CN111677626A - 垂直轴涡轮风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，公开了垂直轴涡轮风力发电系统，包括：集风装置包括多个侧板，且多个侧板绕同一竖直轴呈向外发散布置，多个侧板的两端构成圆环状结构，相邻的侧板之间形成水平向的风流通道，且风流通道的横截面积由其入口向其出口方向逐渐减小；涡轮静子套设于由侧板构成的圆环状结构的内侧，涡轮静子包括导向叶片，且与风流通道的出口相连通；涡轮转子套设于涡轮静子的内侧，涡轮转子包括动叶片和转子盘，动叶片与导向叶片对应设置，动叶片固定于转子盘的周侧；转子盘与发电机驱动连接。本发明实施例取消了偏航装置，即可接受各个水平方向的来风，在低风流能量密度的情况下，也可以进行高效发电，提高了发电功率，安全性高。

Description

垂直轴涡轮风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种垂直轴涡轮风力发电系统。

背景技术

由于我国西北、华北和东北地区的电力消纳存在难题，弃风现象比较严重。随着低风速技术的创新发展，之前不具备开发价值的低风速区正逐渐被风电领域利用起来。而低风速区要想具有经济开发价值就必须使作用在风轮叶片上的风能密度达到0.08～0.17kw/m²，但对于风能密度低于0.08kw/m²则无法直接利用。

提升风力发电系统的发电功率是主要要解决的问题，其关键在于涡轮转子能给出多大的扭矩，因此，如何提高涡轮转子产生的扭矩是风力发电机组研究人员最为努力去解决的问题。目前三叶式水平轴风力发电机正在以增加塔筒的高度和增长叶片的长度来解决这个问题，但这种增加功率的方法是受到叶尖线速度的极大限制，如果叶尖的线速度大于来流风速时，叶尖的作功能力是很差的，甚至是无法作功。但是三叶式水平轴作功能力最大部分是体现在叶尖数米的范围内，它能占到真个叶轮转子发出功率的60％，如果叶尖损失了作功能力，增加叶片长度也并不能解决问题。况且叶片越长，增加了加工制造和运输的难度，材质要求也相应提高，使之制造成本大幅度提高。有的学者想以增加水平轴的叶片数量来提高叶轮转子叶尖的受风面积，从而提高转子作功能力，但是这种想法也很难实现，因为水平轴风力机的轮毂尺寸受到其本身重量的限制，目前轮毂的尺寸装三只叶片已经到了尺寸极限，再增加叶片数量已没有安装的空间。当然，增加叶片数量还存在一些空气动力学上的问题和平衡上的问题。另外，如果以增加塔筒高度向高空要风能，这里也存在很多技术上的问题，首先是塔高度增加会使塔顶摆幅度增加，造成一定安全隐患，安装运输和维护上的困难也会增加。更重要的是塔筒增高，频率降低，这会导致出现塔筒涡激振动现象。另外，由于水平轴风力机的主要设备都在空中的塔顶上，如果出现顶部摆动加大，再遇到低空急流，很可能造成倒塔现象，安全性低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例的目的是提供一种垂直轴涡轮风力发电系统，以解决现有技术中存在的低风能密度无法被风力发电系统所利用以及涡轮风力发电机发电功率低和安全性低的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种垂直轴涡轮风力发电系统，包括：涡轮转子、涡轮静子、集风装置和发电机；其中，

所述集风装置包括多个侧板，且多个所述侧板绕同一竖直轴呈向外发散布置，多个所述侧板的两端构成圆环状结构，相邻所述的侧板之间形成水平向的风流通道，且所述风流通道的横截面积由其入口向其出口方向逐渐减小；

