[实用新型]可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机

说明书

技术领域

本实用新型属于风能利用领域，涉及风力发电机技术，具体涉及一种升力型垂直轴风力机技术。

背景技术

尽管水平轴风力机在风力发电领域占据着主导地位，但垂直轴风力机因其具有的不可替代的优点，一直被人们不断追求、研究开发，并取得了进展，在微型机、小型机方面已有了相当规模的实际应用。研发正向着中型机、大型机发展。垂直轴机吸引人之处是发电机、增速箱等大部件可以放在地面或半空，维修成本低；不用对风且在风向频繁变化情况下也能正常工作；噪音低，尤其是微型机、小型机放在房前屋后也感觉不到噪音，受到用户欢迎。垂直轴机中，效率高、实用价值大的当属升力型机；阻力型机因效率低、单位功率造价高而应用较少。在升力型垂直轴机中，H型机更因效率较高而倍受重视。从工程应用出发而研究的对象也多集中于直叶片的H型风轮。本实用新型也属于H型机类型。

现有的H型升力型垂直轴风力机，仍存在下列问题：

第一大问题是不能实现叶片气动减速。所谓气动减速，是靠叶片自身角度的改变令风轮增加气动阻力，或减少风力获取，使风轮减速。水平轴机叶片没有支撑臂，是一端直接固定在轮毂，另一端自由，容易实现角度改变，运用变桨技术实现气动减速。而垂直轴机不论H型还是φ型机，叶片都通过支撑臂支撑（φ型机以叶代臂），并且是两点固定于转筒，叶片难以实现变角度，遇到强风都不能靠叶片来控制转速。现有的垂直轴机常见的办法是靠机械、电磁减速刹车两种办法。小型以下的风力机靠电磁刹车，即让发电机瞬间接近短路，靠瞬间大电流产生的超额电磁反力矩迫使风轮减速停转；功率较大的，靠机械刹车系统对主轴减速刹车。大的风轮有很大的转动惯量，不能全靠机械刹车来减速，科学合理的方式应是先气动减速、后机械刹车停机，垂直轴风力机只有机械或电磁刹车而无气动减速是一种不合理的状态。现有的垂直轴风力机特别是中、大功率机缺乏一种简单可靠的以叶片来限制转速的模式。

第二大问题，是高速旋转时的晃动问题。这是垂直轴机的最大缺点。旋转时的晃动，并非由于动不平衡（即使动平衡做得再好立轴也会晃动）更非离心力所致，而是叶片运行时的空气动力的一个分力——径向力，通过支撑臂传递到竖直的转筒和立柱所致。该力在旋转一圈里时大时小周期性变动，构成一种水平推力（以下用水平推力这一公知易懂术语）。是一种使得立轴发生倾覆趋势的力，也会使立柱等垂直构件产生疲劳，易导致轴承早期失效。现有的垂直轴机没有哪种机型对此有解决措施，从结构上即可看出这一点。

第三，实度方面，现有的垂直轴风力机，包括H型机，其风轮参数（即叶片数、叶片宽度、叶片长度、风轮半径、还包括翼型）一旦确定，实度就不可能改变，而低风速时需要高实度以增大转矩，高风速时需要低实度以减小转矩，这一矛盾还没有解决方案。

第四，叶片支臂方面，不外乎三种形式：一种是上下两臂平行、水平伸出；第二种是上臂向上斜、下臂向下斜；第三种是单臂水平伸出。这些形式的支臂的特点都是：1，风轮中部与转筒中部等高； 2，支臂只起支撑叶片的作用而对旋转动力无贡献；3，转筒长度与叶片长度相关，成比例增加，特别是当风力机功率做大、风轮很高即叶片很长时，转筒也得随之变长，转筒与叶片几乎等长，可达几十米长，转筒越长晃动幅度越大，同时带来上下同心度、加工造价、自身损耗、受力恶化等一系列问题。

第五，叶片也是升力型垂直轴风力机值得研究改进的一个重要方面：现有的升力型叶片一般采取树脂与玻璃纤维复合的玻璃钢拉挤成型叶片。玻璃钢叶片的好处是强度高、比金属叶片轻、有一定弹性；但玻璃钢不导电，不能直接用来作雷电引下导体；采用拉挤工艺成型，加工效率较高，但整体仍显重。1），如将风力机做到几百千瓦乃至兆瓦级，叶片将宽达几米，长达几十米，仅一条叶片重量就可达几吨，而尽量减轻风轮重量正是风力机工程应用、研究设计上所苦苦追求的。2），拉挤工艺需要模具，模具造价较高，特别是风力机功率做到兆瓦级、叶片宽度需达几米时，必给模具制造和拉挤工艺增加困难和造价。叶片需要模具来制造，将规格固定化，还给功率任意大小、叶片任意大小的选择带来障碍。3），遇到暴风必须停机时，由于叶片受风面积最大，叶片又不只一个，所以水平推力主要来自叶片，而采用刚性材料做叶片无法实现伸缩收卷以减小风阻力。4），为了能防雷还须在制造过程中专门敷设铜网带，既增重又加成本，特别是对于大型叶片。所以，改进叶片结构形式和材料，是垂直轴风力机改进的又一大需要。