CN103629050A - 贯旋流风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种贯旋流风力发电机，该贯旋流风力发电机垂直立式布置，各组成部件沿其中心轴线从上至下同轴布置，顺序依次为上支撑带轴承轴承座（2a），贯旋流风机（1）下支撑带轴承轴承座（2b），风机联轴器（4）、增速器（5）、发电机联轴器（6）、发电机（7）。进风气流对贯旋流风机螺旋翼的螺旋面施加压强推力，一方面螺旋翼被推动旋转，旋转的螺旋翼的螺旋面推动气流向垂直方向流动，向垂直方向的流动又对螺旋翼的螺旋面产生压强，与进风气流推动螺旋翼的螺旋面合力做功驱动螺旋翼旋转，螺旋翼旋转驱动风力发电机发电。

Description

贯旋流风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术，特别是贯旋流风力发电机。

技术背景

石油危机，环境危机迫使人类重视自然资源的利用，重视如何提高能源的利用效率。

风力资源无处不在，城市快速发展的进程中，大量的高楼竖立在世界许多城市，城市地价的高涨进一步推动高层建筑的热潮。这些高层建筑具有能耗大、能源依赖程度高的弊端。更为尤甚的是，这些高层建筑还造成了人为气候灾害，气流遇到这些巨大建筑物障碍物时，产生绕流，在建筑物的迎风侧和背风侧均有涡旋产生。建筑间距较小时，两个建筑物后的气流相互作用，并形成由两个建筑物相互作用的涡旋；间距越小，涡旋距离建筑物的距离越近，涡旋就越大。这种人工风场气流十分复杂，建筑物作为钝体出现在城市的近地面流场中，由于下冲、狭管流、角流、穿堂风以及阻塞、尾流等效应，导致高楼建成后出现以往没有的局地强风现象。局地强风环境，主要是由于产生于高楼的角流引起，高楼迎风面的正压与背风面的负压之间存在巨大的压力差，由此引发的强气压梯度压强，会使气流加速流动。高楼及其附近建筑的相互影响，高低错落的建筑群构成了一道人工的风汇合，在街道里造成“街道峡谷”效应，这意味“人造风”在现代城市中无处不在。虽然这种“人造风”资源无处不在，现有的轴流涡轮风力发电机需要大掠风面积，由于城市的空间限制，现有的轴流涡轮风力发电机无法利用这些“人造风”资源。

世界名城巴林，两座50层的双子塔高度达240m三角形的大厦，安装了单台机重达11吨的轴流涡轮风力发电机，率先尝试利用城市建筑的“人造风”，然而，这样庞然大物安装在高层建筑的高处，其难度和安全性的影响很难得到推广。

现有的风力发电机种类有，水平轴涡轮式风力发电机、水平轴帆翼式风力发电机、荷兰固定翼风力机、无论是那种机型都需要占用巨大场地空间。

由于水平轴系列风力发电机占用巨大场地空间的缺陷，导致许多风场无法高密度安装风力发电机，造成风力资源利用率低。

水平轴风力发电机还存在尾迹效应，或称之风力机后面尾迹的喘流。这种喘流，同样限制了前排风力机后面安装最小距离，弗兰德森曾经有过研究证实，并给出了可以参考经验算法[Ris国家实验室,挪威船级社.风力发电机组设计导则[M].北京:机械工业出版社，2011:p32]，这种尾迹效应足以证明风场的资源利用受到了限制。

水平轴风力机还存在机仓放置在高高的塔顶，安装维护不便，而且风力机重心高，易翻倒等缺陷。

由于水平轴风力发电机存在上述许多问题，垂直立式风力发电机受到了风力发电行业的重视。

垂直轴风力机可分为两个主要类型，一类是是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S型风轮，它由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。达里厄风力机有多种形式，Φ型、H型、Y型和菱形。

现有达里厄风力机还存在一定缺陷，不能自启动，调速、限速困难，叶片强度差，不易加工。

垂直轴风力机，还有以法国工程师戴瑞斯(G·J·M·Darrieus)发明的戴瑞斯型(Darrieustype)风力机，戴瑞斯型风力机可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形。弯叶片Φ型，叶片只承受张力，不承受离心力，但其几何形状固定不变，不便采用变桨距方法控制转速，且弯叶片制造成本比直叶片高。直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑，以防止离心力引起过大的弯曲应力，但这些支撑会产生气动阻力，降低效率。

戴瑞斯型风力机的缺陷是启动转矩小，启动性能差，必须靠其他动力启动，达到要求的转速才能正常运行，并且风能利用率低。戴瑞斯型风力机大都需要具有启动机构和离合器等，这样就增加了系统的复杂性,提高了成本。

