专利名称：水平轴式风力机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风力机，尤其是水平轴式风力机。
背景技术：
随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规 化石能源日趋匮乏。如何实现能源的持续发展，是全球都在关注的问题。世界各国都在投 入大量的人力、物力和财力积极开发和利用清洁能源。风能作为一种清洁能源，如何对其进 行有效的利用，已经成为全球范围内最重要的研究和发展方向之一。目前，人们已经开发了 风力发电设备，并正在朝着商业化的方向继续努力着。 风力发电设备包括接收并传递风能的风力机和利用风能发电的发电机。根据风力
机旋转主轴的布置方式，风力机可以分为水平轴式风力机和垂直轴式风力机。其中，水平轴
式风力机根据风轮是处于上风向位置还是下风向位置分为逆风式风力机和顺风式风力机。
因为逆风式风力机能最大限度地利用风能，所以，目前使用最多的是逆风式风力机。包括这
种逆风式风力机的风力发电设备中，风力机和发电机被封装在一个机舱中，然后通过转动
支承装置安装在塔架顶部。然而，由机舱和里面的风力机与发电机构成的机头，特别是大中
型风力发电设备的机头，其重量非常大，可以达到数十吨到几百吨，因此，对转动支承装置
的要求极高，造成了转动支承装置的制造成本高昂。而且，由于机头重量很重，在风向发生
改变时，只能依靠机械对风装置完成对风作业，相应地，还要增设测风装置。机械对风装置
和测风装置的存在，增加了风力发电设备的体积、结构复杂性，并因此增加了风力发电设备
的制造、安装和维护成本。另外，虽然人们意识到，风力发电设备的单机容量越大，成本效率
就越高，但是与此同时，风力机和发电机的重量也都越高，从而限制了单机容量的增加。 目前，为了减轻风力发电设备机头的重量，所采用的主要方法是使用尽可能轻的
材料和更好的加工设备。然而，这种方法对减轻重量的效果不明显，反而增加了风力发电设
备的成本。 另外，风力机和发电机同时装在封闭的机舱中，给日常的检查、维修和保养都带来 了很多困难。于是，不得不在风力发电设备中安装尽可能多的自检设备，以便在出现故障 时，尽可能准确地发现故障点，以便完成维修。这也造成了风力发电设备造价高。还有，因 为发电机同风力机一起装在随风摆转的机舱中，所以，用于向外输送电力的电缆会发生扭 绞的现象，因此还需要安装相应的解缆和扭缆保护装置。这是影响风力发电设备造价的又 一个因素。 顺风式风力机虽然可以不需要对风装置以及相应的测风装置，但是，与逆风式风 力机一样，风力机和发电机都装在机舱中，也因此有同样的问题需要解决。
发明内容本实用新型就是针对上述技术问题提出来的，目的是提供一种能够降低风力发电 设备的制造、安装、运营成本的水平轴式风力机。
3[0008] 相应地，本实用新型提供了一种水平轴式风力机，其包括能围绕水平轴线旋转并围绕竖直轴线摆转的旋转主轴；与所述旋转主轴相连的第一运动转换装置，用于将所述旋转主轴围绕水平轴线的旋转运动转换为竖直方向上的运动；联结器，所述联结器包括结合在一起并能够一体地沿竖直方向运动的第一构件和第二构件，所述第一构件与所述第一运动转换装置相连并能够相对于所述第二构件绕竖直轴线摆转；第二运动转换装置，所述第二运动转换装置与所述联结器的所述第二构件相连，用于将所述第一运动转换装置的所述竖直方向上的运动转换为旋转运动。 优选地，所述水平轴式风力机还包括滑座，所述联结器包括能够沿着所述滑座
在竖直方向上滑动的滑块，所述滑块构成所述联结器的第二构件；以可相对所述滑块绕竖
直轴线摆转的方式与所述滑块结合在一起的摆转件，所述摆转件构成所述联结器的第一构
件。其中，所述滑块是中空的，内部形成有上表面和下表面，所述摆转件可转动地支承在所
