CN110296041A - 轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

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。

Description

轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机

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。

至于单纯的阻力型垂直轴机，不论是用风斗还是风帆，都是直接利用风压产生推动力，靠立轴两侧的风斗力矩差来旋转，旋转一周只有小于180度范围内有动力，另半周是无动力的。由于其效率低，是属于原理性的不可改进的，且构件很多，造价过高，单纯阻力型风轮难以推广应用，在此不赘述。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的，在于解决现有升力型垂直轴风力机技术上的种种缺陷。针对从研发实践中发现的、应用中存在的实际工程问题，目的在于提供一种新型的升力型垂直轴风力机：不论小型、中型还是大型，即不论从几千瓦到几十千瓦，还是到几百千瓦以上，都使之有一种可靠而简单的结构，要让垂直竖起的、长径比较大(长径比大则受力状况恶劣)的而又要旋转的垂直轴除了能传递扭矩还要能抵抗水平激扰力，即倾覆力矩。现有流行的直叶双臂H型垂直轴机，风轮直接固定于发电机轴，发电机轴不仅承受风轮传递的扭矩，还要支撑风轮重量和强大的倾覆力矩。虽然这种结构的好处显而易见——极其简单，零件小巧而简单，成本低，但发电机轴及其轴承以及外壳承受了额外的载荷，它们也承受不了大的综合载荷，这种结构不合理，按这种结构也做不大。

现有的直叶片双臂H型垂直轴风力机，低风速(如5m/s以下)起动不了，中风速(如5～10m/s)转不快，而额定风速(如12～13m/s)远达不到满发，较高风速(14～15m/s以上)时水平推力非常大，轴顶晃动可怖。为了低风速能起动，许多制造者采用多叶片(如5叶，甚至有8叶的)，但问题并未解决，中风速还是发电不足，效率降低。总之存在问题就是起动困难，发电不足，可归结为效率低。这里效率低并非叶片效率低，而是整个风轮效率低。现有的产品，直叶片的支臂不合理，在断面形状方面有椭圆的、圆的，有月牙形的甚至还有方管的，扫掠空气阻力大；在支臂样式方面，均为双臂，有横臂、斜臂，还有各种横竖杆件支臂，臂多了干扰吹向叶片的气流，增加转动惯量，尤其是根部交汇于一点的双斜支臂，更干扰气流。

现有的垂直轴机没有气动减速，靠电磁、机械减速刹车，16m/s以上风速只能停机。机械刹车当然也是必须的，但同轴直驱结构设置一般只能采取碟刹，配刹车夹来实现机械刹车，刹车夹动作一般靠液压可实现电控(无人操作)，但配小型机配液压站会增加成本，而无液压站的小型机就只能靠人工操作刹车夹。同轴直驱结构要配一套碟刹装置是比较复杂的，特别是在小型机上如果用液压是很不经济的。

为解决上述问题，让垂直轴机全面合理化、完善化：改变结构让发电机轴应只受扭矩；发电机应增速，而不是与风轮同轴同速旋转；双臂支撑直叶片改为单臂支撑叶片，降低扫掠阻力并降低整个风轮转动惯量，利于风轮加速；在直叶片上加装气动减速装置，完善垂直轴机性能；给直叶片升力型风轮加配阻力型风轮，使风轮易于起动，让机械刹车简单、低成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

总体来说是：由升力型风轮和阻力型风轮同轴构成升阻结合型风轮，由外轴内柱及轴承构成风轮支撑结构及其旋转体，由小叶段构成减速扰流板，由齿轮传动构成一轴多机模式。

采取了轴柱结构：柱体6不动，柱体6具有较大的抗弯截面模量(相对于比较细的发电机轴)，承担倾覆力矩并支撑风轮全部重量；下轴7与上轴3连接为一体构成外轴，轴绕柱旋转，轴柱间通过上轴承12和下轴承11与柱体6转动连接。

主叶片1、小叶段13与支臂2构成升力型风轮，叶片1固定连接于支臂2；上层风斗4和下层风斗5构成阻力型风轮，阻力型风轮的每层有一对风斗，斗口朝向相反；两层阻力轮成相互垂直关系，即两风斗口的弦线成90°；升力轮与阻力轮同轴，都固定连接于外轴，外轴即常说的轮毂，而柱相当于常说的内轴。大齿轮8固定于下轴7，带动小齿轮9，小齿轮9固定于发电机轴。采用齿轮传动，将发电机10的转速增速，外轴通过齿轮8带多台发电机。要设计不同功率的风机时，只需改变柱体、轴的尺寸即可。使用3个叶片，每个叶片1用单一横支臂2支撑，支臂断面形状为流线型。叶片上下两端设置一小段可动叶段13，可动叶段由电脑控制打开、收回，在0～90°范围摆动。发电机配置电磁制动器14。整个风轮固定于塔柱16上，通过法兰15连接固定。

