CN206942932U - 一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置及铁路货车车厢 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，包括叶轮部和位于叶轮部两侧的第一导流部和第二导流部，第一导流部包括第一入口和第一出口，第一入口通过第一出口与叶轮部连通；第二导流部包括第二入口和第二出口，第二入口通过第二出口与叶轮部连通；第一出口与第二出口的开口方向相反，叶轮部与第一出口相对的侧面上设有第一开口，叶轮部与第二出口相对的侧面上设有第二开口。经过楔形风道形成的高压高速的风能快速地从第一开口或者第二开口释放到外部，即在叶轮叶片两侧最大地形成压力或能量差，从而几乎无其他能量损耗地作用在叶轮叶片上，减少了风能在叶轮部内部的冲击变向而带来的能量损耗，实现叶轮扭转扭矩成倍的增加。

Description

一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置及铁路货车车厢

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种铁路货车专用离心式垂直轴风力发电装置及应用该发电装置的铁路货车车厢。

背景技术

货物运输是铁路运输的重要组成部分，随着我国国民经济的迅猛发展，铁路货物运量的要求也逐年提高。为了实现我国铁路列车，尤其是铁路货车重载快跑的目标，铁路部门做了大量的工作，这也对车辆在线时时监测提出了更高的要求。目前，我国大力推行的铁路车辆运行安全监控体系简称“5T”系统，均是在轨道边建立监测平台，对过往车辆进行监测。但是对长线路以及路况复杂、供电困难的铁路线难以建立监测平台，也无法达到实时监测的效果。客运列车车体上自带安全监测系统，而对于货运列车，现有的监测平台系统实际上只能在地面对过往货车的运行状态进行各项指标监测，不能完整呈现货车过桥隧、弯道、上下坡、加速、制动等特殊工况以及雨雪、大风等极端天气下的运行参数，导致货运列车的脱轨事故比客运列车多。若能将监测设备安装在货车上，可以有效解决该问题。然而我国的货运列车上没有电源供应，现在高科技的电子技术无法在货运上得到应用，限制了运输效率、安全裕量的提高。

上述系统实际上需要的电量很小，且货车转向架的特殊构造说明不可能在转向架上安装大功率的发电机。而车辆在线路上具有高速运行的特点，在空气黏性作用下，列车运行时将带动车体周围流场随之运动，形成一种特殊的非定常流动，产生走行风，同时，走行风速与车速成正比，且在列车在通过隧道、会车等工况下风速更大，所以可利用走行风能来发电，并将电能储存起来，供给车辆上的用电器使用。在有电力的基础上，可以利用互联网等技术，实现车辆信息及货物信息的远程监控以及车辆的安全监测。

中国专利CN201110052165公开了名称为“适用于铁路货车车辆的风电转换装置”的实用新型，通过在铁路货车上装设风电转换装置实现铁路货车双向运行的发电。但是该种风电转换装置由于叶轮部的全封闭的设置，从而导致其叶轮产生的扭转力矩较小，进一步导致风电转换效率低。同时，由于货车车厢外侧的风速并非均匀布置，现有的风电转换装置安装位置方式不一，没有针对货车车厢周围的最大风速区域进行设计，导致风电转换装置不能捕捉车厢周围的最大风能区域。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种铁路货车专用离心式垂直轴风力发电装置及应用该发电装置的铁路货车车厢，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型首先公开了一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，包括叶轮部和位于所述叶轮部两侧的第一导流部和第二导流部，所述第一导流部包括第一入口和第一出口，所述第一入口通过第一出口与所述叶轮部连通；所述第二导流部包括第二入口和第二出口，所述第二入口通过第二出口与所述叶轮部连通；所述第一出口与第二出口的开口方向相反，其特征在于，所述叶轮部与所述第一出口相对的侧面上设有第一开口，所述叶轮部与所述第二出口相对的侧面上设有第二开口。

进一步的，所述第一导流部包括第一倾斜导流板、第一平行导流板和第一平行腹板，所述第一平行腹板的数量为两个且相对设置，所述第一倾斜导流板、第一平行导流板相对设置且形成一楔角；所述第二导流部包括第二倾斜导流板、第二平行导流板和第二平行腹板，所述第二平行腹板的数量为两个且相对设置；所述第一出口和第二出口均与所述叶轮部的叶轮叶片相对。

