CN102889171B - 可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风能利用领域的升力型垂直轴风力机，目的是提供一种能实现气动减速、能缓冲水平推力的垂直轴风力机，适用于不同功率，能用自控系统控制转速、改变实度。在升力型叶片下部设置一段活叶片，活叶片在0~90度范围受控转动以实现风轮减速；叶片的支撑臂斜举向上，斜支撑臂上外包附加升力型翼型，形成一体化翼臂，附加的翼型可收可放；对于中、大功率的大尺寸升力型叶片，用钢骨架加PVC布作蒙皮的结构实现轻体叶片；采用PVC布做蒙皮的叶片，其上有一段叶片的PVC布可收放，遇特强风时收起PVC布，让处于高空的这一段叶片钢骨架露空以减少风阻力。发电机设置在固定的中心柱体周围，机械组件主要由轮毂、中心柱体和轴承、传动部件构成。

Description

可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机

技术领域

本发明属于风能利用领域，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。本发明也属于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。

第六，机械结构和传动方面，现有已应用的H型垂直轴风力机，机械模式多种多样，大多是“一轴一机”模式，即发电机与风轮的转轴同轴，形式上是一轴带单台发电机（或同轴一上一下两台发电机），发电机直连于风轮转筒，这种方式一般都是没有增速齿轮箱的“直驱式”；此模式最大问题在于发电机一旦损坏，将面临整个风轮的拆卸，维修成本会很高，特别是对中、大型垂直轴机；另一种机械模式是将发电机置于地面，采取长轴落地传动，此方式优点是发电机维修更换非常方便，消除了维修成本高的风险，但问题是用长轴造价提高，特别是中、大型机：塔柱几十米高，向下传递几百、几千千瓦功率，问题随之而来，有上下同心度问题、轴承的耐受问题、造价问题、可靠性问题，还有震动问题。同轴直驱（即一轴一机）模式虽结构简化但不便于利用发电机来控制转速。垂直轴家族中还未见一种既能维修方便、又能达到低造价、还可以借发电机控制风轮转速、结构又非常简单、还能适应于大小不同功率的能够通用的机械模式。为了产品研发制造上方便，也需要一种通用的机械模式，能整合一轴一机和一轴多机两种机械传动模式的、不同功率等级都适用的实用结构，这种通用、实用机械模式，其结构必须尽可能简单。

发明内容

要解决的技术问题

本发明针对上述从工程研究中发现存在的各个问题，目的在于提供一种综合解决上述问题的垂直轴风力机：风轮属于升力型性质，可实现气动减速，当需要减速时可使叶片运行阻力增大，超高风速时能限制飞车，以简单的方法实现风轮减速；要减少、缓冲叶片通过支臂传递给垂直立柱的晃动力；风轮动力要在较宽风速范围内可调，低风速时多捕获风能以提高动力，易于启动，增加低风速时的发电量，高风速时减少风能捕获，保持在额定值上下；本发明还要改进叶片的结构和材料，使叶片更轻、尺寸不依赖模具而可任意选定，采用一种新型的结构和材料组合使得叶片既满足空气动力要求、经久耐用又较轻；叶片顶端是整机最高点，要有防雷措施，并且要尽可能结构简单；机械上支撑与传动结构的零部件要尽可能少，要力图形成适应不同功率的通用的机械模式（传动结构与支撑承载结构——如中心柱体的关系密不可分，合起来叫机械模式，下同）。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明为了在强风下让风轮减速，在升力型叶片上采用定叶片、活叶片机制——在叶片的一端做一小段活叶片，正常运转时活叶片不动并与定叶片弦线重合，需要减速时活叶片转动适当的角度增大阻力，转动角越接近90度阻力越大，起到运行中减速并保持运行转速稳定的作用。不同于现有H型风轮的设计，本发明对上下两个叶片支臂都采取斜向上设置，以求缓冲对立轴的水平推力、减轻叶片通过支臂传递给中心立柱的晃动作用力；且上、下斜臂根部都固定于粗短横臂，短横臂一是为固定两个斜臂，二是使斜拉索与臂有合适夹角。叶片较短时可采取单斜臂，其根部直接固定于短粗横臂。为了让1对（或1个）斜臂能支撑2个叶片，斜臂的外端安装分支臂，分支臂要比斜臂短、轻很多。斜支臂上外包附加可获取空气动力的升力翼型，相当于增加了斜置的升力型叶片（将升力型叶片斜置，也能获得一定的旋转动力，但比叶片竖置所能获得的动力小些）。斜臂上的升力翼型包络斜臂，就形成了一体化翼臂，既是臂又是翼，既能支撑外围的升力型叶片，又具有接受风能产生动力的作用；附加的翼型是活动的——可形成翼型、又可收掉翼型；具体方法是采用一种高强度PVC布，配以 PVC布的收放机构，组成可收放的活动翼型；让纵横钢骨架附着在斜臂上，横向肋骨做成翼型的形状，PVC布再附着在骨架上，就形成所需的翼型。本发明对竖直的升力型叶片提供一个创新方案：采取骨架加蒙皮的结构——用高强PVC布来做叶片蒙皮，包络于钢制骨架，制成一种轻体叶片；这种中空的叶片内部有足够的空间可安装使活叶片转动的驱动装置；在叶片顶端设避雷针与钢骨架焊接；由于采用骨架加PVC布蒙皮的结构，可以在定叶片上部做一段PVC布可收放的叶片段，遇特强风时收起PVC布。机械方面，为了最大限度减少不同心带来的机械运转阻力，最大限度提高机械组件的可靠性，同时尽量降低机械加工难度和成本，本发明压缩转筒的高度，即使做大功率机转筒也不设计得很高。转筒通过轴承与固定的中心柱体转动连接；输出转矩的传动部件（如齿轮或传动盘）直接连接于转筒；发电机通过支架安装于固定中心柱体外围，此方案只需很少的零部件就构成机械运转组件。在支臂的受力结构上，采用斜拉索拉住斜臂顶端以担负斜臂和叶片的重力；并采用钢索实行臂与臂互连。垂直轴风力机功率做大时，为了支撑很重的叶片，支臂的强度必须足够，同时又要严控支臂的重量，为解决这一矛盾，采用桁架结构作支臂，整个支臂体系都用桁架式结构方案。整机中自控系统是必须有的。