垂直轴风力发电机相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机有其自身的优点。与水平轴风力发电机相比，发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。

垂直轴风力发电机的齿轮箱在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。在城市公共设施，路灯，民宅等噪音不可过高的地方，都可以应用垂直轴风力发电机，合理结构的垂直轴风力发电机可以利用城市建筑的“人造风”，这对于城市规划与设计都会产生积极影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有水平轴风力发电机需要占用大空间大面积的土地资源的缺点，同时还克服现有垂直轴风力发电机的不能自启动，调速、限速困难，叶片强度差，不易加工等缺陷，提供一种贯旋流风力发电机。

本发明采用以下技术方案：

贯旋流风力发电机由贯旋流风机、上支撑带轴承轴承座、下支撑带轴承轴承座、风机联轴器、增速器、发电机联轴器、发电机，以及机架组成。

为了达到节省风力发电机占用空间，贯旋流风机为垂直立式布置。机架是立式框架结构，贯旋流风力发电机各部件随其中心轴线同轴布置，从上至下顺序为：上支撑带轴承轴承座、贯旋流风机、下支撑带轴承轴承座、风机联轴器、增速器、电机联轴器以及发电机。上支撑带轴承轴承座套装在贯旋流风机的上方出轴上，下支撑带轴承轴承座套装在贯旋流风机下方出轴上，上支撑带轴承轴承座、下支撑带轴承轴承座支撑贯旋流风机的轴。贯旋流风机下方出轴连接风机联轴器，风机联轴器连接增速器，增速器连接发电机联轴器，发电机联轴器连接发电机，发电机固定在立式框架结构的机架底座上。上支撑带轴承轴承座、下支撑带轴承轴承座均由机架横梁固定。

为了提高风资源利用率，本发明采用了串联增速器驱动方式。通过增速器驱动所述的发电机，可以使本发明的贯旋流风力发电机能在较低风速工况下，获得较高的转速来驱动发电机目的。

所述的贯旋流风机由螺旋翼、旋转翼轮、风机蜗壳和贯流进风窗组成。

所述的螺旋翼是贯旋流风机旋转翼轮的组成部件，贯旋流风机旋转翼轮是由若干片结构相同的螺旋翼环绕风机轴均布并固定构成。风机轴由上支撑带轴承轴承座和下支撑带轴承轴承座支撑。螺旋翼的外圆沿径向套装有风机蜗壳。风机蜗壳固定在机架的横梁上。

所述的风机蜗壳为圆筒形蜗壳，圆筒形蜗壳的上段径向一侧有一长方形开口，与圆筒中心线平行；此长方形开口的边缘与固定于风机蜗壳上部的贯流进风窗连接。风机蜗壳下部沿轴向向下开有气流的出口。

所述的贯流进风窗的切向进风方向与螺旋翼的旋转方向相反，风从风机蜗壳切向布置贯流进风窗进入，使得螺旋翼的偏圆心的螺旋面处于迎风受压强作用，推动贯旋流风机旋转翼轮旋转。旋转翼轮旋转同时，进风气流由水平反向导入后，在螺旋翼的螺旋面导流和圆筒形蜗壳约束导流下，转换为垂直方向流动，即气流的流动路径从风机蜗壳上段径向进入，从风机蜗壳轴向下侧的出口流出。气流由沿径向流动转为沿轴向向下流动，向下流动的气流对螺旋翼的轴向螺旋面产生压强，由于轴向螺旋面受压强与贯流进风窗进入气流螺旋翼的偏圆心的螺旋面的压强形成了合力做功，从而提高了贯旋流风机的效率。

本发明贯旋流风力发电机具有如下特点：贯旋流风力发电机由于径向迎风，可以充分利用高度空间，而无需水平轴流式风力机那样需要占用大量宽度空间；由于其排风气流向下，不存在尾迹效应，允许高密度布局；还适合用于城市“峡谷效应”风资源，提高风资源利用。

