CN102135066A - 垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构 - Google Patents

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Abstract

一种垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构,其中的风力发电机包括风轮及发电机,发电机固定于塔柱上,每个支撑轮包括若干支撑杆,支撑杆外侧与叶片连接,内侧连接于设置在塔柱上的旋转支点上,所述旋转支点为所述发电机,或者是所述发电机和轴承连接机构,每个所述叶片与所有支撑轮中向下对正的一个支撑杆连接;在各个支撑轮之间设置有柔索,柔索连接在各个所述支撑轮的支撑杆上,使得各个支撑轮连接在一起。本发明与现有技术中的刚性连接或以控制达到同步的方法相比,不仅结构简单、安装方便,且重量轻、风阻小、效率高、成本低廉及可靠性好。可以有效的保证上下两支撑轮之间同步转动,提高发电效率。

Description

垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种垂直轴风力发电机的同步机构,具体地说是一个风轮通过两个或 两个以上的支撑轮驱动各自对应的发电机或旋转支点时,一种机械地保证各支撑轮及发电 机同步旋转的机构。
背景技术
[0002] 如图1所示的垂直轴风力发电机,包括塔柱01及风轮,风轮包括两个支撑轮02a、 02b和若干叶片03,每个支撑轮都是由若干支撑杆021组成。支撑杆021 —端与所述塔柱 01上设置的旋转支点连接,该旋转支点中连接的都是发电机。在一般情况下,一个风轮中的 几个支撑轮中至少有一个为发电机,其余的也可能是发电机,也可能是其它形式的旋转支 点,例如轴承、旋转轴套等。支撑杆的另一端与叶片03连接。连接在同一个旋转支点上的 支撑杆组成一个支撑轮。对于较大功率的垂直轴风机,由于叶片较长,一般一个叶片03由 两个或两个以上的支撑轮02支撑。一个支撑轮的支撑杆一般在一个水平面上,直接驱动发 电机,或仅起支撑作用。如图1所示,上支撑轮0¾和下支撑轮02b共同支撑叶片03。上支 撑轮0¾和下支撑轮02b的旋转必须保证同步,否则会导致叶片被扭坏。传统的机械保证 同步的方法是保证旋转支点本身的同步,即采用刚性连接上下支撑轮来使其同步,即在上 下支撑轮之间的塔柱外部套设刚性连接体04。由于刚性连接体04在塔柱附近,结构会变得 较大较重,导致转动惯量增加,发电效率降低。对于大型风力发电机来说,若同样采用刚性 连接,则需要制备一个大型的刚性连接体,不仅成本上是不能接受的,且从制备技术到使用 情况角度看,这种刚性连接体基本上也是不容易实现的,即使实现,风阻也很大,无疑会大 大降低发电效率。另外一种常见的试图保证同步的方法是,对支撑轮转速进行实时测量,然 后通过负载或刹车等手段,人为控制上下支撑轮的同步运转,此方法不仅结构复杂,控制逻 辑繁琐、控制速度或灵敏度要求高且成本大,而且转速测量累积误差及测量系统的可靠性 都有可能导致风轮的毁灭性破坏,其可靠性非常差。
[0003] 根据上述现有技术存在的问题,现在急需一种结构简便、成本低且可以有效保证 上下支撑轮同步转动、无位置误差累积的机械同步结构。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提出一种垂直轴风力发电机支撑轮同步结构,该结构可以有效 的保证上下相邻两支撑轮之间的同步运转,不同支撑轮之间的位置误差始终在允许范围 内,且成本低,安装简便,同时风阻小,重量轻,以增加发电效率。
[0005] 为了实现上述目的,本发明采用如下具体技术方案:
[0006] 一种垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构,其中的风力发电机包括风轮及 发电机,发电机固定于塔柱上,风轮驱动发电机旋转;所述风轮包括支撑轮和叶片,一个所 述风轮有两个或两个以上的所述支撑轮;每个支撑轮包括若干支撑杆,所述支撑杆外侧与 所述叶片连接,内侧连接于设置在塔柱上的旋转支点上,各个支撑轮的所述旋转支点为所述发电机,或者是所述发电机和轴承连接机构,每个所述叶片与所有支撑轮中上下对正的 一个支撑杆连接;其特征是,所述支撑轮的同步机构是在各个所述支撑轮之间设置有柔索, 所述柔索连接在各个所述支撑轮的支撑杆上,使得各个所述支撑轮连接在一起。
[0007] 在上下两所述支撑轮中上下对正并与同一个叶片连接的两支撑杆为一对支撑杆, 则在所述风轮中的每两对相邻的所述支撑杆之间均连接有所述柔索,构成柔索周向封闭 环。
[0008] 设置在相邻两对所述支撑杆之间的所述柔索可以是相对于所述叶片或塔柱倾斜 设置的单根柔索。
[0009] 倾斜设置的所述单根柔索相对于所述叶片或塔柱的倾斜方向可以是相同的,或者 是不同的。
[0010] 一个优选方案是:设置在相邻两对所述支撑杆之间的所述柔索是连接在相邻的两 对支撑杆之间的两根柔索,该两根所述拉索为交叉设置。
[0011] 所述柔索的交叉设置的具体结构可以是:一对支撑杆中的在上和在下的两支撑 杆上分别连接一柔索的一端,两柔索的另一端分别连接另一对支撑杆在下和在上的两支撑 杆,使得两对相邻的所述支撑杆被相互交叉的两所述柔索连接在一起。
[0012] 将上下支撑杆用钢制柔索交叉相连。这样,无论上下哪个支撑轮有跑前的倾向,就 立即会有一个钢索拉动另一个支撑轮,不仅保证其同步旋转,而且其相对位置偏差始终在 可允许的范围内,且相对位置误差不会累积。该允许的范围即是所述柔索的预紧力和柔索 以及与之连接的相关部件的弹性性能确定。
