本發(fā)明屬于渦輪動(dòng)力機(jī)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是提出一種實(shí)用的超強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的大功率復(fù)合型垂直軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)力渦輪機(jī)(以下也可簡(jiǎn)稱為風(fēng)輪機(jī)或風(fēng)機(jī))，是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合發(fā)電機(jī)軸能接受的機(jī)械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電的可再生能源動(dòng)力裝置。在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，渦輪機(jī)的產(chǎn)能是第一位重要的。

在現(xiàn)有廣泛使用的水平軸渦輪機(jī)中，產(chǎn)業(yè)實(shí)踐證明，單機(jī)功率的增大，有利于降低單位功率裝機(jī)容量的成本和風(fēng)力發(fā)電的度電成本。因此，單機(jī)額定功率容量不斷增大，水平軸渦輪機(jī)的單機(jī)功率已普遍從上世紀(jì)末的兆瓦(mw)級(jí)升高到目前的2～3兆瓦級(jí)，目前研發(fā)機(jī)組4～6兆瓦級(jí)，遠(yuǎn)景瞄準(zhǔn)10～15兆瓦級(jí)的目標(biāo)，這是近期來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的總趨勢(shì)。

在垂直軸渦輪機(jī)領(lǐng)域，超大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究也方興未艾。英國(guó)arup公司推出的aerogeneratorx設(shè)計(jì)，將達(dá)里厄取下半段，然后在風(fēng)葉頂端加上稱為剛性帆的端部風(fēng)葉，新構(gòu)成的一種變相達(dá)里厄垂直軸渦輪機(jī)，設(shè)計(jì)額定功率10mw，額定轉(zhuǎn)速3轉(zhuǎn)/分。

針對(duì)其不足之處，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201410048976.6《10mw級(jí)空氣動(dòng)力制動(dòng)的垂直軸風(fēng)電系統(tǒng)》，對(duì)aerogeneratorx設(shè)計(jì)作了以下改進(jìn)：

1、將單臂改變?yōu)榱Ⅲw雙臂；

2、將剛性帆改成風(fēng)杯；

3、將風(fēng)杯做成可轉(zhuǎn)變角度，以獲得空氣動(dòng)力學(xué)意義上的渦輪動(dòng)力機(jī)械的制動(dòng)能力。

經(jīng)以上改進(jìn)后，仍存在缺點(diǎn)還需作進(jìn)一步改進(jìn)，如由于風(fēng)葉很長(zhǎng)，葉臂的撓度太大、剛性不足，葉片在強(qiáng)風(fēng)中很容易產(chǎn)生振動(dòng)，因而可能妨礙渦輪機(jī)的正常運(yùn)行或產(chǎn)生巨大噪音。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的任務(wù)是，針對(duì)以上列舉的現(xiàn)有超大型渦輪機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)的各種技術(shù)難點(diǎn)，提出新的整體解決方案，本方案包括了復(fù)合型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪機(jī)、磁懸浮軸系，并綜合風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力制動(dòng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)等多個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)方案。

方案首先采用立體結(jié)構(gòu)二葉片雙臂風(fēng)葉和短主軸來(lái)增強(qiáng)渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度、降低結(jié)構(gòu)成本，使渦輪機(jī)組有更高的抗強(qiáng)風(fēng)能力，同時(shí)可以延伸機(jī)組的切出風(fēng)速，增加機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)的截風(fēng)能量；其次通過(guò)多種復(fù)合垂直軸渦輪的合成驅(qū)動(dòng)力矩，增加發(fā)電量；再通過(guò)渦輪機(jī)遠(yuǎn)端風(fēng)球的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)；最后采用發(fā)電機(jī)新技術(shù)，例如采用磁懸浮結(jié)構(gòu)提高軸系效率，使機(jī)組成為動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的完整風(fēng)電裝置。

其次，將原aerogeneratorx設(shè)計(jì)中的剛性帆搬到雙臂風(fēng)葉的中間，增加雙臂風(fēng)葉的實(shí)度，作為雙臂風(fēng)葉間的支撐件，減少風(fēng)葉在大風(fēng)中可能產(chǎn)生的振動(dòng)。

