CN103742355B - 一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，至少两层风轮从下至上依次装设于所述机架机构，所述机架机构与所述发电机的垂直轴传动连接，在垂直投影方向视图，多组所述风叶单元呈圆周均匀分布；每组所述风叶单元包括支杆、铰接机构及风叶，所述支杆的一端设有铰接座，所述铰接座与所述机架机构通过第一销轴可转动连接，所述风叶通过所述铰接机构铰接于所述支杆的另一端；所述机架机构与所述支杆之间设有缓冲垫。本发明设有至少两层风轮，风压连续均衡并将风轮的扭矩通过机架传递给发电机，风能利用率高、发电量大。本发明同时安装至少两层的风轮，并使其同步协调工作，在增加风轮组迎风面积的同时保持运转时平稳性，有效节约成本。

Description

一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机技术领域，特别是涉及一种能够稳定旋转的多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组。

背景技术

目前，垂直轴风力发电机主要有两类：一类是利用翼型结构的升力做功的升力型风机，其原型是达里厄(Darrieus) 型风力机，大部分垂直轴风机的制造技术都是在翼型结构运转原理的基础上进行少许的改进技术；另一类是阻力型风机，其原型是由风杯式测风仪的演变而来的，其原理就是利用风叶水平旋转时正反两面对风的阻力差来做功。

现有技术中，垂直轴升力型风机在正常运转时风能利用率可高达42﹪，但是这类垂直轴升力型风机主要存在着以下缺陷：起动扭矩小，结构复杂，成本较高,风轮转速较低。此外，还有稳定性差，振动大且引起共振，以及有效利用的风速范围小的问题。

中国实用新型专利（公告号CN 201155425Y）公开了一种“垂直轴柔性风轮”，该垂直轴柔性风轮的结构包括一个立杆，所述立杆一端的轮毂通过连杆与不同的风叶连接，轮毂连接发电机将机械能转化为电能输出，所述立杆和所述每个风叶竖直设置，所述每个连杆水平设置，其一端和立杆相连接,另一端和风叶相连接，连杆与立杆以及连杆与风叶之间均分别呈90度直角，每一个风叶与连杆的连接处和立杆顶端之间分别系有一条柔性悬索，所述每个连杆与立杆的连接处，以及和风叶的连接处采用铰接方式。该垂直轴柔性风轮结构中的垂直轴柔性风轮为了使每个风叶受力均匀，而该垂直轴柔性风轮的柔性悬索是利用风叶与连杆的连接处和立杆顶端之间连接起来，该结构能使不同的风叶在受到不同风向时受力均匀，提高风能转化为机械能的效率。但是该垂直轴柔性风轮的垂直柔性风轮的稳定性、平衡性也有待进一步提高，以及在各种风力和风向作用下的较宽转速范围工况中易产生共振且较为严重，这也有待于进一步解决，而柔性悬索容易打结断裂，使其使用寿命较低，而且难以在强风中使用也是有待进一步解决的问题。

因此，针对现有技术中的存在问题，亟需提供一种稳定性好、平衡性高、寿命长、抗强风性能高的垂直轴风力发电机技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种稳定性好、平衡性高、结构紧凑、抗强风性好、适用风速范围广并能有效保护发电机的多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，包括有发电机、机架机构及至少两层风轮，至少两层风轮从下至上依次装设于机架机构，机架机构与发电机的垂直轴驱动连接；其中，

每层风轮均匀分布设置有多组风叶单元，风叶单元装设于机架机构；

每组风叶单元包括有支杆、铰接机构及风叶，支杆的一端设有铰接座，铰接座与机架机构通过第一销轴铰接，风叶通过铰接机构铰接于支杆的另一端，每层所有风叶单元的支杆在旋转时均处于同一旋转平面。

