CN106438204B - 集风增压式磁浮立式风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，包括：主体框架，发电机，控制系统，顶推磁浮轴承；安装于顶推磁浮轴承上的多段组合机轴；安装于组合机轴上的组合式风叶；自动转向集风保护系统，该系统包括：安装在主体框架上的集风系统框架，迎风安装的左右集风板，聚风增压板，集风方向舵板以及集风系统转向驱动装置；集风方向舵板与集风转向驱动装置推动集风旋转框架跟随风向旋转，驱动左右集风板始终迎着正面风向，获取最大的集风量与最大的风力连续驱动力矩。本发明集风系统始终迎着风向转动，无死角，使集风量最大化，增大了风力发电机的发电容量与风力资源利用效率。

Description

集风增压式磁浮立式风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种立式风力发电系统，具体涉及一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，属于风力发电技术领域。

背景技术

随着世界能源危机的发生，利用风力动能发电作为新能源已经成为现代社会发展的热点。传统的三浆叶风力发电机的发电机组与增速器均安装在塔筒顶端的高空，沉重的风叶斜挂在侧面，并需要重大的配重体。考虑到风叶、增速器，发电机组、配重体再加上沉重的机仓具有上百吨的重量，利用塔筒支持在高空，当暴风吹动产生巨大的吹毁翻倒力矩，易被暴风吹毁损坏。例如：专利号为2007201332264、专利公开号CN201144765、名称为聚风式风力发电机提供了一种聚风式风力发电机，该技术利用活动集风风罩，此种方式仅能用于很小容量发电机，对于多个活动集风风罩的结构与方向舵驱动能力所限；专利号为2004300671465、专利公开号CN3441345、名称为风力发电机扇叶，此专利的发电机组，存在风力利用率低，在启动与旋转运动中存在启动死角与换向死角大的问题。

目前传统风力发电系统，包括螺旋桨式风力发电机与各类风力发电机，均缺少集风保护系统。

公开号为CN 103511186A、申请号为201310413463.6的中国发明专利，该专利公开一种装有对偶风叶及多层钢筋混凝土框架的立式风力发电系统，但是其移动集风系统不能转动，当风向转向，移动集风系统不能完全正向迎风，影响集风效率。

公开号为CN102128138A、申请号为201010566259.4的中国发明专利，该专利公开一种多层组合叠加立式风力发电系统，但是多层叠加组合式立式风动力系统由多层叠加组合式框架支撑，多层框架之间组合部增加了连接组合件，每层之间易产生一定的泄风空间与泄风量。

公开号为102562443A、申请号为201210067216.0的中国发明专利申请，该申请公开了一种立式风电铝合金风叶系统，但是该专利中对偶组合式铝合金风叶制造工艺较为复杂。

现有三桨叶风力发电系统中存在风叶受风面积小，风力利用率低，存在前翼面风阻大，风力利用率低，并网冲击大，在高风速区和低风速区工作能力差、工作风区范围小，在大风环境下不能工作，其稳定性差，暴风时易吹倒折断损坏，严重影响发电效率与电网安全等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，以解决现有风力发电系统中风叶受风面积小，风力利用率低，前翼面风阻大，换向死角大，风力利用率低，工作风区范围小，大风环境下不能工作，翻倒力矩小，易被暴风吹毁，稳定性与安全性差，发电效率低与对电网冲击大等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，所述系统包括：

用于支撑和安置各部件的主体框架；

发电机；

用于整个系统发电和并网控制系统；

固定安装的顶推磁浮轴承；

安装于顶推磁浮轴承上的多段组合机轴；

安装于组合机轴上的组合式风叶；

设置在主体框架上的自动转向集风保护系统；

所述自动转向集风保护系统包括：安装在主体框架上的集风系统框架，迎风安装的左集风板和右集风板，聚风增压板，集风方向舵板以及集风系统转向驱动装置；所述集风系统框架与所述主体框架之间活动连接，集风方向舵板与集风转向驱动装置推动集风旋转框架跟随风向旋转，驱动左集风板和右集风板始终迎着正面风向，获取最大的集风量与最大的风力连续驱动力矩。

现有的集风系统不能改变集风方向，存在一定的集风死角；二是没有聚风装置，集风吹的风叶上，风叶旋转一定的角度后风会泄掉，不能保持其风力矩的连续性。本发明所述的自动转向集风保护系统，使风吹入集风系统后在聚风系统内继续保持风压力的状态下，在后续风力连续吹入，使其在聚风系统内继续增加风压力，使风叶在集风与聚风系统中继续增加风压力，获取推动力矩与增加旋转转矩，保持旋转力矩的连续性与稳定性。集风系统框架在集风转向舵与驱动电动机的驱动下，自动跟随风向旋转，使集风系统始终迎着正面风向，获取最大的集风量与最大的风力连续驱动力矩，使风力发电系统获取最大的风力利用率和最大的发电效率。

所述主体框架包括：四个固定立柱、辅助承重柱、支撑梁、上横梁、下横梁、上内双支梁、上内单支梁、上机轴轴承支座、顶推磁浮轴承基座以及发电机座；其中：辅助承重柱为了增强旋转轨道的支撑与加固，上横梁与下横梁为立柱整体的连接与加固；上机轴轴承支座固定在上内双支梁与上内单支梁上；

进一步的，所述系统还包括用于固定主体框架、顶推磁浮轴承和发电机的地基平台；所述地基平台包括：地桩与地基横梁；四个固定立柱的基座、打入地下的地桩、顶推磁浮轴承基座、发电机座与地基横梁固定浇筑为一体，四个固定立柱、四个辅助承重柱全部固定在地桩上。

