CN102817786B - 龙门风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种龙门风力发电装置，包括支架，支架上臂通过推力轴承吊装有转轴，转轴两端分别通过转动轴承安装在支架上，转轴上固装有能够驱动转轴转动的叶片，支架底部安装有通过传动机构与转轴下端传动连接的发电机。转轴外周两端部和转动轴承内壁上设有轴向滑动配合的键槽，转轴上还安装有在风吹动下驱动转轴上滑的上升轮，转轴下端和传动机构之间安装有在转轴下降时与发电机传动配合并在转轴上升后与发电机解除传动配合的离合器。采用这种结构的龙门风力发电装置，结构合理，风能利用率较高、抗风能力强、制造及维护成本低，且发电机使用寿命长，特别适合在地广人稀的偏远地区使用。

Description

龙门风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种龙门风力发电装置。

背景技术

风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。

风力发电，就是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过传动机构驱动发电机转动，从而达到发电的目的。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

传统的风力发电装置一般为水平轴风力发电装置，根据结构不同，可分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电装置旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电装置。水平轴风力发电装置必须具有对风装置，这样可以随风向改变而转动。对于小型风力发电装置，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电装置，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。传统风力发电装置的迎风面较大，对风的利用率较高，但其存在以下不足之处：1、叶片尺寸较大，一般在40米左右，因此占用空间很大，而且巨大的叶片在旋转时产生的噪音也很大，限制了其安装位置；2、叶片尺寸大还会导致发电机轴向易受风力影响，较小的风力就要求发电机负担较大的轴向承载力，对发电机要求较高，导致成本的直接增加；3、发电机转轴不但需要承载叶片的巨大重量，叶片旋转后的受风面各处受力不均，还会使发电机径向受力不均，严重影响发电机使用寿命；4、发电机安装在铁塔顶端，发电机重量大、安装困难、安装维护费用高；5、因为其叶片较大，对材料要求较高，导致成本较高，而且较大的受风面在遇到大风或台风时，抵抗力较差，叶片容易损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述不足提供一种结构合理，风能利用率较高、抗风能力强、制造及维护成本低，且发电机使用寿命长的龙门风力发电装置。

为解决上述技术问题，本龙门风力发电装置的结构特点是：包括支架，支架上臂通过推力轴承吊装有转轴，转轴两端分别通过转动轴承安装在支架上，转轴上固装有能够驱动转轴转动的叶片，支架底部安装有通过传动机构与转轴下端传动连接的发电机。

本结构的龙门风力发电装置是通过垂直吊装结构来实现风能利用率较高、抗风能力强、制造及维护成本低，且发电机使用寿命长的。

垂直吊装结构包括起固定支撑作用的支架，支架内安装有竖直设置的转轴，转轴可以绕转轴轴心线自由转动。转轴外周上固定设置有叶片，叶片的主要作用，是收集风力并推动转轴转动。转轴下端传动连接有传动机构，传动机构输出端传动连接有发电机。这样，当叶片推动转轴转动时，转轴会通过传动机构推动发电机同步转动，也就实现了风力发电的目的。在本龙门风力发电装置中，支架上部通过推力轴承竖直吊装在支架内，因此，转轴及转轴上叶片的重量就基本由推力轴承来支撑。这样，不但大大降低了传动机构及发电机对转轴的承载要求，有助于延长传动机构及发电机的使用寿命，还大大减小了转轴的转动阻力，有助于提高风能利用率和发电效率。转轴上下两端分别通过转动轴承对应安装在支架上，转动轴承可以为转轴提供径向支撑，有效避免径向晃动问题，有助于提高抗风能力。本龙门风力发电装置由于采用竖直转轴设计，在转轴上沿转轴轴向设置大量叶片，这样，不但可以增大受风面积，而且还可以大大缩短叶片的长度，大大降低了叶片的受风强度，有助于降低生产成本和对后续传动部件的影响。

