CN204419452U - 一种微型垂直轴式风轮机 - Google Patents
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Abstract
一种微型垂直轴式风轮机。其包括机箱、发电机、传动装置、风轮和风轮固定框架；风轮包括风轮轴、顶盘、底盘和三片桨叶；发电机和传动装置设置在机箱内，发电机主轴和风轮轴底端分别安装一套齿轮组，两套齿轮组之间通过链条连接构成传动装置；风轮轴顶端通过一个止推轴承安装在位于顶盘上方风轮固定框架横梁中部；风轮固定框架两侧分别通过钢管及加强耳板与机箱顶部边缘相接。本实用新型采用三片桨叶主流结构，平衡美观。桨叶形状经过优化，主要体现在上宽下窄且下端向前扭曲及表面设置横筋，可加大叶面风阻，以解决因转速低造成风机效率低问题。制作简便，在3～4级风速下都能运转正常，可在建筑物屋顶或地表安装，适合作为小型户用风电机组。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电技术领域，特别是涉及一种微型垂直轴式风轮机。
背景技术
随着新能源产业的迅速发展，人们愈加重视对风能的利用。通常根据风力发电机组的额定功率可将其分为：微型机(10kW以下)；小型机(10kW至100kW)；中型机(100kW至1000kW)及大型机(1000kW以上，MW级风机)。
风力发电机组(以下简称“风机”)主要由两大部分组成：风轮机部分——将风能转换为机械能；发电机部分——将机械能转换为电能。风机的发电机部分可采用异步发电机或同步发电机，其主要外在差别体现在风轮机部分上。依风轮机旋转主轴的方向(即主轴与地面的相对位置)可将其分为：“水平轴式风轮机”——转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；“垂直轴式风轮机”——转动轴与地面垂直，叶轮不必随风向改变而调整方向。
其中水平轴式风轮机存在以下缺点:(1)体积大、重心高，安装不便，需要拉纤固定，一旦遭遇强风极易倒倾；(2)启动风速较高，对风场要求高，在微风地区很难启动发电；(3)需加装迎风装置，以保证风轮机的叶轮始终处于最大受风面所在位置，这为简易型风机设计增加了难度。
相比较而言，垂直轴式风轮机可以克服水平轴式风轮机的这些缺点，具有较多显著优势：
(1)安全性——采用垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此能够较好解决叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题；
(2)噪音——水平轴式风轮机采用垂直面旋转且叶片应用飞机机翼原理 设计，使其运行时噪音较大。而垂直轴式风轮机运行时噪音可降低到在自然环境下测量不到的程度；
(3)抗风能力——垂直轴式风轮机的水平旋转和三角形双支点设计原理，使其受风压力小，在基础固定稳固的条件下可以抵抗速度30m/s以内的强风；
(4)回转半径——由于其设计结构和工作原理的不同，比其他形式风轮机具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；
(5)发电曲线特性——由于垂直轴式风机的运行特性，它的启动风速低于其他形式的风机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5～8m/s的风速范围内，其发电量较其他类型的风机高10％～30％；
(6)利用风速范围——垂直轴式风机采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；
(7)刹车装置——垂直轴式风机可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；
(8)运行维护——无需加装转向机构，只需定期(一般每半年)对链条传动部件的连接处进行检查。
但是，目前常用的垂直轴式风轮机均为大型风轮机，因此不适于微风地区的风力发电。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种量在百瓦级的微型垂直轴式风轮机。
为了解决上述问题，本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机包括机箱、发电机、传动装置、风轮和风轮固定框架；其中机箱为圆柱体形箱体，顶部焊接机箱顶盖，底部焊接法兰底盘及45°加强筋板，机箱由法兰底盘上 的地脚螺栓固定在机组安装基础上，机箱顶盖中心处打风轮轴过孔，并且圆周面上设有一个检修门；风轮包括风轮轴、顶盘、底盘和三片桨叶；其中风轮轴的底部通过一个止推轴承安装在机箱顶盖上的风轮轴过孔内；三片桨叶的一侧均固定在风轮轴中部，且彼此相差120°；风轮顶盘和底盘的中心分别贯穿风轮轴的顶部及底部，三片桨叶的上下边缘分别固定于顶盘底面及底盘顶面；发电机和传动装置均设置在机箱内部，发电机的主轴和风轮轴下端分别安装一套齿轮组，并且两套齿轮组之间通过链条连接而构成传动装置；风轮轴顶端通过一个止推轴承安装在位于顶盘上方的风轮固定框架的横梁中部；风轮固定框架的两侧分别通过钢管及加强耳板与机箱顶部边缘相接。