优选地，所述顶推磁浮轴承，包括：磁浮轴承外壳、固定磁极、动磁极、磁浮轴承中轴、推力轴承、推力轴承座和横向轴承；其中：固定磁极固定在磁浮轴承外壳的内侧，动磁极固定在磁浮轴承的中轴上，所述动磁极为永磁式动磁极，固定磁极通入电流后，在固定磁极与动磁极产生电磁力与磁浮推力，推动动磁极与磁浮轴承中轴向上升浮动，磁浮轴承中轴推动机轴与组合式风叶上浮悬空，使旋转摩擦力减少到最小或为零。

优选地，所述组合机轴包括：上轴头、风叶固定盘、下轴头、中轴段、机轴稳固件、下轴段、刹车与传动齿轮和上轴承；其中：上轴承安装在主体框架上，上轴头插入上轴承，下轴头插入磁浮轴承中轴中，由顶推磁浮轴承的顶推磁浮力把组合机轴3与组合式风叶磁浮于空中，以消除组合机轴与组合式风叶的重力产生的摩擦阻力；下轴段、上轴头、下轴头均设有法兰盘；中轴段为多段，每段结构相同，每段均设有法兰盘，所述上轴头、下轴头、机轴的中轴段、下轴段的法兰盘中心定位与固定，以此提高所述组合机轴与风叶的同心度；下轴段的法兰盘与下轴头的法兰盘之间装有刹车传动轮，刹车传动轮与轴中心定位销固定在一起，将风动力机产生的旋转力矩传输到发电机。

优选地，为了防止与减少机轴偏移与颤动，在组合机轴中间部位采用机轴稳固件。

更优选地，所述机轴稳固件，包括上法兰盘、下法兰盘、中间滚柱轴承、外套与连接耳连接件；机轴稳固件通过连接件与主体框架连接固定为一体，使组合机轴固定在中间滚柱轴承内旋转，以防止与减少机轴偏移与颤动；上法兰盘、下法兰盘与风叶固定盘与中轴段法兰盘连接固定。

优选地，所述组合机轴上安装固定有多层组合式风叶，每层3个组合式风叶呈120°分布，组合式风叶由风叶固定盘固定在组合机轴上；

所述组合式风叶包括：风叶框、风叶面、风叶导风口、风叶导风板、导风板固定支件和风叶固定件；其中：风叶固定件与所述组合机轴上的风叶固定盘连接固定为一体，增加风叶与机轴连接的强度的作用；每个组合式风叶上设置有风叶导风板、风叶导风口，风叶导风板与风叶框呈一角度固定连接，并由导风板固定支件固定支撑；风力射线射到风叶导风板上，折射到风叶的最大力矩点产生最大的推动力矩，风力吹到第一个组合式风叶上产生推动力矩，风力通过风叶导风口又吹到下一个组合式风叶上，产生二次推动力矩，使风动力产生最大最有效的利用。

优选地，所述自动转向集风保护系统进一步包括：左集风板、左集风板轴、左集风板下驱动装置、左集风板上驱动装置；其中：左集风板固定在左集风板轴上，左集风板沿左集风板轴旋转，左集风板轴固定在集风板上滑道与集风板下滑道上；左集风板下驱动装置、左集风板上驱动装置的一端固定在左集风板上，另一端固定在集风系统框架上；在集风板滑道与集风板下滑道上，利用左集风板下驱动装置、左集风板上驱动装置驱动左集风板的张开与闭合，左集风板的张开，呈集风运行状态，闭合呈保护状态。

优选地，所述自动转向集风保护系统进一步包括：右集风板、右集风板轴、右集风板下驱动装置、右集风板上驱动装置；其中：右集风板固定在右集风板轴上，能沿左集风板轴旋转，右集风板轴固定在集风板上滑道与集风板下滑道上，右集风板下驱动装置、右集风板上驱动装置的一端固定在右集风板上，另一端固定在集风板上滑道与集风板下滑道上，利用驱动装置驱动右集风板的张开与闭合，右集风板的张开，呈集风运行状态，在狂暴风时，集风板闭合呈保护状态；

左集风板下驱动装置、左集风板上驱动装置、右集风板下驱动装置、右集风板上驱动装置驱动左右集风板的张开与闭合，控制系统控制左右集风板的张开的角度，从而控制风机的进风量，并以此控制风力发电机的转速和发电量。

优选地，所述系统进一步设有聚风增压系统，所述聚风增压系统包括聚风增压板、聚风增压板立柱和防止风力泄漏的上聚风板，其中：聚风增压板固定在聚风增压板立柱上，聚风增压板立柱固定在集风板上滑道与集风板下滑道上，左集风板、右集风板和聚风增压板随集风板上滑道与集风系统下滑道转动，集风系统上滑道、集风系统下滑道在滑道支撑件上转动；上聚风板与集风系统方向舵和固定在集风系统框架的上横梁上。

优选地，所述左集风板、右集风板、聚风增压板及上聚风板构成集风系统，集风系统由集风系统方向舵推动转动；集风系统下滑道的内侧装有齿条，集风系统转向驱动装置驱动齿条，推动集风系统下滑道与整个集风系统转动，使左集风板和右集风板始终正面迎风向转动，始终工作在最高效的集风状态。

优选地，所所述系统进一步包括增速器、传动系统，所述顶推磁浮轴承、组合机轴和组合式风叶构成风动力系统，风动力系统产生旋转力矩由传动系统传送到增速器，增速器把风动力系统转速提高到发电机7的额定转速，使发电机发出的电能经变压器升压并入电网。

更优选地，所述传动系统采用含刹车轮的增速齿轮或链轮链条传输结构，增速器采用行星型增速器，传动轮或链轮与增速器机轴间采用传动角型离合器。

优选地，所述控制系统，用于控制集风系统自动跟随风向转动，使风机始终获得最大的集风量，同时，控制集风板张开角度，调节风机的进风量，以此调节控制风机转速与发电机转速，同时调节控制发电机励磁系统，使发电机的输出电压频率、相位与幅值与电网高度同步，使本发明并网与切除对电网无冲击，提高功率因数，提高风电网发电效率发电质量和电网质量。

