H型垂直轴风力发电机的制作方法

h型垂直轴风力发电机
技术领域
1.本技术属于风电技术领域，更具体地说，是涉及一种h型垂直轴风力发电机。


背景技术：

2.风力发电机有水平轴风力发电机和h型垂直轴风力发电机两种。
3.具体而言，相比于水平轴风力发电机，h型垂直轴风力发电机的转轴与风向垂直，各叶片沿转轴的轴向方向设置；基于此，h型垂直轴风力发电机的发电组件可以设置于塔柱底部，发电机重心低且安装方便。同时，各叶片沿轴向方向设置，使得叶片能够由各方向的风力驱动转动，也即，h型垂直轴风力发电机无需偏航对风装置，结构简单，成本和故障率均较低。
4.然而，在h型垂直轴风力发电机的相关技术中，叶片固定设置于转轴，在风速较大时容易出现超速失速现象，从而可能破坏转轴与发电组件之间的连接结构，造成发电失效，严重者甚至会导致叶片解体损毁。
5.为实现对转轴高转速工况下的降速保护，相关技术中，有以下若干方案：
6.一些是，叶片固定设置于转轴，但在塔柱中设置有与转轴连接的机械刹车结构。机械刹车结构虽然能实现转轴的降速保护，但在转轴转速较快时，转轴的转矩较大，单靠机械刹车结构难以对其进行有效降速保护，严重者甚至导致机械刹车结构损坏。
7.另一些是，叶片转动设置于转轴，同时，在转轴上设置有用于驱动叶片转动以实现变桨的齿轮变桨机构或液压变桨机构，其是通过驱动叶片变桨来改变叶片的气动性能从而利用阻力降速，以达到刹车的效果。然而，此类齿轮变桨或液压变桨机构控制结构复杂，成本较高。


技术实现要素：

8.本技术实施例的目的在于提供一种h型垂直轴风力发电机，以解决现有技术中存在的刹车系统刹车性能不足以及结构复杂、成本较高的技术问题。
9.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是，提供一种h型垂直轴风力发电机，其包括：
10.塔柱，在所述塔柱中设置有发电组件；
11.转动装置，包括转轴、若干叶片组件、若干支撑组件和变桨组件；所述转轴转动设置于所述塔柱且与所述发电组件相连接，所述支撑组件固定设置于所述转轴，每一所述叶片组件设置于每一所述支撑组件，所述叶片组件包括转动设置于所述支撑组件的活动叶片，所述变桨组件包括在所述转轴上沿轴向滑动设置的驱动件以及连接所述驱动件和各所述活动叶片的连杆组件；
12.所述驱动件沿所述转轴轴向滑动时，所述连杆组件带动所述活动叶片相对所述支撑组件朝靠近所述转轴的一侧转动展开以改变各所述活动叶片的攻角。
13.可选地，所述叶片组件沿转动周向阵列设置有三个或四个。
14.可选地，所述连杆组件包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆两端分别与所述驱动件和所述活动叶片转动连接，所述第二连杆两端分别与所述转轴和所述第一连杆的中部转动连接。
15.可选地，所述驱动件为套设于所述转轴的环件，各所述第一连杆均与所述环件转动连接。
16.可选地，所述叶片组件还包括两片固定且间隔设置于所述支撑组件上的固定叶片，所述活动叶片转动设置于两片所述固定叶片之间。
17.可选地，所述变桨组件还包括弹性件，所述弹性件用于使所述活动叶片保持展开状态。
18.可选地，所述弹性件设置于所述转轴与各所述连杆组件之间、或者所述转轴与所述驱动件之间、或者所述固定叶片与所述活动叶片之间；所述弹性件为弹簧或扭簧。
19.可选地，同一所述叶片组件中，所述固定叶片的叶片表面积小于或等于所述活动叶片的叶片表面积。
20.可选地，所述活动叶片相对所述支撑组件的最大转动角度大于或等于60
°
。
21.可选地，在所述塔柱中还设置有机械刹车装置，所述机械刹车装置与所述转轴相连接。
22.本技术提供的h型垂直轴风力发电机，至少具有以下有益效果：
23.通过在叶片组件中转动设置活动叶片，同时，在转轴上滑动设置驱动件和连接驱动件与活动叶片的连杆机构，通过驱动件在转轴上滑动从而带动活动叶片相对支撑组件转动，以改变活动叶片的攻角，从而使得叶片的升力减小且阻力增大，如此，转动装置在逐渐增大的阻力中转速降低，从而实现气动刹车效果。
