CN1198509A - 风力发动机 - Google Patents

Abstract

一种风力发动机,是一种多转子变轴升降风力发动机,由可沿立柱升降和可绕立柱回转的水平梁内外座、设于其上两侧的水平梁及设于二水平梁端可俯仰偏转的转子发动机组构成。通过调整水平梁的升降和转子的俯仰偏转,可适应各种风况,充分利用立柱的强度裕量,与现有立柱强度相当的风力发动机相比,可增加转子面积和装机容量5—7倍,提高了转子和立柱的抗风性能,降低检修、保养的难度和费用,缩短作业时间,大幅度降低每千瓦装机容量投资费用和发电成本。

Description

风力发动机

本发明涉及一种风力发动机，特别涉及一种多转子变轴升降风力发动机。

风能是最洁净的能源之一，世界上许多国家都在竞相开发利用风能，经过多年的改进，已取得很大的进展。但是，要使风力发电成为具有竞争力的商品电，至少还需要解决以下四个问题：一是要使每千瓦装机容量的投资费用从目前的800-1000美元再作大幅度的下降；二是要使发电成本从目前每度电3-3.5美分再作较大幅度的下降；三是要使涡轮发动机的检修、维护、保养，从目前距离地面高达25-60米的高空作业造成的操作不便、费时、费钱的状况得到根本改善；四是要进一步提高风力发电机抵御风暴袭击的能力。

现有的水平轴和变轴风力发动机，是由一个至若干个立柱、对风机构、涡轮发动机组所构成。中国专利CN1161728A公开了“由多机组旋翼叶片系统总合成的风力涡轮机”，该发明为一个立柱(塔架)，多转子的水平轴风力发电机。中国专利CN1093776A公开了“改进型风力发动机”，该发明为三根立柱(塔架)，多转子的水平轴风力发电机。中国专利CN2082317公开了“抗强风风力发电装置”，该发明为一根立柱、一个转子上仰变轴风力发动机。它们的不足点是：第一转子发动机组设在立柱的顶部，均不能沿立柱作升降运动。这样，当转子直径一定，立柱高度一定时，为了保证立柱在出现风暴时不会倾倒，其抗风强度在设计上一般取的安全裕量很大，由于阻力与风速的平方成正比，所以当设计的最高抗风风速是额定风速的4-6倍时，立柱的安全裕量是额定风速的16-36倍，这使得立柱在整个风力发动机的建造费用中所占的比重较大，一般为30％-50％。而通常风力发动机在危险风速段运行的时间与总体运行的时间相比是很短的。这样，立柱大量的安全裕量用于很短的运行时间很不经济，这是进一步降低每千瓦装机容量投资费用的主要障碍之一。第二个不足点是转子发动机组离地面很高，检修、维护、保养很不方便，费工、费时、费钱。第三个不足点是，立柱的抗风能力的提高主要靠增加立柱的强度来保证，所以其抗风能力的进一步提高受到每千瓦装机容量投资费用的限制。

本发明与现有技术的区别在于，在一根风力发动机的立柱上设置了一种可沿立柱升降的水平梁，梁的两端各设置一套转子发动机组，每套转子发动机组均可俯仰偏转，水平梁还可绕立柱回转对风，是一种多转子变轴升降风力发动机。

本发明的第一个目的在于充分利用立柱强度的安全裕量，大幅增加转子的面积和装机容量，来达到较大幅度降低每千瓦装机容量的投资费用的目的。当风速(额定风速时，水平梁上升到立柱顶部的极限位置，转子偏转到水平位置，以获取高度中较大的风力和最大的迎风面积。为了尽量用足立柱此时的安全裕量，二个转子的迎风面积之和，许可增大到现有技术的风力发动机中，在立柱强度相当的情况下单个转子面积或多个转子面积之和的5-7倍，甚至更高。相应地，装机容量也增加5-7倍，大幅度提高发电量。按现有技术的风力发动机中，立柱的建造费用占整机建造费用的30％-50％计算，本发明每千瓦装机容量的投资费用可下降20％-30％。

