双臂双三角结构风叶垂直轴风力涡轮机制造技术

本发明专利技术公开了一类超大型垂直轴风力涡轮机组技术，所述涡轮机为10MW级或以上功率级超大型机组，发明专利技术先从结构力学的角度，将英国Arup公司的二叶片单臂AerogeneratorX设计改进为二叶片双臂的双三角形连接设计，能分别克服叶片重力和风推力产生的叶片应力和形变，具备特别强的刚性结构，结构强度的提高足以增大切出风速，增加发电量；其次通过增加萨沃纽斯涡轮机的互补能力，可增加起动力矩和使驱动力矩更平稳，并进一步增加机组输出功率，使风力涡轮机成为集国内外最新技术的、最大输出功率的、工业化实施程度很高的垂直轴风力涡轮机组，双臂双三角形风叶结构也适用于kW级风力发电机。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于动力机械
，具体地说，是提出一种新结构的复合型垂直轴风力涡轮机装置。
技术介绍
风力涡轮机(以下也可简称为风轮机或风机)，是将风的动能转变为适合发电机轴能接受的机械能，然后带动发电机旋转发电的可再生能源动力装置。在整个风力发电过程中，涡轮机的产能是第一位重要的。在现有广泛使用的水平轴涡轮机中，产业实践证明，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本。因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦级升高到目前的3?6兆瓦级，目前正在向10?20兆瓦级的目标发展，这是近期来风电技术演进的总趋势。目前特大型风力涡轮机存在以下诸多技术缺陷:1、对单机功率为1MW级水平轴涡轮机而言，其叶片长达80?100米，三针式叶片为悬臂梁结构，单端固定在轮毂上，受风力和重力作用，存在巨大的剪应力，结构强度低，易为强风损坏，必须采用结构强度更高的碳纤维材料，材料和工艺成本非常高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面还显得不足；此外，随着功率的增加，发电机加重、塔筒高度增大，电气、塔筒和地基建造成本随之而大增，使整机成本急剧升高；2、如果采用1MW级垂直轴的达里厄涡轮机，虽然叶片为双端支承，克服了悬臂梁单端支承的缺点，但其主轴的长度很可能超过百米，为保证转动时的低晃动度和刚度，其制造成本将远大于水平轴的主轴，需要高强度刚度的长主轴，需要长主轴的缺点，几使垂直轴涡轮机的发电装置可以放在地面，便于安装维修，省略水平轴机组塔筒成本，和无需偏航对风在内的一些优势丧失殆尽；3、此外，由于达里厄垂直轴涡轮机自起动能力不够，必须考虑额外的启动装置，特别是在低风速时，又当两叶片达里厄涡轮机的叶片中轴线与风向平行时转矩为零，即使风速很大，也不可能起动；虽然二叶片达里厄涡轮机的成本较三叶片或多叶片低，但在风机整个360°转动过程中，风能驱动产生的转动力矩波动十分严重，虽然可为机组巨大惯性所平缓，但还是会造成发电机输出功率相应的变化，将直接影响电能质量。4、中国专利技术专利申请201310749991.9《改进的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统》是对法英特大型1MW级垂直轴的改进设计，但在对新设计优化过程中，又发现了该改进设计的主轴仍旧偏长，仍有缩短的可能；而改进设计的叶片抵抗风推力产生的应力和形变的能力不足，仍有对涡轮机的结构性、经济性作改进提高的余地。
技术实现思路
本专利技术要解决的任务是，针对现有涡轮机以上四大技术缺陷，提出整套新的解决方案，即采用立体结构二叶片双臂风叶的短主轴来增强涡轮机的结构强度刚度、降低结构成本；使涡轮机组有更高的抗强风能力，同时可以延伸机组的切出风速，增加机组在高风速区的截风能量。一种特大型垂直轴风力涡轮机设备，涡轮机组由达里厄结构和萨沃纽斯结构复合而成，其特征是，达里厄结构为二叶片双臂翼型，叶片对称分布于主轴(I)两侧，每一侧叶片由上叶片(22)和下叶片(23)构成的双臂通过远端的端部叶片(21)连接，构成为一个稳固整体三角形，双臂的近端则分别连接在萨沃纽斯结构上下端固定架(11和12)的两角位置，从而构成另一个立体三角形，使达里厄结构的叶片在水平投影和垂直投影面都呈现稳固的三角形结构；萨沃纽斯结构处于轴心位置，安装在上下端固定架间，上下端固定架都与主轴刚性连接；达里厄结构和萨沃纽斯结构所获得的风能均由上下端固定架传递到主轴上。按照上述解决方案所获得的风力涡轮机，其叶片为双臂连接，接近于四张叶片的截风能力，显然比单臂连接的结构发电量大。