CN102713266A - 垂直轴风力涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括一个涡轮机的垂直轴风力涡轮发电机。该涡轮机包括多个V形纵杯状叶片，其围绕转子沿一个或多个圆水平安装来接收风团并推动涡轮机旋转、提高涡轮机轴转速的递升变速器、通过递升变速器的驱动轴转动的发电机、消除涡轮机旋转时轴承上的摩擦使其自由悬浮在空气中的举升装置和一套风速加速通道，其提高来自各个方向的风团速度，当靠近叶片前方时速度超过自然瞬间风速。该涡轮机组安装在塔式结构上。

Description

垂直轴风力涡轮发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮发电机，用风车将自然风能转化成旋转功率并产生电或驱动机械旋转设备。

背景技术

垂直轴风力涡轮发电机利用免费的天然能量-风能产生电已经是众所周知的。这种风力涡轮发电机包括很多部件，大体上类似于现有的常规垂直轴风力涡轮发电机；这些部件包括安装在转子上的涡轮机叶片、连接到与涡轮机轴一起旋转的转子上的主轴、垂直连接到借助叶片接收风能旋转的主轴上的递升的变速器和一由变速器的输出轴驱动的发电机，该变速器完全通过安装在风力涡轮机塔架结构上的轴承垂直同轴安装。生产电的风力涡轮发电厂包括很多附件，涉及变压器、电池、逆变器、控制面板、配线和用于将电分配网结合在一起的控制系统。

图1显示的上述的风力涡轮发电机系统，图2详细显示的叶片形状，图3和图4显示的安装在转子上的叶片的方向、举升装置，图5和图6显示的一套风速加速通道是本发明附加提供的，其与其他部件一起连接安装以提高叶片的风团利用能力、通过举升装置减少来自安装在轴承上的涡轮机的负载的摩擦损耗并通过风速加速通道增加靠近风力涡轮机叶片的风速来利用风力作为发电机的驱动源，从而使用风能作为发电机的有效的动能来发电。

如图2所示，围绕涡轮机转子安装的叶片设计成V行纵向杯状的横截面。叶片两侧的宽度相同或相互不同，上方和下方叶片壁的纵向叶片宽度典型地设计成在叶片端部较窄。当风通过靠近叶片前方的风速加速通道，大量的风团压缩并加速进入叶片杯中，产生巨大的动能推动叶片和涡轮机转子旋转连接到递升变速器轴的初步决定方向和速度，并持续驱动发电机。旋转时，倾斜的上部和弯曲的下部叶片壁部分提升涡轮机组，通过这些叶片壁的设计，风速越快产生自我举升力越大。一个或多个风流动的可开启门通过铰链装配到上部叶片壁上。这些门通常在正常风速时通过其重力自锁，当风速超过设计极限时门将逐渐打开来使涡轮机避免在强风或暴风雨情况下的任何损坏并稳定设计转速时的涡轮机转速来维持最大发电容量。叶片杯的尺寸和外形，壁宽度，长度和深度具体设计成有助于风速时涡轮机旋转效率的主要因素。具有空气动力学设计的V形叶片还可以减少回推或拉力，其抵抗涡轮机旋转的叶片移动方向，是增加涡轮机转速的另一个关键因素。

图3和图4显示了举升装置，安装其中之一来举升涡轮机组。该装置建造来提升安装在涡轮机轴最下端的旋转基盘；该举升装置安装来消除涡轮机组的负载或重量，涡轮机组压在安装主轴的上部轴承表面上。这个举升方法使涡轮机组旋转无摩擦；类似于涡轮机组在空气中悬浮并自由旋转。通过本发明的举升装置消除摩擦损耗的方法是相当大程度增加涡轮机转速的主要因素，涡轮机转速增加提高了发电效率。

图3所示的举升装置的磁体举升方法通过使用连接到地基底座和旋转基盘的下表面的电或永磁体构成。磁对中的相同磁极，南极或北极相互面对安装并保持他们之间的间隙在0.1毫米左右，或者扁平环形片状永磁体是一层或多层松散堆叠到非磁性金属轴诸如不锈钢上，使不同磁极面对每个相邻磁体。

最下层磁体连接到底座，最上层磁体安装在涡轮机轴的旋转基盘最下端，非磁性轴焊接到底座和旋转基盘的下表面。当涡轮机旋转时，结合自身举升力，在最大磁力容量时，这种方法产生很高的推力来提升整个涡轮发电机组，该很高的推力设计成等于或稍微大于涡轮机组的重量。

