CN202250597U - 垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，属于垂直轴风力发电机风轮领域。包括机架、风轮主轴和水平主横梁，风轮主轴固定在机架上，水平主横梁设置在风轮主轴上，上、下水平主横梁设置若干叶片，其特征在于：所述的上、下水平主横梁采用桁架结构构成风轮组，所述的叶片一侧设置叶片轴杆，叶片另一侧朝向风轮主轴，叶片轴杆通过叶片轴座固定在上、下水平主横梁之间，叶片以叶片轴杆为转轴在叶片轴座内自由转动。该风轮对风向没有任何要求，360°方向的来风都可以使它按所设定的转向旋转，发电机固定安装，不需调动，整个风轮均可以采用低成本抗老化重量轻易制作的材料制成，结构简单，调整方便，可以有效降低风阻力，提高效率。

Description

垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮

技术领域

本实用新型属于风力发电机风轮领域，尤其是一种垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮。

背景技术

风能是水能之外最具规模应用前景的可再生能源，受到世界各国的高度重视。中国已成为世界上最活跃的风电市场。2009年全国新增风电装机容量超过800万千瓦，累计总容量已达2000万千瓦以上。因此，我国风力发电设备制造业及相关领域的市场前景十分广阔。

风力发电机按旋转轴的方向来分，可分为水平轴和垂直轴两种。

在现有技术中，垂直轴风力发电机越来越显示出其高效、功率大和便于安装、使用寿命长等优点。但是，在垂直设置的风轮被风吹动旋转时，风轮的转动速度并不能随风力成比例增加，在风力不是很大的情况下这一情况更加突出，究其原因是，当来风气流冲击风轮时，在其迎风面的一侧受到的是驱动风轮转动的有效推力，而在另一侧受到的则是阻止风轮转动的阻力，上述两种力的合力是来风气流致使风轮旋转作功的有效动力。由于迎风面上一侧风阻的存在，显著降低了垂直轴风轮受来风获得的驱动力，使得发电机的效率降低。

现有技术中解决这一问题的方法是在风轮迎风面设置导流装置，构建一个导流风场，使得来风按照导流装置提供的通道吹向风轮而推动风轮转动。这种通过将自然风引入导流通道，再推动风轮叶片的消除风阻力的方法，存在降低自然风风力的缺点，同时，自然风的风向会频繁变化，如果导流装置不随风向改变导流方向，导流装置带来的风能损耗将更大，如果设计可以随风向变化而改变导流方向的导流装置，势必使得导流装置的结构变得复杂，这给在风场这样特定严酷的环境中的使用、管理和维护都会带来不便。

中国专利200720093054.2公开了一种轻质结构垂直轴风力发电机风轮，包括垂直轴和设在其上的多个风叶，其特征在于：在垂直轴上设置有上、下轮盘，上、下支撑轮圈均通过呈均匀分布的辐射式拉力支撑杆与上、下固定轮盘相连接，且每根支撑杆均与轮圈的半径方向皇一定夹角，在上、下拉力支撑杆之间设置有风叶。本实用新型的特点在于：风叶采用轻质薄板材料制作，在大大压缩了风叶成本的同时减轻了风叶自重，实现了微风驱动目的，提高了发电效率，且通过设计的风叶固定机构，可方便地更换风叶，维护非常方便。由于所使用软质风叶的原因，故在迎风面受风时，迎风角度可有一定程度加大，而背风面背风时可减小背风面面积，进而提高风轮转速。

中国专利申请200910128001.3公开了一种通过对叶片支持翼的结构改进，使得风轮在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定转速，从而确保垂直轴风力发电机恒定功率输出的升力型垂直轴风力发电机风轮结构。该发明由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮，所述支持翼包括与垂直轴连接的固定支持翼，与叶片连接的转动支持翼，所述转动支持翼的一端与固定支持翼的一端连接并可绕该固定支持翼的一端转动，其安装角(α)的范围是-12-12度；叶片弦线与转动支持翼的夹角(G)的范围是7-100度；转动支持翼与固定支持翼延长线的夹角(A)的范围是20-90度。

以上两技术存在的不足是，风向要求高，叶片角度变化较小或者不便，相对于做功叶片的叶片阻力较大，效率低下，并且结构复杂，不能够组合式拆装，风轮叶片尺寸长，无法模块化组合，调节叶片数量困难，维修不方便，维护成本高。