所述涡轮静子套设于由所述侧板构成的所述圆环状结构的内侧，所述涡轮静子包括导向叶片，且与所述风流通道的出口相连通；

所述涡轮转子套设于所述涡轮静子的内侧，所述涡轮转子包括动叶片和转子盘，所述动叶片与所述导向叶片对应设置，所述动叶片固定于所述转子盘的周侧；

所述转子盘与所述发电机驱动连接。

其中，所述集风装置还包括风门，所述风门的外形与所述侧板的外形一致，所述风门的一端可转动连接于所述风流通道的出口处，用于调节进风量和冲角；当所述风门开启时，所述风门与所述侧板连接为一体；当所述风门关闭时，所述风门将所述风流通道关闭。

其中，还包括推力轴承装置和传动轴承装置，所述转子盘依次通过所述推力轴承装置、所述传动轴承装置与所述发电机连接。

其中，所述推力轴承装置包括短轴、推力轴承本体、推力轴承座和推力轴承支撑座，所述短轴与所述转子盘同轴连接，且位于所述推力轴承本体的内环上，所述推力轴承本体通过所述推力轴承座安装于所述推力轴承支撑座。

其中，所述传动轴承装置包括联轴器、第一级增速机、刹车机构、第二级增速机和离合器，所述短轴的下端通过所述联轴器与所述第一级增速机的输入端连接，所述第一级增速机的输出端通过所述刹车机构与所述第二级增速机的输入端连接，所述第二级增速机的输出端为多轴输出端，所述离合器连接于所述第二级增速机的输出端。

其中，所述涡轮静子为多层结构，且每层的所述涡轮静子至少设置一个导向叶片，所述涡轮静子包括支撑体、第一围带和第二围带，所述第一围带和所述第二围带分别位于同一层的所述涡轮静子的顶部和底部，所述支撑体安装于所述第二围带上，所述导向叶片抵接于对应层的所述第一围带和所述支撑体之间。

其中，所述涡轮转子为多层结构，且每层的所述涡轮转子至少设置一个动叶片，所述涡轮转子包括连接段、连接板、中心支撑柱、第三围带和第四围带，所述中心支撑柱竖直设置于所述转子盘的中央，所述连接段连接于上、下相邻两层的所述涡轮转子之间，所述连接板固定于所述动叶片的底部，所述第三围带和所述第四围带分别位于对应层的所述动叶片的上、下两端。

其中，还包括多个第一扶正轴承，所述第一扶正轴承设置于所述涡轮静子和所述涡轮转子之间，所述第一扶正轴承的外环与所述支撑体连接，所述第一扶正轴承的滚轮与所述涡轮转子间隙设置。

其中，还包括多个第二扶正轴承，所述第二扶正轴承围设于所述转子盘的外侧，所述第二扶正轴承的外环和所述推力轴承支撑座连接，所述第二扶正轴承的滚轮与所述转子盘间隙设置。

其中，还包括塔架，所述塔架包括多根第一立柱、多根第二立柱、多根横梁和多条第一拉索，所述第二立柱并排竖直设置，所述第一立柱并排竖直设置于所述第二立柱的内侧，所述横梁水平固定于所述第一立柱和所述第二立柱上，所述第一拉索的一端与所述横梁连接，所述第一拉索的另一端与所述第二立柱连接。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种垂直轴涡轮风力发电系统，采用垂直轴风力发电的形式，可接受各个水平方向的来风，整体更加坚固可靠，并且通过风流通道提高风流能量密度，通过导向叶片调整风流以合适的冲角冲击动叶片，使动叶片转动并带动转子盘旋转，转子盘的扭矩传递给发电机，进行发电。本发明实施例取消了偏航装置，即可接受各个水平方向的来风，在低风流能量密度的情况下，也可以进行高效发电，提高了发电功率，安全性高。

附图说明

图1为本发明实施例垂直轴涡轮风力发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例集风装置风门开启状态的结构示意图；

