CN112065657A - 涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置。该涡轮静子结构包括：塔架、第一支撑机构、第二支撑机构和涡轮静子单元，涡轮静子单元为多层结构，第一支撑机构和第二支撑机构分别固定连接于塔架；其中，位于最底层的涡轮静子单元通过第一支撑机构固定于塔架的内部，其余的涡轮静子单元之间通过第二支撑机构连接并固定于塔架内部。该发电装置包括本发明的涡轮静子结构，将反向风转化为正向风，提高了发电装置的发电效率；采用了多段式分段固定涡轮静子单元的方式，方便加工和运输，可在现场进行组装，即使涡轮静子结构整体结构的高度较高，也具有良好的刚度和强度，能够承受强大台风的冲击，保证安全作业和高效发电。

Description

涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置。
背景技术
国内外的众多从事于垂直轴风力机研究的学者和工程技术人员，受垂直轴风力机的众多优越性的驱使，不懈的努力研究开发垂直轴风力发电技术。但是，始终只是停留在低功率的水平，无法作出兆瓦级的垂直轴风力机。其主要原因是没有解决如何消除来流风对作用在动叶片上的反向力产生的反向力矩，这个力矩对动叶片产生的正向力矩具有抵消作用。如图1所示，如果来流风由第1区和第4区进入，第1区对动叶片产生的是正向力矩，而当动叶片转过270°时，第4区对动叶片产生的是反向力矩。这种一正一反力矩，使涡轮转子的作功能力大幅度下降。而如何消除反向力矩，是提升涡轮风力发电装置发电效率的关键所在。
发明内容
本发明实施例提供一种涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置，用以消除反向力矩，并实现涡轮静子结构稳定安装和高强度，以保证在强大台风的冲击下也能正常工作。
本发明实施例提供一种涡轮静子结构，包括：塔架、第一支撑机构、第二支撑机构和涡轮静子单元，所述涡轮静子单元为多层结构，所述第一支撑机构和所述第二支撑机构分别固定连接于所述塔架；其中，位于最底层的所述涡轮静子单元通过所述第一支撑机构固定于所述塔架的内部，其余的所述涡轮静子单元之间通过所述第二支撑机构连接并固定于所述塔架内部。
其中，所述塔架包括第一立柱、第二立柱、支撑平台和内圈梁，所述第一立柱位于所述支撑平台的底部并支撑所述支撑平台，所述第一立柱与向上延伸的所述第二立柱连接，所述第一支撑机构固定于所述支撑平台的外缘，所述内圈梁水平固定于所述涡轮静子单元的内侧。
其中，所述塔架还包括支撑立柱，所述支撑立柱位于所述支撑平台的底部并支撑所述支撑平台，且所述支撑立柱位于所述第一立柱的内侧。
其中，所述第一支撑机构包括第一牛腿、第一轨道支撑体和第一支撑体，所述第一牛腿的一端支撑于所述第一立柱，所述第一轨道支撑体和所述第一支撑体固定于所述第一牛腿的支撑面上，位于最底层的所述涡轮静子单元固定于所述第一支撑体上。
其中，所述第二支撑机构包括第二轨道支撑体和第二支撑体，所述第二支撑体与所述第二立柱固定连接，所述第二轨道支撑体与所述第二支撑体固定连接。
其中，所述第二支撑体包括第二牛腿、内立板、外立板、上端板和下端板，所述上端板和所述下端板分别水平固定于上一层的所述涡轮静子单元的底部和下一层的所述涡轮静子单元的顶部，且均与所述第二立柱固定连接，所述内立板和所述外立板均竖直连接于所述上端板和所述下端板之间，并依次由内侧向外侧排列，所述第二牛腿固定于所述内立板的内侧，用于支撑所述第二轨道支撑体。
其中，所述第二支撑体还包括第一拉筋，所述第一拉筋竖直连接于所述上端板和所述下端板之间，且位于所述内立板和所述外立板之间。
其中，每层所述涡轮静子单元包括上围带、下围带、导向叶片和第二拉筋，所述上围带和所述下围带分别固定于所述导向叶片的顶部和底部，所述导向叶片呈圆周排列并通过所述第二拉筋依次连接起来。
其中，每层所述涡轮静子单元还包括加强筋板，所述下围带通过所述加强筋板与所述导向叶片连接。
本发明实施例还公开了一种垂直轴涡轮风力发电装置，包括如本发明实施例的涡轮静子结构。
