁5，6构建成，两壁间是空间7。多个肋式骨干在该空间7内，在间隔开的圆周位置处垂直延伸，连接内壁和外壁5，6。垂直肋式骨干将壁之间的空间7分隔成多个隔间。这种双壁隔间结构使芯塔4能够承受由风力产生的大的侧力。芯的内壁内的区域大致是中空的，在该结构内部形成一大的中央空间8。芯塔4由钢筋混凝土制成，且可以采用已知的建筑构造技术进行构造。

转子2包括设置于芯塔4并可自由旋转的，有充分构架支撑的筒状转盘结构10。一对上部和下部桁架式转子臂11，11’和12，12’从转盘10径向延伸。在上部和下部桁架式转子臂11，12之间，设有从上部径向桁架式臂11的内、近端部14份斜向下部径向桁架式臂12的外、远端15部延伸的系-拉式(tie-stayed)臂13。可从图9和10看到，上部11，11’和下部12，12’径向臂从转盘10朝向远端部15，16逐渐变细，以抵抗由转子的旋转扭矩产生的剪切、弯曲和扭转应力。在每对径向桁架式臂的远端部15为大致翼形的升力型叶片20。在优选实施例中，具有三对对称间隔开的桁架式径向臂和叶片，然而，这并不意味着限制本发明的使用或功能的范围。本领域技术人员将能够理解，随着功率和效率的变化，可以使用2、4、5、6或更多个叶片。

转子可旋转地支撑于芯塔4。如在2009年2月12日递交的日递交的200910003900.0中所描述的，在转盘的内边缘圆周装置有多组轮子31或滚子，该等轮子或滚子在固定或接合于芯塔4的轨道上运转。上部轮子或滚子组30依靠混凝土芯塔4的外周为转子提供了垂直的和横向的支撑。下部止推滚子32依靠混凝土芯塔4的外周为转盘的下部提供了横向支撑。风与转子臂11，12远端翼型叶片20的相互作用使转子围绕芯塔4旋转。

在图1和2所描绘的本发明的第一具体实施例中，转子臂的斜向系-拉式(tie-stayed)组件13由空气动力外形的外壳包裹。这将系-拉式(tie-stayed)组件13有效地变成向芯塔4倾斜的附加斜向翼形叶片，与围绕转子2周边间隔开的竖立叶片20并设。斜向系-拉式桁架臂13的相对端部固定或靠近在径向延伸转子臂11，12各自的内端部和外端部14，15。这减少了由系-拉式组件产生的阻力，并通过减少由系-拉式组件对翼形叶片内侧的气流和翼形叶片与转盘之间的气流所产生的干扰，还改善了翼形叶片的空气动力学效果。此外，空气动力外形系-拉式组件，作为附加翼形叶片亦有助于转子的自启动和改善转子在弱风条件下的旋转。

图3至6所描绘的本发明的第二和第三具体实施例中，在上部径向延伸转子臂11和下部径向延伸转子臂12之间不存在斜向系-拉式组件。替代的是，附加的斜翼形叶片17以第一角度在转盘10顶部10a和上部转子臂11远端部16之间倾斜设置。此斜向翼形叶片17，在一定的风速，将增加转子2的旋转扭矩，并将帮助转子的自启动，以及改善转子在弱风条件下的旋转。它还提供了需要抗衡作用在垂直叶片20上的重力和离心力的结构强度。此外，有些设计还可设置第二角度斜向倾斜的第三翼形叶片18，该第二角度与第一角度互补。第三叶片18斜向固定在转盘10的底部10b和邻近下部转子臂12的远端部15的位置之间，以形成大致梯形的外形叶片结构，其在叶片上提供了良好的重力和离心力分布。

图7至8所描绘的本发明的第四具体实施例中，转子包括有充分构架支撑的筒状转盘结构10，可旋转地被支撑于固定垂直的空芯塔4，且有大致三角形结构的空气动力学叶片从转盘10径向延伸。每个叶片包括配置成大致三角形结构的两个斜向倾斜的叶片段22，23。第一段直叶片22在一个端部直接地或通过短的连接器连接至转盘10的上部10a，且第二段直叶片23在一个端部直接地或通过短的连接器连接至转盘10的底部10b。这两段直叶片22，23在水平顶点24处接触。单个水平径向支杆25将该顶点24连接至转盘10的中央10c。每段叶片22，23均为翼形。随意地水平径向支杆25可为翼形。

叶片22，23由上部连接器和下部连接器及中央径向支杆25的简单配置连接转盘10，并通过此将叶片力传递至转盘10。对于叶片22，23上的重力和离心力，三角形构造提供了出色的性能，从而允许使用产生较低阻力的较小支撑构件。