进一步的，所述第一导流部与所述第二导流部结构相同，所述第一平行导流板水平设置且与所述叶轮部的下边缘连接，所述第二平行导流板水平设置且与所述叶轮部的上边缘连接，所述第一开口从所述第一平行导流板与所述叶轮部的相交处延伸至所述第二倾斜导流板与所述叶轮部的相交处，所述第二开口从所述第二平行导流板与所述叶轮部的相交处延伸至所述第一倾斜导流板与所述叶轮部的相交处。

进一步的，第一倾斜导流板与所述第一平行导流板之间的楔角为42°-48°，所述第二倾斜导流板与所述第二平行导流板之间的楔角为42°-48°。

进一步的，所述第一倾斜导流板在竖直方向的投影覆盖所述第一开口，所述第二倾斜导流板在竖直方向的投影覆盖所述第二开口。

进一步的，所述叶轮叶片通过两个加强筋板夹持固接。

然后，本实用新型公开了一种铁路货车车厢，包括上述任一方案所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述发电装置设置于距离铁轨1.5m-2m处的铁路货车车厢的侧面上，所述第一平行导流板和所述第二平行导流板平行所述铁路货车的行驶方向。

进一步的，所述第一导流部和第二导流部沿所述车厢宽度方向的尺寸为0.1m-0.3m，所述第一导流部和第二导流部沿所述车厢高度方向的尺寸为0.6m-1.0m。

进一步的，所述第一导流部和第二导流部沿所述车厢宽度方向的尺寸为0.2m，所述第一导流部和第二导流部沿所述车厢高度方向的尺寸为0.8m。

进一步的，其特征在于，所述发电装置设置于距离铁轨上1.8m处。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、通过该种优化设计，经过楔形风道形成的高压高速的风能快速从第一开口或者第二开口释放到风力发电装置的外部，即在叶轮叶片两侧可最大程度地形成压力或能量差，从而连续不断地、几乎无其他能损耗的作用在叶轮叶片上。相对于其他的结构的风只能从另一个导流部输出，减少了风能在叶轮部内部的冲击变向而带来的能量损耗，实现叶轮扭转扭矩呈10倍左右的增加。

2、风电转化装置设置在车厢侧壁的最大风能区域，不仅满足车辆限界要求，还能最有效的捕捉车厢侧壁的最大风能，同时可以利用货车会车时风能的急剧增加，实现风电的高效转化。

下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的主视示意图；

图2是本实用新型优选实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的第一轴测示意图；

图3是本实用新型优选实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的内部结构示意图；

图4是本实用新型优选实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的第二轴测示意图；

图5是本实用新型优选实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的发电示意图；

图6是三种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的对比结构示意图；

图7是图6的三种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置的叶轮产生的扭转力矩对比图。

图例说明：

1、叶轮部；12、第一开口；13、第二开口；14、叶轮叶片；15、加强筋板；2、第一导流部；21、第一入口；22、第一出口；23、第一倾斜导流板；24、第一平行导流板；25、第一平行腹板；3、第二导流部；31、第二入口；32、第二出口；33、第二倾斜导流板；34、第二平行导流板；35、第二平行腹板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-图5所示，本实用新型首先公开了一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，该装置为扁平的盒体式结构，包括叶轮部1和位于叶轮部1两侧的第一导流部2和第二导流部3，铁路货车行驶时，风能从第一导流部2或第二导流部3进入叶轮部1，进而驱动叶轮部1内的叶轮叶片14转动发电。在本实施例中，叶轮叶片14通过两个加强筋板15夹持固接，使得风力发电装置运行时叶轮叶片14不会发生震动从而产生噪声和影响发电效率。其中，第一导流部2和第二导流部3内部含有喇叭形风道或者楔形风道，主要起压缩空气、增大其出口风速的作用，第一导流部2包括第一入口21和第一出口22，第一入口21通过第一出口22与叶轮部1连通；第二导流部3包括第二入口31和第二出口32，第二入口31通过第二出口32与叶轮部1连通；第一出口22与第二出口32的开口方向相反，在本实施例中，叶轮部1与第一出口22相对的侧面上设有第一开口12，叶轮部1与第二出口32相对的侧面上设有第二开口13，从而无论是正向发电还是反向发电，高压高速的风能在作用到叶轮叶片14后，能快速的从第一开口12或者第二开口13释放到风力发电装置的外部，即在叶轮叶片14两侧最大地形成压力差或能量差，从而连续不断地、几乎无其他能损耗地作用在叶轮叶片14上，相对于其他结构的风只能从另一个导流部输出，减少了风能在叶轮部1内部的冲击变向而带来的能量损耗，进而削弱了叶轮部1的输出扭矩。

