专利名称：垂直轴风力叶轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型的风力叶轮机，它能为各种目的、包括发电提供动力。
风力叶轮机大体上可分为两类，即垂直轴叶轮机和水平轴叶轮机。垂直轴叶轮机具有比水平轴叶轮机独有的优点。首先，垂直轴叶轮机可从任何方向接收风力，而不必重新定向到风的方向，这对于水平轴叶轮机来说则是必须的。这就意味着不需要复杂的布置来保持将叶轮机正确地对准风的方向。
垂直轴风力叶轮机的另一个主要优点是叶轮机的尺寸越大，则越容易构造，因为叶片离叶轮机的半径越大，在任何风速下叶轮机的转动将越慢。因此对于大型垂直轴风力叶轮机，由叶轮机转动所产生的离心力问题就不太突出。这与水平轴叶轮机正相反，其构造的规格较小，离心力就大并且以较高的张力来保持叶片，因此趋向于使叶片产生弯曲。然而对于大型的水平轴叶轮机，较小的离心力会造成严重的机械约束，例如由叶片弯曲应力所带来的那些约束，当水平轴叶轮机的尺寸增大时，这种约束也显著地增大。
大型垂直轴风力叶轮机一般采用翼型叶片，它们绕一支承塔均匀地分隔，支承塔的主轴线处于垂直方向。
也已得知，可构造一种垂直轴叶轮机，其中叶片的翼弦形成为具有一Troposkein曲线的形状，使得作用于叶片上的离心力为张力而非弯曲力。但是，采用这种曲线形状的缺点是叶片的大部分处于背风角度，因而只能捕获部分风能。因此很显然，一更加有效的翼型叶片会带来效率的显著增大。
在设计大型垂直轴风力叶轮机中，可以利用一相对较高的展弦比，即翼长相对于翼弦的比率。仅仅当叶片的实际长度为相对于其扫掠直径时，才能取得这一较好的展弦比，并且这需要采用牵拉钢缆等来加固该结构。由于在叶轮机工作时产生机械力，因此需要特别仔细地设计用于加固该结构的装置，并且这通常是采用牵拉钢缆等来加固该结构，这些牵拉钢缆同时位于旋转的叶片之下与之上。
已知的垂直轴风力叶轮机的一个缺点在于难以合适地支承风力叶轮机结构。虽然可以构造一静止的支承塔，其不需要牵拉钢缆等，但展弦比越大，支承就越困难，因为叶片的物理尺寸及作用于叶轮机上的负荷增大，因此在已有形式的垂直轴叶轮机中，一般不怎么采用较高的展弦比。当构造具有较高展弦比的一大型垂直轴风力叶轮机时，就产生了问题，并且尤其是合适地支承叶轮机的问题，该支承必须经受由于叶轮机转动及风力冲击而产生的相当的力。为此，一般在各个位置向结构连接有牵拉钢缆或者有时是刚性的支杆，以同时在旋转的叶片之下与之上合适地支承叶轮机。为了获得满意的固定，需要采用一不切实际的高的中央系统，以在翼型叶片的顶部与牵拉钢缆之间提供合适的间隙。除了因使用牵拉钢缆等而需要空间外，另一缺点在于牵拉钢缆可能会与风力气流发生干涉。当使用牵拉钢缆时的还一个缺点是，如果中央支承结构随叶片转动，则由牵拉钢缆作用于结构上的张力会对轴承增加额外的负荷。
申请人认为，为取得最大的效率和动力，垂直轴叶轮机的翼型叶片应当基本笔直，并且其纵轴线应当大致垂直。对于大型的动力产生装置，最小尺寸的叶轮机应当至少具有两个、最好是三个垂直叶片，叶片离支承塔等距离，叶片具有最好是等于叶片离塔结构的径向距离至少1.5倍的长度。
美国专利说明书第4204805号公开了一种垂直轴风力叶轮机，其具有一个连接于一中央轮毂上的可转动的装置，该中央轮毂支承于位于一固定的塔的顶部的轴承上。一扭力轴连接于轮毂的轴线并且轴向向下伸过所述的塔。诸如钢缆之类的牵拉件连接在塔顶附近、位于转动的装置之下的位置，以加固所述的塔。
英国专利说明书第2008202号公开了一种转子，其可绕一轴的垂直轴线转动，所述的轴从也由牵拉缆绳加固的塔向上伸出。
