水平軸式風力機的制作方法

專利名稱：水平軸式風力機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力機，尤其是水平軸式風力機。
背景技術：
隨著現代工業的飛速發展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規 化石能源日趨匱乏。如何實現能源的持續發展，是全球都在關注的問題。世界各國都在投 入大量的人力、物力和財力積極開發和利用清潔能源。風能作為一種清潔能源，如何對其進 行有效的利用，已經成為全球范圍內最重要的研究和發展方向之一。目前，人們已經開發了 風力發電設備，并正在朝著商業化的方向繼續努力著。 風力發電設備包括接收并傳遞風能的風力機和利用風能發電的發電機。根據風力
機旋轉主軸的布置方式，風力機可以分為水平軸式風力機和垂直軸式風力機。其中，水平軸
式風力機根據風輪是處于上風向位置還是下風向位置分為逆風式風力機和順風式風力機。
因為逆風式風力機能最大限度地利用風能，所以，目前使用最多的是逆風式風力機。包括這
種逆風式風力機的風力發電設備中，風力機和發電機被封裝在一個機艙中，然后通過轉動
支承裝置安裝在塔架頂部。然而，由機艙和里面的風力機與發電機構成的機頭，特別是大中
型風力發電設備的機頭，其重量非常大，可以達到數十噸到幾百噸，因此，對轉動支承裝置
的要求極高，造成了轉動支承裝置的制造成本高昂。而且，由于機頭重量很重，在風向發生
改變時，只能依靠機械對風裝置完成對風作業，相應地，還要增設測風裝置。機械對風裝置
和測風裝置的存在，增加了風力發電設備的體積、結構復雜性，并因此增加了風力發電設備
的制造、安裝和維護成本。另外，雖然人們意識到，風力發電設備的單機容量越大，成本效率
就越高，但是與此同時，風力機和發電機的重量也都越高，從而限制了單機容量的增加。 目前，為了減輕風力發電設備機頭的重量，所采用的主要方法是使用盡可能輕的
材料和更好的加工設備。然而，這種方法對減輕重量的效果不明顯，反而增加了風力發電設
備的成本。 另外，風力機和發電機同時裝在封閉的機艙中，給日常的檢查、維修和保養都帶來 了很多困難。于是，不得不在風力發電設備中安裝盡可能多的自檢設備，以便在出現故障 時，盡可能準確地發現故障點，以便完成維修。這也造成了風力發電設備造價高。還有，因 為發電機同風力機一起裝在隨風擺轉的機艙中，所以，用于向外輸送電力的電纜會發生扭 絞的現象，因此還需要安裝相應的解纜和扭纜保護裝置。這是影響風力發電設備造價的又 一個因素。 順風式風力機雖然可以不需要對風裝置以及相應的測風裝置，但是，與逆風式風 力機一樣，風力機和發電機都裝在機艙中，也因此有同樣的問題需要解決。

發明內容本實用新型就是針對上述技術問題提出來的，目的是提供一種能夠降低風力發電 設備的制造、安裝、運營成本的水平軸式風力機。
3[0008] 相應地，本實用新型提供了一種水平軸式風力機，其包括能圍繞水平軸線旋轉并圍繞豎直軸線擺轉的旋轉主軸；與所述旋轉主軸相連的第一運動轉換裝置，用于將所述旋轉主軸圍繞水平軸線的旋轉運動轉換為豎直方向上的運動；聯結器，所述聯結器包括結合在一起并能夠一體地沿豎直方向運動的第一構件和第二構件，所述第一構件與所述第一運動轉換裝置相連并能夠相對于所述第二構件繞豎直軸線擺轉；第二運動轉換裝置，所述第二運動轉換裝置與所述聯結器的所述第二構件相連，用于將所述第一運動轉換裝置的所述豎直方向上的運動轉換為旋轉運動。 優選地，所述水平軸式風力機還包括滑座，所述聯結器包括能夠沿著所述滑座
在豎直方向上滑動的滑塊，所述滑塊構成所述聯結器的第二構件；以可相對所述滑塊繞豎
直軸線擺轉的方式與所述滑塊結合在一起的擺轉件，所述擺轉件構成所述聯結器的第一構
