專利名稱：可實現(xiàn)葉片氣動減速的樹形升力型垂直軸風力機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風能利用領域，涉及風力發(fā)電機技術，具體涉及一種升力型垂直軸風力機技術。
背景技術：
盡管水平軸風力機在風力發(fā)電領域占據(jù)著主導地位，但垂直軸風力機因其具有的不可替代的優(yōu)點，一直被人們不斷追求、研究開發(fā)，并取得了進展，在微型機、小型機方面已有了相當規(guī)模的實際應用。研發(fā)正向著中型機、大型機發(fā)展。垂直軸機吸引人之處是發(fā)電機、增速箱等大部件可以放在地面或半空，維修成本低；不用對風且在風向頻繁變化情況下也能正常工作；噪音低，尤其是微型機、小型機放在房前屋后也感覺不到噪音，受到用戶歡迎。垂直軸機中，效率高、實用價值大的當屬升力型機；阻力型機因效率低、單位功率造價高 而應用較少。在升力型垂直軸機中，H型機更因效率較高而倍受重視。從工程應用出發(fā)而研究的對象也多集中于直葉片的H型風輪。本發(fā)明也屬于H型機類型?，F(xiàn)有的H型升力型垂直軸風力機，仍存在下列問題第一大問題是不能實現(xiàn)葉片氣動減速。所謂氣動減速，是靠葉片自身角度的改變令風輪增加氣動阻力，或減少風力獲取，使風輪減速。水平軸機葉片沒有支撐臂，是一端直接固定在輪轂，另一端自由，容易實現(xiàn)角度改變，運用變槳技術實現(xiàn)氣動減速。而垂直軸機不論H型還是Φ型機，葉片都通過支撐臂支撐(Φ型機以葉代臂)，并且是兩點固定于轉(zhuǎn)筒，葉片難以實現(xiàn)變角度，遇到強風都不能靠葉片來控制轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)有的垂直軸機常見的辦法是靠機械、電磁減速剎車兩種辦法。小型以下的風力機靠電磁剎車，即讓發(fā)電機瞬間接近短路，靠瞬間大電流產(chǎn)生的超額電磁反力矩迫使風輪減速停轉(zhuǎn)；功率較大的，靠機械剎車系統(tǒng)對主軸減速剎車。大的風輪有很大的轉(zhuǎn)動慣量，不能全靠機械剎車來減速，科學合理的方式應是先氣動減速、后機械剎車停機，垂直軸風力機只有機械或電磁剎車而無氣動減速是一種不合理的狀態(tài)。現(xiàn)有的垂直軸風力機特別是中、大功率機缺乏一種簡單可靠的以葉片來限制轉(zhuǎn)速的模式。第二大問題，是高速旋轉(zhuǎn)時的晃動問題。這是垂直軸機的最大缺點。旋轉(zhuǎn)時的晃動，并非由于動不平衡(即使動平衡做得再好立軸也會晃動)更非離心力所致，而是葉片運行時的空氣動力的一個分力——徑向力，通過支撐臂傳遞到豎直的轉(zhuǎn)筒和立柱所致。該力在旋轉(zhuǎn)一圈里時大時小周期性變動，構(gòu)成一種水平推力(以下用水平推力這一公知易懂術語)。是一種使得立軸發(fā)生傾覆趨勢的力，也會使立柱等垂直構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，易導致軸承早期失效?，F(xiàn)有的垂直軸機沒有哪種機型對此有解決措施，從結(jié)構(gòu)上即可看出這一點。第三，實度方面，現(xiàn)有的垂直軸風力機，包括H型機，其風輪參數(shù)(即葉片數(shù)、葉片寬度、葉片長度、風輪半徑、還包括翼型)一旦確定，實度就不可能改變，而低風速時需要高實度以增大轉(zhuǎn)矩，高風速時需要低實度以減小轉(zhuǎn)矩，這一矛盾還沒有解決方案。第四，葉片支臂方面，不外乎三種形式一種是上下兩臂平行、水平伸出；第二種是上臂向上斜、下臂向下斜；第三種是單臂水平伸出。這些形式的支臂的特點都是1，風輪中部與轉(zhuǎn)筒中部等高；2，支臂只起支撐葉片的作用而對旋轉(zhuǎn)動力無貢獻；3，轉(zhuǎn)筒長度與葉片長度相關，成比例增加，特別是當風力機功率做大、風輪很高即葉片很長時，轉(zhuǎn)筒也得隨之變長，轉(zhuǎn)筒與葉片幾乎等長，可達幾十米長，轉(zhuǎn)筒越長晃動幅度越大，同時帶來上下同心度、加工造價、自身損耗、受力惡化等一系列問題。第五，葉片也是升力型垂直軸風力機值得研究改進的一個重要方面現(xiàn)有的升力型葉片一般采取樹脂與玻璃纖維復合的玻璃鋼拉擠成型葉片。玻璃鋼葉片的好處是強度高、比金屬葉片輕、有一定彈性；但玻璃鋼不導電，不能直接用來作雷電引下導體；采用拉擠工藝成型，加工效率較高，但整體仍顯重。I)，如將風力機做到幾百千瓦乃至兆瓦級，葉片將寬達幾米，長達幾十米，僅一條葉片重量就可達幾噸，而盡量減輕風輪重量正是風力機工程應用、研究設計上所苦苦追求的。2)，拉擠工藝需要模具，模具造價較高，特別是風力機功率做到兆瓦級、葉片寬度需達幾米時，必給模具制造和拉擠工藝增加困難和造價。葉片需要模具來制造，將規(guī)格固定化，還給功率任意大小、葉片任意大小的選擇帶來障礙。3)，遇到暴風必須停機時，由于葉片受風面積最大，葉片又不只一個，所以水平推力主要來自葉片，而采用剛性材料做葉片無法實現(xiàn)伸縮收卷以減小風阻力。4)，為了能防雷還須在制造過程中專門敷設銅網(wǎng)帶，既增重又加成本，特別是對于大型葉片。所以，改進葉片結(jié)構(gòu)形式和材料， 是垂直軸風力機改進的又一大需要。