專利名稱：風力機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力機，更具體地，涉及一種能展示出高輸出功率并能夠降低構(gòu)造和維護費用的水平軸風力機。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域中所熟知的，風力機是將風能轉(zhuǎn)化為有用的電能的裝置。當風轉(zhuǎn)動槳葉時產(chǎn)生運動，這樣風力機利用槳葉的轉(zhuǎn)動力產(chǎn)生電。因此風力機使用風能作為動力源，而風能是一種無限的清潔能源，故此進行無污染發(fā)電，用它代替化石燃料所取得良好的效果。此夕卜，通過在不發(fā)達區(qū)域、沿海區(qū)域、山區(qū)安裝風力機，能夠使國土利用合理化并提供有競爭力。此外，當在一個特定區(qū)域(例如島)上建造大規(guī)模風力發(fā)電廠綜合設(shè)施時，風力機還能充當旅游景點。因此，風力機正吸引更多的注意。自丹麥物理學(xué)家Poulla Cour于1891年以“轉(zhuǎn)子槳葉型”(所謂螺旋槳型)風力機的形式構(gòu)造了風力機以來，風力機處于公眾注意的中心且其尺寸不斷增加。此外，在風力發(fā)電中，風力機的輸出功率的變化取決于其構(gòu)造。例如，風力強度和風力機尺寸是非常重要的因素，因為當風更快且風力機更大時，能產(chǎn)生更多的風能。此外，風力機設(shè)置得越高越好，比設(shè)置得較低的風力機產(chǎn)生更多的電能，因為風力隨著高度增加而更強。為了使用風力來產(chǎn)生電力，需要有以4m/s或更大的平均速度吹動的風。這里的風速指風力機槳葉所在的高度處的風速而不是人們所站的地面上的風速。根據(jù)槳葉的轉(zhuǎn)動軸的方向?qū)⑦@樣的風力機分為豎直軸風力機(其中轉(zhuǎn)動軸垂直于地表設(shè)置)和水平軸風力機(其中轉(zhuǎn)動軸平行于地表設(shè)置)。水平軸風力機因結(jié)構(gòu)簡單而易于構(gòu)造。然而水平軸風力機受風力影響很大。雖然豎直軸風力機能構(gòu)造在沙漠或平原中而不管風向如何，但是其效率不佳，低于水平軸風力機的效率。圖IA和圖IB示出了具有典型水平軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子槳葉型風力機實例。如圖IA和IB所示，轉(zhuǎn)子槳葉型風力機包括轉(zhuǎn)子10 (其將風能轉(zhuǎn)化為機械轉(zhuǎn)動能)、短艙(nacelle)組件20 (其包括將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能的構(gòu)件)以及塔30 (其支撐短艙組件20)。通過將在塔30下方起支撐作用的基礎(chǔ)插件40埋入地下，風力機定位的基礎(chǔ)工作就穩(wěn)固的完成了，隨后在基礎(chǔ)插件40上方依次裝配塔30、短艙組件20和轉(zhuǎn)子10來完成風力機的安裝。轉(zhuǎn)子10包括轂鼻錐體組件14，轂鼻錐體組件14包括多個槳葉12 (例如以相等的間隔徑向地排列的三個槳葉)。轂鼻錐體組件14連接到主軸22，主軸22支撐在短艙組件20內(nèi)的基架24上。加速齒輪箱26、圓盤制動器28和發(fā)電機50依次裝配在主軸22上。在主軸22的正交方向上安置有槳葉12，因而當風吹動槳葉時，轂錐體組件14轉(zhuǎn)動。該轉(zhuǎn)動力傳遞給主軸22，且通過加速齒輪箱26，主軸22的轉(zhuǎn)數(shù)增大，從而驅(qū)動發(fā)電機50發(fā)電。 在風力發(fā)電中，因為當槳葉轉(zhuǎn)動面(即，槳葉的轉(zhuǎn)動面)以直角與風向相交時，風能的利用率高，所以最優(yōu)選地是實現(xiàn)所謂的無偏航狀態(tài)。然而，由于風向不停地改變，其中槳葉的轉(zhuǎn)動面不再與風向以直角相交而有所偏離，這就存在偏航誤差。隨著偏航誤差的變大，風力的利用率下降。
