CN102213180B - 一种立轴风力发电机组的风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据立轴风机叶片运行的独有特点设计的新型立轴风力发电机组的风机结构。通过叶片之间的直接关联、紧凑型的主轴总成和安装方式等构造，成倍提高了风轮支撑部件的使用效率，分散了叶片出力的传递途径、并减小了传递部件力臂的长度从而提高了受力均匀性，除去了叶片产生震颤的根源；这些因素又成倍降低了风轮支撑部件的强度要求、同时也降低了对轮毂和主轴的强度要求、便利了风机的运输和安装。因此，本发明的风机结构具有离心荷载小、重量轻、易安装、易运输和成本低的效果。

Description

一种立轴风力发电机组的风机

技术领域

本发明属于风力发电机组的风机(又称风力机)设计与制造技术，具体是立轴(又称垂直轴)风力发电机组风机的设计与制造技术。

背景技术

降低风力发电机组的发电成本是发展风电技术最关键的课题之一，在风力发电机组中风机的制造、运输和安装的成本占上述发电成本的60-70％。

目前市场上运行的风力发电机组的风机基本上都是水平轴涡轮式风机，这是一种高风速风机，它的中低风速效率低、性能差。其次，水平轴风机运行的噪音大、产生次声波和明显的晃眼问题，不仅不适合在都市和社区中使用、而且危害鸟类的生存环境，现在欧美国家的一些地方政府已立法禁止安装水平轴风电机组。第三，由于水平轴风机的结构所致，除单机容量大型化外，没有进一步降低发电成本的发展途径；但2兆瓦以上水平轴风机叶片的长度大大超出道路转弯半径的运输限值以及高塔架作业的条件限制，给运输、安装和维护维修带来的高成本，导致以单机容量大型化的方式来降低发电成本的实际效果非常有限。要显著降低风力发电成本还需另辟蹊径。

立轴风机的特点是无需风向跟踪系统、不存在电缆绞线问题，运行的噪音低、不产生次声波和晃眼问题不明显；本质上不同于涡轮机，既能利用叶片的升力、也能利用叶片的推力(又称阻力)；叶片是二维翼型，可分段制造、运输和安装，风轮的质量轴对称分布、重力荷载恒定、支撑部件与功能部件可分体运输；所有叶片运行时不同时出力(水平轴风机运行时所有叶片同时出力)、而是依次接替轮换出力(原因是立轴叶片转动一周，其攻角经历360°的变化，只有攻角在约±20°范围内叶片才能出力、攻角在其他角度范围叶片处于失速状态而不能出力)；风轮的离心荷载和叶片荷载都周期性变化。立轴风机的这些特点既有优点、也有缺点，利用优点、抑制缺点是发展立轴风机技术来降低发电成本的关键。可见在立轴风机上，降低风力发电成本的途径不是只有单机容量大型化一条路可走。

目前立轴风机的技术不少，但基本上都是“Φ”形和“H”形Darrieus立轴风机及其衍生技术，这些技术中风轮具有的一个共同特征是叶片通过悬臂直接连接在轮毂或主轴上，不同叶片之间没有连接部件。这种结构的缺点：一是悬臂因所需的强度高而重量大、并且悬臂使用的时间效率很低(原因是在叶片以接力方式出力运行的某一时刻，只有与出力叶片连接的这一个悬臂承担传递动力的作用、其余悬臂在传递作用上是闲置的，因此每个悬臂的强度都要达到能承担整个风轮转矩所需的强度)；二是风轮的受力均匀性差、离心荷载大，因此轮毂或主轴所需的强度高而重量大；三是悬臂结构上的叶片易震颤，导致悬臂的要求强度和重量进一步提高。解决这些缺点问题必须设计新型的立轴风机。

发明内容

本发明的目的是提出一种能解决上述问题的技术方案、设计一种新型结构的立轴风力发电机组的风机，还具有重量轻、易运输、易安装和成本低的效果。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：

一种立轴风机，它由塔架2、风轮3和主轴总成18组成。其特征是所述风轮3由至少一个叶片单元31和支撑单元32组成，所述叶片单元31由至少两个横臂8、至少两个叶片9和至少四个叶片连接块13组成，连接块13连接在横臂8的两端，叶片9安装在连接块13上，所述支撑单元32由轮毂4、至少两个上支臂5和至少两个下支臂7组成，所述轮毂4由上端板10、下端板11和至少两个立板12组成，上端板10和下端板11两者的中心有轴孔K，立板12的上边与上端板10固连、下边与下端板11固连，上支臂5和下支臂7两者的一端分别与立板12连接、两者的另一端分别与所述叶片单元31中不同的横臂8连接；所述主轴总成18由主轴1、主轴座19、轴承20和刹车制动装置24组成，所述主轴座19由顶板27、底板28、至少三个支柱29和至少三个横档30组成，顶板27和底板28两者的中心有轴承20的安装孔R，支柱29的一端与顶板27固连、另一端与底板28固连，横档30的两端与两个支柱29连接或与另外的两个横档30连接，制动装置24的刹车推动器安装在横档30上，主轴1的下段通过两个轴承20安装在所述安装孔R中间，制动装置24的刹车鼓或刹车盘安装在主轴1上并置于两个轴承20之间；所述主轴总成18安装在所述塔架2的顶上；所述主轴1的上段插入所述上端板10和下端板11两者中心的轴孔K内并与所述上端板10连接；风力能驱动所述风轮3和所述主轴1两者一起绕所述主轴1的轴心转动。

