CN1095036C - 水平轴式风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种水平轴式风力涡轮机包括一个支承转子的框架，一个多叶片的转子，一个产生电力的定子和一个回转轨道。该支承框架由许多三角形的子装置构成。转子具有许多从其上面突出出来的叶片。叶片的间距可以调节，并被一个具有许多磁铁的轮缘包围。风力使该轮缘转动。定子基本上是静止的，它安装在该框架上，与该轮缘相对。当回转轮缘上的磁铁从定子旁边通过时，就产生电力。定子利用磁铁的吸引力自动调节，与回转轮缘对准。框架安装在回转轨道上，使框架可以连续调节，以使风力引起的转子的转动达到最大。

Description

水平轴式风力涡轮机

发明背景

1.发明领域

一般来说，本发明涉及用于产生电能的涡轮机，更具体地说，涉及水平轴式风力涡轮机。

2.先前技术的说明

在整个历史长河中，人类文明都在渴望得到更好和更有效的产生能源的方法。一些地方，不是经常有矿物燃料，而且长距离运输，价格昂贵。核能会产生不需要的放射性废料，并具有发生灾难性事故的潜在危险。使用太阳能的前景，由于利用太阳能量所必需的设备价格昂贵而变得暗淡了。水力发电需要流动的水，并经常要破坏正常的水道。看起来，风力是唯一可以容易获得和安全的能源。

虽然，几个世纪以前已经在开发，但今天，风力发电装置仍是人们喜爱的一个能源产生装置。以前用于磨谷物的风车已经用来产生电力。风车已经发展成风力涡轮机，其中风能不再转动压在谷物上面的石头轮子，而是使磁铁通过导线线圈旁边来发电。在风力涡轮机中，风力推动一个轮子的叶片，该轮子就起发电机转子的作用。

一段时间以来，已经开发了一些风力涡轮机，它们可以有效地工作，以补偿许多阻碍协调地回收风能的天然障碍。例如，风向的偏移可以使一台固定的风力涡轮机停止工作，因此，风力涡轮机的结构应有不同的回转方法，使风能以最佳的方式冲击叶片。此外，已经开发了一些风力涡轮机，使得风速的变化对风力涡轮机的结构牢固性和发电潜力比较没有影响。

水平轴式风力涡轮发电机已经证明在风力发电方面是非常有效的。一般，它由安装在高塔顶上的一个发动机舵组成。该发动机舵内装置一个传动装置，用以将转子的转速增加至发电机的速度，另外还需要一些使电力平稳的装置，以便补偿风力的周期性波动和风阵。该发动机舵还包括一个高强度的轴，用以安装一个大的转子轮毂和叶片。该发动机舵在水平平面内转动，以调整至风流的方向，使转子面对迎面而来的风。

然而，水平轴式风力涡轮机并不是没有问题。该传动装置需要定期的维护和修理，而该传动装置就是水平轴式风力涡轮机设计的主要花费。另外，该主轴不但必须承受转子轮毂和叶片的负载，而且必须承受振动和风阵的负载。此外，在增强支承沉重的发动机舵的塔结构方面，也会有很大的花费。

水平轴式风力涡轮机的另一个问题是转子直径太大和转子叶片数太少。水平轴式风力涡轮发电机通常转子直径至少有20米，而设计成只带有两个或三个叶片。一般的规则是，如果风力涡轮机有许多叶片，则转子的坚固性增加，回转速度较慢，并产生较小的噪声。然而，水平轴式风力涡轮机采用少量的叶片，因为通常叶片的设计和制造较昂贵。而且，水平轴式风力涡轮机的转子直径增大，在风速大时，使叶片的控制和保持结构牢固性较困难。

对于水平轴式风力涡轮机，需要简单的结构、低的生产成本、低的维修费用和可靠的结构牢固性。

1873年12月30日颁发给Emilius Sanderson的美国专利145,970号表示了支承一个风轮的水平轴两侧的概念。

1883年2月27日颁发给Homer B.Sprague的美国专利273,182号和1992年11月10日颁发给Alfred J.Eggers Jr.的美国专利5,161,952号表示了使用具有辐条的轮缘，以支承叶片。这些专利表示了一个空气动力学叶片形状，以及使用在辐条上作有螺纹的叶片。

