一种新型垂直轴风机的支撑装置及风力发电机的制作方法

本发明属于风能利用技术领域，尤其是适用于风力机械及风力发电技术领域，用于对垂直轴风力发电机及对风力发电机的风轮进行支撑。

背景技术：

垂直轴风机是垂直轴风力发电机的简称，是指旋转轴垂直于地面或者来流方向的风力发电机。发展150米以上高空风力发电，或超大型风力发电机，垂直轴风力发电机具有巨大的优势，垂直轴风力发电机可以将发电机系统安装在地面，利用风机主轴将高空风轮接收的风能传递到地面发电机系统转化为电能。但是，由于主轴重量很重，将对发电机系统带来极大的压力，由于主轴很长，在高空产生的任何微小的晃动或偏移，将对地面的发电机系统产生巨大的破坏力矩；因此，发明一种支撑装置，使主轴更稳定运转，且可以减轻对发电机压力的装置是十分必要和有优势的。

目前，垂直轴风力机主轴支撑结构大多是叶片通过连杆与发电机上下法兰盘连接，法兰盘直接与发电机主轴连接，叶片与连杆的重量和径向风载及转矩就直接作用在发电机上，大大增加了发电机的负面载荷，降低了发电机的使用寿命。中国专利申请号201220416268.x公开了一种改进的h型垂直轴风力机。该风力机叶片经过轮辐与轮毂连接，轮毂直接连接于发电机的输入轴上。所以风轮的重力和径向风载均由发电机内部的轴承承受。较大的负面载荷增加了发电机的摩擦转矩，增大了风能损失率，同时对发电机的寿命有较大的影响。中国专利申请号为201720865560.2公开了一种大型垂直轴风力发电机的稳定支撑结构，该风力机包括底座和固定在底座上的桶形钢架，桶形钢架与风轮等高，在桶形钢架与风轮分层所对应的位置上设置水平导轨，风轮外缘处设有滚轮，滚轮支撑在水平导轨上并且随着风轮的转动沿着水平导轨滚动。其不足之处在于其风轮外援或叶片及高度全部限制在桶形钢架之内，大大限制了风轮的旋转半径及风轮的高度，不利于大型或超大型风力机的发展。

风力发电机的大型化已是一种趋势，但是无论是水平轴风机，还是垂直轴风机，在其大型化时的稳定支撑至今都还是一个未能有效解决的问题，此问题的存在已构成风电大型化的瓶颈。

技术实现要素：

本发明或实用新型旨在针对现有技术的不足，提供了一种垂直轴风力发电机的主轴或风轮的支撑结构及利用此支撑结构的风力发电机，改善风力机主轴和发电机的受力状况，降低主轴和发电机的损耗，提高发电机寿命和风能利用率，同时，针对超大型风力发电机，可以有效的增加叶片的高度及支撑翼的长度，扩大风轮的扫风半径。我们经大量的计算及计算机模拟实验，本发明或实用新型尤其适用于1-15兆瓦机型的大型垂直轴风力发电机。

本文中所述主轴指风轮主轴或发电机主轴或齿轮轴或发电机传动系统轴，所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种翼型的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成的翼型。所述支撑翼、支撑立柱或轨道支撑立柱等是任意可以起到支撑作用装置的统称，例如：可以是钢管、角钢或桁架式结构等。所述连接翼或连接环是任意可以起到连接作用装置的统称，例如：可以是钢管、角钢、钢丝索、绳索或桁架式结构等。所述斜拉翼是任意可以起到拉力或支撑作用装置的统称，例如：可以是钢丝索、绳索、钢管、角钢或桁架式结构等。所述玄支撑翼是设置在环形水平轨道上的一种起支撑作用的横梁，所述横梁与环形水平轨道有两个交点，所述两个交点之间的距离小于直径。所述各构件之间的连接方式，都有大量的公知连接方式，例如：支撑翼和支撑立柱之间，连接翼和支撑立柱之间，大多属于钢铁构件或合金材料之间的连接，可以采用焊接或法兰盘式连接等，不再一一赘述。所述发电机系统是包括发电机或/和传动系统的统称，例如：包括发电机、齿轮或齿轮箱等。所述轨道支撑构件是能够支撑环形水平轨道的任意装置的统称，例如，可以是地基或/和轨道支撑立柱，所述轨道支撑立柱可以是钢管式或桁架式结构等。

