专利名称：垂直轴风车主轴组合结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及垂直轴风车，具体属于一种垂直轴发电用风车降低共振幅度的主 轴组合结构。
背景技术：
现有的风车发电是以水平轴风车为主要发展方向，所谓水平轴风车泛指风车转子 的转轴与风向水平，为了使水平轴风车发挥最大的效率，必须使叶片正面迎向风向，因此大 部分水平轴风车会随风向变化而调整叶片转轴的方向，比较适合装设于风向稳定的场所， 例如空旷的内陆、无遮拦的高空或海上等。对于一般性的居住地区或山区等，因为频繁的不 定向地形风或乱流风形成，水平轴风车无法发挥效率。与水平轴风车相比，垂直轴风车则是指风车转子的转轴与风向垂直。垂直轴风车 的叶片无需随风向变化而调整转轴，具有不受风向影响的优点，适合于一般居住地区或山 区。典型的垂直轴风车包括阻力型的沙伏尼氏(Savonius)风车，以及扬力型的达利氏叶片 (Darrieus)风车。如图1所示，惯用的垂直轴复合型风车10采用单一主轴设计。由于主轴11的长 度很长，而支撑它旋转的轴承12、13的位置都集中在下方支座外壳14的部分，因此当固定 在主轴11上的达利氏叶片15及沙伏尼氏叶片16被风带动与主轴11 一起旋转时，主轴11 仅在下方设有轴承处受到支撑，其未受支撑的距离过长形成悬臂效应，因此主轴11容易产 生摇摆、震动或弯曲、金属疲劳等问题。惯用的垂直轴复合型风车10在设计主轴时，若考虑主轴11必须受旋转功能、偏心 震动、风力忽大忽小的震荡、风车的重量及叶片快速旋转的离心力等各项作用力时，则主轴 11需要采用较坚固耐用的材料，然而如此一来会使主轴重量过重而不易转动；若考虑使主 轴11容易转动，则主轴11需采用重量较轻的材料，然而却造成主轴强度不够。为了解决惯用垂直轴复合型风车10主轴坚固耐用与易转动难以两全的问题，本 申请人:于2006年11月23日提出了一种垂直轴风车，申请号为200620160785. X。如图2所 示，所述垂直轴复合型风车20的主轴由内轴21与外转轴22构成，内轴21置于外转轴22 内，在内轴21和外转轴22之间设有三个滚珠轴承23J4和25，所述滚珠轴承23设于外转 轴22的顶部，滚珠轴承M、25分别设于外转轴22的底部及底部附近。通过这种内轴21和 外转轴22的设计，使内轴21可采用较重且刚性的材料，外转轴22则可采用较轻且易转动 的材料，可以基本解决前述垂直轴复合型风车10的缺失，然而改进后的垂直轴风车主轴仍 然较重，且转动时仍存在共振问题。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种垂直轴风车主轴组合结构，能够减轻整 体重量，降低风车的共振幅度。为解决上述技术问题，本实用新型的垂直轴风车主轴组合结构，所述垂直轴风车包括多片风车叶片、一根内轴、一根外转轴和一台发电机，所述内轴垂直地固定设置，外转 轴同心地套设在内轴的外周并可相对内轴转动，且多片叶片固定安装在外转轴上，发电机 设于内轴与外转轴之间，所述外转轴分段为一上轴和一下轴，内轴置于下轴内，内轴与外转 轴之间设有多个轴承，轴承分布于下轴的底部附近及内轴的顶端附近，上轴长度与外转轴 长度的配比范围为35% 65%。 值得一提的是，位于内轴顶部的轴承的位置与风车振动程度密切相关。由于轴承 位于内轴的顶端，上轴的受力类似于悬臂梁，上轴的长度越长则其挠度越大，使得上轴的刚 性越弱，而上轴的长度越短则越能减少其振动位移。然而，上轴的长度越短，下轴相对的长 度就越长，与此相对应内轴的长度也越长，则无法达到节省材料并减轻重量的目的，而且内 轴受力也类似于在多个轴承处受力的悬壁梁，内轴长度越长挠度越大，造成刚性越弱，内轴 长度越短越能减少其振动位移，于是本实用新型将垂直轴风车的上轴长度与外转轴长度的 配比确定在35% 65%内。在这个区间范围内，分布于内轴顶端的轴承可以发挥最佳的支 撑作用，同时有效地支撑内轴与上轴，能够使风车整体的振动位移最小，从而有效地降低风 车的共振幅度。