1883年7月31日颁发给Carl F.W.Schramm的美国专利282,122号表示了一台风车，它可根据风速的变化，自动进行调节。

1903年1月6日颁发给Luis Soria Y.Hernandez的美国专利717,939号表示了一台在有轮子的基座上转动的风力涡轮机。

1912年1月23日颁发给Judson A.Bennett的美国专利1,015,416号表示了一个支承在其上安装着一台风车叶片的水平轴两端的框架结构。当该框架的外部拐角沿着一条圆形轨道转动时，该结构的中心柱保持固定不动。

1917年7月10日颁发给Albert H.Heyroth的美国专利1,233,232号，1934年1月23日颁发给Hermann Honnef的美国专利1,944,239号和1939年7月13日颁发给Clement Lean的英国专利文件507,555号表示了利用一个叶片结构的轮缘，与一个固定的定子部份结合以产生电力。

1982年4月6日颁发给Schachle等人的美国专利4,323,331号表示了一种框架结构，其中一个涡轮机支承可转动地安装在一个基座在地面上的支座件上。

1982年12月21日颁发给Constant V.David的美国专利4,364,708号表示了一个具有可调节的叶片的风车。

以上的发明和专利，不论从单个看或综合起来看，都没有一个是说明所提出的本发明的。

发明梗概

根据本发明的一种水平轴式风力涡轮机包括一个支承转子的框架，一个多叶片的转子，一个产生电力的定子和一个回转轨道。该支承框架的结构带有许多三角形的子装置。该转子具有许多从一个中心轮毂突出出来的叶片，该轮毂则可转动地安装在该支承框架上。叶片的间距可以调节，并被一个具有许多磁铁的轮缘包围。风引起该轮缘转动。该定子基本上是静止不动的，并安装在支承上，该支承将定子固定在与轮缘相对的框架上。不论该轮缘是否运动，其上面安装着定子的支承可调节，以保证轮缘和定子之间的距离固定不变。转子轮缘磁铁和定子之间的吸引力保持定子与转子对准。定子可以运动，与转子对准，因为支承是可挠曲的，但保持与转子轴平行。这是本发明的一个主要特点。当在转动的轮缘上的磁铁从定子旁边通过时，就可产生电力。该框架安装在回转轨道上，使该框架可以连续地调节，以使转子的由风引起的转动达到最大。

因此，本发明的一个主要目的是要提供一种相互啮合时机械零件最少的风力驱动的发电机。

本发明的另一个目的是要提供可调节的定子支承，以便保持可动的磁铁和定子之间的距离固定不变，和磁铁与定子对准。

本发明还有一个目的是要使用许多辐条以保证轮缘的刚性，用于保持从转子突出出来的许多叶片中的每一个叶片的位置。

本发明再有一个目的是提供一种简单，但坚固的、可调节的框架，用以支承风力涡轮机的转子和定子。

本发明还有一个目的是要提供一些改进的零件和这些零件在一个用于上述目的的装置中的布局，该装置是价格低廉的、可靠的、和对于达到这些预期的目的是完全有效的。

当进一步研究下列说明和附图时，本发明的这些和另外一些目的将很快变得清楚起来。

附图的简要说明

图1为本发明的正视图，图中表示了突出在地面以下的本发明的各个部份；

图2为本发明的侧面部份视图；

图3为本发明的顶部视图；

图4为本发明的轮缘-定子-框架区域的详细截面图；

图5为一个叶片和在其上安装着该叶片的一个辐条的截面图。

在所有的附图中，相同的代号都表示相应的特点。

优选实施例的详细说明

本发明为一种水平轴式的风力涡轮机，它可使机械磨损减至最小，风力涡轮机结构简单，并且可以不管是风使结构发生挠曲的作用还是定子上磁铁的吸引力，都能保证回转的磁铁与产生电力的定子之间一致的间隔。

