一種組合式螺旋葉輪風力發電系統的製作方法

2023-06-02 22:14:36 2

專利名稱：一種組合式螺旋葉輪風力發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電設備，尤其為一種特大型風力發電設備。
背景技術：
大型風力發電設備，尤其是兆瓦級風力發電設備，若採用傳統水 平軸式漿狀風葉，單個風葉長度要達到五十米至七十米，無論是塔架 的豎立，漿狀風葉的生產、運輸、安裝等，都會遇到難題。近些年， 垂直軸風力發電設備普遍受到關注，但是，要達到兆瓦級，垂直軸風 力發電設備的風葉製造一直是困擾業界的一個重大難題，因為兆瓦級 垂直軸式風力發電設備的風葉既有形狀要求，還有尺度要求，如此之 大尺度要求下製造出規定的風葉形狀，加工製造難度是十分困難，甚 至可以說，幾乎是不可能的。此外，兆瓦級風電設備風葉是龐大的， 自身重量也可觀，其起動風速要求也會相應較高，如何保證此類風電 設備在較低風速條件下能夠起動，這也是此類風電設備所面臨並需要 解決的難題之一。

發明內容
5本發明目的是，提供一種垂直軸式的螺旋葉輪風力發電系統，解 決兆瓦級風電設備巨大葉輪製造、運輸、安裝所面臨的難題，同時， 有效降低兆瓦級風電設備的起動負載。
為實現上述目的，本發明解決的主要技術問題是，第一，採用組 合式螺旋葉輪設計，化整為零，體積龐大的螺旋葉輪是由若干塊葉輪 構件相互組裝拼接構成，從而大大降低大型葉輪的製造運輸安裝成 本；第二，對於一個螺旋葉輪，釆用多個較小功率發電機組來替代傳 統單一的較大功率發電機組，並且通過離合機構，使多個小功率發電
機組按實際需要離合， 一方面可以減少風電葉輪起動負載，降低對起 動風速的要求，另一方面可以根據風場風速變化情況，實時離合配載 合適數量的小功率發電機組；第三，在葉輪和支承架之間，採用磁懸
浮軸承，減少了葉輪轉動時的摩擦阻力，從而也降低葉輪的起動風速。
本發明技術方案是:所給出的組合式蠊旋葉輪風力發電系統構成 包括有，螺旋葉輪、傳動機構、發電機組和支承架，螺旋葉輪通過傳 動機構連接發電機組，其中螺旋葉輪是由若干個葉輪垂直構件沿該螺 旋葉輪軸向拼接組合而成，所述的葉輪垂直構件又是由若干葉輪水平 構件沿螺旋葉輪的徑向拼接組合而成(參見圖l、圖2、圖3);所述 傳動機構既與螺旋葉輪相連接，又與若干個發電機組轉子軸相連接。
在上述技術方案中，所述葉輪水平構件分為中軸構件(參見圖 6),中間構件(參見圖7、圖8)和邊緣構件(參見圖9),若干中間 構件對稱位於中軸構件兩側，兩個邊緣構件位於中間構件外側(參見 圖4、圖5)。所述中軸構件、中間構件、邊緣構件的周邊有翻邊，翻邊朝向構件凹曲面方向，翻邊上設置有等距離通孔，相鄰構件翻邊貼 靠並鉚固。當螺旋葉輪各構件裝配成整體螺旋葉輪後，在螺旋葉輪凹 曲面由於各構件翻邊形成許多規則化的突起，這些突起也起到了阻風 作用，進而使整個螺旋葉輪的內凹曲面上所受到風力更大於外凸曲面 上所受到風力，加大該螺旋葉輪的旋轉力矩。
在上述技術方案中，所述的中軸構件、中間構件和邊緣構件周邊 形狀為矩形或三角形或六邊形，中軸構件與中間構件之間，中間構件 與中間構件之間，中間構件與邊緣構件之間沿軸向和徑向相互拼接組
合成螺旋葉輪。上述構件可以採用對位拼接(參見圖10和圖12)， 也可以採用錯位拼接，以獲得更佳的結構強度(參見圖11和圖13)。