图4所示的举升装置的流体压力举升方法是通过使用由泵或压缩机产生的压缩空气-任何惰性气体如氮气、高压水或液压油作为循环介质的流体压力的举升方式。流体通过蓄水池流进流体进口喷嘴。压力为每平方厘米2到8公斤的流体将被密封在旋转基盘下方的基部水池中，来向上推动并提升基盘和涡轮机组。为了更容易的启动和涡轮机更好转动，基盘的两侧表面之间的压力差保持在举起涡轮机组。一平方米基盘表面两侧之间压差为每平方厘米一公斤可以举起涡轮机的重量，负载在轴和轴承表面大约10吨或10000公斤。举起涡轮机的流体压差通常由压差控制系统工具来规定。压差是通过自动调节压差控制器来控制，调节流体供给压力来克服压在轴承表面的涡轮机的瞬间负载。压差控制器从通过管件安装和连接的压力传送器接收来自旋转基盘下方的基部水池和旋转基盘上方的间隙的压差信号。

一组风速加速通道如图5所示安装，图6显示了壁的细节，侧壁、下壁、上壁安装形成四个矩形锥体状通道，致使通过通道的大进口从各个方向吹风到叶片前方并增加较小横截面出口处离开通道的速度。当风被迫进入靠近涡轮机叶片的通道的较小横截面出口时，其速度可以提升到比自然瞬间风速快4倍。通道壁通过配备一个或多个吹送风团的门来开启；在强风或爆风雨情况下，来维持到叶片前方的通道出口风速；这些可开启的壁有效地用于涡轮机安全和在任何自然瞬间风速时保持匀速旋转。

发明公开

现有的垂直轴风力涡轮发电机的叶片和涡轮机有很多种设计，其中只有少数安装在弱风地点可以成功用于商业发电。这些垂直轴风力涡轮发电机有很多缺点，叶片和转子组接收旋转涡轮机的风力的能力差，缺少叶片壁有效拉力消除设计，没有安装合适且经济的举升装置来减少轴承表面来自涡轮机负载的摩擦损耗，和没有安装风速加速通道组来增加瞬间自然风速以更好实现发电。所有这些弱点是风力涡轮发电厂局限性的主要原因，因为多数弱点制约风力点的实用性。

本发明的垂直轴风力涡轮发电机包括横截面是纵杯状的V形叶片，其定向安装在转子上可以很大程度增加风力的利用。叶片下壁的弯曲和叶片上壁的倾斜设计用于涡轮机组自我举升目的，叶片上壁的可开启门用于安全和稳定运转，安装简单和高性能举升装置来消除任何摩擦损耗、噪音和轴承过热以及增加涡轮旋转的效率。本发明还配备风速加速通道组，通道壁的安装方向和位置的具体设计增加了风速并消除弱风地点的任何限制，对于建设这个垂直轴涡轮发电厂而言有效发电是可行的。

所有上述关键设计使涡轮机工作更稳定、效率更高、更安全、每千瓦容量投资更低，尽管在自然平均年风速每秒3到5米的弱风地点，也可以安装在不同地点且有效工作，维修容易且与需要至少每秒8米的强风的大多数现有垂直轴风力涡轮发电机相比每千瓦小时发电量的成本更低。

该涡轮发电机有很多优点，其可以旋转接收来自任何瞬间自然风向的最大风力。轴旋转时，叶片产生高扭矩旋转发电机，产生更多电能且降低单位发电成本，涡轮机旋转时叶片壁的倾斜和举升弯曲部分提升涡轮机。两种举升装置中的一个是通过消除轴承表面的摩擦来提高效率的方法，其被证明很大程度增强了涡轮机的性能。风速加速通道是没有任何旋转零件的简单而且低成本的静态固定结构；根据这个发明，通道壁安装的具体位置的设计可以引导大量高速风团从任何方向到叶片前方并提高其速度到超过瞬间自然风速的四倍，如图1中的风流动箭头指示。

发明内容

技术问题

垂直轴式用于风力涡轮发电机有一个或更多问题。这些问题是接收风力的叶片面积较小，叶片形状不适合避免拉力，没有安装暴风雨条件下的涡轮机保护装置，在弱风地点工作无效，以及来自涡轮机负载的摩擦损耗没有消除。这些问题的影响是低效率；风力涡轮发电厂的地点限制，因为其需要强风来有效运转；建造或维护昂贵且困难；强风条件下无安全保护以及由于高投入使发电单位成本高。

