CN101334006B - 直轴多叶片水平轮式风电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直轴多叶片水平轮式风电装置，他包括垂直于水平面的旋转轴及围绕着旋转轴并与水平面平行的主圈，有若干个叶片被主圈穿过并固定于主圈上，主圈与旋转轴联动连接配合，围绕着旋转轴设有辅助圈且穿过各叶片受风面的延伸端并与各叶片固定连接配合。本发明具有以下几个主要特点：增加了叶片受风面积；延长了风在叶片的停留时间从而强化了叶片风压；保持了受风的连续性；使各部件在机械强度不变的前提下实现重量最轻化；并使运行平稳，使用寿命延长。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电装置，特别是指采用垂直轴并且具有轮圈的直轴多叶片水平轮式风电装置。
背景技术
风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，水平轴风力发电机，是目前技术最成熟、占据主流市场的产品。而垂直轴风力发电机由于研究起步较晚，研究工具、方法落后，导致一度认为垂直风力发电机风能利用率不如水平发电机。事实上，垂直轴风力发电机在发电效率，启动风速上都较水平轴风力发电机有显著优势，这一点随着计算机流体力学的飞速发展，越来越被人们所认同。但是现今的垂直轴风力发电机由于设计的缺陷，规模难以扩大，在水平轴已出现6000KW时，垂直轴还没有1000KW的样机出现。
中国专利说明书CN200620014313.3公布了一种立轴式风力发电机。他的风轮与旋转轴之间用细如钢丝的材料做连接杆，此实用新型中的钢丝连接杆只承受拉力，因此整个装置的结构并不固定，从而影响叶轮在受风转动时的稳定性，继而影响发电效率。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提供了一种结构新颖，承重设计完善，生产安装简便的直轴多叶片水平轮式风电装置。
为了实现以上目的，本发明设计的直轴多叶片水平轮式风电装置，包括垂直于水平面的旋转轴及围绕着旋转轴并与水平面平行的主圈，有若干个叶片被主圈穿过并固定于主圈上，主圈与旋转轴联动连接配合，围绕着旋转轴设有辅助圈且穿过各叶片受风面的延伸端并与各叶片固定连接配合。所述的叶片为半锥体形状，叶片锥体壁表面压制多条加强筋，叶片的重力中心点置于主圈上，所述的辅助圈数量不少于四个，各辅助圈分别与叶片周边备受风面的延伸端固定连接配合。这种叶片构造能够增加受风面积，增加风压并且使叶片转动时所造成的空气阻力最小。叶片内的加强筋使得叶片的强度增加，接受风力时不会变形。叶片的重力中心点置于主圈上，这样可以使得叶片在主圈上的固定更加稳固，有助于主圈和叶片的整体平衡。所述的辅助圈数量通常为4个，但也可以少于或者多于4个。辅助圈在叶片周边的固定效果，改善了装置运转时的平衡性，并防止了叶片在长期受力的过程中造成松动和角度倾斜等。
本发明的进一步设置，所述的主圈或/与辅助圈其截面为U型，叶片与主圈或/与辅助圈固定连接处设有与之一体的掀起部分，该掀起部分与主圈或/与辅助圈U型壁面贴合并通过紧固件固定连接配合。主圈和辅助圈采用一种横截面为U型的结构，使得在保持强度的前提下使主圈以及辅助圈的重量最轻，同时也方便将叶片掀起部份与主圈壁和辅助圈壁之间的贴合。
本发明的再进一步设置，设有若干个水平支撑杆其两端分别与所述的主圈与旋转轴固定连接，旋转轴上设有水平支撑杆连接座，水平支撑杆连接座上下设有上、下花盘，主圈与上、下花盘之间设有若干拉索或拉杆。水平支撑杆在本装置中作为承载主圈、辅助圈、叶片重力的结构，一般均匀固定在旋转轴和主圈之间，接口处使用紧固件连接，从而增加了牢固性。水平支撑杆不与叶片直接连接也是考虑到叶片的稳固性和强度不高。这种水平支撑杆直接和主圈连接的方式，使得主要的传力结构的连接处可使用更为牢靠的大型紧固件加固，增加了可靠性。上、下花盘交叉斜拉连接主圈的拉锁或拉杆，承受了一部分主圈的重力，并且与水平支撑杆在转动时形成多点联动，使得装置在转动时的平稳性大大提高，也提高了装置的整体稳固性。
本发明的再进一步设置，至少在所述的主圈内侧的水平支撑杆上与上花盘之间设有承重的拉索或拉杆，有多个辅助圈时其相互之间设有拉索或拉杆，且其中至少有一个辅助圈通过若干个拉索或拉杆与旋转轴顶端设有的拉索或拉杆连接座连接。该结构的设置连接了辅助圈和主圈，起到了巩固主圈和辅助圈的作用，使装置不易在长期运转和遭遇超强风时变形。连接辅助圈和旋转轴顶端的拉索的作用在于承载一部分辅助圈的重力并且在装置转动时防止辅助圈偏离固定的位置。水平支撑杆于上花盘之间的拉索或拉杆使得水平支撑杆形成斜拉桥式构造，使水平支撑杆的承重能力大大加强。
