CN2828366Y - 圆柱转子型水平轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利涉及一种水平轴发电机，属于动力机械领域，其特征是它的风轮轮毂外围沿周向均布若干个转子，转子形状呈薄壁管状圆柱形，圆柱转子一端有风力涡轮及转子轴。各转子轴位于风轮轮毂各个轴承内，由轴承支承并可绕转子自身轴线自转，当外界风力吹动风力涡轮及其圆柱转子，使转子公转，带动轮毂水平轴传动装置及发电机，并通过涡轮前的导罩，调速板实现运转中的调速和限速制动，立式发电机轴线与机体的垂直轴线同心，没有普通电缆防缠装置，与现有水平轴发电机相比，结构比较简单可靠，制造成本可降 1／3－l／4。适用于风能丰富的各种地区。

Description

圆柱转子型水平轴风力发电机

技术领域：本发明属于动力机械领域。

背景技术：利用风能发电的不同方式不同结构很多，还有不少新的技术方案和专利，但目前应用最广泛的仍是带有若干径向叶片风轮的水平轴风力发电机。随着航空技术发展，类似机翼翼型截面，以2-3个螺旋叶片高速水平轴风力发电机，已成为现代风力发电装置的主流，通过对其空气动力学、新材料、新工艺、结构、计算机、电机及电力系统自动控制等领域综合研究应用。这种风力发电机效率高、运行可靠并趋向大型化。许多风力发电机组成风电场。以大的发电容量与现有供电系统并网运行。此外，螺旋桨水平轴风力发电机也普遍用于中、小型发电。

另一方面，这种风力发电机虽然效率较高、技术成熟，但其包括起动、自动对风、调速、卸荷仃机保护、以及防缠绕装置、自动控制、供电等系统，结构复杂，设备投资费用很高，特别是它的螺旋叶片，工作条件、材料、形状、加工工艺要求较严，制造较难，成本高，较易受损。从而相当程度上又制约了这种螺旋桨叶片水平轴风力发电机的发展推广。而其它类型的风力发电机，则各自存在效率较低，或结构上、使用上、技术上等不同问题。总体性能尚不及螺旋桨叶片水平轴风力发电机。

发明内容：为了克服现有风力发电机螺旋桨叶片复杂、易损、成本高的不足，本实用新型的目的是提供一种圆柱形转子，使其受风力作用时，能绕自身轴线旋转，以此产生的空气动力效应(马格努斯效应)，带动发电机，成为一种圆柱转子型水平轴风力发电机，同时，本实用新型要解决风力发电运转中，从起动、调速、到卸荷、过载保护等一系列问题，使调速控制系统，工作与风力变化相适应。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是(图1、图2)，它的风轮毂外围沿周向均布若干个转子(13)，转子形状呈薄壁管状圆柱形，转子端有风力涡轮(8)和转子轴(14)，各转子轴位于风轮轮毂对应的各个轴承内，由轴承支承并可绕转子自身轴线旋转(自转)，风力涡轮前方有导流罩(10)，导流罩进口端有调速板(11)及与其连接的弹簧(12)，外界自然风通过调速板控制导流罩进口的大小，控制进入导流罩的风量，达到运转中调速的目的。

本实用新型的工作原理是：当风从W方向流向风轮时(图4、图5)。风轮轮毂(7)前方气流W向经调速板(12)流入导流罩(10)。由导流罩引导气流沿切线方向加速吹入风力涡轮周围的弧形叶片。(图3中的箭头虚线)引起气流动量的改变。由此产生的作用力，推动风力涡轮(8)连同圆柱转子(13)。以角速度ω绕自身轴线旋转。这时，通过风轮的气流位于圆柱转子旋转角速度η相同的一侧加速流动，而与转子旋转圆周方向相反的一侧受阻减速流动。(如图3，B-B剖面中虚线箭头表示的流线谱)。

根据柏努里定理，位于圆柱转子加速流动一侧的气流压气力P1较小，而减速流速较低另一侧压力P2较大(图1，B-B剖面中实线箭头)。由此导致圆柱转子表面不平衡的压力分布，总的压力差P1--P2作用于圆柱转子表面。形成推力(马格努斯效应)，推动转子在绕其轴线自转的同时，又绕水平线转动。再通过锥齿轮付带动发电机转子旋转发电。其发电功率大小取决于风速、圆柱转子的直径、长度和其自转角速度η值的大小。而η值大小则由调速板(12)相对于导流罩进口不同位置的开放程度来控制。

