[发明专利]动翼式升力型大功率垂直轴风力机

说明书

动翼式升力型大功率垂直轴风力机

技术领域

本发明属于风能利用领域，涉及垂直轴风力发电机技术，具体涉及一种叶片可动的升力型大功率的垂直轴风力机技术。 

  

背景技术

风轮是将风能转化为机械能的装置，是风力机性能好坏的关键，是工程化应用改进研究的重点。而风轮研究的重点正是叶片及其支臂结构。 

风力机分为水平轴和垂直轴两大门类。垂直轴风力机（可简称立轴机）分为阻力型和升力型两类，效率较高的是升力型机，其中效率最高、也最常见的是H型升力型机。本发明研究的也是H型升力型垂直轴机。升力型垂直轴风力机除了Φ型（典型的达里厄型Darrieus）没有支臂外，其它各机型都可归结为H型，都必须有支臂，叶片必须通过支臂固定于轮毂。支臂会增加风轮的重量，同时会额外增加扫风阻力，功率做大会增加支臂结构的难题。几千瓦以下的小功率风力机，支臂的重量影响还可以忽略，功率做到百千瓦级以上时支臂结构问题就突出了。现有的、已见的H型升力型垂直轴风力机，功率做得较大的、能达到几百千瓦以上的，其支臂长度已达20米，即风轮半径达20米。H型升力型机叶片都位于半径最大处，大功率机单个叶片重量即可达吨级。未来当功率达到兆瓦级乃至数兆瓦时，所需支臂长度将达40米乃至50米以上，叶片会有更大的重量。这时，即使支臂加上斜拉索也将难以满足稳定运行和安全要求。这就需要有另一种解决方案。 

垂直轴风力机叶片与水平轴机叶片的明显不同在于，平轴机叶片形状结构的特点是根粗梢细，是变弦长叶片，整体投影面积较小；而立轴机叶片则是从上到下等宽（等弦长），整体面积较大。立轴机正是要靠较大的叶片面积来获得足够的旋转动力。这样，在遇到破坏性强风时，很大的招风面积承受很大的风阻，易遭破坏。现有的立轴机叶片都是固定翼的，即叶片固定在支臂上不能有任何动作。当大面迎风时，叶片受力很大，被风吹断的例子并不鲜见。在强风下大面积的叶片的安全问题是大功率立轴机必须解决的一大问题。 

现有的功率较大的H型立轴机支臂大都是水平横置的。不论支臂水平横置还是斜置，较长的支臂都需要斜拉索保证支臂的安全，而斜拉索与支臂之间的夹角不能过小。要保证这个夹角，就必须提高斜拉索生根点。现有的H型立轴机是以加一节上部柱体来提高斜拉索生根点，而这一节加高的柱体，对旋转动力不仅毫无贡献，还会产生不利的扰流，这个问题也需要改善。 

大功率的风轮，由于重量很大，轴承的轴向载荷很大，滚动摩擦阻力也不可忽视。另一方面，当功率做大时，轮毂的直径必然加大，轴承半径也大，因而滚动摩阻的力矩就会加大。人们总是希望有一种办法能减小风轮的滚动摩阻，从而减小风轮的运行阻力矩。有人试验过所谓磁悬浮轴承的办法，但安装极为困难、结构复杂、成本极高，得不偿失，难以实用。因此希望能有一种既简易可行而又可靠的措施。 

     现有的大功率平轴机，随着功率越做越大，机舱高度从七十几米，增高到90米以至百米， 

吊装机舱和维修大部件（如发电机、增速齿轮箱）所需要的吊车使用成本也越来越高。平轴机研究者为了解决这一难题，已经研究过各种方法，欲将传动大部件下移，包括研究液压传动技术等，但都不可行。而立轴机一大好处是发电机、增速箱等故障多发大部件可放在半中腰，机舱高度比平轴机可降低很多。这也是立轴机值得研究开发的重要原因。

    现有的立轴机全都是长轮毂，叶片有多长，轮毂就有多长，H型、Φ型机都是此特点，导致晃动大、稳定性差、重量大、加工难、造价高。 

  

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的，在于解决现有升力型垂直轴风力机技术的上述问题和不足。针对上述从工程研究中发现存在的实际问题，目的在于提供一种新型的升力型垂直轴风力机：当功率做到很大、支臂很长时，要增加支点，让悬臂梁改善为简支梁形式，避免支臂变形和不稳；当遇到危险强风时，将叶片从被约束状态释放成自由状态，让叶片能绕自身轴随风向自由摆动到顺风状态，最大限度减小迎风阻力，消除叶片风险；强风过去后还要让叶片受控回位；增加一个阻力风轮，既抬高斜拉索生根点，又增加辅助动力，一举两得；在横支臂上采取措施，让横支臂在运行时产生向上的升力，抵消一部分重力，以减小风轮运转的阻力矩。要采用一种办法把轮毂的长度减下来，不随叶片长度而等比例加长。

  

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：