CN101943126A - 一种垂直轴大功率风力发电机 - Google Patents

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Abstract

一种垂直轴大功率风力发电机，用于解决垂直轴风力发电机结构不适于大功率问题。其技术方案是：它包括塔架、叶片、旋转装置、发电机和固定在塔架顶部的中心柱，所述叶片为竖直设置的弧形弯叶片，改进后各叶片与旋转装置由上下对称设置的横臂和斜撑杆连接，其中，横臂一端固接旋转装置、另一端固接斜撑杆，所述斜撑杆的另一端固接叶片。本发明结合垂直轴Φ型和H型风力发电机的优点，它既避免了H型发电机叶片连接处的弯曲应力过于集中的弊端，又解决了Φ型发电机自起动困难问题，即使是在低风速下，依靠自身结构也可以正常起动。此外通过改进旋转装置，大大减轻了发电机整体重量，在减少发电机自身能耗的同时，节约材料并便于维护保养。

Description

一种垂直轴大功率风力发电机
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置，特别是一种垂直轴大功率风力发电机，属风力发电技术领域。
背景技术
随着能源与环境的压力增加，清洁可再生新能源愈来愈受到重视。在各类绿色能源中，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一。目前，世界上正在运行的风力发电机中绝大部分是水平轴风力发电机，这种发电机尽管应用普遍，但存有风能利用率低、需要偏航及迎风装置，由于结构复杂，设备故障率高、维护困难。垂直轴风力发电机根据叶片相对于中心轴的形态分为H型和Φ型，这类风力发电机主要是以中小功率为应用目标而设计的，结构上也都存有一些缺陷。H型风力发电机(即叶片为直叶片，叶片平行于中心柱，并分布于中心柱外围，用横杆和拉索与旋转装置相连)，由于离心力大，使叶片在其连接处产生严重的弯曲应力，叶片的离心力与叶片产生的推力共同做用于该点，容易引起叶片连接处断裂，而较多的横杆和拉索产生的重力和空气阻力，又降低了发电机效率。Φ型风力发电机(即叶片弯曲成弧状，叶片两端直接与旋转装置连接)解决了H型在其叶片连接处的弯曲应力等力过于集中的问题，但是缩小了叶片的力距，所以起动转距小，起动性能差，造成了现有的Φ型风力发电机，起动还需要配套起动电机，这又浪费能源，降低了发电效率。此外，目前大功率风力发电机整体重量太大，相当一部分风力资源浪费在克服风机自身重量和摩擦阻力上了，导致发电机运行成本高、发电效率低。
发明内容
本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种风能利用率高、制作及运行成本低的垂直轴大功率风力发电机。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种垂直轴大功率风力发电机，构成包括塔架、叶片、旋转装置、发电机和固定在塔架顶部的中心柱，所述叶片为竖向设置的弧形弯叶片，其特别之处是：所述各叶片与旋转装置由上下对称设置的横臂和斜撑杆连接，其中，横臂一端固接旋转装置、另一端固接斜撑杆，所述斜撑杆的另一端固接叶片。
上述垂直轴大功率风力发电机，所述斜撑杆外部由蒙皮形成半环绕包覆，蒙皮截面形状为半橄榄形、半椭圆形或半圆形。
上述垂直轴大功率风力发电机，所述旋转装置为上、下两段结构，它由位于中心柱上部的上旋转支承装置和于中心柱下部的下旋转支承装置构成，其中上旋转支承装置包括上旋转套和支撑上旋转套的上支座，上旋转套套装在中心柱外，位于上部的横臂端部固接上旋转套，上旋转套和中心柱之间设有轴承；所述下旋转支承装置包括下旋转套、下支座、主动齿轮、从动齿轮和发电机，下旋转套套装在中心柱外，主动齿轮套装在下旋转套外并与其周向固定，主动齿轮与分布在主动齿轮周边的各从动齿轮传动连接，各从动齿轮与各发电机同轴设置，下旋转套和中心柱之间设有轴承，位于下部的横臂端部固接下旋转套。
上述垂直轴大功率风力发电机，所述斜撑杆与横臂之间的夹角为45°。
上述垂直轴大功率风力发电机，所述连接叶片的两横臂之间设有竖连接杆和斜连接杆，在两横臂接近斜撑杆端设有辅助竖叶片。
本发明针对现有垂直轴风力发电机结构不适于大功率问题进行了改进，提供了一种全新结构的垂直轴风力发电机，该发电机结合了垂直轴Φ型和H型风力发电机的优点，它既避免了H型发电机叶片连接处的弯曲应力过于集中的弊端，又解决了Φ型发电机自起动困难问题，即使是在低风速下，依靠自身结构也可以正常起动。此外通过改进旋转装置，大大减轻了发电机整体重量，在减少发电机自身能耗的同时，节约材料并便于维护保养。基于上述优点，本发明与现有水平轴风力发电机无需采用迎风装置，结构简单；与现有垂直轴风力发电机相比，可以实现大功率设计要求，其优势显而易见，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是叶片与横臂、斜撑杆连接的结构示意图；
图3是图2的A-A剖视图(放大)；
图4是旋转装置结构示意图。
图中标号含义如下：1.塔架；2.叶片；3.斜撑杆；4.横臂；5.中心柱；6.蒙皮；7.竖连接杆；8.斜连接杆；9.辅助竖叶片；10.横拉杆；11.上旋转套；12.上支座；13.下旋转套；14.发电机；15.从动齿轮；16.主动齿轮；17.下支座。
具体实施方式
参看图1，本发明是一种全新结构的垂直轴大功率风力发电机，它包括塔架1、固定在塔架顶部的中心柱5、叶片2、旋转装置和发电机，所述叶片为竖向设置的弧形弯叶片，叶片沿中心柱周向均匀分布，通常为4-8片。
参看图1、图2，本发明关键技术之一是结合了垂直轴Φ型和H型风力发电机的优点，由图可见各叶片2与旋转装置由上下对称设置的横臂4和斜撑杆3连接，其中，横臂一端固接旋转装置、另一端固接斜撑杆，位于上部的斜撑杆另一端固接叶片上部；位于下部的斜撑杆另一端固接叶片下部。斜撑杆与横臂之间的夹角为45°。该结构弯曲的叶片只承受张力，不承受离心力，叶片弯曲应力大幅度降低，使叶片可以以更高的速度运行。弯叶片与中心柱之间用横臂4和斜撑杆3与旋转装置连接，增大了弯叶片扫描面积和叶片的力距。
参看图2，本发明的另一关键技术是斜撑杆采用桁架与蒙皮复合结构，即在斜撑杆3的外部由蒙皮6形成半环绕包覆，蒙皮截面形状为半橄榄形、半椭圆形或半圆形，图3所示蒙皮截形为半橄榄形。斜撑杆未被蒙皮包覆的开放面位于由中心柱轴线和斜撑杆轴线所确定的竖直平面上。该结构使得蒙皮内凹的圆弧面受到的风阻力要比外凸的圆弧面大，两侧的阻力差将使风机无需起动电机，在低风速下，自身即可正常起动。从而解决垂直轴Φ型风力发电机自起动困难的问题。
参看图4，本发明的另一关键技术是将旋转装置由传统的一体结构改进为上、下两段结构，由图可见，所述旋转装置由位于中心柱5上部的上旋转支承装置和于中心柱下部的下旋转支承装置构成。上旋转支承装置包括上旋转套11和支撑上旋转套的上支座12，上旋转套套装在中心柱外，位于上部的横臂4端部固接上旋转套，上旋转套上部和中心柱之设有径向轴承，上旋转套下部与上支座间设有推力轴承。所述下旋转支承装置包括下旋转套13、下支座17、主动齿轮16、从动齿轮15和发电机14，下旋转套套装在中心柱外，主动齿轮套装在下旋转套外并与其周向固定，在主动齿轮周边均匀分布发电机和与发电机同轴设置的从动齿轮，主动齿轮与各从动齿轮传动连接，将旋转运动经各从动齿轮传递到与各发电机。位于下部的横臂4端部固接下旋转套。该设计减少了旋转装置自身的重量，由于重量减轻，磨擦阻力减小，降低自身能耗的同时，降低了机械部件的故障率。而且当某一部件出现故障时，不需要整体拆卸，只需要把出现故障的部位拆开维护，所以安装维护简单，维护成本低。
仍参看图2，为提高连接强度，在两横臂4之间设有竖连接杆7和斜连接杆8。在两横臂接近斜撑杆端设有辅助竖叶片9，既能达到力的传导又能增加风能利用率。在横臂与叶片之间还设置了横拉杆10。