第六，機械結(jié)構(gòu)和傳動方面，現(xiàn)有已應用的H型垂直軸風力機，機械模式多種多樣，大多是“一軸一機”模式，即發(fā)電機與風輪的轉(zhuǎn)軸同軸，形式上是一軸帶單臺發(fā)電機(或同軸一上一下兩臺發(fā)電機)，發(fā)電機直連于風輪轉(zhuǎn)筒，這種方式一般都是沒有增速齒輪箱的“直驅(qū)式”；此模式最大問題在于發(fā)電機一旦損壞，將面臨整個風輪的拆卸，維修成本會很高，特別是對中、大型垂直軸機；另一種機械模式是將發(fā)電機置于地面，采取長軸落地傳動，此方式優(yōu)點是發(fā)電機維修更換非常方便，消除了維修成本高的風險，但問題是用長軸造價提高，特別是中、大型機塔柱幾十米高，向下傳遞幾百、幾千千瓦功率，問題隨之而來，有上下同心度問題、軸承的耐受問題、造價問題、可靠性問題，還有震動問題。同軸直驅(qū)(即一軸一機)模式雖結(jié)構(gòu)簡化但不便于利用發(fā)電機來控制轉(zhuǎn)速。垂直軸家族中還未見一種既能維修方便、又能達到低造價、還可以借發(fā)電機控制風輪轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)又非常簡單、還能適應于大小不同功率的能夠通用的機械模式。為了產(chǎn)品研發(fā)制造上方便，也需要一種通用的機械模式，能整合一軸一機和一軸多機兩種機械傳動模式的、不同功率等級都適用的實用結(jié)構(gòu)，這種通用、實用機械模式，其結(jié)構(gòu)必須盡可能簡單。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題本發(fā)明針對上述從工程研究中發(fā)現(xiàn)存在的各個問題，目的在于提供一種綜合解決上述問題的垂直軸風力機風輪屬于升力型性質(zhì)，可實現(xiàn)氣動減速，當需要減速時可使葉片運行阻力增大，超高風速時能限制飛車，以簡單的方法實現(xiàn)風輪減速；要減少、緩沖葉片通過支臂傳遞給垂直立柱的晃動力；風輪動力要在較寬風速范圍內(nèi)可調(diào)，低風速時多捕獲風能以提高動力，易于啟動，增加低風速時的發(fā)電量，高風速時減少風能捕獲，保持在額定值上下；本發(fā)明還要改進葉片的結(jié)構(gòu)和材料，使葉片更輕、尺寸不依賴模具而可任意選定，采用一種新型的結(jié)構(gòu)和材料組合使得葉片既滿足空氣動力要求、經(jīng)久耐用又較輕；葉片頂端是整機最高點，要有防雷措施，并且要盡可能結(jié)構(gòu)簡單；機械上支撐與傳動結(jié)構(gòu)的零部件要盡可能少，要力圖形成適應不同功率的通用的機械模式(傳動結(jié)構(gòu)與支撐承載結(jié)構(gòu)一如中心柱體的關系密不可分，合起來叫機械模式，下同)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明為了在強風下讓風輪減速，在升力型葉片上采用定葉片、活葉片機制一在葉片的一端做一小段活葉片，正常運轉(zhuǎn)時活葉片不動并與定葉片弦線重合，需要減速時活葉片轉(zhuǎn)動適當?shù)慕嵌仍龃笞枇ΓD(zhuǎn)動角越接近90度阻力越大,起到運行中減速并保持運行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的作用。不同于現(xiàn)有H型風輪的設計，本發(fā)明對上下兩個葉片支臂都采取斜向上設置，以求緩沖對立軸的水平推力、減輕葉片通過支臂傳遞給中心立柱的晃動作用力；且上、下斜臂根部都固定于粗短橫臂，短橫臂一是為固定兩個斜臂，二是使斜拉索與臂有合適夾角。葉片較短時可采取單斜臂，其根部直接固定于短粗橫臂。為了讓I對(或I個)斜臂能支撐2個葉片，斜臂的外端安裝分支臂，分支臂要比斜臂短、輕很多。斜支臂上外包附加可獲取空氣動力的升力翼型，相當于增加了斜置的升力型葉片(將升力型葉片斜置，也能獲得一定的旋轉(zhuǎn)動力，但比葉片豎置所能獲得的動力小些)。斜臂上的升力翼型包絡斜臂，就 形成了一體化翼臂，既是臂又是翼，既能支撐外圍的升力型葉片，又具有接受風能產(chǎn)生動力的作用；附加的翼型是活動的——可形成翼型、又可收掉翼型；具體方法是采用一種高強度PVC布，配以PVC布的收放機構(gòu)，組成可收放的活動翼型；讓縱橫鋼骨架附著在斜臂上，橫向肋骨做成翼型的形狀，PVC布再附著在骨架上，就形成所需的翼型。本發(fā)明對豎直的升力型葉片提供一個創(chuàng)新方案采取骨架加蒙皮的結(jié)構(gòu)——用高強PVC布來做葉片蒙皮，包絡于鋼制骨架，制成一種輕體葉片；這種中空的葉片內(nèi)部有足夠的空間可安裝使活葉片轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置；在葉片頂端設避雷針與鋼骨架焊接；由于采用骨架加PVC布蒙皮的結(jié)構(gòu)，可以在定葉片上部做一段PVC布可收放的葉片段，遇特強風時收起PVC布。機械方面，為了最大限度減少不同心帶來的機械運轉(zhuǎn)阻力，最大限度提高機械組件的可靠性，同時盡量降低機械加工難度和成本，本發(fā)明壓縮轉(zhuǎn)筒的高度，即使做大功率機轉(zhuǎn)筒也不設計得很高。轉(zhuǎn)筒通過軸承與固定的中心柱體轉(zhuǎn)動連接；輸出轉(zhuǎn)矩的傳動部件(如齒輪或傳動盤)直接連接于轉(zhuǎn)筒；發(fā)電機通過支架安裝于固定中心柱體外圍，此方案只需很少的零部件就構(gòu)成機械運轉(zhuǎn)組件。在支臂的受力結(jié)構(gòu)上，采用斜拉索拉住斜臂頂端以擔負斜臂和葉片的重力；并采用鋼索實行臂與臂互連。