24.本技术中，h型垂直轴风力发电机如此设置：相比于相关技术中的机械刹车的设置方式，通过改变叶片攻角以利用气动阻力实现降速效果，制动可靠且能够适应高转速工况；相比于相关技术中设置齿轮变桨机构或液压变桨机构，本技术中变桨机构的结构及控制均更加简单，从而有利于降低制造成本，故障率更低。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术一些实施例中h型垂直轴风力发电机在正常状态下的正视示意图；
27.图2为本技术一些实施例中h型垂直轴风力发电机在正常状态下的俯视示意图；
28.图3为图1的局部放大图；
29.图4为本技术一些实施例中h型垂直轴风力发电机在制动状态下的正视示意图；
30.图5为本技术一些实施例中h型垂直轴风力发电机在制动状态下的俯视示意图；
31.图6为本技术一些实施例中展示弹性件装配位置的示意图；
32.图7为本技术另一些实施例中展示弹性件装配位置的示意图；
33.图8为本技术再一些实施例中展示弹性件装配位置的示意图。
34.其中，图中各附图标记：
35.100、塔柱；
36.200、转动装置；
37.210、转轴；
38.220、叶片组件；221、活动叶片；222、固定叶片；
39.230、支撑组件；
40.240、变桨组件；241、驱动件；242、第一连杆；243、第二连杆；244、弹性件。
具体实施方式
41.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
42.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
43.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。
44.当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
45.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
47.在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
48.请一并参阅图1至图8，现对本技术实施例提供的h型垂直轴风力发电机进行说明。
49.参考图1至图5，本技术所述的h型垂直轴风力发电机，包括塔柱100、转动设置于塔柱100上的转动装置200和发电组件，其中，发电组件与转动装置200相连接。
50.具体而言，转动装置200包括转轴210、若干支撑组件230、若干叶片组件220。其中，转轴210转动设置于塔柱100上，各支撑组件230固定设置于转轴210且每一支撑组件230上均设置有一个叶片组件220。如此，当有风流时，风吹动叶片使其带动转轴210转动，由于转轴210与发电组件相连接，转轴210转动时发电组件便能实现发电作业。
51.可以理解的是，叶片组件220可以沿转动周向阵列设置有两个、三个、四个等，具体可视发电场景而作适应性改变。
52.需要理解的是，支撑组件230可以设置为撑杆，也可以设置为其他支撑结构，具体并不以此为限。
53.需要理解的是，在h型垂直轴风力发电机中，由于叶片的攻角与其气动性能相关，在攻角从0
°
逐渐增大时，其升力系数先增大至最大值后急剧减小，而阻力系数逐渐增大至最大值后再逐渐减小，在攻角为90
°
时，活动叶片221的阻力系数与升力系数差值最大，也即，在攻角为90
°
的状态下活动叶片221的阻力最大。此外，亦需要理解的是，不同翼型情况
下，叶片的升力系数和阻力系数的变化曲线有较大差别。
54.基于上，参考图1至图5，每一叶片组件220均包括转动设置于支撑组件230上的活动叶片221，活动叶片221的转动轴线平行于转轴210的轴向方向，活动叶片221能够相对支撑组件230朝靠近转轴210的一侧转动。
55.如此，通过将活动叶片221转动设置，对于处于某一方位角位置下的活动叶片221而言，该活动叶片221相对支撑组件230转动时，其攻角也随之改变，从而实现对处于同一方位角位置的活动叶片221的气动性能的改变；使转动装置200中某一活动叶片221在某一方位角时的攻角变化至阻力系数大于或等于升力系数的角度时，即可逐渐增加活动叶片221的阻力。如此，在转动装置200转动过程中，某一活动叶片221的阻力增大时，便能够对转动装置200施加反作用力，从而降低转动装置200的转速，实现降速制动，也即气动刹车。