所述的桨叶沿轴向弯成半圆弧形，整体由上至下呈斜线收窄。
所述的桨叶下端向前扭转设置，其顶端弦线与底端弦线之间呈15°夹角。
所述的风轮顶盘和底盘均打有多个贯穿孔。
所述的桨叶表面由上至下冲压形成有多条自风轮轴向桨叶外侧边缘出射且与风轮轴呈60°夹角的横筋，并且横筋凸出在桨叶的凹面外。
本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机的有益效果：
(1)机箱采用圆柱体结构，以减小风阻。
(2)采用三片桨叶的主流结构，平衡美观。桨叶的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。桨叶太少的风力发电机通常需要较高的转速以获取足够的风能，因此噪音较大。而桨叶太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。
(3)桨叶形状经过优化，主要体现在上宽下窄且下端向前扭曲以及表面设置横筋，这样可加大叶面风阻，以解决因转速低而造成的风机效率低的问题。
(4)本微型垂直轴式风轮机制作简便，在3～4级风速下都能运转正常，可在建筑物屋顶或地表安装，维护简单易行，比较适合作为小型户用风电机 组。与小容量并网逆变器结合，可满足并网发电要求。
附图说明
图1为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机正面结构剖视图。
图2为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机主视图。
图3为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机上风轮整体结构立体图。
图4为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机上风轮结构分解立体图。
图5为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机上风轮俯视图。
图6为本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机上桨叶横筋示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机进行详细说明。
如图1—图6所示，本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机包括机箱1、发电机2、传动装置3、风轮4和风轮固定框架5；其中机箱1为圆柱体形箱体，顶部焊接机箱顶盖19，底部焊接法兰底盘17及45°加强筋板18，机箱1由法兰底盘17上的地脚螺栓固定在机组安装基础20上，机箱顶盖19中心处打风轮轴过孔，并且圆周面上设有一个检修门6；风轮4包括风轮轴7、顶盘8、底盘9和三片桨叶10；其中风轮轴7的底部通过一个止推轴承11安装在机箱顶盖19上的风轮轴过孔内；三片桨叶10的一侧均固定在风轮轴7中部，且彼此相差120°，这样设计的三片桨叶10对任意方向的来风都存在至少一片桨叶10处于一个极佳的受风位置，特别是对于风轮机在微风情况下的启动较为有利；风轮顶盘8和底盘9的中心分别贯穿风轮轴7的顶部及底部，三片桨叶10的上下边缘分别固定于顶盘8底面及底盘9顶面；发电机2和传动装置3均设置在机箱1内部，发电机2的主轴和风轮轴7下端分别安装一套齿轮组，并且两套齿轮组之间通过链条连接而构成传动装置3；风轮轴7顶端通过一个止推轴承11安装在位于顶盘8上方的风轮固定框架5的横梁中 部，采用止推轴承的作用是使风轮轴7具有良好的同心度及承压效果，有利于风轮4的转动平衡，滚针和滚道线接触修正的结果可避免产生有破坏性的边缘应力；风轮固定框架5的两侧分别通过钢管15及加强耳板16与机箱1顶部边缘相接，这样可防止风轮4上部受力而出现左右摇摆和上下位移问题。
所述的桨叶10沿轴向弯成半圆弧形，整体由上至下呈斜线收窄，这样设计可使桨叶10上凹面部分的风阻大于凸面部分的风阻，以此产生的压力差来驱动风轮4旋转。
所述的桨叶10下端向前扭转设置，其顶端弦线与底端弦线之间呈15°夹角，这样可利用运转中产生的一定量的螺旋上升气流来减小风轮4因自重而对位于底部的止推轴承11产生的摩擦力。
所述的风轮顶盘8和底盘9均打有多个贯穿孔13，由于风轮4在风中转动时，其间气体流动产生的负压会对风轮顶盘8和底盘9形成复杂的作用力，设置贯穿孔13可以减小此作用力对风轮4稳定性的影响。