有益效果

本发明采取的活叶片，只需整个叶片的一小段就能起到减速作用，在需要减速时这一小段活叶片转动一个角度，其弦线与整个叶片不重合，由“挥向”运行变为“拍向”运行，阻力顿时加大，由于与整个叶片同轴，就给整个叶片带来减速效果。停机时只需转动活叶片，将其弦线转到与定叶片弦线成90度交角，这样阻力最大。叶片空腔内部安装驱动机构——例如可选用机械的传动机构，也可选用液压机构，都能很容易地实现活叶片转动，转动范围为0到90度，并可回到初始位置。若用机械驱动机构，电动机靠电刷滑环供电；若用液压机构，将液压管路通过旋转接头引入，都易实现。

支臂斜置可以说是仿生学的运用，如大树枝斜向上，在强风下树枝的弯曲可有效吸收部分水平推力的强大能量，减小强风对树干的弯曲作用力，同理，本发明的树形设计可以通过斜臂的弹性变形吸收一部分风力对风轮的径向作用力（如果是支臂横置，则是沿着支臂轴线水平指向垂直柱体的力），避免刚性地传递到转筒上而使中心柱体承受过大的弯矩，斜臂吸收了一部分水平推力能量可以减小中心柱体晃动和疲劳，改善中心柱体受力，增加整体结构的稳固性。斜臂的好处之二是使风轮整体升高，风轮越大升高距离越明显，例如到兆瓦级，叶片长度达几十米，支臂斜举向上，使叶片中心升高得更显著——兆瓦级的风轮升高可达十几米、20米以上，风轮高则获取风能效果更佳。支臂斜向上后，与现有的H型风轮技术比，本发明风轮整体高过机舱，如图1、图4，风轮中线23高过机舱24，就可使捕风面积中没有了对捕获风能毫无作用的无效面积（如机舱的迎风面积），减少气流阻碍、增加通透性，优化风轮运行工况。支臂斜置的好处之三是斜置的升力翼型（支臂被包络在内）仍可产生升力并有切向力，尽管斜置叶片的升力必然小于垂直放置的叶片的升力，但能提供辅助动力，当然，斜置得越陡（越接近垂直）其升力越接近竖直的叶片。此外还便于用钢索将斜支臂自由端（外端）拉住从而改善支臂受力，减小臂根部的弯矩应力，采用短粗横臂也是为了与此相配合，否则无法形成受力三角形。实行臂与臂互连互拉，可将来自叶片的向臂传递的水平推力由一组臂直接传递一部分到另一组臂，使各斜臂上的水平推力载荷互相有所平衡并限制斜臂之间相对运动。