机架机构与支杆之间设置有缓冲垫，当风轮静止时，缓冲垫夹处于支杆与机架机构之间。

优选的，机架机构包括有旋转套管、轴承及至少一个固设于旋转套管的机架，旋转套管的上端部固设于发电机的垂直轴，旋转套管的下端通过轴承可旋转装设于固定柱。

更优选的，机架的数目设置为两个，具体为上机架和下机架，上机架固设于旋转套管的上部，下机架固设于旋转套管的下端。

进一步的，

上机架与支杆之间设置有缓冲垫；

下机架与支杆之间设置有缓冲垫；

其余每层风轮，对应支杆与旋转套管之间设置有缓冲垫，或者对应支杆与旋转套管设置的机架之间设置有缓冲垫。

优选的，铰接机构包括有第二销轴和扭力弹簧，第二销轴穿过支杆及风叶，扭力弹簧套设于第二销轴，且扭力弹簧的第一端与支杆连接，扭力弹簧的第二端与风叶连接。

更优选的，铰接机构位于风叶的重心上方的部位。

进一步的，第一销轴的轴线方向和第二销轴的轴线方向均与支杆的长度方向垂直。

具体，风叶固定设置有铰接件，第二销轴穿过风叶的铰接件及支杆，扭力弹簧的第二端与风叶的铰接件相接。

优选的，铰接件为固定设置于风叶的凹槽状铰接件，且其两侧壁对称开设有供穿设第二销轴的通孔，通孔的轴线方向与风叶的长度方向垂直，第二销轴穿置于铰接件的通孔及支杆。

优选的，旋转套管上端部设置有锥形孔，对应发电机的垂直轴的连接段为锥形轴段，旋转套管套设于发电机的垂直轴，并通过螺母旋压紧固于发电机的垂直轴。

本发明的有益效果：

一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，包括有发电机、机架机构及至少两层风轮，至少两层风轮从下至上依次装设于机架机构，机架机构与发电机的垂直轴驱动连接；其中，每层风轮均匀分布设置有多组风叶单元，风叶单元装设于机架机构；每组风叶单元包括有支杆、铰接机构及风叶，支杆的一端设有铰接座，铰接座与机架机构通过第一销轴铰接，风叶通过铰接机构铰接于支杆的另一端，每层所有风叶单元的支杆在旋转时均处于同一旋转平面。本发明的垂直轴风力发电机设置有至少两层风轮，至少两层风轮的风叶单元在垂直投影中呈圆周均匀分布，在垂直投影视图中，相邻两个风叶单元的夹角相等，使多层风轮的风压连续均衡，并将风轮的扭矩通过机架机构传递给发电机，风能利用率高、发电量大。本发明在升力型叶片基础上，通过灵活设计机架机构，同时安装两层以上的风轮，并使其同步协调工作，在增加风轮组迎风面积的同时保持运转时平稳性，有效节约成本。

同时，本发明的支杆与机架通过铰接座及第一销轴铰接，利用陀螺效应改善垂直轴风力发电机的稳定性，本发明多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，当风轮高速旋转时，风叶单元绕着第一销轴向上转动，悬浮转动，整个风轮如转动的陀螺般围绕自身中轴线作“自转”，风速越大，风轮转得越快，稳定性越好，并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性，避免共振，输出功率稳定，有利于延长发电机的使用寿命。并且，本发明的机架机构与支杆之间设有弹性材质制得的缓冲垫，该缓冲垫一方面可以有效防止风速减小而使风叶单元落下时支杆撞击发电机的垂直轴，影响发电机的稳定性及使用寿命，另一方面，通过该缓冲垫使所有支杆位于同一水平面，从而保证风轮在高速旋转时各风叶受力均衡，有效保证整机的稳定性，发电机输出功率稳定。

并且本发明在风叶的重心的上方设有铰接机构，使得风叶在额定风速范围内保持风叶的垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，随着风轮转速提高，风叶的离心力随之同步增大，当离心力大于扭力弹簧及风叶重力相对于第一销轴轴线的力矩时，风叶绕第一销轴轴线转动角度，且转动角度的大小与离心力同步增大或减小，当离心力最终克服扭力弹簧的扭力时，风叶与支杆不再垂直，整个风轮的旋转外形呈锥台形，转速越高，风轮组的迎风面积越小，从而在强风时能够达到调整整机的功率输出的目的，防止功率过大而损害发电机。由于风叶与支杆之间采用铰接机构铰接，随风力调整风轮的迎风面积，在强风时也能正常发电，抗强风能力好，并且无尾舵，结构简单、节约材料，综合成本低。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组的实施例的结构示意图；