实用新型内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种结构简单，调整方便的可以有效降低风阻力提高效率的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，包括机架、风轮主轴和水平主横梁，风轮主轴固定在机架上，水平主横梁设置在风轮主轴上，上、下水平主横梁设置若干叶片，其特征在于：所述的上、下水平主横梁采用桁架结构构成风轮组，所述的叶片一侧设置叶片轴杆，叶片另一侧朝向风轮主轴，叶片轴杆通过叶片轴座固定在上、下水平主横梁之间，叶片以叶片轴杆为转轴在叶片轴座内自由转动。

其中优选方案是：

所述的叶片设置加固筋条，设置在水平主横梁之间的叶片宽度由风轮主轴向外依次递减。每一叶片的水平宽度由风轮主轴向外依次递减，最大和最小叶片的大小要根据实际而定。原则是靠近风轮主轴的叶片可做得大些，越向外的叶片水平方向宽度要适当的减小。此目的是减小各个叶片在换向外翻时对风轮主轴存在的反向转动冲击扭矩。

所述的叶片高度大于上、下水平主横梁外沿之间高度0.1-2cm。以使叶片在跟随扇面转动到被风向时能与水平横梁紧贴，如同窗扇一样处于闭合状态。

所述的风轮组的上、下水平主横梁之间设置扇面垂直支撑轴，所述的机架设置滚轮圆形轨道，垂直支撑轴下部设置滚轮，滚轮嵌入滚轮圆形轨道的轨道槽中。扇面垂直支撑轴起到支撑作用，防止风轮组变形，并可减少风轮主轴因风力产生的径向弯曲扭力，各个滚轮嵌入在滚轮轨道槽之中，可以随风轮做360°自由转动，对整个风轮起到支撑和牵拉作用。

所述的风轮主轴设置1-8层风轮组，每个风轮组设置若干叶片，相邻的风轮组之间通过设置组间连接栓连接。可以根据需要设置多层风轮组，增加扭力。

所述的叶片轴座设置在水平主横梁旋转方向的后侧，叶片轴座设置叶片转向角度限制端钮，其内侧设置斜直面。

所述的叶片转向角度限制端钮的斜直面的沿线在垂直方向上与水平横梁成50°-70°的夹角，叶片在该夹角内转动。其目的：一、可以限制叶片在换向外翻时的转动角度，减小叶片外翻角度和对风轮主轴的反向冲击扭矩；二、由于有了这个角度限制端钮，使叶片在跟随扇面转动到(三)(四)相限时，其外侧又紧贴端钮斜面，在风力的吹动下继续对主轴有一定的正向扭矩；三、可以避免在无风的状态下，相邻叶片之间的相互碰创和叠压。

所述的水平主横梁设置横梁拉索联固栓，相邻两个水平横梁之间通过横梁拉索固定。固定水平主横梁，提高风轮的刚性结构，以及它的稳定性和牢固程度。

本实用新型垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮所具有的有益效果是：上、下水平主横梁通过采用桁架结构构成风轮组，叶片一侧设置叶片轴杆，叶片另一侧朝向风轮主轴，叶片轴杆通过叶片轴座固定在上、下水平主横梁之间，叶片以叶片轴杆为转轴在叶片轴座内自由转动，并且按照需要进行其他设置，使得风轮整体的所有纵横梁支柱构件均以桁架结构组成，这样一是减轻了风轮整体的重量；二是增加了风轮的刚体强度；三是增大了风轮相关部位的透风性能，减少不必要的对风阻力；四是扩大了风轮的有效受风面积和有用扭矩角度；五是使风轮具有模块化组合的特性，每一部件均可按小型化、标准化、模块化设计。在制造方面易于大批量自动化生产，在运输方面便于分组运输，在安装方面可以现场组装，在型号方面可以根据实际组装成大小不等的风轮。最下面是塔座式机房，以增加风轮的稳固性和安放发电机，在建造方面简易，在选址方面没有过高的条件。

如果是中小型风力发电系统，风轮可以小型化，那么最下面的机房也就可以改换为类似路灯杆式支座杆。发电机安装在机房内部或较低矮的支座杆上，使整个系统的重心在最底层，便于安装、维护、检修、更换零部件等等。

由于所述风轮的结构特性，使得它对风向没有任何的要求，也就是当风轮按预先设计的形式制作完成后，无论是东西南北360°任何方向的来风都必将使它按所设定的转向旋转。这样可以使发电机固定安装(不需调动)，从而减少了诸多附带的繁杂辅助设施，包括防止电缆的扭转缠绕等等因素。

另外，整个风轮体系均可以采用低成本抗老化重量轻易制作的材料制成，这样相比水平轴螺旋桨式叶片风轮对自然条件的适应能力和性价比等等方面会有很多的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的A向视图；

