本發(fā)明涉及電力設(shè)備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種垂直軸風(fēng)機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們愈加重視對風(fēng)能的利用。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率將其分類，一般分為：微型機(jī)(10kW以下)；小型機(jī)(10kW至100kW)；中型機(jī)(100kW至1000kW)及大型機(jī)(1000kW以上，MW級風(fēng)機(jī))。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(以下簡稱“風(fēng)機(jī)”)主要由兩大部分組成：風(fēng)輪機(jī)部分——將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)部分——將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)部分可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)。

常用的風(fēng)機(jī)均為水平軸式風(fēng)輪機(jī)，存在以下缺點(diǎn):(1)體積大、重心高，安裝不便，需要拉纖固定，一旦遭遇強(qiáng)風(fēng)極易倒傾；(2)啟動(dòng)風(fēng)速較高，對風(fēng)場要求高，在微風(fēng)地區(qū)很難啟動(dòng)發(fā)電；(3)需加裝迎風(fēng)裝置，以保證風(fēng)輪機(jī)的葉輪始終處于最大受風(fēng)面所在位置，這為簡易型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)增加了難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種安裝方便、易于啟動(dòng)、 設(shè)計(jì)簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

因此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種垂直軸風(fēng)機(jī)，包括機(jī)箱、發(fā)電機(jī)、兩根牽拉鋼桿、固定橫梁、主軸和三片槳葉，其中：

三片所述槳葉沿所述主軸周向均勻分布并與所述主軸固定連接，所述槳葉為一曲面且曲率半徑由下至上逐漸增大，所述槳葉的上方和下方分別安裝有一頂盤和一底盤，所述頂盤和所述底盤均套設(shè)在所述主軸上并與所述主軸固定連接；

所述固定橫梁的兩端分別通過一根牽拉鋼桿與所述機(jī)箱的頂蓋固定連接，所述主軸的上端可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接至所述固定橫梁、下端穿過所述機(jī)箱的頂蓋伸入所述機(jī)箱內(nèi)，所述發(fā)電機(jī)安裝在所述機(jī)箱內(nèi)并連接至所述主軸的下端；所述頂盤和所述底盤上均加工有多個(gè)通孔。

進(jìn)一步，所述槳葉上安裝有多個(gè)沿豎直方向均勻布置的橫筋，所述橫筋的兩端分別延伸至所述主軸和所述槳葉的外邊緣，所述橫筋與水平面呈預(yù)設(shè)角度且所述橫筋在所述主軸的一端低于其在所述槳葉的外邊緣的一端，所述預(yù)設(shè)角度為27～33°。

進(jìn)一步，所述主軸的上端與所述固定橫梁之間、所述主軸的下端與所述機(jī)箱的頂蓋之間分別安裝有一止推軸承。

本發(fā)明中的垂直軸風(fēng)機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)安全性——采用垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此能夠較好解決葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題；

(2)噪音——水平軸式風(fēng)輪機(jī)采用垂直面旋轉(zhuǎn)且葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī) 翼原理設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行時(shí)噪音較大。而垂直軸式風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音可降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度；

(3)抗風(fēng)能力——垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使其受風(fēng)壓力小，在基礎(chǔ)固定穩(wěn)固的條件下可以抵抗速度30m/s以內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)；

(4)回轉(zhuǎn)半徑——由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，比其他形式風(fēng)輪機(jī)具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時(shí)提高了效率；

(5)發(fā)電曲線特性——由于垂直軸式風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，它的啟動(dòng)風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)機(jī)，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5～8m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，其發(fā)電量較其他類型的風(fēng)機(jī)高10％～30％；

(6)利用風(fēng)速范圍——垂直軸式風(fēng)機(jī)采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5～25m/s，在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性；

(7)剎車裝置——垂直軸式風(fēng)機(jī)可配置機(jī)械手動(dòng)和電子自動(dòng)剎車兩種，在無超強(qiáng)陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動(dòng)剎車即可；

(8)運(yùn)行維護(hù)——無需加裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只需定期(一般每半年)對鏈條傳動(dòng)部件的連接處進(jìn)行檢查。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直軸風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中垂直軸風(fēng)機(jī)中槳葉部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中槳葉上凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