一種由超大型垂直軸渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)、變流器組成的風(fēng)電系統(tǒng)，其特征是，渦輪機(jī)組由主軸(1)、雙臂翼型結(jié)構(gòu)達(dá)里厄風(fēng)機(jī)(2)、主軸軸心處的薩沃紐斯風(fēng)機(jī)(3)和遠(yuǎn)端風(fēng)球風(fēng)機(jī)(4)復(fù)合而成；雙臂間有支撐風(fēng)葉，支撐風(fēng)葉本身是升力型風(fēng)葉，與雙臂風(fēng)葉共同產(chǎn)能，也是增強(qiáng)雙臂翼剛度和強(qiáng)度的有效結(jié)構(gòu)件；遠(yuǎn)端風(fēng)球(4)為可轉(zhuǎn)動(dòng)型風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)，風(fēng)球工作位置時(shí)機(jī)組可產(chǎn)生相加的復(fù)合力矩，反轉(zhuǎn)后的風(fēng)球則使驅(qū)動(dòng)力矩反向?qū)崿F(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)。

通過(guò)本發(fā)明的各項(xiàng)改進(jìn)，渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度比未改進(jìn)前的風(fēng)機(jī)有很大提高。支撐風(fēng)葉將長(zhǎng)長(zhǎng)的雙臂翼分割成一段段局部翼，從而增加了達(dá)里厄風(fēng)機(jī)(2)的剛度，不易在大風(fēng)中產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)，再增加了支撐風(fēng)葉，加上復(fù)合的多結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)增加的驅(qū)動(dòng)力矩，機(jī)組的功率增大，但相比較而言的機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度不高，成本也不大。遠(yuǎn)端風(fēng)球反轉(zhuǎn)后驅(qū)動(dòng)力矩反向，解決了垂直軸風(fēng)機(jī)的制動(dòng)問(wèn)題，使系統(tǒng)安全性得到保證。新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)適合直驅(qū)，適合現(xiàn)場(chǎng)施工，避免了超高超大部件運(yùn)輸?shù)碾y題，免除了齒輪箱的高故障率和高維護(hù)保養(yǎng)成本。多項(xiàng)新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)創(chuàng)新疊加在一起，使本發(fā)明的系統(tǒng)整機(jī)性能優(yōu)越，適合工業(yè)生產(chǎn)，并能發(fā)揮出超大型風(fēng)機(jī)的巨大經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1、傳統(tǒng)達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)簡(jiǎn)圖。

圖2、公開(kāi)知識(shí)的創(chuàng)新型二葉片半臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)外形視圖。

圖3、改進(jìn)的雙臂達(dá)里厄與薩沃紐斯復(fù)合風(fēng)機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4、改進(jìn)的雙臂達(dá)里厄與薩沃紐斯復(fù)合風(fēng)機(jī)俯視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖5、幾種薩沃紐斯風(fēng)機(jī)s形葉片形狀圖。

圖6、本發(fā)明的葉間支撐風(fēng)葉二視圖。

圖7、被改進(jìn)前的帶遠(yuǎn)端風(fēng)球復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖8、幾種風(fēng)球風(fēng)機(jī)形狀圖。

圖9、本發(fā)明的加固風(fēng)葉復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖10、具有升力的不對(duì)稱球形雙風(fēng)球風(fēng)葉平視簡(jiǎn)圖。

圖11、具有升力的不對(duì)稱球形雙風(fēng)球風(fēng)葉俯視簡(jiǎn)圖。

圖12、本發(fā)明的開(kāi)心式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)半剖結(jié)構(gòu)圖。

圖13、本發(fā)明的通用型發(fā)電機(jī)的磁懸浮化結(jié)構(gòu)原理圖。

圖14、本發(fā)明的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

當(dāng)前的大型量產(chǎn)商業(yè)風(fēng)機(jī)，主流型是2～3mw的水平軸渦輪機(jī)型。水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)，通常采用細(xì)三針環(huán)氧樹(shù)脂或含碳纖維加固的翼型葉片，葉片根端固定在輪轂上，通過(guò)輪轂連接到主軸，在風(fēng)力作用下帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)和變流器將機(jī)械能變成恒頻恒壓電能輸入電網(wǎng)。三針式葉片采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的單端固定形式，因此，葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，易變形，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，受風(fēng)力作用容易損壞，故強(qiáng)風(fēng)中屢有風(fēng)葉折斷事故發(fā)生，這是水平軸風(fēng)機(jī)最致命的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)。因此，當(dāng)功率增加到超大功率的10mw水平時(shí)，葉片必須采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的碳纖維材料，致使材料成本和工藝成本大 幅升高，尤其在抵抗強(qiáng)烈暴風(fēng)下的生存能力方面更明顯不足。

垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)葉片可多點(diǎn)支撐，特別是φ型達(dá)里厄風(fēng)機(jī)，葉片二端點(diǎn)固定在主軸上，可獲得足夠支撐，葉片應(yīng)力大大降低，渦輪機(jī)抗風(fēng)能力顯著增強(qiáng)，此外，垂直軸風(fēng)機(jī)無(wú)須偏航對(duì)風(fēng)，無(wú)水平軸風(fēng)機(jī)偏航時(shí)的陀螺效應(yīng)力矩阻礙，傳動(dòng)變速裝置和發(fā)電機(jī)都可以安裝在地面上，省卻塔筒等等，優(yōu)越性明顯。

垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)有兩大類——阻力型和升力型，阻力機(jī)型有平板型、風(fēng)球型和s型等多種結(jié)構(gòu)形式，阻力型的主軸兩邊風(fēng)葉產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)力矩，所以必須使兩邊風(fēng)葉的風(fēng)阻力產(chǎn)生差異，利用阻力差產(chǎn)生定向旋轉(zhuǎn)力矩，阻力型有較大的啟動(dòng)力矩，但尖速比低，在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的前提下，提供的功率輸出低。

升力型通常采用翼型剖面的葉片，主軸兩邊風(fēng)葉可能產(chǎn)生同方向的旋轉(zhuǎn)力矩，它的啟動(dòng)力矩較低，但尖速比可以很高，對(duì)于給定的風(fēng)輪重量和成本，有較高的效率和功率輸出，是大型垂直軸風(fēng)機(jī)的首選機(jī)型。

典型的大型垂直軸渦輪機(jī)是由法國(guó)工程師達(dá)里厄(darrieus)于19世紀(jì)30年代發(fā)明的，是現(xiàn)代垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)的初創(chuàng)者。在20世紀(jì)70年代，加拿大國(guó)家科學(xué)研究院對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，使垂直軸機(jī)成為當(dāng)今水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。達(dá)里厄式風(fēng)輪是一種升力型渦輪機(jī)裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，發(fā)展到現(xiàn)在有多種形態(tài)的達(dá)里厄式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如φ型，δ型，y型和h型等。這些風(fēng)輪機(jī)通常設(shè)計(jì)成二葉片、三葉片或者多葉片，從性能、造價(jià)等各種因素考慮，在大型機(jī)組中，二葉片的φ型達(dá)里厄風(fēng)機(jī)成本最低。

圖1為傳統(tǒng)φ型二葉片達(dá)里厄風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)圖。圖中，兩片半圓弧外形風(fēng)葉對(duì)稱聯(lián)接到主軸兩邊，由于采用雙端連接的葉片，所以渦輪機(jī)強(qiáng)度和剛度優(yōu)于水平軸風(fēng)機(jī)單端連接的懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小、形變少、強(qiáng)度剛度大。垂直軸風(fēng)機(jī)不需要偏航對(duì)風(fēng)裝置，不需要塔筒，發(fā)電機(jī)可以布置在較低位置甚至可以放在地面，這可節(jié)省整機(jī)成本，對(duì)安裝和保養(yǎng)也十分有利，以上都是垂直軸渦輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。但是達(dá)里厄渦輪機(jī)最大的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是其主軸太長(zhǎng)，這么長(zhǎng)的主軸，要保證渦輪機(jī)的總體強(qiáng)度剛度都存在難度，主軸不但制造成本很高，而且在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，如何防止晃動(dòng)，也是需要頗費(fèi)精力解決的技術(shù)問(wèn)題。

水平軸風(fēng)機(jī)發(fā)展到mw級(jí)和數(shù)mw級(jí)，為此，各國(guó)也在探索同樣功率級(jí)別的大型和超大型垂直軸風(fēng)機(jī)。經(jīng)過(guò)不斷的探索努力，英國(guó)arup推出的aerogeneratorx設(shè)計(jì)，將達(dá)里厄取下半段成為主風(fēng)葉，然后在風(fēng)葉頂端加上稱為剛性帆的端部風(fēng)葉，所構(gòu)成的一種變相達(dá)里厄垂直軸渦輪機(jī)，設(shè)計(jì)額定功率10mw，額定轉(zhuǎn)速3轉(zhuǎn)/分。