Claims (5)

1.一种垂直轴大功率风力发电机，构成中包括塔架、叶片、旋转装置、发电机和固定在塔架顶部的中心柱，所述叶片为竖向设置的弧形弯叶片，其特征在于：所述各叶片(2)与旋转装置由上下对称设置的横臂(4)和斜撑杆(3)连接，其中，横臂一端固接旋转装置、另一端固接斜撑杆，所述斜撑杆的另一端固接叶片。
2.根据权利要求1所述的垂直轴大功率风力发电机，其特征在于：所述斜撑杆(3)外部由蒙皮(6)形成半环绕包覆，蒙皮截面形状为半橄榄形、半椭圆形或半圆形。
3.根据权利要求2所述的垂直轴大功率风力发电机，其特征在于：所述旋转装置为上、下两段结构，它由位于中心柱(5)上部的上旋转支承装置和于中心柱下部的下旋转支承装置构成，其中上旋转支承装置包括上旋转套(11)和支撑上旋转套的上支座(12)，上旋转套套装在中心柱外，位于上部的横臂端部固接上旋转套，上旋转套和中心柱之间设有轴承；所述下旋转支承装置包括下旋转套(13)、下支座(17)、主动齿轮(16)、从动齿轮(15)和发电机(14)，下旋转套套装在中心柱外，主动齿轮套装在下旋转套外并与其周向固定，主动齿轮与分布在主动齿轮周边的各从动齿轮传动连接，各从动齿轮与各发电机同轴设置，下旋转套和中心柱之间设有轴承，位于下部的横臂端部固接下旋转套。
4.根据权利要求1、2或3所述的垂直轴大功率风力发电机，其特征在于：所述斜撑杆与横臂之间的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的垂直轴大功率风力发电机，其特征在于：所述连接叶片的两横臂(4)之间设有竖连接杆(7)和斜连接杆(8)，在两横臂接近斜撑杆端设有辅助竖叶片(9)。
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