问题解决方案

通过垂直轴风力涡轮发电机来解决上述问题并获得发电的合理费用，本发明提供了下述解决方案。

根据本发明的一个方面，垂直轴风力涡轮发电机包括用于安装涡轮机组件的塔式结构，涡轮机组用于安装连接到转子并与轴配合的叶片、递升变速器、举升装置和风速加速通道。

根据这个方面，涡轮机叶片设计成V形杯状，具有上部倾斜且下部弯曲的壁来自动提升转子，叶片还配备安装在上部叶片壁上的自动开启门，当涡轮机面对强风和暴风雨以及稳定涡轮机转速时，为了安全目的开启。安装举升装置使涡轮机启动更容易更有效，并正常旋转，即使在有限制的风点。这个方法解决了风力涡轮发电厂的地址限制来有效发电。在弱风地点安装风力涡轮发电机来产生高效经济的电的问题由本发明的另一个方面通过安装一套风速加速通道来增加自然瞬时风速来解决，风速在风团靠近涡轮机叶片前方之前至少增加四倍，从而使涡轮发电厂可以建设在任何年均自然风速在每秒3到5米的地方来有效且经济的发电。

附图说明

借助本发明的附图中的实施例示例而非限定性的说明本发明，其中，具有相同参考标号的零件表示类似零件，而不必按比例绘制，其中：

图1描绘了完整的现有风力涡轮发电机整套设备的整体顶部试图1和前视图2，整套设备包括根据本发明安装的多个零件和装置，其安装定向和性能在背景技术和发明公开部分中已描述。图1披露了所有部件的细节、其功能产生本发明的优点。该图展示了图2中的叶片3、转子4、主轴5、联轴器6、递升变速器7、发动机8、轴承9、塔式结构10、图3和图4中的举升装置11以及图5和图6中的风速加速通道组12。

图2显示了6个V形叶片的横截面和外形轮廓，上方和下方叶片壁宽度2相同，上叶片壁宽度比下方叶片壁3大、举升弯曲叶片壁4、倾斜的上叶片壁5，安装在上叶片壁中可开启的门6，如前述在叶片端部壁宽度更窄，叶片的功能是利用风力有效旋转涡轮机转子。

图3显示了磁体式举升装置的组件，该装置利用电或永磁体的推力结合到自我举升叶片壁以向上举升轴承表面上方的整个涡轮机组件，从而使涡轮机组件无摩擦的自由旋转。这种免维护的举升装置的优势在于其结构和安装简单，无需安装需要维护的转动件。这些部件是磁体1、安装到涡轮机轴4下端的旋转基盘3下方的基部2、单层或多层连接到基部且一层连接到旋转基盘的磁体。

图4显示了流体式举升装置的系统或组件，其功能类似于图3所示的举升装置，他们的不同方式在于这个举升装置包括两个静止装置，如水池1、2，管道3和管道配件，以及一些旋转装置，如泵或压缩机4、协同控制阀5和控制器6来同时控制举升涡轮机组件的压差。

图5和图6显示了风速加速通道的细节，其安装和壁位置的结构形式实现增加风速、风从如箭头所示任何方向通过在进口和出口之间的通道更窄横截面吹过。风速可以加大到超过自然瞬间风速的四倍并推动叶片和涡轮机旋转更容易更快。侧壁1位于具体设计位置2，角度和方向可以接受任何时间来自各个方向的最大风团。图5和图6详细展示了整个图，前视图3和顶部试图4中的通道、四侧壁、四个上壁5、四个下壁6，组合到涡轮机来证明如图1中箭头13所示的风团堆积并靠近涡轮机叶片，其是4个壁中的两个侧壁，其他两个壁是上壁和下壁。侧壁后面反风向旋转的叶片路径阻止来自风的叶片拉力，壁的功能是阻挡风流动并偏离侧壁通道前方的方向，来推动叶片。如图6所示可开启的门安装在侧壁1和上壁2上，下壁上没有门。所有门装有挡块3来限制其最大开口。

具体实施方式

参考附图和本发明的上述描述，下面的最佳实施例表述了垂直轴风力涡轮发电机的详细设计。

图1所示的风力涡轮发电机组配备多个部件，如叶片、转子、举升装置和风速加速通道，风速加速通道设计用于为自然瞬间风速产生最佳性能以在更高速度更高扭矩时更容易旋转涡轮机。涡轮机的最佳实施例可以从这些设计的多个因素得以实现，他们是形状、轮廓和叶片安装到转子上的形式，包括最轻的、最强的、最能捕捉风力的、最小风阻以使涡轮机旋转的拉力最小、举升弯曲和倾斜叶片壁的最佳轮廓以实现自我举升功能以及配备可开启门使强风或暴风雨发生时确保涡轮机稳定和安全。本发明包括适合的举升装置，在等于或略微大于整个发动机组的瞬间动态负载时举升涡轮机组，同时，当在弱风时无摩擦旋转，旋转使涡轮机更容易启动时。风速加速通道的安装、形状、侧壁位置、角度和方向是增加风速超过自然瞬间风速四倍并阻止引起叶片拉力的反向风力的最好办法。

