CN103912442B - 垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，包括风机机组和支撑轴，风机机组包括垂直定轴，垂直定轴的底端设有第一法兰，支撑轴的顶端设有第二法兰，两个法兰通过螺栓和螺母连接，穿过第一法兰螺栓孔的所述螺栓上套有螺栓套，所述螺栓套的上部套有上垫圈，所述上垫圈呈环形的倒台阶状，下部延伸至所述第一法兰的螺孔内，上部位于相应螺栓的头部和第一法兰上表面之间，所述螺栓套的下部套有下垫圈，所述下垫圈位于所述第一法兰和第二法兰之间。本发明的上述连接结构，实现了两个法兰之间的软连接，在风机机组的工作过程中，可以在连接处有效地起到减震作用，避免连接处的松动或损坏，延长了风力发电机的使用寿命。

Description

垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，尤其涉及一种升、阻力型叶片集成于一体的垂直轴风力发电机。

背景技术

目前的风力发电机主要分为两种，一种为水平轴风力发电机，另一种为垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机需要设置偏航系统，工作过程中应力无法分散，抗风能力差，且轴承使用数量较多，致使结构复杂，造价高且易出现故障，另外，水平轴风力发电机在风速较小时难以启动，大多数时间处于静止状态，风能利用率很低。垂直轴风力发电机分为阻力型和升力型两种，阻力型风机的优点是启动转矩较大，启动性能良好，但是它的转速较低，风能的利用率甚至还低于水平轴风力发电机；升力型风机转速较高，旋转惯性大，结构相对简单，成本较低，但此结构在垂直轴风力发电机开始运行时启动比较困难，尤其是在风速较小的情况下运转性能差。

另外，现有的垂直轴风力发电机多采用垂直定轴与支撑轴直接连接（如通过法兰连接），在风机机组的工作过程中，连接处会产生震动或震动趋势，长期使用易松动或损坏，降低风力发电机的使用寿命。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种垂直轴风力发电机，其将升力型叶片和阻力型叶片集成于一体，具有较高的风能利用率。

本发明采用的技术方案为：一种垂直轴风力发电机，包括风机机组和支撑轴，所述风机机组包括垂直定轴，所述垂直定轴的底端固定设有第一法兰，所述支撑轴的顶端固定设有第二法兰，所述第一法兰和第二法兰上设有若干组相对应的螺栓孔，并设有用于紧固连接的螺栓和螺母，其特征在于穿过第一法兰螺栓孔的所述螺栓上套有螺栓套，所述螺栓套的上部套有上垫圈，所述上垫圈呈环形的倒台阶状，下部延伸至所述第一法兰的螺孔内，上部位于相应螺栓的头部和第一法兰上表面之间，所述螺栓套的下部套有下垫圈，所述下垫圈位于所述第一法兰和第二法兰之间。

所述风机机组还可以包括若干个主风叶和发电机，所述发电机为外转子发电机，所述垂直定轴的下部作为所述发电机的定子轴，所述垂直定轴的上部设有轴套，所述主风叶优选弯成圆弧形，其上、下端的用于连接的连接段与水平面平行，所述主风叶的上连接段与所述轴套的顶端固定连接，下连接段和轴套的底端与所述发电机的转子连接。

所述主风叶的主体部分的横截面优选呈流线型的对称翼型，其中一端为圆端，另一端为尖端，进一步地，若干个所述主风叶的尖部沿顺时针或逆时针朝向同一旋转圆周的切线方向。

所述主风叶的连接段的厚度优选小于所述主风叶的主体部分的厚度，进一步地，所述主风叶的连接段的上下表面平行，其横截面的一端为圆端，另一端为尖端。

所述主风叶可以呈中空状，所述主风叶的内部空腔的内壁之间可以设有加强筋。

优选地，所述垂直定轴与轴套之间通过相配合的轴承和轴承座转动连接，所述轴承座安装在所述轴套的内部，其与所述轴套的内壁之间设有橡胶圈，所述轴承固定安装在所述垂直定轴的顶端，所述垂直定轴的顶端与所述轴套的顶端之间留有间距。

所述垂直定轴的顶端与所述轴套的顶端之间的间距优选小于所述轴套的长度的一半。

所述发电机可以包括上、下电机盖和位于二者之间的定子绕组，所述上、下电机盖的内侧均设有永磁体，所述主风叶的下连接段与所述下电机盖固定连接，所述轴套的底端与所述上电机盖固定连接。