56.对应地，参考图1至图5，为驱动活动叶片221相对支撑组件230转动，在转动装置200上设置有变桨组件240，具体而言，变桨组件240包括在转轴210上沿轴向滑动设置的驱动件241，以及连接驱动件241和各活动叶片221的连杆组件，各连杆组件的两端分别与驱动件241和各活动叶片221转动连接。
57.需要理解的是，驱动件241可以是滑动设置于转轴210上的滑块，也可以是套设于转轴210上的圆环；进一步的，驱动件241可以仅设置一个，各连杆组件同一端均与驱动件241连接，驱动件241也可以设置为数量与连杆组件数量一致，每一驱动件241用于驱动每一连杆组件。更进一步的，无论驱动件241设置数量如何，其可以通过人工手动控制滑动，此种设置情况适用于风力发电机体积较小的情况，或者，驱动件241也可以通过机械装置控制滑动，具体并不以此为限。
58.通过在转轴210上滑动设置驱动件241，同时对应设置连接驱动件241和活动叶片221的连杆组件，如此，相比于齿轮变桨机构或液压变桨机构的设置方式，本技术中变桨组件240结构简单，可靠性高；而相比于机械刹车的设置方式，本技术中变桨组件240又能够通过带动活动叶片221转动来实现刹车，从而实现更加可靠、更加有力的制动效果。
59.可以理解的是，参考图1至图5，在本技术的一些实施例中，叶片组件220沿转动周向阵列设置有三个或四个。如此，能够使得转动装置200中各叶片组件220之间的气动干涉较小，从而有利于获得较好的气动效率，以实现高效率发电。
60.可以理解的是，参考图1和图3，在本技术的一些实施例中，连杆组件包括第一连杆242和第二连杆243，第一连杆242两端分别与驱动件241和活动叶片221转动连接，第二连杆243两端分别与转轴210和第一连杆242的中部转动连接。
61.如此，第一连杆242与转轴210之间连接有第二连杆243，在风速较快、转动装置200转速较快的工况下，连杆组件能够保持稳定而不会在离心力的作用下变形，以使得驱动件241开始滑动时，各连杆组件能够及时转动从而实现对转动装置200的快速气动制动，从而提高变桨组件240的安全性和可靠性。
62.此外，需要理解的是，第一连杆242的两端分别与驱动件241和活动叶片221通过球头连接结构连接，例如，第一连杆242两端设置有球头结构，而在驱动件241和活动叶片221上设置有球窝结构。
63.进一步的，在本技术的一些实施例中，驱动件241为套设于转轴210上的环件，此外，在转轴210和环件之间也可以设置导向结构及限位结构，以确保转轴210高速转动过程
中环件与转轴210能够同步转动。
64.可以理解的是，参考图1至图5，在上述任一实施例的基础上，所述叶片组件220还包括两片固定且间隔设置于所述支撑组件230上的固定叶片222，所述活动叶片221转动设置于两片所述固定叶片222之间。
65.通过在每一叶片组件220上设置两片固定叶片222，且活动叶片221转动设置于两片固定叶片222之间，如此，能够增大活动叶片221转动时的稳定性，在风速较快、转动装置200转动速度较快的工况下，活动叶片221转动时支撑组件230的晃动较小，从而有利于提高转动装置200的可靠性和安全性，以避免转动装置200突然受到制动力的情况下出现较大形变等。
66.进一步的，参考图6至图8，在本技术的一些实施例中，变桨组件240还包括弹性件244，弹性件244用于使活动叶片221保持展开状态。通过设置弹性件244，弹性件244为活动叶片221相对支撑组件230转动提供弹性力以使得活动叶片221能够克服离心及时弹出，以提高气动制动的及时性。
67.在一些实施方式中，参考图6，弹性件244为弹簧，弹簧可以设置于转轴210与连杆之间。例如，弹簧两端分别连接第一连杆242和转轴210，并且，同一叶片组件220中，在活动叶片221与固定叶片222的攻角一致的情况下，弹簧处于压缩状态。如此，在驱动件241沿转轴210滑动时，弹簧能够拉动第一连杆242迅速跟随驱动件241沿转轴210的周向滑动从而带动活动叶片221及时改变其攻角，以提高气动制动的及时性。