述滑块内部的所述上、下表面之间，所述摆转件上一体形成有用于与第一运动转换装置相
连的上连接部，所述滑块上一体形成有用于与第二运动转换装置相连的下连接部。 优选地，所述第一运动转换装置包括第一偏心件，所述第一偏心件与所述旋转主
轴一体形成并作为所述旋转主轴一部分；第一连杆，其一端与所述第一偏心件连接，另一端
与所述联结器的第一构件相连。 优选地，所述第二运动转换装置包括可旋转的输出轴，所述输出轴上一体形成有作为其一部分的第二偏心件；第二连杆，其一端与所述第二偏心件连接，另一端与所述联结
器的第二构件相连。 优选地，所述水平轴式风力机进一步包括可摆转地支承在塔架上的机舱，所述旋转主轴可转动地支承在所述机舱内，其中，所述联结器和所述第二运动转换装置布置在所述机舱外。所述机舱上设有尾舵。尾舵在逆风式风力机中的作用主要是对风和平衡风轮的重量；在顺风式风力机中的作用主要是平衡风轮的重量。 所述输出轴或者所述第二运动转换装置布置在与利用所述水平轴式风力机所得到的风力的用能设备相关联的高度上。 根据本实用新型的水平轴式风力机，具有如下优点 1.能够将从塔架顶部获得的风能传递到地面或者任何希望的高度，也因此使得本
实用新型的风力机能够将风能提供给包括发电机在内的任何合适的用能设备。 2.由于主要是旋转主轴可转动地支承在塔架顶部，所以机头重量大大降低，不仅
降低了对转动支承装置的要求，而且在逆风式风力机中，可用尾舵自行完成对风。 3.由于发电机可以固定在任何希望位置，所以，不再需要例如解缆和扭缆保护装置。
图1是包含有根据本实用新型一个实施例的水平轴式风力机的风力发电设备的示意性剖视图。 图2是图1中的联结器的示意性放大剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图描述本实用新型的原理和具体实施方式
。
4[0021] 图1示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的水平轴式风力机应用于风力发电设备中的情况。图中所示的是一种逆风式风力机，但本领域技术人员可以理解，本实用新型可同样适用于顺风式风力机，这时，取消对风装置即可。 本实用新型的水平轴式风力机包括旋转主轴2、由第一曲轴3和第一连杆4构成的第一运动转换装置、联结器20以及由输出轴13和第二连杆11构成的第二运动转换装置。[0023] 旋转主轴2的一端通过轮毂(未示出)与风轮(未示出)相连，用于接收风力而旋转。旋转主轴2通过轴承5转动支承在机舱1中。机舱1与尾舵(未示出)连接，用于对风。机舱1通过止推轴承6转动支承在塔架7的顶部。当风向改变时，在尾舵的作用下，机舱1相对塔架7的顶部围绕着竖直轴线摆转。因此，对于水平轴式风力机而言，旋转主轴2在绕水平轴线旋转的同时，还可能随着机舱1而发生绕竖直轴线的摆转，摆转的范围取决于风力方向。如下面具体描述的，本实用新型的水平轴式风力机，能够仅仅将旋转主轴2绕水平轴线的旋转运动，即所接收的风力，传递到希望高度处的输出端。 在本实用新型中，表示方位的术语，如"水平"、"竖直"等仅仅是针对风力机实际使用状态而言，而且，仅仅代表大致的方位，不是绝对的。例如，水平轴式风力机在工作时，旋转主轴与假想的水平线会形成一定的仰角。本实用新型中使用的术语"水平"，包括了旋转主轴有仰角的情形。类似的，术语"竖直"仅仅表示大致垂直于地面的方向，包括了与垂直于地面的方向成一定角度的方向。 根据本实用新型，机舱1中主要是装有旋转主轴2，而不像现有技术那样还安装发电机等，所以，由机舱1及旋转主轴2构成的机头重量大大地减轻了。结果，当风向改变时，就有可能仅仅依靠尾舵实现对风，因此，可以省却现有技术中的机械对风装置和相应的测风装置，还显著降低了止推轴承6的设计、制造要求，从而能够简化结构，降低制造、安装和维护的成本。 第一曲轴3与旋转主轴2 —体形成，并作为旋转主轴2的一部分。