CN218093312U - 一种塔筒整流装置、水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种塔筒整流装置，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，通过在塔筒一侧增加主体装置，使塔筒的外形从横截面看趋近于最小阻力的流水线形状，减少流体经过塔筒时候的阻力，维护塔筒的稳定和塔筒之上装置的正常运行，包括槽状延伸主体，主体横截面大约为V形，V形主体的开口部靠近塔筒外表面，主体通过连接部与塔筒外表面连接，使塔筒与主体形成从塔筒到主体方向的流线外形，主体通过连接部环绕塔筒轴心转动，应用所述塔筒整流装置的水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

Description

一种塔筒整流装置、水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机

技术领域

本发明是一种塔筒整流装置，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，通常应用于风机发电领域，但是不限于风机发电领域。

背景技术

圆柱体具有结构坚固重量轻，方便加工，外形美观等优点，因此很多支撑装置，建筑物，连接物等都采用柱形结构的圆柱体，比如圆柱形烟囱，比如架空的桥梁圆柱形管道，海上钻井平台的柱桩等，而很多环境流体的流动方向经常变化，而固定设置的柱体无法从各个方向设计成流线型结构，以减少在流体中的阻力，所以需要改进以提高利用效率，减少危险，降低成本，圆形结构的柱体风阻系数大约是0.5，方形结构的风阻系数更大，而类似雨滴等一些结构的风阻系数远小于0.5，可以更大程度减少阻力，专利申请号2017211973367和 US2014043410中的装置，可以提供这方面的解决方案，而本申请提供了另一种解决方案，在减轻重量，提高效率，简单安装等个方面进行了一系列的设计。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种塔筒整流装置及应用装置，通过在塔筒一侧增加主体装置，使塔筒的外形从横截面看趋近于最小阻力的流水线形状，减少流体经过塔筒时候的阻力，维护塔筒的稳定和塔筒之上装置的正常运行。

一种塔筒整流装置，包括槽状延伸主体，主体横截面大约为V形，V形主体的开口部靠近塔筒外表面，主体通过连接部与塔筒外表面连接，使塔筒与主体形成从塔筒到主体方向的流线外形，主体通过连接部环绕塔筒轴心转动，主体的两个侧面可以是平面，而为了达到最好的效果主体的两个侧面为平滑的弧形，使从塔筒到这两个面一起所形成的横截面趋近于最优化的水滴形结构，在同一水平面，主体的开口部沿着塔筒表面之间的最短距离小于同一水平面塔筒半周长，从塔筒顶部到基部根据塔筒直径变化主体尺寸也变化，即塔筒直径增加，主体也增加尺寸来与塔筒适配，形成最佳流线外形，使塔筒附近不会有乱流形成，主体的尾部设有导流突起，主体尾部具有径向弹性，径向弹性设置可以减少乱流的影响，主体内有加强支架连接两个侧面的内侧之间，使两个侧面连接而形状固定，使两个侧面与塔筒靠近的边稳定，加强支架为平行或斜拉等多种结构形状，在本申请中就不再一一列举，主体两个侧面互相为对称结构。

在塔筒和主体之间设有连接部，主体通过连接部围绕塔筒转动，连接部可以为轴承，轴承内圈与塔筒固定连接，轴承外圈与主体连接，轴承内圈和外圈可以相互转动而使主体围绕塔筒转动，甚至可以用塔筒表面制作有环状凹陷，代替轴承的内圈，或连接部是在塔筒设置轨道，轨道环绕塔筒固定，主体固定设有滑轮，滑轮沿着轨道转动，沿着主体从顶部到基部之间至少设置两个连接部，或连接部可以是齿环，齿环固定在塔筒，设齿轮固定在主体，如固定在主体的两个侧面靠近塔筒位置，齿轮咬合齿环，齿轮转动可以带动主体环绕塔筒转动，反之，齿环可以与主体固定连接，如固定在主体的两个侧面靠近塔筒位置，而在塔筒设置至少三个齿轮，均匀分布环绕在塔筒同一水平面，齿轮与齿环相互配合，可以采用锥形齿轮和齿环，能够同时提供轴向和径向的力量，齿轮转动带动齿环转动，齿环转动带动主体转动，每个连接部与主体同一水平面的两个靠近塔筒的侧面端连接。

沿着塔筒从顶部到基部优选设至少三个连接部最合适，因为这样的设置，主体和塔筒之间至少三个连接位置，当塔筒受到外来的力量而产生变形的时候，主体因为与塔筒连接而同时提供支撑或拉力。

