CN101598111B - 大型垂直轴风力发电机结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于大型垂直风力发电机的结构，该结构可使得垂直轴风力发电机向大型化发展。该结构包括塔架，在塔架上设有安装固定发电机的平台，由塔架承载的垂直中心轴，由塔架承载的叶片和支持翼组成的垂直轴风轮，所述的塔架、垂直轴、支持翼是桁架结构。

Description

大型垂直轴风力发电机结构
技术领域
一种用于大型垂直风力发电机的结构，该结构可使得垂直轴风力发电机向大型化发展。
背景技术
一般的，本发明中所称的大型垂直轴风力发电机，是指50KW以上输出功率的直轴风力发电机。
如图1所示，是现有的垂直轴风力发电机结构示意图，即在塔架1之上设有安装固定发电机的平台2，发电机、连接器、刹车和变速箱等部件3安装于平台2的上方，塔架1承载垂直中心轴4、由叶片6和支持翼5组成的垂直轴风轮。其中，塔架1的结构是空心管，垂直中心轴4采用的是实心管或厚壁空心管，支持翼5的结构采用的是空心管。
由于受结构等多种因素的影响，现有的垂直轴风力发电机普遍功率较小，若采用现有结构，为了能在强风中(比如在60m/s风速下)保持结构的稳定，则需将塔架和垂直中心轴制造的非常坚固，并且随着风轮直径的增大，塔架和垂直中心轴的直径也必须按一定比例增大，但客观上受工业装备的限制和成本因素的约束，由此影响了垂直轴风力发电机的大型化发展。
举例而言，若垂直中心轴采用实心管，垂直轴风力发电机的风轮直径是50m，风轮高度是40m，假设安全风速设计在60m/s时，风轮侧向所受风的合力大约在2700KN，为了能使得风力发电机在风速达到60m/s时不至毁坏，若垂直中心轴长度是25m左右，直径大约1.5m，重量近350t，且虽然强度能满足要求，但刚性却仍然不足。若同样的情况；垂直中心轴采用厚壁空心管，直径大约在3.5m左右，重量也要近百吨。且随着中心轴直径的增大，轴承直径也相应增大，大幅度增加了成本；对塔架而言，即使塔架高度仅为25m，塔架底部的最大弯矩也要达到大约1.26x105kN·m，塔架直径也需要大约6m以上，重量大约150t，而且塔架的基础也需相应增大，大大增加了大型垂直轴风力发电机的成本，使大型垂直轴风力发电机不具商业化价值。
综上，为了将垂直轴风力发电机向大型化发展，就需要改变现有的垂直轴风力发电机结构。
发明内容
本发明的目的就是提出一种可使得垂直轴风力发电机向大型化发展的垂直轴风力发电机结构。使大型垂直轴风力发电机能有效抵御强风的同时达到降低成本，便于加工的目的，满足商业化发展的要求。
具体的技术方方案是：
一种大型垂直风力发电机的结构，包括塔架1，在塔架1上设有安装固定发电机的平台2，由塔架1承载的垂直中心轴4，由塔架1承载的叶片6和支持翼5组成的垂直轴风轮，其特征在于，所述的塔架1是桁架结构。
所述的塔架1由至少3个子塔架平行组成俯视投影为正多边形的桁架结构，子塔架的结构是空心管。
上述塔架1由3个子塔架平行组成俯视投影为正三角形的桁架结构；其垂直轴风轮直径(D)和相邻两子塔架之间距离(L)的比值(D/L)是2.5～6之间，风轮直径(D)和风机塔架高度(H)的比值D/H在3～0.5之间。该比值范围的选取是为了在满足结构安全的条件下，达到最佳的节省材料和降低成本的目的。
上述的垂直中心轴4是空心管，空心管内部是桁架结构。
所述垂直中心轴4的桁架结构是均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部。
所述垂直中心轴4的桁架结构是非均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部，底部桁架密度高，顶部密度低，以便进一步降低中心轴的重量。
上述垂直轴中心轴的管壁由若干个圆管相隔组成环形，以便进一步降低中心轴的重量。
上述的支持翼5是桁架结构。
上述支持翼长度(S)和相邻两桁架间距(K)的比值S/K是13～25之间。该比值范围的选取是为了在满足结构安全的条件下，达到最佳的节省材料和降低成本的目的。
所述的平台2下方可安装发电机、连接器、刹车、变速箱或齿轮箱部件3，以便于缩短中心轴的长度，减小并降低中心轴的重量。
本发明的上述结构，可使大型垂直轴风力发电机能有效抵御强风的同时达到降低成本，便于加工的目的，满足商业化发展的要求。
本发明将在下面结合附图及具体实施方式进行描述。
附图说明
图1是现有垂直轴风力发电机结构示意图。
图2是本发明大型垂直轴风力发电机结构示意图。
图3是本发明塔架结构示意图。
图4、5是本发明垂直中心轴结构示意图。
图6是本发明支持翼结构示意图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1：
如图2所示，一种大型垂直风力发电机的结构，包括塔架1，在塔架1上设有安装固定发电机的平台2，由塔架1承载的垂直中心轴4，由塔架1承载的叶片6和支持翼5组成的垂直轴风轮。所述的平台2下方可安装发电机、连接器、刹车、变速箱或齿轮箱部件3。如图3所示，所述的塔架1是桁架结构，所述塔架1由3个子塔架，子塔架的结构是空心管，平行组成俯视投影为正三角形的桁架结构，如图4所示，所述的垂直中心轴4是空心管，空心管内部是桁架结构。所述垂直中心轴4的桁架结构是均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部。如图6所示，所述的支持翼5是桁架结构。
实施例2：
其余装置同实施例1不变，只改为所述垂直中心轴4的桁架结构是非均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部，底部桁架密度高，顶部密度低。
实施例3：
如图5所示，其余装置同实施例1不变，只改为所述垂直轴中心轴4的管壁由若干个圆管相隔组成环形。
实施例4：
其余装置同实施例1不变，所述的塔架1由4个子塔架平行组成俯视投影为正四边形的桁架结构。
实施例5：
其余装置同实施例1不变，所述的塔架1由5个子塔架平行组成俯视投影为正五边形的桁架结构。
实施例6：
50千瓦垂直轴风力发电机，采用本发明塔架结构，支持翼结构的耗钢量：
选取风轮直径(D)为11m，风轮高度10m，设计安全风速为60m/s(在此风速下风机不至损坏)，当风机塔架高度(H)为22m时，D/H＝0.5，相邻两子塔架之间距离(L)为4m时，D/L＝2.75；塔架的耗钢量为4.1t。
选取风轮直径(D)为11m，风轮高度10m，设计安全风速为60m/s(在此风速下风机不至损坏)，当风机塔架高度(H)为11.5m时，D/H＝0.96，相邻两子塔架之间距离(L)为3m时，D/L＝3.67；塔架的耗钢量为1.74t。
选取风轮直径(D)为80m，风轮高度43m，设计安全风速为60m/s(在此风速下风机不至损坏)，当风机塔架高度(H)为30m时，D/H＝2.67，相邻两子塔架之间距离(L)为15m时，D/L＝5.33；塔架的耗钢量为72.3t。
控制D/L＝2.5～6之间；D/H＝3～0.5之间，在满足结构安全的条件下，达到更节省材料和降低成本的目的。
支持翼长度(S)为5m，相邻两桁架间距(K)为0.3m，S/K＝16.67；支持翼耗钢量为85kg。若相邻两桁架间距(K)为0.2m，S/K＝25；则支持翼耗钢量为118kg。相邻两桁架间距(K)为0.38m，S/K＝13.2；则支持翼耗钢量为77kg。
控制S/K＝13～25之间，在满足结构安全的条件下，达到更节省材料和降低成本的目的。
实施例7：
采用本发明中心轴结构，分别与采用空心厚壁管结构、实心管结果进行对比：
选取风轮直径(D)为50m，风轮高度40m，设计安全风速为60m/s(在此风速下风机不至损坏)，中心轴长度25m，采用本发明结构的中心轴，轴径1.2m，壁厚30mm，中心轴重量大约30t，当采用空心厚壁管，中心轴直径大于等于1.7m，壁厚30mm，重量大约31t，当中心轴用实心轴时，轴径870mm，重量约117t，且刚性下降。
又，选取风轮直径(D)为80m，风轮高度43m，设计安全风速为60m/s(在此风速下风机不至损坏)，中心轴长度25m，采用本发明结构的中心轴，轴径1.5m，壁厚30mm，中心轴重量大约38t，当采用空心厚壁管，中心轴直径大于等于2.16m，壁厚30mm，重量大约40t，当中心轴用实心轴时，轴径1022mm，重量约161t，且刚性下降。
由此可见，采用本发明的中心轴结构，相对于采用实心轴而言，大大降低了重量；相对于采用空心厚壁管而言，轴径大为降低，便于加工。
尽管对本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (8)

