CN103437956B - 一种可增速翼展型垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，包括风轮、增速系统、塔架、旋转盘、旋转环、塔架支撑台、控制系统。风轮包括叶片、四边形连杆机构、支杆机构，四边形连杆机构一端与叶片的侧面固连，另一端与旋转盘侧面铰接，支杆机构由两根支杆铰接构成，其一端与四边形连杆机构铰接，另一端与旋转环铰接；增速系统包括液压缸和活塞杆，液压缸以铰接的方式与旋转盘下端铰接，其一端与两支杆铰接处铰接。风轮转速较低时，液压缸的无杆腔进油有杆腔回油；风轮转速较高时，液压缸的有杆腔进油无杆腔回油。本发明可弥补垂直轴风机易失速、风能利用率低且发电不平稳的缺点，其结构简单紧凑、转速可调、噪声干扰低、制动平稳，具有广泛的应用性。

Description

一种可增速翼展型垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，特别是指一种可增速翼展型垂直轴风力发电机。

背景技术

随着社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。风能作为一种无污染的可再生能源而备受人们的关注。

风力发电机作为一种将风能转化为机械能和电能的重要装置，按其旋转轴的方向可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。目前，水平轴风力发电机被广泛应用。但水平轴风力发电机存在着如下的不足之处：1）叶轮受风不均匀，悬空安装的叶片要承受风巨大的正压力；2）叶轮占据的空间和面积往往比较大；3）塔架工艺比较复杂且维修极为不便；4）单机功率较大时，往往成本也比较高。相比之下，目前垂直轴的风力发电机却具有诸多的优点；如垂直轴风力发电机工作时不需要偏航系统，系统维修方便，塔架制造工艺比较简单。但是，目前的垂直轴风力发电机的风轮随着风速的变化而变化，这就造成了难以控制发电机的失速和风能利用率较低的现象，从而导致了发电的不稳定性。这也制约了垂直轴风力发电机的进一步推广应用。

发明内容

针对现有技术中垂直轴风力发电机易失速、风能利用率较低的缺点，本发明提供一种可增速翼展型垂直轴风力发电机。

本发明的技术方案是：

一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，包括风轮、增速系统、塔架、旋转盘、旋转环、塔架支撑台、控制系统；

所述风轮包括叶片、四边形连杆机构、支杆机构，所述四边形连杆机构一端与叶片的侧面固连，另一端与旋转盘侧面通过铰链连接，所述支杆机构由两根支杆铰接构成，其一端与四边形连杆机构中间位置铰链连接，另外一端与旋转环外侧面铰链连接；

所述增速系统包括液压缸和活塞杆，所述液压缸以铰链连接的方式与旋转盘下端盖铰接，伸出活塞杆的一端与支杆机构中的两支杆铰接处铰接，当风轮旋转速度较低时，液压缸的无杆腔进油，有杆腔回油，当风轮旋转速度较高时，液压缸的有杆腔进油，无杆腔回油。

作为本发明的进一步改进，所述旋转盘包括上端盖、下端盖、旋转齿环、行星齿轮固定盘、行星齿轮、油泵；旋转齿环固定设置于上端盖和下端盖之间，上端盖的下端面通过旋转齿环提供沿塔架轴向的向上的支持力，上端盖和下端盖分别通过第一圆锥滚子轴承与塔架轴相连，安装行星齿轮固定盘的轴段两端面分别与上端盖的下端面和下端盖的上端面保持用于防止行星齿轮固定盘在上端盖和下端盖旋转时产生运动干涉的距离，在上端盖、旋转齿环和下端盖构成的环形箱式结构中的塔架外壁上固定设置有用于安装行星齿轮的行星齿轮固定盘，行星齿轮固定盘侧面设有若干行星齿轮，行星齿轮的轮齿和旋转齿环的轮齿相啮合，使行星齿轮可在旋转齿环绕塔架轴转动的带动下绕自身的中轴线旋转，行星齿轮的中轴线位置固定设有固定轴，固定轴的两伸出端分别连接一个液压泵，行星齿轮在旋转时通过固定轴带动液压泵工作，从而实现将机械能转化为液压能，所述液压泵经布置在塔架的内部的工作油管与控制系统相连。