所述发电机与所述第一法兰之间可以留有间距，二者间的垂直定轴优选呈截顶圆锥体状，优选地，截顶圆锥体的底面直径与支撑轴的外径大小相对应，截顶圆锥体的顶面直径与其上方的垂直定轴的外径大小相对应。

优选地，所述轴套的中部设有辅助风叶，所述辅助风叶可以包括上下两层萨渥纽斯阻力型叶片，上下两层所述萨渥纽斯阻力型叶片固定连接且沿旋转圆周方向呈90°交叉设置。

本发明的有益效果：所述螺栓套、上垫圈和下垫圈的设置，使得第一法兰与第二法兰以及螺栓与第一法兰之间不形成直接连接，实现了第一法兰与第二法兰之间的软连接（即垂直定轴与支撑轴之间的软连接），在风机机组的工作过程中，可以在连接处有效地起到减震作用，避免连接处的松动或损坏，延长风力发电机的使用寿命，另外，采用此连接结构也便于安装和维修。

主风叶弯成圆弧形且其上、下端的连接段与水平面平行，使主风叶在旋转的过程中，其连接段处不会产生向上的升力，有效地避免了当主风叶旋转速度过大时，其连接段从与其连接的连接件（这里指轴套）上脱落造成风机损坏的情况发生。

所述主风叶的独特形状设计以及各主风叶的尖部朝向同一旋转圆周的切线方向，一方面可以保证在风力的作用下，各主风叶无论处在旋转圆周的什么位置，它们各自受到的升力作用均驱使他们朝向同一旋转圆周方向旋转，不会出现两个主风叶的旋转趋势方向相反的情况发生，另一方面可以使主风叶只承受张力，不受离心力载荷，避免离心力引起叶片变形的情况发生。

主风叶的连接段的厚度小于主体部分的厚度，且连接段的上下表面平行，使得当有风吹过时，连接段的上下方气流速度相同，上下方气体压强相同，进一步地保证了主风叶在旋转过程中，其连接段不会受到向上的升力作用，另外，连接段的各处厚度均匀也便于装配连接。

主风叶呈中空状，一方面可以减轻风机机组的重量，便于启动，另一方面在强风作用下，主风叶的旋转速度较大时，主风叶可以产生微小形变，有助于分散应力，避免主风叶折断或损坏。加强筋的设置有助于提高主风叶的抗外力强度。

垂直定轴的顶端与轴套的顶端之间的间距小于轴套的一半，结合轴承座与轴套的内壁之间设有橡胶圈的技术特征，在保证了垂直定轴对于轴套和主风叶的支撑作用的前提下，使得在主风叶的旋转过程中，允许轴套的上端产生适度的摆动，有利于风机机组工作过程中，集中在轴套和/或垂直定轴上的应力分散，从而对风机机组起到保护作用，防止风机机组由于长时间工作造成轴套和/或垂直定轴弯曲或折断，解决了现有技术下与垂直定轴、轴承等之间刚性连接易带来损坏的问题。

发电机采用稀土永磁外转子发电机，具有机体轻、效率高、启动转矩小和运行平稳可靠等特点。发电机与第一法兰之间的垂直定轴呈截顶圆锥体状，使得支撑轴对于风机机组的支撑更加稳定可靠。

萨渥纽斯阻力型叶片的设置，有效地将升力型叶片（主风叶）和阻力型叶片（辅助风叶）集成于一体，当风速较小不足以驱动升力型叶片旋转时，阻力型叶片会在微风的驱动下先转动，从而带动升力型叶片旋转，当风速过大，升力型叶片转速过快时，阻力型叶片还会形成一定的阻力，起到限速保护的作用，升力型叶片和阻力型叶片的有机结合大大提高了垂直轴风力发电机的有效风速利用范围和抗大风能力。另外，无论风向和风速怎样变化均能驱动阻力型叶片和升力型叶片旋转，保证了风力发电机的正常发电。

