串接式垂直轴风电机组的制作方法
专利名称：串接式垂直轴风电机组的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型风电机组，尤其是串接式垂直轴风电机组。
背景技术：
目前，风力发电机组主要有二种形式，一是水平轴风电机组，二是垂直轴风电机组。
水平轴风电机组的叶片绕平行于风向的水平轴旋转。水平轴风电机组技术比较成熟，商业化程度很高。机械工业出版社2004年4月出版的《风电场工程技术手册》中对此类型的风电机组有详细的描述。目前，5兆瓦的水平轴风电机组已经研制成功。但是，水平轴风电机组出力受风向的影响很大，机组的主要设备需要安装在高空，叶片受力复杂、机组结构和系统复杂，其大型化必须依靠增加叶片的长度和主要设备的尺寸来实现，叶片长度的增加一方面使得水平轴风电机组的大型化难以实现，另一方面将使得风电场的装机数量下降，在一定程度上影响了风电场的总体出力。
垂直轴风电机组的叶片绕垂直与风向的轴旋转，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)，该专利提出了一种垂直轴风电机组，风轮垂直安装，叶片采用了曲线形状。
上世纪80-90年代，国外出现了大量的几十到300kW这种类型风电机组，并且研制出4兆瓦的Darrieus风电机组。垂直轴风电机组和水平轴风电机组相比具有以下优点1)发电机、制动器系统、变速箱等主要设备安装在地面，所以系统整体结构特别是立柱的结构简单，还可以采用大型垂直轴直接驱动发电机(类似于水轮发电机)，整机系统简单、可靠性和稳定性好。
2)由于叶片是垂直安装，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，容易制造，且叶片受力均匀，强度、刚度、动态性能容易得到保证。
但是，由于Darrieus型垂直轴风电机组一般采用高径比为接近1的Darrieus风轮，向大型化发展就存在二个突出的技术问题，一是大型化的叶片使得叶片材料的选择和叶片的设计、制造、运输和安装变得极为困难，二是大直径的风轮使得这种类型的风电机组占地面积增加，风电场的装机数量下降，在一定程度上也影响了风电场的总体出力。
Darrieus型垂直轴风电机组的典型专利有美国专利4449053、4664596、4808074、5252029、5531567、5499904、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二个突出的问题。
为了能够向大型化方向发展，不少的专利采用了单元组合的方式，例如美国专利US6864597B1、中国专利CN1037193A、200420015740.4、CN2674143Y、CN1617979A。单元组合式风力发电装置是由多个单元风轮安装在框架上，形成一个整体的迎风面，接受到的风能先要集中传递到长轴上，再经传动机构驱动发电机。这样的机组结构复杂，单元风轮之间的干扰影响了机组的发电效率，而且机组的占地面积大，影响了风电场的整体出力。
其它垂直轴风电机组的专利有中国专利CN1421605A、CN1294261A、CN2522643Y，美国专利4087202、4105363、4204805、4245958、4274809、4430044、4979871，这些专利的垂直轴风电机组在向大型化方向发展和提高风电场的出力方面仍然存在着技术上的困难。
发明内容
为了克服现有大型风电机组叶片制造困难、占地面积大的不足，本实用新型提出了一种新型串接式垂直轴风电机组，该种形式的风电机组不仅叶片的长度小，容易设计、制造、运输和安装，同时具有占地面积小的特点，可以增加单位风电场装机的数量和容量。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是一种串接式垂直轴风发电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，其特征是风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。采用串接式风轮，提高风轮的高径比(风轮的高度和风轮的直径之比)，风轮的叶片采用Troposkien曲线形状。这种大高径比串接式风轮采用几组基本形式的风轮，在垂直方向上依次连接、组装而成，从而实现了增加风轮的扫风面积，即增加了风电机组的发电能力，而不增加风轮的直径和单个叶片长度的目的。由于Troposkien曲线是指一根完全柔软、质量均匀的绳索，其两端连接在一个垂直轴上，当绳索以恒定角速度绕此垂直轴旋转时所形成的曲线形状，因此绳索的受力仅为拉力，所以取这样的曲线设计成的叶片将使得叶片的受力状况大为改善，叶片仅受拉力作用，不受剪切、弯曲和扭转力的作用，所以可以减轻叶片的重量，方便了叶片的设计、制造和安装。采用这样的技术方案就可以达到风电机组大型化的目的。
本实用新型的有益效果有二一是由于采用了串接式风轮和叶片采用Troposkien曲线形状，单个叶片的长度小且受力状况好，叶片容易设计、制造、运输和安装；二是由于采用大高径比形式，相同扫风面积或者相同容量的风电机组风轮直径较小，可以增加单位面积的风电场装机数量和容量，提高风电场的总体出力，降低风力发电成本。
串接式垂直轴风发电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。
本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮叶片取Troposkien曲线的一部分，分层串接而成，也可以采用直线形叶片分层串接而成。本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮叶片在不同的分层上还可以采用不同的叶型和初始安装角。本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮风轮还可以是一个赤道直径与高度比为1∶1-4的Darrieus风轮。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是Darrieus型串接式风轮的垂直轴风电机组组成原理图。