件。其中，所述滑塊是中空的，內部形成有上表面和下表面，所述擺轉件可轉動地支承在所
述滑塊內部的所述上、下表面之間，所述擺轉件上一體形成有用于與第一運動轉換裝置相
連的上連接部，所述滑塊上一體形成有用于與第二運動轉換裝置相連的下連接部。 優選地，所述第一運動轉換裝置包括第一偏心件，所述第一偏心件與所述旋轉主
軸一體形成并作為所述旋轉主軸一部分；第一連桿，其一端與所述第一偏心件連接，另一端
與所述聯結器的第一構件相連。 優選地，所述第二運動轉換裝置包括可旋轉的輸出軸，所述輸出軸上一體形成有作為其一部分的第二偏心件；第二連桿，其一端與所述第二偏心件連接，另一端與所述聯結
器的第二構件相連。 優選地，所述水平軸式風力機進一步包括可擺轉地支承在塔架上的機艙，所述旋轉主軸可轉動地支承在所述機艙內，其中，所述聯結器和所述第二運動轉換裝置布置在所述機艙外。所述機艙上設有尾舵。尾舵在逆風式風力機中的作用主要是對風和平衡風輪的重量；在順風式風力機中的作用主要是平衡風輪的重量。 所述輸出軸或者所述第二運動轉換裝置布置在與利用所述水平軸式風力機所得到的風力的用能設備相關聯的高度上。 根據本實用新型的水平軸式風力機，具有如下優點 1.能夠將從塔架頂部獲得的風能傳遞到地面或者任何希望的高度，也因此使得本
實用新型的風力機能夠將風能提供給包括發電機在內的任何合適的用能設備。 2.由于主要是旋轉主軸可轉動地支承在塔架頂部，所以機頭重量大大降低，不僅
降低了對轉動支承裝置的要求，而且在逆風式風力機中，可用尾舵自行完成對風。 3.由于發電機可以固定在任何希望位置，所以，不再需要例如解纜和扭纜保護裝置。

圖1是包含有根據本實用新型一個實施例的水平軸式風力機的風力發電設備的示意性剖視圖。 圖2是圖1中的聯結器的示意性放大剖視圖。
具體實施方式
下面，參照附圖描述本實用新型的原理和具體實施方式
。
4[0021] 圖1示意性地示出了根據本實用新型一個實施例的水平軸式風力機應用于風力發電設備中的情況。圖中所示的是一種逆風式風力機，但本領域技術人員可以理解，本實用新型可同樣適用于順風式風力機，這時，取消對風裝置即可。 本實用新型的水平軸式風力機包括旋轉主軸2、由第一曲軸3和第一連桿4構成的第一運動轉換裝置、聯結器20以及由輸出軸13和第二連桿11構成的第二運動轉換裝置。[0023] 旋轉主軸2的一端通過輪轂(未示出)與風輪(未示出)相連，用于接收風力而旋轉。旋轉主軸2通過軸承5轉動支承在機艙1中。機艙1與尾舵(未示出)連接，用于對風。機艙1通過止推軸承6轉動支承在塔架7的頂部。當風向改變時，在尾舵的作用下，機艙1相對塔架7的頂部圍繞著豎直軸線擺轉。因此，對于水平軸式風力機而言，旋轉主軸2在繞水平軸線旋轉的同時，還可能隨著機艙1而發生繞豎直軸線的擺轉，擺轉的范圍取決于風力方向。如下面具體描述的，本實用新型的水平軸式風力機，能夠僅僅將旋轉主軸2繞水平軸線的旋轉運動，即所接收的風力，傳遞到希望高度處的輸出端。 在本實用新型中，表示方位的術語，如"水平"、"豎直"等僅僅是針對風力機實際使用狀態而言，而且，僅僅代表大致的方位，不是絕對的。例如，水平軸式風力機在工作時，旋轉主軸與假想的水平線會形成一定的仰角。本實用新型中使用的術語"水平"，包括了旋轉主軸有仰角的情形。類似的，術語"豎直"僅僅表示大致垂直于地面的方向，包括了與垂直于地面的方向成一定角度的方向。 根據本實用新型，機艙1中主要是裝有旋轉主軸2，而不像現有技術那樣還安裝發電機等，所以，由機艙1及旋轉主軸2構成的機頭重量大大地減輕了。結果，當風向改變時，就有可能僅僅依靠尾舵實現對風，因此，可以省卻現有技術中的機械對風裝置和相應的測風裝置，還顯著降低了止推軸承6的設計、制造要求，從而能夠簡化結構，降低制造、安裝和維護的成本。 第一曲軸3與旋轉主軸2 —體形成，并作為旋轉主軸2的一部分。