一种新型垂直轴风机的支撑装置，包括至少一个环形水平轨道和至少一个下环形水平轨道、轨道支撑构件，所述环形水平轨道固定设置在轨道支撑构件上，其特征是：所述支撑装置还包括，至少两个支撑立柱，以及连接系统，所述至少两个支撑立柱之间由连接系统连接，在所述支撑立柱或连接系统上设置有转动构件，所述转动构件支撑在环形水平轨道上。

所述滚轮或转动构件，是指任意可以带动本文所述风轮或叶片及连接翼或整体构件在环形水平轨道上转动的任意装置，例如，火车滚轮、滚珠、滚柱、或本发明实施例中所述的轨道上端盖、滚动体和隔离圈组成等。

所述环形水平轨道起支撑或稳定或定位的作用。

所述连接系统，是指可以将至少两个支撑立柱连接起来的任意装置，或是指可以将至少两个支撑立柱连接起来的任意装置的统称。例如，可以是连接翼或斜拉翼或玄支撑翼或连接环中的至少一个。在所述至少两个支撑立柱之间由连接翼或斜拉翼或玄支撑翼或连接环中至少一个连接，在所述支撑立柱或连接翼或斜拉翼或玄支撑翼或连接环上设置有转动构件，所述转动构件支撑在环形水平轨道上。

由于本发明的目的是大型或超大型垂直轴风力发电机，支撑立柱或叶片的高度一般要求在30米以上，超大型甚至要求在200或300米以上，因此，在所述支撑装置上包括至少一个上和至少一个下环形水平轨道是十分有必要的，所述上或下环形水平轨道固定设置在轨道支撑构件上，或/和在所述支撑装置上还包括至少一个内或外环形水平轨道，所述内或外环形水平轨道设置在环形水平轨道的内环或外环并固定设置在轨道支撑构件上。

其中，至少一个上或下环形水平轨道起支撑作用。

至少一个上或下环形水平轨道起稳定或定位的作用。

优选的，在所述支撑装置上，环形轨道的内部，设置有至少一个阻力型叶片。所述阻力型叶片的轴心位置是与环形水平轨道的轴心相重合的。

可以设置为2个以上。

在所述支撑装置上，包括至少两个连接翼或斜拉翼或至少一个连接环，所述至少两个支撑立柱之间，有至少两个连接翼或斜拉翼或至少一个连接环连接；所述至少两个支撑立柱与至少两个连接翼或斜拉翼或至少一个连接环之间形成一个环内整体构件。

在所述支撑装置上，还包括至少一个玄支撑翼，所述玄支撑翼的两端与环形水平轨道对应位置，设置有滚轮，所述滚轮支撑在环形水平轨道上，所述玄支撑翼与所述整体构件的底部连接。

在所述玄支撑翼的两端，向上方向设置有至少一个斜拉翼，所述斜拉翼的底端与玄支撑翼连接，所述斜拉翼的上端与所述整体构件的上端连接。所述斜拉翼可以起到对整体构件的支撑或拉紧固定的作用。

所述支撑立柱或连接系统中至少一个的横截面是设置成叶片的形状。所述叶片是升力型或阻力型垂直轴风机叶片。

优选的，全部支撑立柱或连接翼或斜拉翼都设置成叶片的形状。既可以起到支撑或连接的作用，又可以起到叶片的作用。

在所述支撑装置上，还包括上或/和下支撑翼以及叶片；在所述支撑立柱上安装有上或/和下支撑翼，所述上或/和下支撑翼的一端连接在支撑立柱上，另一端连接在叶片上。所述叶片，是升力型或阻力型垂直轴风机叶片。

在所述支撑立柱、上、下支撑翼和叶片之间，有连接翼或斜拉翼中至少一种连接，所述支撑立柱、上、下支撑翼、叶片和连接翼或斜拉翼中至少一种形成一个环外整体构件。

在所述支撑立柱或环内整体构件的上端与环外整体构件的上端有斜拉翼连接或/和在所述支撑立柱或环内整体构件的下端与环外整体构件的下端有斜拉翼连接。所述斜拉翼起到对环外整体构件的支撑或拉紧固定的作用。

在所述玄支撑翼的两端，向叶片延伸方向设置有至少一个斜拉翼，所述斜拉翼的一端与玄支撑翼连接，所述斜拉翼的另一端与所述环外整体构件位于叶片的一端连接或/和在所述环内整体构件上向叶片延伸方向设置有至少一个斜拉翼，所述斜拉翼的一端与环内整体构件连接，所述斜拉翼的另一端与所述环外整体构件位于叶片的一端连接。