本发明，自动转向集风保护系统把风集聚到风叶上产生旋转驱动力矩，推动风叶旋转，当风叶旋转到一定角度，风力通过风叶导风口把进入风叶的风吹到后面第二个风叶上，使风力得到二次利用，增加风力驱动转矩；本发明采用自动转向集风系统，使集风系统始终迎着风向转动，无死角，使集风量大化，增大了风力发电机的发电容量与风力资源利用效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明为一种整体立式风电系统，磁浮轴承减小风动力系统阻力与摩擦力，减小启动力矩；

2.本发明采用自动转向集风增压与保护系统，使集风系统始终迎着风向转动，无死角，集风量增大，增大风压与连续性转矩，增大了风力发电机的发电容量与风力资源利用效率，提高了本发明在低风速区和高风速区工作能力与工作风区范围；提高系统的稳定性与安全性，具有暴风环境下继续工作的能力，增大风动力系统驱动力矩与发电量；

3.自动转向集风保护系统中的下聚风板和上聚风板的设置，既聚风又防风沙和冰冻雨雪；各个支撑件的设置增加了整体强度和抗震抗变形的强度；

4.带有导风口风叶增加风力二次利用，提高风动力利用效率，增大发电量。

综上，本发明具有启动与旋转阻力小，增加了工作风区和发电时间，提高发电量，具有集风续压能力强，消除旋转受力死角，风叶旋转力矩连续性好，转速高，稳定性好，风力利用率与发电效率高，抗暴风能力强，适用于各种低高风速区有效工作。本发明，控制自动转向集风保护系统跟随风向转动，产生最大集风量和最大发电量，控制集风板展开角度与进风量，调节风动力系统与发电机严格工作在额定转速，使风力发电机完全按设定的工作特性曲线高质量运行与并网。本发明适用于陆地与山上风力发电系统，也可用于海上风力发电系统或安装在高层楼顶。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例系统主体结构与工作状态示意图；

图2为本发明实施例的风动力机轴的顶推磁浮轴承结构图一；

图3为本发明实施例的风动力机轴的顶推磁浮轴承结构图二；

图4为本发明实施例的风动力机轴的顶推轴承结构图；

图5为本发明实施例的磁浮组合机轴与组合风叶示意图；

图6为本发明实施例的组合机轴的中部稳固件示意图；

图7为本发明实施例的风叶外形与结构图；

图8为本发明实施例的风叶侧面外形与结构图；

图9为本发明集风板张开在集风增压运行状态原理示意图；

图10为本发明左右集风板张开运行在集风状态的示意图；

图11为本发明左右集风板闭合运行在保护状态的示意图；

图12为本发明集风与聚风增压板和集风系统方向舵工作原理示意图；

图13为本发明实施例的框架集风增压系统俯视结构示意图；

图14为本发明实施例的集风系统轨道支撑件结构示意图；

图15为本发明的地基机座与地桩分布图；

图16为本发明实施例的风叶结构与风叶骨架结构示意图；

图17为本发明实施例的风叶结构与风叶骨架结构侧面示意图；

图18为本发明实施例的风叶安装固定盘结构示意图；

图中：主体框架1，顶推磁浮轴承2，组合机轴3，组合式风叶4，自动转向集风保护系统5，增速器6，发电机7，传动系统8，控制系统9，地基平台10；

固定立柱1-1、辅助承重柱1-1-1、支撑梁1-2-1、上横梁1-3-1、下横梁1-3-2、上内双支梁1-4-1、上内单支梁1-4-2、磁浮轴承座1-5、发电机座1-6、地桩1-7、地基横梁1-8；

磁浮轴承外壳2-1、固定磁极2-2、动磁极2-3、磁浮轴承中轴2-4、顶推力轴承2-5、顶推力轴承座2-6、横向轴承2-7、固定磁铁2-8、动磁铁2-9；

上轴头3-1、上轴头法兰盘3-1-1、风叶固定盘3-2、下轴头3-3，下轴头法兰盘3-3-1、中轴段3-4、多个中轴段3-4-1～3-4-n、机轴中间稳固件3-5、上法兰盘3-5-1、下法兰盘3-5-2、中间滚柱轴承3-5-3、外套与连接耳3-5-4、连接件3-5-5、下轴段3-6、刹车传动齿轮3-7、机轴螺丝3-8、轴中心定位销3-8-1、轴中心定位销3-8-1、上轴端轴承3-9；

风叶框4-1、风叶面4-2、风叶导风口4-3、风叶网架4-4、风叶导风板4-5、导风板固定支件4-6、风叶固定件4-7；

左集风板5-1、左集风板轴5-1-1、左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3、右集风板5-2，右集风板轴5-2-1、右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3、聚风增压板5-3、聚风增压板立轴5-3-1、集风系统框架5-4、集风系统上滑道5-4-1、集风系统下滑道5-4-2、上滑道支撑件5-5-1、下滑道支撑件5-5-2、支撑轮5-5-3、上聚风板5-6、集风系统方向舵5-7、集风系统框架的上横梁5-8-1、上轴端固定轴承座5-8-2、集风系统转向驱动装置5-9、传动系统8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

结合图1～图18说明，本发明提供一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，在一实施例中，所述系统包括：

用于支撑和安置各部件的主体框架1，

发电机7，

用于整个系统发电和并网控制控制系统9，

固定安装的顶推磁浮轴承2；

安装于顶推磁浮轴承2上的组合机轴3；

安装于组合机轴3和主体框架1上的组合式风叶4；

设置在主体框架1上的自动转向集风增压保护系统5；

所述自动转向集风增压保护系统5包括安装于所述主体框架1上的集风旋转框架5-4，迎风安装的左集风板5-1、右集风板5-2，聚风增压板5-3，集风系统方向舵5-7，以及集风系统转向驱动装置5-9，其中：所述左集风板5-1、右集风板5-2后面装有聚风系统，所述集风旋转框架5-4与所述主体框架1之间通过活动连接，集风系统方向舵5-7与集风系统转向驱动装置5-9连接并推动所述集风旋转框架5-4跟随风向旋转，保证两个集风板5-1、5-2始终迎着正面风向，获取最大的集风量与最大的风力连续驱动力矩。