参见附图，根据本发明的一种水平轴式风力涡轮机10包括一个支承转子的框架12，一个多叶片转子14，一个产生电力的定子16和一个回转轨道18。

该支承转子的框架12包括许多由结构零件构成的三角形的子装置。更具体地说，该框架具有包括一个主要的后支腿件22，两个中间支腿件34，36，和两个前支腿件42，44的至少五个垂直支腿件。另外，最好和根据意愿，还可以有一个辅助的后支腿件28。每一个支腿件都是薄而细长的，并由已知形式的坚固、耐久和重量轻的材料制成。在一个实施例中，每一个支腿件为一根标准的薄壁钢管。每一个支腿件还具有一个顶端T和一个底端B 。中间支腿件中的第一个支腿件34与中间支腿件中的第二个支腿件36，在顶端T处连接。中间支腿件34，36的顶端T支承着一个轮毂轴40的一个后端38，该轮毂轴40可转动地放置在中间支腿件34，36的顶端T上，并利用已知的装置与该顶端T连接。前支腿件中的第一个支腿件42与前支腿件中的第二个支腿件44在顶端T处连接。前支腿件42，44的顶端T支承着该轮毂轴40的前端46，而该轮毂轴40则是可转动地放置在前支腿件42，44的顶端T上，并利用已知的装置与该顶端T连接。

中间支腿件中的第一个支腿件34的底端B与前支腿件中的第一个支腿件42的底端B连接，并且，在该连接处放置着第一个回转轮48。回转轮48的尺寸和形状可以与回转轨道18啮合。中间支腿件中的第二个支腿件36的底端B与支腿件中的第二个支腿件44的底端B连接，并且在该连接处固定和放置着第二个回转轮50 。该回转轮50的尺寸和形状可以与回转轨道18啮合。

两个水平的加强件52，53分别连接在中间支腿件34，36和前支腿件42，44之间，并且放在中间支腿件34，36和前支腿件42，44之间的中心处。两个做成一定角度的加强件54(每一个都具有第一末端56和第二末端58)连接和放置在中间支腿件34，36和前支腿件42，44之间。该做成一定角度的加强件54的第一末端56分别与前支腿件中的第一支腿件42，和中间支腿件中的第一支腿件34连接，其连接处大致与水平加强件52，53连接的地方相同。该做成一定角度的加强件54的第二末端58分别与前支腿件中的第二支腿件44和中间支腿件中的第二支腿件36连接，其连接处大致与第二个回转轮50固定的地方相同。

主要后支腿件22的第一末端60与两个中间支腿件34，36的顶端T连接，而该主要后支腿件22的第二末端62，可转动地与一个中心涡轮机的回转轴64连接。所述辅助后支腿件28的第一末端66，与在水平的后加强件52上的中心点(没有示出)连接，而该辅助支腿件28的第二末端则可转动地与中心涡轮机的回转轴64连接。在主要后支腿件和中间支腿件之间，或在框架的其它零件之间还可以放置各种不同的加强件(没有示出)。

由于框架12与回转轴64的可转动连接，和与回转轨道18啮合的轮子48与50的可转动本质，可以连续地调节框架12，使风力引起的转子14的转动最大。这种调节是由一个已知形式的连杆机构或控制系统(没有示出)来进行的。

该回转轴64与一个相对于回转轨道18、位于中心的、已知形式的沉重的中心锚定件68连接。该锚定件68由地面69支承或埋入地面69中。两个水平的基座件70，72连接在该回转轴64和中间支腿件34，36与前支腿件42，44的底端B之间。这些基座件70，72进一步加强了框架12。

至少有一个安装在框架12上的定子前后支承机构74(例如安装在前支腿件42，44和/或中间支腿件34，36上)，用于为定子16提供支承。该定子前后支承机构74的尺寸和形状允许它在与转子14平行的方向上挠曲，以保持定子16与轮缘76的距离固定不变。另外，至少还有一个(最好两个)定子的侧面对侧面支承机构78，它也安装在框架12上(例如，安装在一个或两个水平加强件52，53上，或安装在定子水平支承件75上)。该两个定子水平支承件75放置在水平加强件52，53之间，以便获得更大的结构牢固性。这个定子的侧面对侧面支承机构78为定子16提供支承，其尺寸和形状允许它在与轮缘76平行的方向上挠曲，以便保持定子与轮缘的距离固定不变。

多叶片转子14包括许多从轮毂82突出出来的叶片80，该轮毂82则可转动地安装在轮毂轴40上。轮毂82可以是敞开的，以便风可以通过它吹进(如图所示)；或者将轮毂82做成封闭的，这样，风将围绕着轮毂，通过叶片80吹进。整个叶片80被轮缘76包围，在轮缘76相对于叶片80的外部，放置着许多磁铁84。在优选实施例中，在磁铁84和轮缘76之间，放置着薄的钢垫片77。叶片80的间距可以调节。为了减小轮缘76所必需的刚度、重量和成本，最好叶片80的数目根据实际需要决定。叶片80的数目和宽度可以改变，以便在风的包围区内，使风力涡轮机10的效率最高。