优选的，所述支撑立柱的高度，高于最上端的环形水平轨道的高度。

所述支撑立柱的高度，高于上支撑翼。所述支撑立柱的最低端，可以低于最下面的环形轨道的位置。

所述玄支撑翼对环内整体构件起到支撑作用。

所述各构件的连接方式，都有大量的公知连接方式，例如：支撑翼和支撑立柱之间，大多属于钢铁构件或合金材料之间的连接，可以采用焊接或法兰盘式连接，不再一一赘述。

所述环形水平轨道可以直接安装在地基上，也可以安装在轨道支撑立柱上。所述安装方式有大量公知安装方式，例如火车轨道、许多游乐园的轨道车等安装方式，不再一一赘述。

所述连接翼或斜拉翼或支撑立柱与滚轮的安装方式，有大量公知安装方式，例如可以采用火车、汽车等各种轨道车的安装方式，所述连接翼或斜拉翼或支撑立柱相当于各种车体，下面安装滚轮，不再一一赘述。

所述支撑装置还可以连接主轴、联轴器、发电机系统，所述主轴设置在环形水平轨道的轴心位置，所述主轴的上端，通过联轴器与连接翼或斜拉翼中的至少一种连接；主轴的底部与发电机系统连接，所述发电机系统安装在地基上。

优选的，所述联轴器可以采用本发明人在专利申请号201020558590.7，一种垂直轴风机或风力发电机中所采用的可活动连接器。

优选的，上支撑翼可以设置多个，本文中凡是位于下支撑翼之上的支撑翼统称为上支撑翼。

所述上或下环形水平轨道与轨道支撑立柱之间，有大量公知安装方式，例如：可以采用三角支撑方式或法兰盘连接支撑方式，不再一一赘述。

优选的，在同一水平面高度，设置有多个所述环形水平轨道及轨道支撑构件，可以起到更加稳固的作用。

优选的，所有环形水平轨道是同一个轴心。

优选的，轨道支撑立柱、支撑立柱、连接翼或斜拉翼可以设置有多个。

所述联轴器与连接翼或斜拉翼有大量公知连接方式，例如可以是连接法兰或任意公知库中连接主轴与叶片或支撑翼的产品，本文中的连接翼或斜拉翼与联轴器的连接，在此处相当于公知叶片的支撑翼与联轴器的连接，不再一一赘述。

所述地基为浇筑而成的钢筋混凝土基础，并且在该基础内预埋地脚螺栓，所述塔架通过该地脚螺栓固定在所述底座上。

一种带所述支撑装置的垂直轴风力发电机，包括支撑装置、主轴、联轴器、发电机系统，其特征是，所述支撑装置是本文所述大型垂直轴风机的支撑装置，所述主轴设置在环形水平轨道的轴心位置，所述主轴的上端，通过联轴器与上、下支撑翼或连接翼连接；主轴的底部与发电机系统连接。

所述发电机系统安装在地基上。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种大型垂直轴风机的支撑装置，采用环形水平轨道、支撑立柱、连接翼和斜拉翼的结构组成整体结构，其有益效果是将风轮或叶片的重量，主要承载在环形水平轨道上，扩大了承载面积，使主轴不再承受风轮的重力及径向力，优化了主轴受力结构，主轴只传动风轮的转动力矩，同时，支撑立柱通过斜拉翼将上或下支撑翼拉住或支撑住，可以使上或下支撑翼力臂伸出更长的距离，提高风轮的扫风半径。与普通风轮相比，本结构可以大大降低支撑材料的用量，减轻风轮质量，降低成本。

四、附图说明：

为了更容易理解本实用新型的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本发明或实用新型的具体实施方式来对本申请进行详细的描述。该附图仅绘出了本申请的典型实施方式，并不构成对本申请的保护范围的限制。

图1是本发明所述一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图2是本发明所述一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

图3是图1的大型垂直轴风机的支撑结构上的导轨与滚轮配合结构局部视图。

图4是图1的大型垂直轴风机的支撑结构上的另一导轨与滚轮配合结构局部视图。

图5是本发明所述另一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

图6是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图7是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图8是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

图9是本发明所述一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图10是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