因此，当旋转主轴2绕其水平轴线旋转时，第一曲轴3也一体地旋转。第一连杆4的一端(图中的上端)连接到曲轴3上，另一端(图中的下端)连接到联结器20中作为第一构件的摆转件24(见图2，下文将详细描述)，因此构成了将围绕水平轴线的旋转运动转换为竖直方向上的滑动的曲柄滑块机构。 输出轴13的两端由轴承18可转动地支承，轴承18安装在轴承座12内。轴承座12固定在塔架7的楼板9上面或者钢架上。输出轴13的中间部分是一体形成并作为输出轴13 —部分的第二曲轴15。作为替换方式，第二曲轴15也可以按悬臂的方式设置在轴承18的任一外侧。第二连杆11的一端(图中的上端)连接到联结器20中作为第二构件的滑块21(见图2，下文将详细描述)，另一端(图中的下端)连接到第二曲轴15。于是，构成了另一个曲柄滑块机构，将竖直方向上的滑动转换为输出轴13的旋转运动。输出轴13的一端构成输出端14。在图示实施例中，输出端14通过直角型锥齿轮16和17与发电机相连。根据具体的应用场合，可以采用其他的布局方式或者利用其他的传动机构，或者从输出端14直接输出输出轴13的转动动力。 于是，利用本实用新型的水平轴式风力机，例如通过设计第一、二连杆4、11的长度，可以实现将从塔架顶端接收到的风力向下传递到任何希望的高度处，包括地面；例如通过设计输出轴13的长度或者同时结合其他的传动设计，可以将风力传递到希望高度处的
5任何位置，包括塔架内部和外部。因此，虽然图示的发电机放置在塔架7的内部下方，但是，发电机可以放置在包括地面、塔架7外面在内的任何希望的位置。同时，应该理解，由于本实用新型的水平轴式风力机能够将风力传递到地面或者任何希望的高度，所以，风力机所产生的动力，还可以直接提供给发电机之外的任何其他合适的用能设备，例如地面上的磨米机、水轮机，等等。 另外，由于发电机不安装在机舱1内，而是可以固定在任何合适的位置，所以，当本实用新型的风力机与发电机结合使用时，不会像现有技术那样发生电缆的扭绞，也就不再需要对应的解缆和扭缆保护装置，因此能够进一步简化结构，降低制造、安装和维护的成本。 上面具体地以曲轴3、13和连杆4、11为例，解释了本实用新型的第一、第二运动转换装置。本领域技术人员应该理解，除曲轴外的其他偏心件，例如偏心轮等，也可以与连杆一起同样地实现本实用新型的目的，并具有实质上同样的技术效果。本领域技术人员还可以认识到，本实用新型的运动转换装置，其功能是用来将旋转运动转换为竖直运动或者反之，因此也可以使用现有技术中能够实现这种功能的其他机构。 注意，在整个说明书中，术语"一体形成"是指多个构件或者部分以相互固定的方式结合在一起，既包括多个分离的构件利用连接件或者焊接等方式固定在一起的情况，也包括多个部分构成整体上是单件式结构的情况。术语前使用的"第一"、"第二"或者类似的表述，仅仅分别代表相应多个技术特征中的一个，并不表示这些技术特征中的不同。[0032] 下面将参照图1和图2详细地描述根据本实用新型的联结器20，其中图2是图1中所示的联结器20的示意性放大剖视图。 在图示实施例中，本实用新型的水平轴式风力机还包括用来引导联结器20上下运动的滑座10。滑座10能够被固定到塔架7上，例如塔架7的另一层楼板8上，或者塔架7的钢架上。联结器20包括作为其第二构件的能够沿着滑座10上下滑动的滑块21。本领域技术人员应该理解，滑块21和滑座10的具体形状并不影响本实用新型的实施，因此可以采用任何满足设计要求的形状，包括但不限于筒形。 在图2所示实施例中，滑块21是中空的。联结器20还包括作为其第一构件的、位于滑块21内并可以相对于滑块21摆转的摆转件24。摆转件24通过转动支承件27 (例如轴承，如下所述)被可转动地支承在滑块21内部的上、下表面之间。这样，摆转件24既可以在竖直方向上与滑块21 —体地上下运动，又可以相对于滑块21绕竖直轴线摆转。