[0010]
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明[0011]图1是惯用单一主轴的垂直轴复合型风车的纵剖面图；[0012]图2是惯用具有内轴与外转轴的垂直轴复合型风车的纵剖面图；[0013]图3是本实用新型一实施例的立体外观图；[0014]图4是图3的纵剖面图；[0015]图5是本实用新型的又一实施例的纵剖面图。[0016]其中附图标记说明如下[0017]10垂直轴复合型风车[0018]11主轴 12轴承13轴承[0019]14支座外壳 15达利氏叶片16沙伏尼氏叶片[0020]20垂直轴复合型风车[0021]21内轴 22外转轴23滚珠轴承[0022]24滚珠轴承 25滚珠轴承[0023]30垂直轴复合型风车[0024]31达利氏叶片 32沙伏尼氏叶片33外转轴[0025]33A上轴 3!3B下轴34内轴[0026]35发电机 36固定板37固定环[0027]38底座 39A轴承39B轴承
具体实施方式
请参阅图3所示，垂直轴复合型风车30包括多片达利氏叶片31、多片沙伏尼氏叶 片32、一根外转轴33、一根内轴34及一台发电机35。达利氏叶片31的上、下端分别固定安装在上、下方的固定板36上。固定板36具有对应达利氏叶片31沿圆周均分并向外延伸的分支，上方的固定板36通过一个固定环37 固定于外转轴33上端的外周，下方的固定板36可以通过任何常见方式固接于外转轴33的 底部、发电机35上方的外周上，内轴34以常见方式固定在一个底座38上。请配合参阅图4、图5所示，外转轴33分段为上轴33A和下轴33B，上轴33A和下 轴3 通过黏合、电焊等常见结合方式固定连接。内轴34设置于下轴33B内，且未伸入上 轴33A内。下轴3 的底部附近和内轴34的顶部附近各设有轴承39A和39B，因此下轴3!3B 可获得较大的轴承支撑跨距。分布于内轴34顶部附近的轴承39B的位置与风车振动程度密切相关。一般而言， 若不考虑其他如发电机35转动部件的影响，下轴33B的长度与外转轴33的长度最佳配比 约为35% 57%。然而能使整体风车振动位移最小的轴承39B的位置与外转轴33及内轴 34的材质有关。一般而言，为减轻外转轴33重量所使用的材质通常机械强度会较小，因为 上轴33A的受力类似于悬臂梁，所以要让整体风车的振动位移最小，则必须要缩短上轴33A 的长度。所以轴承39B的最佳位置一般位于外转轴33整体长度一半再偏上方处。轴承39B的最佳位置除了与外转轴33及内轴34的材质有关外，还必须考虑各部 件组合成整体风车的共振频率。经研究表明，共振频率一般与各部件的杨氏模数平方根成 正比，与各部件的密度平方根成反比，同时也与各部件特性长度的幂次方成反比，所以各部 件的特性长度越长，则共振频率越低。由于各部件组成整体风车的共振频率的倒数平方略 等于各部件共振频率倒数平方的总和，所以整体风车的最低共振频率基本上由特性长度最 大的部件决定。在外转轴33长度固定的情况下，上轴33A长度越短，则下轴3 相对长度 越长，造成上轴33A共振频率越高则下轴3 共振频率越低，即组合起来的共振频率就会越 低。