為了防止上述問題，風力機還包括設(shè)置在短艙組件20中的主動偏航系統(tǒng)60，具體如圖2所示。主動偏航系統(tǒng)60包括齒輪62，其安裝在塔的上端部形成的法蘭的頂部上；以及風向控制馬達64，其與齒輪62聯(lián)鎖。當風向改變時，操作與齒輪62聯(lián)鎖的風向控制馬達64以轉(zhuǎn)動短艙組件20，進而實現(xiàn)主動偏航控制。相應(yīng)地，操作槳葉12以便持續(xù)地面向風。在圖中，附圖標記66表示風向儀。圖3示出了具有典型的水平結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子槳葉型風力機，其中發(fā)電機安裝在地面上或塔下。如圖3所示，短艙組件20通過軸承組件82支撐在塔30的上部。在該狀態(tài)下，主軸22的轉(zhuǎn)動力通過主動錐齒輪72a傳遞給與主動錐齒輪72a嚙合的從動錐齒輪74a的豎直塔軸76，然后通過從動錐齒輪72b經(jīng)由轉(zhuǎn)動軸78傳遞給加速齒輪箱26。加速齒輪箱26用于驅(qū)動發(fā)電機50。在這種配置時，發(fā)電機50可設(shè)置在地面上或距地面上方不遠的預(yù)定高度處。然而，該情況下，當轉(zhuǎn)子10的槳葉12的轉(zhuǎn)動力通過主動錐齒輪 74b (與豎直塔軸76的下端相耦合)以及通過轉(zhuǎn)動軸78的從動錐齒輪72b傳遞時，塔軸76受到由從動錐齒輪72b施加給主動錐齒輪74b的排斥力矩(repulsive torque)(顯示為虛線)。該排斥力矩引起短艙組件20轉(zhuǎn)動。因此，為了排除該排斥力矩，必須向主動偏航系統(tǒng)的內(nèi)部添加強有力的止轉(zhuǎn)功能。因此，風力機通常設(shè)置在短艙組件內(nèi)而不設(shè)置在地面上或地面附近的位置處，這樣使成本增加。通常，在兆瓦級風力機的情況下，考慮到風向以及其他因素，塔被設(shè)計為約50m至80m高。此外，要求塔支撐約為100噸的總塔頭質(zhì)量，即負荷包括發(fā)電機以及其上部的轉(zhuǎn)子在內(nèi)的短艙組件。因此必須將塔設(shè)計為能滿足這樣的條件的結(jié)構(gòu)強度，且塔的頂部法蘭巨大，其外徑將近3m，這就增加了構(gòu)造和維護費用。此外，由于所述槳葉為線性，強烈的阻力增加能量損失，且旋轉(zhuǎn)的槳葉導(dǎo)致大量的氣動損耗。在順風的情況下，在塔的反流(backwash)中形成低壓區(qū)域,從而增加噪聲(noise)并引起葉輪的疲勞。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明提供一種風力機，其中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能被傳遞給發(fā)電機，該發(fā)電機置于風力機構(gòu)造處附近。此外，本發(fā)明提供一種風力機，其中在沒有主動偏航系統(tǒng)的情況下，通過平衡風力機的負荷引起的排斥力矩實現(xiàn)了零偏航。此外，本發(fā)明提供一種能增加輸出能力并降低噪聲(發(fā)生在葉輪穿過在塔的反流中形成的低壓區(qū)域時)的風力機。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種水平軸風力機，包括轉(zhuǎn)子，其具有通過風吹而轉(zhuǎn)動的輪轂和槳葉；短艙組件，其通過主軸可轉(zhuǎn)地支撐轉(zhuǎn)子，其中主軸與轉(zhuǎn)子相連；塔，其可轉(zhuǎn)地支撐短艙組件；發(fā)電機，其放置在修建塔的位置附近；可轉(zhuǎn)動的豎直軸，其配置在塔的內(nèi)部并與主軸正交，用于將主軸的轉(zhuǎn)動力傳遞給發(fā)電機；以及排斥力矩平衡機構(gòu)，其用于將短艙組件的轉(zhuǎn)動力(該短艙組件的轉(zhuǎn)動力由于發(fā)電機的負荷而來源于排斥力矩)在平衡排斥力矩的方向上傳遞給豎直軸。
優(yōu)選地，排斥力矩平衡機構(gòu)包括配置在豎直軸的下方的機殼，其用于可轉(zhuǎn)地支撐水平軸，其中水平軸與豎直軸嚙合并與所述豎直軸正交；與豎直軸正交地配置的下支架，其用于可轉(zhuǎn)地支撐所述機殼，以及用于可轉(zhuǎn)地支撐發(fā)電機的轉(zhuǎn)動軸；以及傳遞單元，其用于將短艙組件的轉(zhuǎn)動力傳遞給機殼。 優(yōu)選地，水平軸風力機進一步包括運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，其用于將水平軸的轉(zhuǎn)動力(其中水平軸相對于豎直軸轉(zhuǎn)動)傳遞給轉(zhuǎn)動軸。