美国专利说明书第4082279号描述了一种Darrieus类型的风力叶轮机，其具有由两个叶片构成的一转子，叶片的端部连接于塔的两端附近，该塔为支承在两端的轴承内的一桁架结构。上轴承包括与牵拉钢缆相连的装置，以通过牵拉钢缆将结构的顶部保持定位。下轴承安装在一支承结构上。
美国专利说明书第4037989号公开了一种垂直轴风力叶轮机，其具有一固定的框架件，该框架件上安装有一风力转子，该框架件由从一基座件延伸的支柱构成，以构成一金字塔状的构造。框架件的顶部具有一轴承用来安放风力叶轮机，同时一可转动的轴安装在该固定的框架件内，并且在框架件下延伸到一动力传输装置，该动力传输装置位于连接到塔的支柱的一平台上。风力转子连接到转动轴的上端。
英国专利说明书GB2286637公开了一支承塔，其具有转子臂，所述的转子臂绕一塔架安装。叶片支承在两组隔开的转子臂上，转子臂构成叶轮机组件的一部分。位置较低的那组转子臂枢接于塔架上。
澳大利亚专利说明书第91/79418号公开了一种风力叶轮机，其每一垂直取向的叶片通过一径向支承臂连接，其内端连接于一垂直轴上。
美国专利说明书第5319683号公开了一种风力叶轮机，其可安装在一已有的塔上。叶轮机组件包括转子臂，其从组件向外延伸并且连接于垂直排列的叶片的大致中间部位。该叶轮机组件可包括一框架，转子臂可绕该框架转动。转子臂通过也转动的一转子环绕塔转动。
英国专利说明书GB2249143公开了一种垂直轴风力叶轮机，其具有若干对连接于一转子上的臂，其中位置较高的臂从其与转子的连接点处向下倾斜，而位置较低的臂则从其与转子的连接点处向上倾斜。叶片、转子及臂组合起来，形成一桁架状的结构。一驱动轴从塔向上延伸并且枢接在邻近于塔顶的轴承内，并且其部分伸到塔以下。因此，驱动轴的轴承以及转子的支承位于转子机构之下。
英国专利说明书第2202592号公开了一种垂直轴风力叶轮机，其包括上下转轮，叶片在上下转轮之间延伸。上下转轮由连杆件连接。
美国专利说明书第4764090号公开了一种风力叶轮机，其采用四个翼型叶片，这些叶片连接在上下支承轮辐组之间，这些轮辐组则支承于一转动的垂直柱上。垂直柱可转动地安装在一支承基座上，从而整个装置将转动并且由设置于翼型叶片下的基座所支承。
英国专利说明书GB2175350公开了一种垂直轴风力叶轮机，其采用支撑的翼型叶片，这些叶片以大致V型构造安装。一固定的支承塔上设置有一垂直延伸的可转动的轴，叶片的各支撑件从轴延伸。
美国专利说明书第4383801号也公开了一种垂直轴风力叶轮机，其叶轮机装置可转动地支撑在一中央动力轴上，该动力轴从一固定的安装座向上延伸，从而使叶轮机机构的轴承又位于实际机构之下。
美国专利说明书第4355956号也涉及一种垂直轴风力叶轮机，其具有一转动的框架，该框架上安装有许多弹性叶片，这些叶片的前边缘固定在转动的框架上。该框架固定于一垂直轴的上端，所述的垂直轴由安装在框架内的推力轴承支持。
由现有技术的教导显然可知，具有满意的展弦比的大型垂直轴叶轮机通常需要连接到转动的叶片之上的牵拉钢缆。
因此，本发明的一目的是提供一种改进的结构和提供对大型垂直轴风力叶轮机构造的改进，其可克服上述缺点或者至少可以减少已知的垂直轴风力叶轮机的缺点。
因此，本发明的一种形式可以说包括用于垂直轴风力叶轮机的一支承结构，所述的支承结构包括一转塔，该转塔被支承成可绕处于一大致垂直位置的一固定的支柱转动，所述的转塔包括若干个臂，这些臂从塔大致径向地延伸，并且连接到隔开的垂直布置的翼型叶片上，并且其中所述的转塔具有一承载轴承，它位于翼型叶片高度的大致一半的位置，以支承转塔。所述的臂及固定支柱上的翼型叶片的重量，并且其中所述转塔的下端包括一侧向(横向)轴承布置，其与所述的固定支柱相连，并且使所述的转塔设置在所述固定支柱的侧向。
最好是，将连接于一机器的一驱动轴连接到所述承载轴承位置的转塔上，并且向下伸过转塔与侧向轴承布置，其中所述的机器由叶轮机驱动。