本发明实施例提供的一种涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置，涡轮静子单元采用多层设计，通过第一支撑机构将最底层涡轮静子单元固定在塔架内，通过第二支撑机构将其它层涡轮静子单元固定在塔架内，涡轮静子单元改变来流风的流动方向，实现对来流风的梳理作用，将反向风转化为正向风，提高了发电装置的发电效率。本发明实施例采用了多段式分段固定涡轮静子单元的方式，方便加工和运输，可在现场进行组装，即使涡轮静子结构整体结构的高度较高，也具有良好的刚度和强度，能够承受强大台风的冲击，保证安全作业和高效发电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是现有技术中动叶片接受来流风的原理示意图；
图2是本发明实施例涡轮静子单元接受来流风的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种涡轮静子结构的结构示意图；
图4是图3中局部A的结构示意图；
图5是图3中局部B的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的涡轮静子单元的主视图；
图7是图6中C-C面的剖面图；
图8是本发明实施例第二支撑体的主视图；
图9是本发明实施例第二支撑体的俯视图。
附图标记：
1：塔架；101：第一立柱；102：支撑立柱；103：支撑平台；104：第二立柱；105：内圈梁；2：第一支撑机构；211：第一支撑体；212：第一轨道；213：第一轨道支撑体；214：第一牛腿；3：第二支撑机构；311：第二支撑体；3111：下端板；3112：外立板；3113：上端板；3114：第一拉筋；3115：内立板；3116：第二牛腿；312：第二轨道；313：第二轨道支撑体；4：涡轮静子单元；411：下围带；412：第二拉筋；413：导向叶片；414：上围带；415：加强筋板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图2-图9描述本发明实施例的一种涡轮静子结构，包括：塔架1、第一支撑机构2、第二支撑机构3和涡轮静子单元4，涡轮静子单元4为多层结构，第一支撑机构2和第二支撑机构3分别固定连接于塔架1；其中，位于最底层的涡轮静子单元4通过第一支撑机构2固定于塔架1的内部，其余的涡轮静子单元4之间通过第二支撑机构3连接并固定于塔架1内部。
本实施例中的塔架1作为涡轮静子结构的外部框架，起到固定和支撑的作用，其整体为圆柱形结构，第一支撑机构2、第二支撑机构3和涡轮静子单元4均安装于塔架1上。如图2所示，涡轮静子单元4作为涡轮静子结构的主要工作单元，其包括呈圆周排列的多个导向叶片413，通过调整导向叶片413的角度，设计为流线型，以改变来流风的流动方向，实现对来流风的梳理作用，消除反向力矩，当反向风进入到导向叶片413后会转化为正向风，以最佳的冲角进入到动叶片。第一支撑机构2用于支撑固定最底层的涡轮静子单元4，第二支撑机构3用于支撑固定其它层(第2层～第n层，n取决于实际需要)的涡轮静子单元4。本实施例采用了多段式分段固定的方式，即使涡轮静子结构整体结构的高度较高，也能够承受强大台风的冲击，保证安全作业。
本发明实施例提供的一种涡轮静子结构及垂直轴涡轮风力发电装置，涡轮静子单元4采用多层设计，通过第一支撑机构2将最底层涡轮静子单元4固定在塔架1内，通过第二支撑机构3将其它层涡轮静子单元4固定在塔架1内，涡轮静子单元4改变来流风的流动方向，实现对来流风的梳理作用，将反向风转化为正向风，提高了发电装置的发电效率。本发明实施例采用了多段式分段固定涡轮静子单元4的方式，方便加工和运输，可在现场进行组装，即使涡轮静子结构整体结构的高度较高，也具有良好的刚度和强度，能够承受强大台风的冲击，保证安全作业和高效发电。