主体朝向塔筒的开口可以设弧形面，主体的两个侧面靠近塔筒的位置可以设置柔性弹性材料制作的条，封闭主体与塔筒之间的空隙。

主体通过连接部与塔筒的连接为限位连接，即此连接部安装到位后，主体受到其他方向的外力的时候，主体不可以从安装位置脱落，如在使用轴承的连接部，主体在受到垂直方向的力的时候，不可以沿塔筒上下方向位移，所以需要采用深沟球轴承等轴承内外圈不能沿轴承轴向位移的轴承，同时可以增加防止轴承内外圈轴向互相转动的阻止装置，如刹车装置，安装在轴承内外圈之间，能够阻止内外圈相互转动，这样在不需要主体转动的时候，使主体相对于塔筒固定连接，不能够任何方向移动，而连接部采用轨道连接的时候，与主体连接的滑轮也需要采用能够限位的结构，如采用至少两个滑轮从不同方向夹住轨道，这样的设计使主体不会因为外力而从塔筒脱落，同时滑轮可以设刹车装置，这样在不需要主体转动的时候，滑轮刹车，使主体相对于塔筒固定连接，不能够任何方向移动，因此沿着主体从顶部到基部之间优选设置三个连接部，便于塔筒和主体之间力量的传递。

轴承，轨道或齿环与塔筒表面比较为突起，凹槽，或平的，可以在塔筒表面预留凹陷容留轨道，轴承或齿环，使塔筒表面在安装了轨道或轴承后仍然为平面，而轴承可以用滚动轴承，滑动轴承或磁悬浮轴承等。

连接部与主体隔着塔筒相对的位置设槽型尖喙，尖喙的开口朝向塔筒，沿着塔筒从顶部到基部设置，主体转动的时候，尖喙随连接部转动而一直位于主体和塔筒相对的位置，连接部可以为轴承，轴承内圈与塔筒固定连接，轴承外圈与主体连接，在轴承外圈上还固定设有槽型尖喙，尖喙的开口朝向塔筒，尖喙位于主体和塔筒相对的位置，可以跟随轴承外圈转动，尖喙随连接部转动并一直与主体保持隔塔筒相对的位置，尖喙的设置同样适合于轨道或齿环齿轮等结构，尖喙和主体分别有滑轮与轨道连接，主体和尖喙通过环绕塔筒的连接杆连接，尖喙开口间沿着塔筒外表面的距离长度小于塔筒在同一水平上半周长的四分之一长度，小尺寸的尖喙有利于减少尖喙的重量和成本，尖喙的尖部设有分流突起，尖喙的设置可以具有分流作用，进一步减少阻力。

从主体的横截面来看，主体横截面上主体侧面的开口处两端之间的直线距离为a，主体横截面上主体侧面的交汇处到a的垂直距离为h，h与a的比值从主体顶部到基部方向逐渐减少，主体横截面在顶部尺寸比较细长，基部比较粗短，适用于顶部流速快基部流速慢，主体两个侧面交汇处到主体开口处两个侧面之间连线的垂直距离h，与主体开口处两个侧面之间连线的距离a之比，呈现为沿着主体顶部到基部逐渐减少，这个比例也可以根据不同地区的环境不同而设计，这种设计可以使塔筒和主体适应不同的流速，即顶部流速高，基部流速低。

所述的一种塔筒，塔筒为风力发电机组的塔筒，电视塔，测风塔，水上建筑，陆地柱式桥墩，陆地柱式支柱，或通讯塔筒。

主体两个侧面材料可以多种材料制作，采用塑料，玻璃钢，碳纤维等轻质耐老化材料制作，采用高分子材料聚碳纤维或PET塑料等透明材料可以增加美感，甚至主体的两个侧面采用超薄钢化玻璃制作。

一种水平轴风力发电机，包括，叶轮连接发电机舱，其叶轮和发电机舱是水平轴型风力发电机，发电机舱转动地安装在塔筒顶部，塔筒上设置有包含上述中任一项所述的塔筒整流装置。

作为水平轴风力发电机，一种设置是塔筒整流装置可以单独被动对风，即塔筒整流装置随着风向变化而产生的力矩发生转动，也可以用风向传感器和驱动装置驱动塔筒整流装置主动转动对风。

