CN109058040A - 一种垂直轴叶轮模块及发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种垂直轴叶轮模块和发电装置，所述叶轮模块包括支撑架和叶轮机构，所述叶轮机构包括一垂直转轴及呈辐射状均布安装在所述垂直转轴上的多个叶片组件；所述叶片组件包括组件框架，所述组件框架上设置有多个单元框，每个单元框上均安装有框门，所述框门仅能够沿顺时针方向开启或所述框门仅能够沿逆时针方法开启；所述垂直转轴竖直安装在所述支撑架上，所述垂直转轴顶端设置有上连接端，所述垂直转轴底部设置有下连接端。所述发电装置包括所述垂直轴叶轮模块。本发明垂直轴叶轮模块采用模块式设计，可以因地制宜的进行拼装，为高功率发电提供技术基础保证。叶片组件的设计，确保叶片受力面积更大，启动风速更小。

Description

一种垂直轴叶轮模块及发电装置

技术领域

本发明属于发电设备领域，涉及垂直轴发电装置用的垂直轴叶轮模块，以及使用该模块的发电装置。

背景技术

垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，相对于水平轴风力发电机是一大优势。垂直轴风力发电机以其受力情况合理、工作稳定、方便维修等优点在风力发电领域迅速推广，而发展大功率、超大功率风力发电机已经成为风力发电的趋势。

在浅海、海峡、海湾或河口一带，涨潮与退潮会引起较强的潮流，水流速度较高，可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，方法类似于风力发电机。风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电，比较典型的的是采用与水平轴风力机相似的结构与原理。

现有技术中，垂直轴风力发电机包括塔柱、套设在塔柱上的风轮以及置于塔柱上位于塔柱和风轮之间的发电机，所述风轮包括支撑轮及叶片，支撑轮由若干支撑杆组成，叶片与该支撑杆连接，支撑杆与发电机的转动件连接。风轮转动带动固定在塔柱上的发电机的转子转动发电。增大垂直轴风力发电机的发电功率的常规措施是增大风轮直径和增加风轮高度即增大叶片的长度，这些做法都有较大的局限性。风轮的直径越大，连接叶片的支撑杆长度也就需要做得越长，由于带有叶片的支撑杆为悬臂梁，支撑杆长度越长，使得叶片位置越容易偏斜，为了避免叶片的过度倾斜，就要将支撑杆的截面尺寸做得越来越大，而这会影响到风轮的气动性能，增大风阻力，也使得风轮的制造成本和制造难度大大提高，并且单纯增大风轮半径会降低风场面积的有效利用率，降低风力发电机装机密度，不能充分利用垂直轴风力发电机在高度方向上可以任取截风面积的优势；而增加叶片的长度，由于自然风具有高处较低处更大的特点，叶片过长使得叶片上下承受的风扭矩差增大，这会导致叶片承受较大的扭矩，很容易损坏，并且对发电机的配置也会带来很大困难。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种受风面积大、有利于提高发电功率的垂直轴叶轮模块。本发明的另一目的在于提供一种受风面积大、发电功率高的发电机。

发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种垂直轴叶轮模块，所述叶轮模块包括支撑架和叶轮机构，所述叶轮机构包括一垂直转轴及呈辐射状均布安装在所述垂直转轴上的多个叶片组件；所述叶片组件包括组件框架，所述组件框架上设置有多个单元框，每个单元框上均安装有框门，所述框门仅能够沿顺时针方向开启或所述框门仅能够沿逆时针方法开启；所述垂直转轴竖直安装在所述支撑架上，所述垂直转轴顶端设置有上连接端，所述垂直转轴底部设置有下连接端。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述单元框为矩形框，由两竖框和两横框围合构成；所述单元框内安装有框门安装轴；所述框门包括轴管和分别位于轴管两侧的第一叶片和第二叶片，所述第一叶片和第二叶片之间的夹角为钝角；所述轴管套设在所述框门安装轴上。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述框门安装轴平行于所述横框，并靠近上横框；所述横框上设置有前封闭部和后封闭部；所述第二叶片与所处单元框中下横框的前封闭部接触式配合，所述第一叶片与所处单元框中的上横框的后封闭部接触式配合。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述框门安装轴与所述轴管之间还安装有轴套。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述组件框架由多个平面构成凹型框架，相邻两平面之间的夹角∠a：120°≤∠a＜180°。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述支撑架包括一支撑框，所述支撑框上部设置有第一安装架，所述支撑框下部设置有第二安装架，所述第一安装架上设置有第一轴孔，所述第二安装架上设置有第二轴孔，所述第二轴孔位于所述第一轴孔正下方；所述第一轴孔上安装有第一轴承，所述第二轴孔上安装有第二轴承，所述第一轴承和所述第二轴承紧固安装在所述垂直转轴上。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，支撑框111为立方体框架结构。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，所述叶片组件与相邻叶片组件之间通过连接筋连接。

