技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种将风 力发电机安装在风车上，利用 风车的高速转动进行捕风，人为控制风车的速 度并调整风能流量的涵道式风力发 电机。

背景技术

目前， 风力发电机每千瓦投资在 8000-10000元不等， 而一个 5万 KW的风 力发电场的投资约在 4-5亿元， 投资回收期在 10年以上。 而这么昂贵的设备每 年满负荷发电时间在 2000-2300小时， 机组工作负荷只有 25%左右， 其余的时间 处于停机状态。因为这种设备只能在风速达到 11一 12m/s的情况下才能满负荷发 电， 而风速超过了 25m/s时也得停机， 这对于风场的投资者来说， 这种设备利用 率低， 回收期长。 风力大小和来风时间不确定， 造成风力发电机时发时停， 对电 网造成很大的冲击。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在 的问题，提供一种涵道式风力 发电机， 将涵道式风力发电装置安装在风车上， 利用空气动力推动风车旋转， 涵 道式风力发电装置随同风车一同旋转进行发电 ；同时该涵道式风力发电机是一种 主动式风力发电机， 无论是风大还是风小的情况下， 风车的转数都保持恒定， 发 电效率高， 电能稳定， 对电网冲击小。

为实现本发明的目的提供以下技术方案：

一种涵道式风力发电机，包括：风车，具有风 车轴和安装在风车轴上的叶片； 电机驱动系统， 安装在机架上， 与风车轴相连， 在无风或风力不足时， 通过驱动 风车轴旋转来驱动风车转动； 涵道式风力发电装置，安装在风车轴上， 随风车轴 的转动进行风力发电。

其中， 电机驱动系统是具有电机驱动和发电双向功能 的系统， 包括： 固定在 基座上的机架； 分别固定在机架上的双向电动机 /发电机、齿轮箱、液力偶合器； 其中双向电动机 /发电机与齿轮箱的一端相连， 齿轮箱的另一端与液力偶合器的 一端相连， 液力偶合器的另一端与所述风车轴相连。 其中， 涵道式风力发电装置包括： 安装在所述风车轴上的横臂， 其上固定有 垂直于横臂延伸的机座；涵道， 固定在机座的一端， 并沿着机座延伸；风轮装置， 安装在涵道内， 具有风轮轴和安装在风轮轴上的风轮； 发电机， 固定在机座的另 一端， 与风轮轴直接相连， 或者经由液力变矩器或经由增速机构与风轮轴 相连， 以便在风轮装置的驱动下发电。

其中， 涵道式风力发电装置包括： 安装在风车轴上的横臂， 其上固定有沿着 横臂延伸的机座； 涵道， 固定在机座的外侧， 并沿着机座延伸； "L"形导风筒， 其一端与涵道的外侧连接， 另一端朝向来流方向； 风轮装置， 安装在涵道内， 具 有风轮轴和安装在风轮轴上的风轮； 发电机， 固定在机座的内侧， 与风轮轴直接 相连， 或者经由液力变矩器或经由增速机构与风轮轴 相连， 以便在风轮装置的驱 动下发电。

特别是， 风轮装置还包括： 风轮轴支架， 其两端分别与所述涵道固定相连， 其中部设有轴承箱；所述风轮轴穿过轴承箱与 所述发电机或所述液力变矩器或者 所述增速机构相连。

特别是， 液力变矩器上装有刹车总成， 或者所述发电机上装有刹车总成。 特别是， "L"形导风筒的外侧壁上安装有气动流线形护罩 ， 气动流线形护 罩包括： 支架， 其一端固定在 "L"形导风筒的导向边上， 另一端向外伸出并安 装有转轴， 支架的上下两侧分别安装有油缸； 前端上护罩和前端下护罩， 分别由 油缸支撑， 并且其端部分别与转轴铰接， 以便在油缸的驱动下实现前端上护罩和 前端下护罩的开闭； 后端上护罩和后端下护罩， 分别固定在导风筒的尾边。