所述支撑单元32的第二种设计方案是：在上面(为第一种设计方案)所述支撑单元32的结构上添加至少两个中支臂6和至少两个斜撑21，中支臂6的一端与所述立板12连接、另一端与所述叶片单元31的横臂8连接，斜撑21的一端与中支臂6连接、另一端与所述上支臂5连接或与所述下支臂7连接。

所述轮毂4的另一种设计方案是：在上面所述轮毂4的结构上添加连接臂部件构成枝状结构的轮毂4，以方便所述支臂的安装；在第一种设计方案所述支撑单元32中轮毂4的结构上添加至少两个上连接臂33和至少两个下连接臂35，在第二种设计方案所述支撑单元32中轮毂4的结构上添加至少两个上连接臂33、至少两个下连接臂35、至少两个中连接臂34和至少两个立撑16，上连接臂33和下连接臂35两者的一端分别与所述立板12固连，中连接臂34的一端与所述立板12固连，立撑16的一端与中连接臂34固连、另一端与上连接臂33固连或与下连接臂35固连；所述支撑单元32中所述上支臂5的一端安装在所述上连接臂33上、另一端与所述叶片单元31上端的横臂8连接，所述下支臂7的一端安装在所述下连接臂35上、另一端与所述叶片单元31下端的横臂8连接，所述中支臂6的一端安装在所述中连接臂34上、另一端与所述叶片单元31中间的横臂8连接。

所述叶片单元31的第二种设计方案是：在上面(为第一种设计方案)所述叶片单元31的结构上添加至少两个第一斜杆15部件，第一斜杆15的两端与竖直相邻的两个所述横臂8连接。

所述叶片单元31的第三种设计方案是：在第一种设计方案所述叶片单元31的结构上或在第二种设计方案所述叶片单元31的结构上，添加至少两个横杆14部件，横杆14的两端与水平相邻的两个所述横臂8连接。

所述叶片单元31的第四种设计方案是：在第三种设计方案所述叶片单元31的结构上添加结构加强部件，根据结构的刚度和强度要求在角杆22、支杆25和连杆26三种部件中选择添加一种或两种或三种，角杆22的一端与所述横臂8连接、另一端与所述横杆14连接，支杆25的一端与所述叶片9连接、另一端与所述横杆14连接，连杆26的两端与两个所述横杆14连接。

所述风轮3的另一种设计方案是：在所述叶片单元31与所述支撑单元32之间添加结构加强部件，根据结构的刚度和强度要求在第二斜杆17和角撑23两种部件中选择添加一种或两种，第二斜杆17的一端与所述叶片单元31的横杆14连接、另一端与所述支撑单元32的上支臂5或下支臂7或斜撑21连接，角撑23的一端与所述叶片单元31的横臂8连接、另一端与所述支撑单元32的中支臂6连接。

所述轮毂4的特征还有：所述上端板10是方形的或圆形的，所述下端板11是方形的或圆形的，所述上端板10中心的轴孔K是方形的，所述下端板11中心的轴孔K是方形的或圆弧角方形的，所述立板12是矩形的或梯形的，所述立板12的数量是二至八个，所述立板12以所述上端板10和所述下端板11两者中心轴孔K的轴心对称分布。

所述主轴总成18的特征还有：所述主轴座19的所述顶板27是圆形的或多边形的，所述底板28是圆形的或多边形的，所述支柱29是柱状的或板状的，所述支柱29的数量是三至九个，所述横档30的数量是三至九个；所述主轴1是下段为圆柱体、上段为方柱体的结构或是下段为圆柱体、上段为锥体并且在锥体的上端有方柱体帽和下端有圆弧角方柱体座的结构；所述制动装置24是鼓式制动器或盘式制动器。

所述风轮3的特征还有：所述上支臂5有二至三个、所述中支臂6有零至八个、所述下支臂7有二至三个、所述横臂8有四至十六个、所述叶片9有三至八个、所述连接块13有四至十六个、所述横杆14有零至九个、所述第一斜杆15有零至十二个、所述立撑16有零至十六个、所述第二斜杆17有零至二十四个、所述斜撑21有零至十六个、所述角杆22有零至十二个、所述角撑23有零至四个、所述支杆25有零至八个、所述连杆26有零至八个、所述上连接臂33有零至三个、所述下连接臂35有零至三个和所述中连接臂34有零至八个。