工业实用性

本发明的垂直轴风力涡轮发电机可以应用相当大范围的风力涡轮机来发电，直接驱动机械旋转设备如泵或压缩机（空气或制冷）。它可以应用于电厂作为单独组件、风厂、连接在一对建筑之间的一个或多个组件、建筑物的屋顶或其他现有结构，所有发电能力从200瓦到10万千瓦或更高的范围。更轻的结构、部件的安全设计、在有限制的风速地点工作高效且稳定是其优点以及将这个发明用于有效且经济地转换和产生电能的关键因素。本发明还适合远离电网和电输送线的偏远区域，如手机传输基站和小的村庄，由电池储存和借助任何电器上使用的逆变器转换回交流电（A.C.）。这个发明通过孤立的风力涡轮发电机或风厂用于偏远地区可以节约传输线路和变电站建设、增压器、降压器、消除传输线能量损耗的成本和用于任何燃料电厂的燃油运费。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.将风能转化成电能的垂直轴风力涡轮机，包括：

垂直轴式涡轮机组，具有多个安装在轴上的V形纵杯状叶片；

安装在涡轮机轴最下端的旋转基盘；

用于安装在涡轮机组的结构；

安装在上部叶片壁的主要区域上的多个自开启门，所述门由超越风速开启，在正常运转时通过他们的重力下拉而自然关闭；

围绕涡轮机安装的一套四路风速加速通道，通道端部开口面向叶片前方，其宽度是涡轮机转子直径的一半，且递升变速器连接到发动机上。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力涡轮机，其特征在于，具有安装在涡轮机轴下端的流体举升装置，结合可旋转的圆盘来实现流体轴承作用，以提升整个涡轮机组，该涡轮机组包括：

流体介质循环系统，其具有辅助附件来控制和稳定涡轮机的旋转；所述系统通过压差控制器来控制且用于该系统的流体介质可以是空气、氮气、其他惰性气体、任何液体如水、液压液或油中的任何一种。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力涡轮机，其特征在于，所述一套四路风速加速通道配备很大的自开启门来覆盖通道侧壁和上壁的大部分区域，所述门由超越风力开启，并在正常运转条件下由重力自然关闭；所述通道具有大的风进口横截面和小的出风横截面。

Claims (16)

1.产生能量的风力涡轮发电机，包括风力涡轮机转子、围绕转子的一个或多个圆安装的多个风力涡轮机叶片、一个或多个回转递升变速器、能量转换装置，如发电机或泵、举升装置和一套风速加速通道。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其特征在于，具有多个围绕其轴安装的叶片。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子，其特征在于，具有一个或多个安装围绕其轴安装叶片的圆。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，具有多个V形设计、零件尺寸、轮廓和模式来为捕获涡轮机旋转的风并在叶片逆风方向移动时减少拉力的阻力。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，具有倾斜的上壁和弯曲的下壁在涡轮机旋转时部分提升涡轮发电机组。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，具有一个和多个可开启的门来稳定涡轮机旋转并避免来自强风和暴风雨的任何损坏。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，具有一个和多个举升装置来提升涡轮发电机组，从而消除来自轴承表面上的涡轮机组负载的任何摩擦，该举升装置有助于涡轮机更容易、无摩擦且更快旋转。

8.根据权利要求7所述的举升装置，其特征在于，包括磁体和流体式举升装置。

9.根据权利要求8所述的磁体式举升装置，其特征在于，包括电和永磁体，结合自我提升设计的叶片壁的力的大小克服旋转时轴承表面涡轮机组负载。

10.根据权利要求8所述的使用流体介质循环的流体式举升装置，其特征在于，具有辅助附件来形成举升系统，其由压差控制器结合自我提升力来克服旋转时轴承表面的涡轮机组负载来控制。

11.根据权利要求10所述的流体介质，其特征在于，是下面的任何一种：空气、氮气、其他惰性气体、水、任何液体如液压液或油。

12.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，具有一套风速加速通道，来增加吹过涡轮机叶片的风速，从而增加涡轮机转速。

13.根据权利要求12所述的风速加速通道，其特征在于，设计成由多个通道壁组装成的矩形或圆形横截面的锥形。

14.根据权利要求13所述的通道壁，其特征在于，可以是新的特殊的建筑结构，或现有的结构诸如建筑物或像树、丘陵或山一样的自然景观。

15.根据权利要求12所述的风速加速通道，其特征在于，其壁安装有用于风吹动的自开启门，保护强风和暴风雨时通道壁免受损害。

16.根据权利要求12所述的风速加速通道，其特征在于，如图4分配位置的通道壁的特定安装模式、角度和方向正确有效地实现风速加速的功能。

Images