特别是， 横臂具有气动流线外形， 其导向边上安装有气动扰流板， 包括： 扰 流板支架， 其一端固定在横臂的导向边上， 另一端向外伸出并安装有转轴， 扰流 板支架的上下两侧分别安装有油缸；上气动扰 流板和下气动扰流板分别布置在扰 流板支架的上、 下两侧， 并分别由油缸支撑， 其端部分别与转轴铰接， 以便在油 缸的驱动下实现上气动扰流板和下气动扰流板 的开闭。

其中， 增速机构包括： 支架， 固定在机座上； 主动轴， 通过轴承箱安装在支 架上， 与所述风轮轴的一端相连， 主动轴上安装有主动轮； 从动轴， 通过轴承箱 安装在支架上， 与所述发电机相连， 其上安装有从动轮； 传动带， 套装在主动轮 与从动轮上， 以便实现主动轮到从动轮的动力传递。 特别是， 风轮可以为单列式， 或串列式， 或共轴反转式， 或并列式； 涵道可 以是扩压式涵道， 或集风式涵道， 或集风扩压式涵道， 或直筒式涵道。

其中，涵道式风力发电装置包括：安装在风车 轴上的横臂，其上固定有机座; 涵道， 通过机座安装在横臂的外侧， 并垂直于横臂延伸； 风轮装置， 安装在涵道 内，具有风轮轴和安装在风轮轴上的风轮；发 电机，通过机座安装在横臂的内侧， 与涵道并列放置， 并通过链传动机构或曲柄连杆传动机构与风轮 轴相连。

本发明的有益效果体现在以下方面：

1、 涵道式风力发电机将风轮置于垂直轴风车的支 臂上的涵道内， 涵道的设 置改变了风轮下游的滑流状态，增大了滑流面 积，减少了滑流速度和滑流动能损 失， 从而较多地将风轮桨盘后面的动能转化为压力 能。

2、 涵道壁面改善了风轮叶尖区域的绕流特征， 减少了叶尖损失。

3、 涵道入口前缘形成较大的负压区， 产生了附加拉力。

4、 涵道式风轮与孤立 （常规） 风轮相比， 在相同功率下， 相同直径时刻产 生较大的拉力， 在相同功率下， 产生相同拉力时需要的风轮直径小。

5、 在风车的作用下， 可以使风速和风能质量大大提高， 风轮的直径可以大 大地缩小， 而风轮的转速比常规风轮提高了几十倍， 这样可以省去笨重、而又昂 贵、且故障率高的齿轮箱， 风轮可以直接带动直驱式同步发电机， 可以大大地降 低成本， 减少故障， 减轻重量。

6、涵道式风力发电机在风车和电机驱动系统� �相互协作下，可以做到风大、 风小都可以稳定的发电， 产能效率高， 对电网的冲击小。

7、 当风车处于启动状态和低风速时， 由电机驱动系统推动风车转动， 在电 动机和控制系统的作用下，风车的转速是可控 制的并为匀速转动， 当风速超过额 定的风速时，风车的推力和有剩余时，风车将 驱动双向电动机并在换向开关和控 制系统的作用下， 电动机变成了发电机， 并向电网馈电， 电机驱动系统具有电动 和发电的双重功能。