在本实施例中，第一导流部2由第一倾斜导流板23、第一平行导流板24和第一平行腹板25围合形成，第一平行腹板25的数量为两个且相对平行设置，第一倾斜导流板23、第一平行导流板24相对设置且形成一楔角；在本实施例中，第一倾斜导流板23与第一平行导流板24之间的楔角为42°-48°，优选45°，第二倾斜导流板33与第二平行导流板34之间的楔角为α为42°-48°，优选45°，从而保证优良的压缩空气效果。第二导流部3包括第二倾斜导流板33、第二平行导流板34和第二平行腹板35围合形成，第二平行腹板35的数量为两个且相对设置；第一出口22和第二出口32均与叶轮部1的呈“C”形叶轮叶片14的开口方向相对，从而，经过楔形风道的高速高压的风直接作用到叶轮叶片14上，从而驱动叶轮部1发电。

在本实施例中，如图5所示，为了保证来风经过发电装置时，风不会越过第一倾斜导流板23从第二开口13进入叶轮部1，从而反向作用在叶轮叶片14上，从而阻止叶轮叶片14的逆时针转动发电，本实用新型的第一倾斜导流板23设置为高出叶轮部1的上边缘，即其在在竖直方向上的投影覆盖第一开口12，同理，第二倾斜导流板33在竖直方向的投影覆盖第二开口13。

在本实施例中，第一导流部2与第二导流部3结构相同，具体来说，相对于叶轮部1中心对称，第一平行导流板24水平设置且与叶轮部1的下边缘连接，即第一导流部2和第二导流部3与叶轮部1的边缘相切，从而可实现压缩的风能平顺的直接作用到“C”形叶轮叶片14上，第二平行导流板34水平设置且与叶轮部1的上边缘连接，第一开口12从第一平行导流板24与叶轮部1的相交处延伸至第二倾斜导流板33与叶轮部1的相交处，第二开口13从第二平行导流板34与叶轮部1的相交处延伸至第一倾斜导流板23与叶轮部1的相交处。

如图6所示，分别对比了叶轮部1全封闭(a)、半封闭(b)和本实施例中的最大限度的全开口(c)的三种情况下，扭转力矩在叶轮叶片14旋转一圈内随时间的变化历程、圈内平均扭转力，可以看出，由于第一开口12和第二开口13的存在，其本实施例中的叶轮部1的叶轮产生了扭转力矩的明显变化，如表1所示：

表1平均扭转力矩

	全封闭	半封闭	全开口
				平均力矩/(N·m)	6.428	22.243	61.306

进一步，从图7可以看到，各方案的扭转力矩的峰值以及谷值均呈周期性的分布，且在叶轮旋转一圈周期内，一共存在6个周期，与叶轮一共包含6张叶轮叶片14相对应。全封闭方案的瞬时扭转力矩在各个峰值上明显小于半封闭以及全封闭方案，且一直在0附近波动，说明当叶轮叶片14在整个的转动过程中可能不停的顺时针逆时针交替旋转，基本丧失了发电机的功能，因此效果较差。而对于半封闭方案来说，其扭矩整体上处于正值，且数值相对较高，但也有部分时间处于负值，说明当叶片旋转在此位置时力矩接近于0，电机有可能不能启动。对于全开口方案来说，其峰值扭矩最大，达到了200N·m，基本是其他两种方案的两倍，且只有较短的时间位于负值，这说明电机的整体小路要明显高于其他两种方案，但是在个别的时间点上，电机的启动力矩接近为0，说明在电机仍然有可能不能启动。从总体上来说全开口方案的扭矩的均值是半开口的三倍，而基本上是全封闭的10倍。

然后，本实用新型公开了一种铁路货车车厢，包括上述实施例公开的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，发电装置设置于距离铁轨1.5m-2m处的铁路货车车厢的侧面上，第一平行导流板24和第二平行导流板34平行铁路货车的行驶方向。