因此，當旋轉主軸2繞其水平軸線旋轉時，第一曲軸3也一體地旋轉。第一連桿4的一端(圖中的上端)連接到曲軸3上，另一端(圖中的下端)連接到聯結器20中作為第一構件的擺轉件24(見圖2，下文將詳細描述)，因此構成了將圍繞水平軸線的旋轉運動轉換為豎直方向上的滑動的曲柄滑塊機構。 輸出軸13的兩端由軸承18可轉動地支承，軸承18安裝在軸承座12內。軸承座12固定在塔架7的樓板9上面或者鋼架上。輸出軸13的中間部分是一體形成并作為輸出軸13 —部分的第二曲軸15。作為替換方式，第二曲軸15也可以按懸臂的方式設置在軸承18的任一外側。第二連桿11的一端(圖中的上端)連接到聯結器20中作為第二構件的滑塊21(見圖2，下文將詳細描述)，另一端(圖中的下端)連接到第二曲軸15。于是，構成了另一個曲柄滑塊機構，將豎直方向上的滑動轉換為輸出軸13的旋轉運動。輸出軸13的一端構成輸出端14。在圖示實施例中，輸出端14通過直角型錐齒輪16和17與發電機相連。根據具體的應用場合，可以采用其他的布局方式或者利用其他的傳動機構，或者從輸出端14直接輸出輸出軸13的轉動動力。 于是，利用本實用新型的水平軸式風力機，例如通過設計第一、二連桿4、11的長度，可以實現將從塔架頂端接收到的風力向下傳遞到任何希望的高度處，包括地面；例如通過設計輸出軸13的長度或者同時結合其他的傳動設計，可以將風力傳遞到希望高度處的
5任何位置，包括塔架內部和外部。因此，雖然圖示的發電機放置在塔架7的內部下方，但是，發電機可以放置在包括地面、塔架7外面在內的任何希望的位置。同時，應該理解，由于本實用新型的水平軸式風力機能夠將風力傳遞到地面或者任何希望的高度，所以，風力機所產生的動力，還可以直接提供給發電機之外的任何其他合適的用能設備，例如地面上的磨米機、水輪機，等等。 另外，由于發電機不安裝在機艙1內，而是可以固定在任何合適的位置，所以，當本實用新型的風力機與發電機結合使用時，不會像現有技術那樣發生電纜的扭絞，也就不再需要對應的解纜和扭纜保護裝置，因此能夠進一步簡化結構，降低制造、安裝和維護的成本。 上面具體地以曲軸3、13和連桿4、11為例，解釋了本實用新型的第一、第二運動轉換裝置。本領域技術人員應該理解，除曲軸外的其他偏心件，例如偏心輪等，也可以與連桿一起同樣地實現本實用新型的目的，并具有實質上同樣的技術效果。本領域技術人員還可以認識到，本實用新型的運動轉換裝置，其功能是用來將旋轉運動轉換為豎直運動或者反之，因此也可以使用現有技術中能夠實現這種功能的其他機構。 注意，在整個說明書中，術語"一體形成"是指多個構件或者部分以相互固定的方式結合在一起，既包括多個分離的構件利用連接件或者焊接等方式固定在一起的情況，也包括多個部分構成整體上是單件式結構的情況。術語前使用的"第一"、"第二"或者類似的表述，僅僅分別代表相應多個技術特征中的一個，并不表示這些技術特征中的不同。[0032] 下面將參照圖1和圖2詳細地描述根據本實用新型的聯結器20，其中圖2是圖1中所示的聯結器20的示意性放大剖視圖。 在圖示實施例中，本實用新型的水平軸式風力機還包括用來引導聯結器20上下運動的滑座10。滑座10能夠被固定到塔架7上，例如塔架7的另一層樓板8上，或者塔架7的鋼架上。聯結器20包括作為其第二構件的能夠沿著滑座10上下滑動的滑塊21。本領域技術人員應該理解，滑塊21和滑座10的具體形狀并不影響本實用新型的實施，因此可以采用任何滿足設計要求的形狀，包括但不限于筒形。 在圖2所示實施例中，滑塊21是中空的。聯結器20還包括作為其第一構件的、位于滑塊21內并可以相對于滑塊21擺轉的擺轉件24。擺轉件24通過轉動支承件27 (例如軸承，如下所述)被可轉動地支承在滑塊21內部的上、下表面之間。這樣，擺轉件24既可以在豎直方向上與滑塊21 —體地上下運動，又可以相對于滑塊21繞豎直軸線擺轉。