優(yōu)選地，運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)包括第一轉(zhuǎn)化部分，其用于將水平軸的轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為線性往復(fù)運動，這樣就與豎直軸的方向垂直相交；第二轉(zhuǎn)化部分，其用于將線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動力并將該轉(zhuǎn)動力傳遞給轉(zhuǎn)動軸；以及推力軸承組件，其連接在第一轉(zhuǎn)化部分和第二轉(zhuǎn)化部分之間，并可相對于豎直軸轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，第一轉(zhuǎn)化部分和第二轉(zhuǎn)化部分各自都包括從下述選出的任一種蘇格蘭軛(Scotch yoke)、曲柄和連接桿對、圓形凸輪和滑塊對、具有圓形槽的凸輪和滑塊對、斜盤凸輪和滑塊形對。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)化組件包括多個第一轉(zhuǎn)化部分以及多個第二轉(zhuǎn)化部分。優(yōu)選地，傳遞單元包括中空段，其附接于所述短艙組件的下部、環(huán)繞豎直軸的局部和機殼并附接于機殼的下部。優(yōu)選地，傳遞單元包括平衡軸，其與短艙組件的下部以及所述機殼的下部嚙合。優(yōu)選地，所述水平軸風力機進一步包括塔罩，該塔罩附接于短艙組件的下端、環(huán)繞塔的上部并相對于塔的轉(zhuǎn)子的相反的方向上偏心放置。優(yōu)選地，位置包括在構(gòu)建風力機的地面。優(yōu)選地，風力機包括海中的海上風力機，且位置包括支撐海上風力機的浮子的上表面。根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能通過塔軸傳遞給發(fā)電機，且在沒有主動偏航系統(tǒng)的情況下，平衡了施加在塔軸上的排斥力矩，從而減輕了整體重量并降低了構(gòu)造費用。此外，利用輕量級的短艙組件以及流線型的偏心罩(有助于短艙面朝迎風方向)可降低偏航誤差的時間。此外，由于發(fā)電機放置在地面附近的位置，使得發(fā)電機的維護更為容易。


本發(fā)明的上述及其它目標和特征，結(jié)合附圖對以下優(yōu)選實施例進行描述將變得明顯,其中圖IA和IB示出了相關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)子槳葉型風力機的后視和側(cè)視示意圖；圖2為圖IA和IB中示出的偏航系統(tǒng)的詳細視圖；圖3為解釋排斥力矩的概念性視圖，其中在主軸的轉(zhuǎn)動力通過豎直塔軸傳遞給地面上的發(fā)電機時發(fā)生的排斥力矩；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的風力機的側(cè)剖面圖；圖5為圖4所示的塔的上部和短艙組件的詳細視圖；圖6示出了圖4所示的在豎直軸的下部中的排斥力矩平衡機構(gòu)的配置示意圖；圖7示出了圖4中所示的豎直軸的下部中的軛系統(tǒng)構(gòu)造的示意透視圖8為沿著圖6中的線VIII-VIII所得的剖面視圖；圖9為解釋將豎直軸的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為線性運動的蘇格蘭軛構(gòu)形的示意圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的風力機的側(cè)視圖；圖11為圖10中所示的豎直軸的下部中的排斥力矩平衡機構(gòu)的構(gòu)造的示意圖；圖12A和12B分別示出了相關(guān)技術(shù)的線性槳葉和根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的回掃翼型獎葉的視圖；圖13A和13B分別示出了圖12B中所示的回掃翼型槳葉和設(shè)計來去除空氣渦流(air vortex)的塔罩安裝在短艙組件上的狀態(tài)的后視圖和側(cè)視圖；以及圖14A和14B分別示出了當未安裝塔罩時的空氣流動的平面圖以及顯示當安裝了圖13A和13B中所示的塔罩時的空氣流動的平面圖。