本发明的第二个目的在于进一步提高转子和立柱的抗风性能，当额定风速＜风速＜危险风速时(危险风速＝3倍额定风速)，水平梁开始下降，转子开始下俯或上仰，风速越接近危险风速时，下降的距离越大，下俯或上仰的角度越大，用以减小转子的迎风面积和迎风阻力对立柱产生的弯矩。当风速＞危险风速时，转子下俯或上仰至轴线与地面垂直，水平梁下降至水平梁内座坐落在托台上，此时钢丝绳和立柱顶部到托台段卸载，风力发动机的抗风能力最强，可抵御暴风的袭击。

本发明的第三个目的在于降低转子发动机组检修、维护保养的难度和费用，缩短作用时间。当要进行检修、维护保养时，只需将转子下俯或上仰至轴线与地面垂直，将水平梁下降至最低位置，一般离地面只有2-6米，作业方便，可较大幅度降低机具费、人工费，缩短作业时间，使检修、维护保养的费用和停机损失费用显著下降。

本发明的第四个目的在于较大幅度降低发电成本。发电成本主要由每千瓦装机容量投资费用和检修、维护保养的费用费用构成，由于二者都能较大幅度的下降，所以发电成本也能有较大幅度的下降。

本发明的目的是这样实现的：①本发明由立柱、水平梁内座、水平梁外座、水平梁、转子、增速器、发电机、水平梁升降机构、转子俯仰偏转机构、回转对风机构、定位导向机构和立柱钢丝绳卸载机构构成。水平梁内座套在立柱上，二者之间设有定位导向机构，水平梁外座与水平梁内座通过轴承实现回转副连接。二水平梁分设于水平梁外座两侧与其固接成一体，二水平梁的外伸端部各设有一套由转子、增速器、发电机组成的转子发电机组。通过所设的水平梁的升降机构、转子俯仰偏转机构、对风回转机构，实现水平梁沿立柱的升降运动、转子俯仰偏转运动、和水平梁绕立柱的对风回转运动。②水平梁升降机构的构成和升降的实现，水平梁升降机构由设在立柱顶部的定滑轮、水平梁内座上的动滑轮、立柱底部的定滑轮、地面的卷扬机、立柱和水平梁内座构成，钢丝绳头由卷扬机引出绕过立柱底部的定滑轮上引，再依次绕过立柱顶部的定滑轮和水平梁内座上的动滑轮后固定，形成由动、定滑轮组成为若干倍率的提升机构中的一种。正向或反向运转卷扬机，可缠紧或放松钢丝绳，通过提升机构使水平梁内、外座带动水平梁沿立柱作升降运动。③转子俯仰偏转机构的构成和偏转的实现，转子俯仰偏转机构包括设在水平梁外座偏转平台上的偏转电动机、偏转减速器、沿二水平梁纵向设置的传动轴承座，齿轮联轴器、传动轴、设在传动轴两端的偏转小齿轮和在二水平梁端部固接的水平端梁。偏转轴通过偏转轴承与水平端梁实行回转副连接，偏转轴的伸出端固接有增速器和偏转大齿轮。增速器与转子和发电机固接组成转子发电机组。在传动轴与偏转减速器之间设有万向转动轴，偏转电动机正向或反向运转，经偏转减速器减速后，分两路分别经万向传动轴、传动轴、偏转小齿轮带动偏转大齿轮偏转，进而带动固定在其上的转子发电机组偏转，实现转子的仰、俯运动。④定位导向机构的构成与定位导向的实现，定位导向机构由立柱外表面与水平梁内座的内孔间组成的定位导向副构成。定位导向副可以是二者配合面之间互设的相互匹配的导轨和导槽，也可以是二者横截面为非圆形状的配合面中的一种，使水平梁内座只能沿立柱纵向移动，圆周方向定位，实现定位导向运动。⑤回转对风机构包括设在水平梁外座回转平台上回转电动机、回转减速器、回转小齿轮和设在水平梁内座上的回转大齿轮。根据风向偏差信号控制回转电动机转动，经回转减速器减速后，带动回转小齿轮在回转大齿轮上啮合滚动，从而带动水平梁外座绕水平梁内座转至正对风方向停转，实现回转对风运动。⑥立柱钢丝绳卸载机构包括水平梁内座、水平梁升降机构和设在立柱近地位置的托台，放松钢丝绳使水平梁下降至水平梁内座坐落在托台上，继续放松钢丝绳至钢丝绳卸载为止，此时立柱从顶部到托台之间部分也实现了卸载。⑦二水平梁与水平梁外座之间的连接，可以是二水平梁的一端分别固接在水平梁外座两侧的悬臂式连接，也可以是在悬臂式连接的基础上，在二水平梁的外伸端与水平梁外座的上部各增加一根竖直方向斜拉杆的单面斜拉梁式，还可以是在单面斜拉梁式的基础上，再在在二水平梁的外伸端与水平梁外座之间在水平面方向，各增加一根水平方向斜拉杆的双面斜拉梁式中的一种。⑧为了安装检修方便，水平梁内座与水平梁外座均分体制造，安装时通过螺栓将其固接成一体。⑨立柱在近地位置设有一托台，对托台到地面部分的立柱局部加强，增强立柱的抗风性能。

