CN103742371B - 一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，包括发电机、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。本发明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。风叶与支杆利用第一销轴及压缩弹簧、钢丝绳，使风叶在额定风速范围内保持上段叶片及下段叶片处于垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，风轮快速转动，随着风轮转速提高，上段叶片与下段叶片通过钢丝绳压缩弹簧，与支杆形成夹角，整个风叶的旋转外形变为V型，从而改变风轮组的迎风面积，达到调整整机的功率输出的目的，具有运转平稳、结构简单、适合风速范围广、风能利用率高及发电机使用寿命长等优点。

Description

一种多层展翼双摆叶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，特别是涉及一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组。

背景技术

现有技术中，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，垂直轴升力型风机在正常运转时风能利用率可高达42﹪；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。

垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需保持风机朝向迎风方向，这是相对于水平轴风力发电机是一大优势，不仅使风机结构设计简化，而且也减少了风轮迎风时产生的陀螺力。但是现有技术中的垂直轴风力发电机普遍存在着以下缺陷：起动扭矩小、结构复杂；而且在强风时风轮迎风面积及受力大，而使发电机输出功率大，容易导致电机超出额定功率而损坏。

中国实用新型专利（公告号：CN201155425Y）公开了一种“垂直轴柔性风轮”，该垂直轴柔性风轮的包括有一个立杆，立杆一端的轮毂通过连杆与不同的叶片连接，轮毂连接发电机将机械能转化为电能输出，立杆和每个叶片竖直设置，每个连杆水平设置，其一端和立杆相连接,另一端和叶片相连接，连杆与立杆以及连杆与叶片之间均分别呈90度直角，每一个叶片与连杆的连接处和立杆顶端之间分别系有一条柔性悬索，每个连杆与立杆的连接处，以及和叶片的连接处采用铰接方式。该垂直轴柔性风轮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轴柔性风轮难于保证垂直轴发电机的整体稳定性，振动大，而且抗强风能力有待进一步提高，适用风速范围窄的问题也有待于进一步解决。

因此，针对现有技术中的存在问题，亟需提供一种抗强风能力好、适用风速范围广及稳定性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运转平稳、结构简单、适合风速范围广、风能利用率高及发电机使用寿命长的多层展翼双摆叶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：

提供一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，包括发电机、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；

每组风叶单元包括风叶、铰接机构及支杆，风叶由上段叶片及下段叶片组成，上段叶片及下段叶片相接的一端均设置有铰接件，上段叶片位于铰接件的上方设置有上挂耳，下段叶片位于铰接件的下方设置有下挂耳；

支杆的一端设有铰接头；

铰接机构包括有横向设置于支杆内的压缩弹簧、钢丝绳、导向机构及第一销轴；

导向机构设置于支杆的内部且位于压缩弹簧与铰接头之间；

钢丝绳包括设置有第一钢绳及第二钢绳，第一钢绳的一端与第二钢绳的一端均穿设于导向机构并与压缩弹簧远离风叶的一端连接，第一钢绳的另一端与上挂耳连接，第二钢绳的另一端与下挂耳连接；

第一销轴同时穿过上段叶片的铰接件、下段叶片的铰接件及支杆的铰接头铰接；

支杆的另一端设有铰接座，支杆的铰接座与机架机构通过第二销轴铰接。

优选的，导向机构由上压辊及下压辊组成，第一钢绳及第二钢绳穿设于上压辊与下压辊之间。

更优选的，上压辊及下压辊分别固定设置于支杆内。

另一更优选的，上压辊及下压辊分别可绕自身中轴线转动地设置于支杆内。

优选的，机架机构设置有缓冲垫，当风轮静止时，缓冲垫处于机架机构与支杆之间。

优选的，机架机构包括有装设于发电机的垂直轴的旋转套管、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，旋转套管的下端部通过一组轴承可旋转装设于固定柱，机架固设于旋转套管。

更优选的，机架机构设置有两个机架，具体为上机架和下机架，上机架固设于旋转套管的上端部，下机架固设于旋转套管的下端部。

优选的，风叶单元设置为两组对称的风叶单元，或者风叶单元设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。