8、涵道式风力发电机年产电量在 6000小时以上， 是传统的常规风力发电机 产电量的 1一 2倍， 千瓦造价 4500元左右， 投资回收期 2— 3年。

附图说明

图 1为本发明第一实施例的涵道式风力发电机的� �构示意图； 图 2为图 1的俯视图；

图 3为涵道式风力发电装置中另一连接形式的结� �示意图；

图 4为本发明第二实施例的涵道式风力发电机的� �构示意图；

图 5为图 4的俯视图；

图 6为涵道式风力发电装置中传动带增速机构的� �构示意图；

图 7为沿图 5中 A— A线的剖视图；

图 8为沿图 1中 B— B线的剖视图；

图 9a、 9b、 9c、 9d为本发明中涵道的结构示意图；

图 10a、 10b本发明第三实施例的涵道式风力发电机的结 构示意图。

附图标记说明 1-风车轴； 2-叶片； 3-螺栓； 4-横臂； 5-风轮； 6-涵道； 7-刹车 总成； 8-联轴器； 9-液力偶合器； 10-螺栓； 11-联轴器； 12-齿轮箱； 13-螺栓； 14- 联轴器； 15-双向电动机 /发电机； 16-基座； 17-螺栓； 18-螺栓； 19-机架； 20-底 架； 21-轴承； 22-气动扰流板； 23-机座； 24-横臂； 25-螺栓； 26-发电机； 27-联 轴器； 28-刹车总成； 29-液力变矩器； 30-联轴器； 31-风轮轴； 32-第二组风轮； 33-机仓罩； 34-轴承箱； 35-轴承箱； 36-风轮轴支架； 37-风轮轴支架； 38-气动流 线形护罩； 39- "L"形导风筒； 38A-前端上护罩； 38B-后端上护罩； 38C-后端下 护罩； 38D-前端下护罩； 40-主动轮； 41-主动轴； 42-轴承箱； 43-支架； 44-联轴 器； 45-刹车总成； 46-从动轴； 47-轴承箱； 48-轴承箱； 49-张紧轮轴； 50-传动带； 51-从动轮； 52-张紧轮； 53-联轴器； 54-转轴； 55-支架； 56-支耳； 57-油缸； 58- 后支架； 59-油缸； 60-支耳； 61-支耳； 62-油缸； 63-扰流板支架； 64-转轴； 65- 油缸； 66-支耳； 67-下气动扰流板； 68-上气动扰流板； 69-偏心轮； 70-曲杆； 71- 轴孔； 72-螺栓； 73-连杆； 74-偏心轮； 75-曲杆； 76-轴孔； 77-螺栓； 78-主传动 轮、 79-传动带 /传动链条、 80-从动轮。

具体实施形式

实施例一

如图 1本发明的涵道式风力发电机的结构示意图所� �，本发明的涵道式风力 发电机包括：风车，具有风车轴 1和安装在风车轴 1上的叶片 2; 电机驱动系统， 安装在机架 19上， 与风车轴 1相连， 在无风和风力不足时， 通过驱动风车轴 1 旋转来驱动风车转动； 涵道式风力发电装置,安装在风车轴 1上， 随风车轴 1 的 转动进行风力发电。

如图 1， 图 3本发明的涵道式风力发电机的结构示意图所� �， 图中所示出的 风车为 H形风车， 其中， 风车具有多支叶片 2， 每支叶片 2分别以风车轴 1为中 心分布在风车轴 1的上部两侧， 并通过多个横臂 24将每支叶片固定连接在风车 轴 1上， 每支叶片 2与用于安装该叶片 2的横臂 24构成 "H"形。

其中， 叶片 2具有气动流线外形， 如图 3所示。

风车还可以伞形风车， 或菱型风车， 或 Y型风车， 或 Φ型风车， 或蜗轮型 风车， 或 S型风车， 或多叶 S型风车， 或三角形风车， 或萨瓦里欧斯型风车， 或平板型风车， 或杯子型风车， 或自行车轮多叶型风车， 或具有空气动力性能的 其他形式的风车。

其中， 电机驱动系统是具有驱动和发电双向功能的系 统。如图 1所示， 电机 驱动系统具有底架 20， 由螺栓 17固定在基座 16上， 底架 20的顶部固定有上、 下分布的两轴承 21a、 21b , 风车轴 1的底端依次穿过 两轴承 21a、 21b向下伸 入底架 20内， 并在其上安装有刹车总成 7。 底架 20内部设有固定在基座 16上 的机架 19， 机架 19内从下往上依次固定有双向电动机 /发电机 15、 齿轮箱 12、 液力耦合器 9， 其中双向电动机 /发电机 15通过联轴器 14与齿轮箱 12的一端相 连， 齿轮箱 12的另一端通过联轴器 11与液力耦合器 9的一端相连， 液力耦合器 9的另一端通过联轴器 8与风车轴 1的底端相连， 从而将风车轴 1稳定的安装在 底架 20上， 并使得风车轴 1可相对底架 20自由转动。