本发明的有益效果是由于构造了多转子变轴升降风力发动机，通过调整水平梁的升降和转子俯仰偏转，可适应各种风速工况，充分利用立柱的强度裕量，与现有立柱强度相当的风力发动机相比，可增加转子面积和装机容量5-7倍，提高了转子和立柱的抗风性能，降低检修、保养的难度和费用，缩短作业时间，大幅度降低每千瓦装机容量投资费用和发电成本。

附图说明

图1  是本发明一般运行状态主视图

图2  是图1的左视图

图3  是水平梁外座的结构示意图

图4  是图3的剖视图

图5  是A-A剖视图

图6  是转子俯仰偏转机构局部剖视图

图7  是转子俯仰偏转机构局部剖视图

图8  是本发明调整状态左视图

图9  是本发明抗危险风速状态左视图

图10 是图1的俯视图

图11 是倍率为3的提升机构传动示意图

图12 是倍率为6的提升机构传动示意图

图13 是四导轨、导槽定位导向副横剖视图

图14 是缺圆形定位导向副横剖视图

图15 是六边形定位导向副横剖视图

图16 是椭圆形定位导向副横剖视图

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明

实施例1：立柱1为圆柱状杆件，近地面设有一托台2，立柱1的表面设有两根纵向导轨3、4，顶部和底部各设有定滑轮5、6和7、8。水平梁内座9分体制造，用螺栓固接成一体套装在立柱1上，其上设有动滑轮10、11，导槽12、13和回转大齿轮14。水平梁外座15分体制造，用螺栓固接成一体，通过回转轴承16、17与水平梁内座9实现回转副连接。在水平梁外座15的回转平台上设有回转电动机18、回转减速器19和回转小齿轮20。在偏转平台上设有偏转电动机21、偏转减速器22和万向传动轴23、24。水平梁25、26分设于水平梁外座15的两侧，用螺栓固接，其上分别设有轴承座27、28，传动轴29、30，齿轮连轴器31、32和偏转小齿轮33、34。水平梁25、26与水平梁外座15之间分别设有竖直面斜拉杆35、36，水平面斜拉杆37、38。水平梁25、26分别与水平端梁39、40实行法兰连接，偏转轴41、42分别通过偏转轴承43、44和45、46与水平端梁39、40实行回转副连接。偏转轴41、42的外伸端分别与偏转大齿轮47、48和增速器49、50固接，转子51、52与发电机53、54分别与增速器49、50固接组成两套转子发电机组。在地面上设有卷扬机55，其上引出钢丝绳56、57。①水平梁升降机构的构成和升降运动由以下步骤实现，钢丝绳56、57由卷扬机55引出绕过立柱1底部的定滑轮7、8上引，再依次绕过立柱1顶部的定滑轮5、6和水平梁内座9上的动滑轮10、11后固定，形成由动、定滑轮组成为倍率为2的提升机构。正向或反向运转卷扬机55，可缠紧或放松钢丝绳56、57，通过提升机构使水平梁内、外座9、15带动水平梁25、26沿立柱1作升降运动。②转子俯仰偏转机构的构成和偏转的实现，转子俯仰偏转机构包括设在水平梁外座15偏转平台上的偏转电动机21、偏转减速器22、沿二水平梁纵向设置的传动轴承座27、28，齿轮联轴器31、32，传动轴29、30，设在传动轴两端的偏转小齿轮33、34和在二水平梁25、26端部固接的水平端梁39、40。偏转轴41、42通过偏转轴承43、44与水平端梁39、40实行回转副连接，偏转轴41、42的伸出端固接有增速器49、50和偏转大齿轮47、48。