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。

优选的，风轮的层数为两层，两层风轮相错设置，其中一层风轮的一组风叶单元垂直投影位于另一层风轮的两组风叶单元垂直投影夹角的平分线上。

本发明的有益效果：

一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，包括发电机、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，当风轮静止时，在垂直投影方向视图，多组风叶单元呈圆周均匀分布。本发明的多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组设有至少两层风轮，至少两层风轮的风叶单元在垂直投影中呈圆周均匀分布，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。

同时，每组风叶单元包括风叶、铰接机构及支杆，风叶由上段叶片及下段叶片组成，上段叶片及下段叶片相接的一端均设置有铰接件，上段叶片位于铰接件的上方设置有上挂耳，下段叶片位于铰接件的下方设置有下挂耳；支杆的一端设有铰接头；铰接机构包括有横向设置于支杆内的压缩弹簧、钢丝绳、导向机构及第一销轴，导向机构设置于支杆的内部且位于压缩弹簧与铰接头之间，钢丝绳包括设置有第一钢绳及第二钢绳，第一钢绳的一端和第二钢绳的一端均穿设于导向机构并与压缩弹簧远离风叶的一端连接，第一钢绳的另一端与上挂耳连接，第二钢绳的另一端与下挂耳连接；第一销轴同时穿过上段叶片的铰接件、下段叶片的铰接件及支杆的铰接头铰接，支杆的另一端设有铰接座，铰接座所在平面与支杆的上表面呈垂直设置，支杆的铰接座与机架机构通过第二销轴铰接。本发明的风叶与支杆利用第一销轴及压缩弹簧、钢丝绳，使风叶在额定风速范围内保持上段叶片及下段叶片处于垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，风轮快速转动，随着风轮转速提高，风叶的离心力随之同步增大，上段叶片与下段叶片通过钢丝绳压缩弹簧，与支杆形成夹角，整个风叶的旋转外形变为V型，从而改变风轮组的迎风面积，达到调整整个机组的功率输出的目的。相对于其它结构的，相对于其它结构的，本发明在升力型风机基础上改进，优化组合结构，支杆与旋转支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，本发明的多层展翼双摆叶式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。同时，本发明的多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组通过风叶的两段叶片绕第一销轴转动来调整迎风面积，并利用压缩弹簧的弹力限定风叶旋转角度及辅助回落，结构紧凑、铰接效果好、抗强风性能高，整机的适应风速范围广，并防止强风导致输出功率过大影响发电机的使用寿命。因此，本发明具有运转平稳、结构简单、适合风速范围广、风能利用率高及发电机使用寿命长等优点。

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双摆叶垂直轴风力发电机组的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组的一个实施例的风叶变角状态示意图。

在图1和图2中包括有：

101——上段叶片

102——下段叶片

2——铰接件

3——铰接头

4——第二销轴

501——上挂耳

502——下挂耳

6——导向机构

7——钢丝绳

8——压缩弹簧

9——支杆

10——缓冲垫

11铰接座

12——第一销轴

13——上机架

14——螺母

15——固定柱

16——轴承

17——发电机

18——旋转套管

19——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双摆叶垂直轴风力发电机组，如图1和图2所示，包括发电机17、两层风轮及机架机构，两层风轮从下至上依次装设于机架机构，机架机构于与发电机17的垂直轴驱动连接，发电机17装设与固定柱15上，机架机构包括有装设于发电机17的垂直轴的旋转套管18、轴承16、上机架13及下机架19，旋转套管18的上端部固设于发电机17的垂直轴，旋转套管18的下端部通过一组轴承16可旋转装设于固定柱15，上机架13固设于旋转套管18的上端部，下机架19固设于旋转套管18的下端部。

