一种高效抗风灾垂直轴升阻互补型风力发电机的制作方法

本实用新型涉及一种风力发电机，尤其为一种将升力型叶轮与阻力型叶轮轴向组合设置形成的高效抗风灾垂直轴风力发电机。

背景技术：

垂直轴风力发电机在低风速条件仍然能启动发电，这一特点使垂直轴风力发电机在许多风场资源一般的地区仍然能发挥较好的作用。对于全年大部分时间，风速在8米/秒以下的风场，垂直轴风力发电机尤其适用。低风速转动是阻力型叶轮风机的特点，但由于阻力型叶轮的λ数值不超过1（λ数值为风轮转速叶尖或叶边处的线速度与风速的比值）。而升力型叶轮风机启动风速要求较高，但其λ数值最大可超过5。目前，已有将升力型叶片与阻力型叶片做组合式设计，形成升阻互补型风力发电机，这些升阻互补型风力发电机通常只兼顾到风机的启动和功率输出。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，提供一种新型的垂直轴升阻互补型风力发电机，既考虑风机低风速启动与最大功率输出，同时也考虑到在出现超额定的大风速情况下，能提高风机的安全性。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是，一种高效抗风灾垂直轴升阻互补型风力发电机，其构成包括有风机基座、中心轴、升力型叶轮、阻力型叶轮、离合机构、发电机、制动器，其特征在于：所述中心轴垂直固定于风机基座上部，所述升力型叶轮与阻力型叶轮围绕该中心轴轴向分层设置，升力型叶轮与一个发电机转子联动，构成一个升力型叶轮发电单元，阻力型叶轮与一个发电机转子联动，构成一个阻力型叶轮发电单元，阻力型叶轮发电单元还通过离合机构与升力型叶轮发电单元之间呈可离可合方式连接。

上述技术方案中，所述一个升力型叶轮发电单元与一个阻力型叶轮发电单元共同构成一个轴向升阻互补发电单元，若干个轴向升阻互补发电单元围绕中心轴轴向设置，每一个轴向升阻互补发电单元中，阻力型叶轮发电单元与升力型叶轮发电单元之间通过离合机构连接，相邻两个轴向升阻互补发电单元之间通过离合机构连接。

上述技术方案中，所述一个阻力型叶轮发电单元与两个升力型发电单元共同构成一个轴向升阻升互补发电单元，两个升力型发电单元和一个升阻力型发电单元均围绕中心轴轴向分层设置，上层为升力型发电单元、中层为阻力型发电单元，下层为升力型发电单元，中层阻力型发电单元中的阻力型叶轮通过一个离合机构既与其上方升力型发电单元中发电机转子连接，又通过另一个离合机构与其下方升力型发电单元中发电机转子连接。

上述技术方案中，所述下层升力型发电单元中发电机转子与一个制动器连接。

上述技术方案中，所述升力型叶轮的转动方向与阻力型叶轮的转动方向相同或相反。

上述技术方案中，所述升力型叶轮由若干升力型叶片、支架及转动外套构成，升力型叶轮固定于支架外端部，支架内端部与转动外套固定，转动外套套装于中心轴。

上述技术方案中，所述升力型叶轮转动外套处还设置有若干螺旋状阻力型叶片，螺旋状阻力叶片与转动外套固定，构成一个径向升阻互补叶轮。

上述技术方案中，所述阻力型叶轮由若干阻力型叶片、支架及转动外套构成，阻力型叶片固定于支架外端，支架内端固定于转动外套，转动外套套装于中心轴。

上述技术方案中，所述阻力型叶片或为直筒状阻力型叶片，或为螺旋状阻力型叶片，或为半球壳状阻力型叶片。

上述技术方案中，所述离合机构为电控式离合机构或为机械离心式离合机构。

本实用新型的优点是，充分利用了升力型叶片与阻力型叶片各自的特性，巧妙进行了组合设计，由于阻力型叶轮在低风速和额定风况条件下，仍然有功率输出，既解决了垂直轴风机低风速启动做功的问题，又保证了风机在额定风况条件下升力型叶轮充分发挥作用，形成最大功率输出，从而全面提升了整个风机的发电效率。此外，在风况超额定风速条件下，本实用新型还能将λ数值最大为1的阻力型叶轮通过离合机构与λ数值大于5的升力型叶轮吻合，即通过阻力型叶轮去限制升力型叶轮的转速，加之制动器的共同作用，从而有效地提高风机整体的抗风灾能力。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的整机结构外形图。