在上述技術方案中，所述傳動機構由圓環狀齒輪和傳動齒輪構 成，圓環狀齒輪與螺旋葉輪固定連接，若干傳動齒輪與圓環狀齒輪呈 外嚙合或內嚙合，若干傳動齒輪與若干發電機組轉子軸連接。還可以 在傳動齒輪與發電機組轉子軸之間設置有離合裝置,該離合裝置由勵 磁定塊、復位彈簧、滑動銷塊構成，勵磁定塊、復位彈簧、滑動銷塊 依次套裝於發電機轉子軸，傳動齒輪與發電機轉子軸呈松配合連接， 滑動銷塊通過鍵槽與發電機轉子呈滑動配合，在復位彈簧張力作用 下，滑動銷塊銷鍵插入到傳動齒輪銷孔內，傳動齒輪與發電機轉子軸 同步轉動，當勵磁定塊產生磁力，滑動銷塊受磁力吸引，克服復位彈 簧張力而位移，使滑動銷塊銷鍵退出傳動齒輪銷孔，發電機轉子軸脫 離與傳動齒輪的同步連接。
在上述技術方案中，增加風速風向儀和自動控制裝置，該自動控制裝置包括有信號處理電路、單片機控制電路和發電機組離合裝置驅 動電路，該自動控制裝置接收處理風速風向儀信號，經單片機運算判 斷處理，再向驅動電路發出指令，由驅動電路驅動相應的發電機組離 合器的離或合，進而改變風力發電系統起動或運行負載。這樣，當螺 旋葉輪起動時，系統可以根據當時實際風力大小，自動調整減少與葉 輪相連接的發電機組的個數,進而降低葉輪起動慣量,葉輪一經起動， 系統可再次根據風力大小,將與葉輪相連接的發電機組個數自動調整 到最佳數量。
在上述技術方案中，所述螺旋葉輪上端和下端分別設置有連接
件，該連接件由s片和軸銷構成，上、下軸銷分別固定於上、下s 片軸心處，上、下s片則分別固定於蟪旋葉輪的上端和下端，上軸銷
與支承架呈可轉動連接，下軸銷連接於磁懸浮軸承裝置。所述的磁懸 浮軸承裝置包括永磁體，軟鐵磁套，滾珠、潤滑材料及外殼，永磁體 置於軟鐵磁套中，兩個永磁體同極相對，若干滾珠均勻位於軟鐵磁套 之間，軟鐵磁套與外套之間和兩個永磁體及軟鐵磁套之間充斥潤滑材 料。磁懸浮軸承的採用，使蟪旋葉輪受到磁懸浮軸承產生的向上託舉 力， 一方面能減少葉輪所受到地球引力，另一方面，能減少葉輪與其 它部件之間的摩擦阻力，降低葉輪起動所需的最低風速。
本發明的優點
第一、化整為零的蟪旋葉輪設計，使特大型葉輪製造運輸不再有 難度。葉輪的所有構件均可採用注塑技術成型，大大降低葉輪製造難
度和製造成本。螺旋葉輪各構件裝配成整^Mi旋葉輪後，在蟪旋葉輪凹曲面，由於各構件翻邊形成許多規則化的突起，這些突起也起到了 阻風作用，進而使整個螺旋葉輪的內凹曲面上所受到風力更大於外凸 曲面上所受到風力，加大了該螺旋葉輪的旋轉力矩。
第二、單一蟪旋葉輪帶動多個小功率發電機組的設計方案，有效 地解決了巨型葉輪起動風速要求髙的難題。葉輪起動時，系統可以根 據當時實際風力大小，自動調整減少與葉輪相連接的發電機組的個 數，進而降低葉輪起動慣量，葉輪一經起動，系統可再次根據風力大 小，將與葉輪相連接的發電機組個數自動調整到最佳數量。
第三、本發明採用了磁懸浮軸承，使螺旋葉輪受到磁懸浮軸承產 生的向上託舉力， 一方面能減少葉輪所受到地球引力，另一方面，能 減少葉輪與其它部件之間的摩擦阻力，降低葉輪起動所需的最低風 速。


圖1是本發明螺旋葉輪形狀示意圖。
圖2是本發明螺旋葉輪軸向組裝示意圖。
圖3是本發明蟪旋葉輪垂直構件形狀直觀示意圖。
圖4是本發明蟪旋葉輪垂直構件正面示意圖。
圖5是本發明蟪旋葉輪垂直構件徑向展開示意圖。