所述塔架2有三种结构：a、四方形结构，b、三角形结构，c、圆管结构。

本发明的有益效果：

本发明风轮3由叶片单元31与支撑单元32组合构成的结构特点是将【背景技术】中所述悬臂的作用，分解由叶片单元31中的横臂8(或还有横杆14)和支撑单元32中的上支臂5、下支臂7或中支臂6等部件承担，横臂8的新作用是连接叶片9形成叶片单元31、并且叶片单元31作为一个整体通过横臂8连接到支撑单元32的上支臂5、下支臂7或中支臂6上。这种结构的优点是：任何一个叶片9的出力通过横臂8(或还有横杆14)传递到支撑单元32的所有上支臂5、下支臂7或中支臂6上，成倍提高了这些支臂的使用效率，分散了叶片9出力的传递途径、并且减小了传递部件力臂的长度从而提高了风轮3的受力均匀性，除去了叶片产生震颤的根源；这些因素又成倍降低了对横臂8、上支臂5、下支臂7或中支臂6等部件的强度要求、同时也降低了对轮毂4和主轴1的强度要求。枝状结构的轮毂4不仅方便了支撑单元32和叶片单元31的安装、而且减小了上支臂5、下支臂7或中支臂6的长度和重量。因此，本发明风轮3的结构设计具有离心荷载小、重量轻、易安装和成本低的效果。

本发明主轴总成18是紧凑型结构，主轴1的高度仅有风轮3高度的约10％。这种结构的优点是：主轴总成18与塔架2在装配上是完全分离的，主轴总成18能在工厂里完成装配和调试(主轴总成是风机传动的核心部件，它的安装精确性和轴承密封性对传动性能的影响很大；与风机安装现场比较，工厂中有保证安装精确性和轴承密封性的条件；风沙大地区运行的风机要求有高的轴承密封性)。因此，本发明主轴总成18的结构设计具有保证安装精确性和轴承密封性的实施条件、方便运输和降低风机安装成本的效果。主轴总成18紧凑型结构的另一个效果是降低了风机传动系统的制造成本，原因是(对相同高度的风机而言)短的主轴1必须匹配长的传动轴36，主轴不但起传递转矩的作用、而且还起支撑风轮运行的作用，而传动轴仅起传递转矩的作用；可见主轴与传动轴的材质和构造比较差别很大、造价差别也大。主轴1短、传动轴36长，造价相对低。

附图说明

图1是本发明中两种主轴的结构示意图，图(b)和图(d)安装了轴承。

图2是本发明中四种轮毂的结构示意图。

图3是本发明中两种主轴座的结构示意图。

图4是本发明中两种主轴总成的结构示意图。

图5是本发明中三种塔架的结构示意图。

图6是本发明中上支臂和下支臂的三种结构、中支臂和斜撑的两种结构示意图。

图7是本发明中上连接臂和下连接臂的三种结构、中连接臂的两种结构及其分别与三种结构的上支臂和下支臂、两种结构的中支臂对应连接的示意图。

图8是本发明中两种连接块的结构及其与横臂连接的结构示意图。

图9是本发明中两种双叶片的叶片单元和一种四叶片的叶片单元结构示意图。

图10是本发明中四种枝状的轮毂结构示意图。

图11是本发明中五种支撑单元的结构示意图，图(c)和图(d)中轮毂是枝状的。

图12是本发明中三种枝状轮毂的支撑单元结构示意图。

图13是本发明实施例一的结构示意图。

图14是本发明实施例二的结构示意图。

图15是本发明中两种三叶片的叶片单元结构示意图。

图16是本发明中两种八叶片的叶片单元结构示意图，图(b)是实施例三的叶片单元结构示意图。

图17是本发明实施例三的风轮结构示意图。

图18是本发明实施例三的结构示意图。

图19是本发明中一种四叶片风轮的结构示意图。

图20是本发明实施例四的叶片单元结构示意图。

图21是本发明实施例四的风轮结构示意图。

图22是本发明实施例四的结构示意图。

图23是本发明中两种六叶片的叶片单元结构示意图，图(b)是实施例五的叶片单元结构示意图。

图24是本发明实施例五的风轮结构示意图。

图25是本发明实施例五的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图13是本发明实施例一的结构示意图，它由图5(a)所示的塔架2、两个图9(a)所示的叶片单元31与图11(a)所示的支撑单元32组合构成的风轮3和图4(a)所示的主轴总成18组成风机，风机与传动轴36、变速器或变矩器37和发电机38一起组成一种立轴风力发电机组。图5(a)的塔架2是四方形结构的。图9(a)的叶片单元31由两个叶片9、两个横臂8和四个图8(a)所示的连接块13组成；横臂8两端与连接块13的连接示意于图8(b)，叶片9安装在连接块13上。图11(a)的支撑单元32由图2(a)所示的轮毂4、两个图6(a)所示的上支臂5和两个图6(c)所示的下支臂7组成；图2(a)所示轮毂4的上端板10和下端板11都是方形的、两者中心的轴孔K都是方形的，两个梯形立板12分布在以轴孔K的轴心180°对称的位置上、立板12的上边(梯形短边)与上端板10固连、下边(梯形长边)与下端板11固连，上支臂5的一端与两个立板12连接、另一端与叶片单元31上端的横臂8连接，下支臂7的一端与两个立板12连接、另一端与叶片单元31下端的横臂8连接。图4(a)所示的主轴总成18由图1(a)所示的主轴1、图3(a)所示的主轴座19、两个轴承20和刹车制动装置24组成；图1(a)的主轴1是下段为圆柱体、上段为方柱体的结构，图3(a)所示主轴座19的四个板状支柱29的一端固连在方形底板28的四个角上、另一端与圆形的顶板27固连，四个横档30分为两组、每组的两个横档30彼此平行，第一组两个横档30的四端与四个支柱29连接，第二组每个横档30的两端与第一组两个横档30连接，鼓式制动器24的推动器安装在第二组的两个横档30上，主轴1通过图1(b)所示下段位置的两个轴承20安装在顶板27和底板28两者中心的安装孔R中间，鼓式制动器24的刹车鼓安装在主轴1上并置于两个轴承20之间。主轴总成18安装在塔架2的顶上，主轴1上段的方柱体插入上端板10和下端板11两者中心的方形轴孔K内并与上端板10连接，风力能驱动风轮3和主轴1两者一起绕主轴1的轴心转动。图19所示的风轮3具有高的刚度、强度和应力分布均匀性，由此替换本实施例一中的风轮3能构造更大的本发明立轴风机。