68.在另一些实施方式中，参考图7，弹性件244为弹簧，弹簧设置于转轴210与驱动件241之间。可以理解的是，以驱动件241朝转轴210底部滑动时带动活动叶片221改变其攻角为例。此种实施方式中，弹簧可以有多种设置位置。例如，弹簧连接驱动件241顶端和转轴210，同一叶片组件220中，在活动叶片221与固定叶片222的攻角一致的情况下，弹簧处于压缩状态；或者，弹簧连接驱动件241底端和转轴210，同一叶片组件220中，在活动叶片221与固定叶片222的攻角一致的情况下，弹簧处于拉伸状态。如此，在驱动件241沿转轴210滑动时，弹簧能够拉动第一连杆242迅速跟随驱动件241沿转轴210的周向滑动从而带动活动叶片221及时改变其攻角，以提高气动制动的及时性。
69.在再一些实施方式中，参考图8，弹性件244为扭簧，弹性件244设置于固定叶片222与活动叶片221之间。具体而言，同一叶片组件220中，扭簧设置有两个且分别设置于两个固定叶片222和活动叶片221之间，同样的，在活动叶片221与固定叶片222的攻角一致的情况下，扭簧处于压缩状态。如此，在驱动件241驱动第一连杆242移动时，扭簧的弹力能够迅速将活动叶片221弹出从而迅速改变活动叶片221的攻角。
70.进一步的，参考图1、图3、图4、图6至图8，在一些实施例中，同一叶片组件220在设置有两个固定叶片222的情况中，固定叶片222的叶片表面积小于或等于活动叶片221的叶片表面积。
71.可以理解的是，在转动装置200转动过程中，叶片组件220中叶片表面积的大小直接影响叶片组件220的气动性能，从而影响转动装置200的转动速度。
72.为此，将同一叶片组件220中固定叶片222的表面积设置为小于等于活动叶片221的表面积大小。
73.如此，在同一叶片组件220中固定叶片222的表面积设置为小于活动叶片221的表
面积大小时，活动叶片221相对固定叶片222转动展开后，转动装置200中各活动叶片221所产生的阻力大于各固定叶片222所产生的升力大小，从而实现快速气动刹车。
74.在同一叶片组件220中固定叶片222的表面积设置为等于活动叶片221的表面积大小时，在活动叶片221相对固定叶片222转动展开后，转动装置200中各活动叶片221所产生的阻力与各固定叶片222所产生的升力大小一致，此时，转动装置200气动受力平衡，转动装置200在转动摩擦力的作用下缓慢降速。
75.进一步的，可以理解的是，在转动装置200设置有三个叶片组件220且活动叶片221和固定叶片222处于某一翼型下的气动模型下，在叶片攻角为60
°
的情况下，叶片的升力系数与阻力系数相等，也即，在转速下降时，叶片组件220气动受力平衡。
76.因此，在另一些实施例中，在同一叶片组件220在设置有两个固定叶片222的情况中，活动叶片221相对固定叶片222的转动角度最大角度大于或等于60
°
。
77.如此，在活动叶片221相对固定叶片222转动60
°
时，活动叶片221气动受力平衡，对于整个转动装置200而言，其叶片的总升力降低，从而使得转动装置200转速降低至某一转速范围，从而在实现气动制动效果能够保持发电能力；而当在活动叶片221相对固定叶片222转动大于60
°
时，活动叶片221的阻力大于升力，对于整个转动装置200而言，其叶片的总升力降低且总阻力上升，气动刹车制动效果较活动叶片221相对固定叶片222转动60
°
时更为明显。
78.可以理解的是，在上述各实施例的基础上，在塔柱100中还设置有机械刹车装置(图中未示出)，机械刹车装置与转轴210相连接。通过加设机械刹车装置，能够提高风力发电机运转的可靠性和安全性。
79.举例地说，机械刹车装置可以是设置于转轴210上的刹车盘以及设置于塔柱100上的活塞，在活塞与刹车盘之间夹持有摩擦片，活塞推动摩擦片与刹车盘接触以产生摩擦力从而降低转轴210的转速，实现刹车效果。可以理解的是，机械刹车装置还可以是其他能够实现刹车效果的机械结构，该类结构为现有技术，故在此不作赘述。
80.通过设置机械刹车装置，其可在转动装置200气动刹车降至一定转速范围后，再由机械刹车装置对转轴210实现最终制动。
81.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。