增速器49、50与转子发电机53、54固接组成转子发电机组。在传动轴29、30与偏转减速器22之间设有万向转动轴23、24，偏转电动机21正向或反向运转，经偏转减速器22减速后，分两路分别经万向传动轴23、24，传动轴29、30，偏转小齿轮33、34带动偏转大齿轮47、48偏转，进而带动固定在其上的转子发电机53、54偏转，实现转子的仰、俯运动。③定位导向机构的构成与定位导向的实现，水平梁内座9套装于立柱1外表面，水平梁内座9的内孔和导槽12、13分别与立柱1的圆柱面和导轨3、4相匹配，使水平梁内座9只能沿立柱纵向移动，圆周方向定位，实现定位导向运动。④回转对风机构包括设在水平梁外座15回转平台上回转电动机18、回转减速器19、回转小齿轮20和设在水平梁内座9上的回转大齿轮14。根据风向偏差信号控制回转电动机18转动，经回转减速器19减速后，带动回转小齿轮20在回转大齿轮14上啮合滚动，带动水平梁外座15绕水平梁内座9转至正对风方向停转，实现回转对风运动。⑤立柱钢丝绳卸载机构包括水平梁内座9、水平梁升降机构和设在立柱1近地位置的托台2，放松钢丝绳56、57使水平梁25、26下降至水平梁内座9坐落在托台2上，继续放松钢丝绳至钢丝绳卸载为止，此时立柱1从顶部到托台2之间部分也实现了卸载。⑥本实施例由于采用水平面斜拉杆37、38，转子工作方式为背风式。由于采用了竖直面斜拉杆35、36，转子俯仰偏转有效角度为90度。

实施例2：①立柱71为横截面有四导槽的圆柱状杆件，水平梁内座67的内孔有四导轨与立柱四导槽相匹配，水平梁内座67套装于立柱71上，组成定位导向副。②取消水平面斜拉杆37、38，转子的工作方式可为向风式或背风式，转子有效偏转角度为180度。③立柱71顶部定滑轮58、59和水平梁内座67上的动滑轮60组成倍率为3的提升机构。④其余部分与实施例1相同。

实施例3：①立柱72是横截面为缺圆形柱状杆件，水平梁内座68的内孔与立柱表面相匹配，组成定位导向副。②取消竖直面斜拉杆35、36，取消水平面斜拉杆37、38，转子的工作方式可为向风式或背风式，转子有效偏转角度为正反方向360度。③立柱72顶部定滑轮61、62、63和水平梁内座68上的动滑轮64、65、66组成倍率为6的提升机构。④其余部分与实施例1相同。

实施例4：立柱73是横截面为多边形柱状杆件，水平梁内座69的内孔横截面是与立柱73横截面相匹配的多边形，其余与实施例1相同。

实施例5：立柱74是横截面为椭圆形柱状杆件，水平梁内座70的内孔横截面是与立柱74横截面相匹配的椭圆形，其余与实施例1相同。

Claims (9)

1、一种风力发动机，由立柱、增速器、发电机和对风装置所组成，其特征在于立柱[1]上套装有水平梁内座[9]，二者之间设有定位导向机构，水平梁外座[15]与水平梁内座[9]通过轴承[16、17]实行回转副连接，二水平梁[25、26]分设于水平梁外座[15]两侧与其固接成一体，二水平梁[25、26]的外伸端部各设有一套由转子[51、52]、增速器[49、50]、发电机[53、54]组成的转子发电机组。通过所设的水平梁的升降机构、转子俯仰偏转机构、对风回转机构和立柱钢丝绳卸载机构，实现水平梁沿立柱的升降运动、转子俯仰偏转运动、水平梁绕立柱的对风回转运动和立柱与钢丝绳的卸载。