本发明的再进一步设置，所述的水平支撑杆及其连接座、拉索或拉杆及其连接座、主圈或与辅助圈、叶片，它们之间均通过紧固件连接。且其中的拉索或拉杆连接座也包括指作为连接座的上、下花盘。紧固件的采用，使得联动连接处不易松动，并消除连接处可能存在的应力问题，增加了装置的可靠性和使用年限。
本发明的再进一步设置，所述的旋转轴主体为厚壁无缝管，水平支撑杆连接座与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。旋转轴的选用结构材料使得装置在保证扭矩力的前提下重量很轻。
本发明的工作原理如下：当风吹入风电机的圆形透风采风装置时，风对从该吹入点衍生出的90度范围内的叶片做的功能够全部转化为有效机械能，从而大幅度提高采风效率，继而大幅度提高发电效率。
综上所述，本发明具有以下几个主要特点：增加了叶片受风面积；延长了风在叶片的停留时间从而强化了叶片风压；保持了受风的连续性；使各部件在机械强度不变的前提下实现重量最轻化；并使运行平稳，使用寿命延长。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例的侧剖图
图2为本发明实施例的俯视图
图3为本发明实施例1中辅助圈支架剖面图
图4为本发明实施例2中辅助圈支架剖面图
图5为本发明实施例原理示意图
其中1：旋转轴，2：叶片，3：水平支撑杆连接座，4：水平支撑杆，5：承重拉索，6：拉杆，7：主圈，8：辅助圈，9：上轴承，10：制动器总成，11：万向节，12：发电机，13：直轴承重轴承，14：弹子轴承，15：装置支承架，16：上花盘，17：下花盘，18：旋转轴顶端连接座，19：叶片加强筋，21：拉索
具体实施方式
如图所示，本发明实施例一种直轴多叶片水平轮式风电装置，包括有24片风叶2顺向均匀地套在主圈7上，主圈7以近似垂直于风叶2受风面的角度穿过叶片2，并且与叶片2被穿过点的掀起部分贴合，用紧固件加固。在这里设置较多叶片的目的在于提高装置受风的连续性。4个辅助圈8以近似垂直叶片2受风面的角度穿过叶片2边缘，并且与叶片2掀起部分贴合并用紧固件加固。所述的叶片2掀起部分，不一定是真正将叶片2被穿过的部分掀起，也可能是直接通过塑形得到掀起状结构。主圈7一般穿过叶片2的重力中心，但也可以穿过叶片2其他部位，和辅助圈8形成稳固叶片2的组合。主圈7和辅助圈8穿过叶片的方式可以是多种形式，比如说从叶片2中完全穿过，完全包含于叶片2中，也可以是嵌于叶片2边缘，三面被叶片2包围等等。主圈7的横截面为U形。这里所说的“U”形是一个大致的形状，它具体可以是近似“C”形或者“凹”形等结构，一般优选的结构为近似“C”形，这种结构的强度高，重量轻，在图3中可以看见这种形状。水平支撑杆4两端分别用紧固件连接于主圈7和旋转轴1，水平支撑杆4的数量一般为3到12根，在本实施例中采用6根，对称均匀分布于主圈7之内。水平支撑杆4与上花盘之间设有承重拉索5，承重拉索5一端连于水平支撑杆4另一端连接于旋转轴上花盘16，两端连接处均为铆固，承重拉索5在水平支撑杆4上的连接位置可以有多种不同方案，本实施例中设置2点，分别在水平支撑杆4的1/2、4/5处，连接在此处时的承重效果最好。有多个辅助圈8时其相互之间设有拉索，这些拉索在辅助圈8和主圈7之间形成类似支架结构，各辅助圈8和主圈7通过该支架连接，由于该实施例中的辅助圈8为4个，因此本实施例支架为类似“X”型结构，主圈7连接于支架中心交叉点，各辅助圈8连接于支架四角处，在“X”形靠近旋转轴1的两端点之间增加一条拉杆连接，形成三角形的稳固结构，此时原本的“X”型结构转变为“又”型结构，在图3中可以比较直观地反映出这种结构。该支架结构的设置连接了辅助圈8和主圈7，起到了更加稳固作用，使叶轮不易在长期运转和遭遇超强风时变形。有一条拉索21一端固定于支架的一端即辅助圈8上，另一端固定于旋转轴顶端连接座18，这条拉索21的作用在于承载一部分支架的重力并且在装置转动时防止支架偏离固定的位置。有48根等长拉杆6斜拉交叉固定于主圈7和旋转轴1上花盘16和下花盘17之间。拉杆6的数量一般为24根并且均匀对称分布，形成自行车钢圈轮式的构造，拉杆6作用在于调整转动平衡，同时也可起到部分承重与支撑作用，旋转轴1采用一种大口径厚壁无缝管，也是为了在不影响强度的情况下减轻装置的重量。水平支撑杆连接座3与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。在旋转轴1与发电机轴之间设置万向节10起稳定作用。制动器总成10装在稳定轴法兰盘上，发电机12安装于制动总成10之下，设置直轴承重轴承13以及弹子轴承14用以承重和降低摩擦力。
