[發明專利]軸柱結構一軸多機氣動減速單臂升阻結合垂直軸風力機

在審

• 申請號: 201810238499.8
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN110296041A
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 梁北岳
• 申請（專利權）人: 梁北岳
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06;F03D7/06;F03D9/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種應用于風能利用領域的升阻結合型垂直軸風力機，目的在于克服現有垂直軸風力機的不合理結構和不完善功能。為結構簡單堅固可靠，克服將風輪直接固定于發電機軸的弊端，采取軸柱結構，上下雙軸承使軸、柱轉動連接，使立軸旋轉體具有很強的抗傾覆能力，讓垂直軸機突破瓶頸功率可以做大，大小風機都有一種可定型的通用模式；本軸柱結構帶來的一軸多機模式讓發電機更換維修方便；風輪采用純升力型葉片3個，單臂支撐葉片，臂斷面為流線型的魚形，降低了重量、轉動慣量，提升風輪輕快程度，增加運行效率；升阻結合使風輪低風速易起動、高風速時具有限速作用；為氣動減速而設計可動小葉段，在需限速時拍向運行，有效限速。

技術領域

本發明屬于風能利用領域，涉及垂直軸風力發電機技術，具體涉及一種軸柱結構的升阻結合型氣動減速垂直軸風力機技術。

背景技術

垂直軸風力機是最古老的機種，中國古代的風帆式木制風力機，不是水平軸而是垂直軸的，與歐洲水平軸槳葉式木制風力機一樣為人類做出過貢獻。到風力發電時代，水平軸機成為主角，不論幾百、幾千瓦的，以至幾兆瓦的，平軸機技術都已成熟，定型完善的產品已大批量應用。而垂直軸風力發電機走過幾十年，卻一路坎坷，沒有成熟、完善的產品。它分以下幾種：

彎葉片的Φ型機(即達里厄型，英文名Darrieus)。幾十年前北美有過大型的彎葉片的頂部拉繩、發電機落地式的，風輪樣式為橄欖形的，也曾運行發電上萬小時。這種技術路線有諸多缺陷，如不能自行起動等，已退出應用。中國國內出現過的頂部拉繩式Φ型大型機的探索實驗樣機，毀于大風后也未繼續進行下去。人們轉而走獨立塔柱式(無頂部拉繩)Φ型機路線。Φ型機實際上是以葉代臂。但演進多年，獨立塔柱式Φ型機只有10kw以下的有商業應用，多見于3kw及以下的。更多的是幾百瓦的，與阻力輪結合，很容易自啟動，發電效果良好，算是初步成功。但由于沒有氣動減速裝置，在高風速地區、暴風下常遇失敗。這種機型均為同軸直驅、一軸單機模式，即風輪直連1臺發電機。初步成功的垂直軸機產品，也只能說是在不完善、不成熟中暫時得到應用。

直葉片H型機。眾多的制造者追尋這種雙支臂多葉片(多為5葉片)的技術路線并出產產品。其傳動鏈是風輪直接與發電機軸(也是豎直的)固定連接，即同軸直驅的單機模式。這種傳動鏈模式可以說是由水平軸機引用而來，水平軸機都是一軸一機模式，中小型水平軸機就是直接將風輪固定于發電機軸。現在大多數垂直軸機制造者也是將升力型風輪直接固定于發電機軸，等于將發電機軸作為風輪的基礎支撐構件。這種構造的機型難以做大，只見應用于幾千瓦規模，而且運行發電效果不如Φ型機。至今未見10kw以上規模的商品機良好應用。

垂直軸機不可替代的優勢是它不需對風，任何方向來風或者無論風向怎樣變動都能旋轉，無需對風機構；而水平軸機必須對風，小型機靠尾舵、中大型機靠復雜的偏航機構對風。在發電時間上，垂直軸機沒有對風損失，而水平軸機在風向變動頻繁時有對風損失。

雖然近些年來垂直軸機研發在中國蓬勃展開，成為世界上推出垂直軸樣機最集中的國家，與此同時世界上也沒有出現比中國更先進更完善成熟的試驗機、商品機，但中國出現的升力型Φ型彎葉機、H型直片機，功能都仍不完善——沒有氣動減速裝置，且結構上有瓶頸，限制做大。已作為商品出售的，幾乎都是風輪與發電機軸直接固定的、同軸單機的傳動結構，都是小型機，鮮有推出功率規模大于10kw以上者，普遍在幾千瓦級別徘徊。

升力型垂直軸機，靠流線型葉片在氣流作用時產生的升力的一個分力——切向力推動葉片繞垂直軸旋轉，故稱升力型垂直軸機。葉片動力機理與水平軸機葉片類似。升力型垂直軸機各升力型葉片，在旋轉一周內大部分角度上都有動力(即正的切向力)，這使得風輪能夠連續運轉。只是不同的風輪設計(如葉片寬窄、葉片數、支臂設計、風輪半徑大小、翼型選擇、減速方式、抗暴風能力的設計等等)會使風力機性能(如起動風速、轉速特性、帶載能力、效率、控制性能)有很大差異。