CN103953506A - 垂直轴风力发电机机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电机机组，包括垂直定轴、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。本发明的主风叶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，其连接段从所述轴套上脱落造成风机损坏的情况发生。

Description

垂直轴风力发电机机组

技术领域

本发明涉及一种风力发电机机组，尤其涉及一种升、阻力结合型的垂直轴风力发电机机组。

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。

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机组，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机组，包括垂直定轴、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，其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。

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：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它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。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主风叶的结构示意图；

图3是本发明的主风叶的横截面示意图；

图4是本发明的主风叶的连接段的纵截面示意图；

图5是本发明的主风叶的连接段的横截面示意图；

图6是本发明的发电机的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-6，本发明提供了一种垂直轴风力发电机机组，包括垂直定轴1和若干个主风叶2，通常，所述主风叶的数量为三个，所述主风叶呈条状，弯成圆弧形，其上、下端的用于连接的连接段3与水平面平行。所述主风叶的连接段水平设计，使得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4，另一端为尖端5。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它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6，另一端为尖端7，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力发电机机组的重量，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8，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9，二者间通过相配合的轴承10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，有利于风力发电机机组工作过程中，集中在所述轴套和/或垂直定轴上的应力分散，从而对风力发电机机组起到保护作用，防止风力发电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%。

所述垂直轴风力发电机机组还可以包括发电机11，所述发电机可以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，包括上、下电机盖12、13和位于二者之间的定子绕组14，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，所述主风叶的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。

优选地，所述轴套的中部设有辅助风叶15，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 (10)

1.一种垂直轴风力发电机机组，包括垂直定轴、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，其特征在于所述垂直定轴的上部设有轴套，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机组，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。

3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机机组，其特征在于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。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机机组，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。

5.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机机组，其特征在于所述主风叶呈中空状。

6.根据权利要求5所述的垂直轴风力发电机机组，其特征在于所述主风叶的内部空腔的内壁之间设有加强筋。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的垂直轴风力发电机机组，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。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电机机组，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。

9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机机组，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。

10.根据权利要求9所述的垂直轴风力发电机机组，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。