CN201159141Y - 两用风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种风力发电的装置，尤其是一种能够实现垂直方向使用和水平方向使用的两用风力发电机，包括：由风轮轴和沿风轮轴周均布的多个叶片所构成的风轮，及连接风轮轴的发电机，所述沿风轮轴周均布的叶片为螺旋涡轮式叶片。优点在于：采用螺旋涡轮式叶片克服了现有垂直轴风力发电机所存在的因不对称气流而产生的周期性侧向脉动推力，提高了垂直轴风力发电机的风能利用率、启动容易；有效改善了风机轴的受力状况，运行安全、噪音低；本实用新型具有结构简单、维护方便；既能立设安装使用，也能卧设安装使用；既适合空旷地区使用，也可作为城市家庭的电力补充。

Description

两用风力发电机
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电的装置，尤其是一种能够实现垂直方向使用和水平方向使用的两用风力发电机。
背景技术
在地球能源愈来愈紧缺的今天，风力作为一种清洁能源得到广泛重视，它不仅可以用于如草原、沙漠，高山，海洋等空旷地方。也可用于城镇，对于城镇应用来说，减少风车的空间占有率是关键。专利号93219988.7的实用新型专利提供了一种设置于城镇建筑物上的的屋顶引风风力电站，是一种由风帆式风力转子、发电机、支架所构成的卧式风力发电机，其实质是一台卧置的垂直轴的风帆式(板式)风力发电机。
目前，风力发电机按风轮轴线安装位置与水平面的相对位置分为两种，一种为水平轴风力发电机，即其风轮轴线安装位置与水平面的夹角不大于15度；另一种为垂直轴风力发电机，即其风轮轴线的安装位置与水平面垂直。
水平轴风力发电机如图1所示，采用扭曲型桨叶1结构的风轮2，风轮轴3连接发电机，并设有对风装置4，利用正对叶轮的风作用于桨叶斜面上的力而产生的推动桨叶沿风轮平面旋转做功，这种风力发电机的风能利用率高，目前最高可达到50％；但其风轮转速控制困难，由于叶片类似悬臂梁，根部易折断，因此存在不安全和不稳定因素，造成的事故频繁发生，而且水平轴风力发电机的噪音很高，对环境造成了噪音污染。
垂直轴风力发电机可以接受来自任何方向的风，普遍不使用对风装置，结构简单，而且发电机可以安装在地面上，便于维护；按叶片形状可分为平板型、S型、翼型等结构，利用风轮轴两侧的叶片风阻不等而产生的力矩使风轮旋转做功，且由于风叶正对风向时两侧的叶片风阻差最大，而侧对风向时两侧的叶片风阻差为零，所受的力呈周期性脉动，因此转速较低，风能利用率相对很低，一般不超过20％。而Φ型风轮结构虽然风能利用率可以达到35％，但是启动困难，需要其他动力启动。典型结构的S型如图2所示，是在风轮轴5的两侧对称反向设置相同圆弧的轴向叶片6，利用圆弧叶片的弧凸面与弧凹面的风阻不等，围绕风轮产生不对称气流，形成绕风轴旋转的力矩。同时也形成侧向推力，且侧向推力也呈周期性脉动，风机轴的根部承受较大的周期性的弯矩，因此对于大型风力机，由于受偏转与极限应力的限制应用比较困难。
发明内容
本实用新型为了克服现有垂直轴风力发电机风轮的风能利用率低及水平轴风力发电机的风轮转速控制困难和由此造成的不安全、不稳定因素以及噪音高的不足，以及现有风机无论是垂直轴还是水平轴均只能直立设置，水平轴风机设于直立的支架上，因而占有很大的空间，不适用于城镇使用的问题，而提供一种能够实现风轮轴垂直方向安装使用和水平方向安装使用的两用风力发电机。
为达到上述目的，本实用新型所提供的两用风力发电机是由如下技术方案来实现的。
一种两用风力发电机，包括：由风轮轴和沿风轮轴周均布的多个叶片所构成的风轮，及连接风轮轴的发电机，其特征在于，所述沿风轮轴周均布的叶片为螺旋涡轮式叶片。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容：
所述的两用风力发电机，其特征在于：所述的螺旋涡轮式叶片沿风机轴的轴向呈螺旋形缠绕设置，其螺旋升角取决于叶片长度，角度的大小为使叶片沿长度方向绕轴旋转180°，即同一叶片位于风机轴两端的截面互为绕轴旋转180。
所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的截面形状为弧形，且弧曲方向沿圆周一致。
所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的截面形状为弓形、或凹弦弓形，且弓背方向沿圆周一致。
所述的两用风力发电机，其特征在于：所述弧形截面的螺旋涡轮式叶片、或弓形、或凹弦弓形的内凹面或弓弦面上设有垂直于风机轴的防止风沿螺旋面滑动的挡风板。
所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的数量为大于等于2、
所述的两用风力发电机，其特征在于：设有一安装风轮的框架，所述框架由上、下端梁和多个固接所述上、下端梁的支杆所构成，所述上端梁的中心设有轴承，下端梁的中心安装所述发电机，且发电机的转轴与下端梁的中心同轴，所述风轮的风轮轴一端设置于所述框架的上端梁中心的轴承中，另一端与发电机的转轴同轴连接。
本实用新型的优点在于：
1、采用螺旋涡轮式叶片克服了现有垂直轴风力发电机所存在的因不对称气流而产生的周期性侧向脉动推力，提高了垂直轴风力发电机的风能利用率、启动容易。
2、螺旋涡轮式叶片及框架设置有效改善了风机轴的受力状况，运行安全、噪音低。
3、本实用新型具有结构简单、维护方便等优点。既能立设安装使用，也能卧设安装使用；既适合空旷地区使用，也可作为城市家庭的电力补充。
为对本实用新型的结构、特点、功效由进一步了解，兹列举具体实施例并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是现有水平轴风力发电机的立体示意图。
图2是现有垂直轴风力发电机的立体示意图。
图3是本实用新型风力发电机的结构图。
图4是本实用新型风力发电机的风轮立体图。
图5是图4的横截面图。
图6是本实用新型风力发电机风轮的另一实施例的立体图。
图7是图5的横截面图。
具体实施方式
图3是本实用新型两用风力发电机的结构图，由图可见，本实用新型所提供的两用风力发电机包括：由风轮轴13和沿风轮轴周均布的多个叶片14所构成的风轮10，及连接风轮轴11的发电机15。为适应低风速、无需外力辅助而能启动，本实用新型的风轮基本属于S型，即风轮横截面成S形，为克服现有S型垂直轴风力发电机所存在的风机轴侧向周期性脉动推力及风能利用率低下的问题，本实用新型所提供的沿风轮轴周均布的叶片为螺旋涡轮式叶片。
所述的螺旋涡轮式叶片沿风机轴的轴向呈螺旋形缠绕设置，其螺旋升角取决于叶片长度，角度的大小为使叶片沿长度方向绕轴旋转180，即同一叶片位于风机轴两端的截面互为绕轴旋转180。叶片绕轴旋转180可以使风机受风驱动过程中，在风速一定的条件下，受力均匀，其中包括：驱动力矩和侧向力，不会因叶片处于不同风向位置而不同，从而解决了，现有S型风力发电机启动困难及因周期性脉动推力所造成的风机轴根部承受交变载荷而带来的问题。
为解决卧设安装使用问题，同时将悬臂梁式的风机改为梁端设置支撑的简支梁，改善风机轴的受力，采用较小直径，达到减轻重量，提高能效的目的。本实用新型设有一安装风轮10的框架，所述框架由上、下端梁11、16和多个固接所述上、下端梁11、16的支杆18所构成，所述上端梁11的中心设有轴承12，下端梁16的中心安装所述发电机15，且发电机15的转轴与下端梁16的中心同轴，所述风轮的风轮轴13一端设置于所述框架的上端梁11中心的轴承12中，另一端与发电机15的转轴同轴连接。整个装置可立设于塔架上，也可通过支撑装置卧设于建筑物房顶上。
在图4、5所示风轮，沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片14的截面形状为弧形，且弧曲方向沿圆周一致。所述的弧曲方向沿圆周一致是指向沿圆周所有叶片的弧凹面(或弧凸面)均一致朝向顺时针旋转方向(或逆时针旋转方向)。
图6、7所示另一实施例所示的风轮，沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片14’的截面形状为弓形、或凹弦弓形，且弓背方向沿圆周一致。如此设计，可以进一步提高风能利用率，这是因为，当叶片旋转至于风向一致或接近一致时，会因内外表面弧线长度不同，造成掠过内外侧表面的风速差，而产生一与阻力差所形成的驱动力矩相同方向的附加旋转力矩。
为进一步提高风能利用率，所述弧形截面的螺旋涡轮式叶片、或弓形、或凹弦弓形的内凹面或弓弦面上设有垂直于风机轴的防止风沿螺旋面滑动的挡风板17(如图3所示)。
在图示实施力中，沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的数量为2，成180°对称设置于风机轴的两侧，在其他具体实施例中，叶片数量可大于等于2，如3、4、5、..等，但必须沿圆周均匀设置。
由于风轮为一S型通过风轮轴由底端向顶端旋转180度而形成涡轮式结构，当风吹过时，在两端产生压力差而旋转。本实用新型风轮不论什么风向都会旋转，不必安装对风装置。当将风轮沿轴向水平放置时和垂直放置时，都会正常旋转，不影响使用。