有益效果

由于发电机不与风轮固定连接，发电机轴就只承受扭矩而不承受其它任何来自风轮的复杂的各种载荷，风轮的各种复杂载荷由柱体承担了，而柱体有着比发电机轴大得多的抗弯截面模量，更能承担各种复杂载荷尤其是水平推力。通过轴柱结构，彻底改变了现行的H型垂直轴机机型的风轮存在模式，改善了发电机轴的载荷。这种轴柱结构，适合于任何功率的垂直轴机，更适合大功率垂直轴机。这为大小不同的垂直轴风力机的定型提供了可行模式。

一轴多机模式通过齿轮给发电机增速，这样就可以采用较高额定转速的电机，而高速电机比低速电机成本低、体积小、重量轻。一轴多机模式还有利于控制风轮转速：当风速较低时，叶片动力低，风轮不容易加速，这时可以减小发电机电磁阻力——通过自控***让其中一台(或2台)发电机脱离负载，处于空载状态；当风速高到一定程度或风轮转速提升到一定程度后，再令空载发电机带载；一轴多机模式便于维修发电机，拆掉故障发电机时不必拆卸风轮，这极大降低了维修成本，大大方便了维修(反之在同轴直驱、即一轴一机模式中，拆卸维修发电机必须拆卸整个风轮)，运行中一台有故障不发电时，还有其它发电机在工作，不会造成飞车。

本技术采用单支臂，比现行双支臂风轮更轻、转动惯量更低，将使风轮转动更轻快，有利于低风速起动，同时减小运转中风轮自身能量消耗，也就意味着增加输出能量、提高效率。支臂采用流线型断面，如鱼形，有很小的阻力系数，减小支臂扫掠阻力，这又为提高效率增加一份贡献。支臂置于上下两层阻力轮之间，水平推力作用点也就在这里。水平推力乘上作用点到柱根部距离，即柱所受弯矩，亦即倾覆力矩，设置在这里可让柱体不至过高，以减低水平推力对柱体造成的弯矩。

配置阻力轮可帮助风轮低风速起动，这是因为阻力轮即使在低风速时也具有较大力矩。在较高风速以上时(如14、15m/s)，升力型叶片出力很强，整个风轮只靠升力轮就使机械能输出到很强的地步，发电机也处于满发、超发状态，这时人们希望风轮转速有限制、不再提升，而这时阻力轮的边缘线速度将接近甚至超过风速，没有动力，是被升力轮拖着转，好似风扇，这时阻力轮自动成为整个风轮的负担，这正好有利于限制整个风轮转速。将阻力轮分为两层，两层阻力轮成90°相互交叉关系，风斗口对着四个方向，四面八方来风都可推动阻力轮旋转。

叶片上下两端设置可动叶段可实现气动减速。平时(风轮转速不超过额定转速时)可动叶段与固定叶段一体，是固定叶的一部分；当风轮转速超过额定转速、需要控制转速时，可动叶段打开转动一个角度(自控***提供指令)，最大可转90°。可动叶段打开时风轮运行阻力急剧增加，迫使风轮减速。

由于本发明采取一轴多机模式，机械刹车可以用很简单的方式实现，通电便产生刹车动作，很容易实现自动控制，即在发电机轴安装电磁制动器，结构简单，有效可靠，成本低廉。

上述措施可以带来：更合理的转轴支撑及其传动结构，使得垂直轴机结构简单、通用化；可低风速起动；提升效率；有效控制转速；便于维修。一种简单可靠而通用的轴柱结构，又有利于显著降低制造成本。通过上述技术布局，可实现发明内容中所述本发明之目的。

为了说明有益效果，特做下列分析和证明：

风轮直接固定于发电机轴，带来的强度问题：

首先应知，风力机功率与风轮大小遵从一定关系，不论风轮用什么方式固定，是直接固定于发电机轴，还是采用轴柱结构、将风轮与柱体转动连接，风轮的直径、叶片长度大体都是一样的，水平推力(对风轮产生破坏作用的力)是一样的，水平推力对风轮轴的作用点也一样。

以设计实例来分析：设计一个4kw的垂直轴风力机，风轮轴的高度(轴长)约3米，水平推力作用在轴中部，约1.5米处，即力臂长度1.5米，水平推力为3000牛；假设采取风轮直连发电机的结构，发电机额定转速60转/分，其轴标准直径为50mm，实心轴；来简单校核风轮轴根部应力：

