[发明专利]垂直轴风力叶轮机

说明书

本发明涉及一种大型的风力叶轮机，它能为各种目的、包括发电提供动力。

风力叶轮机大体上可分为两类，即垂直轴叶轮机和水平轴叶轮机。垂直轴叶轮机具有比水平轴叶轮机独有的优点。首先，垂直轴叶轮机可从任何方向接收风力，而不必重新定向到风的方向，这对于水平轴叶轮机来说则是必须的。这就意味着不需要复杂的布置来保持将叶轮机正确地对准风的方向。

垂直轴风力叶轮机的另一个主要优点是：叶轮机的尺寸越大，则越容易构造，因为叶片离叶轮机的半径越大，在任何风速下叶轮机的转动将越慢。因此对于大型垂直轴风力叶轮机，由叶轮机转动所产生的离心力问题就不太突出。这与水平轴叶轮机正相反，其构造的规格较小，离心力就大并且以较高的张力来保持叶片，因此趋向于使叶片产生弯曲。然而对于大型的水平轴叶轮机，较小的离心力会造成严重的机械约束，例如由叶片弯曲应力所带来的那些约束，当水平轴叶轮机的尺寸增大时，这种约束也显著地增大。

大型垂直轴风力叶轮机一般采用翼型叶片，它们绕一支承塔均匀地分隔，支承塔的主轴线处于垂直方向。

也已得知，可构造一种垂直轴叶轮机，其中叶片的翼弦形成为具有一Troposkein曲线的形状，使得作用于叶片上的离心力为张力而非弯曲力。但是，采用这种曲线形状的缺点是叶片的大部分处于背风角度，因而只能捕获部分风能。因此很显然，一更加有效的翼型叶片会带来效率的显著增大。

在设计大型垂直轴风力叶轮机中，可以利用一相对较高的展弦比，即翼长相对于翼弦的比率。仅仅当叶片的实际长度为相对于其扫掠直径时，才能取得这一较好的展弦比，并且这需要采用牵拉钢缆等来加固该结构。由于在叶轮机工作时产生机械力，因此需要特别仔细地设计用于加固该结构的装置，并且这通常是采用牵拉钢缆等来加固该结构，这些牵拉钢缆同时位于旋转的叶片之下与之上。

已知的垂直轴风力叶轮机的一个缺点在于难以合适地支承风力叶轮机结构。虽然可以构造一静止的支承塔，其不需要牵拉钢缆等，但展弦比越大，支承就越困难，因为叶片的物理尺寸及作用于叶轮机上的负荷增大，因此在已有形式的垂直轴叶轮机中，一般不怎么采用较高的展弦比。当构造具有较高展弦比的一大型垂直轴风力叶轮机时，就产生了问题，并且尤其是合适地支承叶轮机的问题，该支承必须经受由于叶轮机转动及风力冲击而产生的相当的力。为此，一般在各个位置向结构连接有牵拉钢缆或者有时是刚性的支杆，以同时在旋转的叶片之下与之上合适地支承叶轮机。为了获得满意的固定，需要采用一不切实际的高的中央系统，以在翼型叶片的顶部与牵拉钢缆之间提供合适的间隙。除了因使用牵拉钢缆等而需要空间外，另一缺点在于牵拉钢缆可能会与风力气流发生干涉。当使用牵拉钢缆时的还一个缺点是，如果中央支承结构随叶片转动，则由牵拉钢缆作用于结构上的张力会对轴承增加额外的负荷。

申请人认为，为取得最大的效率和动力，垂直轴叶轮机的翼型叶片应当基本笔直，并且其纵轴线应当大致垂直。对于大型的动力产生装置，最小尺寸的叶轮机应当至少具有两个、最好是三个垂直叶片，叶片离支承塔等距离，叶片具有最好是等于叶片离塔结构的径向距离至少1.5倍的长度。

美国专利说明书第4204805号公开了一种垂直轴风力叶轮机，其具有一个连接于一中央轮毂上的可转动的装置，该中央轮毂支承于位于一固定的塔的顶部的轴承上。一扭力轴连接于轮毂的轴线并且轴向向下伸过所述的塔。诸如钢缆之类的牵拉件连接在塔顶附近、位于转动的装置之下的位置，以加固所述的塔。

英国专利说明书第2008202号公开了一种转子，其可绕一轴的垂直轴线转动，所述的轴从也由牵拉缆绳加固的塔向上伸出。

美国专利说明书第4082279号描述了一种Darrieus类型的风力叶轮机，其具有由两个叶片构成的一转子，叶片的端部连接于塔的两端附近，该塔为支承在两端的轴承内的一桁架结构。上轴承包括与牵拉钢缆相连的装置，以通过牵拉钢缆将结构的顶部保持定位。下轴承安装在一支承结构上。

美国专利说明书第4037989号公开了一种垂直轴风力叶轮机，其具有一固定的框架件，该框架件上安装有一风力转子，该框架件由从一基座件延伸的支柱构成，以构成一金字塔状的构造。框架件的顶部具有一轴承用来安放风力叶轮机，同时一可转动的轴安装在该固定的框架件内，并且在框架件下延伸到一动力传输装置，该动力传输装置位于连接到塔的支柱的一平台上。风力转子连接到转动轴的上端。