图2是本实用新型实施例一中，上层径向升阻互补型叶轮与发电机转子连接结构以及与中层阻力型叶轮之间离合机构示意图。

图3是本实用新型实施例一中，中层阻力型叶轮与发电机转子连接结构以及与下层升阻互补型叶轮之间离合机构示意图。

图4是本实用新型实施例一中，下层升阻互补型叶轮与发电机转子连接结构以及与制动器之间连接结构示意图。

图5是本实用新型实施例中直筒状叶片阻力型叶轮的轴向视图。

图6是本实用新型实施例中螺旋状叶片阻力型叶轮的轴向视图。

图7是本实用新型实施例中半球壳状叶片阻力型叶轮的轴向视图。

图8是本实新型实施例二的整机结构外形图。

以上附图中，1是上层升阻互补叶轮的升力型叶片，2是上层升阻互补叶轮的螺旋状阻力型叶片，3是固定升力型叶片的支架，4是由上层升阻互补叶轮带动运转的盘式发电机，5是分别与发电机转子和中层阻力型叶轮相连接的离合机构，6是中层阻力型叶轮，7是中层阻力型叶轮带动运转的盘式发电机，8是分别与发电机转子与下层升阻互补型叶轮相连接的离合机构，9是由下层升阻互补叶轮带动运转的盘式发电机，10是与发电机转子相连接的制动器，11是基座，12是中层阻力型叶轮直筒状叶片，13是叶轮支架，14是中层阻力型叶轮螺旋状叶片，15是叶轮支架，16是中层阻力型叶轮半球壳状叶片，17是叶轮支架，21是升力型叶片，22是螺旋式阻力型叶片，23是支架，24是一层盘式发电机及离合器，25是直筒状阻力型叶轮，26是二层盘式发电机及离合器，27是三层盘式发电机，28是离合器及四层盘式发电机，29是制动器，30是基座。

具体实施方式

实施例一，本实施例为一种“升-阻-升”三层叶轮轴向结构而成的垂直轴风力发电机，其外形结构如图1所示。

风机的中心轴固定于基座11之上，中心轴起到承受各叶轮重量的作用。

本实施例中，上层和下层升力型叶轮靠近叶轮转动外套附近均设置有螺旋状阻力叶片2。具体结构为，升力型叶片1固定在叶轮支架3外端部，螺旋状阻力叶片2固定在支架3内端部，支架内端部与转动外套固定成一体，这样，形成了一种径向升阻互补型叶轮。中层为直筒状叶片阻力型叶轮6，该直筒状叶片阻力型叶轮轴向俯视结构参见附图5，直筒状叶片12固定在叶轮支架13的外端处，支架13内端部与转动外套固定成一体。上层径向升阻互补型叶轮的转动外套与其下方盘式发电机4的转子连接，形成上层发电单元，中层直筒状叶片阻力型叶轮6的转动外套与其下方的7盘式发电机的转子连接，形成中层发电单元，下层径向升阻互补型叶轮的转动外套与其下方的盘式发电机9的转子连接，形成下层发电单元，下层盘式发电机转子还连接一个制动器10。中层直筒状叶片阻力型叶轮的转动外套上端部通过离合机构5与上层发电单元中盘式发电机4的转子固定连接，中层发电单元中盘式发电机7的转子还通过离合机构8与下层径向升阻互补型叶轮的转动外套的上端连接。

在低风速情况下，中层直筒状叶片阻力型叶轮6以及上、下层径向升阻互补型叶轮中靠近转动外套的螺旋状阻力型叶片2会受到风力而缓缓启动，以克服风机的静止惯性，进而带动各层盘式发电机转子转动发电。当风速提升至风机正常工作的额定风速范围之内时，上层和下层叶轮中的升力型叶片发挥更大作用，进一步带动上层和下层的盘式发电机发出更多的电能。同样，在风速提升至风机正常工作的额定风速范围之内时，中层阻力型叶轮也能加快转动，进而带动中层盘式发电机发出更多的电能。