圖6是本發明螵旋葉輪中軸構件形狀結構三視圖。
圖7是本發明蟪旋葉輪中間I構件形狀結構三視圖。
圖s是本發明螺旋葉輪中間n構件形狀結構三視圖。圖9是本發明螺旋葉輪邊緣構件形狀結構三視。
圖10是採用矩形中軸構件、中間構件、邊緣構件對位組合而成 的螺旋葉輪展開平鋪示意圖。
圖11是釆用矩形中軸構件、中間構件、邊緣構件錯位組合而成 的螺旋葉輪展開平鋪示意圖。
圖12是採用三角形中軸構件、中間構件、邊緣構件對位組合而 成的蟪旋葉輪展開平鋪示意圖。
圖13是採用六邊形中軸構件、中間構件、邊緣構件錯位組合而 成的螺旋葉輪展開平鋪示意圖。
圖14是本發明實施例一大型螺旋葉輪風力發電系統結構示意圖。
圖15是本發明實施例一中傳動機構和多發電機組的結構示意圖。
圖16是本發明實施例一中帶離合裝置發電機組裝配示意圖。 圖17是本發明實施例一中磁懸浮軸承結構示意圖。 圖18是本發明實施例二小型風力發電裝置(供路燈照明)結 構示意圖。
圖19是本發明實施例三小型風力發電機結構示意圖。 以上附圖中，l是葉輪上軸銷，2是葉輪上端S片，3是葉輪中 軸構件，4是葉輪中間I構件，5是葉輪中間II構件，6是葉輪邊緣 構件，7是葉輪中芯軸，8是葉輪下端S片，9是葉輪下軸法蘭盤， IO是葉輪下軸銷，ll是中軸構件通孔，12是構件上沿翻邊，13是翻邊通孔，14是中軸構件側翻邊，15是中軸構件上沿翻邊，16是葉輪 中間I構件側翻邊，17是葉輪中間I構件上沿翻邊，18是葉輪中間 n構件翻邊，19是葉輪中間II構件上沿翻邊，20是邊緣構件側翻邊， 21是邊緣構件上沿翻邊，22是風速風向儀，23是葉輪上軸銷，24 是支承架，25是圓環狀齒輪，26是傳動齒輪，27是發電機組，28 是磁懸浮軸承裝置，29是圓環狀齒輪中心通孔，30是圓環狀齒輪法 蘭盤，31是限位螺釘，32是墊片，33是傳動齒輪的銷孔，34是滑動 銷塊的銷鍵，35是復位彈簧，36是勵磁定塊，37是滑動銷塊的滑槽, 38是發電機轉子軸的滑鍵，39是螺旋葉輪下軸銷，40是外殼，41 是軟鐵磁套，42是永磁體，43是潤滑材料，44是滾珠，45是軟鐵磁 套方孔，46是限位螺釘，47是風速風向儀，48是上橫梁，49是發電 機組，50是傳動齒輪，51是圓環狀齒輪，52是螺旋葉輪，53是磁懸 浮軸承，54是下橫梁，55是路燈杆，56是風速風向儀，57是支承架， 58是蠊旋葉輪，59是圓環狀齒輪，60是發電機組，61是支承架基座, 62是支承架緊固鋼纜。
具體實施例
下面結合附圖介紹本發明的實施例。
實施例一本實施例為一種大型風力發電系統，其構成及結構如
圖14所示。
本實施例給出風力發電系統由以下各部分組成螺旋葉輪、傳動 機構、多發電機組、磁懸浮軸承、風速風向儀、蓄電裝置和控制裝置。本實施例螺旋葉輪結構如圖1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9所示。 此蟪旋葉輪由葉輪上軸銷1,葉輪上端S片，中軸構件3，中間I構 件4，中間II構件5，邊緣構件6，葉輪中芯軸7，葉輪下端S片，葉 輪下軸銷9組成，中軸構件3位於中軸位置，中間I構件4、中間II 構件5和邊緣構件6徑向對稱分置於中軸構件兩側。圖6、圖7、圖 8、圖9分別給出中軸構件3、中間I構件4、中間n構件5和邊緣構 件6的三視圖。