自控系统可发指令收卷PVC布，当斜支臂上翼型收回时只剩外围升力型叶片在工作，这时减少风能获取；放出PVC布时形成翼型，让外围竖直叶片与斜置的翼型共同做功。这样，本发明的风轮实度将不再是固定不变的，通过收、放翼型的方法可改变风轮实度。变实度的风轮，能适应高、低风速；同时也可因此而适当缩小外围升力型叶片的宽度，降低升力型叶片的重量。

竖直的升力型叶片除可采用玻璃钢拉挤成型或金属制成外，在制作大型叶片时，为了减轻重量、降低成本，为了叶片宽窄不受模具限制而可任意设定规格（不同用户、场合会有不同要求），本发明采取的叶片创新方案是骨架加PVC布（作蒙皮）的结构，可比铝合金蒙皮轻、整体性更好，而且可收、放；在升力型叶片上部，就可设置一段蒙皮布可收放段，其骨架内部设置PVC布收放装置，在超强风下停机时可将PVC布收起，使该段处于高空的叶片骨架露空，以减少整体叶片受力；同时，在避雷方面，无需专门另设很高的防雷塔柱，也不用在叶片内专门敷设铜网带，借用钢骨架作导体，避雷针直接焊接在叶片钢骨架顶端，引下的大电流从钢骨架传导到转筒再通过导电滑环传导到中心柱体即可，既实用可行又节省造价。

本发明采取的“一轴多机”模式可方便多台发电机分别维修更换，通过齿轮增速将发电机转速提高，从而提高发电机效率。除了一轴多机模式外，还可采取一轴一机模式，将风轮转矩通过传动盘（而非齿轮）直接传递给单一发电机，此模式使得结构更为简化，舍去了齿轮增速机构，机械传动可靠性提高，但也使得发电机的维修变得困难，对发电机的可靠性提出很高的要求。

通过上述技术方案，可实现发明内容中所述本发明之目的。

为了说明有益效果，特做下列分析加以简要证明：

以叶片受力图作原理分析：

先分析竖直的升力型叶片受力。如图7，是风轮及叶片的俯视示意图。垂直轴风轮有个特点：叶片运转在不同的位置时相对风速Vw大小、攻角α皆不同，因而升力Fl、阻力Fd和切向力Fq等各种受力都不同，是周期性变化的。为了分析叶片在不同位置的受力，将风轮旋转圆分为001、002、～012共12个位置（分多少个位置是人为定的），每个位置相隔30度角。本图在12个位置上分析了6个位置的受力。各个位置都取叶片截面（即“叶素”）来分析。

图中符号说明：

图中叶片1在风轮外围，一体化翼臂9在里。两个叶片1与一个一体化翼臂9、即一臂二叶片为一组。风轮转动方向是由叶片安置方向决定的，前缘朝哪风轮就朝哪转，见图中弧形箭头。图7中一体化翼臂9的翼型是取升力型翼型。

V--风速；Vj—叶片切线风速（与叶片运动线速度大小相等方向相反，是叶片前缘的迎头风速，以下简称尖速）；Vj=ωR，ω是角速度（R是风轮半径），所以Vj取决于转速。风轮半径是定值，图中未标。Vw—相对风速，是V与Vj的几何和。

各速度矢量的箭头画在箭杆上；各力矢量的箭头画在箭杆端头。根据空气动力学基础：

Fl—升力，垂直于Vw，是由相对风速Vw在一定的攻角下产生的力；Fd—阻力（诱导阻力，即与升力同时伴生的阻力），与Vw同向； F—升力Fl与阻力Fd合成的合力，也叫空气总动力（以下简称合力）；Fq— 切向力，是合力在旋转圆的切线上的投影，它就是驱动风轮转动的动力。F和 Fq用封闭大箭头表示；Fl和Fd用小箭头（不封闭的箭头线）表示。

α是攻角；β是合力与旋转圆切线所夹的角；O是风轮的中心。上述参数除了风速V、半径R是常量，其它皆为变量。

分析：假设风速V不变，并假设叶片的尖速Vj是V的2倍，即尖速比λ=2，在这个条件下，以003位置为例，相对风速Vw与叶片弦线（也是叶片的中心线）所夹的角为α角，可算出α为19度（计算推导过程略，作CAD图也可量出），查表可得升力系数Cl为1.4；阻力系数Cd为0.203，这时升力必大于阻力数倍，由空气动力公式： 可算得升力F_l和诱导阻力F_d。（ρ是空气密度，按1.225kg/M³）

式中S是叶片面积。叶片长、宽尺寸一定时则S是常数。再由式  可算得合力。合力F必然在旋转圆的切线上有一投影，此即F 在切线上的分力，称为切向力，正是这个切向力Fq驱动叶片绕风轮中心运动，推动风轮旋转。同时，合力F在径向线上的投影是径向力（本图未直接标出），此力不做功，能对风轮产生水平推力，是一个有害的力，需要加以抵抗和缓冲。

