CN218971344U - 一种用于风力发电的动力传输单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的一种用于风力发电的动力传输单元，它包括动力传输装置，所述动力传输装置将风机与中心主轴连接，所述动力传输装置包括依次设置在叶轮轴和中心主轴之间的过桥轴、换向轴和齿轮轴，所述过桥轴的中部套设有过桥轴小带轮，所述过桥轴的上端设有上单向轴承，所述上单向轴承外套接有上过桥轴大带轮，所述过桥轴的下端设有下单向轴承，所述下单向轴承外套接有下过桥轴大带轮；所述换向轴上套设有换向轴小带轮和第一换向齿轮，所述齿轮轴上由上至下依次套设有齿轮轴小带轮、齿轮轴大带轮和第二换向齿轮。本实用新型结构简单，安装维护方便，抗风能力强，风能利用高，可组合成大功率发电装置。

Description

一种用于风力发电的动力传输单元

技术领域

本实用新型涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种用于风力发电的动力传输单元。

背景技术

现代风力发电机根据风机轮毂旋转轴与地面的相对位置关系，通常可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。相对于水平轴风力机而言，垂直轴风力机具有以下优点：启动风速低、风能利用率高，可接收任何方向的来风，不需要对风装置；塔架低，且发电设备、传动装置在机组下方，安装、维修方便，造价成本较低；在同等功率的机组下占用的空间小，提高风场利用率，可节约土地资源；叶尖速比低，避免了叶尖划空的噪声。

垂直轴风力机主要分升力型和阻力型；升力型是利用空气流过叶片产生的升力来作为驱动力的，阻力型是靠风叶的叶片面积阻挡流动的空气阻力来作为驱动力的，它的转速不高，但是输出的扭矩却很大，可低速启动。

经检索，如中国专利CN92236222X，提供了一种风帆式风力动力装置，通过随风调节竖翼上的叶片转角控制竖翼的气流通断来吸收任何方向的风力，降低了启动风速，但缺乏控制风力机转速的机制；如中国专利CN2004100675751，提供了一种升力、阻力联合型垂直轴风力机，利用导流板和导流装置改变气流的分布使叶片能利用气流的升力和阻力做功，达到了降低风力机启动风速和提高工作效率的目的，然而，其导流装置结构庞大、成本高，且需要随风向变化，存在运动惯量大、控制功率大的问题。

在叶轮和发电轴的传动系统上，现有技术中应用的传输装置无法满足全方位地转化风能，行业内仍需要进一步拓展研究，对于风能的利用效率也有进一步提升的空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种用于风力发电的动力传输单元，结构简单，风能利用率高。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种用于风力发电的动力传输单元，它包括动力传输装置，所述动力传输装置将风机与中心主轴连接，中心主轴连接发电装置；所述风机包括叶轮，所述叶轮套设在叶轮轴上；所述动力传输装置包括依次设置在叶轮轴和中心主轴之间的过桥轴、换向轴和齿轮轴，所述过桥轴的中部套设有过桥轴小带轮，所述过桥轴的上端设有上单向轴承，所述上单向轴承外套接有上过桥轴大带轮，所述过桥轴的下端设有下单向轴承，所述下单向轴承外套接有下过桥轴大带轮；所述换向轴上套设有换向轴小带轮和第一换向齿轮，所述齿轮轴上由上至下依次套设有齿轮轴小带轮、齿轮轴大带轮和第二换向齿轮。