每层风轮包括机架机构及两组对称的风叶单元，需说明的是，风叶单元也可设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。风叶单元包括风叶、铰接机构及支杆9，风叶由上段叶片101及下段叶片102组成。其中，上段叶片101及下段叶片102相接的一端均设置有铰接件2，上段叶片101位于铰接件2的上方设置有上挂耳501，下段叶片102位于铰接件2的下方设置有下挂耳502。同时，支杆9的一端设有铰接头3；铰接机构包括有横向设置于支杆9内的压缩弹簧8、钢丝绳7、导向机构6及第一销轴12，导向机构6设置于支杆9的内部且位于压缩弹簧8与铰接头3之间，钢丝绳7包括设置有第一钢绳及第二钢绳，第一钢绳的一端与第二钢绳的一端均穿置于导向机构6并与压缩弹簧8远离风叶的一端连接，第一钢绳的另一端与上挂耳501连接，第二钢绳的另一端与下挂耳502连接；第一销轴12同时穿过上段叶片101的铰接件2、下段叶片102的铰接件2及支杆9的铰接头3。支杆9的另一端设有铰接座11，支杆9的铰接座11与机架机构通过第二销轴4铰接，该第二销轴4的轴线与支杆9的轴线互相垂直，使得风叶单元可绕第二销轴4上下转动。本发明的风叶与支杆9利用第一销轴12及压缩弹簧8、钢丝绳7，使风叶在额定风速范围内保持上段叶片101及下段叶片102处于垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，风轮快速转动，随着风轮转速提高，风叶的离心力随之同步增大，上段叶片101与下段叶片102通过钢丝绳7压缩弹簧8，与支杆9形成夹角，整个风叶的旋转外形变为V型，从而改变风轮组的迎风面积，达到调整整个机组的功率输出的目的，相对于其它结构的，本发明结构紧凑、铰接效果好、抗强风性能高，整机的适应风速范围广，并防止强风导致输出功率过大影响发电机17的使用寿命。

在本实施例中，导向机构6由上压辊及下压辊组成，上压辊及下压辊分别固定设置于支杆9内，第一钢绳及第二钢绳穿设于上压辊与下压辊之间。本发明的导向机构6可以使第一钢绳和第二钢绳连接压缩弹簧8的一端的钢绳段与压缩弹簧8的轴线相平行，有利于钢绳对压缩弹簧8施加力量，并且使钢绳在支杆9内部顺利移动。

在本实施例中，本发明的多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组的两层风轮相错设置，其中一层风轮的一组风叶单元垂直投影位于另一层风轮的两组风叶单元垂直投影夹角的平分线上。使整机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17，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。

本发明的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组的工作过程及原理如下：

风叶受到风力推动，风轮转动，在一般范围内的风速下，上段叶片101及下段叶片102处于垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，风轮快速转动，随着风轮转速提高，风叶的离心力随之同步增大，上段叶片101与下段叶片102通过钢丝绳7压缩弹簧8并绕第一销轴12转动，与支杆9形成夹角，整个风叶的旋转外形变为V型，从而改变风轮组的迎风面积，达到调整整个机组的功率输出的目的。

本发明在升力型风机的基础上，优化组合结构，风叶与支杆9通过铰链机构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组，并具有如下优点：

（1）采用铰接式支杆9的连接方式，运行稳定可靠；风叶与支杆9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；

（2）抗强风能力好，无噪音且制造工艺简单；

（3）无尾舵回转系统，易于加工，制造的综合成本低；

（4）重量轻，便于安装，且降低运输成本；

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

并且，本发明的一种展翼稳定旋转的垂直轴风力发电机满足下列标准：

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95﹪。

实施例2

本发明的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例的，上压辊及下压辊分别可绕自身中轴线转动地设置于支杆9内。如此设置的导向机构6与钢绳之间为滑动摩擦，阻力较小。

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3

本发明的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组在实施例1的基础上，本实施例中，支杆9设有铰接座11，铰接座11所在平面与支杆9的上表面呈垂直设置，支杆9的铰接座11与机架机构通过第二销轴4可转动连接。在本实施例中，该铰接座11呈三角形设置，并且且铰接座11装配第二销轴4的一端设为圆角。需说明的是，本发明的铰接座11除了可为三角形，也可设置为其他形状，例如半圆形、矩形、多边形，只要能其开设有通过第一销轴12穿置的开孔并与所述支杆9固定连接即可。本发明的支杆9与机架机构通过铰接座11及第二销轴4铰接，利用陀螺效应改善垂直轴风力发电机的稳定性，本发明展翼稳定旋转的垂直轴风力发电机，当风轮高速旋转时，风叶单元绕着第二销轴4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17的使用寿命。