实心轴应力

注：此实心轴采用优质碳素钢，屈服极限400MPa。

由于风轮轴与发电机轴连在一起，这个应力就是发电机轴的应力。本来发电机轴承担扭矩是完全可以胜任的，但这时还要承担弯矩，应力储备不仅没有了，反而超过1.38倍，不能胜任。

再看轴柱结构(风轮不与发电机轴直连)：

可以选用普通低合金碳素钢，屈服极限只有235MPa(比发电机轴的材料强度低)，风轮尺寸、力作用点、水平推力等一切都与上例一样，不同点是现在选用钢管，柱体外径为168mm，来校核强度：

钢管应力：采用结构钢(低合金碳素钢)，屈服极限235MPa

采用钢管并加大外径尺寸(本例外径为168mm)作为风轮支撑体，风轮根部处的柱体应力只占材料许用应力的19％，大大增加了安全性。这样即使在高风速时，水平推力增加，也可以放心使用。而现流行的风轮与发电机直连式结构，经不起高风速时运转的水平推力，十几米每秒的风速就要停机保护，不许运转。

加配阻力型风轮的必要性：升力型在叶片静止时，没有阻力轮，只要风速达到一定程度，升力型叶片也会动起来，这叫“阻力起动”。起动后，随着缓慢加速，才会有升力的增加，叶片上的切向力(所需要的、使叶片旋转的力)才会增加。但是，这需要较高的风速。而设计风力机追求的是低风速起动、低风速发电，单纯的升力型风轮恰恰不满足这一要求。单纯升力型风轮的特点是力矩小，但旋转起来后携带的动能大。而纯阻力型风轮的特点是，力矩较大但转速低、所携带的动能小，在低风速情况下，也具有较好的起动能力。把纯升力型风轮与纯阻力型风轮优点结合，升阻结合型的风轮就能实现低风速起动。S型阻力风轮，欧洲人发明至今已有80年历史，已被证明在风斗固定式阻力型风轮中效果良好，到现在还在应用。

叶臂采用鱼形断面，与采用圆管作比较。物体空气阻力计算式：

Fd——空气阻力，ρ——空气密度，V——风速(气流速度)，C_d——阻力系数，

S——受风面积(这里是臂的迎风面积)。

假设风速按常用的额定风速12m/s算，鱼形断面的臂与圆管作叶臂的阻力比较，代入算得：

注：鱼形断面的翼型，其弦线与阻碍运行的气流成0°攻角，阻力系数为0.008；

圆柱形(钢管)的阻力系数为1.2，这里把管径设为与鱼形断面厚度一样。可见鱼形断面的臂扫掠阻力小很多。本设计采用单臂支撑叶片，扫掠空气阻力又减少一倍。而且转动惯量也显著减小，必然使风轮加速快、转动轻快。

气动减速方面：气动减速本应是风力机必备性能，故没有气动减速功能的风力机是不完善的风力机。现有风力机产品中，水平轴机全都有气动减速装置(措施)，如变桨调速、叶尖拍向运行减速、偏航限速、偏头摆尾限速(小型机)等措施；垂直轴机因叶片不能变桨而一直没解决利用叶片空气动力的改变来限速的问题，以至于垂直轴机不是发生飞车破坏，就是15、6米/秒风速锁死不发电而浪费大好发电机会。现有的垂直轴不敢做大也有这方面原因，因为现有的垂直轴机只有电磁刹车、机械刹车，而电磁、机械刹车在中高风速下高速运转时刹车是刹不住的，强行刹车危险性大，极易直接破坏机件。机械刹车一般用于气动减速之后，风轮转速降下来后再刹车。现有垂直轴机的这种不完善限制了它的推广应用。本发明就是就是在这样的背景下产生的。本发明将直叶片的两头取一小段设计成可动叶段，如图1、图6，中13是可动小叶段，可从0°打开到90°，亦可反转回位。图1、图6中风轮左边表示的是可动小叶段与主叶片1合为一体状况，正常运转时是完全重合着的，即0°回位状况，这时小叶段13叫做“挥向运行”；风轮右边表示的是可动小叶段13打开、与主叶片1不合为一体的状况，这时小叶段13叫做“拍向运行”状况。图2表示的是正常运行状况，小叶段13挥向运行；图5表示的是限速运行状况，小叶段13拍向运行，在风轮旋转圆的切线上的是主叶片1的状况，在风轮旋转圆法线上的是小叶段13的姿态状况。当小叶段13拍向运行时，其空气动力性质是扰流板，可视为一平板，平板的阻力系数约为2，按式扰流板产对风轮旋转产生很大阻力，阻力大小除了与风速V的二次方成正比，还与扰流板面积成正比，只要知道扰流板面积S可算出扰流板阻力。此时扰流板(即拍向运行的小叶段)的空气阻力比主叶片空气阻力大很多倍，在阻力系数上就相差250倍，按式1来计算一下小叶段拍向运行阻力、主叶片挥向运行阻力：