具體實施例方式以下將參照所附附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易地實施。所有附圖中，在不同附圖中始終用相同的附圖標記指代相同的或相似的構(gòu)件。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的風力機的側(cè)剖面圖；圖5為圖4所示的塔的上部和短艙組件的詳細視圖；圖6示出了圖4所示的在豎直軸的下部中的排斥力矩平衡機構(gòu)的配置示意圖；圖7示出了圖4中所示的豎直軸的下部中的軛系統(tǒng)的構(gòu)造的示意性透視圖；圖8為沿著圖6中的線VIII-VIII所得的剖面視圖；以及圖9為解釋將豎直軸的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為線性運動蘇格蘭軛的構(gòu)形的示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的該實施例的風力機包括塔100、短艙組件200、轉(zhuǎn)子300以及發(fā)電機500。根據(jù)該實施例，發(fā)電機600放置在構(gòu)造該風力機的位置附近而不安裝在短艙組件200內(nèi)。此處，該位置在風力機設(shè)置于地面上的情況下，對應(yīng)于地面650，或?qū)?yīng)于支撐海中的海上風力機浮子的上表面。風力機還包括設(shè)置在塔100內(nèi)的以平衡發(fā)電機600的負荷引起的排斥力矩力矩平衡機構(gòu)500。此外，在風力機中，雖然短艙組件200未設(shè)置有主動偏航系統(tǒng)，但實現(xiàn)了零偏航系統(tǒng)，其中短艙組件200可通過介于短艙組件200和塔100之間的軸承而相對于塔100自由移動。如圖5中詳細示出的，短艙組件200在其下部包括內(nèi)法蘭250和外法蘭260。塔100的上內(nèi)表面和內(nèi)法蘭250之間通過內(nèi)軸承420偶聯(lián)，且塔100的上外表面和外法蘭260之間通過外軸承410偶聯(lián)。因此，在沒有主動偏航系統(tǒng)的情況下，該實施例的風力機僅使用施加在后文將描述的塔罩370 (見圖13B和圖14B)和槳葉310上的風力的反作用力來相對于塔100自由地轉(zhuǎn)動短艙組件200而實現(xiàn)了零偏航系統(tǒng)。主軸220可轉(zhuǎn)地設(shè)置在短艙組件200的內(nèi)部并由一對支架210水平支撐。主軸220的一端與附接有槳葉的轉(zhuǎn)子300相連，且主軸220的另一端與主軸錐齒輪230相連。當風力轉(zhuǎn)動槳葉310時主軸220轉(zhuǎn)動?？赊D(zhuǎn)動的豎直塔軸120豎直地設(shè)置在塔100的內(nèi)部，并具有附接于其上端的上錐齒輪110以及附接于其下端的下錐齒輪112。上錐齒輪110與主軸220的主軸錐齒輪230嚙合。因此，主軸220的轉(zhuǎn)動力被傳遞給豎直軸120。傳遞給塔軸120的轉(zhuǎn)動力通過排斥力矩平衡機構(gòu)500，通過轉(zhuǎn)動軸610在加速齒輪箱620中加速然后傳遞給發(fā)電機600。、
如圖7所示，塔100的內(nèi)部還設(shè)置有內(nèi)殼400，內(nèi)殼400包括上部中空段402、中間殼體404以及下支架406。豎直軸120穿過上部中空段402的內(nèi)部，且豎直軸120的下錐齒輪112位于中間殼體404的內(nèi)部。此外，第一軛單元520位于中間殼體404的內(nèi)部，第二軛單元560和在第二軛單元560上面的推力軸承組件540位于下支架406的內(nèi)部。每個第一和第二軛單元520和560都是將轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為線性往復(fù)運動(或相反)的運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，且不限于此，例如，可包括蘇格蘭軛。這樣的機構(gòu)的其它實例可包括曲柄和連接桿對、圓形凸輪和滑塊形對、具有圓形槽的凸輪和滑塊形對、斜盤凸輪和滑塊對等。
