CN2921352Y - 一种套轴式垂直轴风电机组 - Google Patents

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Abstract

一种可以减轻风轮主轴重量和转动惯量、能够改善机组起动性能和系统稳定性能的套轴式垂直轴风电机组，其组成包括：内立轴、顶部轴承装置、风轮、叶片攻角调整机构、底部轴承及软连接、机械制动系统、底部结构、齿轮箱、发电机、电气及控制系统和钢丝绳阻尼系统。内立轴底部固定在地面、顶端由钢丝绳与地面拉紧，风轮套装在内立轴外面，通过顶部轴承装置和内立轴连接，并由底部轴承支撑在底部结构上。风轮在风力的作用下旋转，经底部轴承及软连接、齿轮箱驱动发电机，完成风力发电的过程。叶片攻角调整机构可以调节风轮的输出功率和在大风情况下起到空气刹车的作用。

Description

一种套轴式垂直轴风电机组
技术领域
本实用新型涉及一种新型垂直轴风电机组，尤其是一种套轴式垂直轴风电机组。
背景技术
目前，风力发电的主要设备有两种，水平轴风电机组和垂直轴风电机组，这两类机组的结构形式、运行工况和采用的设备不完全相同。水平轴风电机组的叶片绕平行于地面的水平轴旋转，被普遍应用在风力发电中。垂直轴风电机组的叶片绕垂直与地面的竖轴旋转，典型的垂直轴风电机组是Darrieus型。1931年Darrieus在美国申请了专利(专利号1835018)，提出了一种垂直轴风电机组。
上世纪80-90年代，国外出现了大量的垂直轴风电机组，并且研制了4兆瓦的Darrieus风电机组。
垂直轴风电机组具有以下优点：
1)发电机、机械刹车装置、齿轮箱等主要设备安装在地面，所以系统整体结构简单，还可以采用大型垂直轴式直接驱动发电机。
2)由于叶片垂直安装，风向对发电的影响小，所以不需要水平轴风电机组必备的对风偏航装置，系统的控制更简单。
3)叶片可采用对称等截面，且叶片受力均匀，强度、刚度、动态性能容易得到保证，方便了设计和制造。
Darrieus型垂直轴风电机组一般由顶部轴承装置、风轮、回转支撑装置、软连接、制动系统、齿轮箱、发电机、钢丝绳张紧及阻尼系统、电气及控制系统等组成。风轮由叶片、主轴、横支撑等组成。
由于风轮垂直安装，所以Darrieus型垂直轴风电机组一般都在风轮底部设回转支撑装置，上端设顶部轴承装置，采用钢丝绳在风轮的顶端与地面拉紧固定。
这种结构的风轮既要在气动载荷的作用下旋转通过齿轮箱带动发电机发电，还要承受风轮顶部钢丝绳的压力，因此普遍存在着2个技术问题：一是风轮主轴的受力复杂，为满足刚度、强度、稳定性和动态性能的要求，主轴的重量一般很大，机组的旋转惯量很大，使得机组的起动困难；二是整个风轮仅在顶部通过顶部轴承装置及钢丝绳和地面拉紧，由于钢丝绳的柔性和顶部轴承的转动连接，使得机组的系统稳定性变的很差。
Darrieus型垂直轴风电机组的典型专利有：美国专利4449053、4664596、4808074、5252029、5531567、5499901、5375324。此外，PolytechnicInternational Press 2002年出版的《Wind Turbine Design》中对Darrieus型垂直轴风电机组有详尽的描述，现有的产品和技术还没有能够解决上述2个突出的问题。
发明内容
为了克服现有Darrieus型垂直轴风电机组主轴重、转动惯量大而带来的机组起动困难和系统稳定性差的技术问题，本实用新型提出了一种新型套轴式垂直轴风电机组，该种形式的风电机组不仅改变了主轴的受力状况，而且改变了主轴的安装形式，可以减轻机组的旋转的重量和减小风轮的转动惯量，从而可以改善机组的起动性能和系统稳定性能。