附图说明

图1是本发明的垂直定轴与支撑轴的连接处的结构示意图；

图2是本发明的风机机组的结构示意图；

图3是本发明的主风叶的结构示意图；

图4是本发明的主风叶的横截面示意图；

图5是本发明的主风叶的连接段的纵截面示意图；

图6是本发明的主风叶的连接段的横截面示意图；

图7是本发明的发电机的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-7，本发明提供了一种垂直轴风力发电机，包括风机机组和支撑轴1，所述风机机组包括垂直定轴2，所述垂直定轴的底端固定设有第一法兰3，所述支撑轴的顶端固定设有第二法兰4，所述第一法兰和第二法兰上设有若干组相对应的螺栓孔，并设有用于紧固连接的螺栓5和螺母6，通常若干组相对应的所述螺栓孔沿同一圆周均匀分布在所述第一法兰和第二法兰上，所述第一法兰和第二法兰的连接结构还包括螺栓套7、上垫圈9和下垫圈8，通常所述第一法兰上的螺栓孔的孔径大于所述第二法兰上的螺栓孔的孔径，所述第二法兰上的螺栓孔的孔径与所述螺栓的螺杆的外径相配合，穿过所述第一法兰上的螺栓孔的所述螺栓上套有螺栓套7，所述螺栓套的外径小于所述第一法兰上的螺栓孔的孔径，内径与所述螺杆的外径相配合，便于所述螺杆穿过，所述第一法兰和第二法兰之间留有间隙，所述螺栓套的顶端和底端分别延伸出所述第一法兰的上表面和下表面，通常所述螺栓套的底端与所述第二法兰的上表面相接触，所述螺栓套的下部（所述第一法兰与第二法兰之间的螺栓套）套有下垫圈8，所述下垫圈的高度与所述间隙的大小相配合，以使所述下垫圈可以夹装在所述第一法兰与第二法兰之间，保持二者之间的间隙，使二者不直接接触，所述下垫圈可以采用两种设置形式，一种形式为每一个螺栓套的外侧同轴套有一个下垫圈，此时所述下垫圈的内径与所述螺栓套的外径相配合，所述下垫圈的外径大于所述第一法兰上的螺栓孔的孔径；另一种形式为所述下垫圈的数量为一个，呈环形盘状，与所述第一法兰和第二法兰同轴设置，且覆盖所述第一法兰和第二法兰上的螺栓孔，此时所述下垫圈上设有与所述第一法兰和第二法兰上的螺栓孔的数量和位置相对应的通孔，所述通孔的孔径与所述螺栓套的外径相配合。所述螺栓套的上部套有上垫圈9，所述上垫圈呈环形的倒台阶状，所述上垫圈的内径与所述螺栓套的外径相配合，其下部的外径与所述第一法兰上的螺栓孔的孔径相配合，上部的外径大于所述第一法兰上的螺栓孔的孔径，安装时，将所述上垫圈自上向下插入所述第一法兰上的螺栓孔与螺栓套之间，其上表面与所述螺栓套的上表面处于同一水平面，便于通过所述螺栓固定，优选地，所述上垫圈的下部的高度小于所述第一法兰的高度，以使装配后，所述上垫圈与下垫圈之间存在一定的缓冲空间，便于外力分散，所述螺栓套和上、下垫圈固定好后，将所述螺栓自上向下穿过所述螺栓套和第二法兰上的螺栓孔与所述螺母连接，所述螺栓的头部与所述上垫片和螺栓套之间以及所述螺母与所述第二法兰之间可以根据实际情况安装适宜的垫片。

所述螺栓套、上垫圈和下垫圈的设置，使得所述第一法兰与第二法兰以及所述螺栓与第一法兰之间不形成直接连接，实现了所述第一法兰与第二法兰之间的软连接（即垂直定轴与支撑轴之间的软连接），在风机机组的工作过程中，可以在连接处有效地起到减震作用，避免连接处的松动或损坏，延长风力发电机的使用寿命，通常情况下，此种连接方式相比于所述第一法兰与第二法兰直接连接，风力发电机的使用寿命提高5-10倍，另外，采用此连接结构也便于安装和维修。

所述风机机组还可以包括若干个主风叶10，通常，所述主风叶的数量为三个，所述主风叶呈条状，优选弯成圆弧形，其上、下端的用于连接的连接段11与水平面平行。所述主风叶的连接段水平设计，使得所述主风叶在旋转过程中，其连接段处不会产生向上的升力，可以有效避免当所述主风叶旋转速度过大时，其连接段从与其连接的连接件（这里指轴套）上脱落造成风力发电机损坏的情况发生。

所述主风叶的主体部分的横截面优选呈流线型的对称翼型，材质优选为铝合金，表面氧化，其中一端为圆端12，另一端为尖端13，进一步地，若干个所述主风叶的尖部（横截面的尖端位于的一侧）沿顺时针或逆时针朝向同一旋转圆周的切线方向。一方面可以保证在风力的作用下，各所述主风叶无论处在旋转圆周的什么位置，它们各自受到的升力作用均驱使他们朝向同一旋转圆周方向旋转，不会出现两个所述主风叶的旋转趋势方向相反的情况发生，另一方面还可以使所述主风叶只承受张力，不受离心力载荷，避免离心力引起叶片变形的情况发生。