图2是Darrieus型三层结构串接式风轮构造图。
图3是Darrieus型二层结构串接式风轮构造图。
图4是以Darrieus型风轮为基础的串接式风轮实施例。
图5是Darrieus型串接式风轮的兆瓦级垂直轴风电机组实施例。
图6是直叶片串接式风轮的垂直轴风电机组组成原理图。
图中，1.顶部轴承装置、2.风轮、3.功率调节装置、4.回转支撑装置、5.软连接、6.机械刹车装置、7.齿轮箱、8.发电机、9.张紧及阻尼系统、10.电气及控制系统、11.底部结构、12.底架、13.中间叶片、14.横支架、15.立轴、16.端部叶片。
具体实施方式
在
图1中，Darrieus型串接式风轮(2)在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接(5)、齿轮箱(7)传送到发电机(8)，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置(3)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。顶部轴承装置(1)、回转支撑装置(4)、张紧及阻尼系统(9)、底部结构(11)及底架(12)用于支撑机组，保证风轮的旋转、机组的结构稳定性、空气动力性能和结构动态性能。其中张紧及阻尼系统(9)可以减轻风轮(2)上立轴(15)的质量。
图2示出了一种典型的Darrieus型三层结构串接式风轮构造，图3示出的是二层结构串接式风轮。其中，中间叶片(13)和端部叶片(16)可以做成Troposkien曲线形状，使得叶片在机组运行时仅受拉力。为了进一步简化，端部叶片(16)也可以用直线形叶片。这种形式的风轮在同样的功率输出下，有效地改善了叶片受力状况和减小了叶片长度。
图4示出了以Darrieus型风轮为基础的串接式风轮实施例。这是一个赤道直径为40000mm、高度为49000mm的Darrieus风轮，在中间29400mm的地方将此风轮划分成为三部分，采用去掉顶部的一层串上去掉底部的一层，就可以构造出图3示出的二层结构串接式风轮，如果再增加一层中间部分就构造出图2示出的三层结构串接式风轮。
图5示出了一个Darrieus型串接式风轮的兆瓦级垂直轴风电机组实施例。这个实施例采用了图2示出的五层结构、赤道直径为40000mm、高度为106800mm的Darrieus型串接式风轮，在风速13m/s时，机组输出功率可以达到1400kW，其中中间叶片(13)展长仅为33500mm，风轮旋转直径仅为40000mm，有效地减小了叶片长度并降低了占地面积。
图6示出了一个三层直叶片构成的串接式风轮的垂直轴风电机组。图中，三层直叶片串接式风轮(2)在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接(5)、齿轮箱(7)传送到发电机(8)，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置(3)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。回转支撑装置(4)、张紧及阻尼系统(9)、底部结构(11)及底架(12)用于支撑机组，保证风轮的旋转、机组的结构稳定性、空气动力性能和结构动态性能。其中中间叶片(13)和端部叶片(16)为直线形叶片，并在不同的分层上可以采用不同的叶型和初始安装角，以提高风电机组的发电效率和改善整机的动态性能。其中张紧及阻尼系统(9)可以减轻风轮(2)上立轴(15)的质量。
权利要求1.一种串接式垂直轴风电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，其特征是风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。
2.根据权利要求1所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是串接式风轮叶片取Troposkien曲线的一部分，分层串接而成。
3.根据权利要求1所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是串接式风轮采用直线形叶片分层串接而成，在不同的分层上采用不同的叶型和初始安装角。
4.根据权利要求1、2或3所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮是一个赤道直径与高度比为1∶1-4的Darrieus风轮。
5.根据权利要求4所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮赤道直径与高度比为1∶2的Darrieus风轮。
6.根据权利要求4所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮赤道直径与高度比为1∶3的Darrieus风轮。
专利摘要一种可以减少机组占地面和简化叶片设计、制造、安装难度的串接式垂直轴风电机组，其组成包括顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片。风轮采用分层串接式，叶片采用Troposkien曲线形状。串接式风轮在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接、齿轮箱、传送到发电机，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置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。
文档编号F03D3/00GK2846788SQ200520113458