圖中，各構件尺寸和形狀相互關聯，並由以下參數確 定，即單片構件軸向高度h，各構件弧面半徑R1、 R2、 R3、 R4、 R5， 以及各弧面所構成的夾角0 1、 0 2、 9 3,調整上述各參數即可得到 不同形狀的構件，進而可以組合成不同形狀的蟪旋葉輪。圖中，各構 件四周設置有翻邊(14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21),翻邊上設置 有通孔，將構件左、右兩側翻邊彼此鉚固在一起，即形成該蟪旋葉輪 的一層垂直構件(如圖3所示)，將相鄰兩層垂直構件的上、下沿翻 邊彼此鉚固在一起，即可將八層同樣的垂直構件固定為一個整體，各 中軸構件能保證同軸心，用一根空芯軸7貫穿，上端S片2鉚裝在蠊 旋葉輪頂部垂直構件上沿，葉輪上軸銷1固定於上端S片，下端S 片8鉚裝在螺旋葉輪底部垂直構件下沿，葉輪下軸銷10固定於下端 S片，空芯軸7上端與葉輪的上軸銷1套接，空芯軸7下端與葉輪的 下軸銷10套接。葉輪上軸銷1與支承架上部呈可轉動連接，葉輪下 軸銷10通過法蘭盤9與傳動機構圓環形齒輪25上的法蘭盤30固定 連接，同時，葉輪下軸銷10與磁懸浮軸承28連接(參見圖17)。磁 懸浮軸承28和五個發電機組27均固定於支承架24,帶離合裝置的五個發電機組27均勻設置於圓環形齒輪25外周邊,發電機組上端的 傳動齒輪26與圓環形齒輪25的外周邊齒輪嚙合。同樣道理，也可以 將五個帶離合裝置發電機組傳動齒輪與圓環形齒輪內周邊齒輪嚙合。 各發電機組輸出電源線與蓄電裝置實行並聯。風速風向儀22採集到 風速電信號傳輸到控制裝置,控制裝置驅動並控制各發電機組的離合 裝置。
由於本實施例中採用了一個螵旋葉輪帶動多個小功率發電機組 方案，並且多個小功率發電機組還可以根據風速需要，通過離合裝置 適時與螺旋葉輪嚙合連接。低風速條件下起動，通過控制裝置，減少 與葉輪連動的發電機組個數，降低葉輪起動阻力。控制裝置對從風速 風向儀所傳來的實時風速信號進行處理並送入控制裝置中計算機進 行分析運算，再產生一個驅動信號控制發電機組的離合裝置。離合裝 置由帶銷孔傳動齒輪、復位彈簧35、滑動銷塊34、勵磁定塊36等構 成，發電機組轉子軸上設置有滑鍵38，滑動銷塊上設置有滑槽37， 滑動銷塊套裝在發電機組轉子軸外，轉子軸上滑鍵38與滑動銷塊的 滑槽37相配合，使滑動銷塊與轉子軸始終同步轉動，且滑動銷塊可 以沿轉子軸軸向移動。當驅動信號傳到離合裝置中勵磁定塊36，勵 磁定塊36產生磁力，滑動銷塊34受磁力吸引而位移，克服復位彈簧 35張力並脫離與傳動齒輪26的同步連接。當驅動信號取消，勵磁定 塊36磁力消失，滑動銷塊26在復位彈簧35張力作用下向傳動齒輪 26移動，滑動銷塊銷鍵34插入到傳動齒輪銷孔33內，傳動齒輪26 與發電機轉子軸37同步轉動。本實施例所採用的磁懸浮軸承結構如圖17所示，該磁懸浮軸承 裝置包括永磁體42，軟鐵磁套41，滾珠44、潤滑材料43及外殼40, 永磁體42置於軟鐵磁套41中，兩個永磁體同極相對，若干滾珠44 均勻位於軟鐵磁套41之間，軟鐵磁套41與外套40之間和兩個永磁 體42及軟鐵磁套41之間充斥潤滑材料43。螵旋葉輪下軸銷10插入 到上軟鐵磁套41中央方孔45內並通過螺釘46固定。螺旋葉輪及圓 環形齒輪的重量通過葉輪下軸銷作用到磁懸浮軸承內部的上軟鐵磁 套，在永磁體磁場力和滾珠的共同作用下，磁懸浮軸承內上軟鐵磁套 及上永磁體部分能平穩轉動，摩擦力極小，從而降低葉輪起動時對起 動風速的要求，同時也提高了風能轉換電能的效率。