图2是图1中本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组的实施例的俯视结构示意图；

图3是本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组的实施例在一种运转工况时的结构示意图；

在图1至图3中包括有：

1——风叶

2——支杆

3——第二销轴

4——扭力弹簧

5——铰接件

6——螺母

7——上机架

8——第一销轴

9——铰接座

10——缓冲垫

11——发电机

12——固定柱

13——上轴承

14——下轴承

15——塔柱

16——旋转套管

17——下机架。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，如图1至图3所示，包括发电机11、至少两层风轮及机架机构，至少两层风轮从下至上依次装设于机架机构，机架机构与发电机11的垂直轴驱动连接，其中，机架机构包括有旋转套管16、轴承及至少一个固设于旋转套管16的机架，旋转套管16的上端部固设于发电机11的垂直轴，旋转套管16的下端通过轴承可旋转装设于固定柱12。轴承设置有两个，具体为上轴承13及下轴承14，固定柱12安装于塔柱15上。在本实施例中，机架的数目设置为两个，具体为上机架7和下机架17，上机架7固设于旋转套管16的上部，下机架17固设于旋转套管16的下端。同时，旋转套管16上端部设置有锥形孔，对应发电机11的垂直轴的连接段为锥形轴段，旋转套管16套设于发电机11的垂直轴，并通过螺母6旋压紧固于发电机11的垂直轴发电机11螺母6。

其中，每层风轮均匀分布设置有多组风叶单元，风叶单元装设于机架机构，当风轮静止时，在垂直投影方向视图，多组所述风叶单元呈圆周均匀分布。本实施例中，本发明的垂直轴风力发电机11组设有两层风轮，两层风轮的风叶单元在垂直投影中呈圆周均匀分布，垂直投影视图中，相邻两个风叶单元的夹角相等，使整体机组的风压连续均衡，并将风轮的扭矩通过机架机构传递给发电机11，风能利用率高、发电量大。本发明在升力型叶片基础上，通过灵活设计机架机构，同时安装两层风轮，并使其同步协调工作，在增加风轮组迎风面积的同时保持运转时平稳性，有效节约成本。

在本实施例中，每组风叶单元包括有支杆2、铰接机构及风叶1，支杆2的一端设有铰接座9，铰接座9与机架机构通过第一销轴8铰接，风叶1通过铰接机构铰接于支杆2的另一端，每层所有风叶单元的支杆2在旋转时均处于同一旋转平面，并且第一销轴8的轴线与支杆2的长度方向垂直装设，使得风叶单元可绕第一销轴8上下转动。

在本实施例中，旋转套管16与所述支杆2之间设有缓冲垫10，当风轮静止时，所述缓冲垫10处于所述支杆2与旋转套管16之间，且同一层风轮的所有支杆2处于同一水平面。该缓冲垫10一方面可以有效防止风速减小而使风叶单元落下时支杆2撞击机体，影响机体的稳定性及使用寿命，另一方面，风轮静止时，通过该缓冲垫10使所有支杆2位于同一水平面，确保风轮旋转时同一层风轮的所有支杆2位于同一旋转面，从而保证风轮在高速旋转时各风叶1受力均衡，有效保证整机的稳定性，发电机11输出功率稳定。本实施例的多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机11具有稳定性高、平衡性好、较少共振、结构紧凑且寿命长等优点。

本发明的一种多层展翼摆叶式垂直轴风力发电机组在升力型风机基础上改进，优化组合结构，支杆2与机架7通过铰接座9及第一销轴8铰接，利用陀螺效应改善垂直轴风力发电机11的稳定性，本发明多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，当风轮高速旋转时，风叶单元绕着第一销轴8向上转动，悬浮转动，整个风轮如转动的陀螺般围绕自身中轴线作“自转”，风速越大，风轮转得越快，稳定性越好，并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性，输出功率稳定，有利于延长发电机11的使用寿命。同时，本发明的机架7与支杆2之间设有弹性材质制得的缓冲垫10，该缓冲垫10一方面可以有效防止风速减小而使风叶单元落下时支杆2撞击发电机11的垂直轴，影响发电机11的稳定性及使用寿命，另一方面，通过该缓冲垫10使所有支杆2位于同一水平面，从而保证风轮在高速旋转时各风叶1受力均衡，有效保证整机的稳定性，发电机11输出功率稳定。本实施例的多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组具有稳定性高、平衡性好、有效减少共振、结构紧凑且寿命长等优点。