作为本发明的进一步改进，所述旋转环包括旋转套筒和第二圆锥滚子轴承；所述第二圆锥滚子轴承分别设置于旋转套筒的上下端面处，通过一个与塔架以第二平键连接的套筒来限制旋转套筒上端面处的第二圆锥滚子轴承的轴向运动，通过轴肩来限制旋转套筒下端面处的第二圆锥滚子轴承的轴向运动，所述旋转环在风机工作时，只能随第二圆锥滚子轴承绕塔架作周向旋转运动，而不能沿塔架轴向作直线运动。

作为本发明的进一步改进，所述塔架支撑台为环形圆柱台，塔架支撑台上端面与塔架固定连接，下端面与地面之间固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统设置于塔架支撑台的内部，旋转盘内部的液压泵经布置在塔架的内部的工作油管与塔架支撑台内的控制系统相连。

作为本发明的进一步改进，所述行星齿轮的数量为3个，且沿行星齿轮固定盘侧面均匀分布，相邻行星齿轮间隔120°。

作为本发明的进一步改进，所述安装行星齿轮固定盘的轴段的两端面分别与上端盖的下端面和下端盖的上端面保持2~3mm的距离。防止上下端盖在绕第一圆锥滚子轴承作周向旋转时与该段轴端面产生干涉。

作为本发明的进一步改进，所述上端盖的上端面加工有用于放置第一圆锥滚子轴承的环形凹槽，在环形凹槽上端面固定设置垫圈和轴承端盖。防止第一圆锥滚子轴承工作时因飞尘等杂质而加速了轴承的磨损。

作为本发明的进一步改进，在上端盖的下端面和下端盖的上端面分别加工有阶梯面，用于限制旋转齿环的径向运动以及沿塔架的轴向运动。

作为本发明的进一步改进，在行星齿轮固定盘上，与所述行星齿轮相对应的位置，设有类齿面凹槽，所述类齿面凹槽的上下两侧设置有用于安装固定行星齿轮固定轴的U型阶梯槽，行星齿轮固定轴与U型阶梯槽通过第三圆锥滚子轴承连接。

本发明的有益效果是：

风力发电机工作时：当输入的风速较大时，液压缸有杆腔进油，无杆腔回油，带动支杆向下运动，支杆使四边形连杆机构向内运动，从而使叶片同时向下、向内运动，风轮的受风面积和距地高度同时减小，输入的风能随之而变少；相反，当输入风速较小的时候，液压缸无杆腔进油，有杆腔回油带动支杆向上运动，支杆又使四边形连杆机构向外运动，从而使风轮叶片同时向上、向外运动，风轮的受风面积和距地高度同时变大，输入的风能增加。通过液压缸的伸缩来调节风轮的受风面积和距地高度，可以保证在风速大小变化时，风力机能够较好地保持恒速运动，从而保证了发电的稳定性。

本发明在绕旋转盘周向均布3个叶片、四边形连杆机构和增速系统。与传统的风机相比，可增速翼展型垂直轴风力发电机及其控制装置可弥补垂直轴风机易失速、风能利用率低且发电不平稳的缺点。该结构简单紧凑、转速可调、噪声干扰低、制动平稳等优点，具有广泛的应用性。