在优选实施例中，转子具有三个这样的三角形叶片，三个三角形叶片围绕转子的圆周等距定位(这不是要限制本发明的使用和功能范围，本领域技术人员将会明白，可以使用2、4、5、6个或更多个叶片，但会有不同的功率和效率)。在实践中，这种双倾斜叶片将形成一围绕筒状转盘的三维三角形结构。这提供了具有很高刚性的转子结构，这有助于最小化在叶片自身上的负面旋转应力。

各段叶片13，17，18，20，22，23可采用拉挤(Pultrusion)技术以纤维增强树脂制成。可选地，各段叶片13，17，18，20，22，23亦可以由通过合适的技术形成的轻质聚合物材料制成。各段叶片均由轻质材料制成。它们的端部之间是直的、剖面是统一不变的翼形形状，这简化了制造和设计过程。

本发明人设想，可在空气动力形状的转子臂上设置阻力板装置40，41以帮助启动，并通过干扰翼上的气流而控制旋转速度和/或停止转子2。为了帮助启动，控制转子的旋转速度及停止发电机，本发明人在本发明中设置了阻力板装置40，41，利用转子臂的空气动力形状的外壳的一部分作为，阻力板41，40能够通过手动控制或自动控制装置而抬升或降低，见图13和14。阻力板的抬升能够由马达驱动，或者通过液压装置，或者通过任何其它机械手段或装置，或者它们的组合。

在每个转子臂可以具有一个多个阻力板装置40，41。阻力板在一个端部铰链至空气动力形状的转子臂，且另一端部是自由抬升的。将被抬升的阻力板的自由端部可以面对转子的旋转方向或者面对与转子的旋转方向相反的方向。阻力板装置40，41可以位于全部的转子臂上，或仅在一些而不是全部的转子臂上。阻力板装置40，41能够在一个方向全部抬升，或者可以为一种组合，在该组合中，一部分阻力板将在面对转子的旋转方向的方向上抬升，而一部分阻力板将在与面对转子的旋转方向相反的方向上抬升。

在低风速条件下，阻力板40，41或其中的一部分能够抬升至合适的角度，以起阻力型叶片的作用，从而帮助启动或旋转。在较高的风速条件下，当在转子臂远端部的翼形主叶片能完全按升力翼形叶片运作时，阻力板40，41将降低，从而收回阻力类型的叶片，转子臂将仅为空气动力形状的叶片或翼，以降低由转子臂引起的阻力。在较高的风速条件下，当转子的旋转速度超过合意的速度时，阻力板40，41可被再次抬升至合适的角度，通过产生阻力而降低转子的速度。在希望停止风机的情况下，阻力板40，41能够抬升至合适的角度，以产生与风机旋转方向相反的阻力或力，从而用作空气制动器，或至少帮助制动发电机。

转子的运动，通过圆齿条和小齿轮的传动装置，机械地转动位于芯塔4的发电机3。如在日递交的200910003900.0中所描述的，芯塔4的外壁为阶梯形的，以形成环绕芯塔圆周的壁架32。参照图11，一大的环形齿轮33位于转子转盘10的内表面上，并延伸至芯塔顶部或与环形齿轮的位置相应，在芯塔的台阶/壁架32上面的合适位置的空间。垂直安装的扭矩传动轴34，通过台阶/壁架32或芯壁顶部的开口，垂直延伸并在它的上端部置有与环形齿轮33的内表面啮合的小齿轮35。转盘的旋转经由环形齿轮33和小齿轮35转动扭矩传动轴34。

在转盘旋转时，在转盘10和芯壁4之间，可能有横向的运动。扭矩传动轴34是枢转安装及被偏压的，从而保持环形齿轮和小齿轮之间的完全驱动啮合。支架安装36在芯壁的内部，并在其远端部枢转连接轴承座套37，扭矩传动轴34通过该轴承座套37由一个或多个轴承可旋转地支撑。轴承座套37和扭矩传动轴34可以枢转，在转盘10有横向运动时，使小齿轮35仍可保持与环形齿轮33的啮合。第二轴承座套38位于枢转的轴承座套37和小齿轮35之间的扭矩传动轴上。第二轴承座套38固定在芯壁，通过弹簧39或其它偏置装置，在垂直轴34上施加偏置力，以保持小齿轮35和环形齿轮33之间的完全啮合。