图3为本发明实施例集风装置风门关闭状态的结构示意图

图4为本发明实施例涡轮静子的结构示意图；

图5为本发明实施例涡轮转子的结构示意图；

图6为本发明实施例推力轴承装置的结构示意图；

图7为本发明实施例传动轴承装置的结构示意图；

图8为图1中A的局部结构示意图；

图9为图1中B的局部结构示意图；

图10为本发明实施例塔架的结构示意图。

附图标记：

1：塔架；201：第一立柱；202：第二立柱；203：横梁；205：第一拉索；3、推力轴承装置；31：推力轴承本体；32：短轴；33：推力轴承座；34：推力轴承支撑座；4：第一扶正轴承；5：第二扶正轴承；6：涡轮转子；61：动叶片；62：第三围带；63：第四围带；64：连接段；65：连接板；66：转子盘；67：中心支撑柱；68：第二拉索；7：涡轮静子；71：导向叶片；72：第二围带；73：第一围带；74：支撑体；8：集风装置；81：风门；82：侧板；9：传动轴承装置；91：联轴器；93：第一级增速机；94：刹车机构；95：第二级增速机；96：离合器；10：发电机；16：排风道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图5所示，本发明实施例公开了一种垂直轴涡轮风力发电系统，包括：涡轮转子6、涡轮静子7、集风装置8和发电机10。

本实施例采用的是一种垂直轴涡轮风力发电形式，涡轮转子6、涡轮静子7和集风装置8为轴向嵌套结构，来流风依次通过集风装置8提高风流密度，通过涡轮静子7调整冲角冲击涡轮转子6，带动涡轮转子6转动，将扭矩传递给发电机10，将机械能转化为电能。垂直轴涡轮风力发电形式更加牢固可靠，可增加高度以索取高空中的高速风流，便于调整钢结构塔架1的固有频率，躲开共振区间，消除了涡激振动的可能性，大大降低了提高风力机高度所带来的风险。

在塔架1顶部还设有排风道16，其位置设置于涡轮转子6的顶部，它不光是主流风的排风道16，还是沿塔高度进入转子的对流风，和主流风一起作功。排风道16越高，对流风的能量越大。

具体地，涡轮转子6、涡轮静子7和发电机10均为涡轮风力发电机10的必要组件，而本实施例中的集风装置8可以大大增加来来流风能密度，并将来风通入涡轮静子7，对风流进行梳理，调整冲角冲向涡轮转子6，涡轮转子6旋转，将扭矩传递给发电机10，发电机10将机械能转化为电能。

其中，集风装置8包括多个侧板82，且多个侧板82绕同一竖直轴呈向外发散布置，多个侧板82的两端构成圆环状结构(即侧板82绕同一竖直轴呈圆环状分布)，相邻的侧板82之间形成水平向的风流通道，且风流通道的横截面积由其入口向其出口方向逐渐减小。侧板为固定安装，即侧板不随风向旋转。

具体地，本实施例中的侧板82为固定设置，即在接受来风时，侧板82不转动。侧板82可以设计成流线型，引导来流风，减少风能损失。由于侧板82为呈圆环状结构，可以接受各个水平方向的来风，不需要设置偏航装置，即通过设置多方向的侧板82以形成朝向不同方向的风流通道，接受不同方向的风流。风流通道的入口横截面积向出口横截面积逐渐减小，也即风流通道的外侧口径大于内侧口径，通过风流通道的横截面积逐渐缩小以形成渐缩型通道，由于文丘里效应，使风流加速，从而提高风流能量密度。