注：此设计实例叶片弦长(叶片宽)是0.3m，叶片厚是0.054m，主叶片长2m。

可见，小叶段虽然只是一小段，面积占比很小，但一旦拍向运行，阻力可以比主叶片阻力大一百几十倍，如此大的扰流阻力，足以让风轮减速，会有显著限速效果。小叶段打开的时间过程可以设计成数秒，缓慢打开而非瞬间急速打开，这样使得减速有一个合理的过渡过程，避免造成对风轮各构件和传动机件的冲击。小叶段的打开、收回用电动机驱动，电机受自控***控制。

本发明机械刹车采用电磁制动方式，制动器通电，摩擦盘吸合，即可实现刹车。

附图说明

图1整体平视示意图，适合于小型、中型、大型机。

图2俯视示意图。表现叶片、横臂、阻力轮、上轴。

图3阻力轮(上)示意图。表现风斗断面形状。

图4阻力轮(下)示意图。表现风斗断面形状。这两个图对比，表示上下两层阻力轮风斗成90°安置的位置关系。

图5主叶片挥向运行，小叶段打开、拍向运行的示意图。

图6风轮结构的平视示意图，是图1对风轮主机的放大图。表现主机轴柱体结构。

具体实施方式

图1、图2、图3、图4、图6一组相关图，表达本发明垂直轴风力机全貌，由叶片1、横支臂2、上轴3、下轴7、上层风斗4、下层风斗5构成风轮——升阻力结合型风轮，其中叶片1也叫主叶片是相对于小叶段13而言，小叶段13是与主叶片1属于叶片整体的一部分，两者也是转动连接的。横臂2与转轴直接固定，与下轴7还是与上轴3固定都可由设计需要来定。外轴分了上轴3和下轴7，这是为了安装上轴承12方便，否则一根整轴将使上轴承12难以安装，上轴3与下轴7也是法兰连接。风轮是风力机的转动体，是把风能转换为机械能的装置。风轮靠柱体6支撑和约束，让风轮只有一个自由度——绕柱旋转的自由度，在其它任何方向上没有自由度，风轮是通过下轴承11、上轴承12与柱体实现转动连接的。风轮的载荷除扭矩外通过轴承11、轴承12传递到柱体6，柱体6是主要的承力构件。旋转的下轴7把机械扭矩通过大齿轮8(主动齿轮)传递给小齿轮9(从动齿轮)，带动发电机10的转子发电。为了满足维修和停机时风轮不得转动的要求，设置了制动器14，与发电机10同轴，通过一对齿轮对风轮实行制动。整个风轮通过法兰15固定于塔柱16。在实施时为了加固横臂2，可用钢丝绳斜拉横臂2，拉绳固定点位于上轴3。小叶段的摆动和制动器的动作，是需要自控***来控制的，可以是计算机***，也可以是其它电路，都需要传感器，这都是常规、普及的技术。

Claims (5)

1.一种轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机，由升力型风轮和阻力型风轮同轴构成升阻结合型风轮；由外轴、内柱及轴承同轴构成轴柱结构，柱体是旋转的升阻结合型风轮的支撑构件；由小叶段(13)构成减速扰流板；由大齿轮(8)与小齿轮(9)构成一轴多机增速模式，发电机(10)与制动器(14)固定连接，其特征在于：所述的升力型叶片(1)和小叶段(13)，与叶片的横支臂(2)构成升力型风轮；上层风斗(4)和下层风斗(5)构成阻力型风轮，升力型风轮和阻力型风轮同轴固定于下轴(7)形成升阻结合型风轮；由上轴(3)与下轴(7)直接连接构成的外转轴，与柱体(6)通过上轴承(12)和下轴承(11)转动连接构成轴柱结构。

2.由权利要求1所述的轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机，其特征在于小叶段(13)分布在主叶片(1)的上、下两端，与主叶片(1)端部转动连接，小叶段(13)与主叶片(1)初始关系为0°的重合关系，并可在0～90°范围受控摆动。

3.由权利要求1所述的轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机，其特征在于横支臂(2)水平设置，单臂支撑叶片(1)，横支臂(2)的断面为流线型的鱼形形状。

4.由权利要求1所述的轴柱结构一轴多机气动减速单臂升阻结合垂直轴风力机，其特征在于发电机(10)与下轴(7)和上轴(3)不同轴，下轴(7)上固定安装大齿轮(8)，可带动多个小齿轮(9)，小齿轮(9)固定连接于发电机(10)。

5.由权利要求4所述的轴柱结构一轴多机垂直轴风力机，其特征在于将制动器(14)与发电机(10)同轴连接。