贯旋流风力发电机还适用于列车上，利用列车的运行速度产生的相对气流驱动贯旋流风力发电机发电。

附图说明

图1是本发明贯旋流风力发电机结构示意图；

图中：1贯旋流风机、2a上支撑带轴承轴承座、2b下支撑带轴承轴承座、3c上出轴、3d下出轴、4风机联轴器、5增速器、6电机联轴器、7发电机、8机架；

图2是本发明贯旋流风力发电机的贯旋流风机1的主视图，图中：1贯旋流风机、1-1贯流进风窗、3c上出轴、3d下出轴；

图3是图2的右视图，图中，1贯旋流风机、1-1贯流进风窗、1-3螺旋翼；

图4是图2的A——A剖视图，图中，1-2风机蜗壳、1-3螺旋翼、3轴；

图5a是图4的B—C—D风机蜗壳1-2剖视图，图中：1-2风机蜗壳、1-3螺旋翼、3c上出轴、3d下出轴；

图5b是图5a未装配风机蜗壳1-2的旋转翼轮示意图，图中：1-3螺旋翼、3轴；

图6是螺旋翼1-3工作原理示意图，图中：1-1贯流进风窗、1-3螺旋翼、3轴、1-2风机蜗壳；

图7是本发明贯旋流风力发电机风场布置示意图，图中：偏流墙A、贯旋流风力发电机B；

图8是本发明贯旋流风力发电机列车行驶气流发电示意图，图中：贯旋流风力发电机B、列车C。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明由贯旋流风机1、上支撑带轴承轴承座2a、下支撑带轴承轴承座2b、风机联轴器4、增速器5，发电机联轴器6，发电机7，以及机架8组成。

本发明贯旋流风力发电机为垂直立式布置，机架8为立式框架结构。贯旋流风力发电机各部件沿其中心轴线同轴布置，从上至下布置顺序依次为上支撑带轴承轴承座2a、贯旋流风机1、下支撑带轴承轴承座2b、风机联轴器4、增速器5、发电机联轴器6、发电机7。

上支撑带轴承轴承座2a套装在贯旋流风机1的上出轴3c上，下支撑带轴承轴承座2b套装在贯旋流风机1的下出轴3d上，上支撑带轴承轴承座2a、下支撑带轴承轴承座2b支撑贯旋流风机1的轴3，贯旋流风机1的下出轴3d连接风机联轴器4，风机联轴器4连接增速器5，增速器5连接发电机联轴器6，发电机联轴器6连接发电机7，发电机7固定在机架8的底座上。上支撑带轴承轴承座2a、下支撑带轴承轴承座2b由机架8横梁固定。

如图4所示，所述的贯旋流风机1由螺旋翼1-3、风机蜗壳1-2和固定在风机蜗壳1-2径向的贯流进风窗1-1组成。

所述的螺旋翼1-3是贯旋流风机1的旋转翼轮的组成部件。所述的旋转翼轮由若干片螺旋翼1-3环绕贯旋流风机1的轴3均布固定构成。螺旋翼1-3的外圆沿径向套装有风机蜗壳1-2。风机蜗壳1-2固定在机架8的横梁上。

所述的风机蜗壳1-2为圆筒形蜗壳，圆筒形蜗壳的上段径向一侧有一长方形开口，与圆筒中心线平行；此长方形开口的边缘与位于与风机蜗壳1-2上部的贯流进风窗1-1连接。风机蜗壳1-2下部沿轴向向下开有气流出口。

贯流进风窗1-1进风方向为切向进风，贯流进风窗1-1的切向进风气流方向与螺旋翼1-3组成旋转翼轮旋转方向相反，使得螺旋翼的偏圆心的螺旋面处于迎风受压强作用，进风气流从旋转翼轮切向的贯流进风窗1-1进入贯旋流风机1，螺旋翼1-3螺旋面处于迎风受压强，从而推动贯旋流风机1的旋转翼轮旋转，旋转翼轮旋转同时，进风气流由水平反向导入后，在螺旋翼1-3的螺旋面导流和圆筒形风机蜗壳1-2约束导流下，转换为垂直方向流动，即气流的流动路径从风机蜗壳1-2上段径向进入，从风机蜗壳1-2轴向下侧的开口流出。气流由沿径向流动转为沿轴向向下流动，向下流动的气流对螺旋翼1-3的轴向螺旋面产生压强，由于轴向螺旋面受压强与贯流进风窗进入气流螺旋翼的偏圆心的螺旋面的压强形成了合力做功。

如图6所示，螺旋翼1-3环绕贯旋流风机1的轴3均布并固定在贯旋流风机1的轴3上。

如图5a所示，贯流进风窗1-1位于风机蜗壳1-2的外侧上部。

所述的风机蜗壳1-2的圆筒形蜗壳的上段径向一侧有一长方形开口，与圆筒中心线平行，此长方形开口的边缘与贯流进风窗1-1连接。

图5b是未装配风机蜗壳1-2的螺旋翼示意图，如图5b所示，螺旋翼1-3与贯旋流风机1的轴3组成贯旋流风机旋转翼轮。

当贯旋流风机1旋转时，贯旋流风机1的轴3传动风机联轴器4，风机联轴器4传动增速器5，增速器5传动电机联轴器6，电机联轴器6带动发电机7，贯旋流风机1旋转速度符合发电机7发电励磁要求时，即可输出有效电能。