当自然风速较小的时候，采用电机驱动系统来 拖动风车旋转， 使涵道式风力 发电装置随风车轴 1一起以恒定的转速转动，从而实现涵道式风� �发电装置的发 电； 当自然风速能够推动风车并达到要求的恒定转 速时， 电机驱动系统自动与风 车切开， 电机停止运转， 风车在自然风的带动下转动， 从而带动涵道式风力发电 装置随风车轴 1一起以恒定的转速转动， 从而实现涵道式风力发电装置的发电； 当自然风较大， 使得风车的推力大于额定载荷时， 电动机转换成发电机， 风车转 动带动发电机进行发电， 并向电网馈电。

如图 1、 3所示， 涵道式风力发电装置安装在风车轴 1上， 位于叶片 2与底 架 20之间。 涵道式风力发电装置具有多个横臂 4， 其一端分别通过螺栓 3固定 安装在风车轴 1上， 使得横臂 4可随风车轴 1一起转动， 每个横臂 4的另一端固 定有垂直于横臂 4延伸的机座 23。 机座 23的一端固定有涵道 6， 涵道 6顺着机 座 23延伸， 其内安装有风轮装置， 具有风轮轴 31和安装在风轮轴 31上的风轮 5和风轮 32 ; 机座 23的另一端固定有机仓罩 33， 机仓罩 33内设有发电机 26， 发电机 26安装在基座 23上， 其上设有刹车总成 28， 发电机 26通过联轴器 27 与风轮轴 31直接相连（图 3所示），或者通过液力变矩器 29与风轮轴 31相连（图 2所示）， 或者通过增速机构与风轮轴 31相连 （图 6所示）， 以便风轮装置转动 时带动发电机 26工作。

如图 2所示， 液力变矩器 29设置在机仓罩 33内， 并安置在机座 23上， 发 电机 26通过联轴器 27与液力变矩器 29的一端相连，液力变矩器 29的另一端通 过联轴器 30与风轮装置的风轮轴 31相连， 刹车总成 28安装在液力变矩器 29 上。

如图 6所示， 增速机构具有固定在机座 23上的支架 43 ; 主动轴 41， 通过轴 承箱 42安装在支架 43上端， 并与风轮轴 31相连， 主动轮 40安装在主动轴 41 上； 从动轴 46， 通过轴承箱 47安装在支架 43下部， 并通过联轴器 44与发电机 26相连， 从动轮 51安装在从动轴 46上， 从动轴 46上还安装有刹车总成 45 ; 传 动带 50， 套装在主动轮 40与从动轮 51上， 当风轮装置转动带动风轮轴 31转动 时，风轮轴 31的转动带动主动轮 40转动， 主动轮 40的转动通过传动带 50传递 给从动轮 51， 从动轮 51转动带动发电机 26发电。

增速机构还包括张紧轮轴 49， 通过轴承箱 48安装在支架 43上， 张紧轮轴 49位于主动轴 41与从动轴 46之间，其上安装有张紧轮 52。张紧轮 52与传动带 50接触， 以便张紧传动带 50。

如图 2、 3、 6所示， 风轮装置还可以具有并列布置的两风轮轴支架 36 、 37， 其两端分别与涵道 6的侧壁固定相连， 其中部分别设有轴承箱 34、 35。 风轮轴 31的一端依次穿过轴承箱 34、 35与发电机 26 (图 3所示）或液力变矩器 29 (图 2所示）或增速机构 （图 6所示）相连， 其另一端安装有风轮 5和风轮 32， 两组 风轮的安装形式为串列式， 也可以为共轴反转式 （图中未示出）， 还可以只安装 一组风轮 5。