在本實用新型中，"一體"地運動，是指結合在一起的若干個構件基本上同步地運動，就像一個構件那樣。 在擺轉件24的上面一體形成有上連接部22，上連接部22經滑塊21上形成的開口伸到滑塊21的外面，用來與第一連桿4連接。例如，可以在上連接部22上形成通孔23，在第一連桿4的下端形成帶通孔的叉(未示出)，然后用銷(未示出)穿過上連接部22的通孔23和第一連桿4下端叉的通孔，將第一連桿4和擺轉件24連接起來。本領域技術人員可以理解，各種其他的合適連接方式也都是可以使用的。另外，在滑塊21外部的下面一體形成有下連接部25，用于與第二連桿11的上端相連，例如通過下連接部25上的通孔26。當然，下連接部25也可以采用本領域公知的其他方式進行連接。 在本實用新型的一個優選實施例中，可以例如通過具體設計第一曲軸3和第一連
6桿4的尺寸以及它們同聯結器20間的相對位置關系，使上連接部22的中心位置(或者第一連桿4與聯結器20的連接位置)處于旋轉主軸2隨機艙1 一起擺轉時所繞的豎直軸線上。這樣，當機艙1在尾舵作用下繞豎直軸線發生擺轉時，可以保證上連接部22上下往復運動時所到達的上下頂點位置恒定，從而有利于由第二連桿11和輸出軸13構成的第二運動轉換裝置平穩地完成運動轉換。 在圖示實施例中，轉動支承件27被顯示為圓錐滾柱軸承，為擺轉件24的擺轉同時提供轉動支承和定心的作用。本領域技術人員可以理解，圖示方案僅僅是示例性的，一旦確定了擺轉件24和滑塊21的結構和位置關系，就可以設計出各種可行的支承方案。例如，可以在滑塊21的內部上、下表面和擺轉件24的相對表面之間設置止推軸承，而在滑塊21內部的側面與擺轉件24的相對側面之間設置徑向軸承，或者在滑塊21的開口與擺轉件24的上連接部22之間設置徑向軸承。而且，既可以采用滾動軸承支承，也可以采用流體支承，例如靜壓液體支承。 上面結合圖1和圖2，介紹了根據本實用新型的滑塊型聯結器。但是，根據本實用新型的教導，本領域技術人員可以想到例如用萬向接頭作為本實用新型的聯結器，這時，可以不必使用滑座10。本領域中已知的由能夠相對轉動同時一體地沿一個方向運動的兩個構件組成的機構，都可以用作本實用新型的聯結器。 下面結合圖1描述根據本實用新型的水平軸式風力機的運行情況。當風向發生改變時，在風輪和對風裝置的作用下，旋轉主軸2在旋轉的同時發生擺轉。旋轉主軸2的旋轉運動通過第一 曲軸3、第一連桿4、擺轉件24被向下傳遞給滑塊21 ，并被轉換為滑塊21沿著滑座10的豎直運動。同時，旋轉主軸2的擺轉通過第一曲軸3轉換為第一連桿4的扭轉，并通過第一連桿4傳遞給擺轉件24，使擺轉件24相對于滑塊21擺轉。結果，雖然旋轉主軸2同時作旋轉和擺轉的運動，但傳遞到滑塊21處時，滑塊21只是豎直運動而不擺轉。滑塊21的豎直運動繼續向下通過第二連桿11和第二曲軸15轉換為輸出軸13的旋轉運動。輸出軸13的旋轉運動可以用來驅動希望的用能設備。 上面參照附圖對本實用新型進行了具體的描述。但是，本領域技術人員應該理解，上面的具體描述僅僅是舉例性質的，用于說明性的目的，并非是用來限制本實用新型的保護范圍。本實用新型的保護范圍僅由權利要求限定。得益于本實用新型的教導，本領域技術人員在不超出本實用新型保護范圍的情況下可以根據具體情況對本實用新型做出各種變型、修改或者替換。例如，可以在輸出軸13加裝配重、飛輪等儲能裝置，使輸出軸13的轉動更加平穩。
權利要求一種水平軸式風力機，其包括能圍繞水平軸線旋轉并圍繞豎直軸線擺轉的旋轉主軸，其特征在于，所述風力機還包括與所述旋轉主軸相連的第一運動轉換裝置，用于將所述旋轉主軸圍繞水平軸線的旋轉運動轉換為豎直方向上的運動；聯結器，所述聯結器包括結合在一起并能夠一體地沿豎直方向運動的第一構件和第二構件，所述第一構件與所述第一運動轉換裝置相連并能夠相對于所述第二構件繞豎直軸線擺轉；第二運動轉換裝置，所述第二運動轉換裝置與所述聯結器的所述第二構件相連，用于將所述第一運動轉換裝置的所述豎直方向上的運動轉換為旋轉運動。