[0013] 必须指出,两对支撑杆之间设置交叉结构的两个柔索是效果比较好的方式,之所 以采用钢索交叉连接,不仅是因为其风阻小、重量轻,更重要的是,因为当其中一根钢索拉 紧拖动另一个支撑轮时,另一根必然是压缩,采用柔索时,被压缩的一根柔索可以处于放松 的状态,但如果采用刚性杆替换柔索连接,就会引起失稳等问题。因此,柔索的使用也是本 发明独到且合理的选择。
[0014] 可以在上下两相邻的所述支撑轮的每一对相邻支撑杆之间均交叉地上下连接两 根拉索,即每个支撑轮的所有支撑杆都必须与另一个支撑轮的支撑杆用钢索倾斜交叉连 接,在周向形成一个柔索周向封闭环。
[0015] 所述柔索在所述支撑杆上的连接位置最好在支撑杆中点以外、且距叶片一个叶片 宽度以内的范围内。即所述柔索与支撑杆连接点的位置优选为:距塔柱大于L/2,距叶片的 最小距离为B以上,L为支撑杆长度,B为叶片宽度。所述连接位置过分靠近塔柱,则同步力 矩小,同步效果差,过分靠近叶片,则会扰乱风轮旋转过程中产生的内流场,影响其气动特 性。
[0016] 柔索在同一个支撑轮的各个支撑杆上的连接位置最好距离塔柱等距离。
[0017] 所述柔索以安装时以基本拉直为准。所述拉索安装时的预紧力为100N〜1000N。 该预紧力的具体大小是依据风轮大小而定。该预紧力过小,即钢索过松则同步精度差,支撑 轮相对位置偏差大,容易造成叶片扭曲,该预紧力过大,即钢索过紧则对支撑杆附加一个很 大的力及其引起的弯矩,增加不必要的支撑杆负担或其设计制造困难。
[0018] 本发明的有益效果为:
[0019] 本发明提供的垂直轴风力发电机风轮支撑轮的同步机构与现有技术中的刚性连接或控制系统相比,不仅结构简单、安装方便,且重量轻、风阻小、效率高、成本低廉及可靠 性好。可以有效的保证上下两支撑轮之间同步转动及其相对位置偏差,提高发电效率。尤 其对于大功率风机,各支撑轮的旋转支点可以相互独立,大大简化风轮的设计。
[0020] 本发明在思路上的突破,体现在同步不是通过旋转支点的同步来实现的,而是通 过对独立的支撑轮支撑杆进行连接来保证支撑轮间的同步,从而反过来保证了旋转支点即 发电机的同步。
附图说明
[0021] 图1为现有技术中垂直轴风力发电机的刚性连接结构的示意图;
[0022] 图2为本发明提供的垂直轴风力发电机支撑轮同步结构的示意图。
具体实施方式
[0023] 如图2所示,为一垂直轴风力发电机的简图,其中的风轮包括两个支撑轮和若干 柱状的竖直叶片03,两个所述支撑轮设于塔柱01上,沿塔柱01垂直排布;每个竖直叶片 03连接上下两个该支撑轮上下对正的各一个支撑杆0¾和支撑杆02b的外端,该两个支撑 轮上的支撑杆的内端分别连接在一发电机外置转子上,该发电机外置转子套在设于塔柱01 上的发电机定子上。垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构包括若干根拉索05,所述 拉索05设置于所述支撑轮的支撑杆02上,为上下相邻支撑杆间的交叉倾斜连接,而非上下 支撑杆垂直方向的连接。
[0024] 一个所述叶片上的上下两支撑杆视为一对支撑杆,其上分别连接一所述柔索05 的一端,两根该柔索05的另一端分别连接相邻的另一所述叶片上的上下两支撑杆上,使得 相邻的两个所述叶片被相互交叉的两所述柔索连接在一起。
[0025] 图2中只画出了上下一组支撑杆之间的连接示意图,实际上可以是所有相邻的上 下成对支撑杆间都通过交叉的两钢制柔索相互倾斜交叉连接,在周向构成一个柔索周向封 闭环的同步机构。
[0026] 所述拉索05与支撑杆02连接点的位置为:距塔柱L/2以上,距叶片的距离为B以 上,L为支撑杆长度,B为叶片宽度。过分靠近塔柱,则同步力矩小,同步效果差,过分靠近叶 片,则会扰乱风轮旋转过程中产生的内流场,影响其气动特性。柔索在同一个支撑轮的各个 支撑杆上的连接位置最好距离塔柱等距离。在图2中,每个支撑轮上画有两个同心圆,在外 的圆表示叶片的运动轨迹,在内的圆表示柔索在支撑杆上的连接点的运动轨迹。
[0027] 所述拉索05的预紧力不得过大,也不能过松。过松则同步精度差,支撑轮相对位 置偏差大,容易造成叶片扭曲,过紧则对支撑杆附加一个很大的力及其引起的弯矩,增加不 必要的支撑杆负担或其设计制造困难。安装时以基本拉直钢索为度,即基本消除自重下垂 量、可稍有一点下垂,一般预紧力在100N〜1000N之间即可。例如可以利用紧线器等工具 张紧钢索。
[0028] 本发明的关键在于通过柔索将连接叶片的若干支撑轮连接在一起,所以,除了上 述一个最佳实施例之外,还可以有其他同步结构,例如还是一个叶片连接上下两个支撑轮, 两支撑轮上下对正的两支撑杆可称为一对支撑杆,柔索可以在相邻的两对支撑杆之间设置 一根柔软,其倾斜设置,每两对相邻的支撑杆之间的一根柔索的倾斜方向可以是相同的,也可以是不相同的。
[0029] 另外,在有三个支撑轮上下设置在一个风轮的例子中,将相邻的两个支撑轮,按所 述方法,两两分别相连即可。
[0030] 本发明使得一个风轮中各个支撑轮的同步,不是通过安装在塔柱上的旋转支点的 同步来实现的,而是通过对支撑轮支撑杆间的巧妙连接,保证上下支撑轮的同步,进而保证 旋转支点及整个风轮的同步,从而达到上下发电机之间的同步。本发明与现有技术中的刚 性连接或以控制达到同步的方法相比,不仅结构简单、安装方便,且重量轻、风阻小、效率 高、成本低廉及可靠性好。可以有效的保证上下两支撑轮之间同步转动,提高发电效率。

