CN201196131Y - 一种立式风轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型系一种采集风能的风轮装置结构。一种立式风轮，包括垂直旋转轴(3)，其特征在于，在所述垂直旋转轴(3)的径向，伸出三套夹角互为120度的框架式叶片组件，所述叶片组件为，上、下两根平行，在水平面上为圆弧弯曲状的外伸臂(1)，两外伸臂(1)的端头与垂直旋转轴固定连接，在两外伸臂(1)的内圆弧之间，以轴销结构连接多片长条矩形小风叶(2)的一条长边，所述小风叶(2)的长边大于等于两外伸臂(1)上下之间的距离，所述小风叶(2)的短边大于等于相邻两片小风叶(2)之间的间距。本实用新型的优点：无须高塔，风轮可因势安装。无须尾翼和纠偏伺服系统调整方向，可微风启动，且能有效适应强风；对环境要求不苛刻，规模可大可小，形状可高可低，甚至城市高楼也能安装。

Description

一种立式风轮

(一)技术领域

本实用新型系一种风力利用的装置，特别是涉及一种采集风能的风轮装置结构。

(二)背景技术

众所周知，我们只有一个地球，其中的矿物资源是有限的，并非取之不尽用之不竭的；以煤炭、天然气、石油、水利和核物质为原料或资源的传统电力开发造成了大量的环境负担，如环境污染、酸雨、气候异常、放射性废物处理、石油泄露等等。和谐社会的可持续发展，将迫使人们主动或被动地去寻求可再生能源的开发和利用。风能资源无穷无尽，产能丰富。根据美国风能协会(AWAE)的估计，如果要产生美国可开采风能的能源总量，每年需要燃烧200亿桶原油(几乎是目前世界全部原油产量)。但与石油相比，风能却是可再生的资源，失而复得，同时风能具有自主性的特点，不会受到国际争端造成的价格震荡和禁运等冲击。AWAE测算，在美国使用现有技术，利用不到1％的土地开发风能，可以提供20％的国家电力需求。而1％的土地中，只有5％是设备安装等必须使用的，其他95％还可以继续用于农业或畜牧业。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。

随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近5年来，世界风能市场每年都以40％的速度增长。1997年全世界风电装机容量只有7000兆瓦，2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25％。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。截至2006年6月全国风电装机总容量达到126万千瓦，位居世界第10位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。

2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，当年新增装机容量为133万千瓦，同比增长166％。预计除了西藏、云南、新疆等5个省区外，国内其余26个省区的风能资源还有32亿千瓦装机容量可供开发。其中，内蒙古自治区可供开发的风能资源占到了26个省区的一半，达14.6亿千瓦。估计未来风电机组的需求仍将高速增长，预计2008～2010年分别可以达到361万千瓦、505万千瓦和657万千瓦，同比分别增长50％、40％和30％，三年复合增长率达到40％。

风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15％，近几年世界风电增长一直保持在30％以上。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。

我国风电建设远远落后于世界发展速度的主要原因是，没有加大力度依靠国内雄厚的机电制造业基础，吸收引进国外先进技术对风电成套设备进行自主开发。国内已经建成的微不足道的风电容量几乎全部为进口的成套设备，导致风电场投资高、电价高，与火电、水电比，缺乏市场竞争能力。

在当前市场情况下，我国风能产业应加快引进并吸收国外先进大型风电制造技术，加速风电建设国产化进程，降低设备生产和风场建设成本，迅速形成大批量、大容量、国产化、国际先进水平的风电成套设备制造基地和风电场建设队伍，积极参与风能产业国际竞争。在风力资源丰富的地区加快建设大型风力发电厂，探索出具有中国特色的风电建设的成功之路。

从唐吉柯德时代的风车磨房到今天的德国风力发电机，人们一直在探索更好地利用风力这一大自然的清洁能源。但几百年来，从风车到风力发电机，其基本结构并无重大改变，它们的基本特点是：为了获取巨大的风能，必须具有巨大的风翼。为支撑巨大的风翼，必须建造相应的高塔。为适应风向的变化，还必须有调整风翼迎风面的尾翼或类似结构和控制。而且巨大的风翼及其根部既是接受风力转换旋转机械能的获能器件，同时又是支撑整个工作部件的重力支撑件，因此受力状态特别恶劣，容易损坏，因此非常希望有一种改善、改良措施的风轮结构。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种，改变现有技术的风轮受力状态的结构，缩小现有技术风轮的整体结构，提高风轮的风力工作效率。