还有许多辐条86，其数目与安装在轮毂轴40上的轮毂82上的许多叶片80的数目相等。该许多辐条86连接并张紧在轮毂82和轮缘76之间，而叶片80则安装在辐条86上。叶片80的尺寸和形状使它可以围绕着辐条86转动，这样叶片80的间距可以调节。叶片80的间距由一个已知形式的连杆机构(没有示出)控制。最好，叶片80基本上是空心的，并由重量轻、耐用的材料(例如玻璃纤维和金属板)制造，设置在叶片80上的筋88支承着叶片80，并保证辐条86和叶片80之间的适当的空间关系。

产生电力的定子16固定在框架12上，与回转的轮缘76相对；从而，当风力使转子14转动时，该回转轮缘76上的许多磁铁84从定子16旁边通过，借助感应作用，产生电力。为了保证对定子16和转子14之间的空间关系的适当控制，希望定子16与轮缘76外接不要超过90°。最好，定子与轮缘76外接小于45°。

不论有多大的风力负载冲击在叶片上，保持电压固定是很重要的。保持电压固定的一个方法是，根据风力负载的变化，改变定子16相对于转子14的空间定向。具体地说，为了减小电压输出，可使定子16与转子14离开，而相反，为了增加电压，可使定子移动更靠近转子14。在这种情况下，定子16的尺寸和形状可以做成有选择地、使它移动更靠近转子14的轮缘76(和磁铁84)，或更远离转子14的轮缘76(和磁铁84)。

另一种方法是，可以具有许多中间抽头(没有示出)，每一个中间抽头与定子16的感应线圈(没有示出)的不同部份连接，使每一个中间抽头(没有示出)产生不同的电压。然后，当风力负载改变时，利用已知方法，选择具有所希望电压的一个中间抽头(没有示出)，这样可将电压保持在大致固定的水平上。

应当理解，本发明不是仅限于上述的实施例，而是可以包括在下述权利要求书所述的范围内的任何一个和所有的实施例。

Claims (5)

1.一种水平轴式风力涡轮机，它包括：

一个支承转子的框架(12)；

一个由所述框架(12)支承的转子(14)，所述转子(14)包括：

    许多叶片(80)，

    一个包围着所述叶片(80)的轮缘(76)，和

    固定在所述轮缘(76)上的许多磁铁(84)；和

一个产生电力的定子(16)；和其特征在于，

一个定子支承机构(74，78)，它将所述定子(16)固定在所述框架(12)上，与所述轮缘(76)相对，所述定子支承机构(74，78)是可挠曲的，能在所述轮缘(76)运动过程中保持所述定子(16)与所述转子(14)的所述轮缘(76)的距离固定不变。

2.如权利要求1所述的水平轴式风力涡轮机，其特征还在于，所述叶片(80)的间距可以调节。

3.如权利要求1所述的水平轴式风力涡轮机，其特征还在于，所述许多磁铁(84)的磁吸引力可保持所述定子(16)与所述转子(14)的所述轮缘(76)对准。

4.如权利要求1所述的水平轴式风力涡轮机，其特征还在于，它具有：

许多辐条(86)，其数目与所述许多叶片(80)的数目相等；和

安装在所述转子(14)上的一个基本上为圆形的轮毂(82)，所述许多辐条(86)连接和张紧在所述轮毂(82)和所述轮缘(76)之间，而所述叶片(80)则安装在所述辐条(86)上。