所述的桨叶10表面由上至下冲压形成有多条自风轮轴7向桨叶10外侧边缘出射且与风轮轴7呈60°夹角的横筋14，并且横筋14凸出在桨叶10的凹面外，这样有利于提高桨叶10的强度和表面的风阻，并将气流引向桨叶10的外侧边缘，加大气流作用力矩，增大风能的利用效率；同时利用运转中产生的一定量的螺旋上升力来减小叶轮4因自重而对位于底部的止推轴承11产生的摩擦力。
现将本实用新型提供的微型垂直轴式风轮机的工作原理阐述如下：由于桨叶10的凹面部分的风阻大于凸面部分的风阻，以此产生压力差驱动风轮4旋转,风能通过风轮4转动转化为机械能，经传动装置3传递至发电机2。本专利可选择多种发电机匹配，针对户用情况建议采用变速/恒频控制方式，安装小容量同步发电机或交流永磁发电机，输出电压与频率都不稳定的交流电，再经电力电子交-直-交变换器变换为工频380V交流电输出，可选择并网 或离网运行，也可与其它发电装置构成微网系统。
Claims (5)
1.一种微型垂直轴式风轮机，其特征在于：其包括机箱(1)、发电机(2)、传动装置(3)、风轮(4)和风轮固定框架(5)；其中机箱(1)为圆柱体形箱体，顶部焊接机箱顶盖(19)，底部焊接法兰底盘(17)及45°加强筋板(18)，机箱(1)由法兰底盘(17)上的地脚螺栓固定在机组安装基础(20)上，机箱顶盖(19)中心处打风轮轴过孔，并且圆周面上设有一个检修门(6)；风轮(4)包括风轮轴(7)、顶盘(8)、底盘(9)和三片桨叶(10)；其中风轮轴(7)的底部通过一个止推轴承(11)安装在机箱顶盖(19)上的风轮轴过孔内；三片桨叶(10)的一侧均固定在风轮轴(7)中部，且彼此相差120°；风轮顶盘(8)和底盘(9)的中心分别贯穿风轮轴(7)的顶部及底部，三片桨叶(10)的上下边缘分别固定于顶盘(8)底面及底盘(9)顶面；发电机(2)和传动装置(3)均设置在机箱(1)内部，发电机(2)的主轴和风轮轴(7)下端分别安装一套齿轮组，并且两套齿轮组之间通过链条连接而构成传动装置(3)；风轮轴(7)顶端通过一个止推轴承(11)安装在位于顶盘(8)上方的风轮固定框架(5)的横梁中部；风轮固定框架(5)的两侧分别通过钢管(15)及加强耳板(16)与机箱(1)顶部边缘相接。
2.根据权利要求1所述的微型垂直轴式风轮机，其特征在于：所述的桨叶(10)沿轴向弯成半圆弧形，整体由上至下呈斜线收窄。
3.根据权利要求1所述的微型垂直轴式风轮机，其特征在于：所述的桨叶(10)下端向前扭转设置，其顶端弦线与底端弦线之间呈15°夹角。
4.根据权利要求1所述的微型垂直轴式风轮机，其特征在于：所述的风轮顶盘(8)和底盘(9)均打有多个贯穿孔(13)。
5.根据权利要求1所述的微型垂直轴式风轮机，其特征在于：所述的桨叶(10)表面由上至下冲压形成有多条自风轮轴(7)向桨叶(10)外侧边缘出射且与风轮轴(7)呈60°夹角的横筋(14)，并且横筋(14)凸出在桨叶(10)的凹面外。
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| CN201520016543.2U CN204419452U (zh) | 2015-01-12 | 2015-01-12 | 一种微型垂直轴式风轮机 |
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| CN (1) | CN204419452U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109931215A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-06-25 | 东北大学 | 一种具有永磁限位功能的帆翼式垂直轴风轮机 |
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2015
- 2015-01-12 CN CN201520016543.2U patent/CN204419452U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN109931215A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-06-25 | 东北大学 | 一种具有永磁限位功能的帆翼式垂直轴风轮机 |
| CN109931215B (zh) * | 2019-04-26 | 2023-11-28 | 东北大学 | 一种具有永磁限位功能的帆翼式垂直轴风轮机 |
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