进一步地，风流通道临近出口处具有弯曲段，该弯曲段可除掉风流中携带的沙尘和雨滴，使其不进入导向叶片71。

其中，涡轮静子7套设于由侧板82构成的圆环状结构的内侧，涡轮静子7包括导向叶片71，且与风流通道的出口相连通。

具体地，本实施例中的导向叶片71的作用为对风流的流动状态进行梳理和调整，使来流风以最佳冲角进入到涡轮转子6内。

其中，涡轮转子6套设于涡轮静子7的内侧，涡轮转子6包括动叶片61和转子盘66，动叶片61与导向叶片71对应设置，动叶片61固定于转子盘66的周侧。

具体地，本实施例中的动叶片61与导向叶片71相对，使得来流风可依次通过导向叶片71和动叶片61接受来风，带动转子盘66转动。

其中，转子盘66与发电机10驱动连接。

具体地，发电机10可采用永磁立式发电机组，转子盘66将转矩传递给发电机10，发电机10将机械能转化为电能。

本发明实施例提供的一种垂直轴涡轮风力发电系统，采用垂直轴风力发电的形式，可接受各个水平方向的来风，整体更加坚固可靠，并且通过风流通道提高风流能量密度，通过导向叶片71调整风流以合适的冲角冲击动叶片61，使动叶片61转动并带动转子盘66旋转，转子盘66的扭矩传递给发电机10，进行发电。本发明实施例取消了偏航装置，即可接受各个水平方向的来风，在低风流能量密度的情况下，也可以进行高效发电，提高了发电功率，安全性高。

其中，如图2和图3所示，集风装置8还包括风门81，风门81的外形与侧板82的外形一致，风门81的一端可转动连接于风流通道的出口处，用于调节进风量和冲角；当风门81开启时，风门81与侧板82连接为一体；当风门81关闭时，风门81将风流通道关闭。在本实施例中可通过控制风门81的开度以调节进风量，进而达到调整风机的工作状态：当风门81全开时(如图2所示)，风流可直接通过风流通道；当强风来临时(如图3所示)，为了保护内部核心部位不受损害，将风门81完全关闭，在风门81处形成一个封闭的圆柱体，风流无法从风流通道通过，避免由于强风导致内部涡轮静子7和涡轮转子6等核心组件损坏。具体地，通过侧板82形成的风流通道具有一定弧度，以适当调节进风风向。风门81在旋转过程中不仅可以调节进风量，还可以调节进入到涡轮静子7的风流方向，也即改变了风流由导向叶片71进入动叶片61的冲角，实现了大幅度的变桨距调节。其中，如图6所示，本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统还包括推力轴承装置3，推力轴承装置3包括短轴32、推力轴承本体31、推力轴承座33和推力轴承支撑座34，短轴32与转子盘66同轴连接，且位于推力轴承本体31的内环上，推力轴承本体31通过推力轴承座33安装于推力轴承支撑座34。具体地，本实施例的短轴32上端以法兰形式与转子盘66相连，短轴32中部设承重突肩，坐在推力轴承本体31的内环上，短轴32的下部与传动轴承装置9相连。短轴32接受涡轮转子6的机械功率通过传动轴承装置9传给发电机10，将机械能转换成电能。同时，短轴32还接受了涡轮转子6的动静载荷。这些载荷通过短轴32上的承重突肩传递给推力轴承支撑座34，由推力轴承支撑座34传递给底部塔架1。

其中，如图7所示，本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统还包括传动轴承装置9，转子盘66依次通过推力轴承装置3、传动轴承装置9与发电机10连接。转子盘66的扭矩通过推力轴承装置3和传动轴承装置9传递给发电机10，发电机10将该扭矩转化为电能。

其中，传动轴承装置9包括联轴器91、第一级增速机93、刹车机构94、第二级增速机95和离合器96，短轴32的下端通过联轴器91与第一级增速机93的输入端连接，第一级增速机93的输出端通过刹车机构94与第二级增速机95的输入端连接，第二级增速机95的输出端为多轴输出端，离合器96连接于第二级增速机95的输出端。具体地，本实施例采用两级增速的方式(即第一级增速机93和第二级增速机95)，将涡轮转子6传递来的扭矩增加转速后再传递给发电机10，根据发电机10的功能要求，第二增速机采用多轴输出，如图7所示，采用了双轴输出的方式，在较低风能量密度时，也可以实现全功率运行。