Claims (10)

1. 一种垂直轴风力发电机风轮中支撑轮的同步机构,其中的风力发电机包括风轮及发 电机,发电机固定于塔柱上,风轮驱动发电机旋转;所述风轮包括支撑轮和叶片组成,一个 所述风轮有两个或两个以上的所述支撑轮;每个支撑轮包括若干支撑杆,所述支撑杆外侧 与所述叶片连接,内侧连接于设置在塔柱上的旋转支点上,各个支撑轮的所述旋转支点为 所述发电机,或者是所述发电机和轴承连接机构,每个所述叶片与所有支撑轮中上下对正 的一个支撑杆连接;其特征在于,所述支撑轮的同步机构是在各个所述支撑轮之间设置有 柔索,所述柔索连接在各个所述支撑轮的支撑杆上,使得各个所述支撑轮连接在一起。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,在所述风 轮中的每两对相邻的所述支撑杆之间均连接有所述柔索,构成柔索周向封闭环。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,设置在 相邻两对所述支撑杆之间的所述柔索是相对于所述叶片或塔柱倾斜设置的单根柔索。
4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,倾斜设置 的所述单根柔索相对于所述叶片或塔柱的倾斜方向是相同的,或者是不同的。
5.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,设置在 相邻两对所述支撑杆之间的所述柔索是连接在相邻的两对所述支撑杆之间的两根柔索,该 两根所述拉索为交叉连接设置。
6.根据权利要求5所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,一对支撑 杆中的在上和在下的两支撑杆上分别连接一柔索的一端,两柔索的另一端分别连接另一对 支撑杆在下和在上的两支撑杆,使得两对相邻的所述支撑杆被相互交叉的两所述柔索连接 在一起。
7.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,所述柔 索在所述支撑杆上的连接位置在支撑杆中点以外、且距叶片一个叶片宽度以内的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,所述柔 索以安装时以基本拉直为准。
9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,所述柔索 安装时的预紧力为100N〜1000N。
10.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机支撑轮同步机构,其特征在于,所述 柔索在同一个支撑轮的各个支撑杆上的连接位置距离塔柱等距离。
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