公开日2006年12月13日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者郭树言 申请人:郭树言, 潘国平
技术领域：
本实用新型涉及一种新型风电机组，尤其是串接式垂直轴风电机组。
背景技术：
目前，风力发电机组主要有二种形式，一是水平轴风电机组，二是垂直轴风电机组。
水平轴风电机组的叶片绕平行于风向的水平轴旋转。水平轴风电机组技术比较成熟，商业化程度很高。机械工业出版社2004年4月出版的《风电场工程技术手册》中对此类型的风电机组有详细的描述。目前，5兆瓦的水平轴风电机组已经研制成功。但是，水平轴风电机组出力受风向的影响很大，机组的主要设备需要安装在高空，叶片受力复杂、机组结构和系统复杂，其大型化必须依靠增加叶片的长度和主要设备的尺寸来实现，叶片长度的增加一方面使得水平轴风电机组的大型化难以实现，另一方面将使得风电场的装机数量下降，在一定程度上影响了风电场的总体出力。
垂直轴风电机组的叶片绕垂直与风向的轴旋转，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)，该专利提出了一种垂直轴风电机组，风轮垂直安装，叶片采用了曲线形状。
上世纪80-90年代，国外出现了大量的几十到300kW这种类型风电机组，并且研制出4兆瓦的Darrieus风电机组。垂直轴风电机组和水平轴风电机组相比具有以下优点1)发电机、制动器系统、变速箱等主要设备安装在地面，所以系统整体结构特别是立柱的结构简单，还可以采用大型垂直轴直接驱动发电机(类似于水轮发电机)，整机系统简单、可靠性和稳定性好。
2)由于叶片是垂直安装，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，容易制造，且叶片受力均匀，强度、刚度、动态性能容易得到保证。
但是，由于Darrieus型垂直轴风电机组一般采用高径比为接近1的Darrieus风轮，向大型化发展就存在二个突出的技术问题，一是大型化的叶片使得叶片材料的选择和叶片的设计、制造、运输和安装变得极为困难，二是大直径的风轮使得这种类型的风电机组占地面积增加，风电场的装机数量下降，在一定程度上也影响了风电场的总体出力。
Darrieus型垂直轴风电机组的典型专利有美国专利4449053、4664596、4808074、5252029、5531567、5499904、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二个突出的问题。
为了能够向大型化方向发展，不少的专利采用了单元组合的方式，例如美国专利US6864597B1、中国专利CN1037193A、200420015740.4、CN2674143Y、CN1617979A。单元组合式风力发电装置是由多个单元风轮安装在框架上，形成一个整体的迎风面，接受到的风能先要集中传递到长轴上，再经传动机构驱动发电机。这样的机组结构复杂，单元风轮之间的干扰影响了机组的发电效率，而且机组的占地面积大，影响了风电场的整体出力。
其它垂直轴风电机组的专利有中国专利CN1421605A、CN1294261A、CN2522643Y，美国专利4087202、4105363、4204805、4245958、4274809、4430044、4979871，这些专利的垂直轴风电机组在向大型化方向发展和提高风电场的出力方面仍然存在着技术上的困难。
发明内容
为了克服现有大型风电机组叶片制造困难、占地面积大的不足，本实用新型提出了一种新型串接式垂直轴风电机组，该种形式的风电机组不仅叶片的长度小，容易设计、制造、运输和安装，同时具有占地面积小的特点，可以增加单位风电场装机的数量和容量。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是一种串接式垂直轴风发电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，其特征是风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。采用串接式风轮，提高风轮的高径比(风轮的高度和风轮的直径之比)，风轮的叶片采用Troposkien曲线形状。这种大高径比串接式风轮采用几组基本形式的风轮，在垂直方向上依次连接、组装而成，从而实现了增加风轮的扫风面积，即增加了风电机组的发电能力，而不增加风轮的直径和单个叶片长度的目的。由于Troposkien曲线是指一根完全柔软、质量均匀的绳索，其两端连接在一个垂直轴上，当绳索以恒定角速度绕此垂直轴旋转时所形成的曲线形状，因此绳索的受力仅为拉力，所以取这样的曲线设计成的叶片将使得叶片的受力状况大为改善，叶片仅受拉力作用，不受剪切、弯曲和扭转力的作用，所以可以减轻叶片的重量，方便了叶片的设计、制造和安装。采用这样的技术方案就可以达到风电机组大型化的目的。
本实用新型的有益效果有二一是由于采用了串接式风轮和叶片采用Troposkien曲线形状，单个叶片的长度小且受力状况好，叶片容易设计、制造、运输和安装；二是由于采用大高径比形式，相同扫风面积或者相同容量的风电机组风轮直径较小，可以增加单位面积的风电场装机数量和容量，提高风电场的总体出力，降低风力发电成本。
串接式垂直轴风发电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。
本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮叶片取Troposkien曲线的一部分，分层串接而成，也可以采用直线形叶片分层串接而成。本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮叶片在不同的分层上还可以采用不同的叶型和初始安装角。本实用新型所述的串接式垂直轴风电机组风轮风轮还可以是一个赤道直径与高度比为1∶1-4的Darrieus风轮。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是Darrieus型串接式风轮的垂直轴风电机组组成原理图。