这些就是风轮分析的落脚点和基本结果。切向力大小和方向由式 Fq=F×COSβ可算出：

当β＜90度，Fq为正值，Fq推动叶片做正功；β=90度，Fq为0，叶片不做功；β＞90度，Fq为负值，叶片做负功。

看切向力方向，要看合力F落在哪里，如落在径向线的前进侧，即β＜90度，则推动叶片做正功；落在径向线上，叶片不做功；落在径向线后侧，则叶片产生反动力，做负功。当叶片尖速与风速之比值较小时，如小于1时，在某个位置就会发生做负功的情况（本图未表现）。当风速很低时，尖速比是小于1或在1上下的，这时升力型叶片出力是不高的，所以需要增加辅助翼来助力。

从图上看，叶片在003和011位置，攻角α相同，因而升力、阻力、合力、切向力都相同；叶片在005和009位置，两者攻角α相同，因而升力、阻力、合力、切向力都相同；但可看出，在003和009位置，攻角是不同的，因而各个受力也都不同。在008、006、010、012这几个位置上，性质是类似的，只是量不同，这里未做一一画图分析。

分析一下001、007这两个特殊位置上的受力：在001位置，相对风速Vw1与风速V同向，为0度夹角；在007位置，相对风速Vw7与风速V方向相反，为180度夹角，在这两个位置，攻角α都为零，都没有升力，因此，叶片在这两个位置切向力为零，没有做功的力。

图8是外围升力型叶片和内层的翼型在12个位置上的有无升力Fq存在的示意图，标有Fq的位置有切向力，没标的没有。可见：外层叶片，如前述运动到001、007位置无切向力，其它位置均有做功的力Fq。内层翼型在001、007位置无升力也无切向力， 在006、008位置升力很小，近似于无做功的力；其它位置均有Fq。

下面以图9来说明升力翼型即使斜置也能有一定升力的原理：

上述分析中叶片是竖直的，为什么将升力翼斜置也会有升力？原因很简单：它也有攻角。其叶素的空间关系与竖直的叶素基本相同，只要有合适攻角，就必然产生升力，升力在旋转圆切线上会有一个分力，即切向力，就能推动风轮旋转；设斜置角度为k，如图9，所产生的切向力与竖直叶片有一个比例关系，其切向力设为Fq’，它的大小满足Fq’=Fq×COS∠k 这一关系。显然∠k=0时，原斜置翼变成竖直状，这时翼的切向力 Fq’与竖直翼的相等； K=90度时，原斜置翼变成水平状，这时切向力Fq’为零；斜角越大、翼越接近水平，切向力越小。所以斜置的翼倾斜角度应合适，从动力和结构支撑两方面需要来综合考虑，适当 “陡”一些好。图中D-D、C-C分别是叶片1（即竖直翼）、一体化翼臂的剖面。

关于可收放的辅助翼型的作用：

先从叶片宽度问题说起。来看升力公式：升力F_l与相对风速V_w的平方成正比；与升力系数C_l成正比，与叶片的面积S成正比，由于垂直轴风力机叶片是处处等宽的（即等截面叶片，这不同于螺旋桨叶片的变截面）叶片面积S等于叶片宽乘以叶片长。这就意味着，当风轮直径和高度（H型风轮的高度就是叶片长度）、亦即风轮捕风面积确定后，随之而来的问题就是选择叶片宽度和个数。为了低风速范围发电多，需要叶片宽度较大、叶片数较多，可多捕获风能以获得较大的动力；当风速较大、如平均风速十几米/秒以上时，由于力与风速平方成正比，受力急剧增加，这时需要叶片宽度较小、叶片数较少，需要减少风能捕获以降低风动力，以免发电机过载。可见高风速与低风速时的所需是矛盾的。从减少叶片重量和造价要求出发，希望叶片窄，从暴风下安全生存的要求出发也需要叶片窄；但从获取动力的角度看，希望叶片适当宽，这也是一对矛盾。所以，如何让风轮实度既适应高风速、也适应低风速的需要，是本发明风轮研究设计的一大重点。风力机理论把叶片宽度、叶片数多少归结为“实度”概念。实度即翼型面积之和与风轮捕风面积之比。所以，增加一个动力翼（或増其宽度）就增加一分实度，减少一个动力翼（或减其宽度）就减少一分实度，而不论这种动力翼是阻力还是升力型、是何种翼型。现有的升力型垂直轴风力机没有可收放的活动翼型，只能靠合理确定风轮实度，把实度设计在一定范围，但不能在一单机上兼顾高、低风速；只能是用于高速风场的风轮设计成低实度、用于低速风场的风轮设计成高实度，实度一定则固定不变。而本发明可收放翼型的采用，可以归结为实度的适时增减，即在自控系统控制下通过控制翼型受力面积来自动增减实度，所以本发明的这种既有不同动力翼型结合、又使翼型可收放的风轮，实质上是一种实度可调控的风轮。