作为改进，叶片在纵向上呈中部向前突出，上下两端向后圆滑过渡的弧形，叶片在横向上呈中部靠外周部分向前突出，左右两端向后圆滑过渡的弧形。

将叶片设计得在纵向上呈中部向前突出，上下两端向后圆滑过渡的弧形，也就是将叶片的迎风面设计成凹面，并将叶片的背风面设计成凸面。这样，迎风的凹面设计可以起到收集风力的作用，增大叶片的受风效果或风能利用率；而背风的凸面设计则可以起到降低风阻的作用，有助于转轴顺畅转动。叶片在横向上设计成中部靠外周部分向前突出，左右两端向后圆滑过渡的弧形，可以起到如上所述的集风作用。在横向和纵向弧形结构的配合下，本叶片就形成了“勺子”状结构，“勺子”柄部与转轴连接，而“勺子”口部也就是横向上中部靠外周部分。因为在横向上中部靠外周部分向前凸出，所以在横向上风力是被集中在“勺子”口部，也就是叶片中部靠外周部分。叶片中部靠外周部分距离转轴较远，将风力集中在中部靠外周部分可以起到增加力矩的作用，有助于达到微风就能推动转轴转动的目的。

作为进一步改进，叶片绕转轴外周呈螺旋状排列。

将叶片绕转轴外周呈螺旋状排列，可以用较少数量的叶片实现较大面积的整体受风面，有助于降低转动自重和成本，还可以持续接收风力、持续对转轴施力，有助于实现对转轴的无级、圆滑驱动，保证了发电机恒速、稳定转动，发电质量更高。

作为改进，转轴外周两端部和转动轴承内壁上设有轴向滑动配合的键槽，转轴上还安装有在风吹动下驱动转轴上滑的上升轮，转轴下端和传动机构之间安装有在转轴下降时与发电机传动配合并在转轴上升后与发电机解除传动配合的离合器。

在转轴外周两端部和转动轴承内壁上设置轴向滑动配合的键槽，可以保证转轴和转动轴承内环只会进行轴向滑动配合，而不会产生相对转动配合。这样，在转轴转动时，转轴还会通过键槽驱动转动轴承内圈转动，也就是说，转轴还是在转动轴承的支撑下自由转动，保证了转轴转动的稳定性。转轴上固设的上升轮的主要作用，是在受到风力吹动时，给予转轴一个上升力，风力越大，上升轮给予转轴的上升力也就越大。当遇到台风等风力较强的风时，上升轮给予转轴的上升力会克服转轴及叶片的自重而推动转轴轴向上移。此时，设置在转轴下端和传动机构之间的离合器会分离开来，也就是说，叶片推动转轴转动，但是传动机构和发电机都是静止不动的。这样，就可以在遇到台风等强烈大风时，本龙门风力发电装置具有自动解除传动关系、保护发电机等相关设备的作用，大大提高了本龙门风力发电装置的抗大风能力和使用寿命。

作为一种实现方式，所述离合器包括固设在转轴下端的主动盘和与传动机构输入端固接的被动盘，主动盘和被动盘同轴设置且相邻盘面上设有对应啮合的楔形齿槽。

本离合器是通过盘式摩擦结构来实现传动离合的。设置在转轴下端的主动盘和与传动机构输出端固接的被动盘上下同轴设置，主动盘可以随转轴升降，从而实现与被动盘的接触或分离。主动盘和被动盘的对应盘面上设置有相互啮合的齿槽，齿槽可以起到嵌位或增大接触摩擦力的作用。在风力不大时，转轴及叶片的重量会使主动盘压紧在被动盘上，此时离合器处于压合状态。此时，叶片驱动转轴转动时，转轴会通过离合器驱动发电机转动而发电。在风里较大时，叶片会在驱动转轴转动的同时驱动转轴向上滑动，转轴会带动主动盘远离被动盘，此时离合器处于分离状态。此时，叶片只驱动转轴转动，而传动机构和发电机保持静止状态。在本离合器中，齿槽横截面设置成楔形，这样主动盘和被动盘无论在分离或压合时，都非常平滑，减少了噪音，有助于离合器离合动作的顺利切换。