附图说明

图1为本发明一种可增速翼展型垂直轴风力发电机的结构示意图；

图2为本发明中旋转盘的轴向剖视图；

图3为本发明中行星齿轮的固定结构剖视图。

图中：1、支杆；2、液压缸；3、叶片；4、四边形连杆机构；5、旋转齿环；6、上端盖；7、第一平键；8、上锁紧螺母；9、塔架；10、上垫片；11、固定螺母；12、轴承端盖；13、垫圈；14、第一圆锥滚子轴承；15、行星齿轮固定盘；16、行星齿轮；17、液压泵；18、下端盖；19、第二平键；20、套筒；21、第二圆锥滚子轴承；22、旋转套筒；23、下垫片；24、下锁紧螺母；25、控制系统；26、塔架支撑台；27、第三圆锥滚子轴承；28、行星齿轮固定轴；29、活塞杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种可增速翼展型垂直轴风力发电机的结构如图1所示，包括支杆1、液压缸2、叶片3、四边形连杆机构4、旋转齿环5、上端盖6、第一平键7、上锁紧螺母8、塔架9、上垫片10、固定螺母11、轴承端盖12、垫圈13、第一圆锥滚子轴承14、行星齿轮固定盘15、行星齿轮16、液压泵17、下端盖18、第二平键19、套筒20、第二圆锥滚子轴承21、旋转套筒22、下垫片23、下锁紧螺母24、控制系统25、塔架支撑台26、第三圆锥滚子轴承27、行星齿轮固定轴28、活塞杆29。

叶片3通过四边形连杆机构4与旋转盘中的旋转齿环5相连，其中叶片3与四边形连杆机构4采用固连方式，而四边形连杆机构4与旋转齿环5的外侧面连接时采用铰链连接的方式。在四边形连杆机构4的中间位置有一铰链连接点与支杆机构相连；支杆机构共有两根支杆1，其中一根支杆1与四边形连杆机构4中间铰接点相连，另一端与旋转环的外侧面相连。

增速系统由液压缸2及其活塞杆29组成。其中，液压缸2以铰链连接的方式与旋转盘下端盖18铰接；伸出活塞杆29一端与支杆机构中的两支杆1中间铰接处铰接。

旋转盘由固定螺母11、轴承端盖12、垫圈13、上端盖6、旋转齿环5、行星齿轮固定盘15、行星齿轮16、液压泵17、下端盖18以及第一圆锥滚子轴承14组成；其中，上端盖6的上端面加工有环形凹槽用于放置第一圆锥滚子轴承14，在放置第一圆锥滚子轴承14的环形凹槽上端面放置垫圈13和轴承端盖12并用固定螺母11固定，防止第一圆锥滚子轴承14工作时因飞尘等杂质而加速了轴承的磨损，塔架9的上端通过上锁紧螺母8固定；上端盖6的下端面通过旋转齿环5提供沿塔架9轴向的向上的支持力，同时保证上端盖6的下端面与安装行星齿轮固定盘15轴段的端面有2~3mm的距离，防止上端盖6在绕第一圆锥滚子轴承14作周向旋转时与该段轴端面产生干涉；下端盖18的下侧面加工有放置第一圆锥滚子轴承14的环形凹槽，与下端盖18同轴旋转的第一圆锥滚子轴承14在沿塔架9轴向方向采用轴肩限制其轴向移动；在固定下端盖18及第一圆锥滚子轴承14段，该轴段上端面比下端盖18的上端面高2~3mm。防止行星齿轮固定盘15在下端盖18旋转时产生运动干涉。在上端盖6的下端面和下端盖18的上端面分别加工有阶梯面，该阶梯面主要用来限制旋转齿环5的径向运动以及沿塔架9的轴向运动；在上端盖6、旋转齿环5和下端盖18构成的环形箱式结构中，中间有一个用于固定行星齿轮16运动的行星齿轮固定盘15，该盘在与塔架9安装轴段采用第一平键7连接限制其周向运动，其中行星齿轮固定盘15在沿塔架9轴向方向上通过轴肩及自身的重力限制其轴向运动；行星齿轮固定盘15侧面通过铣削加工三个间隔120^o均匀分布的类齿面凹槽，在三个类齿面凹槽的上下两侧再加工出U型阶梯槽用于安装固定行星齿轮固定轴28。行星齿轮16与行星齿轮固定轴28采用固连方式，行星齿轮固定轴28与U型阶梯槽通过第三圆锥滚子轴承27连接。在垂直于行星齿轮固定盘15端面的行星齿轮固定轴28的伸出端分别连接一个液压泵17，行星齿轮16在旋转时通过行星齿轮固定轴28带动液压泵17工作，从而实现将机械能转化为液压能。该液压泵17经布置在塔架9内部的工作油管与控制系统25相连。