附图说明

图1 单斜臂的整机平视示意图。

图2 4臂8叶片、斜臂为一体化翼臂的俯视示意图。

图3 3臂6叶片、斜臂为一体化翼臂的俯视示意图。

图4 增加了一个辅助下斜臂的整机平视示意图。

图5 是4臂8叶片的、斜臂无附着翼型的俯视示意图。

图6 是3臂6叶片的、斜臂无附着翼型的俯视示意图。

图7 升力型叶片原理分析示意图。

图8 反映外围升力型叶片和内层的一体化翼臂在各个位置上有无切向力Fq的示意图。

图9 斜置翼型与竖直翼型升力的关系的说明的辅助示意图。

图10 钢骨架结合PVC布构成升力型叶片的结构示意图。

图10.1 图10所反映的升力型叶片上PVC布收放机构的放大图。

图11 是升力型叶片分为定叶片、活叶片的作用及关系示意图。

图12 斜臂与PVC布加肋骨构成一体化翼臂的示意图。

图13 图12所示一体化翼臂的立体示意图

图14 是图12、图13所示的一体化翼臂的PVC布收放机构的放大示意图。

图15 PVC布收放机构的立体示意图。

图16 是机械传动应用实例的第一种——一级齿轮增速传动示意图。

图17 是机械传动应用实例的第二种——无增速齿轮系，转筒直接带动超低速发电机的直驱式（亦即一轴一机模式）示意图。

图18 是机械传动应用实例的第三种——二级齿轮增速传动示意图。

注：图10、图14所示PVC布收放机构原理和形式相同，即：外围的升力型叶片上部那一段PVC布收放机构，与斜臂上附加的升力翼型的PVC布收放机构原理和形式相同。

以下在实施例中解释各图。

具体实施方式

图1表示本发明升力型垂直轴风力机平视示意图（单支臂的），由叶片1、斜臂3并包括一体化翼臂9、分支臂4、短粗横臂6、（这几个臂合称支臂组，下同）、机舱24（机舱内部是传动机构和发电机）、塔柱28、避雷针11、接地金属棒12组成。升力型叶片上部设PVC布可收起段105；斜臂3上附加的翼型10，构成一体化翼臂9作辅助动力，尤其是在风速很低（如3～5米/秒）时，要推动很重的风轮，仅有叶片1的动力是不够的；升力型叶片上的活动叶片2是两用的——不需减速时是动力翼的一部分，需要减速时它是个减速扰流板，由图4可见。这几大部分即可构成一台实用的风力发电机。因PVC布可收放，为此在整个机组中要设置PLC自控系统。在运转时，除机舱24、塔柱28不转动外，其它都绕中心转动。本图单斜支臂实施例，只在叶片很短的情况下适用。机舱24处于风轮中线23下面。

图2从俯视角度反映四臂八叶片风轮；图3反映三臂六叶片风轮；0是风轮旋转圆中心，各组臂等角度间隔分布；从俯视图清楚可见分支臂4支撑两个叶片的作用，以及其与斜臂3的关系；也可见一体化翼臂的俯视形态，51代表附加的翼型，25是斜臂的互拉索。同样的捕风面积，三组臂比四组臂重量更轻，造价更低。

图4是上下两斜臂的整体平视示意图，反映整机全貌。一般情况下垂直轴机叶片都需要两点支撑，即需有上下两支撑臂。本图可见外围升力型叶片1，叶片下部有一段活叶片2，图中示意活叶片2处于转动了一个角度的、成拍向的状态（2的动作另见图11的实施方式说明），顶部有避雷针11，叶片上部设PVC布蒙皮可收起段105；支臂组由分支臂4、斜臂3、短粗横臂6构成，其中斜臂为一体化翼臂9，辅助的支臂——下斜臂7固定于短粗横臂6，并由下斜臂拉索8拉住下斜臂7； 机舱24处于风轮下面，塔柱28可以是钢筒也可以是桁架，斜臂互拉索25，传递斜臂之间的作用力，起到平衡作用；斜臂斜拉索26，承受一定的斜支臂与叶片自重，改善斜臂的受力状况。叶片较长时就应分几段，正好配合上述三段叶片功能的要求。采用上下两斜臂时，机舱24仍处于风轮中线23下面。中心柱体固定于塔架顶部，所以机舱是置于半空的，但总是处于风轮下方，因此高度是较低的。