1.一种大型垂直轴风力发电机的结构，包括塔架(1)，在塔架(1)上设有安装固定发电机的平台(2)，由塔架(1)承载的垂直中心轴(4)，由塔架(1)承载的叶片(6)和支持翼(5)组成的垂直轴风轮，所述的塔架(1)是桁架结构；其特征在于，
所述的塔架(1)由至少3个子塔架平行组成正多边形的桁架结构；
所述垂直轴风轮直径(D)和相邻两子塔架之间距离(L)的比值(D/L)是2.5～6之间，风轮直径(D)和风机塔架高度(H)的比值D/H在3～0.5之间。
2.根据权利要求1所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述塔架由3个子塔架平行组成正三角形的桁架结构。
3.根据权利要求1所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述的垂直中心轴(4)是空心管，空心管内部是桁架结构。
4.根据权利要求3所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述垂直中心轴(4)的桁架结构是均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部。
5.根据权利要求3所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述垂直中心轴(4)的桁架结构是非均匀的从中心轴的底部延长到中心轴的顶部，底部桁架密度高，顶部密度低。
6.根据权利要求3所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述垂直轴中心轴(4)的管壁由若干个圆管相隔组成环形。
7.根据权利要求1所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述的支持翼(5)是桁架结构，所述支持翼长度(S)和相邻两桁架间距(K)的比值S/K是13～25之间。
8.根据权利要求1所述的大型垂直轴风力发电机的结构，其特征在于，所述的平台(2)下方可安装发电机、连接器、刹车、变速箱或齿轮箱部件(3)。
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