本实用新型的目的是由如下结构实现的：

一种立式风轮，包括垂直旋转轴，其特征在于，在所述垂直旋转轴的径向，伸出三套夹角互为120度的框架式叶片组件，

所述叶片组件为，上、下两根平行，在水平面上为圆弧弯曲状的外伸臂，两外伸臂的端头与垂直旋转轴固定连接，在两外伸臂的内圆弧之间，以轴销结构连接多片长条矩形小风叶的一条长边，所述小风叶的长边大于等于两外伸臂上下之间的距离，所述小风叶的短边大于等于相邻两片小风叶之间的间距。

风轮由垂直旋转轴上径向，夹角为120度伸出三根框架式叶片组件组成，在上下两根外伸臂的内圆弧之间，以轴销结构连接多片长条矩形小风叶的一条长边，多片小叶片在轴销上可来回转动，或开或闭相叠而成。

当风从一侧吹来，俯视本技术方案的立式风轮，三根框架式叶片组件形成一个圆，与风吹来方向平行的圆中心线，位于中心线一侧的叶片组件中的小风叶呈关闭状，接受风力产生绕旋转轴旋转，而另一侧则处于风从背部吹来，导致小风叶打开，风不对其产生绕旋转轴的推力，因此垂直旋转轴按一个方向旋转。小风叶在外伸臂旋转的过程中不断逐渐打开又逐渐关闭，风力的持续推动，在小风叶自里向外如多米诺骨牌翻转周而复始的开闭中，对垂直旋转轴产生旋转力矩，完成本立式风轮的旋转工作，经传递给发电机等工作机械发电和做功。

所述叶片组件上、下两根外伸臂之间设置至少一根加强杆。设置加强杆，有利提高上、下两外伸臂组成框架的刚性，保证同步运转。

所述呈水平圆弧弯曲状的外伸臂的圆弧圆心角为0度至120之间。如此形状、范围的外伸臂的圆弧能取得较好的风力推动效果。

进一步，所述圆弧圆心角为45度至80度。

所述呈水平圆弧弯曲状的外伸臂的圆弧为渐开线。如此形状的外伸臂的圆弧也能取得较好的风力推动效果。

在所述垂直旋转轴上设置多层三根框架式叶片组件，各层之间保持一定相位。由于小风叶在垂直于风向的角度上受风面积最大，输出的旋转推力最大，因此采用本技术方案能使得各层的框架式叶片组件前后相继给垂直旋转轴的最大推力，减小旋转力的波动，确保垂直旋转轴的平稳运行。

所述外伸臂上以轴销结构连接小风叶，所述轴销由推拉机构实现所有小风叶合拢于靠近垂直旋转轴，或推开至各自工作位置。由于在使用中不时会遇到突然的狂风，会出现超出正常设计给予承受的力，造成损坏和意外，为了安全和保险，本技术方案采用了将小风叶收拢于垂直旋转转处的方式。

进一步，所述推拉机构为，所述轴销嵌入外伸臂沿内圆弧的轨道中，由拉索拉动实现所有小风叶合拢于靠近垂直旋转轴，又经外伸臂外伸端部的滑轮反向拉开，拉索上的各轴销位于各自工作位置。为了实现小风叶合拢、拉开的目的，将各轴销嵌入外伸臂沿内圆弧的轨道中，并由拉索将各轴销串在一起，拉动最外端的轴销可以实现全部轴销的合拢，通过绕过外伸臂外伸端部的滑轮反向拉开，固定在拉索上的各轴销又能恢复位于各自工作位置。所述推拉机构也可由液压或简单机械方式实现。

由所述多根垂直旋转轴一字形排列，或星形排列，由链条或齿轮组传递至工作机主轴。在大的使用场地，如旷野、草原、桥洞下，一字形并列排列，或以星形组合排列，各根垂直旋转轴的旋转，由链条或齿轮组传递至工作机主轴，集中产生大的风能力矩。

本实用新型的优点和有益效果：

(1)本技术方案，无须高塔，旋翼风轮可因势安装。无论是海上风场还是峡谷河滩，风能获得占地比高。

(2)自适应风向的改变，无须尾翼和纠偏伺服系统调整方向。省时省材省能。风向多变时更显其优。

(3)发电机和调速控制一应设备均可直接安装在风轮下，安装在地上。而传统风力发电机必须安装在高塔上，或须通过机械装置将风轮的动能传到地面。无论安装维护还是控制，其优势不言而喻。