图3为图2中I部的局部放大图；

图4为图2中II部的局部放大图；

图5为图2中III部的局部放大图；

图6-图11为本实用新型的状态示意图；

其中：1、叶片  2、水平主横梁  3、横梁拉索联固栓  4、横梁拉索  5、风轮主轴  6、叶片轴座  7、组间连接栓  8、滚轮  9、滚轮圆形轨道  10、塔座式发电机机房  11、扇面垂直支撑轴  12、叶片轴杆  13、叶片转向角度限制端钮。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，风轮主轴5固定在机架上，水平主横梁2设置在风轮主轴5上，上、下水平主横梁设置若干叶片1，上、下水平主横梁采用桁架结构构成风轮组，叶片1一侧设置叶片轴杆12，叶片1另一侧朝向风轮主轴5，叶片轴杆12通过叶片轴座6固定在上、下水平主横梁2之间，叶片1以叶片轴杆12为转轴在叶片轴座6内自由转动。

叶片1设置加固筋条，设置在水平主横梁2之间的叶片1宽度由风轮主轴5向外依次递减。最大和最小叶片1的大小要根据实际而定。原则是靠近风轮主轴5的叶片1可做得大些，越向外的叶片1水平方向宽度要适当的减小。叶片1高度大于上、下水平主横梁2外沿之间高度0.1-2cm。以使叶片1在跟随扇面转动到被风向时能与水平主横梁紧贴，如同窗扇一样处于闭合状态。

水平主横梁2设置横梁拉索联固栓3，相邻两个水平横梁2之间通过横梁拉索4固定。

水平主横梁2设置2-12个，均匀分布在以风轮主轴5为圆心的圆周上。

实施例2：

在实施例1的基础上，风轮组的上、下水平主横梁2之间设置扇面垂直支撑轴11，机架设置滚轮圆形轨道9，扇面垂直支撑轴11下部设置滚轮8，滚轮8嵌入滚轮圆形轨道9的轨道槽中。扇面垂直支撑轴11起到支撑作用，防止风轮组变形，各个滚轮8嵌入在滚轮轨道槽之中，可以随风轮做360°自由转动，对整个风轮起到支撑和牵拉作用。

滚轮圆形轨道9以支架的形式固定在机架或者塔式机房上。

实施例3：

风轮主轴5设置1-8层风轮组，每个风轮组设置若干叶片1，相邻的风轮组之间通过设置组间连接栓7连接。可以根据需要设置多层风轮组，增加扭力。

实施例4：

如图2-图5所示，在实施例1的基础上，进一步改进叶片轴座6。

叶片轴座6设置在水平主横梁2旋转方向的后侧，叶片轴座6设置叶片转向角度限制端钮13，其内侧设置斜直面。

叶片转向角度限制端钮13的斜直面的沿线在垂直方向上与水平横梁成50°-70°的夹角，叶片在该夹角内转动。其目的：一、可以限制叶片在换向外翻时的转动角度，减小叶片外翻角度和对风轮主轴的反向冲击扭矩；二、由于有了这个角度限制端钮，使叶片在跟随扇面转动到(三)(四)相限时，其外侧又紧贴端钮斜面，在风力的吹动下继续对主轴有一定的正向扭矩；三、可以避免在无风的状态下，相邻叶片之间的相互碰创和叠压。

图2以4个水平主横梁2为例，用来表示以来风方向为0°起始旋转360°，将风轮组四个扇面按逆时针顺序分为(一)(二)(三)(四)四个相限面。每一相限扇面上由风轮主轴5向外依次安装着若干个窗扇形叶片(本说明图中只绘制了5个，实际中根据需要可向外或向里加减叶片的数量)，每个叶片1均制作成窗扇模式，其上有若干加固筋条或腹板以及叶片轴杆12。各个叶片轴杆12在远离风轮主轴5的外侧，叶片1端部朝向主轴。每一叶片1的水平宽度由主轴向外依次递减，最大和最小叶片1的大小要根据实际而定。叶片1在垂直方向上的长度要比每组上下水平横梁的高度间距适当地长出一些，以使叶片在跟随扇面转动到如图所示的(二)(三)相限面时能与水平横梁紧贴，如同窗扇一样处于闭合状态。

每一扇面上的叶片轴座6都安装在水平横梁旋转方向的后侧(或按顺时针或按逆时针)。叶片轴座6制作成图3-图5局部放大图所显示的构造形式，在其外侧有一个突出的叶片转向角度限制端钮13。端钮的里侧是一斜直面，该斜面的沿线与过叶片轴心和水平横梁平行的沿线成一定角度α(大概在50°～70°左右)。