进一步的，所述系统还包括增速器6、传动系统8，所述顶推磁浮轴承2、组合机轴3和组合式风叶4构成风动力系统。风动力系统产生旋转力矩由传动系统8传送到增速器6，增速器6把风动力系统转速提高到发电机7的额定转速，使发电机7发出的电能经变压器升压输入电网。

所述集风系统转向驱动装置5-9，可以采用驱动电机，也可以是其他形式的驱动装置，如油压驱动装置、液压或汽压驱动装置。

所述发电机组7，采用多绕组变极变速异步发电机系统。

所述传动系统8采用含刹车轮的增速齿轮或链轮链条传输结构，增速器6采用行星型增速器6，传动轮或链轮与增速器机轴间采用传动角型离合器。

如图1所示中，在一优选实施例中，所述主体框架1包括：四个固定立柱1-1、辅助承重柱1-1-1、支撑梁1-2-1、上横梁1-3-1、下横梁1-3-2、上内双支梁1-4-1、上内单支梁1-4-2、上机轴轴承支座1-4-3、顶推磁浮轴承基座1-5以及发电机座1-6；其中，辅助承重柱1-1-1为了增强旋转轨道的支撑与加固，上横梁1-3-1与下横梁1-3-2为立柱1-1整体的连接与加固；上机轴轴承支座1-4-3固定在上内双支梁1-4-1与上内单支梁1-4-2上；

所述系统还包括用于固定主体框架1和顶推磁浮轴承2的地基平台10；所述地基平台10包括：地桩1-7、地基横梁1-8，四个固定立柱1-1的基座与打入地下的地桩1-7、顶推磁浮轴承基座1-5、发电机座1-6与地基横梁1-8固定浇筑为一体，四个固定立柱1-1、四个辅助承重柱1-1-1全部利用地角螺丝固定在地桩1-7上。

如图2为本发明实施例的风动力机轴的顶推磁浮轴承2结构图；所述顶推磁浮轴承2，包括：磁浮轴承外壳2-1、固定磁极2-2、动磁极2-3、磁浮轴承中轴2-4、推力轴承2-5、推力轴承座2-6和横向轴承2-7；其中：固定磁极2-2固定在磁浮轴承外壳2-1的内侧，动磁极2-3固定在磁浮轴承中轴2-4上，所述动磁极2-3为永磁式磁铁，固定磁极2-2通入电流后，在固定磁极2-2与动磁极2-3产生电磁力与磁浮推力，推动动磁极2-3与磁浮轴承中轴2-4向上浮起悬空，磁浮轴承中轴2-4推动机轴3与风叶4向上浮起悬空，减少机轴与风叶所产生的摩擦阻力。

也可采用图3所示的固定磁极2-8与动磁极2-9磁顶推力方式构成，图3结构与安装方式可以增大磁铁推力的有效面积：固定磁极2-8固定在磁浮轴承外壳2-1的内侧，动磁极2-9固定在磁浮轴承中轴2-4上。固定磁极2-8通入电流后，在固定磁极2-8与动磁极2-9产生磁力与磁浮推力，推动动磁极2-9与磁浮轴承中轴2-4向上升浮动，使磁浮轴承中轴2-4推动风叶与机轴上浮悬空，使其旋转摩擦力为零或减少到最小。

图2和3之间的结构不同在于：图2所示结构1与控制方式，顶推磁浮轴承的固定磁极2-2推动动磁极2-3与机轴3向上浮动，有较大的自由度。图3所示结构2与控制方式，顶推磁浮轴承的固定磁极2-8推动动磁极2-9与机轴3向上浮动，固定磁极2-8与动磁极2-9的磁铁面积可以做到很大，增加顶推磁浮轴承上浮力矩。

图5所示本发明实施例的磁浮组合机轴与风叶组合示意图；

所述组合机轴3包括：上轴头3-1、风叶固定盘3-2、下轴头3-3、中轴段3-4-1～3-4-n、机轴稳固件3-5、下轴段3-6、刹车与传动齿轮3-7和上轴端轴承3-9；其中：上轴端轴承3-9安装在主体框架1上，上轴头3-1插入上轴端轴承3-9，下轴头3-3插入磁浮轴承中轴2-4中，由顶推磁浮轴承2的顶推磁浮力把组合机轴3与组合式风叶4磁浮于空中，以消除组合机轴3与组合式风叶4的重力产生的摩擦阻力，减少风动力系统系统的摩擦阻力与静态启动惯性阻力。下轴段3-6、上轴头3-1、下轴头3-3均设有法兰盘。

如图6所示，为本发明实施例的组合机轴中的轴中部稳固件示意图；

每个中段轴与其两端法兰盘为一焊接整体，中段轴与风叶固定盘3-2的中心由中心定位销3-8-1进行中心固定，每段机轴法兰盘中心定位与固定，其中包含上轴头3-1、下轴头3-3、机轴的中轴段3-4-1～3-4-n、下轴段3-6，均是由轴中心定位销3-8-1定位与固定，以此提高所述组合机轴3与风叶4的同心度；为了防止与减少机轴偏移与颤动，在所述组合机轴3中间部位采用机轴稳固件3-5；下轴段3-6的下法兰盘与下轴头3-3法兰盘之间装有刹车传动齿轮3-7，刹车传动齿轮3-7与轴中心定位销3-8-1固定在一起，将风动力机产生的旋转力矩传输到发电机7。