在本实用新型中，"一体"地运动，是指结合在一起的若干个构件基本上同步地运动，就像一个构件那样。 在摆转件24的上面一体形成有上连接部22，上连接部22经滑块21上形成的开口伸到滑块21的外面，用来与第一连杆4连接。例如，可以在上连接部22上形成通孔23，在第一连杆4的下端形成带通孔的叉(未示出)，然后用销(未示出)穿过上连接部22的通孔23和第一连杆4下端叉的通孔，将第一连杆4和摆转件24连接起来。本领域技术人员可以理解，各种其他的合适连接方式也都是可以使用的。另外，在滑块21外部的下面一体形成有下连接部25，用于与第二连杆11的上端相连，例如通过下连接部25上的通孔26。当然，下连接部25也可以采用本领域公知的其他方式进行连接。 在本实用新型的一个优选实施例中，可以例如通过具体设计第一曲轴3和第一连
6杆4的尺寸以及它们同联结器20间的相对位置关系，使上连接部22的中心位置(或者第一连杆4与联结器20的连接位置)处于旋转主轴2随机舱1 一起摆转时所绕的竖直轴线上。这样，当机舱1在尾舵作用下绕竖直轴线发生摆转时，可以保证上连接部22上下往复运动时所到达的上下顶点位置恒定，从而有利于由第二连杆11和输出轴13构成的第二运动转换装置平稳地完成运动转换。 在图示实施例中，转动支承件27被显示为圆锥滚柱轴承，为摆转件24的摆转同时提供转动支承和定心的作用。本领域技术人员可以理解，图示方案仅仅是示例性的，一旦确定了摆转件24和滑块21的结构和位置关系，就可以设计出各种可行的支承方案。例如，可以在滑块21的内部上、下表面和摆转件24的相对表面之间设置止推轴承，而在滑块21内部的侧面与摆转件24的相对侧面之间设置径向轴承，或者在滑块21的开口与摆转件24的上连接部22之间设置径向轴承。而且，既可以采用滚动轴承支承，也可以采用流体支承，例如静压液体支承。 上面结合图1和图2，介绍了根据本实用新型的滑块型联结器。但是，根据本实用新型的教导，本领域技术人员可以想到例如用万向接头作为本实用新型的联结器，这时，可以不必使用滑座10。本领域中已知的由能够相对转动同时一体地沿一个方向运动的两个构件组成的机构，都可以用作本实用新型的联结器。 下面结合图1描述根据本实用新型的水平轴式风力机的运行情况。当风向发生改变时，在风轮和对风装置的作用下，旋转主轴2在旋转的同时发生摆转。旋转主轴2的旋转运动通过第一 曲轴3、第一连杆4、摆转件24被向下传递给滑块21 ，并被转换为滑块21沿着滑座10的竖直运动。同时，旋转主轴2的摆转通过第一曲轴3转换为第一连杆4的扭转，并通过第一连杆4传递给摆转件24，使摆转件24相对于滑块21摆转。结果，虽然旋转主轴2同时作旋转和摆转的运动，但传递到滑块21处时，滑块21只是竖直运动而不摆转。滑块21的竖直运动继续向下通过第二连杆11和第二曲轴15转换为输出轴13的旋转运动。输出轴13的旋转运动可以用来驱动希望的用能设备。 上面参照附图对本实用新型进行了具体的描述。但是，本领域技术人员应该理解，上面的具体描述仅仅是举例性质的，用于说明性的目的，并非是用来限制本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围仅由权利要求限定。得益于本实用新型的教导，本领域技术人员在不超出本实用新型保护范围的情况下可以根据具体情况对本实用新型做出各种变型、修改或者替换。例如，可以在输出轴13加装配重、飞轮等储能装置，使输出轴13的转动更加平稳。
权利要求一种水平轴式风力机，其包括能围绕水平轴线旋转并围绕竖直轴线摆转的旋转主轴，其特征在于，所述风力机还包括与所述旋转主轴相连的第一运动转换装置，用于将所述旋转主轴围绕水平轴线的旋转运动转换为竖直方向上的运动；联结器，所述联结器包括结合在一起并能够一体地沿竖直方向运动的第一构件和第二构件，所述第一构件与所述第一运动转换装置相连并能够相对于所述第二构件绕竖直轴线摆转；第二运动转换装置，所述第二运动转换装置与所述联结器的所述第二构件相连，用于将所述第一运动转换装置的所述竖直方向上的运动转换为旋转运动。