根据本发明垂直轴叶轮模块的一个实施方式，还包括筋板，所述筋板固定连接所述叶片组件基部与垂直转轴。

本发明还提供一种基于上述任一实施方式所述垂直轴叶轮模块的发电装置，包括齿轮箱和发电机，所述垂直转轴与齿轮箱传动连接，所述齿轮箱与所述发电机传动连接。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

a)本发明垂直轴叶轮模块采用模块式设计，可以因地制宜的进行拼装，为高功率发电提供技术基础保证。

b)使用支撑架为叶轮提供结构支撑，相比于现有技术利用支撑柱的方式，本发明结构更加稳固，稳定性更高。

c)叶片组件的设计，确保叶片受力面积更大，启动风速更小。

d)本发明垂直轴叶轮模块既可以用于风力发电机，又可以用于水力发电机。空气密度和水的密度差异显著，因此不同流体环境下的垂直轴叶轮模块，对尺寸和材质需要进行适应性常规选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明垂直轴叶轮模块一较佳实施例的立体结构示意图。

图2是本发明垂直轴叶轮模块一较佳实施例中叶片组件的立体结构示意图。

图3是图2中A局部放大图。

图4是本发明垂直轴叶轮模块一较佳实施例中叶片的立体结构示意图。

图5是本发明垂直轴叶轮模块一较佳实施例中叶片关闭状态下的单元框横截面示意图。

图6是本发明垂直轴叶轮模块一较佳实施例中叶片开启状态下的单元框横截面示意图。

图7是图6中B局部放大图。

图8是本发明垂直轴叶轮模块另一较佳实施例中叶轮机构俯视示意图。

图9是本发明垂直轴叶轮模块另一较佳实施例中叶轮机构俯视示意图。

图10是本发明垂直轴叶轮模块另一较佳实施例中叶轮机构俯视示意图。

图11是本发明发电装置立体结构示意图。

图中标记分别为：

叶轮模块100、

支撑架110、支撑框111、第一安装架112、第二安装架113、

垂直转轴120、下连接端121、上连接端122、第一轴承123、第二轴承124、

叶片组件130、

组件框架131、单元框1311、框门安装轴1314、竖框1312、横框1313、前封闭部1315、后封闭部1316、

框门132、第一叶片1322、轴管1321、第二叶片1323、

轴套133、连接筋134、筋板135、导风板136。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进行说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。

实施例1

参见图1至图7。本实施例所描述的一种垂直轴叶轮模块100，包括支撑架110、支撑框111、第一安装架112、第二安装架113、垂直转轴120、下连接端121、上连接端122、第一轴承123、第二轴承124、叶片组件130、组件框架131、单元框1311、框门安装轴1314、竖框1312、横框1313、前封闭部1315、后封闭部1316。

支撑架110为框架结构，本实施例中，该框架结构为立方体框架结构。当然，也可以是正多形柱体框架结构。框架结构上设置有用于拓展连接的功能结构，例如螺孔。必要时，多个支撑框可以上下连接，也可以左右连接，或者前后连接。拓展连接时，还可以用现有的卡扣设备进行紧固连接。连接方式可以是现有技术中任何有利于结构长期稳固的方式。