作为改进，支架上臂下方的转轴上固设有限位环，限位环和支架上臂之间的转轴上套装有弹簧，弹簧两端的转轴上安装有辅助推力轴承。

在转轴上设置弹簧和限位环，可以利用弹簧自身的弹力通过限位环来推动转轴下压，这样，在风力不是特别大时，风力通过上升轮抬升转轴的力不足以克服转轴和叶片自重以及弹簧的弹力，此时风力将全部用来做功发电。只有在遇到台风等破坏性风力时，上升轮抬升转轴的力才会克服转轴和叶片自重以及弹簧的弹力，在驱动转轴转动的同时将转轴向上抬升。此时，转轴下端和传动机构之间的离合器处于分离状态，也就是说，转轴空转，传动机构和发电机静止不动，这样就起到了在台风等强风天气时保护发电机及相关设备的目的，大大提高了本龙门风力发电装置的运行可靠性和使用寿命。转轴上套装的与弹簧两端配合的辅助推力轴承，可以起到使弹簧相对转轴顺畅转动，防止弹簧两端磨损的作用，既保证了运行可靠性，又避免了摩擦噪音。

作为进一步改进，转轴上还固设有刹车片，支架上安装有与刹车片配合的抱闸。

在遇到大台风等极端天气时，可以通过操作抱闸将刹车片抱死，此时转轴和叶片也就相对支架固定不动，相当于刹车。这样，就可以保证在极端天气时，本龙门风力发电装置整体停机，大大提高了使用安全性。

作为更进一步改进，支架上还安装有能驱动抱闸动作的风机。

当有风吹动风机转动时，风机输出的电能会输送给抱闸。在正常风力情况下，风机产生的电能不足以驱动抱闸动作，因此，叶片和转轴会驱动发电机发电。在遇到大台风等极端天气时，风机输出的电能会驱动抱闸抱死刹车片，此时龙门风力发电装置除风机外整体停机。在大台风等极端天气过后，风机输出的电能因为不足以驱动抱闸动作而自动解除刹车状态，此时本龙门风力发电装置又自动恢复发电状态。在本龙门风力发电装置中，风力不同，风机输出的电能不同，因而可以根据风力不同而进行刹车或解除刹车的自动控制，无需人员操作，大大降低了维护成本，适应性更强，特别适合在地广人稀的偏远地区使用。

综上所述，采用这种结构的龙门风力发电装置，结构合理，风能利用率较高、抗风能力强、制造及维护成本低，且发电机使用寿命长，特别适合在地广人稀的偏远地区使用。

附图说明

结合附图对本发明做进一步详细说明：

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为支架，2为转轴，3为叶片，4为发电机，5为键槽，6为上升轮，7为离合器，8为限位环，9为弹簧，10为辅助推力轴承，11为刹车片，12为抱闸，13为风机，14为主动盘，15为被动盘，16为齿槽，17为推力轴承，18为转动轴承，19为防雨帽，20为传动机构。

具体实施方式

如图1所示，该龙门风力发电装置包括支架1，支架1呈龙门结构，架设更方便。支架1上部通过推力轴承17吊装有转轴2，转轴2可以绕转轴2轴心线自由转动。转轴2外周上固定设置有叶片3，叶片3的主要作用，是收集风力并推动转轴2转动。转轴2下端传动连接有传动机构20，传动机构20输出端传动连接有发电机4。这样，当叶片3推动转轴2转动时，转轴2会通过传动机构推动发电机4同步转动，也就实现了风力发电的目的。在本龙门风力发电装置中，转轴2是竖直吊装在支架1内的，也就是说转轴2呈“悬空”状态，此时，转轴2及转轴2上叶片3的重量就基本由推力轴承17来支撑。这样，不但大大降低了传动机构及发电机4对转轴2的承载要求，有助于延长传动机构及发电机4的使用寿命，“悬空”状态还大大减小了转轴2的转动阻力，有助于提高风能利用率和发电效率。转轴2上下两端分别通过转动轴承18对应安装在支架1上，转动轴承18可以为转轴2提供径向支撑，有效避免径向晃动问题，有助于提高抗风能力。本龙门风力发电装置由于采用竖直转轴2设计，在转轴2上沿转轴2轴向设置大量叶片3，这样，不但可以增大受风面积，而且还可以大大缩短叶片3的长度，大大降低了叶片3的受风强度，有助于降低生产成本和对后续传动部件的影响。