还可在每个横臂 4上并列固定多个机座 23， 每个基座 23分别垂直于横臂 4 延伸， 每个基座 23的一端固定涵道 6， 另一端固定机仓罩 33， 涵道 6以及机仓 罩 33内结构与上述结构相同， 以形成多组并列式的风轮 5和 /或风轮 32。

当风轮 5和风轮 32的安装形式为共轴反转式时，发电机 26为双转子发电机。 如图 2、 3所示， 当横臂 4在风车轴 1的带动下随之一起转动时， 风进入涵 道 6， 使得涵道 6的风轮 5和风轮 32转动， 风轮的转动带动风轮轴 31也一起转 动， 由于风轮轴 31通过液力变矩器 29与发电机 26相连， 或者通过增速机构与 发电机 26相连， 或者直接与发电机 26相连， 这样便使得发电机 26也转动， 从 而实现发电机 26的发电工作。

涵道 6可以扩压式涵道（如图 9a所示）， 或集风式涵道（如图 9b所示）， 或 集风扩压式涵道 （如图 9c所示）， 或直筒式涵道 （如图 9d所示）。

其中， 横臂 4和横臂 24具有气动流线外形。 如图 8所示， 横臂 4和横臂 24 的导向边上安装有气动扰流板 22，气动扰流板 22具有扰流板支架 63，其一端固 定在横臂 4和横臂 24的导向边上， 另一端向外伸出并安装有转轴 64， 扰流板支 架 63的上下两侧分别安装有油缸 62、 65。 上气动扰流板 68和下气动扰流板 67 分别布置在扰流板支架 63的上、 下两侧， 并分别由油缸 62、 65支撑， 其端部分 别与转轴 64铰接并可绕转轴 64转动。 当油缸 62、 65进油时， 两油缸的活塞杆 伸出，使得上气动扰流板 68和下气动扰流板 67绕转轴 64转动撑起（图中虚线所 示）， 上气动扰流板 68和下气动扰流板 67打开； 当油缸 62、 65卸载出油时， 上 气动扰流板 68和下气动扰流板 67又在油缸的作用下绕转轴 64转动关闭， 以便 实现调整风车速度和对风车的刹车。

实施例二

如图 4本实施例的涵道式风力发电机结构示意图，� �及图 5本实施例的涵道 式风力发电机的俯视图所示， 本实施例的涵道式风力发电机包括： 风车， 具有风 车轴 1和安装在风车轴 1上的叶片 2 ; 电机驱动系统， 安装在机架 19上， 与风 车轴 1相连， 在启动和风力不足时， 通过驱动风车轴 1旋转来驱动风车转动； 涵 道式风力发电装置，安装在风车轴 1上， 随风车轴 1的转动进行风力发电。

其中， 涵道式风力发电装置具有多个固定安装在风车 轴 1上的横臂 4， 使得 横臂 4可随风车轴 1一起转动， 每个横臂 4上固定有沿着横臂 4延伸的机座 23。 机座 23远离风车轴 1的一端 （即机座 23的外侧） 固定有涵道 6， 涵道 6顺着机 座 23延伸， 其内安装有风轮装置， 具有风轮轴 31和安装在风轮轴 31上的风轮 5和风轮 32 ; " L"形导风筒 39固定在机座 23上， 其一端与涵道 6的外侧连接， 另一端朝向来流方向。机座 23靠近风车轴 1的一端（即机座 23的内侧）固定有 机仓罩 33， 机仓罩 33内设有发电机 26， 发电机 26安装在基座 23上， 其上设有 刹车总成 28， 发电机 26通过联轴器 27与风轮轴 31直接相连 （图 5所示）， 或 者通过液力变矩器 29与风轮轴 31相连，或者通过增速机构与风轮轴 31相连（图 6所示）， 以便风轮装置转动时带动发电机 26工作。