2. 如權利要求1所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述水平軸式風力機還包括滑 座，所述聯結器包括能夠沿著所述滑座在豎直方向上滑動的滑塊，所述滑塊構成所述聯結器的第二構件； 以可相對所述滑塊繞豎直軸線擺轉的方式與所述滑塊結合在一起的擺轉件，所述擺轉 件構成所述聯結器的第一構件。
3. 如權利要求2所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述所述滑塊是中空的，內部形 成有上表面和下表面，所述擺轉件可轉動地支承在所述滑塊內部的所述上、下表面之間，其 中，所述擺轉件上一體形成有用于與第一運動轉換裝置相連的上連接部，所述滑塊上一體 形成有用于與第二運動轉換裝置相連的下連接部。
4. 如權利要求1所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述聯結器包括萬向接頭。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述第一運動轉換 裝置包括第一偏心件，所述第一偏心件與所述旋轉主軸一體形成并作為所述旋轉主軸一部分； 第一連桿，其一端與所述第一偏心件連接，另一端與所述聯結器的第一構件相連。
6. 如權利要求1至4中任一項所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述第二運動轉換 裝置包括可旋轉的輸出軸，所述輸出軸上一體形成有作為其一部分的第二偏心件， 第二連桿，其一端與所述第二偏心件連接，另一端與所述聯結器的第二構件相連。
7. 如權利要求6所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述輸出軸位于與利用所述水 平軸式風力機所得到的風力的用能設備相關聯的高度上。
8. 如權利要求1至4中任一項所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述水平軸式風力 機進一步包括可擺轉地支承在塔架上的機艙，所述旋轉主軸可轉動地支承在所述機艙內， 其中，所述聯結器和所述第二運動轉換裝置布置在所述機艙外。
9. 如權利要求8所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述第二運動轉換裝置布置在 與利用所述水平軸式風力機所得到的風力的用能設備相關聯的高度上。
10. 如權利要求8所述的水平軸式風力機，其特征在于，所述機艙上設有尾舵。
專利摘要本實用新型公開了一種水平軸式風力機，用以克服現有技術中存在的機頭重量大、制造和運營成本高的問題。根據本實用新型的水平軸式風力機，第一運動轉換裝置與旋轉主軸相連，用于將旋轉主軸的旋轉運動轉換為豎直方向上的運動，聯結器的第一構件與第一運動轉換裝置相連并能夠相對于第二構件繞豎直軸線擺轉，第二運動轉換裝置與聯結器的第二構件相連，用于將第一運動轉換裝置的豎直方向上的運動轉換為旋轉運動。本實用新型的水平軸式風力機能夠將風力傳遞到任何希望的高度處，從而可以不將發電機放置在機頭中，因此大大減輕了機頭重量，簡化了結構，而且因此能夠將風力提供給位于任何希望的位置上的發電機或者其他用能設備。
文檔編號F03D1/00GK201502482SQ20092017913
公開日2010年6月9日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者高則行 申請人:高則行