如图5所示，所述机轴稳固件3-5包括上法兰盘3-5-1、下法兰盘3-5-2、中间滚柱轴承3-5-3、外套与连接耳3-5-4、连接件3-5-5；

上法兰盘3-5-1、下法兰盘3-5-2与风叶固定盘3-2与中轴段3-4法兰盘连接，均由轴中心定位销3-8-1定位与固定。机轴稳固件3-5安装在机轴中部。在本例中安装位置在中轴段3-4-2与3-4-3的中间。

机轴稳固件3-5通过连接件3-5-5与主体框架1连接固定为一体，使组合机轴固定在中间滚柱轴承3-5-4内旋转，以防止与减少机轴偏移与颤动。外套与连接耳3-5-4的连接耳焊接在外套的外部，并与连接件3-5-5连接。

中轴段3-4为多段，在部分实施例中可以为4段，即：中轴段3-4-1～中轴段3-4-4。

上轴头3-1和上轴头法兰盘3-1-1焊接为整体；下轴头3-3与下轴头法兰盘3-3-1焊接为整体；中轴段3-4-1～中轴段3-4-4为4段，每段结构相同，每段包含上法兰盘3-4-1-1和中轴3-4-1与下法兰盘3-4-1-2为焊接整体；下轴段3-6与下轴段3-法兰盘3-6-1焊接为整体。

上轴头法兰盘3-1-1与风叶固定盘3-2与中心固定销3-8-1与中轴段上法兰盘3-4-1-1利用机轴螺丝3-8固定在一起。

中轴下法兰盘3-4-1-2与风叶固定盘3-2与下一层中轴3-4-2的上法兰盘3-4-2-1利用机轴螺丝3-8固定在一起。利用上层风叶固定盘3-2与风叶4与下层风叶固定盘3-2利用风叶螺丝固定在一起，以此把风叶4固定在两风叶固定盘3-2之间，如图5所示，把风叶固定于两个风叶固定盘3-2之间，以此类推。

如图7、图8所示，本实施例采用多层组合式风叶，每个组合式风叶4安装有导风板4-5，组合式风叶4组装在组合机轴3的风叶固定盘3-2上，组合机轴3的下轴头3-3-1竖直安装在顶推磁浮轴承2的轴孔2-4-2内，顶推磁浮轴承2固定安装在地面平台10上。

每层组合式风叶包括三组组合风叶，三组风叶环形安装在组合机轴3的外圆周上，相邻两组组合式风叶4之间对称呈120度角排布安装，每个组合式风叶4均设有风叶导风板4-5，风叶导风板4-5设置在风叶框4-1上，每个组合式风叶导风板4-5表面与风叶框呈60度角固定连接固定于风叶的2/3处，风叶导风板4-5与风叶框4-1呈60度角连接由导风板固定支件4-6固定支撑；，每个组合式风叶上有风叶导风口4-3。风叶导风板4-5与导风板固定支件4-6的连接及风叶导风口4-3的位置关系如图7所示。

如图16、图17所示为风叶结构与风叶骨架结构示意图；在本实施例中，所述组合式风叶4包括：风叶框4-1，风叶面4-2，风叶导风口4-3，风叶网架4-4，风叶导风板4-5，导风板固定支件4-6，风叶固定件4-7。风叶固定件4-7与组合式风叶利用螺丝连接固定为一体，风叶固定件4-7利用螺丝固定在风叶固定盘3-2上，即风叶通过风叶固定件4-7与风叶固定盘3-2把风叶4连接固定在组合机轴3上。风叶固定件4-7作用是增加风叶与机轴连接的强度作用。

图16所示组合式风叶4立体结构图，风叶网架4-4位于风叶4的内部，起到加强叶面强度的作用。风叶网架4-4外部附有炭纤维风面或玻璃钢或铝合金。组合式风叶4可为轻铝合金风叶、炭纤维风叶或玻璃钢风叶中的一种。

风叶4与风叶导风板4-5构成风叶系统，导风板固定支件4-6将风叶导风板4-5与风叶框4-1呈60°角固定在风叶上。由图5中可见，每层三个风叶环形安装在组合机轴3的外圆周上，相邻两个风叶之间对称呈120度角排布安装。风吹到风叶的导风板后，把风力折射到风叶的最大力矩点，推动风叶沿机轴3转动。同时风力通过风叶导风口4-3吹向其后面第二个风叶，使风力得到二次风力利用，而不使风力向风叶两边泻出，以其得到最大的推动力矩。

如图9到图14所示，为本发明一较优实施例中自动转向集风增压保护系统5的示意图，自动转向集风增压保护系统5包括左集风板5-1﹑右集风板5-2﹑聚风增压板5-3﹑上聚风板5-6-1﹑下聚风板5-6-2﹑下集风板驱动装置5-1-2与5-2-2、上集风板驱动装置5-1-3与5-2-3、上集风系统轨道5-4-1、下集风系统轨道5-4-2、连接支撑件5-5、集风系统方向舵5-7、集风系统转向驱动装置5-9。

左集风板轴5-1-1、左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3；其中：左集风板5-1固定在左集风板轴5-1-1上，左集风板5-1能沿左集风板轴5-1-1旋转，左集风板轴5-1-1固定在集风系统上滑道5-4-1与集风系统下滑道5-4-2上；左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3的一端固定在左集风板5-1上，另一端固定在集风系统框架5-4上，利用左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3驱动左集风板5-1的张开与闭合，左集风板5-1的张开，呈集风运行状态，闭合呈保护状态；

右集风板轴5-2-1、右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3；其中：右集风板5-2固定在右集风板轴5-2-1上，能沿左集风板轴5-2-1旋转，右集风板轴5-2-1固定在集风系统上滑道5-4-1与集风系统下滑道5-4-2上，右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3的一端固定在右集风板5-2上，另一端固定在集风系统框架5-4上，利用驱动装置5-2-2与5-2-3驱动右集风板5-2的张开与闭合，右集风板5-2的张开，呈集风运行状态，在狂暴风时，集风板闭合呈保护状态；

