[00123155]叶片气动减速的树形垂直轴升力型风力机

可实现叶片气动减速的树形垂直轴升力型风力机 项 目 简 介 前言 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）又分为阻力型、升力型两类。升力型机比阻力型机效率高。升力型机中效率最高、综合性能最好、最实用的还属H型升力型机。由于大功率水平轴风力机维修成本高居不下，近年来，又引发国内研发大功率立轴机的民营企业不断增加。历年来国内竖起过不少大功率立轴机样机，但败多成少，而且核心技术互相封锁，成败经验从不分享，立轴机研发多是闭门造车，在黑暗中摸索前行。立轴机看似简单，谁都可以涉足，但实际有人形容“水很深”（一些老立轴机人士语），不仅需要系统扎实的风能、风力机理论，也不仅需要空气动力学、机械学、电学、控制以及数学方面的知识，还需要风力机设计、实验方面的实践经验积累，需要求真严谨的科学态度和对风力机的深刻理解和领悟。不少搞立轴机的企业老板由于缺少这一系列知识经验，而又急于求成，仅靠模仿、想象和热情就投入了巨资搞立轴机，所设计的立轴机毛病百出而自己又意识不到，结果多是事与愿违、无果而终。国内外已出现的立轴机样式大同小异，后来者总是不断重复前人的不成功。 已有的立轴机优缺点 众所周知立轴机的好处一是发电机、增速箱等故障多发的笨重大件可以放在地面或半空，而不是像水平轴机那样必须放在高空，吊装维修成本高居不下；二是所有的立轴机都不用对风，在风向多变、气流不平顺情况下也能运转，这样省去了偏航系统等许多复杂技术装置，可降低制造成本。 立轴机，以主流的升力型而论，无非φ型、H型两种，前赴后继的立轴机研发者也都是模仿重复这两种型式。大型φ型机的好处就是发电机、增速箱放在地面，并省去了支臂，叶片两端直接固定于轮毂（即转轴）；H型机则是发电机、齿轮箱可放在地面、也可置于半空，并且必须有支臂。现有的这两种机型一个共同特点，就是都有一个长长的轮毂，随功率加大、叶片加长，轮毂也成正比加长，可重达几十吨、上百吨（如2010年5月化德倒掉的那台“兆瓦级”φ型机）。懂机械学的人都知道，一个转轴长达十几米、几十米，同心度很难保证，加工困难且费用高昂。现有的升力型立轴机还有一个重大缺点就是在风力较大、转速较快时主柱晃动幅度大，给安全带来威胁；第三个缺点就是叶片都是“死”的，固定于支臂，不像水平轴机那样可以“变桨”，在大风袭来时平轴机叶片能变桨到顺风姿态，保护叶片免遭风毁。目前的立轴机则因叶片固定不动，做不到这一点。 本技术就是针对现有升力型大功率立轴机种种缺点，为了克服它们而设计的。 本技术由两个发明专利构成：1）动翼式升力型大功率垂直轴风力机，申请号2012101815208；201220260864.3。2）可实现叶片气动减速的树形垂直轴升力型风力机，申请号2012103092909。 本技术优点 第一，就是大大缩短了轮毂尺寸。不管做多大功率，轮毂并不随叶片成比例增加长度，而是根据自身强度需要设定长度。轮毂短，带来一系列好处，受力更合理，中心更稳固，减少中心晃动；免去不同心风险；减少风轮重量；加工容易，加工费用低。传统的升力型立轴机风轮重量很大一部分集中于轮毂，例如兆瓦级φ型轮毂重达近百吨，而本技术轮毂重量只在数吨量级，降低轮毂重量也就降低风轮重量，使得风轮更轻，转速特性更优。 第二个优点，本技术一改现有H型立轴机支臂水平横置的样式，将支臂向上斜置。好处是，可将叶片高度提高，特别是大功率机，中线高度一举可提高20米，符合高空取能的要求。第二，根据大树抗强风的仿生原理，斜臂在超强风下可以适当弹性变形，吸收部分水平推力，以减少中心柱的弯矩，大风时缓解柱体的晃动，降低塔柱倾覆风险。第三，可以在斜臂上安装某种翼型，可相当于叶片，增加启动力矩和辅助动力。第四，支臂斜举向上，使得风轮中心更通透（换句话说更“干净”），风轮中的过风阻力减小，气流更顺畅，改善风轮的工况。 现有的升力型立轴机都不能做到靠叶片气动减速。本发明采取了独有的技术措施，叶片不再是整片固定，而是用一部分可受控转动一定角度，使得风轮在需要减速时顺利做到气动减速。此外，大风停机时，为了避免叶片大面招风增加风毁几率，采取了“动翼”方法，给叶片“松绑”，由固定改变到自由状态，叶片自动偏摆到顺风位置，以最小面积、即叶片前缘迎风，保护叶片。 当功率做到很大时，支臂必然很长，悬臂式支臂必然稳定性差、强度隐忧大。本发明给支臂增加一个支点，并且这个支点还是运动的——采取了滚轮、轨道，让下支臂被支腿支着、在轨道上跑。这样即使支臂长达50米以上也不怕。同时，下支臂上包覆升力型翼型，运动中带有向上的升力，减小一部分对轨道的正压力，从而减少滚动摩擦阻力矩。 本技术还有一些其它优势：在轮毂顶部增加一个阻力型风轮，既增加启动力矩、又为斜拉索提供生根固定点。机械传动优化，采用一轴多机的使用简化模式，维修非常简便，追求低维修成本；零部件少，追求高可靠性，并能实现傻瓜式装配。模式化的一轴多机传动组件，能使多规格产品设计趋于简便快捷。 按本发明可设计出2.5兆瓦的升力型立轴机。可用于海上，坐落在漂浮式基础上；也可应用于陆上。机舱高度可放置于40米以下的高度，而叶片中心高度在60米以上，既满足高空取能、又符合低空维修要求，一般吊车即可胜任吊装维修，维修成本低。 合作方式、实施方法，欢迎洽商。发明人可协助实际开发工作，从研发设计，到监造、测试一条龙服务。