旋转环由旋转套筒22及第二圆锥滚子轴承21组成；旋转套筒22的上下端面分别铣削出用于放置第二圆锥滚子轴承21的凹槽，套筒上端面凹槽里的第二圆锥滚子轴承21上端面通过一个与塔架9以第二平键19连接的套筒20来限制其轴向运动，旋转套筒22下端面的轴承则通过一轴肩限制其轴向运动，同时也对整个旋转环提供轴向支撑。该旋转环在风机工作时只能随第二圆锥滚子轴承21绕塔架9作周向旋转运动，而不能沿塔架9轴向作直线运动。

塔架支撑台26为一具有一定壁厚的环形圆柱台，塔架支撑台26上端面与塔架9通过下锁紧螺母24固定连接，下端面与地面之间则通过螺钉固定连接，塔架9的下端通过下垫片23和下锁紧螺母24固定。

控制系统25放置于塔架支撑台26的内部，旋转盘内部三组与行星齿轮16同轴连接的液压泵17的油管在布置时通过塔架9内部与塔架支撑台26内的控制系统25相连。

在沿塔架9的周向方向，通过阶梯面对上述系统提供支持力；在沿行星齿轮固定盘15径向方向，由于行星齿轮16与旋转齿环5内啮合，因此工作时对上述系统有一径向固定作用的力。本发明的风力发电机系统采用三个叶片，即包含三组由行星齿轮16、液压泵17、第三圆锥滚子轴承27及其行星齿轮固定轴28组成的系统，三个叶片以两两之间间隔120^o绕旋转盘均匀分布。每个叶片通过四边形连杆机构与旋转盘铰链连接，叶片在增速或者改变旋转半径大小时通过铰链连接在旋转盘下端盖的液压缸活塞杆带动支杆机构运动来实现。

风力发电机工作时：当输入的风速较大时，液压缸2有杆腔进油，无杆腔回油，活塞杆带动支杆1向下运动，支杆使四边形连杆机构4向内运动，从而使叶片3同时向下、向内运动，风轮的受风面积和距地高度同时减小，输入的风能随之而变少，同时液压缸2也绕固定铰链作旋转运动，进一步降低叶片旋转半径、距地高度，从而实现了对风机减速的效果；相反，当输入风速较小的时候，液压缸2无杆腔进油，有杆腔回油，活塞杆带动支杆1向上运动，支杆又使四边形连杆机构4向外运动，从而使风轮叶片3同时向上、向外运动，风轮的受风面积和距地高度同时变大，输入的风能增加，同时，由于液压缸2通过铰链连接固定在旋转盘的下端盖18，支杆1、四边形连杆机构4在向外、向上运动的同时也带动液压缸2绕固定铰链处作旋转运动，从而进一步提高叶片3的旋转半径和距地高度，最终实现了对风机增速的效果。通过液压缸2的伸缩来调节风轮的受风面积和距地高度，可以保证在风速大小变化时，风力机能够较好地保持恒速运动，从而保证了发电的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，包括风轮、增速系统、塔架(9)、旋转盘、旋转环、塔架支撑台(26)、控制系统(25)，其特征在于：

所述风轮包括叶片(3)、四边形连杆机构(4)、支杆机构，所述四边形连杆机构(4)一端与叶片(3)的侧面固连，另一端与旋转盘侧面通过铰链连接，所述支杆机构由两根支杆(1)铰接构成，其一端与四边形连杆机构(4)中间位置铰链连接，另外一端与旋转环外侧面铰链连接；

所述增速系统包括液压缸(2)和活塞杆(29)，所述液压缸(2)以铰链连接的方式与旋转盘下端铰接，伸出活塞杆(29)的一端与支杆机构中的两支杆(1)铰接处铰接，当风轮旋转速度较低时，液压缸(2)的无杆腔进油，有杆腔回油，当风轮旋转速度较高时，液压缸(2)的有杆腔进油，无杆腔回油。

