[发明专利]无主干转盘式垂直轴风力机

说明书

技术领域

本发明涉及垂直轴风力机，特别涉及无主干转盘式垂直轴风力机。

背景技术

水平轴风力发电系统是当今世界风力发电主流机型，技术成熟，生产批量大。但是，水平轴风力发电机组的缺点也日见显著，其启动风速高、工作噪音大、抗风能力差，必须对风，需使用偏航回转支承及其控制驱动系统，必须使用变速比高达100以上齿轮变速箱，难以实现风力机对发电机直接驱动。兆瓦级风力发系统的塔筒或塔架高度在70-80M，叶片圆直径高达100M，叶片长度50M，偏航回转支承所承重的风力发电机组设备总重量高达100吨，这一系列数据表明：水平轴风力发电系统已经发展到历史的顶部阶段。

从风电发展之初到现在，人们一直青睐垂直轴风力发电系统，早就看好其启动风速低、气动噪音小、受风性能好的特点。中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车。然而，相比于水平轴风力发电系统，垂直轴风力发电系统并没有得到应有的发展，差距之大令人感叹。垂直轴风力发电系统发展缓慢，固然有投资等方面的原因，但是，主要原因仍然在技术方面，问题的根源正隐藏在人们习以为常的事物中。

对于垂直轴风力发电系统的垂直方向的轴的认识，需要清楚区别主轴与主干的概念，并与水平轴风力发电系统的主轴概念定义保持一致。主轴是指自身受叶片运动而转动，并驱动发电机转子转动的有效动力轴；主干是指自身不转动，仅作为转动的叶片及其支架所围绕、支撑的定位支撑杆。

水平轴风力发电系统没有主干，主轴很短，大型风电系统只有5～7M。尽管垂直轴风力发电系统的主干很高，如著名的达里厄双叶型风力机(法国航空工程师达里厄Darrieus1931年发明了升力型垂直轴风力机。)，有34M高，非常壮观。达里厄风力机主干上，套一个支架管或2个支架环，支架管或支架环随风叶转动。达里厄双叶型风力机的主轴的有效长度应当从转动的支架管或支架环的底部到发电机转子机构(无论是内转子或外转子)的末端，其有效长度实际上与水平轴风力发电系统的主轴长度差不多，也只有5～7M。传统的和现有的垂直轴风力机，包括经典Φ型，和最近发展起来的H型风力机的标志性结构是：都有主干，支架管或支架环随风叶和支架围绕主干转动。人们对垂直轴风力机的典型结构习以为常，无人质疑这种风力机的主干和支架结构的功能。

经典的和现有的垂直轴风力机的主要缺点在于：

1.垂直轴风力机的转矩与叶片旋转圆半径和叶片平均垂直长度的乘积成正比。Φ型或H型垂直轴风力机的叶片旋转圆直径和叶片平均垂直长度本来应当与主干的高度和强度不相关。但是，由于安装叶片的支架围绕主干转动，依靠主干支撑，因此，主干在结构中处于支配地位。主干的高度和强度必然制约叶片旋转圆直径和叶片垂直长度的增加，叶片旋转圆直径和叶片垂直长度本身丧失了自主改变的独立属性。

2.在经典的和现有的垂直轴风力机中，要增加转矩，并不能直接加大叶片旋转圆直径和叶片垂直长度，而必须首先扩大和增强支架，然后才能增加叶片圆直径和叶片垂直长度(圆弧形叶片可用其直径长度代表其平均垂直长度)。叶片圆直径完全由支架的径向尺寸决定，叶片长度也取决于安装支架的尺寸和强度。通常很难单独对支架进行空气动力学设计，支架所受到的阻力与其重量和尺寸成正比。

3.经典的和现有的垂直轴风力机中，相对于主干，叶片及其支架的转动是外转子转动。与外转子转动相适应的是外转子发电机，要驱动转轴发电机，就必须增加传动转换机构。最近发展起来的H型垂直轴风力机大都使用小功率外转子永磁发电机，这种小功率发电系统只能用于点亮路灯。外转子风力机结构不利于驱动普通的，特别是大功率的转轴发电机。

4.经典的和现有的垂直轴风力机中，叶片及其支架围绕主干转动，这种结构不利于在支架上引入电源，无法在转动的支架上使用电机调节叶片角度(现有垂直轴风力机的叶片攻角调节装置都为机械方式)，也无法用电动油泵为叶片转动轴上的回转轴承自动加注润滑油。

发明内容

本发明主要目的：

取消经典和现有垂直轴风力机的叶片和支架围绕主干转动的标志性结构，创造无主干转盘式垂直轴风力机，在转盘上直接增加叶片旋转圆直径和叶片垂直长度，提高风力机转矩；将支架除节点以外的主要部分贯穿隐藏于叶片之中，变支架阻力为叶片动力；摒弃外转子转动方式，以转盘带动垂直轴，由垂直轴直接驱动转轴发电机；在转盘与定盘之间设置发电机，为转盘设备提供电源，用电机调节叶片角度，为在高空运转的电机回转轴承和其他轴承自动、定时、定量加注润滑油。

本发明是通过以下技术方案实现的：