左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3、右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3驱动左右集风板的张开与闭合，控制系统9控制左右集风板的张开的角度，可以控制风机的进风量，以此控制风力发电机的转速和发电量。

由左集风板5-1与右集风板5-2构成集风系统，由聚风增压板立轴5-3与和上聚风板5-6构成聚风增压系统，使风力吹进风机后不泻风，增加风压和保持风压的连续性。

图10所示，当左右集风板张开运行在集风状态的示意图。调节左右集风板张开角度，可以调节进风量，改变风动力系统的转速，调节发电机的转速与发出电压电流频率相位及功率因数。

图11所示，当左右集风板闭合运行在保护状态的示意图。当在狂暴风状态左右集风板可以完全闭合，运行在完全保护状态，集风板也可张开一定的角度，使风机继续工作，也可完全停机。图10与图11与图12中所示圆弧形集风板，即5-1与5-2集风板也可采用圆弧形集风板。

图12所示自动转向集风保护系统5的组合结构与实施方式示意图，包含：

左集风板5-1、左集风板轴5-1-1、左集风板下驱动装置5-1-2、左集风板上驱动装置5-1-3、右集风板5-2，右集风板轴5-2-1、右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3、聚风增压板5-3；聚风增压板立轴5-3-1；集风板上滑道5-4-1，集风板下滑道5-4-2；滑道支撑件5-5，滑道支轴5-5-1，支撑轮5-5-2、上滑道支撑横梁5-8-1、上轴端固定轴承座5-8-2、上聚风板5-6-1，上聚风板5-6-2，集风系统方向舵5-7，集风系统转向驱动装置5-9。

集风系统转向驱动由集风系统方向舵板5-7推动转向，并且设计有集风系统转向驱动装置5-9驱动。

左集风板下驱动装置5-1-2、左上驱动装置5-1-3、右集风板下驱动装置5-2-2、右集风板上驱动装置5-2-3可以采用液压驱动装置，也可以采用电机驱动系统。

图13为本发明框架与集风增压系统组合结构俯视示意图。

本实施方式：由框架立柱1-1与下横梁1-2和上横梁1-2构成系统框架的主体，图9与图12所示集风增压系统的下轨道5-4-2安装在系统框架的四个立柱1-1外部图12的支撑件与辅助支撑立柱1-1-1上。

图14所示支撑件5-5的结构示意图。图中5-5固定在固定立柱1-1上，5-5-1为支轴，5-5-2为滑轮，下轨道5-4-2安装在滑轮上，在集风系统方向舵板5-7推定下或在集风系统转向驱动装置5-9驱动安装在下轨道5-4-2的齿条5-4-3推定集风系统5跟随风向转动，使集风增压保护系统跟踪风向在控制系统9控制下转动。

图15所示为地基的地桩与地基横梁布置示意图。

所述地基平台10：四个框架立柱1与集风系统轨道辅助支撑立柱1-1-1，安设固定在地桩1-7钢筋立柱方墩上，立柱方墩与地基平台的下端与地桩1-7固定浇筑为一体。地桩1-7打入土层下岩石层内1米以上。

如图18所示，为风叶固定盘3-2的示意图，其中组合式风叶的上下层风叶可上下平行安装，也可根据要求与上下层风叶错开60°安装。

本发明中，风叶与集风系统工作原理：如图9所示，集风系统方向舵板5-7或集风系统转向驱动装置5-9驱动，使集风系统始终正面迎风，左集风板5-1与右集风板5-2张开，构成最大集风量；风射向风叶导风板4-5折射到风叶的最大力矩点，产生最大的旋转力矩；风力吹到前面第一风叶产生旋转推动力矩后由导风口4-3又吹向后面风叶，产生二次旋转推动力矩；同时，由于聚风板5-3的聚风增压作用，不泄风，风压力增高，使吹入风机风力得到高效的利用。同时，由于风力射向集风板5-1，由于集风板5-1正面与后面巨大的压力差，加之风叶旋转产生巨大的虹吸力，使集风板5-1左侧产生压力差形成极大虹吸力，使吸入风机的风力形成高速旋风效应，使风力发电机的风叶旋转区产生旋风效应，使风叶与风动力机产生巨大的高速旋转力矩，使发电机产生最大的发电量，使风能产生最大高效的利用。

当风力过大时或狂暴风使，如图12所示，左集风板5-1与右集风板5-2闭合，关闭风动力系统，使集风保护系统5工作在保护状态，对发电系统起到保护的作用。同时调节左集风板5-1与右集风板5-2张开角度，控制系统9可以调节风动力系统的进风量，改变风动力系统与发电机的转速，调节发电机的输出电压电流的频率，提高发电系统的稳定性与发电质量。

所述控制系统9，用于控制集风系统跟随风向转动，使风机始终获得最大的集风量，同时，控制集风板张开角度，调节风机的进风量，以此调节控制风机与发电机转速，调节发电机的输出电压频率与幅值和相位，使风力发电机与电网完全同步，使本发明“集风增压式磁浮立式风力发电系统”与电网零电压差并网，使本发明并网与切除对电网无冲击；

本发明“集风增压式磁浮立式风力发电系统”，能解决现有风力发电系统中风叶受风面积小，翼面风阻大，风叶存在旋转换向死角，风力利用率低，旋转启动力矩大，转速低，在低风速区与高风速区运行能力差、工作风区范围小，易被暴风吹毁，存在发电效率与安全性低等问题。