(4)能更好地适应切变风和小气旋。传统风机高塔和旋翼，基本结构是悬臂梁叠加，阵风或强切变风或湍流对其是破坏性的。而本实用新型基本结构是桁架固定式，对风向自适应。

(5)微风启动，且能有效适应强风。传统风机在飓风中须有旋翼或机头的安全控制，而本实用新型的安全由桁架结构决定，在极端的情况下，地面控制措施也较高空方便得多。

(6)风能利用率高。可将小风叶捕获的风能直接转化为机械能或电能。

(7)外伸臂截面呈圆弧曲面，风流径向扫风面积截取的风能远较传统风翼为大。

(8)框架式叶片组件上的小风叶闭合时由里向外依次叠合，形成阻风面。背风时自里向外如多米诺骨牌翻转，以减小风阻。整个受力运转过程平滑。如采用框架式叶片组件同轴套叠，互相保持一定相位，则效果更好。

(9)对环境要求不苛刻。规模可大可小，形状可高可低，甚至城市高楼也能安装。

(10)对气象要求不苛刻。由于结构简洁，无特殊工况限制，即使冰霜雷暴沙尘天气也能正常工作。

(11)对设计要求不苛刻。传统风翼设计须考虑各种工况下材料强度、气动效率、最佳尖速比和控制伺服等因素，而本实用新型仅需考虑如何提高性价比和因地制宜而已。

(12)对材料要求不苛刻。框架式叶片组件的框架与垂直旋转轴相联之整体结构可由桁架构成，叶片可采用钢板、塑料、竹木、蒙布等寻常材料。

(13)对加工要求不苛刻。此由对设计要求不苛刻所决定，中小企业、农村边区也能生产。

(14)造价低廉，日常维护保养简单，性价比高，有利于广泛采用。尤其适应西部或贫困地区的风能开发和利用。

(15)对飞鸟的可能伤害也较传统风翼小。本实用新型框架式叶片组件风轮为阻尼低速水平向运动，通常翼尖风速比小于1。而传统风翼与风流径向垂直作上下旋转运动，尖速比可大于5。

(四)附图说明

图1是本实用新型立式风轮的俯视图；

图2是本实用新型立式风轮的主视图；

图3是本实用新型立式风轮的框架式叶片组件，外伸臂上以轴销结构连接的小风叶由拉索经绕过外伸臂外伸端部的滑轮反向拉开，各轴销位于各自工作位置的俯视示意图；

图4是图3小风叶由拉索拉动，各轴销合拢于靠近垂直旋转轴的俯视示意图；

图5是本实用新型立式风轮，在所述垂直旋转轴上设置两层三根框架式叶片组件相互叉开夹角配置的结构示意图；

图6是三根垂直旋转轴一字形排列，由链条传向工作机主轴的结构示意图。

图中，1.外伸臂，2.小风叶，3.垂直旋转轴，4.轴销，5.滑轮，6.拉索，7.加强杆。

(五)具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型作详细说明。

实施例一

一种立式风轮，包括垂直旋转轴3，在垂直旋转轴3上径向，夹角为120度伸出三根框架式叶片组件。所述叶片组件为，呈横向n的矩形框架，上、下两根为平行呈水平圆弧弯曲状的外伸臂1，竖直一根为加强杆7，两外伸臂1的端头与垂直旋转轴1固定连接，采用焊接方式，在两外伸臂1的内圆弧之间，以轴销4结构连接多片长条矩形小风叶2的一条长边，小风叶2的长边大于两外伸臂1上下之间的距离，小风叶2的短边等于相邻两片小风叶2之间的间距。

当风从一侧吹来，俯视本技术方案的立式风轮，三根框架式叶片组件形成一个圆，与风吹来方向平行的圆中心线，位于中心线一侧的叶片组件中的小风叶2呈关闭状，接受风力产生绕垂直旋转轴3旋转，而另一侧则处于风从背部吹来，导致小风叶2打开，风不对其产生绕垂直旋转轴3的推力，因此垂直旋转轴3按一个方向旋转。小风叶2在外伸臂1旋转的过程中不断逐渐打开又逐渐关闭，风力的持续推动，在小风叶自里向外如多米诺骨牌翻转周而复始的开闭中，对垂直旋转轴3产生旋转力矩，完成本立式风轮的旋转工作，经传递给发电机等工作机械发电和做功。本实施例呈水平圆弧弯曲状的外伸臂1的圆弧圆心角为60度，经测试能取得较好的风力推动效果。