进一步地，所述中心主轴上套设有中心轴小带轮。

进一步地，所述齿轮轴大带轮与中心轴小带轮啮合，实现齿轮轴带动中心主轴的传动。

进一步地，所述叶轮轴上套设有叶轮轴带轮。

进一步地，所述过桥轴小带轮与叶轮轴的叶轮轴带轮啮合，实现叶轮轴带动过桥轴传动。

进一步地，所述上过桥轴大带轮与齿轮轴小带轮啮合，实现顺时针风向时过桥轴带动齿轮轴传动。

进一步地，所述下过桥轴大带轮与换向轴小带轮啮合，第一换向齿轮与第二换向齿轮啮合，实现逆时针风向时过桥轴通过换向轴换向传动给齿轮轴。

进一步地，所述叶轮轴的顶端设有电磁刹车，所述叶轮轴带轮设置在电磁刹车的下方。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用过桥轴连接叶轮轴，过桥轴上端通过上单向轴承连接齿轮轴，下端通过下单向轴承连接换向轴，上单向轴承和下单向轴承的推力面相对设置安装，整个风机系统中的每一个风机所产生的动力，不管是顺时针逆时针的力都会通过动力传输装置以同一方向（顺时针或逆时针）输送到中心主轴上，一部分风机转的快的，则动力传输装置首先将动力传输到中心轴上，转的慢的、停止的则不能传输但对风机系统无影响，由此可使风的动能最大化的转化为动力，可使风机的功率大型化，使风场的风能可以最大化的利用，同时规避了传统风电机对环境的不利因素。可尽多的利用地表风，对气候可尽少的减小影响。

本实用新型无大型结构件，份量最重的是发电机，其他的是现场组装或焊接件，因此本实用新型运输、安装方便，适用于各种山地或高原等特殊地域；本实用新型的组装部件大部分是标准件，如：同步带轮、齿轮、电磁刹车、万向联轴器、离合器等，无特殊要求的加工件，因此本实用新型的生产难度较低，有利于推广使用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的Ⅰ处局部放大图。

图3为本实用新型的剖视图。

图4为本实用新型的应用示意图。

其中：

固定机架1、中心主轴2、主轴轴承21、万向联轴器22、中心轴小带轮23、风机3、叶轮31、叶轮轴32、叶轮轴带轮33、风机屏障罩壳34、电磁刹车35、动力传输装置4、上过桥轴大带轮41、上单向轴承42、过桥轴小带轮43、下单向轴承44、下过桥轴大带轮45、过桥轴46、换向轴小带轮47、换向轴48、第一换向齿轮49、第二换向齿轮410、齿轮轴411、齿轮轴大带轮412、齿轮轴小带轮413、发电机5。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本实用新型的技术方案的具体实施态样，其仅为本实用新型技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。

实施例1：

参见图1-图3，图1绘制了本实施例1的一种用于风力发电的动力传输单元的结构示意图。如图所示，本实施例1的一种用于风力发电的动力传输单元，它包括动力传输装置4，所述动力传输装置4将风机3和中心主轴2连接。

所述中心主轴2上套设有中心轴小带轮23。

所述风机3包括叶轮31，所述叶轮31套设在叶轮轴32上，所述叶轮轴32的顶端设有电磁刹车35，起调节功率和遇到特大风时的保护作用；所述叶轮轴32上套设有叶轮轴带轮33，所述叶轮轴带轮33设置在电磁刹车35的下方，所述叶轮31外部设有风机屏障罩壳34。

所述动力传输装置4包括依次设置在叶轮轴32和中心主轴2之间的过桥轴46、换向轴48和齿轮轴411，所述过桥轴46的中部套设有过桥轴小带轮43，所述过桥轴46的上端设有上单向轴承42，所述上单向轴承42外套接有上过桥轴大带轮41，所述过桥轴46的下端设有下单向轴承44，所述下单向轴承44外套接有下过桥轴大带轮45；所述换向轴48上套设有换向轴小带轮47和第一换向齿轮49，所述齿轮轴411上由上至下依次套设有齿轮轴小带轮413、齿轮轴大带轮412和第二换向齿轮410。