從結(jié)構(gòu)物理學(xué)角度看，該英國(guó)設(shè)計(jì)，是對(duì)法國(guó)達(dá)里厄原型進(jìn)行了重大創(chuàng)新，相當(dāng)于將達(dá)里厄φ型機(jī)省略上半段而截取下半段所形成的一種簡(jiǎn)化形式，從而去除了冗長(zhǎng)的主軸，經(jīng)過(guò)這樣一種簡(jiǎn)化，昂貴難做的主軸就被徹底取消了，根據(jù)該公司發(fā)布的參考圖，分析該機(jī)組的外形視圖見(jiàn)圖2。

圖2為公開(kāi)知識(shí)的創(chuàng)新型二葉片半臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)外形視圖。

從圖2中，可大致分析其基本結(jié)構(gòu)為，在方型(也可以是圓形)基礎(chǔ)平臺(tái)上布置有發(fā)電機(jī)和機(jī)艙，發(fā)電機(jī)軸上有一個(gè)扁平y(tǒng)形輪轂，y形輪轂上端的v字形二叉插入或安裝入兩片主風(fēng)葉，主風(fēng)葉兩遠(yuǎn)端分別安裝有剛性帆， 受風(fēng)力作用，主風(fēng)葉和剛性帆產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。輪轂下端連接主軸，主風(fēng)葉為翼形，二葉片以軸為中心對(duì)稱分布。受風(fēng)力作用，兩風(fēng)葉在同方向的風(fēng)中產(chǎn)生相加的力矩，兩力矩形成共同的驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

按以上分析，aerogeneratorx設(shè)計(jì)在取得省略主軸優(yōu)越性的創(chuàng)新點(diǎn)上確實(shí)可圈可點(diǎn)，有顯著進(jìn)步。但是也應(yīng)該看到，在克服一個(gè)缺點(diǎn)的同時(shí)，另一個(gè)缺陷又冒了出來(lái)，那就是風(fēng)葉的懸臂梁結(jié)構(gòu)又重新出現(xiàn)在新設(shè)計(jì)中，這就又重復(fù)了水平軸風(fēng)葉的懸臂梁結(jié)構(gòu)，復(fù)現(xiàn)了強(qiáng)度剛度低這一大缺陷。

本發(fā)明是在法英兩國(guó)技術(shù)成果的基礎(chǔ)上所作的系統(tǒng)改進(jìn)，首先采用雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉結(jié)構(gòu)，以克服其懸臂梁結(jié)構(gòu)的缺陷，創(chuàng)造出一種更堅(jiān)固高效實(shí)用的超大型垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉，就是將原有的單臂風(fēng)葉改變?yōu)殡p臂風(fēng)葉。雙臂的近端連接于短主軸上下前后不同位置，形成牢固的雙三角形結(jié)構(gòu)。

雙三角形雙臂結(jié)構(gòu)達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的下葉片和上葉片在遠(yuǎn)端相連接，連接的方式可以采用特制的連接件的永久性固定連接方式，也可以采用在二葉之間接觸平面上的緊固件可拆卸連接方式。上下葉片以雙臂風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)形式連接后，兩張葉片可以相互依靠支撐以增加強(qiáng)度剛度，克服單端連接懸臂梁結(jié)構(gòu)的缺陷，兩葉片的近端則連接在主軸(1)的下端和上端，成三角形相互支撐的態(tài)勢(shì)。整個(gè)風(fēng)機(jī)有兩片雙臂風(fēng)葉，每個(gè)雙臂風(fēng)葉有上下兩張葉片，包括葉片及其作為遠(yuǎn)端連接件的端部φ葉片都為翼型，都可通過(guò)升力獲取風(fēng)中的動(dòng)能，端部φ葉片有如單獨(dú)的連接件，其尺度相當(dāng)于一個(gè)百kw級(jí)的φ型二葉片達(dá)里厄風(fēng)機(jī)，但由于其遠(yuǎn)離軸心，力臂長(zhǎng)，力矩更大，所以功率可增加到百kw級(jí)的水平。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的風(fēng)葉由單片改為雙片后，恢復(fù)了基本達(dá)里厄風(fēng)葉的強(qiáng)度剛度，既是對(duì)水平軸風(fēng)機(jī)懸臂梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，同時(shí)，二張風(fēng)葉都參與截風(fēng)產(chǎn)能，達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉長(zhǎng)度可能減縮，長(zhǎng)主軸也大為縮短。可見(jiàn)，本改進(jìn)既克服了水平軸風(fēng)機(jī)或aerogeneratorx設(shè)計(jì)葉片懸臂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度不夠的缺點(diǎn)，又克服了達(dá)里厄φ型風(fēng)機(jī)長(zhǎng)主軸晃動(dòng)和制造成本高的缺點(diǎn)。