当风速低于风轮设计额定风速时，弹簧对调速板(12)的拉力大于风力与离心力对调速板作用力的矢量和。使调速板处于初始位置A。相对进口开放程度最大，气流以W(图4、图5中虚线箭头)向毫无阻碍全部经过导流罩(10)，推动风力涡轮(8)的弧形叶片。使风力涡轮(8)和圆柱子转子以角速度η自转。

当风速高于额定风速时，相应地，风力和离心力对调速板的作用增大。以致克服作用其上的弹簧力，使调速板转动至新的平衡位置B(如图4虚线B位置)。使导流罩前进口开放程度缩小。流入罩内及风力涡轮的流速、流量均相应减少。风力涡轮与圆柱转子旋转角速度η值随之降低。此时，一方面风速增大促使作用圆柱转子表面的压力差P1-P2增加，另一方面，转子自转角度η值降低又倾向导致P1-P2减少。两者相反，影响部分抵消，综合结果是作用于圆柱转子的气动推力变动很小。即使风力变大，也能保持风轮轮毂和发电机角速度ω值大致不变，实现近似等速稳定运转。

若风力更大，作用于调速板上的风力和离心力更大于弹簧力。调速板将继续转动缩小导流罩的进口面积。进行调速，直至风力太大足以推动调速板完全关闭导流罩(10)的进口，(图4位置c)。挡住气流，气流只能绕过调速板从周围通过(图6虚线箭头所示)。风力轮因此停止转动(η＝0)。通过圆柱转子两侧气流速度也对称分布压力相等P1＝P2，压力差P1-P2＝0，作用于圆柱转子的推力消失。风轮轮毂、水平轴、发电机也随之静止不动，以此简单有效的调速控制装置，在特大风速条件下，自动对设备实施制动保护，提高其可靠性。

对比本实用新型的有益效果和优点是：

1、本实用新型风力驱动的圆柱转子比同类大小的普通螺旋桨叶片的形状简单，可以制成壁厚相对更薄的管状，材质要求较低、工艺简单，制造容易，成本只相当于同类大小普通螺旋桨叶片成本的30％-50％。

2、本实用新型没有普通水平轴发电机所特有电缆防缠绕装置，同时本发明以调速板调速、保护装置、也比较简单、有效、可靠。相应发明综合总成本比普通对应风力发电机成本可降低1/3-1/2。

3、本实用新型空气动力效率(风能利用系数)不低于普通螺旋桨型水平轴风力发电机。普通很长的螺旋桨相对较易损坏，寿命较低，而本发明圆柱转子则相对刚性较好，承载能力较高，不易损坏。

附图说明：图1、图2是圆柱转子型水平轴风力发电机的机构布置。其中图1图2是风力发电机装置的A-A纵向剖面，图3是图2中圆柱转子(13)的横向B-B剖面，同时图3还表示圆柱转子运转时，风向W流过圆柱转子截面的流线谱。图中：1-塔架，2-法兰，3-发电机，4-锥齿轮付，5-水平轴，6-机体，7-风轮轮毂，8-风力涡轮，9-轴承，10-导流罩，11-弹簧，12-调速板，13-圆柱转子，14-转子轴。W-风向，ω-圆柱转子及风轮轮毂绕水平轴轴线旋转(公转)的角速度，η-圆柱转子绕自身轴线旋转(自转)的角速度。P₁-运转时作用于圆柱转子一侧表面压力，(沿转动平面投影)的总和。P₂-作用于圆柱的另一侧表面压力(沿转动平面投影)的总和。实线箭头表示旋转方向，虚线箭头表示气流流动方向。

图4是本装置其中一个圆柱转子与风轮轮毂的纵向剖视图(放大)。图中各数字表示部件与图1相同，W-风向，η-圆柱转子自转角度速度，ω-圆柱转子绕水平轴轴线转动(公转)角度，A、B、C分别是不同风速和不同角度ω时，调速板(12)所处的平衡位置。

图5，图6，是对应图4，D-D剖面视图不同工作情况。数字表示的部件与图1相同，其中图5表示表示调速板(12)开放(图4位置A)、或部分开放(图4位置8)时空气流通的情况，虚线箭头表示气流以W向流入导流罩(10)及风力涡轮(8)时的流动方向。