機殼408所具有的下端附接于中間殼體404的下端。機殼408的下端通過軸承409可轉(zhuǎn)地偶聯(lián)到下支架406上。水平轉(zhuǎn)動軸440被可轉(zhuǎn)地支撐在機殼408內(nèi)。與豎直軸120的下錐齒輪112嚙合的機殼錐齒輪442附接于水平轉(zhuǎn)動軸440的一端，且轉(zhuǎn)動齒輪444附接于水平轉(zhuǎn)動軸440的另一端。此外，第一軛單元520的第一凸輪轉(zhuǎn)動軸450被可轉(zhuǎn)地支撐在機殼408內(nèi)使得它平行于水平轉(zhuǎn)動軸440。與轉(zhuǎn)動齒輪444嚙合的凸輪轉(zhuǎn)動齒輪446附接于第一凸輪轉(zhuǎn)動軸450的一端。導(dǎo)向盤470設(shè)置在第一軛單元520和推動力軸承組件540之間。在下支架406中，導(dǎo)向盤460設(shè)置在推動軸承組件540和第二軛單元560之間。第二軛單元560的第二凸輪轉(zhuǎn)動軸480連接到轉(zhuǎn)動軸610。如圖6至8所示，第一軛單元520包括一個或多個圓形偏心凸輪522、一個或多個長方形機架524、以及一個或多個軛526。圓形偏心凸輪522固定在第一凸輪轉(zhuǎn)動軸450上，并優(yōu)選包括三對偏心凸輪。長方形機架524垂直于穿過其內(nèi)部的第一凸輪轉(zhuǎn)動軸450。軛526隨裝入其中的每個偏心凸輪522 —起在每個長方形機架524的內(nèi)部往復(fù)移動。與所述圓形偏心凸輪一樣，長方形機架524和軛526分別由三對構(gòu)成。為了繪圖的簡單性起見，圖7僅繪出一對圓形偏心凸輪522、長方形機架524和軛526。連接桿528附接于每個長方形機架524的下部并通過導(dǎo)向盤470的孔472。因此，當?shù)谝煌馆嗈D(zhuǎn)動軸450轉(zhuǎn)動時，軛526在長方形機架524的內(nèi)部側(cè)向地往復(fù)移動，使得連接桿528穿過導(dǎo)向盤470的每個孔472豎直地往復(fù)移動，這將在以下進行討論。該情況下，如果第一軛單元520包括多個長方形機架524和多個偏心凸輪522，則可能更穩(wěn)定地傳遞動力。在第二軛單元560中同樣如此。此外，當短艙組件200自由轉(zhuǎn)動時，連接桿528隨其距離豎直軸的中心更遠而受到更大的剪切力(shearing force)。因此,優(yōu)選隨連接桿528距離豎直軸120的中心變遠而增加附接于長方形機架524的連接桿528的數(shù)目。如上所述，短艙組件200通過上部中空段402以及中間殼體404與附接于中間殼體404的機殼408整合相連。因此，當轉(zhuǎn)子300在風中轉(zhuǎn)動時，短艙組件200受到因發(fā)電機600的負荷而產(chǎn)生的排斥力矩，使得轉(zhuǎn)動力被傳遞給與短艙組件200整合地相連的機殼408上。從而，當機殼408獲得轉(zhuǎn)動力時，在與排斥力矩方向相反的方向上的力矩通過可轉(zhuǎn)地支撐在機殼408中的機殼錐齒輪442被傳遞給豎直軸120的下錐齒輪112，從而平衡了排斥力矩。以下為對于消除短艙組件200響應(yīng)發(fā)電機600的負荷所致的排斥力矩而轉(zhuǎn)動的上述現(xiàn)象的詳細說明。主軸錐齒輪230受到來自上錐齒輪110的排斥力矩，且排斥力矩傳遞給支撐主軸220的一對支架210，這引起短艙組件200的轉(zhuǎn)動。這種情況下，短艙組件200上的力矩的方向與上錐齒輪Iio轉(zhuǎn)動的方向相反，即排斥力矩的方向。以下為向豎直軸120的下錐齒輪112施加力矩的操作的說明，其中力矩在與排斥力矩的方向相反的方向上。當機殼408隨短艙組件200 —起受到在與上錐齒輪110轉(zhuǎn)動的方向相反的方向(即排斥力矩的方向)上的轉(zhuǎn)動力時，可轉(zhuǎn)地支撐在機殼408中的水平轉(zhuǎn)動軸440在與機殼408上的排斥力矩的方向相同的方向上也受到力矩。這種情況下，與附接于水平轉(zhuǎn)動軸440的套錐齒輪442嚙合的下錐齒輪112也受到力矩。下錐齒輪112上的力矩的方向與機殼408上的力矩的方向相反(與排斥力矩的方向相反)。即，在平衡排斥力矩的方向上的力矩被傳遞給下錐齒輪112。 推力軸承組件540包括，與連接桿528的下部相偶聯(lián)的上和下圓形推動器對542以及介于圓形推動器542之間的推力軸承544。連接桿548連接到下圓形推動器542的下部以便穿過導(dǎo)向盤460的孔462。當上圓形推動器542被連接桿528的垂直往復(fù)運動擠壓時，下圓形推動器542通過推力軸承544被擠壓，使得連接桿548穿過導(dǎo)向盤460的孔462