如图 7所示， " L"形导风筒的外侧安装有气动流线形护罩 38， 以减少风阻， 气动流线形护罩 38包括前端上护罩 38A，后端上护罩 38B，后端下护罩 38C和前 端下护罩 38D。

" L"形导风筒的尾边固定有后支架 58， 后端上护罩 38B， 后端下护罩 38C 分别固定在后支架 58上。

" L"形导风筒 39的导向边上固定有支架 55， 支架 55的一端固定在 L形导 风筒 39的导向边上， 另一端向外伸出并安装有转轴 54， 支架 55的上下两侧分 别安装有油缸 57和油缸 59。前端上护罩 38A和前端下护罩 38D上分别设有支耳 56和支耳 60， 油缸 57的一端固定在支架 55的上侧， 另一端与支耳 56相连； 油 缸 59的一端固定在支架 55的下侧， 另一端与支耳 60相连。 前端上护罩 38A和 前端下护罩 38D的端头分别与转轴 54相连并可绕转轴 54转动。 当油缸 57、 59 进油时， 两油缸的活塞杆伸出， 使得前端上护罩 38A和前端下护罩 38D绕转轴 54转动撑起， 前端上护罩 38A和前端下护罩 38D打开； 当油缸 57、 59卸载出油 时， 前端上护罩 38A和前端下护罩 38D又在油缸的作用下绕转轴 54转动关闭， 以便实现调整风车速度和对风车的刹车。

本实施例的涵道式风力发电机的其它结构与实 施例一相同， 在此不再重述。 实施例三

如图 10a、 10b所示， 本实施例的涵道式风力发电装置具有多个固定 安装在 风车轴 1上的横臂 4， 使得横臂 4可随风车轴 1一起转动， 每个横臂 4上固定有 机座 23。 涵道 6通过机座 23固定在横臂 4远离风车轴 1的一端（即横臂 4的外 侧）， 并垂直于横臂 4延伸， 其内安装有风轮装置， 具有风轮轴 31和安装在风轮 轴 31上的风轮 5和风轮 32 ; 发电机 26通过机座 23固定在横臂 4靠近风车轴 1 的一端 （即横臂 4的内侧）， 发电机 26与涵道 6并列放置， 发电机 26上设有刹 车总成 28， 发电机 26通过链传动机构 （如图 10a所示） 或者曲柄连杆传动机构 (如图 10b所示）与风轮轴 31相连。以便风轮轴 31转动时，通过链传动机构（如 图 10a所示）或者曲柄连杆传动机构（如图 10b所示）带动发电机 26进行发电。

风轮装置的结构与实施例一相同，在此不再重 述。如图 10a所示链传动机构 的结构，风轮轴 31的另一端安装有主传动轮 78，）发电机 26上固定有从动轮 80， 传动带 /传动链条 79套装在主动轮 78与从动轮 80上， 以便实现主动轮 78到从 动轮 80的动力传递。

如图 10b所示曲柄连杆传动机构的结构， 风轮轴 31的另一端安装有偏心轮 69， 发电机 26上固定有偏心轮 74， 曲杆 70的一端固定在偏心轮 69， 而另一端 装入连杆 73上的轴孔 71中， 在螺栓 72的作用下被固定在连杆 73上， 连杆 73 的另一端设有轴孔 76， 曲杆 75的一端装入轴孔 76中， 在螺栓的作用下被固定 在连杆 73上， 曲杆 75的另一端固定在偏心轮 74上， 从而实现风轮轴 31到发电 机 26的动力传递。

本实施例的涵道式风力发电机的其它结构与实 施例一相同， 在此不再重述。 尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不 限于此，本技术领域的技术人 员可以根据本发明的原理进行修改， 因此， 凡按照本发明的原理进行的各种修改 都应当理解为落入本发明的保护范围。