本实用新型中的机架、桁架结构安装、动力输出装置为普通现有技术，其设置和使用为本行业技术人员所掌握。

工作原理和使用过程：

如图6-图11所示，将风轮组的四个扇面按逆时针旋转方向分为a、b、c、d四个扇面，同时将风向调换成西北风向，以示该风轮组对各种风向的适应能力。图6表示在无风情况下，各扇面上的叶片1将以各种姿态存在，但由于每一叶片轴座上角度端钮的限制，各个叶片1只能在α角度范围内，因此不会发生叶片碰创和叠压现象。图7中，当有风吹来时，a、d两扇面处在(一)(二)相限，其上的各个叶片在风力的吹动下会自然闭合，对风轮起到较大的主扭转动力。b扇面处在(三)或(四)相限，其上各个叶片1在风力的吹动下自然向外翻转，并紧贴叶片轴座角度限制端钮，对风轮也起到一定的正向扭转动力。c扇面处在(四)相限接近360°，其上的各个叶片由于处在水平主横梁1与叶片角度限制端钮13之间会顺风排列，此时它不对风轮有动力扭矩，相反会有一定的阻力作用，但与d、a、b三个扇面的正向扭矩相比，它的阻力要小得多，因此风轮开始逆时针旋转。图8，当a扇面转过180°时，其上的各个叶片开始自然外翻，并在一个较小的角度β内转至紧贴叶片轴座角度限制端钮13。b扇面虽已转过270°，但其上的叶片仍就紧贴叶片轴座角度限制端钮。而c扇面上的叶片1顺风转至与水平主横梁2紧贴，此时c、d两扇面分别处在(一)(二)相限，其上叶片状态及其对主轴的作用如上有关所述相同。图9，风轮继续旋转，a扇面接近270°，继续对主轴起一定正向扭矩。b扇面接近360°，其上叶片开始顺风平行。图10，风轮继续转动，a扇面转至接近360°时，其上各个叶片也开始顺风平行。其他扇面上的叶片如同前述处于各自相应的姿态。如此，风轮各扇面周而复始按照预设的转向转动。图11表示，将来风方向为起始0°，把扇面旋转位置分为0°、90°、180°、270°相位。扇面在大于180°附近有一个较小的叶片外翻换向角度β，在小于360°大于360°-α之间，叶片1处于顺风平行状态，这两处都是扇面对主轴无功状态，而其余较大范围内各个扇面均对主轴有或大或小的有用正向扭矩，从而增大了风轮的有用扭矩角度，提高了垂直轴风轮的接受风能的效率。

另外，该种风轮扇面在相同尺寸空间范围内，它的受风面积要比螺旋桨式风轮大得多，所产生的动力也要大许多，综合各个方面的各种因素，该种风轮会有很好的优越性，而且还具有推广至应用于其他以流体物质为动力源场合。

Claims (8)

1.一种垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，包括机架、风轮主轴和水平主横梁，风轮主轴固定在机架上，水平主横梁设置在风轮主轴上，上、下水平主横梁设置若干叶片，其特征在于：所述的上、下水平主横梁采用桁架结构构成风轮组，所述的叶片一侧设置叶片轴杆，叶片另一侧朝向风轮主轴，叶片轴杆通过叶片轴座固定在上、下水平主横梁之间，叶片以叶片轴杆为转轴在叶片轴座内自由转动。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的叶片设置加固筋条，设置在水平主横梁之间的叶片宽度由风轮主轴向外依次递减。

3.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的叶片高度大于上、下水平主横梁外沿之间高度0.1-2cm。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的风轮组的上、下水平主横梁之间设置扇面垂直支撑轴，所述的机架设置滚轮圆形轨道，扇面垂直支撑轴下部设置滚轮，滚轮嵌入滚轮圆形轨道的轨道槽中。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的风轮主轴设置1-8层风轮组，每个风轮组设置若干叶片，相邻的风轮组之间通过设置组间连接栓连接。

6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的叶片轴座设置在水平主横梁旋转方向的后侧，叶片轴座设置叶片转向角度限制端钮，其内侧设置斜直面。

7.根据权利要求6所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的叶片转向角度限制端钮的斜直面的沿线在垂直方向上与水平横梁成50°-70°的夹角，叶片在该夹角内转动。

8.根据权利要求1或4所述的垂直轴风力发电机用窗扇形叶片组合式风轮，其特征在于：所述的水平主横梁设置横梁拉索联固栓，相邻两个水平横梁之间通过横梁拉索固定。

Images