本发明还可以根据辅助圈8的不同数量，在风电装置中提出另一种如图4所示的由辅助圈8和主圈7之间形成类似支架结构。设置6个辅助圈8，此实施例中的辅助圈8和主圈7之间拉杆所形成的支架结构有6条分支从支架中心伸出，并在末端与各辅助圈8连接，形成另一种如图4的支架形状，添加3条横杆形成3个相连的三角形，从而进一步稳固结构。
此外，图5展示了风力发电机的工作原理，具体如下：假设风吹入装置的角度为0度，由于叶片的特殊形状及装置的透风性，风对位于图上0度到269度范围内的叶片都做功：其中风从正面对位于0度到89度外圈范围内的叶片做的功全部转化为有效机械能；正面风同时穿过采风装置对位于90度到269度内圈范围内的叶片内侧部分做功，所做的功足以抵消位于270度到359度范围内(既阴影部分)风的阻力，从而最大限度的提高采风效率，继而提高发电效率。
当然，叶片，辅助圈，钢丝，水平支撑杆，拉索这些部件的数量和之间的结合方式不局限于上述的形式，若采集风能的叶片、稳固叶片的辅助圈、主要承重的水平支撑杆或者可使部件间以其他方式稳固结合，构成了本发明的技术方案，也属于本发明的保护范围。
此外，本发明不仅可使用于风电装置，对于其他类似的使用到水平风轮采集风力的装置，只要采用了辅助圈，水平支撑杆，拉索，斜拉钢丝的构造特征，也属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直轴多叶片水平轮式风电装置，包括垂直于水平面的旋转轴及围绕着旋转轴并与水平面平行的主圈，有若干个叶片被主圈穿过并固定于主圈上，主圈与旋转轴联动连接配合，围绕着旋转轴设有辅助圈且穿过各叶片受风面的延伸端并与各叶片固定连接配合，其特征在于：所述的叶片为半锥体形状，叶片锥体壁表面压制多条加强筋，叶片的重力中心点置于主圈上，所述的辅助圈数量不少于四个，各辅助圈分别与叶片周边各受风面的延伸端固定连接配合。
2.按照权利要求1所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述的主圈或/与辅助圈其截面为U型，叶片与主圈或/与辅助圈固定连接处设有与之一体的掀起部分，该掀起部分与主圈或/与辅助圈U型壁面贴合并通过紧固件固定连接配合。
3.按照权利要求1或2所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：设有若干个水平支撑杆其两端分别与所述的主圈与旋转轴固定连接，旋转轴上设有水平支撑杆连接座，水平支撑杆连接座上下设有上、下花盘，主圈与上、下花盘之间设有若干拉索或拉杆。
4.按照权利要求3所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：至少在所述的主圈内侧的水平支撑杆上与上花盘之间设有承重的拉索或拉杆，有多个辅助圈时其相互之间设有拉索或拉杆，且其中至少有一个辅助圈通过若干个拉索或拉杆与旋转轴顶端设有的拉索或拉杆连接座连接。
5.按照权利要求3所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述的水平支撑杆及其连接座、拉索或拉杆及其连接座、主圈或与辅助圈、叶片，它们之间均通过紧固件连接。
6.按照权利要求1或2所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述的旋转轴主体为厚壁无缝管，水平支撑杆连接座与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。
7.按照权利要求3所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述旋转轴主体为厚壁无缝管，水平支撑杆连接座与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。
8.按照权利要求4所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述旋转轴主体为厚壁无缝管，水平支撑杆连接座与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。
9.按照权利要求5所述的直轴多叶片水平轮式风电装置，其特征在于：所述旋转轴主体为厚壁无缝管，水平支撑杆连接座与上、下花盘构成整体套设在厚壁无缝管上并与之固定连接。
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