最好是，翼型叶片从转塔等距地支承，并且翼型叶片的高度是转塔与所述叶片之间径向距离的至少1.5倍。
最好是，每一翼型叶片大致为平面形的。
最好是，每一叶片通过至少两个支承臂从转塔支承，其中支承臂彼此等距地隔开。
最好是，侧向轴承布置包括一系列的轴承转轮，这些转轮彼此以固定的空间关系绕所述的固定支柱装轴颈，并且其中每一所述的轴承转轮的周边支承在一轨道上，该轨道与转塔相连。
下面结合附图描述本发明的优选实施方式，附图中
图1为根据本发明的一大型垂直轴风力叶轮机的局部立体图；图2为一详图；图3为图1所示垂直轴叶轮机的侧视平面图；而图4为图3所示叶轮机的一部分的放大的剖视图；图5为图1所示叶轮机的一视图，但表示叶片支承的变型方式。
参照附图，叶轮机包括保持在垂直方向的三个叶片1，其由支承臂2连接于一转塔3上。叶片的长度最好约等于叶片到转塔的半径的至少1.5倍，但这可根据需要而变化。如所示，叶片1采用本技术领域中已知的翼型剖面。转塔3可以是公知的桁架型构造或者不是，其采用本技术领域中所熟知的方式适当地构成，并支承在一塔架4上。虽然塔架4最好为图中所示的三角形结构，但其也可为桁架构造并且可采用各种各样的形状，以提供所需的结构刚度，同时呈现尽可能小的轮廓以产生最小的风阻。
转塔3由通过三角支柱7连接的许多梁6构成，以形成一刚性构架，其中塔通过一主承载轴承8被支承在一大致垂直的位置，而主承载轴承8则位于转塔3高度的大致中间位置。该轴承8的轴颈在一固定支柱9的顶部，而支柱9以可在塔架4上方垂直延伸的方式由塔架4支承。该固定支柱可以为实心或空心结构，也可根据所需采用桁架或半开放式结构。尤其是如图4所示，承载轴承8包括一轮毂12，其中支承臂2与转塔3以这样的方式连接于该轮毂12上，即支承臂2、转塔3及叶片1的重量将作用于轮毂12并传递至推力轴承13上，而推力轴承13以轮毂12可转动的方式安装，并由固定在固定支柱9上部的一轴承支承件15定位。
一驱动轴20诸如通过其延伸部分20a由轴承13支承的方式被合适地连于轮毂12上。该驱动轴可通过任何合适的装置连接到轮毂12上，作为例子，一种此类装置为将螺母21拧旋在延伸部分20a的螺柱上。该驱动轴可伸过固定支柱9的基座连接到一被驱动的机器上。该驱动轴20在固定支柱9内可具有合适的轴承(图中未示出)，以保持驱动轴正确的定位。
主承载轴承8支承转塔3、支承臂2和翼型叶片1的重量，并布置在空气动力基本上平衡的位置。
转塔3的下部设置在一固定的空间位置但可自由转动。获得这种结果的一优选方式是采用若干轴承转轮25(尤其见图2)，而在一更好的方式中，轴承转轮由臂26把轴颈装于转塔3的机架上。轴承转轮25这样定位和设置，使其周边将支承于圆周表面28上，其中圆周表面28为固定支柱9的基座的圆形环台。因此，当转塔3旋转时，通过绕固定支柱的圆形环台28滚动的轴承转轮25，使塔底保持与固定支柱特定的空间关系，从而降低了在转塔内可能出现的任何运动失衡。最好是，轴承转轮25彼此相隔大约120°设置，以利用转塔基座的最大的杠杆效率，从而使作用于这三个转轮上的负荷最小。
在支承转塔的下端的一种变型方法中，轴承转轮可装轴颈于一环绕固定支柱9的框架上，并且转轮的周边可支承于一环形轨道的内侧，所述的环形轨道设置和支承在转塔上。在另一种变型方式中，取代轴承转轮的是一大尺寸的滚珠或滚子轴承，其内圈孔啮合在转塔上，而其外圈的周边则设置在固定于塔架4的一壳体内。显而易见，轴承系统25的功能是吸收在塔3转动时产生的任何侧向推力。
在图示的构造中，所示的转塔由许多段桁架构件构成。可以理解，当叶片长度增大时，可能需要利用附加的支承臂2，此时通过增加附加的桁架构件段可改变转塔的构造，以提供一具有所需高度和刚性的塔。