如图2、图3、图4、图6所示，风从贯流进风窗1-1进入，螺旋翼1-3叶片的螺旋面处于迎风状态，迎风状态的压强驱动螺旋翼1-3环绕贯旋流风机1的轴3旋转。

如图6所示，气流在风机蜗壳1-2与螺旋翼1-3叶片的螺旋面约束下转变为朝垂直方向流动，垂直方向流动的气流作用于螺旋翼1-3叶片的螺旋面形成压强，作用于螺旋翼1-3的螺旋面形成压强的气流对螺旋翼1-3叶片与贯流进风窗1-1进入气流同步形成推力；贯流进风窗1-1进入的气流，使螺旋翼1-3的螺旋面处于迎风状态，与垂直方向流动的气流作用于螺旋翼1-3的螺旋面的压强同步对螺旋翼1-3形成做功合力，这种合力做功驱动发电机7，从而提高了风力发电效率的目的。

如图7所示，贯旋流风力发电机B立式安装，与偏流墙A形成片偏流夹角，夹角效应使气流密度增加流速增加，偏流墙A的导流效应增大了贯流进风窗1-1进风风压。

偏流墙A的导流效应，可利用城市建筑的峡谷效应的街风，充分利用城市建筑物的人造风资源。

偏流墙A的导流效应，也可以选取山地自然条件，气流在地面流经狭窄地形形成峡谷效应，气流在地面流经狭窄地形时类似液体在管中的流动，流速也会加快，并因气体具有可压缩性，密度会增大。地球上山地的许多风口和许多地方出现的地形雨都与气流经过狭窄地形密切相关。这种由地形产生的峡谷效应可由与传统轴流风力发电机流体动力学机理不同的贯旋流风力发电机充分利用该自然资源。偏流墙A也可以人工建造。

贯旋流风力发电机不会产生尾迹效应，设计合适偏流墙A与贯旋流风力发电机的布置，可以提高风力发电机的安装密度，从而提高风资源的利用。

如图8所示，贯旋流风力发电机B安装于列车C的迎风两侧，当列车高速运行时，车身和空气相对运动产生气流可以用来能量回收。

Claims (3)

1.一种贯旋流风力发电机，所述的风力发电机由贯旋流风机（1）、上支撑带轴承轴承座（2a）、下支撑带轴承轴承座（2b）、风机联轴器（4）、增速器（5）、发电机联轴器（6）、发电机（7），以及机架（8）组成，其特征是：所述的贯旋流风力发电机垂直立式布置，机架（8）为立式框架结构；贯旋流风力发电机发电机的各组成部件沿其中心轴线同轴布置，从上至下布置顺序依次为上支撑带轴承轴承座（2a）、贯旋流风机（1）、下支撑带轴承轴承座（2b）、风机联轴器（4）、增速器（5）、发电机联轴器（6）、发电机（7）；

上支撑带轴承轴承座（2a）套装在贯旋流风机（1）的上出轴（3c）上，下支撑带轴承轴承座（2b）套装在贯旋流风机（1）的下出轴（3d）上，上支撑带轴承轴承座（2a）、下支撑带轴承轴承座（2b）支撑贯旋流风机（1）的轴（3）；贯旋流风机（1）的下出轴（3d）连接风机联轴器（4），风机联轴器（4）连接增速器（5），增速器（5）连接发电机联轴器（6），发电机联轴器（6）连接发电机（7），发电机（7）固定在机架（8）的底座上；上支撑带轴承轴承座（2a）、下支撑带轴承轴承座（2b）由机架（8）的横梁固定。

2.按照权利要求1所述的贯旋流风力发电机，其特征是：所述的贯旋流风机（1）由螺旋翼（1-3）、风机蜗壳（1-2）和贯流进风窗（1-1）组成；若干片螺旋翼（1-3）环绕贯旋流风机（1）的轴（3）均布并固定，构成贯旋流风机（1）的旋转翼轮；螺旋翼（1-3）的外圆沿径向方向套装有风机蜗壳（1-2）；风机蜗壳（1-2）固定在机架（8）的横梁上；所述的风机蜗壳（1-2）为圆筒形蜗壳，圆筒形蜗壳的上段径向一侧有一个与圆筒中心线平行的长方形开口，此长方形开口的边缘与位于风机蜗壳（1-2）上部的贯流进风窗（1-1）连接。

3.按照权利要求2所述的贯旋流风力发电机，其特征是：所述的风机蜗壳（1-2）的下部沿轴向向下开有气流的出口。

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