另一种设置是塔筒整流装置与发电机舱之间设有对风关联装置，对风关联装置可以是纯机械式，如在发电机舱和塔筒整流装置之间设置固定连接杆，使两者同步运动，也可以是电控装置，采用控制电路和相关驱动装置连接，如发电机舱的位置信息以有线或无线方式电联塔筒整流装置的电驱动装置，电驱动装置可以分别设置在主体的顶部和基部，通过连接部，共同驱动主体相对于塔筒运动，使发电机舱与塔筒整流装置两者处于合适的位置，以使整体能够更高效运行发电，对风关联装置也可以设在连接部，这与主体与塔筒之间的连接部的设置有关，当连接部适合设置驱动装置的时候，就在发电机舱和连接部之间设置对风关联装置，如在连接部采用轨道和滑轮的时候，在滑轮内设电机驱动滑轮转动，对风关联装置的信号就与滑轮内设电机连接，同样适用于轴承和齿环的连接部，电控的对风关联装置可以设置发电舱与塔筒整流装置为相同的方向或发电舱与塔筒整流装置为不同的方向。

一种垂直轴风力发电机，包括，叶轮连接发电机舱，其叶轮和发电机舱是垂直轴型风力发电机，发电机舱安装在塔筒顶部，塔筒上设置有包含上述中任一项所述的塔筒整流装置，叶轮为阻力型，升力型或两个组合型，在这种风力发电机中设置塔筒整流装置，减少塔筒的晃动，稳定塔筒顶部的叶轮和发电机舱的运行。

以上多种风力发电机其都可以通过有线或无线的方式把运行状态传输至服务器，进行监控和管理。

主体基部延伸至塔筒基部周围，塔筒基部周围设有环绕轨道，主体基部与环绕轨道可转动连接，或主体基部通过稳定支架延伸至塔筒基部周围，与塔筒基部周围环绕轨道可转动连接。

叶片运行过程需要平稳，塔筒对风有阻碍而产生局部乱流，叶片经过此处乱流会产生振动和速度变化，在塔筒设置整流装置，减少塔筒对风的影响，进而减少塔筒对叶片的影响，同时因为塔筒对风的阻力减少，而使风流速增加，提高叶片运转动力而提高发电效率。

连接部可以设有阻尼装置，比如采用液体阻尼装置，齿轮阻尼装置，磁体阻尼装置等，主体通过阻尼装置的阻尼作用，使主体转动平稳。

主体可以选用玻璃钢，碳纤维，铝板等轻质材料制作，也可以采用薄膜太阳能板制作，在薄膜太阳能板内部有支架，薄膜太阳能板产生电能可以通过在连接部设置碳刷传输至塔筒基部，并输出至外部。

利用本发明申请的装置还可以附加其他装置以实现更多功能，如主体靠近塔筒的位置设置柔软弹性密封条，可以密封主体侧面与塔筒之间的缝隙，同时其也可以随着主体转动而清洁塔筒的表面，防止塔筒受污染腐蚀，影响结构强度，或灰尘太多影响塔筒正常使用，也可以在主体内部单独设置清洁装置，如在主体内设置带有很多喷嘴的管道，管道从主体顶部延伸至基部，管道随主体可以转动，可以定期从管道下端连接高压水源，喷淋清洁塔筒表面，管道与主体内的加强支架固定，同时塔筒表面的光滑度严重影响塔筒的在流体中性能，当塔筒表面灰尘太多，导致塔筒表面流体中粘性增加。

本发明适合于但不限于空气，水里等流体中的各种固定设置的塔筒。

本发明的有益效果在于：采用本发明所述的一种塔筒整流装置及应用装置，将主体设置在塔筒上，使主体围绕塔筒转动，使塔筒相对流体流动方向始终形成阻力极小的流线型结构，从而减少流体对塔筒的阻力影响；本发明通过连接部与塔筒贴近，从塔筒横截面看，形成一种在流体中相比原有塔筒阻力更小的雨滴形流线结构，同时由于主体可以绕塔筒转动，因此可以对来自不同方向的流体都有很好的减阻效果，因为现在研究发现海豚身体结构阻力系数更小，所以设置分流作用的尖喙与主体配合，共同绕塔筒转动，可以进一步减少流动阻力，并且平衡主体在塔筒两侧的重量，主体尾部具有弹性可以缓冲流体改变方向时候的冲击，主体尾部的导流突起也可以增加导流效果，减少噪声对环境的影响，主体沿着塔筒变化形状，适应不同位置的流体流速，本发明各部件可以在塔筒施工完毕后增加安装，也可以在塔筒预安装，安装方便，重量轻，通过连接部安装了主体的塔筒，因为主体与塔筒是限位安装，双方共同承受外力，塔筒负载增加的同时其承受各方向的弯矩和力的能力也增加了，甚至承受外力的能力大于原来没有安装主体以前的能力，本申请塔筒整流装置的增加，不仅增加风力发电机的发电能力，而在发生飓风等灾害条件下调节风力发电机顺桨停止工作的时候，也能够减少飓风塔筒的影响，而在塔筒发生沿着塔筒到主体方向的垂直方向的横向振动的时候，由于本申请的主体在塔筒的一侧的非对称结构，主体偏置在塔筒轴心线的一侧，主体隔着塔筒对面的尖喙尺寸和重量很小，当塔筒在这个横向振动的时候，因为塔筒和主体的至少分布三个连接部的连接，主体除了帮助塔筒提供一定的抗弯曲振动能力外，主体会相对于塔筒摆动，并且配合连接部的阻尼装置，使本申请的塔筒整流装置能够起到平衡稳定作用，类似于高楼建筑顶部的平衡摆锤，主体相对于塔筒的摆动可以是被动的或主动的，被动的摆动即上述塔筒振动引起的主体摆动，主动的摆动即在塔筒整流装置或塔筒或机舱等位置，可以有设置相关的传感器检测，预先控制主体摆动以抵御出现的振动，并通过系统控制完成，本申请所述的振动还包括流体产生的涡激振动，这些设置和功能在以前的申请中没有体现。