據(jù)公開(kāi)資料分析aerogeneratorx設(shè)計(jì)，其葉片長(zhǎng)度約在226米左右，這么長(zhǎng)的葉片，可采用大型飛機(jī)機(jī)翼的制造方法，在工廠里分段制造后，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)拼接成為一體，也可在現(xiàn)場(chǎng)按建筑施工的方式，在平地上制造整體骨架建造，然后覆蓋蒙皮成型后，吊裝就位。

雙臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的上下葉片可以采用特制的連接件的永久性固定連接結(jié)構(gòu)，也可以采用在二葉之間接觸平面上的緊固件可拆卸連接結(jié)構(gòu)。

為解決達(dá)里厄風(fēng)機(jī)起動(dòng)力矩不足的問(wèn)題，本發(fā)明又在軸心處增加s型風(fēng)葉風(fēng)機(jī)。s型風(fēng)葉風(fēng)機(jī)又稱薩沃紐斯型(savonius)垂直軸風(fēng)機(jī)(3)，具有部分升力，但主要還是阻力型，薩沃紐斯裝置有較大的啟動(dòng)力矩，在本發(fā)明的短主軸雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉結(jié)構(gòu)軸心區(qū)增加s型風(fēng)葉，可有效解決垂直軸風(fēng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題。

薩沃紐斯風(fēng)機(jī)總成(3)，包括了上端固定架(11)、下端固定架(12)和二個(gè)半圓柱形葉片；薩沃紐斯風(fēng)機(jī)安裝在軸心處，二個(gè)半圓柱形葉片反向?qū)ΨQ布置、分列在主軸(1)兩邊，并牢固植入兩端固定架；葉片與主軸間留有足夠間隙，以使進(jìn)入半圓柱內(nèi)的風(fēng)流能自由流出。

增加薩沃紐斯風(fēng)機(jī)有三個(gè)原因，第一個(gè)原因是需要解決達(dá)里厄垂直軸風(fēng) 機(jī)的起動(dòng)力矩不足的問(wèn)題，第二個(gè)原因是需要克服二葉片達(dá)里厄風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中力矩的大幅波動(dòng)問(wèn)題，第三個(gè)原因是為了增加機(jī)組總功率。

由于二葉片的達(dá)里厄風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，在風(fēng)向風(fēng)速一定時(shí)，渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由風(fēng)能所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩是隨葉片與風(fēng)向所處角度位置而不斷變化的，當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉片中軸線與風(fēng)向垂直時(shí)，力矩最大；當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉片中軸線運(yùn)轉(zhuǎn)到與風(fēng)向平行位置時(shí)，渦輪機(jī)所產(chǎn)生的力矩最小，也就是說(shuō)，在該位置時(shí)，起動(dòng)力矩也幾乎為零。對(duì)薩沃紐斯s形葉片而言，s形葉片風(fēng)機(jī)也存在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由風(fēng)能所推動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力矩不斷變化的情況，但當(dāng)雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉與s風(fēng)機(jī)葉片的對(duì)稱軸成直角安裝、位置相互交錯(cuò)布置時(shí)，即在雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉由風(fēng)推動(dòng)的力矩為最小位置，恰好是s形葉片風(fēng)機(jī)風(fēng)推動(dòng)力矩最大位置；同理，在雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉風(fēng)機(jī)風(fēng)推動(dòng)力矩最大位置，恰好是s形葉片風(fēng)推動(dòng)力矩最小位置。也就是說(shuō)，二者的對(duì)稱軸相互垂直且力矩方向一致時(shí)，就能使二者在同一風(fēng)向下產(chǎn)生的力矩方向一致，且達(dá)到最佳的豐歉互補(bǔ)效應(yīng)，能使渦輪機(jī)系統(tǒng)的總推動(dòng)力矩較穩(wěn)定并趨于平衡。雙臂達(dá)里厄與薩沃紐斯復(fù)合風(fēng)機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