叶片3在纵向上呈中部向前突出，上下两端向后圆滑过渡的弧形，也就是将叶片3的迎风面设计成凹面，并将叶片3的背风面设计成凸面。这样，迎风的凹面设计可以起到收集风力的作用，增大叶片3的受风效果或风能利用率；而背风的凸面设计则可以起到降低风阻的作用，有助于转轴2顺畅转动。叶片3在横向上设计成中部靠外周部分向前突出，左右两端向后圆滑过渡的弧形，可以同样起到如上所述的集风作用。在横向和纵向弧形结构的配合下，本叶片3就形成了迎风面凹背风面凸的“勺子”状结构，“勺子”柄部与转轴2连接，而“勺子”口部也就是叶片横向上中部靠外周部分。因为在横向上中部靠外周部分向前凸出，所以在横向上风力是被集中在“勺子”口部，也就是叶片3中部靠外周部分。叶片3中部靠外周部分距离转轴2较远，将风力集中在中部靠外周部分可以起到增加力矩的作用，有助于达到微风就能推动转轴2转动的目的。各叶片3绕转轴2外周呈螺旋状排列，这样可以用较少数量的叶片3实现较大面积的整体受风面，有助于降低转动自重和成本，还可以持续接收风力、持续对转轴2施力，有助于实现对转轴2的无级、圆滑驱动，保证了发电机4恒速、稳定转动，发电质量更高。

转轴2外周两端部和转动轴承18内壁上设有轴向滑动配合的键槽5，键槽5的主要作用，是保证转轴2相对转动轴承18内环只能进行轴向滑动配合，而不能进行相对转动配合。这样，在转轴2转动时，转轴2还会通过键槽5驱动转动轴承18内圈转动，也就是说，转轴2还是在转动轴承18的支撑下自由转动，保证了转轴2转动的顺畅性和稳定性。转轴2上还安装有在风吹动下驱动转轴2上滑的上升轮6，转轴2下端和传动机构之间安装有在转轴2下降时与发电机4传动配合并在转轴2上升后与发电机4解除传动配合的离合器7。上升轮6的主要作用，是在受到风力吹动时，给予转轴2一个上升力，风力越大，上升轮6给予转轴2的上升力也就越大。当遇到台风等风力较强的风时，上升轮6给予转轴2的上升力会克服转轴2及叶片3的自重而推动转轴2轴向上移。此时，设置在转轴2下端和传动机构之间的离合器7会分离开来，也就是说，叶片3推动转轴2转动，但是传动机构和发电机4都是静止不动的。这样，就可以在遇到台风等强烈大风时，本龙门风力发电装置具有自动解除传动关系、保护发电机4等相关设备的作用，大大提高了本龙门风力发电装置的抗大风能力和使用寿命。

在本实施例中，所述离合器7包括固设在转轴2下端的主动盘14和与传动机构输入端固接的被动盘15，主动盘14和被动盘15同轴设置且相邻盘面上设有对应啮合的楔形齿槽16。离合器7是通过盘式摩擦结构来实现传动离合的，摩擦结构的主体就是主动盘14和被动盘15。主动盘14可以随转轴2升降，而被动盘15相对传动装置和支架1在轴向上是固定不动的，因此通过控制主动盘14的升降即可实现主动盘14与被动盘15的接触或分离。主动盘14和被动盘15的对应盘面上设置有相互啮合的齿槽16，齿槽16可以起到嵌位或增大接触摩擦力的作用。在风力不大时，转轴2及叶片3的重量会使主动盘14压紧在被动盘15上，此时离合器7处于压合状态。此时，叶片3驱动转轴2转动时，转轴2会通过离合器7驱动发电机4转动而发电。在风里较大时，叶片3会在驱动转轴2转动的同时驱动转轴2向上滑动，转轴2会带动主动盘14远离被动盘15，此时离合器7处于分离状态。此时，叶片3只驱动转轴2转动，而传动机构和发电机4保持静止状态，这样就保证了在大风天气时发电机的运转安全。在本离合器7中，齿槽16横截面设置成楔形，这样主动盘14和被动盘15无论在分离或压合时，都非常平滑，减少了噪音，有助于离合器7离合动作的顺利切换。