同时，机架机构设有缓冲垫10，当风轮静止时，缓冲垫10处于机架机构与支杆9之间。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9撞击发电机17的垂直轴，影响发电机17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9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17输出功率稳定。

为了紧固机架机构于发电机17的垂直轴上，旋转套管18上端部设置有锥形孔，对应发电机17的垂直轴的连接段为锥形轴段，旋转套管18套设于发电机17的垂直轴，并通过螺母14旋压紧固于发电机17的垂直轴。

本实施例的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组的工作过程及原理如下：

风叶受到风力推动，风轮转动，风叶单元在离心力作用下，风叶单元绕第二销轴4旋转上升，呈快速悬浮旋转状态，整个风轮发生陀螺效应利用转动时的离心力保持自身平衡，稳定旋转的风轮带动发电机17的垂直轴稳定转动，保证发电机17输出功率稳定。在一般范围内的风速下，上段叶片101及下段叶片102处于垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风时，风轮快速转动，随着风轮转速提高，风叶的离心力随之同步增大，上段叶片101与下段叶片102通过钢丝绳7压缩弹簧8并绕第一销轴12转动，与支杆9形成夹角，整个风叶的旋转外形变为V型，从而改变风轮组的迎风面积，调整发电机17的输出功率。

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双摆叶垂直轴风力发电机组与实施例3基本相同，本实施例的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或者实施例3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双摆叶垂直轴风力发电机组与实施例3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。

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 (10)

1.一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：包括发电机、至少两层风轮及机架机构，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风叶、铰接机构及支杆；所述风叶由上段叶片及下段叶片组成，所述上段叶片及所述下段叶片相接的一端均设置有铰接件，所述上段叶片位于所述铰接件的上方设置有上挂耳，所述下段叶片位于所述铰接件的下方设置有下挂耳；

所述支杆的一端设有铰接头；

所述铰接机构包括有横向设置于所述支杆内的压缩弹簧、钢丝绳、导向机构及第一销轴；

所述导向机构设置于所述支杆的内部且位于所述压缩弹簧与所述铰接头之间；

所述钢丝绳包括设置有第一钢绳及第二钢绳，所述第一钢绳的一端和所述第二钢绳的一端均穿设于所述导向机构并与所述压缩弹簧远离所述风叶的一端连接，所述第一钢绳的另一端与所述上挂耳连接，所述第二钢绳的另一端与所述下挂耳连接；

所述第一销轴同时穿过所述上段叶片的铰接件、所述下段叶片的铰接件及所述支杆的铰接头铰接；

所述支杆的另一端设有铰接座，所述支杆的铰接座与所述机架机构通过第二销轴铰接。

2.根据权利要求1所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述导向机构由上压辊及下压辊组成，所述第一钢绳及所述第二钢绳穿设于所述上压辊与所述下压辊之间。

3.根据权利要求2所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述上压辊及所述下压辊分别固定设置于所述支杆内。

4.根据权利要求2所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述上压辊及所述下压辊分别可绕自身轴线转动地设置于所述支杆内。

5.根据权利要求1所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述机架机构设置有缓冲垫，当风轮静止时，所述缓冲垫处于所述机架机构与所述支杆之间。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述机架机构包括有装设于发电机的垂直轴的旋转套管、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部通过一组轴承可旋转装设于固定柱，所述机架固设于所述旋转套管。

7.根据权利要求6所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述机架机构设置有两个机架，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端部，所述下机架固设于所述旋转套管的下端部。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述风叶单元设置为两组对称的风叶单元，或者所述风叶单元设置为三组或者三组以上均匀分布的风叶单元。

9.根据权利要求6所述的一种多层展翼双摆叶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。

10.根据权利要求1至5任意一项所述一种多层展翼双摆叶垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述风轮的层数为两层，两层所述风轮相错设置，其中一层风轮的一组风叶单元垂直投影位于另一层风轮的两组风叶单元垂直投影夹角的平分线上。