本发明专利技术公开了一种应用于风能利用领域的垂直轴升力型风力机，目的在于克服垂直轴风轮功率做大时结构不稳、超强风下安全性差的缺点。为在危险高风速下、在停机时能使大尺寸的叶片安全生存，采取特殊结构让叶片能随风向自动调整角度成顺风向，使叶片招风面积最小、阻力最小；在功率做到很大时，支臂很长，叶片很重，支臂载荷大，采取增加支点和轨道的解决方案，将风轮重力通过支腿及滚轮传递给圆环轨道，支点随臂周期性运动；横臂外包翼型，产生升力抵消部分重力；随横臂运动的支腿外表面做成叶片翼型，也能提供动力；在风轮中心、支臂基座的上方增加一个阻力型风轮，既加高斜拉索的生根点，保证斜拉索拉力，又可增大整个风轮的启动力矩和运转动力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风能利用领域，涉及垂直轴风カ发电机技术，具体涉及ー种叶片可动的升力型大功率的垂直轴风カ机技术。
技术介绍
风轮是将风能转化为机械能的装置，是风カ机性能好坏的关键，是工程化应用改进研究的重点。而风轮研究的重点正是叶片及其支臂结构。风カ机分为水平轴和垂直轴两大门类。垂直轴风カ机(可简称立轴机)分为阻カ型和升力型两类，效率较高的是升カ型机，其中效率最高、也最常见的是H型升力型机。本 专利技术研究的也是H型升力型垂直轴机。升力型垂直轴风カ机除了 Φ型(典型的达里厄型Darrieus)没有支臂外，其它各机型都可归结为H型，都必须有支臂，叶片必须通过支臂固定于轮毂。支臂会增加风轮的重量，同时会额外増加扫风阻力，功率做大会増加支臂结构的难题。几千瓦以下的小功率风カ机，支臂的重量影响还可以忽略，功率做到百千瓦级以上时支臂结构问题就突出了。现有的、已见的H型升力型垂直轴风カ机，功率做得较大的、能达到几百千瓦以上的，其支臂长度已达20米，即风轮半径达20米。H型升力型机叶片都位于半径最大处，大功率机单个叶片重量即可达吨级。未来当功率达到兆瓦级乃至数兆瓦时，所需支臂长度将达40米乃至50米以上，叶片会有更大的重量。这时，即使支臂加上斜拉索也将难以满足稳定运行和安全要求。这就需要有另ー种解决方案。垂直轴风カ机叶片与水平轴机叶片的明显不同在于，平轴机叶片形状结构的特点是根粗梢细，是变弦长叶片，整体投影面积较小；而立轴机叶片则是从上到下等宽(等弦长)，整体面积较大。立轴机正是要靠较大的叶片面积来获得足够的旋转动力。这样，在遇到破坏性强风时，很大的招风面积承受很大的风阻，易遭破坏。现有的立轴机叶片都是固定翼的，即叶片固定在支臂上不能有任何动作。当大面迎风时，叶片受カ很大，被风吹断的例子并不鲜见。在强风下大面积的叶片的安全问题是大功率立轴机必须解决的一大问题。现有的功率较大的H型立轴机支臂大都是水平横置的。不论支臂水平横置还是斜置，较长的支臂都需要斜拉索保证支臂的安全，而斜拉索与支臂之间的夹角不能过小。要保证这个夹角，就必须提高斜拉索生根点。现有的H型立轴机是以加ー节上部柱体来提高斜拉索生根点，而这ー节加高的柱体，对旋转动カ不仅毫无贡献，还会产生不利的扰流，这个问题也需要改善。大功率的风轮，由于重量很大，轴承的轴向载荷很大，滚动摩擦阻力也不可忽视。另ー方面，当功率做大时，轮毂的直径必然加大，轴承半径也大，因而滚动摩阻的力矩就会加大。人们总是希望有一种办法能减小风轮的滚动摩阻，从而减小风轮的运行阻カ矩。有人试验过所谓磁悬浮轴承的办法，但安装极为困难、结构复杂、成本极高，得不偿失，难以实用。因此希望能有一种既简易可行而又可靠的措施。现有的大功率平轴机，随着功率越做越大，机舱高度从七十几米，增高到90米以至百米， 吊装机舱和维修大部件(如发电机、增速齿轮箱)所需要的吊车使用成本也越来越高。平轴机研究者为了解决这ー难题，已经研究过各种方法，欲将传动大部件下移，包括研究液压传动技术等，但都不可行。而立轴机一大好处是发电机、增速箱等故障多发大部件可放在半中腰，机舱高度比平轴机可降低很多。这也是立轴机值得研究开发的重要原因。 现有的立轴机全都是长轮毂，叶片有多长，轮毂就有多长，H型、Φ型机都是此特点，导致晃动大、稳定性差、重量大、加工难、造价高。
技术实现思路
要解决的技术问题 本专利技术的目的，在于解决现有升力型垂直轴风カ机技术的上述问题和不足。针对上述从工程研究中发现存在的实际问题，目的在于提供ー种新型的升力型垂直轴风カ机当功率做到很大、支臂很长时，要増加支点，让悬臂梁改善为简支梁形式，避免支臂变形和不稳；当遇到危险强风时，将叶片从被约束状态释放成自由状态，让叶片能绕自身轴随风向自由摆动到顺风状态，最大限度减小迎风阻力，消除叶片风险；强风过去后还要让叶片受控回位；增加ー个阻カ风轮，既抬高斜拉索生根点，又増加辅助动力，一举两得；在横支臂上采取措施，让横支臂在运行时产生向上的升力，抵消一部分重力，以减小风轮运转的阻カ矩。要采用ー种办法把轮毂的长度减下来，不随叶片长度而等比例加长。