所述主风叶的连接段的厚度优选小于所述主风叶的主体部分的厚度，进一步地，所述主风叶的连接段的上下表面平行，其横截面的一端为圆端14，另一端为尖端15，所述连接段的圆端与所述主风叶的主体部分的圆端位于所述主风叶的同一侧，所述主风叶的主体部分与连接段之间的过渡部分的表面呈圆滑的曲面状。这种设计使得当有风吹过时，所述连接段的上下方气流速度相同，上下方气体压强相同，进一步地保证了所述主风叶在旋转过程中，其连接段不会受到向上的升力作用，另外所述连接段的各处厚度均匀也便于装配连接。

所述主风叶可以呈中空状，一方面有助于减轻风机机组的重量，便于启动和提高转速，另一方面在强风作用下，所述主风叶的旋转速度过大时，所述主风叶可以产生微小形变，有利于分散应力，避免所述主风叶折断或损坏。所述主风叶的内部空腔的内壁之间可以设有加强筋16，有助于提高所述主风叶的抗外力强度。

优选地，所述垂直定轴的上部设有轴套17，二者间通过相配合的轴承18和轴承座转动连接，所述轴承可以固定在所述垂直定轴的顶端，所述轴承座安装在所述轴套内，所述轴承座与所述轴套的内壁之间优选安装适宜的橡胶圈，所述垂直定轴的顶端（指轴承的顶端）与所述轴套的顶端之间留有间距，进一步地，所述垂直定轴的顶端与所述轴套的顶端之间的间距优选小于所述轴套的长度的一半，上述两个技术方案的结合，在保证了所述垂直定轴对于所述轴套和主风叶的支撑作用的前提下，使得在所述主风叶的旋转过程中，允许所述轴套的上端产生适度的摆动，有利于风机机组工作过程中，集中在所述轴套和/或垂直定轴上的应力分散，从而对风机机组起到保护作用，防止风机机组由于长时间工作造成所述轴套和/或垂直定轴弯曲或折断。优选所述垂直定轴伸入所述轴套的长度为所述轴套的长度的70%。

所述风机机组还可以包括发电机19，所述发电机可以为稀土永磁外转子发电机，具有机体轻、效率高、启动转矩小和运行平稳可靠等特点，包括上、下电机盖20、21和位于二者之间的定子绕组22，所述上、下电机盖的内侧均设有永磁体，所述上电机盖上的永磁体与所述下电机盖上的永磁体的极性相反设置，所述垂直定轴的下部作为所述发电机的定子轴，所述主风叶的上连接段与所述轴套的顶端固定连接，可以在所述轴套的顶端固定安装有上盖，所述上盖设有与所述主风叶的数量对应的径向延伸出的主风叶连接部，各所述主风叶的上连接段与所述上盖上的相对应的连接部固定连接，优选所述连接段与上盖上的相对应的连接部设有相对应的螺孔，二者通过相配合的螺栓和螺母固定连接，连接处可以设有形状适宜的垫片，下连接段与所述下电机盖固定连接，二者间可以直接通过相配合的螺栓和螺母连接，也可以通过适宜的连接件连接，所述轴套的底端与所述上电机盖固定连接，可以在所述轴套的底端固定设置法兰，通过所述法兰与所述上电机盖连接。通常在所述垂直定轴与定子绕组的相应连接处固定设有法兰，所述定子绕组通过与法兰连接进而与所述垂直定轴连接，如果实际情况需要，还可以在所述上、下电机盖与所述垂直定轴或垂直定轴上的固定连接件（如法兰）之间安装适宜的轴承。本发明的所述垂直定轴、轴套、主风叶和发电机之间采用此种连接结构，使得风力驱使所述主风叶旋转时，所述垂直定轴不动，所述发电机的定子绕组不动，所述主风叶带动所述轴套和所述下电机盖与所述主风叶同速转动，所述轴套带动所述上电机盖与所述主风叶同速转动，在所述上、下电机盖的转动过程中，所述定子绕组切割所述上、下电机盖上的永磁体的磁力线进行发电，所述定子绕组可以通过电线或电缆连接相应负载。

所述发电机与所述第一法兰之间可以留有间距，二者间的垂直定轴优选呈截顶圆锥体状，优选地，截顶圆锥体的底面直径与支撑轴的外径大小相对应，截顶圆锥体的顶面直径与其上方的垂直定轴的外径大小相对应，以使所述支承轴对于风机机组的支撑更加稳定可靠。