垂直軸風力機功率做大時，為了支撐很重的葉片，支臂的強度必須足夠，同時又要嚴控支臂的重量，為解決這一矛盾，采用桁架結(jié)構(gòu)作支臂，整個支臂體系都用桁架式結(jié)構(gòu)方案。整機中自控系統(tǒng)是必須有的。有益效果本發(fā)明采取的活葉片，只需整個葉片的一小段就能起到減速作用，在需要減速時這一小段活葉片轉(zhuǎn)動一個角度，其弦線與整個葉片不重合，由“揮向”運行變?yōu)椤芭南颉边\行，阻力頓時加大，由于與整個葉片同軸，就給整個葉片帶來減速效果。停機時只需轉(zhuǎn)動活葉片，將其弦線轉(zhuǎn)到與定葉片弦線成90度交角，這樣阻力最大。葉片空腔內(nèi)部安裝驅(qū)動機構(gòu)一例如可選用機械的傳動機構(gòu)，也可選用液壓機構(gòu)，都能很容易地實現(xiàn)活葉片轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍為O到90度，并可回到初始位置。若用機械驅(qū)動機構(gòu)，電動機靠電刷滑環(huán)供電；若用液壓機構(gòu)，將液壓管路通過旋轉(zhuǎn)接頭弓I入，都易實現(xiàn)。支臂斜置可以說是仿生學的運用，如大樹枝斜向上，在強風下樹枝的彎曲可有效吸收部分水平推力的強大能量，減小強風對樹干的彎曲作用力，同理，本發(fā)明的樹形設計可以通過斜臂的彈性變形吸收一部分風力對風輪的徑向作用力(如果是支臂橫置，則是沿著支臂軸線水平指向垂直柱體的力)，避免剛性地傳遞到轉(zhuǎn)筒上而使中心柱體承受過大的彎矩，斜臂吸收了一部分水平推力能量可以減小中心柱體晃動和疲勞，改善中心柱體受力，增加整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。斜臂的好處之二是使風輪整體升高，風輪越大升高距離越明顯，例如到兆瓦級，葉片長度達幾十米，支臂斜舉向上，使葉片中心升高得更顯著一兆瓦級的風輪升高可達十幾米、20米以上，風輪高則獲取風能效果更佳。支臂斜向上后，與現(xiàn)有的H型風輪技術比,本發(fā)明風輪整體高過機艙,如圖I、圖4，風輪中線23高過機艙24，就可使捕風面積中沒有了對捕獲風能毫無作用的無效面積(如機艙的迎風面積)，減少氣流阻礙、增加通透性，優(yōu)化風輪運行工況。支臂斜置的好處之三是斜置的升力翼型(支臂被包絡在內(nèi))仍可產(chǎn)生升力并有切向力，盡管斜置葉片的升力必然小于垂直放置的葉片的升力，但能提供輔助動力，當然，斜置得越陡(越接近垂直)其升力越接近豎直的葉片。此外還便于用鋼索將斜支臂自由端(外端)拉住從而改善支臂受力，減小臂根部的彎矩應力，采用短粗橫臂也是為了與此相配合，否則無法形成受力三角形。實行臂與臂互連互拉，可將來自葉片的向臂傳遞的水平推力由一組臂直接傳遞一部分到另一組臂，使各斜臂上的水平推力載荷互相有所平衡并限制斜臂之間相對運動?！ぷ钥叵到y(tǒng)可發(fā)指令收卷PVC布，當斜支臂上翼型收回時只剩外圍升力型葉片在工作，這時減少風能獲??；放出PVC布時形成翼型，讓外圍豎直葉片與斜置的翼型共同做功。這樣，本發(fā)明的風輪實度將不再是固定不變的，通過收、放翼型的方法可改變風輪實度。變實度的風輪，能適應高、低風速；同時也可因此而適當縮小外圍升力型葉片的寬度，降低升力型葉片的重量。豎直的升力型葉片除可采用玻璃鋼拉擠成型或金屬制成外，在制作大型葉片時，為了減輕重量、降低成本，為了葉片寬窄不受模具限制而可任意設定規(guī)格(不同用戶、場合會有不同要求)，本發(fā)明采取的葉片創(chuàng)新方案是骨架加PVC布(作蒙皮)的結(jié)構(gòu)，可比鋁合金蒙皮輕、整體性更好，而且可收、放；在升力型葉片上部，就可設置一段蒙皮布可收放段，其骨架內(nèi)部設置PVC布收放裝置，在超強風下停機時可將PVC布收起，使該段處于高空的葉片骨架露空，以減少整體葉片受力；同時，在避雷方面，無需專門另設很高的防雷塔柱，也不用在葉片內(nèi)專門敷設銅網(wǎng)帶，借用鋼骨架作導體，避雷針直接焊接在葉片鋼骨架頂端，引下的大電流從鋼骨架傳導到轉(zhuǎn)筒再通過導電滑環(huán)傳導到中心柱體即可，既實用可行又節(jié)省造價。本發(fā)明采取的“一軸多機”模式可方便多臺發(fā)電機分別維修更換，通過齒輪增速將發(fā)電機轉(zhuǎn)速提高，從而提高發(fā)電機效率。除了一軸多機模式外，還可采取一軸一機模式，將風輪轉(zhuǎn)矩通過傳動盤(而非齒輪)直接傳遞給單一發(fā)電機，此模式使得結(jié)構(gòu)更為簡化，舍去了齒輪增速機構(gòu)，機械傳動可靠性提高，但也使得發(fā)電機的維修變得困難，對發(fā)電機的可靠性提出很高的要求。通過上述技術方案，可實現(xiàn)發(fā)明內(nèi)容中所述本發(fā)明之目的。為了說明有益效果，特做下列分析加以簡要證明以葉片受力圖作原理分析先分析豎直的升力型葉片受力。如圖7，是風輪及葉片的俯視示意圖。垂直軸風輪有個特點葉片運轉(zhuǎn)在不同的位置時相對風速Vw大小、攻角α皆不同，因而升力FIJI力Fd和切向力Fq等各種受力都不同，是周期性變化的。為了分析葉片在不同位置的受力，將風輪旋轉(zhuǎn)圓分為001、002、 012共12個位置(分多少個位置是人為定的)，每個位置相隔30度角。本圖在12個位置上分析了 6個位置的受力。各個位置都取葉片截面(即“葉素”)來分析。圖中符號說明圖中葉片I在風輪外圍，一體化翼臂9在里。