图11是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图12是一种轨道与转动构件截面示意图；

图13是本发明所述一种环形水平轨道的俯视剖视图示意图；

图14是本发明所述再一种大型垂直轴风机的整体结构原理主视图示意图；

图15是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；

图16是本发明所述再一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

图17是导轨与滚轮配合结构局部视图示意图；

附图标志

1支撑立柱2连接翼3斜拉翼4地基5滚轮6轨道支撑立柱

7环形水平轨道8下环形水平轨道9连接环10滚轮轴11安装架12叶片

13上支撑翼14下支撑翼15玄支撑翼16联轴器17主轴18发电机系统

19转动构件上端盖20滚动体21保持架或隔离圈22环形水平轨道外环壁23环形水平轨道内环壁24连接件25阻力型叶片

五、具体实施方式：

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一：

如图1-5所示，根据本发明或实用新型的大型垂直轴风机的支撑结构包括环形水平轨道7、轨道支撑立柱6和地基4，轨道支撑立柱6固定安装在地基4上，环形水平轨道7固定安装在轨道支撑立柱6上，在环形水平轨道7上设置有滚轮5，滚轮5安装在支撑立柱1或连接翼2上，在两个或四个支撑立柱1之间，有多个连接翼2或/和斜拉翼3连接；所述两个或四个支撑立柱与至少两个连接翼2或斜拉翼3之间形成一个环内整体构件。所述环内整体构件通过滚轮5可以在环形水平轨道7上自由转动。

在本发明或实用新型中所述地基4位于贴近所述环内整体构件外缘处的地面上环绕所述环内整体构件浇筑而成的钢筋混凝土基础，并且在该基础内预埋地脚螺栓，通过该地脚螺栓将轨道支撑立柱6固定在地基上。

由图1所示，图1位正视图示意图；本实施例中，左视图与正视图相同，省略；在两个支撑立柱1之间，有上、下两个连接翼2以及交叉两个斜拉翼3连接成一个整体构件。由图2所示，图2为俯视图示意图；在四个支撑立柱1之间，共有6个连接翼2连接成一个整体构件。

由图1、2所示，在环形水平轨道7的下面，轨道支撑立柱6的外环，还固定设置着一圈下环形水平轨道8，所述下环形轨道8通过法兰盘或三角支撑固定安装在轨道支撑立柱6的外环；滚轮5安装在支撑立柱1上并支撑在下环形轨道8，滚轮5可以在下环形轨道8上自由转动。在所述下环形轨道8的下面，四个支撑立柱1上，固定安装有连接环9，所述连接环9可以起到固定或拉紧支撑立柱1的作用，所述连接环9可以采用钢筋或钢丝索。

所述下环形水平轨道8也可以直接安装在地基4上。

由图3、4所示，图3、4是导轨与滚轮配合结构局部视图示意图；图3所示是滚轮5通过滚轮轴10安装在支撑立柱1上并支撑在环形水平轨道7上；图4所示是滚轮5通过滚轮轴10、安装架11安装在支撑立柱1并支撑在环形水平轨道7上。

图3、4所示的滚轮5与环形水平轨道7，是起支撑作用的。

由图17所示，图17是导轨与滚轮配合结构局部视图示意图；图17所示是滚轮5通过滚轮轴10、安装架11安装在支撑立柱1上并倚靠在环形水平轨道7上。

图17所示的滚轮5与环形水平轨道7，是起稳定或定位作用的。

由图5所示，图5是俯视图示意图，图5所示是在环形水平轨道7的内环，又安装了一圈内环形水平轨道7，其作用是对整体构件起到更加稳定运行的作用。

实施例二：

如图6、7所示，在所述支撑立柱1上安装有上支撑翼13和下支撑翼14，所述上或/和下支撑翼的一端连接在支撑立柱1上，另一端连接在叶片12上。

在所述支撑立柱1、上、下支撑翼13、14和叶片12之间，有连接翼2或/和斜拉翼3连接，所述支撑立柱1、上、下支撑翼13、14、叶片12和连接翼2或斜拉翼3形成了一个环外整体构件。

如图6所示，在所述支撑立柱1上端与环外整体构件的上端之间，有斜拉翼3连接；此处所述环外整体构件的上端是指上支撑翼13。在所述支撑立柱1的下端与环外整体构件的下端之间，有斜拉翼3连接；此处所述环外整体构件的下端是指下支撑翼14。所述斜拉翼起到对环外整体构件的支撑或拉紧固定的作用。在所述支撑立柱1的下端，有连接环9将全部支撑立柱1的下端连接起来，所述连接环9采用钢板结构，在所述连接环9上设置有滚轮5，滚轮5支撑在下环形轨道8上，所述下环形轨道8固定安装在地基4上。所述滚轮，采用火车滚轮即可。

