[发明专利]轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机

说明书

本发明公开了一种应用于风能利用领域的升阻结合型垂直轴风力机，目的在于克服现有垂直轴风力机的不合理结构和不完善功能。为结构简单坚固可靠，克服将风轮直接固定于发电机轴的弊端，采取轴柱结构，上下双轴承使轴、柱转动连接，使立轴旋转体具有很强的抗倾覆能力，让垂直轴机突破瓶颈功率可以做大，大小风机都有一种可定型的通用模式；本轴柱结构带来的一轴多机模式让发电机更换维修方便；风轮采用纯升力型叶片3个，单臂支撑叶片，臂断面为流线型的鱼形，降低了重量、转动惯量，提升风轮轻快程度，增加运行效率；升阻结合使风轮低风速易起动、高风速时具有限速作用；为气动减速而设计可动小叶段，在需限速时拍向运行，有效限速。

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，具体涉及一种轴柱结构的升阻结合型气动减速垂直轴风力机技术。

背景技术

垂直轴风力机是最古老的机种，中国古代的风帆式木制风力机，不是水平轴而是垂直轴的，与欧洲水平轴桨叶式木制风力机一样为人类做出过贡献。到风力发电时代，水平轴机成为主角，不论几百、几千瓦的，以至几兆瓦的，平轴机技术都已成熟，定型完善的产品已大批量应用。而垂直轴风力发电机走过几十年，却一路坎坷，没有成熟、完善的产品。它分以下几种：

弯叶片的Φ型机(即达里厄型，英文名Darrieus)。几十年前北美有过大型的弯叶片的顶部拉绳、发电机落地式的，风轮样式为橄榄形的，也曾运行发电上万小时。这种技术路线有诸多缺陷，如不能自行起动等，已退出应用。中国国内出现过的顶部拉绳式Φ型大型机的探索实验样机，毁于大风后也未继续进行下去。人们转而走独立塔柱式(无顶部拉绳)Φ型机路线。Φ型机实际上是以叶代臂。但演进多年，独立塔柱式Φ型机只有10kw以下的有商业应用，多见于3kw及以下的。更多的是几百瓦的，与阻力轮结合，很容易自启动，发电效果良好，算是初步成功。但由于没有气动减速装置，在高风速地区、暴风下常遇失败。这种机型均为同轴直驱、一轴单机模式，即风轮直连1台发电机。初步成功的垂直轴机产品，也只能说是在不完善、不成熟中暂时得到应用。

直叶片H型机。众多的制造者追寻这种双支臂多叶片(多为5叶片)的技术路线并出产产品。其传动链是风轮直接与发电机轴(也是竖直的)固定连接，即同轴直驱的单机模式。这种传动链模式可以说是由水平轴机引用而来，水平轴机都是一轴一机模式，中小型水平轴机就是直接将风轮固定于发电机轴。现在大多数垂直轴机制造者也是将升力型风轮直接固定于发电机轴，等于将发电机轴作为风轮的基础支撑构件。这种构造的机型难以做大，只见应用于几千瓦规模，而且运行发电效果不如Φ型机。至今未见10kw以上规模的商品机良好应用。

垂直轴机不可替代的优势是它不需对风，任何方向来风或者无论风向怎样变动都能旋转，无需对风机构；而水平轴机必须对风，小型机靠尾舵、中大型机靠复杂的偏航机构对风。在发电时间上，垂直轴机没有对风损失，而水平轴机在风向变动频繁时有对风损失。

虽然近些年来垂直轴机研发在中国蓬勃展开，成为世界上推出垂直轴样机最集中的国家，与此同时世界上也没有出现比中国更先进更完善成熟的试验机、商品机，但中国出现的升力型Φ型弯叶机、H型直片机，功能都仍不完善——没有气动减速装置，且结构上有瓶颈，限制做大。已作为商品出售的，几乎都是风轮与发电机轴直接固定的、同轴单机的传动结构，都是小型机，鲜有推出功率规模大于10kw以上者，普遍在几千瓦级别徘徊。

升力型垂直轴机，靠流线型叶片在气流作用时产生的升力的一个分力——切向力推动叶片绕垂直轴旋转，故称升力型垂直轴机。叶片动力机理与水平轴机叶片类似。升力型垂直轴机各升力型叶片，在旋转一周内大部分角度上都有动力(即正的切向力)，这使得风轮能够连续运转。只是不同的风轮设计(如叶片宽窄、叶片数、支臂设计、风轮半径大小、翼型选择、减速方式、抗暴风能力的设计等等)会使风力机性能(如起动风速、转速特性、带载能力、效率、控制性能)有很大差异。