如圖1至圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的垂直軸風(fēng)機(jī)，包括機(jī)箱1、發(fā)電機(jī)2、兩根牽拉鋼桿3、固定橫梁4、主軸5和三片槳葉6，其中：

三片所述槳葉6沿所述主軸5周向均勻分布并與所述主軸5固定連接，所述槳葉6為一曲面且曲率半徑由下至上逐漸增大，所述槳葉6的上方和下方分別安裝有一頂盤7和一底盤8，所述頂盤7和所述底盤8均套設(shè)在所述主軸5上并與所述主軸5固定連接；

所述固定橫梁4的兩端分別通過一根牽拉鋼桿3與所述機(jī)箱1的頂蓋9固定連接，所述主軸5的上端可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接至所述固定橫梁4、下端穿過所述機(jī)箱1的頂蓋9伸入所述機(jī)箱1內(nèi)，所述發(fā)電機(jī)2安裝在所述機(jī)箱1內(nèi)并連接至所述主軸5的下端。

進(jìn)一步，所述槳葉7上安裝有多個(gè)沿豎直方向均勻布置的橫筋10，所述橫筋10的兩端分別延伸至所述主軸5和所述槳葉7的外邊緣，所述橫筋10與水平面呈預(yù)設(shè)角度且所述橫筋10在所述主軸5的一端低于其在所述槳葉7的外邊緣的一端，所述預(yù)設(shè)角度為27～33°。

進(jìn)一步，所述主軸5的上端與所述固定橫梁4之間、所述主軸5的下端與所述機(jī)箱1的頂蓋9之間分別安裝有一止推軸承11。

進(jìn)一步，所述頂盤7和所述底盤8上均加工有多個(gè)通孔。

具體而言：

(1)機(jī)箱1的頂蓋7可以采用鋼板保證支撐剛度，其圓心處打葉輪軸過孔并焊裝軸承座；箱體用鋼板圍制與頂蓋7焊接；箱體正面居中設(shè)置單開檢修門并加鎖；箱體底部焊裝基礎(chǔ)固定法蘭和加強(qiáng)筋板；箱體上端采用鋼板左右對稱縱向焊裝加強(qiáng)耳板及鋼管以安裝葉輪固定構(gòu)架。

(2)主軸5的下端及發(fā)電機(jī)2軸上安裝齒輪組，用鏈條鏈接作為傳動(dòng)裝置。固定發(fā)電機(jī)2的構(gòu)件根據(jù)所選發(fā)電機(jī)規(guī)格采用鋼板制作。

(3)葉輪設(shè)計(jì)為三片槳葉6，位置互差120°，這樣設(shè)計(jì)的三片槳葉6對任意方向的來風(fēng)，都存在至少一片槳葉6處于一個(gè)極佳的受風(fēng)位置，特別是對于風(fēng)機(jī)在微風(fēng)情況下的啟動(dòng)較為有利。每片槳葉6由上至下呈斜線收窄并沿軸向彎成半圓弧，槳葉6的凹面部分的風(fēng)阻大于凸面部分的風(fēng)阻，以此產(chǎn)生壓力差驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。為了使風(fēng)動(dòng)效能更大，將槳葉6扭轉(zhuǎn)至頂端弦線與底端弦線之間呈15°夾角，運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一定量的螺旋上升氣流以減小因葉輪自重產(chǎn)生的對底部軸承的摩擦力。

(4)由于葉輪在風(fēng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，其間氣體流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓對頂盤7和底盤8形成復(fù)雜的作用力，在頂盤7和底盤8盤打孔，可以減小此作用力對葉輪穩(wěn)定性的影響。

(5)槳葉6表面設(shè)計(jì)有自主軸5向槳葉6外邊緣出射且與葉輪軸成約60度(與水平地面成30度)的橫筋10。橫筋10的設(shè)置有利于 提高槳葉6的強(qiáng)度和槳葉6表面的風(fēng)阻，并將氣流引向槳葉6邊緣，加大氣流作用力矩，增大風(fēng)能的利用效率；并同樣在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一定量的螺旋上升力以減小因葉輪自重產(chǎn)生的對底部軸承的摩擦力。