兩個葉片I與一個一體化翼臂9、即一臂二葉片為一組。風輪轉(zhuǎn)動方向是由葉片安置方向決定的，前緣朝哪風輪就朝哪轉(zhuǎn)，見圖中弧形箭頭。圖7中一體化翼臂9的翼型是取升力型翼型。V—風速；Vj—葉片切線風速(與葉片運動線速度大小相等方向相反，是葉片前緣的迎頭風速，以下簡稱尖速);Vj= R，ω是角速度(R是風輪半徑)，所以Vj取決于轉(zhuǎn)速。風輪半徑是定值，圖中未標。Vw—相對風速，是V與Vj的幾何和。 各速度矢量的箭頭畫在箭桿上；各力矢量的箭頭畫在箭桿端頭。根據(jù)空氣動力學基礎F1—升力，垂直于Vw，是由相對風速Vw在一定的攻角下產(chǎn)生的力；Fd—阻力(誘導阻力，即與升力同時伴生的阻力)，與Vw同向；F—升力Fl與阻力Fd合成的合力，也叫空氣總動力(以下簡稱合力)；Fq —切向力，是合力在旋轉(zhuǎn)圓的切線上的投影，它就是驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動的動力。F和Fq用封閉大箭頭表示；Fl和Fd用小箭頭(不封閉的箭頭線)表示。α是攻角；β是合力與旋轉(zhuǎn)圓切線所夾的角；0是風輪的中心。上述參數(shù)除了風速V、半徑R是常量，其它皆為變量。分析假設風速V不變，并假設葉片的尖速Vj是V的2倍，即尖速比λ =2，在這個條件下，以003位置為例，相對風速Vw與葉片弦線(也是葉片的中心線)所夾的角為α角，可算出α為19度(計算推導過程略，作CAD圖也可量出)，查表可得升力系數(shù)Cl為
I. 4 ;阻力系數(shù)Cd為O. 203，這時升力必大于阻力數(shù)倍，由空氣動力公式；
^ =^pyXlS可算得升力F1和誘導阻力Fd。( P是空氣密度，按I. 225kg/M3)式中S是葉片面積。葉片長、寬尺寸一定時則S是常數(shù)。再由式F =
可算得合力。合力F必然在旋轉(zhuǎn)圓的切線上有一投影，此即F在切線上的分力，稱為切向力，正是這個切向力Fq驅(qū)動葉片繞風輪中心運動，推動風輪旋轉(zhuǎn)。同時，合力F在徑向線上的投影是徑向力(本圖未直接標出)，此力不做功，能對風輪產(chǎn)生水平推力，是一個有害的力，需要加以抵抗和緩沖。這些就是風輪分析的落腳點和基本結(jié)果。切向力大小和方向由式Fq=FXCOSii可算出當β < 90度，F(xiàn)q為正值，F(xiàn)q推動葉片做正功；β =90度，F(xiàn)q為0，葉片不做功；β> 90度，F(xiàn)q為負值，葉片做負功。
看切向力方向，要看合力F落在哪里，如落在徑向線的前進側(cè)，S卩β <90度，則推動葉片做正功；落在徑向線上，葉片不做功；落在徑向線后側(cè)，則葉片產(chǎn)生反動力，做負功。當葉片尖速與風速之比值較小時，如小于I時，在某個位置就會發(fā)生做負功的情況(本圖未表現(xiàn))。當風速很低時，尖速比是小于I或在I上下的，這時升力型葉片出力是不高的，所以需要增加輔助翼來助力。從圖上看，葉片在003和011位置，攻角α相同，因而升力、阻力、合力、切向力都相同；葉片在005和009位置，兩者攻角α相同，因而升力、阻力、合力、切向力都相同；但可看出，在003和009位置，攻角是不同的，因而各個受力也都不同。在008、006、010、012這幾個位置上，性質(zhì)是類似的，只是量不同，這里未做一一畫圖分析。分析一下001、007這兩個特殊位置上的受力在001位置，相對風速Vwl與風速V同向，為O度夾角；在007位置，相對風速Vw7與風速V方向相反，為180度夾角，在這兩個位置，攻角α都為零，都沒有升力，因此，葉片在這兩個位置切向力為零，沒有做功的力。
圖8是外圍升力型葉片和內(nèi)層的翼型在12個位置上的有無升力Fq存在的示意圖，標有Fq的位置有切向力，沒標的沒有?？梢娡鈱尤~片，如前述運動到001、007位置無切向力，其它位置均有做功的力Fq。內(nèi)層翼型在001、007位置無升力也無切向力，在006、008位置升力很小，近似于無做功的力；其它位置均有Fq。下面以圖9來說明升力翼型即使斜置也能有一定升力的原理上述分析中葉片是豎直的，為什么將升力翼斜置也會有升力？原因很簡單它也有攻角。其葉素的空間關系與豎直的葉素基本相同，只要有合適攻角，就必然產(chǎn)生升力，升力在旋轉(zhuǎn)圓切線上會有一個分力，即切向力，就能推動風輪旋轉(zhuǎn)；設斜置角度為k，如圖9，所產(chǎn)生的切向力與豎直葉片有一個比例關系，其切向力設為Fq’，它的大小滿足Fq’ =FqXCOS Zk這一關系。顯然Z k=0時，原斜置翼變成豎直狀，這時翼的切向力Fq’與豎直翼的相等；K=90度時，原斜置翼變成水平狀，這時切向力Fq’為零；斜角越大、翼越接近水平，切向力越小。所以斜置的翼傾斜角度應合適，從動力和結(jié)構(gòu)支撐兩方面需要來綜合考慮，適當“陡”一些好。圖中D-D、C-C分別是葉片I (即豎直翼)、一體化翼臂的剖面。關于可收放的輔助翼型的作用先從葉片寬度問題說起。來看升力公式F1 = 2 pVj( S ,升力F1與相對風速Vw的