图6表示调速板(12)转过90度，(图4位置C)，关闭导流罩(10)进口时，风力涡轮(8)停止转动，虚线箭头表示气流转绕过调速板(12)的流动方向。

具体实施方式：本实用新型由圆柱转子、风力涡轮、转子轴、导流罩、风轮轮毂、轴承、水平轴、锥齿轮付，发电机组成风力发电部分。对于较大功率发电，还可采取两级齿轮增速或变速传动，带弹性或挠性连轴器，另一部分由调速板、风轮轮毂、导流罩、弹簧等组成自动调速控制部分。(其余部分如塔架、对风装置、发电、控制、制动、电力调节、保护系统等均与现有技术相同)。

图1-图4分别是本实用新型圆柱转子水平轴风力发电机的机构。它与普通水平轴风力发电机最大的不同是：本发明由风力驱动的元件是沿径向分布圆形转子(而不是螺旋桨)。其第一特征是：若干圆柱转子(13)绕发电机水平轴(5)径向均布，圆柱转子(13)呈薄壁圆管形。转子一端有风力涡轮(8)和转子轴(14)，转子轴(14)位于风轮轮毂(7)外围的轴承(9)内并与轴承铰接。由此，圆柱转子既可绕其自身轴线旋转(自转)，又可与轮毂7一起绕水平轴轴线旋转(公转)。(图1、图2所示圆柱转子，自转角速度η和公转角速度ω)。

本实用新型第二特征是：风力涡轮(8)的上，下园板之间均布若干弧形叶片。涡轮前面正对着一个导流罩(10)，导流罩固定于轮毂(7)上，其进口正对风流W方向(图1、图2)。调速板(12)及与其连接弹簧(11)饺接支承于轮毂上，位于导流罩(10)进口前方，(图1、图2)。当调速板(12)绕其铰接支点转动，可连续改变导流罩(10)的进口开放程度，从完全打开逐渐缩小开放程度，直到关闭导流罩进口。或者从关闭转至逐渐开放，直到全开，(如图示：ABC位置)。

本实用新型第三特征是：风轮轮毂(7)的水平轴由机体(6)轴承(9)所支承。锥齿轮付(4)(或再通过其他齿轮付)位于水平轴(5)与发电机(3)轴端之间。风轮旋转通过锥齿付(4)增速推动发电机旋转。(图1及图2，A-A剖面)。

本实用新型第四特征是：发电机(3)通过法兰(2)，直接垂直固定塔架的上端。发电机的旋转轴线与其上铰接支承机体(6)的垂直轴线同心。(图1，及图2A-A剖面)。这样，机组自动对正风向时，发电机固定不动，不需要普通水平轴风机的电缆防缠绕装置。

以下列出本发明两个实施例：

性能规格：            实施例1             实施例2

额定输出功率：        1KW                 100KW

风轮额定转速：        300转/分            44转/分

额定风速：            8m/s                10m/s

起动风速：            ≥3m/s              ≥3.5m/s

运行最大风速：        22m/s               22m/s

风轮直径：            3.2m                24m

圆柱转子：数量×直径：3×150mm            3×560mm

风能利用系数：        0.40                0.40

高速性系数：          6                   5.5

调速方式：调速板装置根据风速及水平轴角速度，控制涡轮进气的流量，进行调速及限速、制动。

传动方式：        单级锥齿轮付圆柱齿轮     圆锥齿轮付(带挠性连轴器)

供电方式：        独立运行                 与已有电网并网运行

本发明作为新一代风力发电机，可广泛用于风能资源丰富的牧区、山区、边防、农村、岛屿等各种地区，还可用于军用及微波通讯中继站，也可代替风帆驱动船只，成为另一种新型船用动力。

Claims (4)

1、圆柱转子型水平轴风力发电机，特征是水平轴前端风轮轮毂周围，沿径向均布若干圆柱转子，圆柱转子呈薄壁圆管形，转子一端与风力涡轮和转子轴连接，转子轴支承于风轮轮毂的轴承内。

2、根据权利要求1所述的圆柱转子型水平轴风力发电机，特征是风力涡轮的上、下圆板之间均布若干弧形叶片，每个涡轮前面正对一个导流罩，导流罩固定于风轮轮毂上，调速板与其连接弹簧饺接支承于风轮轮毂上，调速板位于导流罩进口的前面。

3、根据权利要求1所述的圆柱转子型水平轴风力发电机，特征是水平轴支承于机体的轴承内，锥齿轮付位于水平轴与发电机轴端之间。

4、根据权利要求1所述的圆柱转子型水平轴风力发电机，特征是立式发电机的底坐与塔架上端法兰固定，发电机轴线与机体的垂直旋转轴线同心。

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