图14是本发明实施例二的结构示意图，它由图5(b)所示的塔架2、图15(a)所示叶片单元中去掉六个横杆14形成的叶片单元31与图11(b)所示的支撑单元32组合构成的风轮3和图4(b)所示的主轴总成18组成风机，风机与传动轴36、变速器37和发电机38一起组成一种立轴风力发电机组。图5(b)的塔架2是三角形结构的。本实施例二的叶片单元31由三个叶片9、六个横臂8、六个图8(d)所示的连接块13和六个第一斜杆15组成；横臂8两端与连接块13的连接示意于图8(c)，叶片9安装在连接块13上，第一斜杆15的两端与上下相邻的横臂8连接。图11(b)的支撑单元32由图2(b)所示的轮毂4、三个图6(a)所示的上支臂5和三个图6(c)所示的下支臂7组成；图2(b)所示轮毂4的上端板10和下端板11都是圆形的、两者中心的轴孔K都是方形的，六个梯形立板12分为三组、每组的两个立板12彼此平行，三组立板12分布在以轴孔K的轴心120°对称的位置上、立板12的上边(梯形短边)与上端板10固连、下边(梯形长边)与下端板11固连，三个上支臂5的一端分别与三组立板12连接、另一端与叶片单元31上端的横臂8连接，三个下支臂7的一端分别与三组立板12连接、另一端与叶片单元31下端的横臂8连接。图4(b)所示的主轴总成18由图1(a)所示的主轴1、图3(b)所示的主轴座19、两个轴承20和刹车制动装置24组成；图1(a)的主轴1是下段为圆柱体、上段为方柱体的结构，图3(b)所示主轴座19的三个柱状支柱29的一端固连在三角形底板28的三个角上、另一端与三角形顶板27的三个角固连，三个横档30与三个柱状支柱29相互间隔、每个横档30的两端与相邻的两个支柱29连接，鼓式制动器24的推动器安装在三个横档30上，主轴1通过图1(b)所示下段位置的两个轴承20安装在顶板27和底板28两者中心的安装孔R中间，鼓式制动器24的刹车鼓安装在主轴1上并置于两个轴承20之间。主轴总成18安装在塔架2的顶上，主轴1上段的方柱体插入上端板10和下端板11两者中心的方形轴孔K内并与上端板10连接，风力能驱动风轮3和主轴1两者一起绕主轴1的轴心转动。用图15所示的两种叶片单元31替换本实施例二的叶片单元31能构造两种刚度、强度、应力分布均匀性更高的风轮3。

