[发明专利]一种垂直轴风力发电机的风轮限位方法

说明书

一种垂直轴风力发电机的风轮限位方法，该方法是在每个风轮叶片底部或顶部安装一套弹性限位装置，弹性限位装置的一端固定在风轮之上，另一端与限位滑块连接；弹性限位装置由上下定位板、中间浮动板、弹簧组件和C形滑块组成，通过调整上下定位板的间距实现定位量的控制；根据风轮采用单层或双层的结构布局来选择使用T形或工字形圆环轨道；C形滑块扣装在圆环轨道上，利用C形滑块两侧的V形或U形滚轮组与轨道两侧扣合实现滑动、利用C形滑块上下方的滚轮组与轨道上下面夹合防止滑块脱轨和倾覆。本发明在风轮回转产生偏摆时对其偏摆量有效地进行限制，防止过量偏摆对风力发电机产生不利影响。适用于垂直轴风力发电机。

技术领域

本发明涉及风力发电机，尤其涉及垂直轴风力发电机风轮的限位方法。

背景技术

垂直轴风力发电机利用叶轮回转轴为竖直的方式进行风能转化利用，因其叶片承风面积有广泛的扩展空间，所以其风能转化效率明显高于当前的水平轴风力发电机。

但是一直以来，中、大型的竖直轴风力发电机推广应用相对比较困难，至今尚未普及。主要原因之一是风轮（叶片+连杆的组合）在受风带动中心轴回转时，会出现偏摆现象——中心轴在回转过程中会出现实际转动轴心与理论回转轴心不一致的现象，严重时会导致中心轴弯曲甚至折断。而偏摆现象产生的主要原因是：①风轮在回转圆周的不同位置受力状态不同，因此除了传递给中心轴的扭矩是变化的之外，其施加于中心轴的径向力也是变化的。虽然中心轴承受径向力的合力方向与风速方向大体一致，但因叶片形状不同、风轮旋向不同和风力变化等因素也会引起合力大小和方向的波动；②风向的不确定性会在不同时间施加于中心轴不同方向的径向力；③风轮组加工和安装不可避免的误差也会引起其重心与中心轴芯的偏差，破坏理论回转动平衡。同时，偏摆问题会随着发电机风轮的增大或装机容量的增加而趋向严重。所以垂直轴风力发电机的稳定运行必须在结构上采取方法削弱或控制其中心轴的偏摆量。但仅仅用增大中心轴来提高结构强度和刚性的方法是不恰当的，因为中心轴的增大也会带来机构迎风面的增大，从而增加结构负载、削弱效果；且其制作成本也会翻倍增加。而从偏摆产生的主要驱动点即中心轴和风轮外端处进行控制应该是比较好的方案。当前垂直轴风力发电机控制机构偏摆的方法主要有：⑴多点斜拉中心立柱，减少立柱变形以稳固中心轴；⑵调整中心轴配套轴承形式，增加中心轴轴向承压能力和缩小轴承游隙；⑶中心轴顶端或中部或立柱上部或中部外伸支撑与外部支撑架连接，外部支撑架与地面基础连接以稳固中心轴；⑷在叶片下方或上方安装滚轮或滑块，滚轮或滑块在叶片的带动下沿圆形导轨滚动或滑动，圆形导轨通过支撑机构与地面基础连接；⑸叶片安装于连杆或框架上，连杆或框架的外端部或下方或上方安装滚轮或滑块，滚轮或滑块在连杆或框架的带动下沿圆形导轨滚动或滑动，圆形导轨通过支撑机构与地面基础连接等等方法。其中：第1种、第2种和第3种方法属于控制中心轴的方法；第4种和第5种方法是属于控制风轮摆动的方法。当然也包括控制中心轴与控制风轮摆动方法之间的各种组合方法。对中心轴稳固的方法很多、也相对容易且有效；但是对叶片摆动控制的方法有效性并不理想，因为风轮受风向、速度等原因会产生多方向的变形，最终都会引起滚动或滑动体的卡滞、加速磨损或连接机构的变形损坏。所以在不能完全消除偏摆现象的情况下找到一种有效的限制风轮偏摆量的方法是当前垂直轴发电机需要迫切解决的主要问题之一。

中国专利申请号201010504783.9《一种垂直轴风机或风力发电机》给出通过主轴或传动轴与风轮之间采用活动连接的技术方案解决主轴易引起谐振的问题；201020577849.2号《框式垂直轴风力机》给出一种框架，下方设的轨道通过框架支撑与框架连接，框架支撑另一端的滚轮与轨道滚接，轨道下方设的轨道支撑一端与轨道连接，另一端与地基连接的支撑方法；91201640.X号《垂直轴式风力机》给出一种波浪形轨道面的圆形轨道及能沿圆形轨道滑动的滑轮；201910552568.7号《一种大型垂直轴风机的支撑装置及风力发电机》给出一种环形水平轨道和轨道支撑构件对风轮进行支撑的方法。但迄今为止尚无通过在风轮与滑块之间增加弹性限位装置来限制风轮的允许偏摆量的技术方案。

发明内容