本发明为了提高集风量，减少风动力系统阻力，增加风压强度与风压的连续性，提高发电机转速，提高发电效率与发电质量，提供了上述由自动转向集风保护系统5；由顶推磁浮轴承2、安装于顶推磁浮轴承2上的组合机轴3、安装于组合机轴3的组合式风叶4构成的磁浮风动力系统。本发明具有启动与旋转阻力小，增加了工作风区和发电时间，提高发电量，具有集风增压能力强，消除转向受力死角，风叶旋转力矩连续性好，转速高，稳定性好，风力利用率与发电效率高，抗暴风能力强，适用于各种低高风速区有效工作。

本发明由控制系统9控制集风系统跟随风向转动，产生最大集风量和最大发电量，控制集风板展开角度与进风量，调节风机与发电机严格工作在最额定转速，使风力发电机完全按设定的工作特性曲线高质量运行与并网。

本发明适用于陆地与山上风力发电系统，也可用于海上风力发电系统或安装在高层楼顶。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容，均应在本专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集风增压式磁浮立式风力发电系统，所述系统包括：用于支撑和安置各部件的主体框架(1)，发电机(7)，用于整个系统发电和并网的控制系统(9)，其特征在于：还包括：

固定安装的顶推磁浮轴承(2)；

安装于顶推磁浮轴承(2)上的组合机轴(3)；所述组合机轴(3)为多段磁浮式组合机轴；

安装于组合机轴(3)上的组合式风叶(4)；

设置在主体框架(1)上的自动转向集风保护系统(5)；

所述自动转向集风保护系统(5)包括：安装在主体框架(1)上的集风系统框架(5-4)，迎风安装的左集风板(5-1)和右集风板(5-2)，聚风增压板(5-3)，集风方向舵板(5-7)以及集风系统转向驱动装置(5-9)；所述集风系统框架(5-4)与所述主体框架(1)之间活动连接，集风方向舵板(5-7)与集风转向驱动装置(5-9)推动集风旋转框架(5-4)跟随风向旋转，驱动左集风板(5-1)和右集风板(5-2)始终迎着正面风向，获取最大的集风量与最大的风力连续驱动力矩；

所述系统进一步设有聚风增压系统，所述聚风增压系统包括聚风增压板(5-3)、聚风增压板立柱(5-3-1)和防止风力泄漏的上聚风板(5-6)，其中：聚风增压板(5-3)固定在聚风增压板立柱(5-3-1)上，聚风增压板立柱(5-3-1)固定在集风板上滑道(5-4-1)与集风板下滑道(5-4-2)上，左集风板(5-1)、右集风板(5-2)和聚风增压板(5-3)随集风板上滑道(5-4-1)与集风系统下滑道(5-4-2)转动，集风系统上滑道(5-4-1)、集风系统下滑道(5-4-2)在滑道支撑件(5-5)上转动；上聚风板(5-6)与集风系统方向舵(5-7)和固定在集风系统框架的上横梁(5-8-1)上；

所述左集风板(5-1)、右集风板(5-2)、聚风增压板(5-3)及上聚风板(5-6)构成集风系统，集风系统由集风系统方向舵(5-7)推动转动；集风系统下滑道5-4-2)的内侧装有齿条(5-4-3)，集风系统转向驱动装置(5-9)驱动齿条(5-4-3)，推动集风系统下滑道(5-4-2)与整个集风系统转动，使左集风板(5-1)和右集风板(5-2)始终正面迎风向转动，始终工作在最高效的集风状态。

2.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述主体框架(1)包括：四个固定立柱(1-1)、辅助承重柱(1-1-1)、支撑梁(1-2-1)、上横梁(1-3-1)、下横梁(1-3-2)、上内双支梁(1-4-1)、上内单支梁(1-4-2)、上机轴轴承支座(1-4-3)、顶推磁浮轴承基座(1-5)以及发电机座(1-6)；其中：辅助承重柱(1-1-1)为了增强旋转轨道的支撑与加固，上横梁(1-3-1)与下横梁(1-3-2)为立柱(1-1)整体的连接与加固；上机轴轴承支座(1-4-3)固定在上内双支梁(1-4-1)与上内单支梁(1-4-2)上；

所述系统还包括用于固定主体框架(1)、顶推磁浮轴承(2)和发电机(7)的地基平台(10)；所述地基平台(10)包括：地桩(1-7)与地基横梁(1-8)，四个固定立柱(1-1)的基座、打入地下的地桩(1-7)、顶推磁浮轴承基座(1-5)、发电机座(1-6)与地基横梁(1-8)固定浇筑为一体，四个固定立柱(1-1)、四个辅助承重柱(1-1-1)全部固定在地桩(1-7)上。

3.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述顶推磁浮轴承(2)，包括：磁浮轴承外壳(2-1)、固定磁极(2-2)、动磁极(2-3)、磁浮轴承中轴(2-4)、推力轴承(2-5)、推力轴承座(2-6)和横向轴承(2-7)；其中：固定磁极(2-2)固定在磁浮轴承外壳(2-1)的内侧，动磁极(2-3)固定在磁浮轴承的中轴(2-4)上，所述动磁极(2-3)为永磁式动磁极，固定磁极(2-2)通入电流后，在固定磁极(2-2)与动磁极(2-3)产生电磁力与磁浮推力，推动动磁极(2-3)与磁浮轴承中轴(2-4)向上升浮动，磁浮轴承中轴(2-4)推动机轴(3)与组合式风叶(4)上浮悬空，使旋转摩擦力减少到最小或为零。