所述过桥轴小带轮43与叶轮轴32的叶轮轴带轮33啮合，实现叶轮轴32带动过桥轴46传动；所述上过桥轴大带轮41与齿轮轴小带轮413啮合，实现顺时针风向时过桥轴46带动齿轮轴411传动；所述下过桥轴大带轮45与换向轴小带轮47啮合，第一换向齿轮49与第二换向齿轮410啮合，实现逆时针风向时过桥轴46通过换向轴48换向传动给齿轮轴411；所述齿轮轴大带轮412与中心轴小带轮23啮合，实现齿轮轴411带动中心主轴2的传动。

所述上单向轴承42和下单向轴承44的推力面相对设置安装，即上单向轴承42的推力面朝上则下单向轴承44的推力面朝下，反之亦可，即上单向轴承42的推力面朝下则下单向轴承44的推力面朝上。

参见图4，图4本实施例1的一种用于风力发电的动力传输单元的应用示意图。如图所示，所述风机3设置在圆筒形的固定机架1的外壁，所述固定机架1为由钢结构制成的圆筒状机架，固定机架1上设置多层风力发电单元，风力发电单元包括屏障阻力型风机组件和动力传输装置4；所述风机组件设置在固定机架1的外壁，每层风机组件包括圆周均匀分布的多对风机3，每对风机3分布在固定机架1的圆周直径的两端，每个风机3通过动力传输装置4与中心主轴2连接，中心主轴2连接发电机5。

所述固定机架1的中心设有一根中心轴，所述中心轴由多段中心主轴2组成，相邻两段中心主轴2之间设置万向联轴器22连接，所述中心主轴2上套设有主轴轴承21，所述主轴轴承21设置在万向联轴器22上方。

所述发电机5与中心主轴2采用离合器连接的方式相连。

工作原理：

参见图3，图3绘制了本实施例1的用于风力发电的动力传输单元的俯视图。如图所示，图中一层风机分别编号1-12号，在接受来风时，安装在固定机架周边的众多小型屏障阻力型风机的转速和转的方向是不同的；从南面吹过来的气流使左边的1、2、3号风机的转向呈顺时针方向，且1、2、3号风机的转速是不同的；与其对称右边的5、6、7号的转速不同，转向为逆时针方向；中间的4号与背面的8、9、10、11、12号是不转的或是转的慢的。如何将这些不同方向、不同转速的小型屏障阻力型风机产生的动力汇总到中心主轴上，这就要有动力传输装置；动力传输装置能把正、反、快、慢的动力汇总到一个方向，比如图中的1号、7号风机，南风时是1号风机顺时针转，7号逆时针转，可当北风时是倒过来的；1、2、3号风机受的风力不同转速也不同。

安装上单向轴承42和下单向轴承44时应认准一面推力面A，若上单向轴承的推力面朝上安装，齿轮轴、中心轴的转向不管风机的转向正与反始终是顺时针方向旋转，它们不能反转（反转是中心轴的动力倒过来传输给风轮，风轮有正反转二个力是矛盾的）；如果上轴承推力面朝下则齿轮轴、中心轴始终是逆时针旋转。所述中心轴安装在机架正中间，在整个风机系统中的每一个小型屏障阻力型风机所产生的动力，不管是顺时针逆时针的力都会通过动力传输装置以同一方向（顺时针或逆时针）输送到中心轴上。一部分小型屏障阻力型风机转的快的，则动力传输装置首先将动力传输到中心轴上，转的慢的、停止的则不能传输但对风机系统无影响。