由於本實施例螺旋葉輪採用標準構件拼裝組合而成，體積龐大的 風電葉輪可以以散件形式運輸到現場，就地再組裝拼接，大大減少了 運輸和組裝的難度。另外，由於葉輪構件標準化，且單個構件尺寸相 對較小，便於模具化注塑生產，還可以根據需要組裝成不同高徑比的 螺旋葉輪。如，本實施例中螺旋葉輪由八層構件構成，也可以再增加 八層構件，使該螺旋葉輪的高徑比增加一倍。又如，本實施例中每層 構件共由七個構件構成，以中軸構件為對稱，只需要四副模具就能滿 足整個螺旋葉輪拼裝需要。這樣，每增加一副模具，所拼裝成蟪旋葉 輪直徑就能增加該模具生產構件寬度的兩倍。葉輪的上述特點，能使 螺旋葉輪產品系列化更為方便，製造生產成本大大降低。
實施例二
本實施例組成構造如圖18所示。本實施例給出了一種小型蟪旋葉輪風力發電裝置，該裝置可用於
路燈照明，該裝置通過上橫梁48、下橫粱54固定於路燈杆55。該裝 置傳動圓環狀齒輪51、傳動齒輪50及三個發電機組49均設置在螺 旋葉輪正上方，傳動齒輪50與發電機轉子軸固定。
本實施例中蠊旋葉輪由於尺寸相對較小，可以採用一個中軸構 件，兩個中間構件，兩個邊緣構件拼裝組合而成，這樣只需要開出三 副構件的模具即能實現螺旋葉輪。若螺旋葉輪的直徑再小的話，也可 以將螺旋葉輪軸向分段開模製作,這樣只需要一副模具即能實現螺旋 葉輪。
螺旋葉輪受風轉動，三個發電機組隨之轉動並發電，發出電能輸 入到蓄電池中，再經逆變為路燈提供電能。 實施例三
本實施例給出一種小型獨立螺旋葉輪風力發電裝置，該裝置組成 構造如圖19所示。
本實施例支承架基座61通過支承架緊固鋼纜固定，螺旋葉輪58 固定於圓環狀齒輪59，三個發電機組60轉子軸通過傳動齒輪與圓環 狀齒輪嚙合。本實施例螺旋葉輪的製作方法同實施例二。
本實施例比較適宜安裝在地勢險峻的風口處。
1權利要求
1、一種組合式螺旋葉輪風力發電系統，該系統構成包括有，螺旋葉輪、傳動機構、發電機組和支承架，螺旋葉輪通過傳動機構連接發電機組，其中螺旋葉輪是由若干個葉輪垂直構件沿該螺旋葉輪軸向拼接組合而成，其特徵在於所述的葉輪垂直構件又是由若干葉輪水平構件沿螺旋葉輪的徑向拼接組合而成；所述傳動機構既與螺旋葉輪相連接，又與若干個發電機組轉子軸相連接。
2、 根據權利要求l所述的組合式蟪旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述葉輪水平構件分為中軸構件，中間構件和邊緣構件，若干中間構件對稱位於中軸構件兩側，兩個邊緣構件位於中間構件外側。
3、 根據權利要求2所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述中軸構件、中間構件、邊緣構件的周邊有翻邊，翻邊朝向構件凹曲面方向，翻邊上設置有等距離通孔，相鄰構件翻邊貼靠並鉚固。
4、 根據權利要求2或3所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述的中軸構件、中間構件和邊緣構件周邊形狀為矩形或三角形或六邊形，中軸構件與中間構件之間，中間構件與中間構件之間，中間構件與邊緣構件之間沿軸向和徑向相互拼接組合成螵旋葉輪。