5.一种水平轴式风力涡轮机，它包括：

一个支承转子的框架(12)，它包括一个主要的后支腿件(22)，两个中间支腿件(34，36)，两个前支腿件(42，44)和一个辅助后支腿件(28)；每一个支腿件都具有一个顶端和一个底端；所述中间支腿件中的第一个支腿件(34)，在所述顶端，与所述中间支腿件中的第二个支腿件(36)连接；所述中间支腿件(34，36)的所述顶端，支承着可转动地放置在所述中间支腿件(34，36)的所述顶端上，并与之连接的一个轮毂轴(40)的一个后端(38)；所述前支腿件中的第一个支腿件(42)，在所述顶端，与所述前支腿件中的第二个支腿件(44)连接；所述前支腿件(42，44)的所述顶端，支承着可转动地放置所述前支腿件(42，44)的所述顶端上，并与之连接的所述轮毂轴(4 0)的一个前端(46)；所述中间支腿件中的所述第一个支腿件(34)的所述底端，与所述前支腿件中的所述第一个支腿件(42)的所述底端连接；第一个回转轮(48)放置在所述前支腿件中的所述第一个支腿件(42)的所述底端上；所述中间支腿件中的所述第二个支腿件(36)的所述底端与所述前支腿件中的所述第二个支腿件(44)的所述底端连接；第二回转轮(50)放置在所述前支腿件中的所述第二个支腿件(44)的所述底端；两个水平的加强件(52，53)连接在所述中间支腿件(34，36)和所述前支腿件(42，44)之间，并放置在二者的中心处；两个定子的水平支承件(75)放置在所述水平加强件(52，53)之间；两个做成一定角度的加强件(54)中，每一个都具有一个第一末端(56)和一个第二末端(58)，并连接和放置在所述中间支腿件(34，36)和所述前支腿件(42，44)之间；所述做成一定角度的加强件(54)的所述第一末端(56)，基本上在所述水平加强件(52，53)连接的地方，分别与所述前支腿件中的所述第一个支腿件(42)，和所述中间支腿件中的所述第一个支腿件(34)连接；所述做成一定角度的加强件(54)的所述第二末端(58)，大致在所述回转轮(50)固定的地方，分别与所述前支腿件中的所述第二个支腿件(44)，和所述中间支腿件中的所述第二个支腿件(36)连接；所述主要后支腿件(22)的第一末端(60)，与所述两个中间支腿件(34，36)的所述顶端连接；而所述主要后支腿件(22)的第二末端(62)，可转动地与一个中心涡轮机的回转轴(64)连接；所述辅助后支腿件(28)的第一末端(66)，与所述水平加强件(52)的一个后加强件上的中心点连接；所述辅助后支腿件(28)的第二未端，可转动地与所述中心涡轮机的回转轴(64)连接；

一个多叶片转子(14)，它包括许多从可转动地安装在所述轮毂轴(40)上的一个轮毂(82)上突出出来的叶片(80)，所述叶片(80)被一个具有许多磁铁(84)的轮缘(76)包围；所述磁铁(84)通过薄钢垫片(77)与所述轮缘(76)连接；所述转子还包括许多辐条(86)，其数目与安装在所述轮毂轴(40)上的所述轮毂(82)上的所述许多叶片(80)的数目相等；所述许多辐条(86)连接和张紧在所述轮毂(82)和所述轮缘(76)之间，而所述叶片(80)则安装在所述辐条(86)上；所述叶片(80)的尺寸和形状可使它围绕着所述辐条(86)转动，从而可调节其间距；所述叶片(80)基本上是空心的，并由重量轻、耐用的、从玻璃纤维和金属板中选择的材料制成；所述叶片(80)上有筋(88)，所述筋(88)支承着所述叶片(80)，并保证所述辐条(86)和所述叶片(80)之间的适当的空间关系；

一个回转轨道(18)，所述回转轴(64)与相对于所述回转轨道(18)，位于中心的一个沉重的中心锚定件(68)连接；两个水平基座件(70，72)连接在所述回转轴(64)和所述中间支腿件(34，36)与所述前支腿件(42，44)的所述底端之间；所述框架(12)通过所述轮子(48，50)，安装在所述回转轨道(18)上；

一个产生电力的定子(16)，它固定在所述框架(12)上，与所述轮缘(76)相对；所述定子(16)以大约45°与所述轮缘(76)外接；

至少一个定子的前后支承机构(74)，它安装在所述前支腿件和中间支腿件(34，36，42，44)上，所述定子的前后支承机构(74)是可挠曲的，能在所述轮缘(76)的运动过程中保持所述定子(16)与所述轮缘(76)的距离固定不变；

至少一个定子的侧面对侧面支承机构(78)，它安装在所述定子的水平支承件(75)上，所述定子的侧面对侧面支承机构(78)是可挠曲的，能在所述轮缘(76)的运动过程中保持所述定子(16)与所述轮缘(76)的距离固定不变。

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