其中，本实施例的铰接机构位于风叶1的重心上方的部位，该铰接机构包括第二销轴3和扭力弹簧4，第二销轴3穿过支杆2的铰接头及风叶1固定设置的铰接件5，扭力弹簧4套设于第二销轴3，并且扭力弹簧4的第一端与支杆2连接，扭力弹簧4的第二端与风叶1的铰接件5相接接。其中，第二销轴3的轴线方向垂直于风叶1的长度方向，使得风叶1可绕第二销轴3左右转动。组装后的风叶单元，当风轮静止时，第二销轴3位于风叶1的重心的上方，无风时，风叶1可依靠自身重力绕第二销轴3转动下落。

上述的铰接件5为凹槽状铰接件，且其两侧壁对称开设有供穿设第二销轴3的通孔，该通孔的轴线方向与风叶1的长度方向垂直，第二销轴3穿置于铰接件5的通孔及支杆2。

本发明的一种多层展翼摆叶式垂直轴风力发电机组在风叶1的重心的上方设有铰接机构，使得风叶1在额定风速范围内保持风叶1的垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，随着风轮转速提高，风叶1的离心力随之同步增大，当离心力大于扭力弹簧4及风叶1重力G相对于第二销轴3轴线的力矩时，风叶1绕第二销轴3轴线转动，转动角度的大小与离心力同步增大或减小，当离心力最终克服扭力弹簧4的扭力时，风叶1与支杆2不再垂直，整个风轮的旋转外形呈锥台形，风轮的迎风面积随转动角度的增大而减小，亦即转速越高，风轮的迎风面积越小，从而在强风时能够达到调整整机的功率输出的目的，防止功率过大而损害发电机11。

由于风叶1与支杆2之间采用铰接机构铰接，随风力调整风轮的迎风面积，在强风时也能正常发电，抗强风能力好，并且无尾舵，结构简单、节约材料，综合成本低，特别适合于小型风力风电机。

同时，当风轮静止时，所有支杆2处于同一水平面，保证了风轮转动的稳定性，同时，支杆2绕第一销轴8自由转动，使支杆2及风叶1处于浮动状态，提高本发明的稳定性。

为了紧固机架机构与发电机11的垂直轴上，本发明还包括螺母6，该螺母6旋紧于发电机11的垂直轴且位于上机架7的上方。

本发明的一种多层展翼摆叶式垂直轴风力发电机组在升力型风机的基础上，优化组合结构，支杆2与机架机构铰接，利用风轮高速旋转时形成的陀螺效应保持机组的稳定性；风叶1与支杆2的铰链机构，用于调整风轮的迎风面积，使本发明在强风时也能正常发电，增加风轮的工作风速范围，有效提高风能利用率的同时，叶片消耗材料少、制造成本低，特别适合于小型风力发电机11组，并具有如下优点：

（1）有效地提高了风轮总成的稳定性，继而降低了整个机组的成本；

（2）采用铰接式支杆22的连接方式，运行稳定可靠；

（3）抗强风能力好，无噪音且制造工艺简单；

（4）无尾舵回转系统，易于加工，制造的综合成本低；

（5）重量轻，便于安装，且降低运输成本；

（6）风叶1与支杆2的铰链机构，增加了风轮的工作风速范围，有效提高风能利用率；

（7）适合于做小型风力发电机11组,应用于路灯，航标灯，农牧民照明，森林防火监控等。

并且，本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组满足下列标准：

1、最高风速为35m/s，高寒地区最高风速为为40m/s；

2、正常运行的温度范围为-20℃～+50℃，高寒地区的运行温度为-25℃～+45℃；

3、运行的最高海拔为4000m；

4、可使用的最高相对湿度为5﹪；

本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。

实施例2

本发明的一种多层展翼摆叶式垂直轴风力发电机组与实施例1基本相同，在本实施例中，机架的数目设有多个，其中两个为上机架7及下机架17，每个机架与一层风轮铰接。上机架7与支杆2之间设置有缓冲垫10；下机架17与支杆2之间设置有缓冲垫10；其余每层风轮，对应支杆2与旋转套管16之间设置有缓冲垫10，或者对应支杆2与旋转套管16设置的机架之间设置有缓冲垫10缓冲垫10旋转套管16。