平方成正比；與升力系數(shù)C1成正比，與葉片的面積S成正比，由于垂直軸風力機葉片是處處等寬的(即等截面葉片，這不同于螺旋槳葉片的變截面)葉片面積S等于葉片寬乘以葉片長。這就意味著，當風輪直徑和高度(H型風輪的高度就是葉片長度)、亦即風輪捕風面積確定后，隨之而來的問題就是選擇葉片寬度和個數(shù)。為了低風速范圍發(fā)電多，需要葉片寬度較大、葉片數(shù)較多，可多捕獲風能以獲得較大的動力；當風速較大、如平均風速十幾米/秒以上時，由于力與風速平方成正比，受力急劇增加，這時需要葉片寬度較小、葉片數(shù)較少，需要減少風能捕獲以降低風動力，以免發(fā)電機過載。可見高風速與低風速時的所需是矛盾的。從減少葉片重量和造價要求出發(fā)，希望葉片窄，從暴風下安全生存的要求出發(fā)也需要葉片窄；但從獲取動力的角度看，希望葉片適當寬，這也是一對矛盾。所以，如何讓風輪實度既適應高風速、也適應低風速的需要，是本發(fā)明風輪研究設計的一大重點。風力機理論把葉片寬度、葉片數(shù)多少歸結(jié)為“實度”概念。實度即翼型面積之和與風輪捕風面積之比。所以，增加一個動力翼(或増其寬度)就增加一分實度，減少一個動力翼(或減其寬度)就減少一分實度，而不論這種動力翼是阻力還是升力型、是何種翼型。現(xiàn)有的升力型垂直軸風力機沒有可收放的活動翼型，只能靠合理確定風輪實度，把實度設計在一定范圍，但不能在一單機上兼顧高、低風速；只能是用于高速風場的風輪設計成低實度、用于低速風場的風輪設計成高實度，實度一定則固定不變。而本發(fā)明可收放翼型的采用，可以歸結(jié)為實度的適時增減，即在自控系統(tǒng)控制下通過控制翼型受力面積來自動增減實度，所以本發(fā)明的這種既有不同動力翼型結(jié)合、又使翼型可收放的風輪，實質(zhì)上是一種實度可調(diào)控的風輪。


圖I單斜臂的整機平視示意圖。圖2 4臂8葉片、斜臂為一體化翼臂的俯視示意圖。圖3 3臂6葉片、斜臂為一體化翼臂的俯視示意圖。
圖4增加了一個輔助下斜臂的整機平視示意圖。圖5是4臂8葉片的、斜臂無附著翼型的俯視示意圖。圖6是3臂6葉片的、斜臂無附著翼型的俯視示意圖。圖7 升力型葉片原理分析示意圖。圖8 反映外圍升力型葉片和內(nèi)層的一體化翼臂在各個位置上有無切向力Fq的示意圖。圖9 斜置翼型與豎直翼型升力的關系的說明的輔助示意圖。圖10鋼骨架結(jié)合PVC布構(gòu)成升力型葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10. I圖10所反映的升力型葉片上PVC布收放機構(gòu)的放大圖。圖11是升力型葉片分為定葉片、活葉片的作用及關系示意圖。圖12斜臂與PVC布加肋骨構(gòu)成一體化翼臂的示意圖。圖13圖12所示一體化翼臂的立體示意14是圖12、圖13所示的一體化翼臂的PVC布收放機構(gòu)的放大示意圖。圖15 PVC布收放機構(gòu)的立體示意圖。圖16是機械傳動應用實例的第一種-一級齒輪增速傳動不意圖。圖17是機械傳動應用實例的第二種——無增速齒輪系，轉(zhuǎn)筒直接帶動超低速發(fā)電機的直驅(qū)式(亦即一軸一機模式)不意圖。圖18是機械傳動應用實例的第三種一二級齒輪增速傳動示意圖。注圖10、圖14所示PVC布收放機構(gòu)原理和形式相同，即外圍的升力型葉片上部那一段PVC布收放機構(gòu)，與斜臂上附加的升力翼型的PVC布收放機構(gòu)原理和形式相同。以下在實施例中解釋各圖。
具體實施例方式圖I表示本發(fā)明升力型垂直軸風力機平視示意圖(單支臂的)，由葉片I、斜臂3并包括一體化翼臂9、分支臂4、短粗橫臂6、(這幾個臂合稱支臂組，下同)、機艙24 (機艙內(nèi)部是傳動機構(gòu)和發(fā)電機)、塔柱28、避雷針11、接地金屬棒12組成。升力型葉片上部設PVC布可收起段105 ;斜臂3上附加的翼型10，構(gòu)成一體化翼臂9作輔助動力，尤其是在風速很低(如3 5米/秒)時，要推動很重的風輪，僅有葉片I的動力是不夠的；升力型葉片上的活動葉片2是兩用的——不需減速時是動力翼的一部分，需要減速時它是個減速擾流板，由圖4可見。這幾大部分即可構(gòu)成一臺實用的風力發(fā)電機。因PVC布可收放，為此在整個機組中要設置PLC自控系統(tǒng)。在運轉(zhuǎn)時，除機艙24、塔柱28不轉(zhuǎn)動外，其它都繞中心轉(zhuǎn)動。本圖單斜支臂實施例，只在葉片很短的情況下適用。機艙24處于風輪中線23下面。圖2從俯視角度反映四臂八葉片風輪；圖3反映三臂六葉片風輪；0是風輪旋轉(zhuǎn)圓中心，各組臂等角度間隔分布；從俯視圖清楚可見分支臂4支撐兩個葉片的作用，以及其與斜臂3的關系；也可見一體化翼臂的俯視形態(tài)，51代表附加的翼型，25是斜臂的互拉索。同樣的捕風面積，三組臂比四組臂重量更輕，造價更低。圖4是上下兩斜臂的整體平視示意圖，反映整機全貌。一般情況下垂直軸機葉片都需要兩點支撐，即需有上下兩支撐臂。本圖可見外圍升力型葉片1，葉片下部有一段活葉 片2，圖中示意活葉片2處于轉(zhuǎn)動了一個角度的、成拍向的狀態(tài)(2的動作另見圖11的實施方式說明)，頂部有避雷針11，葉片上部設PVC布蒙皮可收起段105 ;支臂組由分支臂4、斜臂3、短粗橫臂6構(gòu)成，其中斜臂為一體化翼臂9，輔助的支臂——下斜臂7固定于短粗橫臂6，并由下斜臂拉索8拉住下斜臂7 ；機艙24處于風輪下面，塔柱28可以是鋼筒也可以是桁架，斜臂互拉索25，傳遞斜臂之間的作用力，起到平衡作用；斜臂斜拉索26，承受一定的斜支臂與葉片自重，改善斜臂的受力狀況。葉片較長時就應分幾段，正好配合上述三段葉片功能的要求。采用上下兩斜臂時，機艙24仍處于風輪中線23下面。中心柱體固定于塔架頂部，所以機艙是置于半空的，但總是處于風輪下方，因此高度是較低的。