图2是Darrieus型三层结构串接式风轮构造图。
图3是Darrieus型二层结构串接式风轮构造图。
图4是以Darrieus型风轮为基础的串接式风轮实施例。
图5是Darrieus型串接式风轮的兆瓦级垂直轴风电机组实施例。
图6是直叶片串接式风轮的垂直轴风电机组组成原理图。
图中，1.顶部轴承装置、2.风轮、3.功率调节装置、4.回转支撑装置、5.软连接、6.机械刹车装置、7.齿轮箱、8.发电机、9.张紧及阻尼系统、10.电气及控制系统、11.底部结构、12.底架、13.中间叶片、14.横支架、15.立轴、16.端部叶片。
具体实施方式
在
图1中，Darrieus型串接式风轮(2)在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接(5)、齿轮箱(7)传送到发电机(8)，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置(3)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。顶部轴承装置(1)、回转支撑装置(4)、张紧及阻尼系统(9)、底部结构(11)及底架(12)用于支撑机组，保证风轮的旋转、机组的结构稳定性、空气动力性能和结构动态性能。其中张紧及阻尼系统(9)可以减轻风轮(2)上立轴(15)的质量。
图2示出了一种典型的Darrieus型三层结构串接式风轮构造，图3示出的是二层结构串接式风轮。其中，中间叶片(13)和端部叶片(16)可以做成Troposkien曲线形状，使得叶片在机组运行时仅受拉力。为了进一步简化，端部叶片(16)也可以用直线形叶片。这种形式的风轮在同样的功率输出下，有效地改善了叶片受力状况和减小了叶片长度。
图4示出了以Darrieus型风轮为基础的串接式风轮实施例。这是一个赤道直径为40000mm、高度为49000mm的Darrieus风轮，在中间29400mm的地方将此风轮划分成为三部分，采用去掉顶部的一层串上去掉底部的一层，就可以构造出图3示出的二层结构串接式风轮，如果再增加一层中间部分就构造出图2示出的三层结构串接式风轮。
图5示出了一个Darrieus型串接式风轮的兆瓦级垂直轴风电机组实施例。这个实施例采用了图2示出的五层结构、赤道直径为40000mm、高度为106800mm的Darrieus型串接式风轮，在风速13m/s时，机组输出功率可以达到1400kW，其中中间叶片(13)展长仅为33500mm，风轮旋转直径仅为40000mm，有效地减小了叶片长度并降低了占地面积。
图6示出了一个三层直叶片构成的串接式风轮的垂直轴风电机组。图中，三层直叶片串接式风轮(2)在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接(5)、齿轮箱(7)传送到发电机(8)，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置(3)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。回转支撑装置(4)、张紧及阻尼系统(9)、底部结构(11)及底架(12)用于支撑机组，保证风轮的旋转、机组的结构稳定性、空气动力性能和结构动态性能。其中中间叶片(13)和端部叶片(16)为直线形叶片，并在不同的分层上可以采用不同的叶型和初始安装角，以提高风电机组的发电效率和改善整机的动态性能。其中张紧及阻尼系统(9)可以减轻风轮(2)上立轴(15)的质量。
权利要求1.一种串接式垂直轴风电机组，由顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片构成，其特征是风轮垂直安装，并采用串接式风轮构造。
2.根据权利要求1所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是串接式风轮叶片取Troposkien曲线的一部分，分层串接而成。
3.根据权利要求1所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是串接式风轮采用直线形叶片分层串接而成，在不同的分层上采用不同的叶型和初始安装角。
4.根据权利要求1、2或3所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮是一个赤道直径与高度比为1∶1-4的Darrieus风轮。
5.根据权利要求4所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮赤道直径与高度比为1∶2的Darrieus风轮。
6.根据权利要求4所述的串接式垂直轴风电机组，其特征是风轮赤道直径与高度比为1∶3的Darrieus风轮。
专利摘要一种可以减少机组占地面和简化叶片设计、制造、安装难度的串接式垂直轴风电机组，其组成包括顶部轴承装置、风轮、功率调节装置、回转支撑装置、软连接、机械刹车装置、齿轮箱、发电机、张紧及阻尼系统、电气及控制系统、底部结构、底架、中间叶片、横支架、立轴、端部叶片。风轮采用分层串接式，叶片采用Troposkien曲线形状。串接式风轮在风力的作用下旋转，吸收风能，经软连接、齿轮箱、传送到发电机，转换成为电能，完成了风力发电的过程。功率调节装置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。
文档编号F03D3/00GK2846788SQ200520113458
公开日2006年12月13日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者郭树言 申请人:郭树言, 潘国平
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