本發(fā)明對(duì)雙臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)所做的進(jìn)一步改進(jìn)，是為進(jìn)一步提高其強(qiáng)度剛度，方案是將由上下風(fēng)葉和主軸構(gòu)成的單三角形結(jié)構(gòu)，改變?yōu)橛蛇_(dá)里厄風(fēng)機(jī)的上下風(fēng)葉、薩沃紐斯風(fēng)機(jī)的上下端固定架和主軸構(gòu)成的雙三角形結(jié)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)為，雙臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)端，由上葉片(22)通過(guò)端部φ葉片(21)連接下葉片(23)而成為一個(gè)整體風(fēng)葉，而雙臂達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的葉片近端連接為，其上葉片(22)連接于薩沃紐斯風(fēng)葉的上端固定架(11)，其下葉片(23)則連接于薩沃紐斯風(fēng)葉的下端固定架(12)，而且他們的連接點(diǎn)也是相互交錯(cuò)的，即如果他們的上葉片(22)連接于薩沃紐斯風(fēng)葉的上端固定架(11)的一條對(duì)角線，則他們的下葉片(23)連接于薩沃紐斯風(fēng)葉的下端固定架(12)的另一方向的對(duì)角線上。這樣就使得主軸(1)、牢固連接于主軸的兩塊固定架(11和12)和上下葉片(22和23)，構(gòu)成具有堅(jiān)固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙三角形的結(jié)構(gòu)，即每一張達(dá)里厄風(fēng)葉，通過(guò)上下葉片、固定架和主軸組成的一體結(jié)構(gòu)，在水平投影和垂直投影中都呈現(xiàn)三角形狀，雙三角形結(jié)構(gòu)比單三角形結(jié)構(gòu)有更大的抵抗風(fēng)推力的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于同一臂上的兩葉片高度不同，所以不會(huì)相互阻擋迎風(fēng)、阻礙從風(fēng)中截獲能量。

本發(fā)明的雙臂雙葉片結(jié)構(gòu)反映在水平投影和垂直投影面都呈現(xiàn)穩(wěn)固的三角形結(jié)構(gòu)，這樣一種結(jié)構(gòu)能有效抵抗來(lái)自垂直方向和水平方向的外力作用，降低葉片應(yīng)力和形變。例如，水平面投影的三角形結(jié)構(gòu)可以抵抗風(fēng)推力影響，增加風(fēng)推力下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而垂直面投影的三角形結(jié)構(gòu)可以抵抗葉片重力影響。所以說(shuō)，本發(fā)明的作為主力產(chǎn)能的雙臂雙三角結(jié)構(gòu)達(dá)里厄風(fēng)機(jī)具有比現(xiàn)今任何一款傳統(tǒng)水平軸渦輪機(jī)或垂直軸渦輪機(jī)高得多的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。在高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，就可以擴(kuò)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作風(fēng)速范圍，例如，可以把渦輪機(jī)的切出風(fēng)速?gòu)囊话愕?5～20米/秒提高到20～25米/秒，甚至25～35米/秒，從而擴(kuò)展渦輪機(jī)的產(chǎn)能風(fēng)速范圍，從高風(fēng)速風(fēng)中獲取更多的能量。

圖3和圖4就是本發(fā)明所改進(jìn)的雙臂雙三角形風(fēng)葉達(dá)里厄與薩沃紐斯復(fù)合風(fēng)機(jī)平視和俯視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3中，發(fā)電機(jī)(5)安裝在基礎(chǔ)(6)上，主軸(1)通過(guò)上下軸承自由轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承座安放在軸心(10)上，軸心埋入底座或基礎(chǔ)。如果采用無(wú)齒 輪箱直驅(qū)方案，則主軸(包括渦輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸)為一體結(jié)構(gòu)。