(6)主軸5與機(jī)架最好采用止推軸承11(止推圓錐滾子軸承)連接。止推圓錐滾子軸承是圓錐形滾子的軸承，其作用使轉(zhuǎn)動(dòng)軸有良好的同心度及承壓效果，有利于葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。滾針和滾道線接觸修正的結(jié)果可避免產(chǎn)生有破壞性的邊緣應(yīng)力。

(7)用鋼構(gòu)框架通過止推軸承11固定主軸，防止葉輪上部受力左右搖擺和上下位移。

槳葉6采用的材料性能對風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和效率有很大的影響。推薦采用價(jià)格相對低廉的鋁合金鑄壓成型，也可采用強(qiáng)度高質(zhì)量輕的碳纖維增強(qiáng)塑料注塑成型。

碳纖維增強(qiáng)塑料雖然價(jià)格較高，但若采用此種材料，其強(qiáng)度高質(zhì)量輕的特性，使得風(fēng)力機(jī)槳葉可根據(jù)其受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)成不等壁厚，在保證強(qiáng)度與剛度下減小槳葉厚度，而且容易加工成型。計(jì)算表明，采用上述材料，只要取1.2mm的厚度槳葉就可以滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，同時(shí)由于質(zhì)量較輕，有利于微風(fēng)條件下啟動(dòng)。

本發(fā)明中的垂直軸風(fēng)機(jī)制作簡便，在3～4級風(fēng)速下都能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可在建筑物屋頂或地表安裝，維護(hù)簡單易行，比較適合作為小型戶用風(fēng)電機(jī)組。與小容量并網(wǎng)逆變器結(jié)合，可滿足并網(wǎng)發(fā)電要求。

采用三片槳葉6的結(jié)構(gòu)，平衡美觀。槳葉6的數(shù)目由很多因素決定，其中包括空氣動(dòng)力效率、復(fù)雜度、成本、噪音、美學(xué)要求等等。 槳葉太少的垂直軸風(fēng)機(jī)通常需要較高的轉(zhuǎn)速以獲取足夠的風(fēng)能，因此噪音較大。而槳葉太多，它們之間會(huì)相互作用而降低系統(tǒng)效率。

槳葉6形狀經(jīng)過優(yōu)化，主要體現(xiàn)在上寬下窄且扇葉下端向前扭曲的槳葉結(jié)構(gòu)以及槳葉表面設(shè)置橫筋10，可加大葉面風(fēng)阻以解決因轉(zhuǎn)速低而造成的風(fēng)機(jī)效率低的問題。

本發(fā)明中的垂直軸垂直軸風(fēng)機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)安全性——采用垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此能夠較好解決葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題；

(2)噪音——水平軸式風(fēng)輪機(jī)采用垂直面旋轉(zhuǎn)且葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī)翼原理設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行時(shí)噪音較大。而垂直軸式風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音可降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度；

(3)抗風(fēng)能力——垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使其受風(fēng)壓力小，在基礎(chǔ)固定穩(wěn)固的條件下可以抵抗速度30m/s以內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)；

(4)回轉(zhuǎn)半徑——由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，比其他形式風(fēng)輪機(jī)具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時(shí)提高了效率；

(5)發(fā)電曲線特性——由于垂直軸式風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，它的啟動(dòng)風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)機(jī)，發(fā)電功率的上升幅度較平緩，因此在5～8m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，其發(fā)電量較其他類型的風(fēng)機(jī)高10％～30％；

(6)利用風(fēng)速范圍——垂直軸式風(fēng)機(jī)采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5～25m/s，在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性；

(7)剎車裝置——垂直軸式風(fēng)機(jī)可配置機(jī)械手動(dòng)和電子自動(dòng)剎車兩種，在無超強(qiáng)陣風(fēng)的地區(qū)，僅需設(shè)置手動(dòng)剎車即可；

(8)運(yùn)行維護(hù)——無需加裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只需定期(一般每半年)對鏈條傳動(dòng)部件的連接處進(jìn)行檢查。

綜上所述，本發(fā)明的內(nèi)容并不局限在上述的實(shí)施例中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在本發(fā)明的技術(shù)指導(dǎo)思想之內(nèi)提出其他的實(shí)施例，但這種實(shí)施例都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。