支撑架110包括支撑框111和垂直转轴安装架。支撑框111上安装垂直转轴120。所述支撑框111上部设置有第一安装架112，所述支撑框111下部设置有第二安装架113，所述第一安装架上设置有第一轴孔，所述第二安装架上设置有第二轴孔，所述第二轴孔位于所述第一轴孔正下方；所述第一轴孔上安装有第一轴承123，所述第二轴孔上安装有第二轴承134，所述第一轴承123和所述第二轴承124紧固安装在所述垂直转轴120上。所述垂直转轴120竖直安装在所述支撑架110上，所述垂直转轴120顶端设置有上连接端122，所述垂直转轴120底部设置有下连接端121。两个或两个以上支撑框上下连接时，上一垂直转轴的下连接端与下一垂直转轴的上连接段紧固连接，上下两根垂直转轴在转动过程中同步转动。上下垂直转轴可以通过螺纹连接、销连接、法兰连接等现有的紧固连接的方式连接，确保垂直转轴连接具有稳定性和安全性。

叶轮模块100由支撑架110和叶轮机构构成。所述叶轮机构包括一垂直转轴120及呈辐射状均布安装在所述垂直转轴120上的多个叶片组件130。本实施例中，叶片组件的数量为4个。所述叶片组件130包括组件框架131，所述组件框架131上设置有多个单元框1311，每个单元框1311上均安装有框门132，所述框门132仅能够沿顺时针方向开启或所述框门132仅能够沿逆时针方法开启。框门132开启或关闭，取决于叶片组件130在转动过程中的位置与流体流向之间的关系。如图5所示，水平箭头示意的是流体流动方向，当框门132正面受到流体压力时，框门132与单元框1311贴合，处于框门关闭状态。如图6所示，水平箭头示意的是流体流动方向，当框门132背面受到流体压力时，框门132与单元框1311不贴合，处于框门开启状态。叶片组件在转动过程中，框门132正面与背面交替受到流体压力，不同叶片组件受力不同，但凡流体流动，均有着压力差。作为优选实施方式，所述组件框架由多个平面构成凹型框架，相邻两平面之间的夹角∠a：120°≤∠a＜180°。夹角大小的选择，根据平面数量和组件框架长度进行具体选择。组件框架长度与∠a大小成正比，平面数量与∠a大小成正比。当凹面受流体压力时，框门关闭；当凸面受流体压力时，框门开启。某一组件框架的凹面正受流体压力，转动180°后，其凸面正受流体压力。

本实施例中，所述单元框1311为矩形框，由两竖框1312和两横框1313围合构成；竖框1312的厚度厚于横框1313。所述单元框1311内安装有框门安装轴1314；所述框门132包括轴管1321和分别位于轴管1321两侧的第一叶片1322和第二叶片1323，所述第一叶片1322和第二叶片1323之间的夹角为钝角；所述轴管1321套设在所述框门安装轴1314上。进一步地，在本实施例中，所述框门安装轴1314平行于所述横框1313，并靠近上横框；所述横框1313上设置有前封闭部1315和后封闭部1316；所述第二叶片1323与所处单元框中下横框的前封闭部1315接触式配合，所述第一叶片1322与所处单元框中的上横框的后封闭部1316接触式配合。第二叶片1323与所处单元框中下横框的前封闭部1315接触于一条线，或一个面。第一叶片1322与所处单元框中的上横框的后封闭部1316接触于一条线，或一个面。

为了提高框门132的使用寿命，框门安装轴1314与所述轴管1321之间还安装有轴套133。

实施例2

如图8所示。本实施例中，为了提高叶片组件的稳定性，在实施例1的基础上，所述叶片组件130与相邻叶片组件之间通过连接筋134连接。连接筋为杆件，既能起到牵拉作用，又能起支撑作用。

实施例3

如图9所示。本实施例以实施例1或实施例2为基础。当叶片组件长度长、重量大时，叶片位置越容易偏斜，添加使用筋板135对叶片组件进行加固，所述筋板135固定连接所述叶片组件130基部与垂直转轴120。