按照本发明，可以为一垂直轴叶轮机建立一种支承结构，其无需牵拉钢缆或其它形式的支承。因此，翼型叶片不会受到来自于牵拉钢缆和其它支承件的任何屏蔽作用，这些牵拉钢缆和其它支承件是支承垂直轴叶轮机结构曾经所需要的。
本发明也可构造一种具有笔直或基本笔直的直立翼型叶片的垂直轴叶轮机。最好是，叶片的长度与叶片离转塔的支承距离被设置成能限制离心力，以产生最佳的应力标准。已经发现，例如，在合理的限度内，叶片2离转塔隔开的径向距离越大，离心应力就越小。
本发明的垂直轴叶轮机的另一优点是提供足够的支承，以使由于在叶片尖端速度离心力作用下在叶片上产生的弯曲应力最小，该叶片尖端的速度可达到风速的8倍。如果需要，可采用诸如图3中30、31所示支柱的附加支承件来进一步支承叶片。
虽然图中所示塔架和转塔最好是三角形状，但可理解可由各种形状来形成这些构件。例如，塔架可为固定支柱的延伸，其既可是同样的总体构造，也可是不同的总体构造。虽然图中所示的塔架为自支承方式，但可理解其它形状的塔架可能需要使用牵拉钢缆或其它类型的支承件以及稳定装置，但由于其总体构造，所有这些支承件都可保持在转动的叶片的位置以下，因此不会干扰或者挡住流向翼型叶片的风。
已描述了本发明的一优选实施方式，然而应当理解，可以进行对于本领域内的普通技术人员来说显而易见的各种修改和变化，这种修改和变化都将包括在本发明的范围之内。
权利要求
1.用于一垂直轴风力叶轮机的一种支承结构，所述的支承结构包括可绕一固定支柱转动地支承的转塔，该固定支柱位于大致垂直位置，所述的转塔包括若干臂，这些臂从塔大致径向延伸并且连接到隔开的垂直地布置的翼型叶片上，其特征是所述的转塔具有一承载轴承，它位于翼型叶片高度的大致一半的位置，以支承转塔、所述的臂和固定支柱上的翼型叶片的重量，并且其中所述转塔的下端包括一侧向轴承布置，其与所述的固定支柱相连并使所述转塔的下部位于所述固定支柱的侧面。
2.如权利要求1所述的支承结构，其特征是一驱动轴在所述承载轴承的位置连接到转塔上，并且向下伸过转塔及侧向轴承布置，其中所述的驱动轴用于连接到一被驱动的机器上。
3.如权利要求1所述的支承结构，其特征是翼型叶片离转塔等距地支承，并且翼型叶片的高度为转塔与所述叶片之间径向距离的至少1.5倍。
4.如权利要求1所述的支承结构，其特征是每一翼型叶片大致为平面的。
5.如前述权利要求之任一所述的支承结构，其特征是每一叶片由至少两个彼此等距地隔开的支承臂从转塔被支承。
6.如权利要求1所述的支承结构，其特征是侧向轴承布置包括一系列彼此成固定的空间关系装轴颈于一壳体内的轴承转轮，并且每一所述的轴承转轮的周边抵靠于与固定支柱相连的一轮毂上，其中所述的壳体与转塔的下端相连。
7.如权利要求1所述的支承结构，其特征是侧向轴承布置包括一系列轴承转轮，这些轴承转轮彼此以绕所述固定支柱固定的空间关系装轴颈，并且每一所述轴承转轮的周边抵靠于与转塔相连的一内轨道上。
8.如权利要求1所述的支承结构，其特征是侧向轴承布置包括位于固定的塔上的一轮毂与同所述转塔相连的一环形壳体之间的一滚珠或滚子。
全文摘要
提出了用于一垂直轴风力叶轮机的一种支承结构,其中翼型叶片(1)通过支承臂(2)与一转塔(3)径向隔开,翼型叶片(1)大致笔直和垂直定位。转塔和相连结构的重量由一承载轴承支承,该轴承位于在翼型叶片(1)高度大致中间的一固定支柱(9)上。一侧向轴承布置(25)与转塔(3)的下端相连并且使转塔(3)位于固定支柱的侧面。
文档编号F03D11/00GK1183134SQ96193626
公开日1998年5月27日 申请日期1996年3月28日 优先权日1995年3月29日
发明者欧文·G·威廉姆森 申请人:欧文·G·威廉姆森