优选地，所述轴套的中部设有辅助风叶23，所述辅助风叶可以通过适宜的连接件（如法兰）固定连接在所述轴套上，所述辅助风叶可以包括上下两层萨渥纽斯阻力型叶片（萨渥纽斯阻力型叶片包括两个横截面为半圆形的开口叶片，两个叶片组成横截面近似“S”形的叶片组，两个叶片的旋转中心设有一部分重叠区域），上下两层所述萨渥纽斯阻力型叶片固定连接（可以直接连接，也可以通过适宜的连接件连接，如连接盘）且沿旋转圆周方向呈90°交叉设置（各半圆形叶片的凸起方向朝向同一旋转圆周方向），所述萨渥纽斯阻力型叶片也可以为多层，当采用多层时，任意相邻两层之间沿同一旋转圆周方向的夹角相同。此外，所述辅助风叶的安装（主要指半圆形叶片凸起部分的朝向）需保证在风力驱动下所述辅助风叶与主风叶的旋转方向相同。

萨渥纽斯阻力型叶片的设置，有效地将升力型叶片（主风叶）和阻力型叶片（辅助风叶）集成于一体，当风速较小不足以驱动升力型叶片旋转时，阻力型叶片会在微风的驱动下先转动，从而带动升力型叶片旋转，当风速过大，升力型叶片转速过快时，阻力型叶片还会形成一定的阻力，起到限速保护的作用，升力型叶片和阻力型叶片的有机结合大大提高了垂直轴风力发电机的有效风速利用范围和抗大风能力。另外，无论风向和风速怎样变化均能驱动阻力型叶片和升力型叶片旋转，保证了风力发电机的正常发电。

Claims (9)

1.一种垂直轴风力发电机，包括风机机组和支撑轴，所述风机机组包括垂直定轴，所述垂直定轴的底端固定设有第一法兰，所述支撑轴的顶端固定设有第二法兰，所述第一法兰和第二法兰上设有若干组相对应的螺栓孔，并设有用于紧固连接的螺栓和螺母，其特征在于穿过第一法兰螺栓孔的所述螺栓上套有螺栓套，所述螺栓套的顶端延伸出所述第一法兰的上表面，底端与所述第二法兰的上表面相接触，所述螺栓套的上部套有上垫圈，所述上垫圈呈环形的倒台阶状，下部延伸至所述第一法兰的螺孔内，上部位于相应螺栓的头部和第一法兰上表面之间，其上表面与所述螺栓套的上表面处于同一水平面，所述螺栓套的下部套有下垫圈，所述下垫圈位于所述第一法兰和第二法兰之间，所述上垫圈与下垫圈之间存在一定的缓冲空间，所述风机机组还包括若干个主风叶和发电机，所述发电机为外转子发电机，所述垂直定轴的下部作为所述发电机的定子轴，所述垂直定轴的上部设有轴套，二者间通过相配合的轴承和轴承座转动连接，所述主风叶弯成圆弧形，其上、下端的用于连接的连接段与水平面平行，所述主风叶的主体部分与连接段之间的过渡部分的表面呈圆滑的曲面状，所述主风叶的上连接段与所述轴套的顶端固定连接，下连接段和轴套的底端与所述发电机的转子连接。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述主风叶的主体部分的横截面呈流线型的对称翼型，其中一端为圆端，另一端为尖端，若干个所述主风叶的尖部沿顺时针或逆时针朝向同一旋转圆周的切线方向。

3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述主风叶的连接段的厚度小于所述主风叶的主体部分的厚度，所述主风叶的连接段的上下表面平行，其横截面的一端为圆端，另一端为尖端。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述主风叶呈中空状，所述主风叶的内部空腔的内壁之间设有加强筋。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述垂直定轴与轴套之间通过相配合的轴承和轴承座转动连接，所述轴承座安装在所述轴套的内部，其与所述轴套的内壁之间设有橡胶圈，所述轴承固定安装在所述垂直定轴的顶端，所述垂直定轴的顶端与所述轴套的顶端之间留有间距。

6.根据权利要求5所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述垂直定轴的顶端与所述轴套的顶端之间的间距小于所述轴套的长度的一半。

7.根据权利要求6所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述发电机包括上、下电机盖和位于二者之间的定子绕组，所述上、下电机盖的内侧均设有永磁体，所述主风叶的下连接段与所述下电机盖固定连接，所述轴套的底端与所述上电机盖固定连接。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述发电机与所述第一法兰之间留有间距，二者间的垂直定轴呈截顶圆锥体状。

9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其特征在于所述轴套的中部设有辅助风叶，所述辅助风叶包括上下两层萨渥纽斯阻力型叶片，上下两层所述萨渥纽斯阻力型叶片固定连接且沿旋转圆周方向呈90°交叉设置。