实施例4

如图10所示。本实施例以实施例1或实施例2或实施例3为基础。叶片组件130顶端或者底端还可以分别安装一水平导风板136，所述导风板136安装于叶片组件130的主要受力面一侧，即凹面一侧，以进一步提高效率。

实施例5

本发明还提供一种基于上述任一实施方式所述垂直轴叶轮模块的发电装置，包括齿轮箱和发电机，所述垂直转轴120与齿轮箱传动连接，所述齿轮箱与所述发电机传动连接。齿轮箱和发电机均使用现有技术，本实施例不做赘述。发电装置可以选择安装多个垂直轴叶轮模块。垂直轴叶轮模块可以并联，也可以串联。图11示出的是三个垂直轴叶轮模块串联的情形，齿轮箱和发电机未示出。

本发明垂直轴叶轮模块既可以用于风力发电机，又可以用于水力发电机。空气密度和水的密度差异显著，因此不同流体环境下的垂直轴叶轮模块，对尺寸和材质需要进行适应性常规选择。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述叶轮模块（100）包括支撑架（110）和叶轮机构，所述叶轮机构包括一垂直转轴（120）及呈辐射状均布安装在所述垂直转轴（120）上的多个叶片组件（130）；所述叶片组件（130）包括组件框架（131），所述组件框架（131）上设置有多个单元框（1311），每个单元框（1311）上均安装有框门（132），所述框门（132）仅能够沿顺时针方向开启或所述框门（132）仅能够沿逆时针方法开启；所述垂直转轴（120）竖直安装在所述支撑架（110）上，所述垂直转轴（120）顶端设置有上连接端（122），所述垂直转轴（120）底部设置有下连接端（121）。

2.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述单元框（1311）为矩形框，由两竖框（1312）和两横框（1313）围合构成；所述单元框（1311）内安装有框门安装轴（1314）；所述框门（132）包括轴管（1321）和分别位于轴管（1321）两侧的第一叶片（1322）和第二叶片（1323），所述第一叶片（1322）和第二叶片（1323）之间的夹角为钝角；所述轴管（1321）套设在所述框门安装轴（1314）上。

3.根据权利要求2所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述框门安装轴（1314）平行于所述横框（1313），并靠近上横框；所述横框（1313）上设置有前封闭部（1315）和后封闭部（1316）；所述第二叶片（1323）与所处单元框中下横框的前封闭部（1315）接触式配合，所述第一叶片（1322）与所处单元框中的上横框的后封闭部（1316）接触式配合。

4.根据权利要求2所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述框门安装轴（1314）与所述轴管（1321）之间还安装有轴套（133）。

5.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述组件框架（131）由多个平面构成凹型框架，相邻两平面之间的夹角∠a：120°≤∠a＜180°。

6.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述支撑架（110）包括一支撑框（111），所述支撑框（111）上部设置有第一安装架（112），所述支撑框（111）下部设置有第二安装架（113），所述第一安装架上设置有第一轴孔，所述第二安装架上设置有第二轴孔，所述第二轴孔位于所述第一轴孔正下方；所述第一轴孔上安装有第一轴承（123），所述第二轴孔上安装有第二轴承（134），所述第一轴承（123）和所述第二轴承（124）紧固安装在所述垂直转轴（120）上。

7.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述支撑框（111）为立方体框架结构。

8.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，所述叶片组件（130）与相邻叶片组件之间通过连接筋（134）连接；所述叶片组件（130）顶端或者底端还分别安装一水平导风板（136）。

9.根据权利要求1所述的垂直轴叶轮模块，其特征在于，还包括筋板（135），所述筋板（135）固定连接所述叶片组件（130）基部与垂直转轴（120）。

10.一种基于1-9任一权利要求所述垂直轴叶轮模块的发电装置，包括齿轮箱和发电机，其特征在于，所述垂直转轴（120）与齿轮箱传动连接，所述齿轮箱与所述发电机传动连接。