附图说明

图1为本发明的一种塔筒整流装置的主体立体示意图；

图2为本发明的一种塔筒整流装置与塔筒横截面示意图；

图3为本发明的一种塔筒整流装置侧面示意图；

图4为本发明的一种塔筒整流装置的主体横截面示意图；

图5为本发明的一种上风式水平轴风力发电机示意图；

图6为本发明的一种下风式水平轴风力发电机示意图；

图7为本发明的一种垂直轴风力发电机示意图；

图中1为主体侧面，2为加强支架，3为主体开口，4为连接部，5为尖喙，6为塔筒，7为分流突起，8为导流突起，9为发电机舱，10为叶轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本发明的一种塔筒整流装置的主体立体示意图，图中主体侧面1通过加强支架2 构成主体，主体侧面1不是平面，而是相对于平面弯曲的弧面，弯曲的弧度根据具体情况，以流体从塔筒流过来以后不脱离主体侧面1为原则，3为主体开口。

图2为本发明的一种塔筒整流装置与塔筒横截面示意图，图中1为主体侧面，2为加强支架，连接部4与塔筒6固定，尖喙5设在塔筒6轴心与主体相对的位置，尖喙5和主体分别与连接部4连接，主体实际上是主体侧面1靠近塔筒6的位置与连接部4连接，具体是主体内部的加强支架与轴承连接，本图中主体的两个侧面交汇处具有弹性，受到外力而向一侧弯曲，本图中的连接部4采用深沟滚球轴承，轴承的内圈与塔筒6固定，外圈分别于尖喙和主体固定，轴承采用塑料，陶瓷，或不锈钢等材料。

图3为本发明的一种塔筒整流装置侧面示意图，图中1为主体侧面，主体侧面1内侧的加强支架2与连接部4的轴承外圈固定，连接部4分别于尖喙5和主体连接，5为尖喙，为了便于表示图中的尖喙5为拆分的状态，尖喙5的开口处与连接部4连接，具体是与连接部 4的轴承外圈连接，尖喙5上有分流突起7，分流突起7沿着尖喙侧面交汇端分布，分流突起7在运行的时候朝向来风方向，6为塔筒，导流突起8设置在两个主体侧面1交汇的位置。

图4为本发明的一种塔筒整流装置的主体横截面示意图，图中1为主体侧面，2为加强支架，主体横截面上主体侧面1的开口处两端之间的直线距离为a，主体横截面上主体侧面 1的交汇处到a的垂直距离为h，h与a的比值从主体顶部到基部方向逐渐减少，主体横截面在顶部尺寸比较细长，基部比较粗短，适用于顶部流速快基部流速慢。

图5为本发明的一种上风式水平轴风力发电机示意图，图中1为主体侧面，4为连接部， 5为尖喙，6为塔筒，9为发电机舱，10为叶轮，主体通过连接部4连接塔筒6，沿着塔筒 6顶部到基部设置上，中，下三个连接部4，发电机舱9可以水平转动地设置在塔筒6顶部，叶轮10受风的作用转动带动发电机舱9产生电量，上风式即叶轮10相对于塔筒6在来风的方向，来风的方向用图中箭头表示，在这里由于塔筒6设置了塔筒整流装置，塔筒整流装置能够环绕塔筒6转动，减少了塔筒6对风的阻碍，风可以更平稳顺利流过塔筒6，因此减少了塔筒6受风的力矩，增加叶轮10能量输出，同时由于设置了本申请的塔筒整流装置，叶轮10在整个旋转周期内，在各个位置的受力差别减少，使叶轮10旋转更加平稳。