本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。

实施例3

本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组与实施例2基本相同，在本实施例中，风叶单元的数目设置为两组，两组风叶单元之间的夹角为180°，此结构的风轮材料少，重量轻，成本低。

本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。

实施例4

本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组与实施例2基本相同，风叶单元的数目设置为三组，相邻两个风叶单元之间的夹角相等，此结构稳定性高。需说明的是，风叶单元的数目可为其他数目，例如四组、五组或者更多组。

本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。

实施例5

本发明的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组与实施例2基本相同，本实施例中，风轮的数目为三层，每层风轮的风叶单元的数目为四组，当风轮静止时，所有风叶单元位于同一水平面。受风力均衡稳定。需说明的是，风轮的层数还可设置为四层、五层等而不限于两层及三层，而且风叶单元的数目也可为其他数目，例如五组、六组或者更多组。在俯视图中，相邻两个风叶单元的夹角相等。

本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：

包括有发电机、机架机构及至少两层风轮，所述至少两层风轮从下至上依次装设于所述机架机构，所述机架机构与所述发电机的垂直轴驱动连接；其中，

每层所述风轮均匀分布设置有多组风叶单元，所述风叶单元装设于所述机架机构；

每组所述风叶单元包括有支杆、铰接机构及风叶，所述支杆的一端设有铰接座，所述铰接座与所述机架机构通过第一销轴铰接，

所述铰接机构包括有第二销轴和扭力弹簧，所述第二销轴穿过所述支杆及所述风叶，所述扭力弹簧套设于所述第二销轴，且所述扭力弹簧的第一端与所述支杆连接，所述扭力弹簧的第二端与所述风叶连接；

所述风叶通过所述铰接机构铰接于所述支杆的另一端，每层所有所述风叶单元的所述支杆在旋转时均处于同一旋转平面；

所述机架机构与所述支杆之间设置有缓冲垫，当风轮静止时，所述缓冲垫夹处于所述支杆与所述机架机构之间。

2.根据权利要求1所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：

所述机架机构包括有旋转套管、轴承及至少一个固设于所述旋转套管的机架，所述旋转套管的上端部固设于所述发电机的垂直轴，所述旋转套管的下端通过所述轴承可旋转装设于固定柱。

3.根据权利要求2所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述机架的数目设置为两个，具体为上机架和下机架，所述上机架固设于所述旋转套管的上部，所述下机架固设于所述旋转套管的下端。

4.根据权利要求3所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：

所述上机架与所述支杆之间设置有缓冲垫；

所述下机架与所述支杆之间设置有缓冲垫；

其余每层所述风轮，对应所述支杆与所述旋转套管之间设置有缓冲垫，或者对应所述支杆与所述旋转套管设置的机架之间设置有缓冲垫。

5.根据权利要求1所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述铰接机构位于所述风叶的重心上方的部位。

6.根据权利要求5所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述第一销轴的轴线方向和所述第二销轴的轴线方向均与所述支杆的长度方向垂直。

7.根据权利要求6所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述风叶固定设置有铰接件，所述第二销轴穿过所述风叶的铰接件及所述支杆，所述扭力弹簧的第二端与所述风叶的铰接件相接。

8.根据权利要求7所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述铰接件为固定设置于所述风叶的凹槽状铰接件，且其两侧壁对称开设有供穿设所述第二销轴的通孔，所述通孔的轴线方向与所述风叶的长度方向垂直，所述第二销轴穿置于所述铰接件的通孔及所述支杆。

9.根据权利要求2至3任意一项所述的一种多层展翼摆叶式的垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述旋转套管上端部设置有锥形孔，对应所述发电机的垂直轴的连接段为锥形轴段，所述旋转套管套设于所述发电机的垂直轴，并通过螺母旋压紧固于所述发电机的垂直轴。