垂直往復(fù)。當短艙組件200隨著風向轉(zhuǎn)動時，連接桿528也轉(zhuǎn)動。這樣，推力軸承544允許連接桿528相對于下支架406自由轉(zhuǎn)動的同時線性往復(fù)。第二軛單元560具有與上述第一軛單元520相同的構(gòu)件。然而，第二軛單元560與第一軛單元520的操作相反。更具體地說，當連接桿548穿過導(dǎo)向盤460的孔462垂直往復(fù)時，軛526在長方形機架524的內(nèi)部往復(fù)移動。這將引起偏心凸輪522的轉(zhuǎn)動以及隨后的第二凸輪轉(zhuǎn)動軸480的轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動軸610。以下，將就如上述的構(gòu)形的該實施例的風力機的操作給出說明。當風力以例如4m/s或更高的速度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子300的槳葉310時，短艙組件200的主軸220被轉(zhuǎn)動。經(jīng)由豎直軸120的上錐齒輪110，主軸220的轉(zhuǎn)動力傳遞給豎直軸120，其中上錐齒輪110與附接于主軸220的主軸錐齒輪230嚙合。隨后，通過套錐齒輪442，水平轉(zhuǎn)動軸440和第一凸輪轉(zhuǎn)動軸450的轉(zhuǎn)動，其中通過套錐齒輪442與豎直軸120的下錐齒輪112嚙合，從而引起偏心凸輪522轉(zhuǎn)動。偏心凸輪522的轉(zhuǎn)動引起軛526在長方形機架524的內(nèi)部往復(fù)移動，使得第一軛單元520的連接桿528垂直往復(fù)。因此，上圓形推動器542進行垂直往復(fù)運動，接下來，經(jīng)由推力軸承544傳遞給下推動器542，使得下推動器542相應(yīng)地豎直往復(fù)。然后，第二軛單元560的連接桿548穿過導(dǎo)向盤460的孔462豎直往復(fù)。相應(yīng)地，軛526在長方形機架524的內(nèi)部往復(fù)移動，然后偏心凸輪522轉(zhuǎn)動。這將引起第二凸輪轉(zhuǎn)動軸480的轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動軸610。如上所述，當通過套錐齒輪442將與排斥力矩相反的方向上的力矩傳遞給豎直軸120時，平衡了與轉(zhuǎn)動軸610相連的發(fā)電機600的負荷所產(chǎn)生的排斥力矩，其中套錐齒輪442可轉(zhuǎn)地支撐在與短艙組件200相連的機殼408中。由于介于短艙組件200和塔100之間的外和內(nèi)軸承410和420、介于中間殼體404和下支架406之間的軸承以及推力軸承544，即使當風向改變時，短艙組件200也能相對于塔100自由地面朝風的方向。相應(yīng)地，在短艙組件200轉(zhuǎn)動以面朝風力的同時，轉(zhuǎn)動軸610通過使用加速齒輪箱620增加轉(zhuǎn)數(shù)而驅(qū)動發(fā)電機600。圖10為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的風力機，圖11顯示了圖10中所示的豎直軸的下部中的排斥力矩平衡機構(gòu)500的構(gòu)形。除了上部中空段402和中間殼體404，且平衡軸412與機殼408嚙合外，第二實施例的排斥力矩平衡機構(gòu)基本與第一實施例的相應(yīng)機構(gòu)相同。因此將略去對第二實施例的詳細說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，平衡軸412可依靠帶和鏈以及齒輪與上部中空段402以及機殼408嚙合。圖12A和12B分別示出了比較相關(guān)技術(shù)的線性槳葉和根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的回掃翼型槳葉的視圖；而圖13A和13B分別示出了圖12B中所示的回掃翼型槳葉和在短艙組件上安裝塔罩(用來去除空氣渦流)的后視和側(cè)視圖。優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明的實施例的風力機使用轉(zhuǎn)子300，其中轉(zhuǎn)子300包括圖 12B中所示的回掃翼型槳葉310。這樣的回掃翼型槳葉310包括轂附接部312和彎曲部314。轂附接部312等間距地附接于轂錐組件，并且轂附接部312的每個自由端以預(yù)定角度自轂附接部312的每個外端向后彎曲。具有回掃翼型槳葉310的轉(zhuǎn)子300增加了效率且降低了反應(yīng)噪聲(reaction noise),因為它將反應(yīng)阻力(reaction resistance)降低到小于相關(guān)技術(shù)的線性翼型槳葉。