图6为本发明的一种下风式水平轴风力发电机示意图，图中1为主体侧面，4为连接部， 5为尖喙，6为塔筒，9为发电机舱，10为叶轮，下风式即叶轮10相对于塔筒6在去风的方向，来风的方向用图中箭头表示，沿着塔筒6顶部到基部设置上，中，下三个连接部4，在这里由于塔筒6设置了塔筒整流装置，减少了塔筒6对风的阻碍，风可以更平稳顺利流过塔筒6，因此减少了塔筒6受风的力矩，增加叶轮10能量输出，同时由于设置了本申请的塔筒整流装置，叶轮10在整个旋转周期内，在各个位置的受力差别减少，使叶轮10旋转更加平稳，减少叶轮10损坏。

图7为本发明的一种垂直轴风力发电机示意图，图中1为主体侧面，4为连接部，5为尖喙，6为塔筒，9为发电机舱，10为叶轮，叶轮10设置在塔筒6顶部可以水平方向转动，叶轮10与发电机舱9连接，叶轮10受风的作用转动带动发电机舱9产生电量，沿着塔筒6顶部到基部设置上，中，下三个连接部4，本图中所展示的为最常用的垂直轴风力发电机，来风的方向用图中箭头表示，垂直轴风力发电机不用为叶轮10设置对风装置，由于塔筒6设置了塔筒整流装置，塔筒整流装置能够环绕塔筒6转动，减少了塔筒6对风的阻碍，风可以更平稳顺利流过塔筒6，因此减少了塔筒6受风的力矩，使塔筒6能够平稳站立，自然也保证了叶轮10的正常转动和电量的更多输出。

本申请的各装置可以采用多种材料制作，互相搭配使用。

本申请对于风力发电机的原理和结构等现有技术不再陈述。

Claims (11)

1.一种塔筒整流装置，其特征在于：包括槽状延伸主体，主体横截面大约为V形，V形主体的开口部靠近塔筒外表面，主体通过连接部与塔筒外表面连接，使塔筒与主体形成从塔筒到主体方向的流线外形，主体的两个侧面为平滑的弧形，使从塔筒到这两个面一起所形成的横截面趋近于最优化的水滴形结构，主体通过连接部环绕塔筒轴心转动。

2.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：主体有加强支架连接两个侧面的内侧之间。

3.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：从塔筒顶部到基部根据塔筒直径变化主体尺寸也变化，即塔筒直径增加，主体也增加尺寸来与塔筒适配，形成最佳流线外形。

4.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：主体的尾部设有导流突起。

5.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：主体尾部具有径向弹性。

6.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：所述连接部为，在塔筒和主体之间设有连接部，主体通过连接部围绕塔筒转动，连接部可以为轴承，轴承内圈与塔筒固定连接，轴承外圈与主体连接，或连接部是在塔筒设置轨道，轨道环绕塔筒固定，主体固定设有滑轮，滑轮沿着轨道转动，或连接部可以是齿环，齿环固定在塔筒，设齿轮固定在主体，齿轮咬合齿环，齿轮转动可以带动主体环绕塔筒转动，沿着塔筒从顶部到基部设至少三个连接部。

7.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：连接部与主体隔着塔筒相对的位置设槽型尖喙，尖喙的开口朝向塔筒，沿着塔筒从顶部到基部设置，主体转动的时候，尖喙随连接部转动而一直位于主体和塔筒相对的位置，所述尖喙的尖部设有分流突起。

8.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：从主体的横截面来看，主体横截面上主体侧面的开口处两端之间的直线距离为a，主体横截面上主体侧面的交汇处到a的垂直距离为h，h与a的比值从主体顶部到基部方向逐渐减少。

9.如权利要求1所述的一种塔筒整流装置，其特征在于：所述塔筒为风力发电机组的塔筒，电视塔，测风塔，水上建筑，陆地柱式桥墩，陆地柱式支柱，或通讯塔筒。

10.一种水平轴风力发电机，其特征在于：包括，叶轮连接发电机舱，其叶轮和发电机舱是水平轴型风力发电机，发电机舱转动地安装在塔筒顶部，塔筒上设置有包含权项1至9任一项所述的塔筒整流装置，塔筒整流装置与发电机舱之间设有对风关联装置。

11.一种垂直轴风力发电机，其特征在于：包括，叶轮连接发电机舱，其叶轮和发电机舱是垂直轴型风力发电机，发电机舱安装在塔筒顶部，塔筒上设置有包含权项1至9中任一项所述的塔筒整流装置。

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