图5所示为四臂八叶片风轮、图6为三臂六叶片风轮，二者为斜臂皆无附加翼型的俯视图。也是本发明的实施方式之一。不仅叶片少的风轮实度低些；斜臂上不附加翼型的，也是同样概念——实度同样会降低，因此不附加翼型而露空的斜臂相对更适合年平均风速较高的风场；实际应用时，对于高风速风场可以免去斜臂附加翼型。

关于支撑臂的材料与结构的实施   小功率机可以不一定用钢桁架结构支臂。当设计较大功率的风力机时（如几十千瓦以上的），功率大风轮半径也大，斜臂也较长，叶片尺寸、重量都会加大，力矩也很大，支臂组采用桁架式钢结构是一种合理选择，不管是把桁架包起来或者是露空、从外面看不看得到桁架，载荷任务总归是桁架来承担，在满足抗弯强度和刚度前提下它的自重是最轻的，造价也是较低的。也可采用碳纤维这类极高刚度和强度的材料，特别是对很长的斜臂而言。采用碳纤维复合材料制作斜臂，可以在满足强度前提下将斜臂做得更轻。

图7、图8、图9的原理分析见前述有益效果分析一节。

图10是本发明技术特征之一 —— 钢骨架与高强PVC布结合构成升力型叶片1的结构的示意图。E-E主要显示叶片1的断面形状（翼型）；右图是骨架示意图，骨架102是由纵杆件103和横向的肋骨104构成，肋骨形状决定翼型的形状，纵杆件103连接所有的肋骨104；F-F是骨架102的断面形状示意图，PVC布101紧绷于骨架102表面；10表示叶片的翼型形状，与紧绷在骨架102表面的PVC布101的形状是相同的；避雷针11焊接于钢骨架102，用钢骨架作导电体；105位于升力型叶片上部的PVC布可收起段，中间图是PVC布放出形成翼型10的示意，左边图是PVC布收起后只剩空架102的示意；只剩空架后这段叶片的受力大大减小，从而减小整个叶片的载荷，这一段PVC布收起，是用在需要减少风能获取或暴风停机时。

图10.1是截面G-G的PVC布收放机构的放大示意图：PVC布一头卷绕在主动卷辊42上，另一头绕在从动卷辊43上；主动卷辊42上安装主动链轮49，从动卷辊43上安装从动链轮45，通过链条46传动，电动机48可受控正反转，带动主动卷辊42和从动卷辊43同方向转动，即可实现PVC布101的收与放。电动机48由PLC控制器令其正反转，使得PVC布收或放。

图11是本发明又一特征——升力型叶片的定、活叶片相互关系的示意图，表达其实施方式。在额定风速、额定功率以下运转时，动叶片2的弦线与定叶片1的弦线完全重合，动叶片2与定叶片1一起出力，如图中左图；当风速超额定时，机组的控制器测知风速、转速和发电机功率，发出控制信号，令安装于定叶片1内的驱动装置将动叶片2转动一个角度，使动叶片2不再具有合适的攻角从而本段叶片不再产生动力，反而产生很大阻力，如图11的中图；当风速过大、或其它情况需要停机时，将动叶片2转动90度，如右图，提供最大的阻力，迫使叶片线速度Vx进一步降低，将风轮减速到需要的程度，再动用机械刹车。Vx与叶片切线风速Vj在数值上相等。动叶片驱动装置采用一般机械工程师熟知的具有自锁作用的减速机构，如涡轮蜗杆机构、自锁减速电机、或液压装置，安装于定叶片空腔内即可，图中未表示。

图12是翼型与斜臂合一的实施例示意图。桁架臂（这里是斜支臂3）的截面形状在这里是矩形。在斜臂3上，附加肋骨41，它使翼型51成形；斜臂的纵杆47（这里是四根）既是斜臂的纵梁，又可作为主、从卷辊赖以安装固定的基础。上述部件结合就形成一体化翼臂9。斜臂上的翼型由PVC布44形成，PVC布的收放机构与图10所示PVC布收放机构相同，标号与零部件名称都相同。此外当然还需要轴承座将卷辊固定、需要行程开关传送PVC布的行程信号，这些常规标准件未画出。