它還大大降低了低頻噪聲(low-frequency noise),因為回掃翼型槳葉310漸進地穿過在塔的反流中形成的低壓區(qū)域。如圖14B所示，本發(fā)明的風力機還包括附接于短艙組件200的下端并環(huán)繞塔100上部的塔罩700。當從上方看時，塔罩700具有細長的形狀，并相對于塔100偏心放置。更具體地說，在逆風方向(即與轉(zhuǎn)子310相對的方向)，塔罩700相對于塔100偏心放置。塔罩700通過與短艙組件200 —起轉(zhuǎn)動而起到引起塔100周圍空氣的流動。根據(jù)本發(fā)明，因既未安裝發(fā)電機也未安裝主動偏航系統(tǒng)，所以短艙組件200是輕量級的。這樣，短艙組件200可憑借于風力的改變而以低轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動，從而降低偏航誤差持續(xù)的時間。此外，由于具有偏心塔罩700的短艙組件200能快速地面朝順風，這就可進一步降低偏航誤差存在的時間。圖14A示出了未安裝圖13B中所示塔罩時的空氣流動的平面圖，而圖14B示出了安裝了圖13B中所示塔罩時的空氣流動的平面圖。如圖14A所示，在塔的反流中的空氣渦流形成了低壓區(qū)域。然而，如圖14B所示，去除了在塔的反流中的空氣渦流形成的低壓區(qū)域。這就降低噪聲(在順風情況下，當槳葉穿過塔的反流時所發(fā)生的噪聲)，并且降低了槳葉上的應(yīng)力(由低壓區(qū)域引起)，以便降低疲勞，從而防止槳葉受損。根據(jù)上述的本發(fā)明的實施例，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能通過豎直軸被傳遞給設(shè)置在地面上的發(fā)電機，其中豎直軸可轉(zhuǎn)動得豎直地設(shè)置在塔內(nèi)部。此處，通過使用排斥力矩平衡機構(gòu)平衡掉該豎直軸所受的排斥力矩，且實現(xiàn)了零偏航。因此，與相關(guān)技術(shù)的設(shè)備相比，使用更為簡單的設(shè)備就可產(chǎn)生更大的輸出功率。此外，盡管本發(fā)明是就順風型風力機進行說明的，排斥力矩平衡機構(gòu)也可用于逆風型風力機。在逆風型風力機的情況下，可在其中加入主動偏航系統(tǒng)。盡管是就優(yōu)選實施例展示和說明了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不違背如所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍，可作出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種水平軸風力機，包括 轉(zhuǎn)子，其具有通過風吹而轉(zhuǎn)動的輪轂和槳葉； 短艙組件，其通過主軸可轉(zhuǎn)地支撐所述轉(zhuǎn)子，其中所述主軸與所述轉(zhuǎn)子相連； 塔，其用于可轉(zhuǎn)地支撐所述短艙組件； 發(fā)電機，其放置在修建所述塔的位置附近； 可轉(zhuǎn)動的豎直軸，其配置在在所述塔的內(nèi)部并與所述主軸正交，用于將所述主軸的轉(zhuǎn)動力傳遞給所述發(fā)電機；以及 排斥力矩平衡機構(gòu)，其用于將所述短艙組件的轉(zhuǎn)動力在平衡所述排斥力矩的方向傳遞給所述豎直軸，其中所述短艙組件的轉(zhuǎn)動力由于發(fā)電機的負荷而來源于排斥力矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，所述排斥力矩平衡機構(gòu)包括 配置在所述豎直軸的下方的機殼，其用于可轉(zhuǎn)地支撐水平軸，其中所述水平軸與所述豎直軸嚙合并與所述豎直軸正交； 與所述豎直軸正交地配置的下支架，其用于可轉(zhuǎn)地支撐所述機殼，以及用于可轉(zhuǎn)地支撐所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)動軸；以及 