2.根据权利要求1所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述旋转盘包括上端盖(6)、下端盖(18)、旋转齿环(5)、行星齿轮固定盘(15)、行星齿轮(16)、液压泵(17)；旋转齿环(5)固定设置于上端盖(6)和下端盖(18)之间，上端盖(6)的下端面通过旋转齿环(5)提供沿塔架(9)轴向的向上支持力，上端盖(6)和下端盖(18)分别通过第一圆锥滚子轴承(14)与塔架(9)的轴相连，安装行星齿轮固定盘(15)的轴段的上端面和下端面分别与上端盖(6)的下端面和下端盖(18)的上端面保持用于防止行星齿轮固定盘(15)在上端盖(6)和下端盖(18)旋转时产生运动干涉的距离，在上端盖(6)、旋转齿环(5)和下端盖(18)构成的环形箱式结构中的塔架(9)外壁上固定设置有用于安装行星齿轮(16)的行星齿轮固定盘(15)，行星齿轮固定盘(15)侧面设有若干行星齿轮(16)，行星齿轮(16)的轮齿和旋转齿环(5)的轮齿相啮合，使行星齿轮(16)可在旋转齿环(5)绕塔架(9)轴转动的带动下绕自身的中轴线旋转，行星齿轮(16)的中轴线位置设有与行星齿轮(16)相固定的行星齿轮固定轴(28)，行星齿轮固定轴(28)的两伸出端分别连接一个液压泵(17)，行星齿轮(16)在旋转时通过行星齿轮固定轴(28)带动液压泵(17)工作，所述液压泵(17)经布置在塔架(9)内部的工作油管与控制系统(25)相连。

3.根据权利要求1所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述旋转环包括旋转套筒(22)和第二圆锥滚子轴承(21)；所述第二圆锥滚子轴承(21)分别设置于旋转套筒(22)的上下端面处，通过一个与塔架(9)以第二平键(19)连接的套筒(20)来限制旋转套筒(22)上端面处的第二圆锥滚子轴承(21)的轴向运动，通过轴肩来限制旋转套筒(22)下端面处的第二圆锥滚子轴承(21)的轴向运动，所述旋转环在风力发电机工作时，只能随第二圆锥滚子轴承(21)绕塔架(9)作周向旋转运动，而不能沿塔架(9)轴向作直线运动。

4.根据权利要求1所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述塔架支撑台(26)为环形圆柱台，塔架支撑台(26)上端面与塔架(9)固定连接，下端面与地面之间固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述控制系统(25)设置于塔架支撑台(26)的内部，旋转盘内部的液压泵(17)经布置在塔架(9)内部的工作油管与塔架支撑台(26)内的控制系统(25)相连。

6.根据权利要求2所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述行星齿轮(16)的数量为3个，且沿行星齿轮固定盘(15)侧面均匀分布，相邻行星齿轮(16)间隔120°。

7.根据权利要求2所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述安装行星齿轮固定盘(15)的轴段的上端面和下端面分别与上端盖(6)的下端面和下端盖(18)的上端面保持2～3mm的距离。

8.根据权利要求2所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：所述上端盖(6)的上端面加工有用于放置第一圆锥滚子轴承(14)的环形凹槽，在环形凹槽上端面固定设置有垫圈(13)和轴承端盖(12)。

9.根据权利要求2所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：在上端盖(6)的下端面和下端盖(18)的上端面分别加工有阶梯面，用于限制旋转齿环(5)的径向运动以及沿塔架(9)的轴向运动。

10.根据权利要求2所述的一种可增速翼展型垂直轴风力发电机，其特征在于：在行星齿轮固定盘(15)上，与所述行星齿轮(16)相对应的位置，设有类齿面凹槽，所述类齿面凹槽的上下两侧设置有用于安装行星齿轮固定轴(28)的U型阶梯槽，行星齿轮固定轴(28)与U型阶梯槽通过第三圆锥滚子轴承(27)连接。