同时，叶片通过双臂连接，结构强度刚度大大增强，特别是双臂在水平投影和垂直投影面都呈现稳固的三角形结构，可有效抵御叶片受叶片重力和风推力作用而产生的应力和形变，将有效抵御强风侵袭；主轴长度大幅减短，不易晃动且制造成本低；轴心处的萨沃纽斯叶片可有效增加涡轮机起动力矩且减少涡轮机驱动力矩的大幅波动，使机组能在较低的风速下更容易起动发电，驱动力矩较平衡，波动小；其次，双臂连接的叶片加上萨沃纽斯叶片都可以增加涡轮机截风能力，增大机组的输出功率；涡轮机系统的多项结构创新加在一起，使本专利技术的装置整机性能优越，适合工业制造，并能发挥出超大型风机的巨大技术优势。【附图说明】图1、传统达里厄垂直轴风力涡轮机简图。图2、公开知识的创新型半臂达里厄风机外形视图。图3、公开知识的创新型半臂达里厄风机平视结构简图。图4、改进的双臂达里厄与萨沃纽斯复合风机平视结构简图。图5、本专利技术的垂直轴涡轮机平视结构简图。图6、本专利技术的垂直轴涡轮机俯视结构简图。图7、几种萨沃纽斯风机S形叶片形状图。【具体实施方式】当前的大型风机，主流型是2-3MW的水平轴机型。水平轴风力涡轮机，通常采用细三针环氧树脂翼型叶片，根端固定在轮毂上，通过轮毂连接到主轴，带动主轴旋转输出机械能，再通过发电机和变流器将机械能变成恒频恒压电能输入电网。三针式叶片采用悬臂梁结构的单端固定形式，因此，叶片结构应力大，结构强度低，受风力作用容易变形损坏，这是水平轴风机最致命的弱点。因此，当功率增加到超大功率的1MW水平时，叶片必须采用结构强度更高的碳纤维材料，致使材料成本和工艺成本大幅升高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面更明显不足。垂直轴风力涡轮机叶片可多点支撑，特别是Φ型达里厄风机，叶片二端点固定在主轴上，可获得足够支撑，剪切应力大大降低，抗风能力显著增强，此外，垂直轴风机无须偏航对风，无水平轴风机偏航时的陀螺效应力矩，传动和发电机都可以安装在地面上，省却塔筒等等，优越性明显。垂直轴风力涡轮机有两大类一阻力型和升力型，阻力机型有平板型、风杯型和S型等多种结构形式，阻力型的主轴两边风叶产生反向旋转力矩，所以必须使两边风叶的风阻力产生差异，利用阻力差产生定向旋转力矩，阻力型有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的前提下，提供的功率输出低。升力型通常采用翼型剖面的叶片，主轴两边风叶可以产生同方向的旋转力矩，它的启动力矩较低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出，是大型垂直轴风机的首选机型。典型的大型垂直轴涡轮机是由法国工程师达里厄(G.J.M.Darrieus)于19世纪30年代专利技术的，是现代垂直轴风力涡轮机的最早专利技术者。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，成为当今水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力型涡轮机装置，弯曲叶片的剖面是翼型，发展到现在有多种形态的达里厄式风力发电机，如Φ型，Λ型，Y型和H型等。这些风轮机通常设计成二叶片，三叶片或者多叶片，从性能、造价等各种因素考虑，在大型机组中，二叶片或三叶片的Φ型达里厄风机用得较多，而二叶片的成本最低。图1为传统Φ型二叶片达里厄风机简图。图中，两片半圆外形风叶对称连接到主轴两边，由于采用双端连接的叶片，所以涡轮机强度和刚度优于水平轴风机单端连接的悬臂梁结构，结构牢固、应力小。垂直轴风机不需要偏航对风装置，发电机可以安放在较低位置甚至可以放在地面，这对安装和保养十分有利，以上都是垂直轴涡轮机的优点。但是达里厄涡轮机最大的结构缺点是其主轴太长，这么长的主轴，要保证涡轮机总体的强度刚度都存在难度，不但制造成本很高，而且在转动过程中，如何防止晃动，也是需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由达里厄结构和萨沃纽斯结构组成的复合型垂直轴风力涡轮机装置，其特征是，达里厄结构为二叶片双臂翼型，叶片对称分布于主轴(1)两侧，每一侧叶片由上叶片(22)和下叶片(23)构成的双臂通过远端的端部叶片(21)连接，构成为一个稳固整体三角形，双臂的近端则分别连接在萨沃纽斯结构上下端固定架(11和12)的两角位置，从而构成另一个立体三角形，使达里厄结构的叶片在水平投影和垂直投影面都呈现稳固的三角形结构；萨沃纽斯结构处于轴心位置，安装在上下端固定架间，上下端固定架都与主轴刚性连接；达里厄结构和萨沃纽斯结构所获得的风能均由上下端固定架传递到主轴上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：於岳亮，於宙，
申请(专利权)人：上海稳得新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31