4.根据权利要求3所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述组合机轴(3)包括：上轴头(3-1)、风叶固定盘(3-2)、下轴头(3-3)、中轴段(3-4-1～3-4-n)、机轴稳固件(3-5)、下轴段(3-6)、刹车与传动齿轮(3-7)和上轴端轴承(3-9)；其中：上轴端轴承(3-9)安装在主体框架(1)上，上轴头(3-1)插入上轴端轴承(3-9)，下轴头(3-3)插入磁浮轴承中轴(2-4)中，由顶推磁浮轴承(2)的顶推磁浮力把组合机轴(3)与组合式风叶(4)磁浮于空中，以消除组合机轴(3)与组合式风叶(4)的重力产生的摩擦阻力；下轴段(3-6)、上轴头(3-1)、下轴头(3-3)均设有法兰盘；中轴段为多段，每段结构相同，每段均设有法兰盘，所述上轴头(3-1)、下轴头(3-3)、多段中轴段(3-4-1～3-4-n)、下轴段(3-6)的法兰盘中心定位与固定，以此提高所述组合机轴(3)与组合式风叶(4)的同心度；下轴段的法兰盘与下轴头的法兰盘之间装有刹车传动轮(3-7)，刹车传动轮(3-7)与轴中心定位销(3-8-1)固定在一起，将风动力机产生的旋转力矩传输到发电机(7)。

5.根据权利要求3所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：为了防止与减少机轴偏移与颤动，在组合机轴3中间部位采用机轴稳固件(3-5)；

所述机轴稳固件(3-5)，包括上法兰盘(3-5-1)、下法兰盘(3-5-2)、中间滚柱轴承(3-5-3)、外套与连接耳(3-5-4)、连接件(3-5-5)；机轴稳固件(3-5)通过连接件(3-5-5)与主体框架(1)连接固定为一体，使组合机轴固定在中间滚柱轴承(3-5-4)内旋转，以防止与减少机轴偏移与颤动；上法兰盘(3-5-1)、下法兰盘(3-5-2)与风叶固定盘(3-2)与中轴段(3-4)法兰盘连接固定，外套与连接耳(3-5-4)的连接耳焊接在外套的外部，并与连接件(3-5-5)连接。

6.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述组合机轴(3)上安装固定有多层组合式风叶(4)，每层3个组合式风叶(4)呈120°分布，组合式风叶(4)由风叶固定盘(3-2)固定在组合机轴(3)上；

所述组合式风叶(4)包括：风叶框(4-1)、风叶面(4-2)、风叶导风口(4-3)、风叶导风板(4-5)、导风板固定支件(4-6)和风叶固定件(4-7)；其中：风叶固定件(4-7)与所述组合机轴(3)上的风叶固定盘(3-2)连接固定为一体，增加风叶与机轴连接的强度的作用；每个组合式风叶上设置有风叶导风板(4-5)、风叶导风口(4-3)，风叶导风板(4-5)与风叶框(4-1)呈一角度固定连接，并由导风板固定支件(4-6)固定支撑；风力射线射到风叶导风板(4-5)上，折射到风叶的最大力矩点产生最大的推动力矩，风力吹到第一个组合式风叶上产生推动力矩，风力通过风叶导风口(4-3)又吹到下一个组合式风叶上，产生二次推动力矩，使风动力产生最大最有效的利用。

7.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述自动转向集风保护系统(5)进一步包括：左集风板(5-1)、左集风板轴(5-1-1)、左集风板下驱动装置(5-1-2)、左集风板上驱动装置(5-1-3)；其中：左集风板(5-1)固定在左集风板轴(5-1-1)上，左集风板(5-1)沿左集风板轴(5-1-1)旋转，左集风板轴(5-1-1)固定在集风板上滑道(5-4-1)与集风板下滑道(5-4-2)上；左集风板下驱动装置(5-1-2)、左集风板上驱动装置(5-1-3)的一端固定在左集风板(5-1)上，另一端固定在集风系统框架(5-4)上；在集风板滑道(5-4-1)与集风板下滑道(5-4-2)上，利用左集风板下驱动装置(5-1-2)、左集风板上驱动装置(5-1-3)驱动左集风板(5-1)的张开与闭合，左集风板(5-1)的张开，呈集风运行状态，闭合呈保护状态；

所述自动转向集风保护系统(5)进一步包括：右集风板(5-2)、右集风板轴(5-2-1)、右集风板下驱动装置(5-2-2)、右集风板上驱动装置(5-2-3)；其中：右集风板(5-2)固定在右集风板轴(5-2-1)上，能沿左集风板轴(5-2-1)旋转，右集风板轴(5-2-1)固定在集风板上滑道(5-4-1)与集风板下滑道(5-4-2)上，右集风板下驱动装置(5-2-2)、右集风板上驱动装置(5-2-3)的一端固定在右集风板(5-2)上，另一端固定在集风板上滑道(5-4-1)与集风板下滑道(5-4-2)上，利用右集风板下驱动装置(5-2-2)、右集风板上驱动装置(5-2-3)的张开与闭合，右集风板(5-2)的张开，呈集风运行状态，在狂暴风时，集风板闭合呈保护状态；

左集风板下驱动装置(5-1-2)、左集风板上驱动装置(5-1-3)、右集风板下驱动装置(5-2-2)、右集风板上驱动装置(5-2-3)驱动左右集风板的张开与闭合，控制系统(9)控制左右集风板的张开的角度，从而控制风机的进风量，并以此控制风力发电机的转速和发电量。

8.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述系统进一步包括增速器(6)、传动系统(8)，所述顶推磁浮轴承(2)、组合机轴(3)和组合式风叶(4)构成风动力系统，风动力系统产生旋转力矩由传动系统(8)传送到增速器(6)，增速器(6)把风动力系统转速提高到发电机(7)的额定转速，使发电机(7)发出的电能经变压器升压输入电网。

9.根据权利要求1所述的集风增压式磁浮立式风力发电系统，其特征在于：所述控制系统(9)，用于控制集风系统自动跟随风向转动，使风机始终获得最大的集风量，同时，控制集风板张开角度，调节风机的进风量，以此调节控制风机转速与发电机转速，同时调节控制发电机励磁系统，使发电机的输出电压频率、相位与幅值与电网高度同步，使本发明并网与切除对电网无冲击，提高功率因数，提高风电网发电效率发电质量和电网质量。