每个小型屏障阻力型风机都有一个动力传输装置，风叶产生的动能通过叶轮轴上的带轮传输给过桥轴46上的小带轮，给过桥轴46一个旋转的动力，过桥轴46的上部安装有上单向轴承42，上单向轴承42只对顺时针方向的力传递，传递给上过桥轴大带轮41后传入总的动力传输装置的中心轴；过桥轴下部安装有下单向轴承44，下单向轴承只对逆时针方向的力传递，传递给下过桥轴大带轮45后传输给换向轴小带轮，再经过换向轴上的换向齿轮将转向换成顺时针方向，然后将动力传递给中心轴。在整个动力传输装置中，中心轴始终是以顺时针方向转动的，速度是以各个动力传输装置传输上的力和发电机的负载决定的；动力传输装置上的上过桥轴大带轮41始终是顺时针方向转的，且是始终跟随中心轴一起转动的，下过桥轴大带轮45始终是逆时针方向转的，也是跟随中心轴一起转动的不过通过换向后是反转。安装在固定机架不同位置的小型屏障阻力型风机有的是顺时针有的是逆时针转，有的转的快的有转的慢的和不转的；不管是顺、逆时针方向传递给过桥轴46的动力大小快慢，都是通过过桥轴46上的上、下单向轴承来处理的；顺时针方向来的动力且要达到过桥轴大带轮的转速才能由上单向轴承42传递到中心轴上去，过桥轴46的速度达不到过桥轴大带轮的速度时过桥轴只能空转；逆时针方向的同理，不过是通过下单向轴承44来传递；当然过桥轴不转对传输装置是无影响的。

上过桥轴大带轮41、齿轮轴小带轮413、齿轮轴大带轮412、齿轮轴411、换向齿轮、换向轴48、换向轴小带轮47、下过桥轴大带轮45是始终与中心轴一起转动的，只是换向轴48、换向轴小带轮47、下过桥轴大带轮45的转向相反而已；叶轮轴32受风力风向影响，有正反转与转的快慢之分；正反转的动力可由上下单向轴承传递给中心轴；动力大的转的要快，但传递到了中心轴后转速只能与中心轴同步，也就是对中心轴贡献了动力；动力小的转的慢的或不转的，不贡献动力，但对动力传输装置无影响。

本实施例1的发电动力：

本实施例1中，将风机3设定为：风叶直径3米、高度3米、叶片数量6片；固定机架1的外围直径30米，在固定机架1的圆周边上均匀布置24个小型屏障阻力型风机3；单层的扫风面积则为30米×3米＝90平方米，实际高度每层要3＋0.5＝3.5米，则每层面积30×3.5＝105平方。本实施例定为15层，则总高5米（基础）+15层×3.5＝57.5米，总的扫风面积57.5×30＝1725平方米。

单个小型屏障阻力型风机能产生的动力，计算公式：风压（KN/㎡)=风速²/1600；

3级风4.5米²/秒/1.6=12.8N/㎡，

4.5米风速功率=2π风压×面积×转速/60秒=6.28×12.8×4.5×28.7/60=173w，

9米风速功率=2π风压×面积×转速/60秒=6.28×50.6×4.5×57/60=1358w，

13.5米风速功率=6.28×113.9×4.5×85.7/60=4598w，

18米风速功率=6.28×202.5×4.5×114.7/60=10940w；

以每个小风机来统计整个风机的功率比较困难，应用整个风机的迎风面来计算，一层的迎风面积为30米×3=90平方，15层×90=1350平方米，风吹到迎风面上的风能不可能100%被吸收，能转换成机械能的在60%左右，动力传输装置转换效率92%，所以总效率在55%左右，面积为1350×55%=742平方米。则整个风机的功率有：