图18是本发明实施例三的结构示意图，它由图5(a)所示的塔架2、图17所示的风轮3和图4(a)所示的主轴总成18组成风机，风机与传动轴36、变速器或变矩器37和发电机38一起组成一种立轴风力发电机组。图5(a)的塔架2是四方形结构的。图17所示的风轮3由图16(b)所示的叶片单元31、图11(d)所示的支撑单元32、叶片单元31与支撑单元32之间连接的八个第二斜杆17和四个角撑23部件构成；图16(b)的叶片单元31由八个叶片9、六个横臂8、十二个图8(a)所示的连接块13、四个第一斜杆15、四个横杆14、八个角杆22、八个支杆25和两个连杆26组成，横臂8两端与连接块13的连接示意于图8(b)，叶片9安装在连接块13上，叶片9通过连接块13与横臂8的连接结构和第一斜杆15与横臂8的连接结构示意于图9(b)，横杆14与横臂8的连接结构、角杆22与横臂8和横杆14的连接结构示意于图16(a)，支杆25的一端与叶片9连接、另一端与横杆14连接，连杆26的两端与顶端的两个横杆14连接；图11(d)的支撑单元32由图10(a)所示的轮毂4、两个图6(a)所示的上支臂5、两个图6(b)所示的中支臂6、两个图6(c)所示的下支臂7和两个图6(d)所示的斜撑21组成，图10(a)所示轮毂4的上端板10和下端板11都是方形的、上端板10中心的轴孔K是方形的、下端板11中心的轴孔K是圆弧角方形的(与图1(c)中A-A剖面图形状相同)，两个梯形立板12分布在以轴孔K轴心180°对称的位置上、立板12的上边(梯形短边)与上端板10固连、下边(梯形长边)与下端板11固连，两个图7(e)所示的上连接臂33、两个图7(f)所示的中连接臂34和两个图7(g)所示的下连接臂35六者的一端分别与两个立板12固连，八个立撑16分为两组、每组四个，一组中每个立撑16的一端与中连接臂34固连、另一端与上连接臂33固连，另一组中每个立撑16的一端与中连接臂34固连、另一端与下连接臂35固连，上支臂5的一端安装在上连接臂33上、另一端与叶片单元31上端的横臂8连接，下支臂7的一端安装在下连接臂35上、另一端与叶片单元31下端的横臂8连接，中支臂6的一端安装在中连接臂34上、另一端与叶片单元31中间的横臂8连接，斜撑21的一端与中支臂6连接、另一端与上支臂5连接；在图17中，八个第二斜杆17分为两组、每组四个，一组中每个第二斜杆17的一端与横杆14连接、另一端与上支臂5连接，另一组中每个第二斜杆17的一端与横杆14连接、另一端与下支臂7连接，四个角撑23中每个的一端与横臂8连接、另一端与中支臂6连接。图4(a)所示的主轴总成18由图1(c)和图1(d)所示的主轴1、图3(a)所示的主轴座19、两个轴承20和刹车制动装置24组成；图1(c)和图1(d)所示的主轴1是下段为圆柱体、上段为锥体并且在锥体的上端有方柱体帽和下端有圆弧角方柱体座的结构，图3(a)所示主轴座19的四个板状支柱29的一端固连在正方形底板28的四个角上、另一端与圆形的顶板27固连，四个横档30分为两组、每组的两个横档30彼此平行，第一组两个横档30的四端与四个支柱29连接，第二组每个横档30的两端与第一组两个横档30连接，鼓式制动器24的推动器安装在第二组的两个横档30上，主轴1通过图1(d)所示下段位置的两个轴承20安装在顶板27和底板28两者中心的安装孔R中间，鼓式制动器24的刹车鼓安装在主轴1上并置于两个轴承20之间。主轴总成18安装在塔架2的顶上，主轴1上段锥体的下端圆弧角方柱体座插在下端板11的圆弧角方形轴孔K内、锥体的上端方柱体帽插在上端板10的方形轴孔K内并与上端板10连接，风力能驱动风轮3和主轴1两者一起绕主轴1的轴心转动。

图22是本发明实施例四的结构示意图，它由图5(b)所示的塔架2、图21所示的风轮3和图4(b)所示的主轴总成18组成风机，风机与传动轴36、变速器37和发电机38一起组成一种立轴风力发电机组。图5(b)的塔架2是三角形结构的。图21所示的风轮3由图20所示的叶片单元31、图11(e)所示的支撑单元32、叶片单元31与支撑单元32之间连接的十二个第二斜杆17部件构成。图20的叶片单元31由六个叶片9、十二个横臂8、十二个图8(d)所示的连接块13、十二个第一斜杆15和六个横杆14组成；横臂8两端与连接块13连接，叶片9安装在连接块13上，第一斜杆15的两端与竖直相邻的横臂8连接，横杆14的两端与水平相邻的横臂8连接；图11(e)的支撑单元32由图2(c)所示的轮毂4、三个图6(a”)所示的上支臂5、三个图6(c”)所示的下支臂7、六个图6(b’)所示的中支臂6和十二个图6(d’)所示的斜撑21组成；图2(c)所示轮毂4的上端板10和下端板11都是圆形的、上端板10中心的轴孔K是方形的、下端板11中心的轴孔K是圆弧角方形的(与图1(c)中A-A剖面图形状相同)，六个矩形立板12分布在以轴孔K轴心60°对称的位置上、每个立板12的上边与上端板10固连、下边与下端板11固连，三个上支臂5与三个下支臂7相互间隔、这六者的双头一端分别置于六个立板12之间并与相邻的两个立板12连接、三个上支臂5的单头一端与叶片单元31上端的三个横臂8连接、三个下支臂7的单头一端与叶片单元31下端的三个横臂8连接，六个中支臂6的双头一端分别与六个立板12连接、单头一端与叶片单元31中间的六个横臂8连接，十二个斜撑21分为两组、每组六个，一组中每个斜撑21一端与中支臂6连接、另一端与上支臂5连接，另一组中每个斜撑21一端与中支臂6连接、另一端与下支臂7连接；在图21中，十二个第二斜杆17分为两组、每组六个，一组中每个第二斜杆17的一端与横杆14连接、另一端与上支臂5连接，另一组中每个第二斜杆17的一端与横杆14连接、另一端与下支臂7连接。图4(b)所示的主轴总成18由图1(c)和图1(d)所示的主轴1、图3(b)所示的主轴座19、两个轴承20和刹车制动装置24组成；图1(c)和图1(d)所示的主轴1是下段为圆柱体、上段为锥体并且在锥体的上端有方柱体帽和下端有圆弧角方柱体座的结构，图3(b)所示主轴座19的三个柱状支柱29的一端固连在三角形底板28的三个角上、另一端与三角形顶板27的三个角固连，三个横档30与三个柱状支柱29相互间隔、每个横档30的两端与相邻的两个支柱29连接，鼓式制动器24的推动器安装在三个横档30上，主轴1通过图1(d)所示下段位置的两个轴承20安装在顶板27和底板28两者中心的安装孔R中间，鼓式制动器24的刹车鼓安装在主轴1上并置于两个轴承20之间。主轴总成18安装在塔架2的顶上，主轴1上段锥体的下端圆弧角方柱体座插在下端板11的圆弧角方形轴孔K内、锥体的上端方柱体帽插在上端板10的方形轴孔K内并与上端板10连接，风力能驱动风轮3和主轴1两者一起绕主轴1的轴心转动。