如图7所示，在所述环内整体构件的上端与环外整体构件的上端之间，有斜拉翼3连接；此处所述环内整体构件的上端是指环内整体构件中的连接翼2。在所述环内整体构件的下端与环外整体构件的下端之间，有斜拉翼3连接。

如图6所示的支撑立柱1或轨道支撑立柱6是用的钢管式结构。

如图7所示的支撑立柱1或轨道支撑立柱6是用的桁架式结构。

实施例三：

如图8所示，图8是本发明或实用新型玄支撑翼15与下支撑翼14连接结构局部俯视图示意图；玄支撑翼15设置在环形水平轨道7的上面，并与环内整体构件的底部连接翼2相交连接，玄支撑翼15的下面设置有滚轮5，所述滚轮5支撑在环形水平轨道7的上面并可以自由转动，在玄支撑翼15的两端，各有一个斜拉翼3与下支撑翼14靠近叶片方向的一端连接。所述斜拉翼3起到对下支撑翼14的支撑或拉紧固定的作用。

为简化说明，本实施例只画了两个叶片情况下，两个玄支撑翼15与下支撑翼14连接结构局部俯视图示意图，更多叶片的情况与此原理相同，不再一一赘述。

如图9所示，图9是本发明或实用新型玄支撑翼15与环内整体构件的上部连接结构局部正视图示意图；在玄支撑翼15的两端，各有一个向上的斜拉翼3与环内整体构件上部的连接翼2相连接。所述斜拉翼3起到对环内整体构件或连接翼2的支撑或拉紧固定的作用。

实施例四：

如图10所示，图10是本发明所述三叶片情况下，三根支撑立柱1与玄支撑翼15连接结构局部俯视图示意图；玄支撑翼15设置在环形水平轨道7的上面，所述玄支撑翼15的下面设置有滚轮5，所述滚轮5支撑在环形水平轨道7的上面并可以自由转动，在玄支撑翼15的两端，分别两两连接三根支撑立柱1，使三根支撑立柱1形成一个整体构件。

实施例五：

如图11所示，图11是本发明所述支撑装置与主轴连接结构原理局部主视图示意图；在环内整体构件的底部，环形水平轨道7的中心轴位置，连接翼2通过联轴器16与主轴17连接，所述主轴17的底端连接发电机系统18，发电机系统18，安装在地基上。所述风轮，接收风能旋转，带动发电机系统发电。

实施例六：

如图12、13所示，图12是一种轨道与转动构件截面示意图；本实施例中，所述环形水平轨道7采用凹型槽式结构，在凹型槽内，设置有保持架21，保持架21结构与轴承内的保持架结构相同，在保持架21内设置有滚动体20，所述滚动体20采用滚珠，在滚动体20的上面设置有转动构件上端盖19，所述转动构件上端盖19与环形水平轨道7结构相同，为一环形水平结构，不同之处在于采用凹型槽倒置式结构；如此，形成一个环形整体结构，转动构件上端盖19可在滚珠上自由转动；图13是所述环形水平轨道7的俯视图；为一凹型槽式结构；凹型槽内设置有保持架21，保持架21结构与轴承内的保持架结构相同，在保持架21内放置有滚动体20，所述滚动体20采用滚珠。

图14是整体结构原理主视图示意图；环形水平轨道8固定安装在地基4上，所述转动构件上端盖19通过连接构件24连接在风轮连接环9上，所述连接构件24采用角钢或钢板或任意起到连接作用的构件，通过焊接或法兰盘分别与转动构件上端盖19和风轮连接环9连接。

本实施例中，所述风轮转动构件是由滚珠20，保持架21和转动构件上端盖19组成。

实施例七：

如图15、16所示，图15是本发明所述另一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理主视图示意图；图16是本发明所述另一种大型垂直轴风机的支撑装置结构原理俯视图示意图；

本实施例是在实施例一的基础上，在所述支撑装置上，环形轨道的内部，设置有两个阻力型叶片。所述阻力型叶片的轴心位置是与环形水平轨道的轴心相重合的。所述阻力型叶片是采用金属板材加工成阻力型叶片，通过焊接或法兰盘连接在所述支撑装置上。

本文所例举实施例为两叶片或三叶片或四叶片风机，在此原理基础上，可以实施任意多个叶片，原理与本文所述相同，都在本发明保护范围之内。

本发明或实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明或实用新型的原理，在不脱离本发明或实用新型精神和范围的前提下本发明或实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明或实用新型的范围内。本发明或实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。