2. 如权利要求1所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述水平轴式风力机还包括滑 座，所述联结器包括能够沿着所述滑座在竖直方向上滑动的滑块，所述滑块构成所述联结器的第二构件； 以可相对所述滑块绕竖直轴线摆转的方式与所述滑块结合在一起的摆转件，所述摆转 件构成所述联结器的第一构件。
3. 如权利要求2所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述所述滑块是中空的，内部形 成有上表面和下表面，所述摆转件可转动地支承在所述滑块内部的所述上、下表面之间，其 中，所述摆转件上一体形成有用于与第一运动转换装置相连的上连接部，所述滑块上一体 形成有用于与第二运动转换装置相连的下连接部。
4. 如权利要求1所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述联结器包括万向接头。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述第一运动转换 装置包括第一偏心件，所述第一偏心件与所述旋转主轴一体形成并作为所述旋转主轴一部分； 第一连杆，其一端与所述第一偏心件连接，另一端与所述联结器的第一构件相连。
6. 如权利要求1至4中任一项所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述第二运动转换 装置包括可旋转的输出轴，所述输出轴上一体形成有作为其一部分的第二偏心件， 第二连杆，其一端与所述第二偏心件连接，另一端与所述联结器的第二构件相连。
7. 如权利要求6所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述输出轴位于与利用所述水 平轴式风力机所得到的风力的用能设备相关联的高度上。
8. 如权利要求1至4中任一项所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述水平轴式风力 机进一步包括可摆转地支承在塔架上的机舱，所述旋转主轴可转动地支承在所述机舱内， 其中，所述联结器和所述第二运动转换装置布置在所述机舱外。
9. 如权利要求8所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述第二运动转换装置布置在 与利用所述水平轴式风力机所得到的风力的用能设备相关联的高度上。
10. 如权利要求8所述的水平轴式风力机，其特征在于，所述机舱上设有尾舵。
专利摘要本实用新型公开了一种水平轴式风力机，用以克服现有技术中存在的机头重量大、制造和运营成本高的问题。根据本实用新型的水平轴式风力机，第一运动转换装置与旋转主轴相连，用于将旋转主轴的旋转运动转换为竖直方向上的运动，联结器的第一构件与第一运动转换装置相连并能够相对于第二构件绕竖直轴线摆转，第二运动转换装置与联结器的第二构件相连，用于将第一运动转换装置的竖直方向上的运动转换为旋转运动。本实用新型的水平轴式风力机能够将风力传递到任何希望的高度处，从而可以不将发电机放置在机头中，因此大大减轻了机头重量，简化了结构，而且因此能够将风力提供给位于任何希望的位置上的发电机或者其他用能设备。
文档编号F03D1/00GK201502482SQ20092017913
公开日2010年6月9日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者高则行 申请人:高则行