因为太低的共振频率会使风车系统容易达到共振而放大振动响应，所以上轴33A与下 轴33B的共振频率不宜相差太大，即上轴33A与下轴33B的长度不宜相差太大，因此上轴 33A长度与外转轴33长度的最佳配比在一个有限区间内，经研究表明该有效区间为35% 65%。如图4所示，外转轴33与内轴34的材质均为钢，外转轴33的长度L为3. 8780公 尺，从顶部起算外转轴33的一半长度为1. 9390公尺，发电机35设置于最下方，所以包含 叶片、外转轴33和发电机35在内的转动件整体质心位于从外转轴33顶部起算2. 2616 2. 606公尺处(占外转轴33长度的58. 3% 67. 2% )，轴承39B的最佳位置位于从外转轴 33顶部起算1. 7451 2. 210公尺处，即上轴33A的长度L1与外转轴33的长度L的最佳配 比约45% 57%。请再参阅图5所示，外转轴33的材质为铝，内轴34的材质为钢，外转轴的长度L 为0. 9766公尺，从顶部起算外转轴33的一半长度为0. 4883公尺，虽然发电机25设置于达 利氏叶片31与沙伏尼氏叶片32之间，但由于发电机35质量相对于外转轴33的质量比值 较大，所以包含叶片、外转轴33和发电机35在内的转动件整体质心位于从外转轴33顶部 起算0. 6085 0. 6453公尺处(占外转轴33长度的62. 3% 66. 07% )，轴承39B的最佳 位置确定为从外转轴33顶部起算0. 5175 0. 6348公尺处，即上轴33A的长度L1与外转 轴33的长度L的最佳配比约53% 65%。虽然本实用新型利用上述较佳实施例解释说明，但其并非用以限定本实用新型， 任何熟知以上技术者在不脱离本实用新型的精神与范围内，相对上述实施例进行的各种更动与修改均在本实用新型保护的技术范畴内。
权利要求1.一种垂直轴风车主轴组合结构，所述垂直轴风车包括多片风车叶片、一根内轴、一 根外转轴和一台发电机，所述内轴垂直地固定设置，外转轴同心地套设在内轴的外周并可 相对内轴转动，且多片叶片固定安装在外转轴上，发电机设于内轴与外转轴之间，其特征 在于所述外转轴分段为一上轴和一下轴，下轴置于内轴外，下轴与内轴之间设有至少一 个轴承，轴承设于下轴的底部及内轴的顶部，上轴长度与外转轴长度的配比范围为35% 65%。
2.如权利要求1所述的垂直轴风车主轴组合结构，其特征在于所述多片叶片为达利 氏风车叶片及沙伏尼氏风车叶片。
3.如权利要求2所述的垂直轴风车主轴组合结构，其特征在于所述内轴的材质为钢， 外转轴的材质为铝，发电机设置于达利氏风车叶片与沙伏尼氏风车叶片之间，上轴长度与 外转轴长度的配比为53% 65%。
4.如权利要求2所述的垂直轴风车主轴组合结构，其特征在于所述内轴的材质为钢， 外转轴的材质为钢，发电机设置于达利氏风车叶片的下方，上轴长度与外转轴长度的配比 为 45% 57%。
专利摘要本实用新型提供了一种垂直轴风车主轴组合结构，垂直轴风车包括多片风车叶片、一根内轴、一根外转轴和一台发电机，内轴垂直地固定设置，外转轴同心地套设在内轴的外周并可相对内轴转动，且多片叶片固定安装在外转轴上，发电机设于内轴与外转轴之间，外转轴分段为一上轴和一下轴，下轴置于内轴外，下轴与内轴之间设有至少一个轴承，轴承设于下轴的底部及内轴的顶部，上轴长度与外转轴长度的配比范围为35％～65％。本实用新型的结构，使得分布于内轴顶部的轴承可发挥最佳的支撑作用，同时有效支撑内轴与上轴，能够使风车整体的振动位移最小，有效降低风车的共振幅度。
文档编号F03D3/06GK201934255SQ20112000146
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者陈铭国, 高嘉宏 申请人:新高能源科技股份有限公司