图14是图12中PVC布收放机构的放大示意图;与图10.1所示机构及标号名称相同。

图15是图12中PVC布的收放机构的立体辅助说明图。此2图标号所代表的构件名称与图10、图14的完全相同。图15中细钢索52穿进PVC布44的纵向边，两侧边各有一条；细钢索52与PVC布44之间要固定紧、无相对滑移，卷辊拉着钢索走，带动PVC布走。令PVC布完全收回时，布都向某一卷辊上绕（如从动卷辊43），图15中PVC布的横边53向右移动，两卷辊顺时针转，直到主动卷辊42上只剩下细钢索52，骨架上成露空的； 令PVC布放出时，主动卷辊42通过拉细钢索带动PVC布，然后将细钢索全绕在自己身上，横边53向左移动，卷辊逆时针转，PVC布由从动卷辊43上全部放出，直到骨架上覆盖附满PVC布，就形成了翼型。该机构的电动机48能正反转，其动作依赖自控系统的指令。注：需指出，在实际中，可能需要增设张驰弹簧，以调节因收放PVC布时两个卷辊半径此消彼长而带来的布上的张力，所加弹簧的张力要经过试验计算，安装在卷辊处或是钢丝上都可选择，方法多样；此外，布的行程传感器采用何种器件、安装于何处也有多种选择，这些实施细节工程师会去进行设计。

图16是一级齿轮增速的机械传动带动发电机的应用实施例示意图。中心立柱27通过大轴承19与转筒21转动连接，短粗横臂6固定于转筒21。发电机17固定于发电机支架20，发电机支架20固定于中心柱体27。大齿轮13固定于转筒，并通过与发电机小齿轮14的啮合带动发电机17。本发明的机械结构很简化（大致上零部件种类不超过6种、个数不超过10个），有利于可靠性。经过一级齿轮增速，可提高发电机转速，以减小发电机体积重量和造价。大齿轮13只有一个，而小齿轮14和发电机17应有多个，控制系统可控制任何一个发电机切入或切出，从而也可控制风轮转速，这种多发电机模式便于从负载侧控制转速。通过叶片控制转速是从动力源即风轮侧控制转速，属于气动减速；以发电机带载或脱载控制转速是从负载侧控制，两侧皆可控制；具体来说就是，风速低时，少投入发电机，风轮轻载，以使得风轮转速不至于过低，追求尖速比提高；风速高时，可将大部或全部发电机切入，加重负载以拖住转速。本实施例这种模式的可维修性好，尤其对更换发电机很方便。

图17是是直驱式应用实例的示意图。本发明的机械模式简化实用，其简化实用在于连接风轮的转筒21与连接塔柱的中心立柱27同轴，两者通过轴承转动连接。因此应用于一轴单机的无齿轮增速的直驱模式不仅结构适用，而且牢固并简单可靠。传动盘33通过连接件36直接驱动超低速发电机30的外转子31，超低速发电机30的定子32固定于中心立柱27。该实施例发电机与风轮转速相等，与有一级增速的实施例相比，减少一级齿轮传动机械损耗，机械结构更简单，更有利于可靠性；但因发电机转速超低，将使得发电机体积与重量都很大，虽可减少一级传动齿轮的造价，但发电机造价明显提高。该模式突出优点是简单可靠。机械阻力矩小，利于转速上升，也是其特点。

图18是二级齿轮增速机械传动的应用实施例示意图。固定于转筒21上的一级大齿轮13与一级小齿轮14啮合；二级大齿轮16与二级小齿轮38啮合，带动发电机17；二级大齿轮16与一级小齿轮14同轴，该轴即齿轮轴15；齿轮轴15、齿轮轴轴承18依靠轴承座支腿37固定在二级轮系支架29上。28是塔柱。本实施实例的目的是经过两级齿轮增速，使发电机体积进一步减小、效率进一步提高，发电机造价进一步降低；但增加了机械机构的复杂性；实行两级齿轮传动，一级大齿轮仍然只能有一个，而二级大齿轮及其小齿轮应有多组，如可采用3组、4组等，这样发电机个数较多；这有利于有控制地逐个或逐组地令发电机切入或切出（即带载或脱载），从而可方便地从负载侧控制风轮转速。本实施例可维修性很好；适合于发电机个数多的情况。二级增速齿轮的采用，会使阻力矩增高，从这点来看，用在平均风速高的风场可以，不大适于低风速风场。