其中，如图4所示，涡轮静子7为多层结构，且每层的涡轮静子7至少设置一个导向叶片71，涡轮静子7包括支撑体74、第一围带73和第二围带72，第一围带73和第二围带72分别位于同一层的涡轮静子7的顶部和底部，支撑体74安装于第二围带72上，导向叶片71抵接于对应层的第一围带73和支撑体74之间。具体地，由于高空的风能的潜能量比较大，且风力稳定，所以本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统为多层结构，如图4所示，本实施例采用三层设计，通过增加高度以索取高空中的高速风流加以利用。每一层的导向叶片71由其底部的支撑体74制成，并由第一围带73和第二围带72安装固定好。

其中，如图5所示，涡轮转子6为多层结构，且每层的涡轮转子6至少设置一个动叶片61，涡轮转子6包括连接段64、连接板65、中心支撑柱67、第三围带62和第四围带63，中心支撑柱67竖直设置于转子盘66的中央，连接段64连接于上、下相邻两层的涡轮转子6之间，连接板65固定于动叶片61的底部，第三围带62和第四围带63分别位于对应层的动叶片61的上、下两端。具体地，对应涡轮静子7，本实施例的涡轮转子6也为多层，如图5所示，可采用三层结构。本实施例中的连接板65构造为流线型，减小风阻；第三围带62和第四围带63均为环形钢带，用于安装动叶片61；在第四围带63和中心支撑柱67之间连接第二拉索68，通过第二拉索68的牵引作用，保证动叶片61的稳定性；连接段64用于连接相邻上、下两层的转子结构，可采用钢结构。

其中，如图8所示，本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统还包括多个第一扶正轴承4，第一扶正轴承4设置于涡轮静子7和涡轮转子6之间，第一扶正轴承4的外环与支撑体74连接，第一扶正轴承4的滚轮与涡轮转子6(即连接段64)间隙设置，该间隙为0.5～2mm。具体地。每一层均水平设置多个第一扶正轴承4，第一扶正轴承4通过涡轮静子7的支撑体74和塔架1结构连接，牢固的将涡轮转子6限位在多个第一扶正轴承4形成的圆圈内进行转动。涡轮转子6和涡轮静子7一一对应，通过第一扶正轴承4构成了一个牢固的动静组合体。由于涡轮转子6在受风转动起来后，由于转向力和风流的因素影响下，涡轮转子6可能会偏离中心，采用了第一扶正轴承4，由于涡轮转子6是转动的，所以第一扶正轴承4和涡轮转子6接触点必是相互滚动摩擦，以降低机械损耗，提高风电转化率。而且第一扶正轴承4吸收了涡轮转子6的径向力，传递给涡轮转子6支撑体74，进而作用在塔架1上。它可以多层叠加起来，增加高度，索取高空中高速风流，保证了整体结构的牢固可靠。

其中，如图9所示，本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统还包括多个第二扶正轴承5，第二扶正轴承5围设于转子盘66的外侧，第二扶正轴承5的外环和推力轴承支撑座34连接，第二扶正轴承5的滚轮与转子盘66间隙设置，该间隙为0.5～2mm。本实施例中的第二扶正轴承5主要用于扶正转子盘66，转子盘66产生的径向力通过推力轴承支撑座34传递给塔架1，保证着转子盘66的安全平稳运行。

其中，如图10所示，本实施例中的垂直轴涡轮风力发电系统还包括塔架1，塔架1包括多根第一立柱201、多根第二立柱202、多根横梁203和多条第一拉索205，第二立柱202并排竖直设置，第一立柱201并排竖直设置于第二立柱202的内侧，横梁203水平固定于第一立柱201和第二立柱202上，第一拉索205的一端与横梁203连接，第一拉索205的另一端与第二立柱202连接。具体地，由于本实施例采用多层结构，因此塔架1也为多层结构，第二立柱202和横梁203用于支撑和搭建集风装置8所用空间，第一立柱201和横梁203用于支撑和搭建涡轮静子7所用空间，塔架1还采用圈梁和支撑柱进行支撑，第一拉索205悬吊横梁203，塔架1承受涡轮转子6和涡轮静子7传过来的径向力及涡轮静子7和集风装置8的静载荷和风力载荷，抗振和抗风能力都很强，保证塔架1结构稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，包括：涡轮转子、涡轮静子、集风装置和发电机；其中，