圖5所示為四臂八葉片風輪、圖6為三臂六葉片風輪，二者為斜臂皆無附加翼型的俯視圖。也是本發(fā)明的實施方式之一。不僅葉片少的風輪實度低些；斜臂上不附加翼型的，也是同樣概念一實度同樣會降低，因此不附加翼型而露空的斜臂相對更適合年平均風速較高的風場；實際應用時，對于高風速風場可以免去斜臂附加翼型。關于支撐臂的材料與結(jié)構(gòu)的實施小功率機可以不一定用鋼桁架結(jié)構(gòu)支臂。當設計較大功率的風力機時(如幾十千瓦以上的)，功率大風輪半徑也大，斜臂也較長，葉片尺寸、重量都會加大，力矩也很大，支臂組采用桁架式鋼結(jié)構(gòu)是一種合理選擇，不管是把桁架包起來或者是露空、從外面看不看得到桁架，載荷任務總歸是桁架來承擔，在滿足抗彎強度和剛度前提下它的自重是最輕的，造價也是較低的。也可采用碳纖維這類極高剛度和強度的材料，特別是對很長的斜臂而言。采用碳纖維復合材料制作斜臂，可以在滿足強度前提下將斜臂做得更輕。圖7、圖8、圖9的原理分析見前述有益效果分析一節(jié)。圖10是本發(fā)明技術特征之一——鋼骨架與高強PVC布結(jié)合構(gòu)成升力型葉片I的結(jié)構(gòu)的示意圖。E-E主要顯示葉片I的斷面形狀(翼型);右圖是骨架示意圖，骨架102是由縱桿件103和橫向的肋骨104構(gòu)成，肋骨形狀決定翼型的形狀，縱桿件103連接所有的肋骨104 ；F-F是骨架102的斷面形狀示意圖，PVC布101緊繃于骨架102表面；10表示葉片的翼型形狀，與緊繃在骨架102表面的PVC布101的形狀是相同的；避雷針11焊接于鋼骨架102，用鋼骨架作導電體；105位于升力型葉片上部的PVC布可收起段，中間圖是PVC布放出形成翼型10的示意，左邊圖是PVC布收起后只?？占?02的示意；只?？占芎筮@段葉片的受力大大減小，從而減小整個葉片的載荷，這一段PVC布收起，是用在需要減少風能獲取或暴風停機時。圖10. I是截面G-G的PVC布收放機構(gòu)的放大示意圖PVC布一頭卷繞在主動卷輥42上，另一頭繞在從動卷輥43上；主動卷輥42上安裝主動鏈輪49，從動卷輥43上安裝從動鏈輪45，通過鏈條46傳動，電動機48可受控正反轉(zhuǎn)，帶動主動卷輥42和從動卷輥43同方向轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)PVC布101的收與放。電動機48由PLC控制器令其正反轉(zhuǎn)，使得PVC布收或放。圖11是本發(fā)明又一特征——升力型葉片的定、活葉片相互關系的示意圖，表達其實施方式。在額定風速、額定功率以下運轉(zhuǎn)時，動葉片2的弦線與定葉片I的弦線完全重合，動葉片2與定葉片I 一起出力，如圖中左圖；當風速超額定時，機組的控制器測知風速、轉(zhuǎn)速和發(fā)電機功率，發(fā)出控制信號，令安裝于定葉片I內(nèi)的驅(qū)動裝置將動葉片2轉(zhuǎn)動一個角度，使動葉片2不再具有合適的攻角從而本段葉片不再產(chǎn)生動力，反而產(chǎn)生很大阻力，如圖11的中圖；當風速過大、或其它情況需要停機時，將動葉片2轉(zhuǎn)動90度，如右圖，提供最大 的阻力，迫使葉片線速度Vx進一步降低，將風輪減速到需要的程度，再動用機械剎車。Vx與葉片切線風速Vj在數(shù)值上相等。動葉片驅(qū)動裝置采用一般機械工程師熟知的具有自鎖作用的減速機構(gòu)，如渦輪蝸桿機構(gòu)、自鎖減速電機、或液壓裝置，安裝于定葉片空腔內(nèi)即可，圖中未表不。圖12是翼型與斜臂合一的實施例示意圖。桁架臂(這里是斜支臂3)的截面形狀在這里是矩形。在斜臂3上，附加肋骨41，它使翼型51成形；斜臂的縱桿47 (這里是四根)既是斜臂的縱梁，又可作為主、從卷輥賴以安裝固定的基礎。上述部件結(jié)合就形成一體化翼臂9。斜臂上的翼型由PVC布44形成，PVC布的收放機構(gòu)與圖10所示PVC布收放機構(gòu)相同，標號與零部件名稱都相同。此外當然還需要軸承座將卷輥固定、需要行程開關傳送PVC布的行程信號，這些常規(guī)標準件未畫出。圖14是圖12中PVC布收放機構(gòu)的放大示意圖；與圖10. I所示機構(gòu)及標號名稱相同。圖15是圖12中PVC布的收放機構(gòu)的立體輔助說明圖。此2圖標號所代表的構(gòu)件名稱與圖10、圖14的完全相同。圖15中細鋼索52穿進PVC布44的縱向邊，兩側(cè)邊各有一條；細鋼索52與PVC布44之間要固定緊、無相對滑移，卷輥拉著鋼索走，帶動PVC布走。令PVC布完全收回時，布都向某一卷輥上繞(如從動卷輥43)，圖15中PVC布的橫邊53向右移動，兩卷輥順時針轉(zhuǎn)，直到主動卷輥42上只剩下細鋼索52，骨架上成露空的；令PVC布放出時，主動卷輥42通過拉細鋼索帶動PVC布，然后將細鋼索全繞在自己身上，橫邊53向左移動，卷輥逆時針轉(zhuǎn)，PVC布由從動卷輥43上全部放出，直到骨架上覆蓋附滿PVC布，就形成了翼型。該機構(gòu)的電動機48能正反轉(zhuǎn)，其動作依賴自控系統(tǒng)的指令。注需指出，在實際中，可能需要增設張馳彈簧，以調(diào)節(jié)因收放PVC布時兩個卷輥半徑此消彼長而帶來的布上的張力，所加彈簧的張力要經(jīng)過試驗計算，安裝在卷輥處或是鋼絲上都可選擇，方法多樣；此外，布的行程傳感器采用何種器件、安裝于何處也有多種選擇，這些實施細節(jié)工程師會去進行設計。圖16是一級齒輪增速的機械傳動帶動發(fā)電機的應用實施例示意圖。