来自垂直轴34的旋转扭矩通过万向接头47，48和伸缩式花键轴49传递至齿轮组45，46和发电机3。扭矩传动轴的下端部包括第一万向接头47。该第一万向接头47的花键短轴可伸缩地收纳在花键套管49内。花键套管连接至第二万向接头，第二万向接头48将该花键套管联结至齿轮组45的主齿轮轴。齿轮组的小齿轮46连接至发电机3，将旋转扭矩传递至发电机3。

该对具有伸缩式花键轴49的万向接头47，48在其间允许扭矩传动轴34的枢转和轴向运动。该对万向接头47，48允许扭矩传动轴34的横向运动，且当万向接头之间的距离随着扭矩传动轴34的枢转运动而改变时，伸缩式花键轴49在万向接头47，48之间的距离上提供了多种变化。

图12示出了驱动系统的可选择配置，其中主环形齿轮33设置在转子转盘的上部10a。保持枢转轴承套37的支架36更靠近扭矩传动轴34的小齿轮35端部设置，且偏置轴承套38更靠近扭矩传动轴34的万向接头47端设置。驱动系统的其它组件保持与枢转轴承套37相同，允许轴的枢转以在转子转盘10有横向运动时，小齿轮35和环形齿轮33之间的啮合得以保持。当转10盘运动时，偏置弹簧39保持小齿轮35和环形齿轮33之间的牢固的偏置啮合。

Claims (15)

1.一种垂直轴风轮机，包括：

固定圆形芯；

转子，该转子可旋转地支撑于该固定芯，并具有径向延伸的转子臂；及

风力接合叶片，该叶片位于所述径向延伸的转子臂的远端部，该叶片包括至少两段直叶片，所述两段直叶片中的至少一段叶片以第一角度斜向倾斜。

2.如权利要求1所述的垂直轴风轮机，其中所述两段直叶片中的另一段是垂直的。

3.如权利要求2所述的垂直轴风轮机，进一步包括以第二角度斜向倾斜的第三段直叶片，所述第二角度与所述第一角度互补。

4.如权利要求1所述的垂直轴风轮机，其中所述至少两段直叶片中的另一段以第二角度斜向倾斜，所述第二角度与所述第一角度互补。

5.如权利要求1所述的垂直轴风轮机，其中该转子进一步包括可自由旋转地支撑于芯的筒状转盘结构，该转盘具有上端部和下端部，该转子在所述转盘的上端部和所述下端部之间的位置处从该转盘径向延伸，并且其中所述斜向叶片段的近端部固定至所述转盘的上端部，并且所述斜向倾斜的叶片段的远端部则固定至靠近所述径向臂的远端部。

6.如权利要求1所述的垂直轴风轮机，其中该转子具有上部径向延伸的转子臂和下部径向延伸的转子臂，所述斜向倾斜的叶片的近端部固定至所述上部径向延伸的转子臂的近端部，并且该斜向倾斜的叶片的远端部则固定至靠近所述下部径向延伸的径向臂的远端部。

7.如前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风轮机，其中每个叶片段在该叶片部分的端部之间是直的，并且每段叶片的剖面翼形形状。

8.如前述权利要求中的任一项所述的垂直轴风轮机，其中至少一段叶片包括可延伸以干扰穿过叶片的气流的阻力板部件。

9.如前述权利要求中的任一项所述的无轴式风轮机，其中该转子与发电机机械连接。

10.如前述权利要求中的任一项所述的无轴式风轮机，其中该转子通过使扭矩传动轴转动的一对配合齿轮可驱动地与该发电机连接，该扭矩传动轴包括可轴向移动的花键联结件和枢转万向接头。

11.一种垂直轴风轮机，包括：

固定圆形中空芯；

转子，该转子可旋转地支撑于固定芯，并具有径向延伸的转子臂和风力接合叶片，该风力接合叶片位于所述径向延伸的转子臂的远端部；

设置于该固定芯的发电机组；及

扭矩传动系统，该扭矩传动系统用于将该转子的旋转扭矩传递至该发电机组，该扭矩传动系统包括一对配合齿轮，所述齿轮驱动与该发电机组联结的扭矩传动轴，其中该扭矩传动轴包括可轴向移动的联结件和枢转联结件。

12.如权利要求11所述的垂直轴风轮机，其中所述的一对配合齿轮包括一围绕该芯并可由该转子移动的环形齿轮和位于该扭矩传动轴的端部上的小齿轮。

13.如权利要求11所述的垂直轴风轮机，其中该扭矩传动轴垂直设置并被偏置，用于该小齿轮与该环形齿轮的完全啮合。

14.如权利要求11所述的垂直轴风轮机，其中该可轴向移动的联结件为花键联结件。

15.如权利要求11所述的垂直轴风轮机，其中该枢转联结件为万向接头。

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