傳遞單元，其用于將所述短艙組件的轉(zhuǎn)動力傳遞給所述機殼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平軸風力機，進一步包括運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，其用于將所述水平軸的轉(zhuǎn)動力傳遞給所述轉(zhuǎn)動軸，其中所述水平軸相對于所述豎直軸轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水平軸風力機，其中，所述運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)包括 第一轉(zhuǎn)化部分，其用于將所述水平軸的轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為線性往復(fù)運動，以便與所述豎直軸的方向垂直相交； 第二轉(zhuǎn)化部分，其用于將所述線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動力并將該轉(zhuǎn)動力傳遞給所述轉(zhuǎn)動軸；以及 推力軸承組件，其連接在所述第一轉(zhuǎn)化部分和第二轉(zhuǎn)化部分之間，并相對于所述豎直軸轉(zhuǎn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水平軸風力機，其中，所述第一轉(zhuǎn)化部分和所述第二轉(zhuǎn)化部分各自都包括從下述選出的任一種蘇格蘭軛、曲柄和連接桿對、圓形凸輪和滑塊對、具有圓形槽的凸輪和滑塊對、斜盤凸輪和滑塊對。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水平軸風力機，其中，所述轉(zhuǎn)化組件包括多個所述第一轉(zhuǎn)化部分以及多個所述第二轉(zhuǎn)化部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平軸風力機，其中，所述傳遞單元包括中空段，其附接于所述短艙組件的下部、環(huán)繞所述豎直軸的局部和所述機殼并附接于所述機殼的下部。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平軸風力機，其中，所述傳遞單元包括平衡軸，所述平衡軸與所述短艙組件的下部以及所述機殼的下部嚙合。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，所述水平軸風力機包括順風型風力機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水平軸風力機，進一步包括塔罩，所述塔罩附接于所述短艙組件的下端、環(huán)繞所述塔的上部并相對于所述塔在與所述轉(zhuǎn)子相反的方向上偏心放置。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，所述水平軸風力機包括順風型風力機。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，所述水平軸風力機包括逆風型風力機。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的水平軸風力機，進一步包括主動偏航系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，修建所述塔的位置包括修建所述風力機所在的地面。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風力機，其中，所述風力機包含海中的海上風力機，且修建所述塔的位置包括支撐所述海上風力機的浮子的上表面。
全文摘要
水平軸風力機包括轉(zhuǎn)子，其具有通過風吹而轉(zhuǎn)動的輪轂和槳葉；短艙組件，其通過主軸可轉(zhuǎn)地支撐轉(zhuǎn)子，其中主軸與轉(zhuǎn)子相連；塔，其可轉(zhuǎn)地支撐短艙組件；發(fā)電機，其放置在修建塔的位置附近；可轉(zhuǎn)動的豎直軸，其配置在塔的內(nèi)部并與主軸正交，用于將主軸的轉(zhuǎn)動力傳遞給發(fā)電機；以及排斥力矩平衡機構(gòu)，其用于將短艙組件的轉(zhuǎn)動力(該短艙組件的轉(zhuǎn)動力由于發(fā)電機的負荷而來源于排斥力矩)在平衡排斥力矩的方向上傳遞給豎直軸。
文檔編號F03D1/00GK102639867SQ201080054117
公開日2012年8月15日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者尹瑨穆 申請人:尹瑨穆