中心立柱27通過大軸承19與轉(zhuǎn)筒21轉(zhuǎn)動連接，短粗橫臂6固定于轉(zhuǎn)筒21。發(fā)電機17固定于發(fā)電機支架20，發(fā)電機支架20固定于中心柱體27。大齒輪13固定于轉(zhuǎn)筒，并通過與發(fā)電機小齒輪14的嚙合帶動發(fā)電機17。本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)很簡化(大致上零部件種類不超過6種、個數(shù)不超過10個)，有利于可靠性。經(jīng)過一級齒輪增速，可提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速，以減小發(fā)電機體積重量和造價。大齒輪13只有一個，而小齒輪14和發(fā)電機17應有多個，控制系統(tǒng)可控制任何一個發(fā)電機切入或切出，從而也可控制風輪轉(zhuǎn)速，這種多發(fā)電機模式便于從負載側(cè)控制轉(zhuǎn)速。通過葉片控制轉(zhuǎn)速是從動力源即風輪側(cè)控制轉(zhuǎn)速，屬于氣動減速；以發(fā)電機帶載或脫載控制轉(zhuǎn)速是從負載側(cè)控制，兩側(cè)皆可控制；具體來說就是，風速低時，少投入發(fā)電機，風輪輕載，以使得風輪轉(zhuǎn)速不至于過低，追求尖速比提高；風速高時，可將大部或全部發(fā)電機切入，加重負載以拖住轉(zhuǎn)速。本實施例這種模式的可維修性好，尤其對更換發(fā)電機很方便。圖17是是直驅(qū)式應用實例的示意圖。本發(fā)明的機械模式簡化實用，其簡化實用在于連接風輪的轉(zhuǎn)筒21與連接塔柱的中心立柱27同軸，兩者通過軸承轉(zhuǎn)動連接。因此應用于一軸單機的無齒輪增速的直驅(qū)模式不僅結(jié)構(gòu)適用，而且牢固并簡單可靠。傳動盤33通過連接件36直接驅(qū)動超低速發(fā)電機30的外轉(zhuǎn)子31，超低速發(fā)電機30的定子32固定于中心立柱27。該實施例發(fā)電機與風輪轉(zhuǎn)速相等，與有一級增速的實施例相比，減少一級齒輪傳動機械損耗，機械結(jié)構(gòu)更簡單，更有利于可靠性；但因發(fā)電機轉(zhuǎn)速超低，將使得發(fā)電機體積與 重量都很大，雖可減少一級傳動齒輪的造價，但發(fā)電機造價明顯提高。該模式突出優(yōu)點是簡單可靠。機械阻力矩小，利于轉(zhuǎn)速上升，也是其特點。圖18是二級齒輪增速機械傳動的應用實施例示意圖。固定于轉(zhuǎn)筒21上的一級大齒輪13與一級小齒輪14嚙合；二級大齒輪16與二級小齒輪38嚙合，帶動發(fā)電機17 ;二級大齒輪16與一級小齒輪14同軸，該軸即齒輪軸15 ;齒輪軸15、齒輪軸軸承18依靠軸承座支腿37固定在二級輪系支架29上。28是塔柱。本實施實例的目的是經(jīng)過兩級齒輪增速，使發(fā)電機體積進一步減小、效率進一步提高，發(fā)電機造價進一步降低；但增加了機械機構(gòu)的復雜性；實行兩級齒輪傳動，一級大齒輪仍然只能有一個，而二級大齒輪及其小齒輪應有多組，如可采用3組、4組等，這樣發(fā)電機個數(shù)較多；這有利于有控制地逐個或逐組地令發(fā)電機切入或切出(即帶載或脫載)，從而可方便地從負載側(cè)控制風輪轉(zhuǎn)速。本實施例可維修性很好；適合于發(fā)電機個數(shù)多的情況。二級增速齒輪的采用，會使阻力矩增高，從這點來看，用在平均風速高的風場可以，不大適于低風速風場。上述幾種風力機傳動模式除了帶動發(fā)電機外也可以直接驅(qū)動其它機械裝置。關于升力型葉片的實施可有幾種選擇1，只有固定葉片I加活動葉片2 :都采用玻璃鋼材料，適合于中、小功率機。2，只有固定葉片I和活動葉片2 :某一段采用玻璃鋼材料，另一段用鋼骨架加PVC布蒙皮式結(jié)構(gòu)。3，I段、2段、105段都有，活動葉片2段采用玻璃鋼材料，固定葉片I段和105段采用鋼骨架加PVC布蒙皮結(jié)構(gòu)?？傊?05段最好是骨架加PVC布結(jié)構(gòu)外(防雷措施需要)，另兩段皆可兩種選擇。做大功率機時，葉片將有幾十米長，超過30米就不便于運輸了，因此葉片過長時也有必要分段?？筛鶕?jù)設計需要選用。葉片頂端是整體最高點，避雷針必須設置在此點，所以如果選擇玻璃鋼，應在制作時把銅網(wǎng)帶預先敷設在內(nèi)并留出接頭。從這一點看，105段推薦采用鋼骨架加PVC布蒙皮結(jié)構(gòu)，可一舉兩得。關于機械傳動大零部件的實施當功率做大到I兆瓦以上時，即使速比在10以內(nèi)，大齒輪和發(fā)電機支架的直徑都會達4米多、甚至5米多，直徑超過3米將影響運輸，可將大齒輪和發(fā)電機支架做成兩瓣式，這在加工上是可行的。
權(quán)利要求
1.一種可實現(xiàn)葉片氣動減速的樹形升力型垂直軸風力機，由豎直的升力型葉片、葉片支撐臂、固定支撐臂的轉(zhuǎn)筒、以及機械傳動組件和發(fā)電機組成，其特征在于升力型葉片(I)的支撐臂采取斜向上的方式設置，即以斜支撐臂(3)和下支撐臂(7)支撐葉片；葉片(I)上有一節(jié)動葉片(2)是90度內(nèi)可轉(zhuǎn)動的；支撐葉片的斜支撐臂(3)上也外包附加一種升力翼型(51)，形成一體化翼臂(9);該附加的翼型(51)也用PVC布構(gòu)成，布可收放，使得翼型可形成也可消失；發(fā)電機置于固定的中心柱體(27)的外圍，轉(zhuǎn)筒(21)與中心柱體(27)通過軸承(19 )轉(zhuǎn)動連接，由轉(zhuǎn)筒(21)輸出機械轉(zhuǎn)矩；風輪的中心線(23 )高于機艙(24)。