图25是本发明实施例五的结构示意图，它由图5(a)所示的塔架2、图24所示的风轮3、图4(a)所示的主轴总成18组成风机，风机与传动轴36、变速器或变矩器37和发电机38一起组成一种立轴风力发电机组。图24的风轮3由图23(b)所示的叶片单元31、图12(c)所示的支撑单元32、叶片单元31与支撑单元32之间连接的十二个第二斜杆17部件构成。图23(b)的叶片单元31由六个叶片9、十二个横臂8、十二个图8(d)所示的连接块13、六个第一斜杆15、六个横杆14、十二个角杆22和六个支杆25组成；连接块13连接在横臂8的两端，叶片9安装在连接块13上，横臂8与横杆14和第一斜杆15的连接结构示意于图23(a)，角杆22的两端分别与横臂8和横杆14连接，支杆25的一端与叶片9连接、另一端与横杆14连接。图12(c)的支撑单元32由图10(d)所示的轮毂4、三个图6(a’)所示的上支臂5、三个图6(c’)所示的下支臂7、六个图6(b’)所示的中支臂6和六个图6(d’)所示的斜撑21组成；图10(d)所示轮毂4的上端板10和下端板11都是圆形的、上端板10中心的轴孔K是方形的、下端板11中心的轴孔K是圆弧角方形的(与图1(c)中A-A剖面图形状相同)，六个矩形立板12分布在以轴孔K轴心60°对称的位置上、每个立板12的上边与上端板10固连、下边与下端板11固连，三个图7(e”)所示的上连接臂33与三个图7(g”)所示的下连接臂35相互间隔、这六者的双头一端分别置于六个立板12之间并与相邻的两个立板12固连，六个图7(f’)所示的中连接臂34的双头一端分别与六个立板12固连，十二个立撑16分为两组、每组六个，一组中每个立撑16的一端与中连接臂34固连、另一端与上连接臂33固连，另一组中每个立撑16的一端与中连接臂34固连、另一端与下连接臂35固连；上支臂5的双头一端安装在上连接臂33的单头一端上、单头一端与叶片单元31上端的横臂8连接，中支臂6的双头一端安装在中连接臂34的单头一端上、单头一端与叶片单元31中间的横臂8连接，下支臂7的双头一端安装在下连接臂35的单头一端上、单头一端与叶片单元31下端的横臂8连接，斜撑21的一端与中支臂6连接、另一端与上支臂5连接。本实施例五的塔架2结构、主轴总成18结构、塔架2与主轴总成18之间的安装方式以及风轮3与主轴总成18之间的安装方式完全与上述实施例三的塔架2结构、主轴总成18结构、塔架2与主轴总成18之间的安装方式以及风轮3与主轴总成18之间的安装方式相同。

由图9、图15、图16、图20、图23所示的叶片单元31和图11、图12所示的支撑单元32以及图13、图14、图17、图19、图21、图24所示的风轮3可见，本发明风轮3的结构特征是叶片单元31的叶片9通过连接块13安装在横臂8的两端，叶片单元31通过横臂8的中间位置与支撑单元32的上支臂5、下支臂7或中支臂6连接，叶片9的出力主要由横臂8、上支臂5、下支臂7或中支臂6通过轮毂4传递到主轴1上；由图14、图15、图20和图23所示的三叶片或六叶片的叶片单元31可见，横臂8通过连接块13与叶片9连接构成一种框架结构的叶片单元31；图16所示的叶片单元31由两个图9(b)的叶片单元31构成、图19所示风轮3中的叶片单元31由两个图9(c)的叶片单元31构成，在图16和图19所示的八叶片或四叶片的叶片单元31中，横杆14与图9的横臂8连接也构成了一种框架结构的叶片单元31；图14、图15、图16、图19、图20和图23等图所示叶片单元31中的第一斜杆15、角杆22、支杆25和连杆26部件以及图17、图19、图21和图24所示风轮3的叶片单元31与支撑单元32之间的第二斜杆17和角撑23连接部件，主要起提高框架结构的刚度、强度和应力分布均匀性的作用。本发明风轮3结构的优点是风力驱动任何一个叶片9出力都能通过框架结构的叶片单元31传递到支撑单元32的所有上述支臂上同时受力，因此分散了受力传递途径、减小力臂长度、提高了受力的均匀性、减小了离心荷载，消除了叶片9产生震颤的根源；这些因素又减小了对风轮3部件的要求强度和重量。长度短、要求强度低和重量轻的部件越多，成本越低。