所述集风装置包括多个侧板，且多个所述侧板绕同一竖直轴呈向外发散布置，多个所述侧板的两端构成圆环状结构，相邻所述的侧板之间形成水平向的风流通道，且所述风流通道的横截面积由其入口向其出口方向逐渐减小；

所述涡轮静子套设于由所述侧板构成的所述圆环状结构的内侧，所述涡轮静子包括导向叶片，且与所述风流通道的出口相连通；

所述涡轮转子套设于所述涡轮静子的内侧，所述涡轮转子包括动叶片和转子盘，所述动叶片与所述导向叶片对应设置，所述动叶片固定于所述转子盘的周侧；

所述转子盘与所述发电机驱动连接。

2.根据权利要求1所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，所述集风装置还包括风门，所述风门的外形与所述侧板的外形一致，所述风门的一端可转动连接于所述风流通道的出口处，用于调节进风量和冲角；当所述风门开启时，所述风门与所述侧板连接为一体；当所述风门关闭时，所述风门将所述风流通道关闭。

3.根据权利要求1所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，还包括推力轴承装置和传动轴承装置，所述转子盘依次通过所述推力轴承装置、所述传动轴承装置与所述发电机连接。

4.根据权利要求3所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，所述推力轴承装置包括短轴、推力轴承本体、推力轴承座和推力轴承支撑座，所述短轴与所述转子盘同轴连接，且位于所述推力轴承本体的内环上，所述推力轴承本体通过所述推力轴承座安装于所述推力轴承支撑座。

5.根据权利要求4所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，所述传动轴承装置包括联轴器、第一级增速机、刹车机构、第二级增速机和离合器，所述短轴的下端通过所述联轴器与所述第一级增速机的输入端连接，所述第一级增速机的输出端通过所述刹车机构与所述第二级增速机的输入端连接，所述第二级增速机的输出端为多轴输出端，所述离合器连接于所述第二级增速机的输出端。

6.根据权利要求1所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，所述涡轮静子为多层结构，且每层的所述涡轮静子至少设置一个导向叶片，所述涡轮静子包括支撑体、第一围带和第二围带，所述第一围带和所述第二围带分别位于同一层的所述涡轮静子的顶部和底部，所述支撑体安装于所述第二围带上，所述导向叶片抵接于对应层的所述第一围带和所述支撑体之间。

7.根据权利要求4所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，所述涡轮转子为多层结构，且每层的所述涡轮转子至少设置一个动叶片，所述涡轮转子包括连接段、连接板、中心支撑柱、第三围带和第四围带，所述中心支撑柱竖直设置于所述转子盘的中央，所述连接段连接于上、下相邻两层的所述涡轮转子之间，所述连接板固定于所述动叶片的底部，所述第三围带和所述第四围带分别位于对应层的所述动叶片的上、下两端。

8.根据权利要求6所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，还包括多个第一扶正轴承，所述第一扶正轴承设置于所述涡轮静子和所述涡轮转子之间，所述第一扶正轴承的外环与所述支撑体连接，所述第一扶正轴承的滚轮与所述涡轮转子间隙设置。

9.根据权利要求7所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，还包括多个第二扶正轴承，所述第二扶正轴承围设于所述转子盘的外侧，所述第二扶正轴承的外环和所述推力轴承支撑座连接，所述第二扶正轴承的滚轮与所述转子盘间隙设置。

10.根据权利要求1所述的垂直轴涡轮风力发电系统，其特征在于，还包括塔架，所述塔架包括多根第一立柱、多根第二立柱、多根横梁和多条第一拉索，所述第二立柱并排竖直设置，所述第一立柱并排竖直设置于所述第二立柱的内侧，所述横梁水平固定于所述第一立柱和所述第二立柱上，所述第一拉索的一端与所述横梁连接，所述第一拉索的另一端与所述第二立柱连接。

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