5、 根據權利要求1所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述傳動機構由圓環狀齒輪和傳動齒輪構成，圓環狀齒輪與螺旋葉輪固定連接，若干傳動齒輪與圓環狀齒輪呈外嚙合或內嚙合，若干傳動齒輪與若干發電機組轉子軸連接。
6、 根據權利要求5所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於傳動齒輪與發電機組轉子軸之間設置有離合裝置，該離合裝置由勵磁定塊、復位彈簧、滑動銷塊構成，勵磁定塊、復位彈簧、滑動銷塊依次套裝於發電機轉子軸，傳動齒輪與發電機轉子軸呈松配合連接，滑動銷塊通過鍵槽與發電機轉子呈滑動配合，在復位彈簧張力作用下，滑動銷塊銷鍵插入到傳動齒輪銷孔內，傳動齒輪與發電機轉子軸同步轉動，當勵磁定塊產生磁力，滑動銷塊受磁力吸引，克服復位彈簧張力而位移，使滑動銷塊銷鍵退出傳動齒輪銷孔，發電機轉子軸脫離與傳動齒輪的同步連接。
7、 根據權利要求6所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於該風力發電系統還包括風速風向儀和自動控制裝置，該自動控制裝置包括有信號處理電路、單片機控制電路和發電機組離合裝置驅動電路，該自動控制裝置接收處理風速風向儀信號，經單片機運算判斷處理，再向驅動電路發出指令，由驅動電路驅動相應的發電機組離合器的離或合，進而改變風力發電系統起動或運行負載。
8、 根據權利要求l所述的組合式蟪旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述蠊旋葉輪上端和下端分別設置有連接件，該連接件由S片和軸銷構成，上、下軸銷分別固定於上、下S片軸心處，上、下S片則分別固定於螵旋葉輪的上端和下端，上軸銷與支承架呈可轉動連接，下軸銷連接於磁懸浮軸承裝置。
9、根據權利要求8所述的組合式螺旋葉輪風力發電系統，其特徵在於所述的磁懸浮軸承裝置包括永磁體，軟鐵磁套，滾珠、潤滑 材料及外殼，永磁體置於軟鐵磁套中，兩個永磁體同極相對，若干滾 珠均勻位於軟鐵磁套之間，軟鐵磁套與外套之間和兩個永磁體及軟鐵 磁套之間充斥潤滑材料。
全文摘要
本發明涉及一種螺旋葉輪風力發電系統，該風力發電系統主要特點為，螺旋葉輪是由若干葉輪垂直構件沿軸向組裝，同時，每個葉輪垂直構件又是由若干葉輪水平構件沿螺旋葉輪的徑向拼接組合而成，螺旋葉輪通過傳動機構與若干個發電機組連動，多發電機組以並聯方式輸出電能，有利於輸出電能的後期處理，提高所供電能品質。本發明在發電機組與傳動機構之間設置離合裝置，控制裝置接收處理風速風向電信號，並按預定程序實時控制單個發電機組與傳動機構的離或合，進而改變螺旋葉輪起動和運行負載。此外，磁懸浮軸承的採用，既能克服葉輪受到的部分地球引力，又能減少葉輪與其它部件間的摩擦阻力，進而降低葉輪起動最低風速，提高風電轉換效率。本發明風力發電系統，製造、運輸、安裝、維護、系列化成本大為降低。
文檔編號F03D3/06GK101526068SQ200810020389
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優先權日2008年3月4日
發明者樓 嚴, 胡國祥 申請人:南京宇能儀表有限公司