CN103114970A - 耦合式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合式风力发电机，它的特点是包括基柱，该基柱呈竖向布置，其上端面中心位置处有支撑轴。所述支撑轴上套有轮毂，轮毂的外表面沿周向均布有涡轮叶片。所述轮毂的轴向一端有轮辐，轮毂通过轮辐支撑在基柱的上端面上，轮毂与支撑轴间呈可转动状配合。所述轮毂内侧固定有发电机转子，在轮毂内的那段支撑轴或基柱外壁上固定有发电机定子，发电机转子和发电机定子的位置对应，且发电机转子的内径大于发电机定子的外径。将该发电机与环形聚风风道配合使用，可在满足大功率要求的前提下，有效缩小叶片长度和整机体积，而且能够提高风能的利用率。

Description

耦合式风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，具体说是将发电机定/转子与风轮集成为一体的耦合式风力发电机，其特别适用于安装在环形风道内进行风力发电，尤其是环形聚风风道的使用场合。

背景技术

   众所周知，为减少对自然资源的过度开发、利用，目前世界各国都比较重视利用风力来进行发电。传统风力发电机分为水平轴和垂直轴两大类，大功率的风力发电机又以水平轴为主，而为了尽可能多的增加扫风面积，这类发电机的风轮叶片往往都要做的很大，通常单个叶片的长度为60米，重量达到8吨左右，这就给运输安装和日常维护带来了很大困难，而且在使用中也存在安全隐患。而垂直轴风力发电机均以小功率为主，若要完全商业化运营，大规模供电，其叶片同样需要做得很大，但其力臂较小、轴很长、叶片弯曲定型后直径很宽，这样一来就会带来极大的安全隐患。

   为了解决上述问题，中国201210282907.2号专利公开了“一种狭管聚风发电的离心式风力发动机”。由于其采用离心式的叶片布置方式，加上风在进入发动机进口时流速很高，为了将强大的风能转换成机械能，叶片品质需求很高，重量会很重，结果是低风速较难启动。另外当上级风机转动后，尾风进入下级时同步性较差，会产生互相影响，叶片做功时由于乱流很多，能量损耗严重。其次中心轴采用多级串联也会带来轴过长，重量过重，以至于同心度难以保证，输出扭矩会受到影响，能量转换率会降低。再者由于叶片过大，设计制造、材料合成、运输、安装、维护等都存在很大问题。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种耦合式风力发电机，将该发电机与环形聚风风道配合使用，可在满足大功率要求的前提下，有效缩小叶片长度和整机体积，而且能够提高风能的利用率。

为解决上述问题，采取以下方案：

本发明的耦合式风力发电机的特点是包括基柱，该基柱呈竖向布置，其上端面中心位置处有支撑轴。所述支撑轴上套有轮毂，轮毂的外表面沿周向均布有涡轮叶片。所述轮毂的轴向一端有轮辐，轮毂通过轮辐支撑在基柱的上端面上，轮毂与支撑轴间呈可转动状配合。所述轮毂内侧固定有发电机转子，在轮毂内的那段支撑轴或基柱外壁上固定有发电机定子，发电机转子和发电机定子的位置对应，且发电机转子的内径大于发电机定子的外径。

本发明的进一步改进方案是所述轮毂的四周外表面轴向有不少于两组涡轮叶片，每组涡轮叶片均沿轮毂外表面周向均匀布置，且涡轮叶片的倾斜方向均相同。这样，使得空气在流动过程中，将先后与多级涡轮叶片撞击后才能排出，充分利用气流的尾流对涡轮叶片做功，从而增加了风能的利用率。

上述方案中，所述基柱上端面和轮毂间有推力圆柱滚子轴承，推力圆柱滚子轴承的下部固定在基柱上端面，推力圆柱滚子轴承的上部与轮毂的轮辐间呈固定连接，使得轮毂能够以支撑轴为中心转动。所述涡轮叶片由碳纤维、玻璃纤维或高分子钛合金材料制成，或者由碳纤维和玻璃纤维的复合材料制成。

采取上述方案，具有以下优点：

由于本发明的耦合式风力发电机在其轮毂内侧固定有发电机外转子，而涡轮叶片分布在轮毂外周，即将涡轮叶片通过轮毂与发电机紧密结合，可高效地把机械能传递给发电机，减少机械能的损耗，提升发电效率。将该发电机与环形聚风风道配合使用，无需将涡轮叶片做的很大就可实现大功率的输出，从而可缩小叶片长度和整机体积，减轻重量。通过环形聚风风道输送来的气流可完全作用在涡轮叶片上，充分利用空气蕴含的能量，提高风能利用率，制造出单台十兆瓦以上的风力发电机。而且，涡轮叶片可直接带动发电机运转，无需设置多轴串联的结构，能量转换率提高。本发明对于内转子发电机同样适合，只需将发电机内、外转子的固定方式对换即可实现。