本实施例中，上、下层径向升阻互补型叶轮与中层阻力型叶轮的转动方向相同，从俯视角度来看，转动方向为顺时针方向。

在无风和低风速情况下，本实施例中的两个离合机构5和8均处于“分离”状态，只有当风速超出额定风速范围并达到预设风速时，两个离合机构5和8才进入“啮合”状态，由于中层直筒状叶片阻力型叶轮在风速不断增加情况下，其转速会稳定不变，这样就会使得中层直筒状叶片阻力型叶轮对上、下层径向升阻互补型叶轮产生拖拽限速作用，加之制动器10的作用，本实施例风力发电机在抗风灾方面就能达到独到的效果。

本实施例中的离合机构要选择机械离心式离合机构。

本实施例中的中层阻力型叶轮还可以采用螺旋状叶片的阻力型叶轮，该叶轮的轴向俯视图参见附图6。五个螺旋状叶片14固定于支架15的外端处，支架15内端处与转动外套固定连接。

本实施例中的中层阻力型叶轮还可以采用半球壳状叶片的阻力型叶轮，该叶轮的轴向俯视图参见附图7。五个半球壳状叶片16固定于支架17的外端处，支架17内端处与转动外套固定连接。

实施例二，本实施例风力发电机为“升-阻-升-阻”四层叶轮结构。

本实施例中，从上至下，第一层为径向升阻互补型叶轮、第二层为直筒状叶片阻力型叶轮，第三层为径向升阻互补型叶轮、第四层为直筒状叶片阻力型叶轮。第一层叶轮的转动外套与其下方的盘式发电机24构成第一层发电单元，第二层叶轮的转动外套与其下方的盘式发电机26构成第二层发电单元，第三层叶轮与其下方的盘式发电机27构成第三层发电单元，第四层叶轮与其上方的盘式发电机28构成第四发电单元。第二层叶轮的转动外套通过离合器24与第一层发电单元中发电机转子连接，第三层叶轮的转动外套通过离合器26与第二层盘式发电机中转子连接，第四层发电机转子通过离合器28与第三层发电机27的转子连接，第四层叶轮的转动外套与其下方的制动器29连接。

当风速超过风机额定工作风速范围并达到预设风速时，第二层直筒状叶片阻力型叶轮通过离合器24和26对第一层径向升阻互补型叶轮和第三层径向升阻互补型叶轮产生拖拽作用，同时，第四层直筒状叶片阻力型叶轮通过离合器28对第三层径向升阻互补型叶轮产生拖拽作用，此时，第二层和第四层阻力型叶轮对第一层和第三层径向升阻互补型叶轮的转速产生限制作用，加之第四层叶轮的转动外套在制动器29作用下，能进一步有效提升风机的抗风灾能力。

本实施例中，从俯视角度看，第一层和第三层升力型叶轮转动方向为逆时针，而第二层和第四层螺旋状叶片阻力型叶轮转动方向为顺时针。

本实施例中，离合机构选择电控离合器。

本实施例中的中层阻力型叶轮还可以采用螺旋状叶片的阻力型叶轮，该叶轮的轴向俯视图参见附图6。五个螺旋状叶片14固定于支架15的外端处，支架15内端处与转动外套固定连接。

本实施例中的中层阻力型叶轮还可以采用半球壳状叶片的阻力型叶轮，该叶轮的轴向俯视图参见附图7。五个半球壳状叶片16固定于支架17的外端处，支架17内端处与转动外套固定连接。

实施例三，本实施例的结构特点与实施例二大致相同，也是由“升-阻-升-阻”四层叶轮轴向组合而成，本实施例与实施例二中的径向升阻互补型叶轮不同之处在于第一层和第三层为单纯的升力型叶轮，没有像附图8中的螺旋状阻力型叶片22。本实施人例与实施例二的另一个区别在于第二层和第四层阻力型叶轮为如图7所示的半球壳状叶片阻力型叶轮。各层叶轮与各发电机之间的连接结构，各层叶轮之间通过离合器连接的结构均与实施例二相同，在此不重复。