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案 叶片I分为固定段、可动段，在运转时各段都是约束固定的，形成整体叶片1，与支臂8、9成不变的角度关系；固定段3、固定段5分别与斜支臂8、横支臂10固定，任何时候都不动；在叶片内部靠近前缘处，装叶片轴7，轴上装有随时记忆叶片角度位置的传感装置；当遇到超强风、被机组PLC命令风轮停止运转吋，PLC发“释放指令”打开叶片定位销37，释放叶片可动段，任其绕叶片轴随风力自由摆动，很快自动稳定于迎风面积最小的顺风姿态；强风过后，需要回到待机状态，依据传感装置所记忆的叶片角偏度，PLC发指令转回这个角偏度，令叶片可动段回原位，再发约束指令，定位销将叶片可动段约束固定，又可以正常运转。在风轮的某一半径处，即横支臂的ー个合适位置，増加支点，办法是设置支腿13和滚轮15，滚轮在钢轨16上滚动，钢轨在水平面成封闭圆环。滚轮与钢轨相当于构成一特大轴承。支腿有一定高度(长度)，根据需要设定；其断面设计成流线型，断面形状与叶片断面轮廓相似，这样ー来，支腿不仅是支点，也具有空气动カ性能，可相当于叶片，对风轮旋转动カ有贡献。在横臂的钢结构的外面，用轻质材料外包成翼型38，其断面与飞机机翼相似，选择有最大升阻比的低速翼型，当横臂运行时，翼型运行的线速度产生的相对风速使其产生向上的升力，转速越高，则线速度越大，产生的升カ越大，从而抵消一部分重力。在轮毂22、支臂基座19的顶部，安装一个阻カ型风轮，它有一定高度，满足斜拉索与斜臂成一定角度的需要。基座19固定于轮毂22。 为了让轮毂22尽可能短，必须将上支臂斜置，采用上为斜支臂8、下为横支臂10，两臂根 部上下相邻尽可能近，共同生根于同一支臂基座19的结构形式；支臂基座19则固定子轮毂22，两者结为一体，支臂基座19的高度也随轮毂22尽可能短。将风轮设计成翼、臂呈ニ角状。有益效果 横支臂上增加的支点选择钢制的滚轮与轨道滚动接触，摩擦阻力小；增加支点使整个风轮平衡稳定性改善；増加了支点，不仅可改善支臂的受力，还使得支臂对中心柱的弯矩比没有这个支点时大大减小，因而可以适当减小中心柱的直径，同时轮毂直径都可以随之适当减小，轮毂轴承的尺寸也随之减小，可控制造价；反之在支臂很长的情况下，如果没有这个增加的支点，除支臂本身必须做得很粗大外，中心柱及轮毂、轴承都必须做得很大；此夕卜，风轮的很大一部分重力被増加的支点分担，使中心轴承减小压力，减小了中心轴承损坏的风险，而这个轴承一旦损坏必须把整个风轮拆解后吊下来，是维修最麻烦、维修成本最高的、最怕更换的部件。本专利技术中的支腿是ー举两得的部件既起到支撑横臂的作用，又起到叶片的作用。这是因为一，支腿断面做成与叶片断面相似的形状；ニ，支腿有一定高度(长 度)；所以支腿本身就是一段竖直的能产生旋转动カ的辅助叶片，而不是对旋转动カ无贡献的起单一作用的支腿。遇到超强风速，最怕的就是叶片被吹坏。叶片风毁的主要原因是迎风面积大，强风持续作用在静止叶片大面上达到一定时间，就会破坏材料。遇超强风停机时各个叶片与风速所成夹角是随机的、不同的，迎风面积不同，受风阻力不同。叶片弦线恰好与风速本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
2011.07.29 CN 201110214634.31.一种动翼式升力型大功率垂直轴风カ机，由竖直的升力型叶片(I)、叶片的斜支臂(8)、横支臂(10)、斜拉索(11)、支臂基座(19)、置于支臂基座(19)之上的阻力型风轮(17)、固定支臂基座用的轮毂(22)、支腿(13)、滚轮(15)、轨道(16)、轨道基础(14)组成，其特征在于升力型叶片(I)分为固定段与可动段；横支臂(10)的一定半径处设置由支腿(13)和滚轮(15)及轨道(16)构成的支点；支臂基座(19)的顶部设置阻力型风轮(17)，斜拉索(11)在其顶部生根；横支臂(10)的骨架外表外包翼型，即横臂外包机翼翼型(38);支腿(13)的骨架外表外包支腿的翼型(40);轮毂(22)很短，上下两个支臂根部距离很近。2.由权利要求I所述的动翼式升力型大功率垂直轴风カ机，其特征在于不论以何种材料制成的升力型叶片(1)，都由叶片上部可动段(2)、叶片上部固定段(3)、叶片中部可动段(4)、叶片下部固定段(5)、叶片下部可动段(6)、叶片轴(7)组成，每个固定段与可动段之间，在叶片内腔都设置叶片回位驱动轮(36)和叶片定位销(37)，由PLC指令控制它们的动作，叶片轴(7)设在叶片内靠近前缘处，以使轴两边有力矩差,放开定位销(37)，叶片各可动段就可随风360度自由摆动。3.由权利要求I所述的动翼式升力型大功率垂直轴风カ机，其特征在于很长的横支臂要加支点，支点由支腿(13)、滚轮(15)、轨道(16)、轨道...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁北岳，
申请(专利权)人：梁北岳，
类型：发明
国别省市：
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