2.由權(quán)利要求I所述的可實現(xiàn)葉片氣動減速的樹形升型垂直軸風力機，其特征在于不論以何種材料制成的升力型葉片，都由定葉片(I)、一小段動葉片(2)組成，且都是升力翼型并同軸連接，葉片(I)固定于分支撐臂(4);定葉片(I)的空腔內(nèi)裝有驅(qū)動裝置，能使這一小段動葉片(2)在(Γ90度范圍轉(zhuǎn)動，當風過大時令其轉(zhuǎn)一個角度增大運行阻力實現(xiàn)風輪減速，起到運行中減速并保持運行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的作用；定葉片(I)與動葉片(2)，可以是相同的升力翼型、相同的截面尺寸，也可以不同；定葉片(I)與動葉片(2)可以是相同的材料制成，也可以不相同，但一定都是升力型翼型。
3.由權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)葉片氣動減速的升力垂直軸風力機的升力型葉片，其特征在于葉片能以鋼骨架(102)做葉片的整體強度支撐體、高強PVC布(101)作外包蒙皮的方法構(gòu)成，骨架(102)斷面形狀與所選定葉片翼型斷面形狀(10)相同。
4.由權(quán)利要求3所述的升力型葉片，其特征在于在豎直的升力型葉片(I)的上部，可設置一段蒙皮布可收起段(105)，在該段骨架內(nèi)設置PVC布收放裝置，在超強風下停機時將PVC布(101)收起以減少整體葉片受力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的升力型葉片，其特征在于避雷針(11)焊接于葉片鋼骨架(102)頂端，借用鋼骨架(102)作引下導體。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的升力型垂直軸風力機，其特征在于斜支撐臂(3)、下支撐臂(7)都是斜向上，它們的根部都固定于短粗橫臂(6)，且各自的梢部都設有分支撐臂(4)，這樣構(gòu)成一組臂；短粗橫臂(6)固定于轉(zhuǎn)筒(21)上；采用3組臂可支撐6個葉片、4組臂可支撐8個葉片，即一對分支撐臂(4)連接一對葉片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的升力型垂直軸風力機，其特征是附加在斜支撐臂(3)上的翼型內(nèi)裝有PVC布(44)收回、放出機構(gòu)，它由主動卷輥(42)、從動卷輥(43)、主動鏈輪(49)、從動鏈輪(45 )、鏈條(46 )、正反轉(zhuǎn)電動機(48 )組成；電動機(48 )與主動卷輥(42 )連接，鏈條(46 )裝在兩鏈輪上，電動機轉(zhuǎn)動時主動鏈輪(49 )通過鏈條(46 )帶動從動卷輥(43 )轉(zhuǎn)動，向一個方向轉(zhuǎn)動時收起PVC布，向另一方向轉(zhuǎn)動則放出PVC布。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的升力型垂直軸風力機，其特征是由可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)筒(21)、固定不動的中心柱體(27 )、轉(zhuǎn)筒與中心柱體之間的一對軸承(19 )、固定于轉(zhuǎn)筒(21)的傳動部件(13)或(33)、加上固定于中心柱體(27)的發(fā)電機支架(20)，構(gòu)成一套形式結(jié)構(gòu)簡化實用的機械組件，該機械組件模式對不同功率的風力機皆適用，這種一軸多機一即多臺發(fā)電機模式，傳動部件采用大齒輪(13)，被它所帶動的發(fā)電機(17)不論多少臺皆固定于發(fā)電機支架(20);中心柱體(27)通過自身底端的法蘭固定于塔筒或桁架式塔柱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于風能利用領域的升力型垂直軸風力機，目的是提供一種能實現(xiàn)氣動減速、能緩沖水平推力的垂直軸風力機，適用于不同功率，能用自控系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速、改變實度。在升力型葉片下部設置一段活葉片，活葉片在0~90度范圍受控轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)風輪減速；葉片的支撐臂斜舉向上，斜支撐臂上外包附加升力型翼型，形成一體化翼臂，附加的翼型可收可放；對于中、大功率的大尺寸升力型葉片，用鋼骨架加PVC布作蒙皮的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕體葉片；采用PVC布做蒙皮的葉片，其上有一段葉片的PVC布可收放，遇特強風時收起PVC布，讓處于高空的這一段葉片鋼骨架露空以減少風阻力。發(fā)電機設置在固定的中心柱體周圍，機械組件主要由輪轂、中心柱體和軸承、傳動部件構(gòu)成。
文檔編號F03D11/00GK102889171SQ201210309290
公開日2013年1月23日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者梁北岳 申請人:梁北岳