Claims (7)

1、一种两用风力发电机，包括：由风轮轴和沿风轮轴周均布的多个叶片所构成的风轮，及连接风轮轴的发电机，其特征在于，所述沿风轮轴周均布的叶片为螺旋涡轮式叶片。
2、根据权利要求1所述的两用风力发电机，其特征在于：所述的螺旋涡轮式叶片沿风机轴的轴向呈螺旋形缠绕设置，其螺旋升角取决于叶片长度，角度的大小为使叶片沿长度方向绕轴旋转180°。
3、根据权利要求1、或2所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的截面形状为弧形，且弧曲方向沿圆周一致。
4、根据权利要求1、或2所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴周均布的螺旋涡轮式叶片的截面形状为弓形、或凹弦弓形，且弓背方向沿圆周一致。
5、根据权利要求1所述的两用风力发电机，其特征在于：所述弧形截面的螺旋涡轮式叶片、或弓形、或凹弦弓形的内凹面或弓弦面上设有垂直于风机轴的防止风沿螺旋面滑动的挡风板。
6、根据权利要求1所述的两用风力发电机，其特征在于：所述沿风轮轴属均布的螺旋涡轮式叶片的数量为大于等于2。
7、根据权利要求1所述的两用风力发电机，其特征在于：设有一安装风轮的框架，所述框架由上、下端梁和多个固接所述上、下端梁的支杆所构成，所述上端梁的中心设有轴承，下端梁的中心安装所述发电机，且发电机的转轴与下端梁的中心同轴，所述风轮的风轮轴一端设置于所述框架的上端梁中心的轴承中，另一端与发电机的转轴同轴连接。
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