由图13、图14、图18、图22和图25所示立轴风机中主轴总成18的比例可见，图4所示的本发明的主轴总成18是紧凑型的，并且结构上与图5所示塔架2完全分离，图1所示的主轴1高度仅有风轮3高度的约十分之一。与图4所示的主轴总成18匹配的图2所示的轮毂4也是紧凑型的结构，轮毂4的高度是由图1所示主轴1上段的高度确定。这种轮毂4的优点是可用板材固连而成，材料利用率高、重量轻，因而成本低；其缺点是在轮毂4的立板12上安装图6所示上支臂5、下支臂7或中支臂6的操作空间过于狭窄，给在图5所示的塔架2上安装上述支臂带来不便。为保持这种结构轮毂4的优点、克服缺点，本发明在图2所示轮毂4的基础上设计了图10所示的轮毂4，它是将图7所示上连接臂33、下连接臂35或中连接臂34固连在图2所示轮毂4的立板12上、或再用立撑16固连在中连接臂34与上连接臂33或下连接臂35之间以提高刚度和强度、构成枝状结构的轮毂4。枝状轮毂4不仅给上述支臂的安装带来了方便、缩短了上述支臂的长度，而且由图7(e)所示的上述连接臂与上述支臂安装之间的重叠部分也有增强支撑单元32的刚度和强度的作用，所述连接臂有“一物两用”的作用，提高了材料的利用率；可见，虽然上述连接臂的使用增加了风轮3的部件，但降低上述支臂的要求强度和长度、从而减轻了上述支臂的重量，因此枝状结构轮毂4既方便了上述支臂的安装、又保持了风轮3的重量不变。风力发电机组风机设计的最大难度是设计既重量轻、又坚固的风轮。在相同刚度和强度的条件下，本发明风轮3的重量低于悬臂结构风轮的重量。

图11(c)所示的支撑单元32由图10(b)所示的轮毂4、三个图6(a)所示的上支臂5和三个图6(c)所示的下支臂7组成；图10(b)所示的轮毂4是在图2(b)所示轮毂4的三组平行立板12上固连三个图7(e)所示的上连接臂33和三个7(g)所示的下连接臂35构成的。图12(a)所示的支撑单元32由三个图6(a’)所示的上支臂5、三个图6(b’)所示的中支臂6、三个图6(c’)所示的下支臂7、三个图6(d’)所示的斜撑21和在图2(d)所示轮毂4的三个长立板12上分别固连三个图7(e’)所示的上连接臂33、三个图7(f’)所示的中连接臂34和三个7(g’)所示的下连接臂35以及三个与中连接臂34和上连接臂33固连的立撑16、三个与中连接臂34和下连接臂35固连的立撑16构成的枝状轮毂4组成。图12(b)所示的支撑单元32由三个图6(a’)所示的上支臂5、三个图6(b’)所示的中支臂6、三个图6(c’)所示的下支臂7、六个图6(d’)所示的斜撑21和在图2(d)所示轮毂4的三个长立板12上固连三个图7(e’)所示的上连接臂33、三个图7(f’)所示的中连接臂34和三个7(g’)所示的下连接臂35以及三个与中连接臂34和上连接臂33固连的立撑16、三个与中连接臂34和下连接臂35固连的立撑16构成的枝状轮毂4组成。

图5(c)所示圆管结构的塔架2在实施例中未采用的原因是传动轴36、变速器或变矩器37和发电机38无法示出。所述盘式制动器在附图和实施例中未出现的原因是盘式制动器的推动器图形要干扰主轴总成18图形的辨认。

Claims (11)

1.一种立轴风机，它由塔架(2)、风轮(3)和主轴总成(18)组成；其特征是所述风轮(3)主要由至少一个叶片单元(31)和支撑单元(32)组成，所述叶片单元(31)由至少两个横臂(8)、至少两个叶片(9)和至少四个叶片连接块(13)组成，所述连接块(13)连接在所述横臂(8)的两端，所述叶片(9)安装在所述连接块(13)上，所述支撑单元(32)由轮毂(4)、至少两个上支臂(5)和至少两个下支臂(7)组成，所述轮毂(4)由上端板(10)、下端板(11)和至少两个立板(12)组成，两个轴孔(K)分别位于所述上端板(10)和所述下端板(11)两者的中心，所述立板(12)的上边与所述上端板(10)固连、下边与所述下端板(11)固连，所述上支臂(5)和所述下支臂(7)两者的一端与所述立板(12)连接、两者的另一端分别与所述叶片单元(31)中不同的所述横臂(8)连接；所述主轴总成(18)由主轴(1)、主轴座(19)、轴承(20)和刹车制动装置(24)组成，所述主轴座(19)由顶板(27)、底板(28)、至少三个支柱(29)和至少三个横档(30)组成，两个所述轴承(20)的安装孔(R)分别位于所述顶板(27)和所述底板(28)两者的中心，所述支柱(29)的一端与所述顶板(27)固连、另一端与所述底板(28)固连，所述横档(30)的两端与两个所述支柱(29)连接或与另外的两个所述横档(30)连接，所述制动装置(24)的刹车推动器安装在所述横档(30)上，所述主轴(1)的下段通过两个所述轴承(20)安装在所述安装孔(R)中间，所述制动装置(24)的刹车鼓或刹车盘安装在所述主轴(1)上并置于两个所述轴承(20)之间；所述主轴总成(18)安装在所述塔架(2)的顶上；所述主轴(1)的上段插入所述两个轴孔(K)内并与所述上端板(10)连接；所述风轮(3)和所述主轴(1)两者一起能绕所述主轴(1)的轴心转动。 