本实用新型解决其问题所采用的技术方案是：采用套轴式结构，这种结构由内立轴和风轮套装组成。内立轴底部固定在地面上，顶端通过钢丝绳与地面拉紧。风轮的主轴套装在内立轴外面，通过顶部轴承装置和内立轴连接，并由底部轴承支撑在底部结构上。风轮可以围绕内立轴旋转，通过齿轮箱驱动发电机发电。
所述内立轴穿过齿轮箱或者皮带轮固定于地面。
本实用新型的有益效果有二：一是由于采用了套轴式结构，外套轴受力简单，仅承受气动载荷、自重载荷和传递扭矩等，可以减轻外套轴的重量，也就是减轻了机组的旋转部分的重量和转动惯量，有利于改善机组的起动性能；二是由于内立轴底部固定在地面、顶端由钢丝绳与地面拉紧，仅承受钢丝绳的内力载荷，因此可以通过加大钢丝绳的预拉力确保内立轴的稳定性，同时旋转的风轮仅通过轴承和内立轴相联系，因此整个机组的系统稳定性也得到很大的改善。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图中，1.内立轴、2.顶部轴承装置、3.风轮、4.叶片攻角调整机构、5.底部轴承及软连接、6.机械制动系统、7.底部结构、8.齿轮箱、9.发电机、10.电气及控制系统、11.钢丝绳阻尼系统。
具体实施方式
在附图中，风轮(3)在风力的作用下旋转，经底部轴承及软连接(5)、齿轮箱(8)驱动发电机(9)，完成风力发电的过程。叶片攻角调整机构(4)可以调节风轮的输出功率和在大风情况下起到空气刹车的作用。内立轴(1)、顶部轴承装置(2)、底部轴承及软连接(5)、底部结构(7)、钢丝绳阻尼系统(11)保证了风轮的正常旋转和机组的稳定性能。
在这个实施例中，采用了套轴式结构。
内立轴(1)底部固定在地面，顶端通过钢丝绳阻尼系统(11)与地面拉紧，内立轴(1)仅承受钢丝绳的内力载荷，因此可以通过加大钢丝绳的预拉力，来确保内立轴的稳定性，将内立轴牢固的竖立于地面上。
风轮(3)的主轴做成空心轴，套装在内立轴(1)的外面成为外套轴，外套轴通过横支撑安装和固定叶片。风轮(3)可以由顶部轴承装置(2)和内立轴(1)相联系，由底部轴承及软连接(5)支撑，所以外套轴受力简单，仅承受气动载荷、自重载荷和传递扭矩等。
为了将内立轴(1)的底部固定在地面，齿轮箱(8)的输入轴应该是空心的，内立轴(1)可以穿过齿轮箱(8)固定于地面。实施中也可以采用皮带传动，内立轴(1)穿过皮带轮固定于地面。
这样的结构就可以减轻风轮主轴的重量，也就是减轻了机组的旋转部分的重量和减小了风轮的转动惯量，有利于改善机组的起动性能和机组系统稳定性。

Claims (2)

1、一种套轴式垂直轴风电机组，由顶部轴承装置、风轮、叶片攻角调整机构、底部轴承及软连接、机械制动系统、底部结构、齿轮箱、发电机、电气及控制系统和钢丝绳阻尼系统组成，其特征是：还包括有内立轴，内立轴采用套轴式结构，这种套轴式结构由内立轴和风轮套装组成，内立轴底部固定在地面上、顶端由钢丝绳与地面拉紧，风轮套装在内立轴外面，通过顶部轴承装置和内立轴连接，并由底部轴承支撑在底部结构上。
2、根据权利要求1所述的套轴式垂直轴风电机组，其特征是：所述内立轴穿过齿轮箱或者皮带轮固定于地面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102678455A (zh) * 2012-05-08 2012-09-19 李�杰 一种风轮叶片可调速的垂直轴风力发电机

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