由于风力发电装置需要安装在车体的外侧，因此必须要考虑一个重要的制约因素，即车辆限界。参照我国制定的标准规矩铁路机车车辆限界(GB146.1-83)，车体高度不得大于4.8m，而现有的货车车体高度基本已到4.8m，所以不适合安装在车顶，同时，由于车底部的气流紊乱，且平均风速不大，所以本实施例的风力发电装置设置在货车车厢的侧面上，而对于列车两侧区域，限界为3.4m，现有的货车车厢车体实际宽度为2.96m，因此车体的单侧可以在限界标准范围内有223mm的空间裕量，固在本实施例中，第一导流部2和第二导流部3沿车厢宽度方向的尺寸为0.1m-0.3m，优选0.2m，第一导流部2和第二导流部3沿车厢高度方向的尺寸为0.6m-1.0m，优选0.8，同时，发电装置设置于距离铁轨上1.8m处，在该区域的第一导流部2和第二导流部3形成的开口能捕捉到最大的风能，同时，在双线铁路的车辆会车时，其通过第一导流部2和第二导流部3的风速会急速上升，更有利于实现高效的风电转换。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，包括叶轮部(1)和位于所述叶轮部(1)两侧的第一导流部(2)和第二导流部(3)，所述第一导流部(2)包括第一入口(21)和第一出口(22)，所述第一入口(21)通过第一出口(22)与所述叶轮部(1)连通；所述第二导流部(3)包括第二入口(31)和第二出口(32)，所述第二入口(31)通过第二出口(32)与所述叶轮部(1)连通；所述第一出口(22)与第二出口(32)的开口方向相反，其特征在于，所述叶轮部(1)与所述第一出口(22)相对的侧面上设有第一开口(12)，所述叶轮部(1)与所述第二出口(32)相对的侧面上设有第二开口(13)。

2.根据权利要求1所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述第一导流部(2)包括第一倾斜导流板(23)、第一平行导流板(24)和第一平行腹板(25)，所述第一平行腹板(25)的数量为两个且相对设置，所述第一倾斜导流板(23)、第一平行导流板(24)相对设置且形成一楔角；所述第二导流部(3)包括第二倾斜导流板(33)、第二平行导流板(34)和第二平行腹板(35)，所述第二平行腹板(35)的数量为两个且相对设置；所述第一出口(22)和第二出口(32)均与所述叶轮部(1)的叶轮叶片(14)相对。

3.根据权利要求2所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述第一导流部(2)与所述第二导流部(3)结构相同，所述第一平行导流板(24)水平设置且与所述叶轮部(1)的下边缘连接，所述第二平行导流板(34)水平设置且与所述叶轮部(1)的上边缘连接，所述第一开口(12)从所述第一平行导流板(24)与所述叶轮部(1)的相交处延伸至所述第二倾斜导流板(33)与所述叶轮部(1)的相交处，所述第二开口(13)从所述第二平行导流板(34)与所述叶轮部(1)的相交处延伸至所述第一倾斜导流板(23)与所述叶轮部(1)的相交处。

4.根据权利要求3所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，第一倾斜导流板(23)与所述第一平行导流板(24)之间的楔角为42°-48°，所述第二倾斜导流板(33)与所述第二平行导流板(34)之间的楔角为42°-48°。

5.根据权利要求4所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述第一倾斜导流板(23)在竖直方向的投影覆盖所述第一开口(12)，所述第二倾斜导流板(33)在竖直方向的投影覆盖所述第二开口(13)。

6.根据权利要求2-4任一所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，所述叶轮叶片(14)通过两个加强筋板(15)夹持固接。

7.一种铁路货车车厢，包括上述权利要求1-6任一所述的铁路货车离心式垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述发电装置设置于距离铁轨1.5m-2m处的铁路货车车厢的侧面上，所述第一平行导流板(24)和所述第二平行导流板(34)平行所述铁路货车的行驶方向。

8.根据权利要求7所述的铁路货车车厢，其特征在于，所述第一导流部(2)和第二导流部(3)沿所述车厢宽度方向的尺寸为0.1m-0.3m，所述第一导流部(2)和第二导流部(3)沿所述车厢高度方向的尺寸为0.6m-1.0m。

9.根据权利要求7或8所述的铁路货车车厢，其特征在于，所述第一导流部(2)和第二导流部(3)沿所述车厢宽度方向的尺寸为0.2m，所述第一导流部(2)和第二导流部(3)沿所述车厢高度方向的尺寸为0.8m。

10.根据权利要求9所述的铁路货车车厢，其特征在于，所述发电装置设置于距离铁轨上1.8m处。