计算公式：功率=2π×风压×面积×转速/60秒=W，

4.5米风速功率=6.28×12.8×742×28.7/60=28.530Kw（3级风），

9米风速功率=6.28×50.6×742×57/60=223.995Kw（5级风），

13.5米风速功率=6.28×113.9×742×85.7/60=758.083Kw（6-7级风），

15米风速功率=6.28×140.6×742×95.54/60=1043.237Kw(7级风），

18米风速功率=6.28×202.5×742×114.7/60=1803.851Kw（8级风），

22.5米风速功率=6.28×316.4×742×143/60=3513.863Kw（9级风)，

27米风速功率=6.28×455.6×742×172/60=6085.895Kw（10级风），

从数据可看到风速与风压的关系是平方，与功率是接近立方的关系。

与水平轴风机在同样在15米风速，功率1000KW的风机扫风面积相比，水平轴风轮直径φ60，轮毂高度70米，则在风场中实际占用面积为30×30×3.14+60×40米高=5228平方米。本风机在风场中在15米风速下也可达到1000KW，扫风总面积为57.5全高×30米直径=1725平方米，不到水平轴的1/3。水平轴风机设定风速一般在13-15米/秒，超过设定风速就要采取刹车或变桨来控制风轮速度、功率，也就是说能产生大功率的风能被浪费掉了；水平轴风机一般在风速23米（9级风）以上就要采取顺桨停车措施。

从数据上看风能在低风速时能产生的功率有限，真的有利用价值的是4级风（6-7米/秒）以上的，所以对于风场而言应着重考虑高风速时的高能量风能的利用。

本实施例1中，小型屏障阻力型风机产生的转速是低转速，设计上给电脑的参数分低风速时20转、中风50和高风速时75转多种模式；但由于初始速度过低，对传动效率和传动部件的机械强度不利，同时使中心轴尽可能的接近发电机的转速，所以要对其续步增速；首先从风机叶轮轴上的叶轮轴带轮33将动力传给过桥轴上的过桥轴小带轮43上得到增速，再经过二道增速后使到中心轴18上得到9倍的增速；即使20转的增到180转，75转的增到675转。发电机采用直驱式永磁发电机，低风（3-9米/秒）用100KW1台、200KW1台，中风（9-15米/秒）300KW3台，高风（15米/秒以上）300KW5台以上。低风时启用2台低速发电机，中、高风速时根据风机功率逐步启用300KW的发电机。采用多台直驱式永磁发电机的目的，一是考虑中心轴与发电机的连接宜用同步带轮连接，单台发电机功率过大用同步带连接不宜；二是多台发电机可以在固定机架内的多层上安装与多段中心轴连接，使总长度达几十米的中心轴在大功率时的径向力得到分散，使轴径大大减小。

本实施例1中，采用多台发电机的另一个目的是可在中心轴上设置旋转编码器，旋转编码器连接计算系统，利用计算系统对所有的小型屏障阻力型风机的转速进行控制，比如在一个风速模式下超速了，可多启用一个发电机来增加中心轴的负载而达到降速的目的，如要再精准控制转速可启动一部分小型屏障阻力型风机上的刹车装置来调节；所以本用于风力发电的动力传输单元从理论上不受高风速的限制，所有风能都可发电。同时机体的结构可做到足够强以抵御强风的损坏。

在同样扫风面积下本实用新型的用于风力发电的动力传输单元所能产生的功率是水平轴、垂直轴风机的2-10倍以上；水平轴、垂直轴风机的设计风速一般在13-15M/秒，当风超过设计风速时要采用变桨或用限速装置来限制风轮的转速，以防超速；这就大大浪费了风能资源，因为风速大于1倍风的动能是4倍，而产生的动力是近8倍；如1个风机额定风速13米（6-7级风）能产生100KW功率的话，它在风速26米/秒（9-10级风）至少能产生800KW的动力；反之当风速在6.5米/秒（4级风）时只能产生100/8=12.5kw的动力。本实用新型的用于风力发电的动力传输单元用多个发电机来控制风机的转速，使叶尖速比由计算系统控制在0.2-0.8之间，低风速时叶尖速比取高，比如取0.7-0.8可使主轴转速在设定范围内，发电机只启用小功率发电机；中风速时叶尖速比取0.4-0.6，再启用1-2个发电机使主轴增加负载，迫逼主轴转速在设定范围内；高风速时叶尖比取0.2-0.4，启动所有发电机，使主轴转速在范围内；风再大时，发电机已全启用，主轴转速乃超速时启用部分小型屏障阻力型风机上的刹车装置，也就是关掉一部分动力，直到主轴在转速范围内；整个过程都由电脑计算系统控制。