2、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的水平梁升降机构由设在立柱[1]顶部的定滑轮、水平梁内座[9]上的动滑轮、立柱[1]底部的定滑轮、地面的卷扬机[55]、立柱[1]和水平梁内座[9]构成，钢丝绳头由卷扬机[55]引出绕过立柱底部的定滑轮上引，再依次绕过立柱顶部的定滑轮和水平梁内座上的动滑轮后固定，形成由动、定滑轮组成为若干倍率的提升机构中的一种。正向或反向运转卷扬机[55]，可缠紧或放松钢丝绳，通过提升机构使水平梁内、外座[9、15]带动水平梁[25、26]沿立柱[1]作升降运动。

3、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的转子俯仰偏转机构包括有设在水平梁外座[15]偏转平台上的偏转电动机[21]、偏转减速器[22]、沿二水平梁[25、26]纵向设置的传动轴承座[27、28]，齿轮联轴器[31、32]、传动轴[29、30]、设在传动轴两端的偏转小齿轮[33、34]和在二水平梁端部固接的水平端梁[39、40]，偏转轴[41、42]通过偏转轴承[43、44]、[45、46]与水平端梁实行回转副连接，偏转轴的伸出端固接有增速器[49、50]和偏转大齿轮[47、48]，增速器[49、50]与转子[51、52]、发电机[53、54]固接组成转子发电机组，在传动轴[29、30]与偏转减速器[22]之间设有万向转动轴[23、24]，偏转电动机[21]正向或反向运转，经偏转减速器[22]减速后，分两路分别经万向传动轴[23、24]、传动轴[29、30]、偏转小齿轮[33、34]带动偏转大齿轮[47、48]偏转，进而带动固定在其上的转子发电机组偏转，实现转子的仰、俯运动。

4、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的定位导向机构由立柱[1]外表面与水平梁内座[9]的内孔间组成的定位导向副构成，定位导向副可以是二者配合面之间互设的相互匹配的至少一条导轨和导槽，也可以是二者横截面为非圆形状的配合面中的一种，使水平梁内座[9]只能沿立柱[1]纵向移动，圆周方向定位，实现定位导向运动。

5、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的回转对风机构包括设在水平梁外座[15]回转平台上回转电动机[18]、回转减速器[19]、回转小齿轮[20]和设在水平梁内座[9]上的回转大齿轮[14]，根据风向偏差信号控制回转电动机转动，经回转减速器减速后，带动回转小齿轮在回转大齿轮上啮合滚动，带动水平梁外座绕水平梁内座转至正对风方向停转，实现回转对风运动。

6、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的立柱钢丝绳卸载机构包括水平梁内座[9]、水平梁升降机构和设在立柱近地位置的托台[2]，放松钢丝绳[56、57]使水平梁[25、26]下降，直至水平梁内座坐落在托台上，继续放松钢丝绳至钢丝绳卸载为止，此时立柱从顶部到托台之间部分也实现了卸载。

7、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的二水平梁[25、26]与水平梁外座[15]之间的连接，可以是二水平梁的一端分别固接在水平梁外座两侧的悬臂式连接，也可以是在悬臂式连接的基础上，在二水平梁的外伸端与水平梁外座的上部各增加一根竖直方向斜拉杆的单面斜拉梁式，还可以是在单面斜拉梁式的基础上，再在二水平梁的外伸端与水平梁外座之间在水平面方向，各增加一根水平方向斜拉杆的双面斜拉梁式中的一种。

8、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的水平梁内座[9]与水平梁外座[15]均分体制造，安装时通过螺栓将其固接成一体。

9、根据权利要求1所述的风力发动机，其特征在于所述的立柱[1]在近地位置设有一托台[2]，对托台到地面部分的立柱局部加强。

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