上述几种风力机传动模式除了带动发电机外也可以直接驱动其它机械装置。

关于升力型叶片的实施 可有几种选择：1，只有固定叶片1加活动叶片2：都采用玻璃钢材料，适合于中、小功率机。2，只有固定叶片1和活动叶片2：某一段采用玻璃钢材料，另一段用钢骨架加PVC布蒙皮式结构。3，1段、2段、105段都有，活动叶片2段采用玻璃钢材料，固定叶片1段和105段采用钢骨架加PVC布蒙皮结构。总之，除105段最好是骨架加PVC布结构外（防雷措施需要），另两段皆可两种选择。做大功率机时，叶片将有几十米长，超过30米就不便于运输了，因此叶片过长时也有必要分段。可根据设计需要选用。叶片顶端是整体最高点，避雷针必须设置在此点，所以如果选择玻璃钢，应在制作时把铜网带预先敷设在内并留出接头。从这一点看，105段推荐采用钢骨架加PVC布蒙皮结构，可一举两得。

关于机械传动大零部件的实施 当功率做大到1兆瓦以上时，即使速比在10以内，大齿轮和发电机支架的直径都会达4米多、甚至5米多，直径超过3米将影响运输，可将大齿轮和发电机支架做成两瓣式，这在加工上是可行的。

Claims (8)

1.一种可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机，由竖直的升力型叶片、叶片支撑臂、固定支撑臂的转筒、以及机械传动组件和发电机组成，其特征在于：升力型叶片的支撑臂采取斜向上的方式设置，该支撑臂以斜支撑臂(3)和下支撑臂(7)支撑叶片；叶片上有一节动叶片(2)是90度内可转动的；支撑叶片的斜支撑臂(3)上外包附加一种升力翼型(51)，形成一体化翼臂(9)；该附加的翼型(51)用PVC布构成，布可收放，使得翼型可形成也可消失；发电机置于固定的中心柱体(27)的外围，转筒(21)与中心柱体(27)通过轴承(19)转动连接，由转筒(21)输出机械转矩；风轮的中心线(23)高于机舱(24)。

2.由权利要求1所述的可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机，其特征在于升力型叶片，由定叶片(1)、一小段动叶片(2)组成，且都是升力翼型并同轴连接，叶片固定于分支撑臂(4)；定叶片(1)的空腔内装有驱动装置，能使这一小段动叶片(2)在0～90度范围转动，当风过大时令其转一个角度增大运行阻力实现风轮减速，起到运行中减速并保持运行转速稳定的作用；定叶片(1)与动叶片(2)，是相同的升力翼型、相同的截面尺寸，或者是不同的升力翼型、不同的截面尺寸；定叶片(1)与动叶片(2)是用相同的材料制成，或者是用不同的材料制成。

3.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力机，其特征在于斜支撑臂(3)、下支撑臂(7)都是斜向上，它们的根部都固定于短粗横臂(6)，且各自的梢部都设有分支撑臂(4)，这样构成一组臂；短粗横臂(6)固定于转筒(21)上；采用3组臂可支撑6个叶片或4组臂可支撑8个叶片。

4.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力机，其特征是附加在斜支撑臂(3)上的翼型内装有PVC布(44)收回、放出机构，它由主动卷辊(42)、从动卷辊(43)、主动链轮(49)、从动链轮(45)、链条(46)、正反转电动机(48)组成；电动机(48)与主动卷辊(42)连接，链条(46)装在两链轮上，电动机转动时主动链轮(49)通过链条(46)带动从动卷辊(43)转动，向一个方向转动时收起PVC布，向另一方向转动则放出PVC布。

5.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力机，其特征是由可转动的转筒(21)、固定不动的中心柱体(27)、转筒与中心柱体之间的一对轴承(19)、固定于转筒(21)的传动部件、加上固定于中心柱体(27)的发电机支架(20)，构成一套形式结构简化实用的机械组件，该机械组件模式对不同功率的风力机皆适用，所述风力机为一轴多机模式，传动部件采用大齿轮(13)，被它所带动的发电机(17)固定于发电机支架(20)；中心柱体(27)通过自身底端的法兰固定于塔筒或桁架式塔柱。

6.由权利要求1所述的可实现叶片气动减速的树形升力型垂直轴风力机的升力型叶片，其特征在于叶片能以钢骨架做叶片的整体强度支撑体、高强PVC布(101)作外包蒙皮的方法构成，钢骨架(102)断面形状与所选定叶片翼型断面形状(10)相同。

7.由权利要求6所述的升力型叶片，其特征在于在竖直的升力型叶片的上部，可设置一段蒙皮布可收起段(105)，在该段骨架内设置PVC布收放装置，在超强风下停机时将PVC布(101)收起以减少整体叶片受力。

8.根据权利要求7所述的升力型叶片，其特征在于避雷针(11)焊接于叶片钢骨架(102)顶端，借用钢骨架(102)作引下导体。