附图说明

图1是本发明的耦合式风力发电机的结构示意图；

图2是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1和图2所示，本发明的耦合式风力发电机包括基柱1，该基柱1呈竖向布置，其上端面中心位置处有支撑轴5。所述支撑轴5上套有轮毂7，轮毂7的外表面沿周向均布有涡轮叶片2，涡轮叶片2的倾斜方向均相同。所述轮毂7的轴向一端有轮辐6，该轮辐6可以是完整的圆板，也可以是像汽车轮毂一样的花式轮辐，但其中心位置都必须有用于套在支撑轴5上的圆孔，本实施例的轮辐6为带有中心孔的圆板。所述基柱1上端面和轮毂7的轮辐6间有推力圆柱滚子轴承4，推力圆柱滚子轴承4的下部固定在基柱1上端面上，推力圆柱滚子轴承4的上部与轮毂7的轮辐6间呈固定连接，使得轮毂7能够通过轮辐6和推力圆柱滚子轴承4支撑在基柱1上端面上，且轮毂7能够以支撑轴5为中心转动。所述轮毂7内侧固定有发电机转子9，本实施例中轮毂7的内侧有内轮筒8，内轮筒8与轮毂7间通过径向支架3呈固定连接，轮辐6位于内轮筒8的上端，所述发电机转子9固定在内轮筒8的内表面上，在轮毂7内的那段基座1外壁上固定有发电机定子10，发电机转子9和发电机定子10位于同一水平面上，且发电机转子9的内径大于发电机定子10的外径。

为了更好地利用气流的尾流，使其能够同样对涡轮叶片2做功，可以在轮毂7的四周外表面轴向设置多组涡轮叶片2，每组涡轮叶片2均沿轮毂7外表面周向均匀布置，且涡轮叶片2的倾斜方向均相同。本实施例在轮毂7的四周外表面沿竖向设置有两组涡轮叶片2，使得流经上级涡轮叶片2的气流尾流能够在较短的距离内，再次作用在下级的涡轮叶片2上，增加轮毂7和发电机转子9的转动速度，提升输出扭矩，从而提高风能的利用率。在将该发电机与环形聚风风道配合使用时，可在两级涡轮叶片2之间对应的风道内壁上设置与涡轮叶片2倾斜方向相反的导流板，从而增加尾流对下级涡轮叶片2的冲击力，进一步提高风能的利用率。

本实施例中，所述涡轮叶片2可以由碳纤维、玻璃纤维或高分子钛合金材料制成，也可以由碳纤维和玻璃纤维的复合材料制成。这就大大降低了涡轮叶片2的重量，同时降低了发电机的整机重量。

本发明的耦合式风力发电机，在配合环形聚风风道进行发电时，当风从聚风头进入后，到达中段设置在风道环向的定向导流板作用下，将风规整后直接冲击在上级的涡轮叶片2上，使得上级的涡轮叶片2带动轮毂7转动，与此同时，做功后的尾流再通过聚风风道内壁的导流板进行实时定向导流，又一次冲击在下级的涡轮叶片2上，由于所有涡轮叶片2的倾斜方向都相同，因此，下级的涡轮叶2片也会带动轮毂7同向转动，从而可提高轮毂7的转动速度。轮毂7的转动同时带动了其内侧固定的发电机转子9转动，发电机转子9产生的磁场和发电机定子10相互运动产生感生电场，通过电缆输出电能，从而完成风能转换成机械能，机械能转换成电能的全过程。同时，还可以利用尾风在发电机外侧给发电机降温，无需另外购置发电机降温设备，减少了辅助电耗。

本发明的耦合式风力发电机可以在外形尺寸不变的情况下，根据不同的使用场合，来确定轮毂7直径和涡轮叶片2长度的配比，设计制造出十兆瓦、几十兆瓦以上的大型风力发电机，从而实现发电功率的要求，极大地省去了占地面积，减少输电电缆，建站容易。而且，该发电机在使用状态下均设置在风道内，不受阳光、风暴侵袭，既稳定，又牢靠，而且可减少电缆布置，降低输电线路成本。

Claims (4)

1.耦合式风力发电机，其特征在于包括基柱（1），该基柱（1）呈竖向布置，其上端面中心位置处有支撑轴（5）；所述支撑轴（5）上套有轮毂（7），轮毂（7）的外表面沿周向均布有涡轮叶片（2）；所述轮毂（7）的轴向一端有轮辐（6），轮毂（7）通过轮辐（6）支撑在基柱（1）的上端面上，轮毂（7）与支撑轴（5）间呈可转动状配合；所述轮毂（7）内侧固定有发电机转子（9），在轮毂（7）内的那段支撑轴（5）或基柱（1）外壁上固定有发电机定子（10），发电机转子（9）和发电机定子（10）的位置对应，且发电机转子（9）的内径大于发电机定子（10）的外径。

2.如权利要求1所述的耦合式风力发电机，其特征在于所述轮毂（7）的四周外表面轴向有不少于两组涡轮叶片（2），每组涡轮叶片（2）均沿轮毂（7）外表面周向均匀布置，且涡轮叶片（2）的倾斜方向均相同。

3.如权利要求1或2所述的耦合式风力发电机，其特征在于所述基柱（1）上端面和轮毂的轮辐（6）间有推力圆柱滚子轴承（4），推力圆柱滚子轴承（4）的下部固定在基柱（1）上端面上，推力圆柱滚子轴承（4）的上部与轮毂的轮辐（6）间呈固定连接，使得轮毂（7）能够以支撑轴（5）为中心转动。

4.如权利要求1或2所述的耦合式风力发电机，其特征在于所述涡轮叶片（2）由碳纤维、玻璃纤维或高分子钛合金材料制成，或者由碳纤维和玻璃纤维的复合材料制成。

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