2.根据权利要求1所述的风机，其特征是所述支撑单元(32)的结构上，添加至少两个中支臂(6)和至少两个斜撑(21)部件，所述中支臂(6)的一端与所述立板(12)连接、另一端与所述叶片单元(31)的所述横臂(8)连接，所述斜撑(21)的一端与所述中支臂(6)连接、另一端与所述上支臂(5)连接或与所述下支臂(7)连接；所述中支臂(6)有二至八个、所述斜撑(21)有二至十六个。 

3.根据权利要求1所述的风机，其特征是在所述轮毂(4)的结构上，添加至少两 个上连接臂(33)和至少两个下连接臂(35)部件，所述上连接臂(33)和下连接臂(35)两者的一端分别与所述立板(12)固连；所述上支臂(5)的一端安装在所述上连接臂(33)上、另一端与所述叶片单元(31)上端的所述横臂(8)连接，所述下支臂(7)的一端安装在所述下连接臂(35)上、另一端与所述叶片单元(31)下端的所述横臂(8)连接；所述上连接臂(33)有二至三个、所述下连接臂(35)有二至三个。 

4.根据权利要求2所述的风机，其特征是在所述轮毂(4)的结构上，添加至少两个上连接臂(33)、至少两个下连接臂(35)、至少两个中连接臂(34)和至少两个立撑(16)部件，所述上连接臂(33)和下连接臂(35)两者的一端分别与所述立板(12)固连，所述中连接臂(34)的一端与所述立板(12)固连，所述立撑(16)的一端与所述中连接臂(34)固连、另一端与所述上连接臂(33)固连或与所述下连接臂(35)固连；所述上支臂(5)的一端安装在所述上连接臂(33)上、另一端与所述叶片单元(31)上端的所述横臂(8)连接，所述下支臂(7)的一端安装在所述下连接臂(35)上、另一端与所述叶片单元(31)下端的所述横臂(8)连接，所述中支臂(6)的一端安装在所述中连接臂(34)上、另一端与所述叶片单元(31)中间的所述横臂(8)连接；所述立撑(16)有二至十六个、所述上连接臂(33)有二至三个、所述中连接臂(34)有二至八个、所述下连接臂(35)有二至三个。 

5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的风机，其特征是在所述叶片单元(31)的结构上添加至少两个第一斜杆(15)部件，所述第一斜杆(15)的两端与竖直相邻的两个所述横臂(8)连接；所述第一斜杆(15)有二至十二个。 

6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的风机，其特征是在所述叶片单元(31)的结构上添加至少两个横杆(14)部件，所述横杆(14)的两端与水平相邻的两个所述横臂(8)连接；所述横杆(14)有二至九个。 

7.根据权利要求6所述的风机，其特征是在所述叶片单元(31)的结构上添加结构加强部件，根据结构的刚度和强度要求在角杆(22)、支杆(25)和连杆(26)三 种部件中选择添加一种或两种或三种部件，所述角杆(22)的一端与所述横臂(8)连接、另一端与所述横杆(14)连接，所述支杆(25)的一端与所述叶片(9)连接、另一端与所述横杆(14)连接，所述连杆(26)的两端与两个所述横杆(14)连接。 

8.根据权利要求6所述的风机，其特征是在所述风轮(3)的结构上，在所述叶片单元(31)与所述支撑单元(32)之间添加结构加强部件，根据结构的刚度和强度要求在第二斜杆(17)和角撑(23)两种部件中选择添加一种或两种部件，所述第二斜杆(17)的一端与所述叶片单元(31)中的所述横杆(14)连接、另一端与所述支撑单元(32)中的所述上支臂(5)连接或与所述下支臂(7)连接，所述角撑(23)的一端与所述叶片单元(31)中的所述横臂(8)连接、另一端与所述支撑单元(32)中的所述中支臂(6)连接。 

9.根据权利要求1所述的风机，所述主轴总成(18)的特征还在于：所述主轴座(19)的所述顶板(27)是圆形或是多边形的、所述底板(28)是圆形或是多边形的、所述支柱(29)是柱状或是板状的，所述支柱(29)的数量是三至九个，所述横档(30)的数量是三至九个；所述主轴(1)是下段为圆柱体、上段为方柱体的结构或是下段为圆柱体、上段为锥体并且在锥体的上端有方柱体帽和下端有圆弧角方柱体座的结构；所述制动装置(24)是鼓式制动器或是盘式制动器。 

10.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的风机，所述轮毂(4)的特征还在于：所述上端板(10)是方形或是圆形的、所述下端板(11)是方形或是圆形的、所述上端板(10)中心的轴孔(K)是方形的、所述下端板(11)中心的轴孔(K)是方形或是圆弧角方形的、所述立板(12)是矩形或是梯形的，所述立板(12)的数量是二至八个，所述立板(12)以所述两个轴孔(K)的轴心对称分布。 

11.根据权利要求1所述的风机，所述风轮(3)的特征还在于：所述上支臂(5)有二至三个、所述下支臂(7)有二至三个、所述横臂(8)有四至十六个、所述叶片(9) 有三至八个、所述连接块(13)有四至十六个。 

Images