支架1上臂下方的转轴2上固设有限位环8，限位环8和支架1上臂之间的转轴2上套装有弹簧9，弹簧9可以利用自身的弹力通过限位环8来推动转轴2下压。这样，在风力不是特别大时，风力通过上升轮6抬升转轴2的力不足以克服转轴2和叶片3自重以及弹簧9的弹力，此时风力将全部用来做功发电。只有在遇到台风等破坏性风力时，上升轮6抬升转轴2的力才会克服转轴2和叶片3自重以及弹簧9的弹力，在驱动转轴2转动的同时将转轴2向上抬升。此时，转轴2下端和传动机构之间的离合器7处于分离状态，也就是说，转轴2空转，传动机构和发电机4静止不动，这样就起到了在台风等强风天气时保护发电机4及相关设备的目的，大大提高了本龙门风力发电装置的运行可靠性和使用寿命。转轴上套装的与弹簧两端配合的辅助推力轴承10，在转轴2转动时，可以起到使弹簧相对转轴顺畅转动，防止限位环带动弹簧转动而造成弹簧两端磨损的作用，既保证了运行可靠性，又避免了摩擦噪音。

在本实施例中，转轴2上还固设有刹车片11，刹车片11呈圆盘状，支架1上安装有与刹车片11配合的抱闸12。在遇到大台风等极端天气时，可以通过手动操作抱闸12将刹车片11抱死，此时转轴2和叶片3也就相对支架1固定不动，相当于刹车。这样，就可以保证在极端天气时，本龙门风力发电装置整体停机，大大提高了使用安全性。支架1上还安装有能驱动抱闸12动作的风机13。当有风吹动风机13转动时，风机13输出的电能会输送给抱闸12。在正常风力情况下，风机13产生的电能不足以驱动抱闸12动作，因此，叶片3和转轴2会驱动发电机4发电。在遇到大台风等极端天气时，风机13输出的电能会驱动抱闸12抱死刹车片11，此时龙门风力发电装置除风机13外整体停机。在大台风等极端天气过后，风机13输出的电能因为不足以驱动抱闸12动作而自动解除刹车状态，此时本龙门风力发电装置又自动恢复发电状态。在本龙门风力发电装置中，风力不同，风机13输出的电能不同，因而可以根据风力不同而进行刹车或解除刹车的自动控制，无需人员操作，大大降低了维护成本，适应性更强，特别适合在地广人稀的偏远地区使用。

在本实施例中，支架1上端安装有防雨帽，可以防止雨水灌入轴承内，有助于保证该龙门风力发电装置的可靠运行。传动机构采用常规传动结构设计，其工作原理属于公知技术，在此不再细述。

Claims (5)

1.一种龙门风力发电装置，其特征是：包括支架（1），支架（1）上臂通过推力轴承（17） 吊装有转轴（2），转轴（2）两端分别通过转动轴承（18）安装在支架（1）上，转轴（2）上固装有能够驱动转轴（2）转动的叶片（3），支架（1）底部安装有通过传动机构与转轴（2）下端传动连接的发电机（4），叶片（3）在纵向上呈中部向前突出，上下两端向后圆滑过渡的弧形，叶片（3）在横向上呈中部靠外周部分向前突出，左右两端向后圆滑过渡的弧形，叶片（3）绕转轴（2）外周呈螺旋状排列，转轴（2）外周两端部和转动轴承（18）内壁上设有轴向滑动配合的键槽（5），转轴（2）上还安装有在风吹动下驱动转轴（2）上滑的上升轮（6），转轴（2）下端和传动机构之间安装有在转轴（2）下降时与发电机（4）传动配合并在转轴（2）上升后与发电机（4）解除传动配合的离合器（7）。

2.如权利要求1所述的龙门风力发电装置，其特征是：所述离合器（7）包括固设在转轴（2）下端的主动盘（14）和与传动机构输入端固接的被动盘（15），主动盘（14）和被动盘 （15）同轴设置且相邻盘面上设有对应啮合的楔形齿槽（16）。

3.如权利要求2所述的龙门风力发电装置，其特征是：支架（1）上臂下方的转轴（2）上固设有限位环（8），限位环（8）和支架（1）上臂之间的转轴（2）上套装有弹簧（9），弹簧（9）两端的转轴（2）上安装有辅助推力轴承（10）。

4.如权利要求3所述的龙门风力发电装置，其特征是：转轴（2）上还固设有刹车片 （11），支架（1）上安装有与刹车片（11）配合的抱闸（12）。

5.如权利要求4所述的龙门风力发电装置，其特征是：支架（1）上还安装有能驱动抱闸（12）动作的风机（13）。