其中，塔架1包括第一立柱101、第二立柱104、支撑平台103和内圈梁105，第一立柱101位于支撑平台103的底部并支撑支撑平台103，第一立柱101与向上延伸的第二立柱104连接，第一支撑机构2固定于支撑平台103的外缘，内圈梁105水平固定于涡轮静子单元4的内侧。进一步地，塔架1还包括支撑立柱102，支撑立柱102位于支撑平台103的底部并支撑支撑平台103，且支撑立柱102位于第一立柱101的内侧。具体地，本实施例中的第一立柱101支撑于支撑平台103的外缘，与支撑立柱102联合构成了一个牢固的下部塔架1支撑结构，其承载着涡轮转子结构产生的动载荷和静载荷以及涡轮静子结构的静载荷。第二立柱104作为第一立柱101的延伸，作为固定上层涡轮静子单元4的结构支撑，另外第二立柱104和内圈梁105可采用牛腿支撑固定第二支撑机构3。支撑平台103上坐落着涡轮转子结构的推力轴承，且外缘坐落着第一支撑机构2。
其中，第一支撑机构2包括第一牛腿214、第一轨道支撑体213和第一支撑体211，第一牛腿214的一端支撑于第一立柱101，第一轨道支撑体213和第一支撑体211固定于第一牛腿214的支撑面上，位于最底层的涡轮静子单元4固定于第一支撑体211上。具体地，本实施例中的第一牛腿214包括斜支撑和平台板(即支撑面)，斜支撑一端支撑于第一立柱101，另一端支撑于平台板，第一轨道支撑体213和第一支撑体211均固定于第一牛腿214的平台板上。其中，第一轨道支撑体213用于支撑固定第一轨道212并能够调节第一轨道212的高度和位置，第一轨道212设计成圆形结构，第一轨道支撑体213的宽度是第一轨道212宽度的两倍，保证涡轮转子结构可在第一轨道212上平稳旋转。
其中，第二支撑机构3包括第二轨道支撑体313和第二支撑体311，第二支撑体311与第二立柱104固定连接，第二轨道支撑体313与第二支撑体311固定连接，第二支撑体311用于支撑上层的涡轮静子单元4。同理，本实施例中的第二轨道支撑体313用于支撑固定第二轨道312并能够调节第二轨道312的高度和位置，第二轨道312设计成圆形结构，第二轨道支撑体313的宽度是第二轨道312宽度的两倍，保证涡轮转子结构可在第二轨道312上平稳旋转。可以理解的是，第二轨道支撑体313与第一轨道支撑体213的结构类似，均用于固定轨道，使得涡轮转子结构可以在轨道上平稳旋转。第一支撑体211和第二支撑体311可采用具有承重和支撑性能良好的钢结构制成，也可以根据实际应用场景，选择其他材质制成，本发明不局限于此。
其中，第二支撑体311包括第二牛腿3116、内立板3115、外立板3112、上端板3113和下端板3111，上端板3113和下端板3111分别水平固定于上一层的涡轮静子单元4的底部和下一层的涡轮静子单元4的顶部，且均与第二立柱104固定连接，内立板3115和外立板3112均竖直连接于上端板3113和下端板3111之间，并依次由内侧向外侧排列，第二牛腿3116固定于内立板3115的内侧，用于支撑第二轨道支撑体313。具体地，本实施例中的第二牛腿3116与第一牛腿214的结构类似，第二牛腿3116承载着单层涡轮静子单元4的静动载荷，内立板3115、外立板3112、上端板3113和下端板3111连接成为矩形支撑结构，第二牛腿3116固定于该矩形支撑结构的侧壁(即内立板3115)上。上端板3113和下端板3111向外侧延伸并通过牛腿与第二立柱104固定连接，进而使得第二支撑体311与塔架1形成一个整体结构，使得上层的涡轮静子单元4具有一个牢固的依托。第二支撑体311的存在使得每层涡轮静子单元4之间存在一个空间，这个空间可以布置例如变桨风门执行机构、轴承、链传动机构和限位滚动机构等组件，这个空间也方便维修人员对各组件进行维护维修。
其中，第二支撑体311还包括第一拉筋3114，第一拉筋3114竖直连接于上端板3113和下端板3111之间，且位于内立板3115和外立板3112之间。本实施例中为了保证矩形支撑结构的连接稳定性，采用第一拉筋3114连接上端板3113和下端板3111。