如本实施例1中的风机的风叶直径在φ3米则周长为9.42米，设计启动风速4米/秒，则叶尖比在1：1的情况下，主轴转一圈为9.42/4=2.355秒，转速为60/2.355=25.5转/分，叶尖比取0.8则转速为25.5×0.8=20.4转/分；风速8米/秒（4-5级风）时9.42/8=1.1775秒，转速60/1.1775=51转/分，则尖速比为20.4/51=0.4；风速14米/秒时9.42/14=0.673秒，转速60/0.573=89转/分，如果要变成20.4转/分（低转速）的叶尖比为0.23已接近最低；所以应考虑再设定一个高转速，89×0.8=71转/分，这个转速可兼顾32米/秒（12级）的风速。因此本实用新型设计的主轴设定转速分高、中、低风多种模式，可减轻主轴、传动部分等的重量及尺寸，使风能转化效率最大化。

综上所述，本实用新型的用于风力发电的动力传输单元在采用了以上措施后可使整个风机的功率大型化，使风场的风能可以最大化的利用，同时规避了传统风电机对环境的不利因素。特别是本实用新型的动力传输装置能使在各个转动方向、不同位置、不同转速功率的小型屏障阻力型风机产生的动力集中到中心轴上；动力是由众多小型屏障阻力型风机组合而成，中心轴也是组合而成的，所以整个设备包括固定机架等的另部件都可实行模块化、系列标准化。本实用新型的各个部件避免了特大型部件，可对设备在山顶、偏远地区、海上等的安装运输等节约时间和成本，便于运输和安装。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：它包括动力传输装置（4），所述动力传输装置（4）将风机（3）与中心主轴（2）连接，中心主轴（2）连接发电装置；所述风机（3）包括叶轮（31），所述叶轮（31）套设在叶轮轴（32）上；所述动力传输装置（4）包括依次设置在叶轮轴（32）和中心主轴（2）之间的过桥轴（46）、换向轴（48）和齿轮轴（411），所述过桥轴（46）的中部套设有过桥轴小带轮（43），所述过桥轴（46）的上端设有上单向轴承（42），所述上单向轴承（42）外套接有上过桥轴大带轮（41），所述过桥轴（46）的下端设有下单向轴承（44），所述下单向轴承（44）外套接有下过桥轴大带轮（45）；所述上单向轴承（42）和下单向轴承（44）的推力面相对设置安装；所述换向轴（48）上套设有换向轴小带轮（47）和第一换向齿轮（49），所述齿轮轴（411）上由上至下依次套设有齿轮轴小带轮（413）、齿轮轴大带轮（412）和第二换向齿轮（410）。

2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述中心主轴（2）上还套设有中心轴小带轮（23）。

3.根据权利要求2所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述齿轮轴大带轮（412）与中心轴小带轮（23）啮合，实现齿轮轴（411）带动中心主轴（2）的传动。

4.根据权利要求1所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述叶轮轴（32）上套设有叶轮轴带轮（33）。

5.根据权利要求4所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述过桥轴小带轮（43）与叶轮轴（32）的叶轮轴带轮（33）啮合，实现叶轮轴（32）带动过桥轴（46）传动。

6.根据权利要求1所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述上过桥轴大带轮（41）与齿轮轴小带轮（413）啮合，实现顺时针风向时过桥轴（46）带动齿轮轴（411）传动。

7.根据权利要求1所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述下过桥轴大带轮（45）与换向轴小带轮（47）啮合，第一换向齿轮（49）与第二换向齿轮（410）啮合，实现逆时针风向时过桥轴（46）通过换向轴（48）换向传动给齿轮轴（411）。

8.根据权利要求1所述的一种用于风力发电的动力传输单元，其特征在于：所述叶轮轴（32）的顶端设有电磁刹车（35），所述叶轮轴带轮（33）设置在电磁刹车（35）的下方。

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