实施例二

在实施例一的基础上，在垂直旋转轴3上设置两层三根框架式叶片组件，两层之间120度的夹角互相保持60度的相位。由于小风叶2在垂直于风向的角度上受风面积最大，输出的旋转推力最大，因此本实施例能使得两层的框架式叶片组件前后相继给垂直旋转轴的最大推力，减小旋转力的波动，确保垂直旋转轴的平稳运行。

实施例三

在实施例一的基础上，外伸臂1上以轴销4结构连接小风叶2，轴销4由推拉机构实现所有小风叶2合拢于靠近垂直旋转轴3，或推开至各自工作位置。由于在使用中不时会遇到突然的狂风，会出现超出正常设计给予承受的力，造成损坏和意外，为了安全和保险，本实施例采用了将小风叶收拢于垂直旋转转处的方式。所述推拉机构为，轴销4嵌入外伸臂1沿内圆弧的轨道中，由拉索6拉动实现所有小风叶2合拢于靠近垂直旋转轴3，又经外伸臂1外伸端部的滑轮5反向拉开，拉索6上的各轴销4位于各自工作位置。为了实现小风叶2合拢、拉开的目的，将各轴销4嵌入外伸臂1沿内圆弧的轨道中，并由拉索6将各轴销4串在一起，拉动最外端的轴销4可以实现全部轴销4的合拢，通过绕过外伸臂1外伸端部的滑轮5反向拉开，固定在拉索6上的各轴销4又能恢复位于各自工作位置。

实施例四

在尤如上海洋山深水港的长桥、上海至宁波的跨海大桥下，宽阔、空旷的空间，由多根垂直旋转轴3一字形排列，由链条传递至发电站总枢纽，可以产生和集中巨大的风力，充分利用风能资源，几乎丝毫不影响原有建筑物，不失是一种理想的风能利用设施。

Claims (9)

1.一种立式风轮，包括垂直旋转轴(3)，其特征在于，在所述垂直旋转轴(3)的径向，伸出三套夹角互为120度的框架式叶片组件，

所述叶片组件为，上、下两根平行，在水平面上为圆弧弯曲状的外伸臂(1)，两外伸臂(1)的端头与垂直旋转轴固定连接，在两外伸臂(1)的内圆弧之间，以轴销结构连接多片长条矩形小风叶(2)的一条长边，所述小风叶(2)的长边大于等于两外伸臂(1)上下之间的距离，所述小风叶(2)的短边大于等于相邻两片小风叶(2)之间的间距。

2.根据权利要求1所述立式风轮，其特征是所述呈水平圆弧弯曲状的外伸臂(1)的圆弧圆心角为0度至120之间。

3.根据权利要求2所述立式风轮，其特征是所述呈水平圆弧弯曲状的外伸臂(1)的圆弧圆心角为45度至80之间。

4.根据权利要求1所述立式风轮，其特征是所述呈水平圆弧弯曲状的外伸臂(1)的圆弧为渐开线。

5.根据权利要求1所述立式风轮，其特征是所述叶片组件上、下两根外伸臂(1)之间设置至少一根加强杆(7)。

6.根据权利要求1所述立式风轮，其特征是在所述垂直旋转轴(3)上设置多层三根框架式叶片组件，各层之间保持一定相位。

7.根据权利要求1所述一种立式风轮，其特征是所述外伸臂(1)上以轴销(4)结构连接小风叶(2)，所述轴销(4)由推拉机构实现所有小风叶(2)合拢于靠近垂直旋转轴(3)，或推开至各自工作位置。

8.根据权利要求7所述立式风轮，其特征是所述推拉机构为，所述轴销(4)嵌入外伸臂(1)沿内圆弧的轨道中，由拉索(6)拉动实现所有小风叶(2)合拢于靠近垂直旋转轴(3)，又经外伸臂(1)外伸端部的滑轮(5)反向拉开，拉索(6)上的各轴销(4)位于各自工作位置。

9.根据权利要求1所述立式风轮，其特征是由所述多根垂直旋转轴(3)一字形排列，或星形排列，由链条或齿轮组传递至工作机主轴。

Images