其中，每层涡轮静子单元4包括上围带414、下围带411、导向叶片413和第二拉筋412，上围带414和下围带411分别固定于导向叶片413的顶部和底部，导向叶片413呈圆周排列并通过第二拉筋412依次连接起来。进一步地，每层涡轮静子单元4还包括加强筋板415，下围带411通过加强筋板415与导向叶片413连接。导向叶片413为涡轮静子单元4的主体结构，其可以实现对来流风的导向，进而对来流风进行梳理，将反向风转化为正向风进入到动叶片，为了实现上述目的，导向叶片413可采用流线型设计，且与内侧动叶片一一对应设置。采用第二拉筋412将各个导向叶片413连接起来，一方面将导向叶片413连接成一个组合体，增加抗风能力，另一方面还可以调整组合体的频率，避免组合体产生共振现象。导向叶片413的上、下两端分别采用螺栓和上、下围带411相连，在导向叶片413的尾端叶片厚度较小，螺栓连接强度不够的情况下，采用加强筋板415来加固导向叶片413和围带的连接强度。
本发明实施例还公开了一种垂直轴涡轮风力发电装置，包括如上述实施例的涡轮静子结构，实现对来流风的梳理作用，将反向风转化为正向风，与涡轮转子结构配合，该垂直轴涡轮风力发电装置可实现几十兆瓦的发电功率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种涡轮静子结构，其特征在于，包括：塔架、第一支撑机构、第二支撑机构和涡轮静子单元，所述涡轮静子单元为多层结构，所述第一支撑机构和所述第二支撑机构分别固定连接于所述塔架；其中，位于最底层的所述涡轮静子单元通过所述第一支撑机构固定于所述塔架的内部，其余的所述涡轮静子单元之间通过所述第二支撑机构连接并固定于所述塔架内部。
2.根据权利要求1所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述塔架包括第一立柱、第二立柱、支撑平台和内圈梁，所述第一立柱位于所述支撑平台的底部并支撑所述支撑平台，所述第一立柱与向上延伸的所述第二立柱连接，所述第一支撑机构固定于所述支撑平台的外缘，所述内圈梁水平固定于所述涡轮静子单元的内侧。
3.根据权利要求2所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述塔架还包括支撑立柱，所述支撑立柱位于所述支撑平台的底部并支撑所述支撑平台，且所述支撑立柱位于所述第一立柱的内侧。
4.根据权利要求2所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述第一支撑机构包括第一牛腿、第一轨道支撑体和第一支撑体，所述第一牛腿的一端支撑于所述第一立柱，所述第一轨道支撑体和所述第一支撑体固定于所述第一牛腿的支撑面上，位于最底层的所述涡轮静子单元固定于所述第一支撑体上。
5.根据权利要求2所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述第二支撑机构包括第二轨道支撑体和第二支撑体，所述第二支撑体与所述第二立柱固定连接，所述第二轨道支撑体与所述第二支撑体固定连接。
6.根据权利要求5所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述第二支撑体包括第二牛腿、内立板、外立板、上端板和下端板，所述上端板和所述下端板分别水平固定于上一层的所述涡轮静子单元的底部和下一层的所述涡轮静子单元的顶部，且均与所述第二立柱固定连接，所述内立板和所述外立板均竖直连接于所述上端板和所述下端板之间，并依次由内侧向外侧排列，所述第二牛腿固定于所述内立板的内侧，用于支撑所述第二轨道支撑体。
7.根据权利要求6所述的涡轮静子结构，其特征在于，所述第二支撑体还包括第一拉筋，所述第一拉筋竖直连接于所述上端板和所述下端板之间，且位于所述内立板和所述外立板之间。
8.根据权利要求1所述的涡轮静子结构，其特征在于，每层所述涡轮静子单元包括上围带、下围带、导向叶片和第二拉筋，所述上围带和所述下围带分别固定于所述导向叶片的顶部和底部，所述导向叶片呈圆周排列并通过所述第二拉筋依次连接起来。
9.根据权利要求8所述的涡轮静子结构，其特征在于，每层所述涡轮静子单元还包括加强筋板，所述下围带通过所述加强筋板与所述导向叶片连接。
10.一种垂直轴涡轮风力发电装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的涡轮静子结构。
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