圖4為改進(jìn)的雙臂達(dá)里厄與薩沃紐斯復(fù)合風(fēng)機(jī)俯視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。簡(jiǎn)圖為去除上端固定架所能觀察到的結(jié)構(gòu)。從圖4中可以分析得出，如果風(fēng)從圖中水平方向吹入，則達(dá)里厄風(fēng)機(jī)所獲得的力矩很小，但是薩沃紐斯風(fēng)葉所產(chǎn)生的力矩很大；如果風(fēng)從圖中垂直方向吹入，則達(dá)里厄風(fēng)機(jī)所獲得的力矩很大，而薩沃紐斯風(fēng)葉的力矩可能最小。因此，薩沃紐斯風(fēng)機(jī)與達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的對(duì)稱軸相互垂直安裝并且使二者在同一風(fēng)向下產(chǎn)生的力矩方向一致，以達(dá)到最佳的產(chǎn)能互補(bǔ)效應(yīng)。安裝應(yīng)使薩沃紐斯風(fēng)機(jī)與達(dá)里厄風(fēng)機(jī)各自產(chǎn)生最大力矩或最小力矩的風(fēng)向角相互交錯(cuò)，例如，在0°或180°方向的風(fēng)可使薩沃紐斯風(fēng)葉產(chǎn)生最大力矩，而90°或270°方向的風(fēng)則可使達(dá)里厄風(fēng)機(jī)所獲得的力矩最大。二者的對(duì)稱軸相互垂直且力矩方向一致時(shí)，就能產(chǎn)生最佳的互補(bǔ)效應(yīng)，能使渦輪機(jī)系統(tǒng)的總推動(dòng)力矩趨于穩(wěn)定和平衡。

圖5為幾種薩沃紐斯風(fēng)機(jī)s形葉片形狀圖。s形葉片形狀對(duì)于薩沃紐斯風(fēng)機(jī)的截風(fēng)效率、運(yùn)行轉(zhuǎn)速有很大影響。圖5僅為s形葉片的結(jié)構(gòu)形狀的幾種簡(jiǎn)要例子，不代表全部可能的設(shè)計(jì)案例。由于s形葉片的大小和形狀的產(chǎn)能效率，將決定該種渦輪機(jī)能從風(fēng)動(dòng)能中獲取所轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的數(shù)量，所以其設(shè)計(jì)的要求很高。特別是形狀，在一定的材料成本基礎(chǔ)上，應(yīng)該根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算出s形葉片形狀和大小，設(shè)計(jì)計(jì)算水平的高低至關(guān)重要，首先要考慮他們所受到的風(fēng)推力，推力越大，所獲風(fēng)能也大，其次考慮風(fēng)阻力，通常如果一邊葉片受到風(fēng)推力，則另一邊葉片必定受到風(fēng)阻力，二者之差才能形成驅(qū)動(dòng)力矩。最簡(jiǎn)單的葉片形狀是半圓柱形，如圖5a)所示，半圓柱形葉片可以用最省的材料得到最大的風(fēng)推力，但其風(fēng)阻力也很大，所以并不是最佳的葉片形狀。圖5b)為橢圓柱形或流線柱型葉片，由于流線柱型葉片的風(fēng)阻力較小，但風(fēng)推力卻與流線形狀無(wú)關(guān)，所以其風(fēng)推力與風(fēng)阻力的差值增大，截風(fēng)能力優(yōu)于半圓柱形。圖5c)為不對(duì)稱邊形的s形葉片，利用不對(duì)稱邊產(chǎn)生的升力，可以更多地增加s形渦輪機(jī)的升力力矩，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。由于s形葉片兼具阻力型和升力型的兩種不同類型的產(chǎn)能特性，所以通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)出多種形狀。本發(fā)明只能配合10wm大型機(jī)組的需要，舉出三種形狀的實(shí)例，不可能概括更多種類形狀。

關(guān)于s形葉片的上下端兩塊固定架，圖4中所標(biāo)示的是長(zhǎng)方形形狀，在圖5中顯示為三種不同的形狀，例如，圖5a)和圖5c)為橢圓形，而圖5b)為根據(jù)特定s形葉片的不對(duì)稱柱形，其材料成本最低。當(dāng)s形葉片的形狀和位置確定后，就可設(shè)計(jì)出固定架的確實(shí)形狀，從節(jié)約材料、減輕整機(jī)重量的目標(biāo)出發(fā)，固定架也可采用其他結(jié)構(gòu)件，例如非整塊的固定架。

由于固定架不單是薩沃紐斯風(fēng)機(jī)s形葉片的支架，也是主軸與達(dá)里厄風(fēng)葉的近端連接件，在傳遞薩沃紐斯風(fēng)機(jī)力矩的同時(shí)也傳遞著達(dá)里厄風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的力矩，所以其總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，安裝固定和連接方式對(duì)整機(jī)強(qiáng)度有重大影響?？紤]到長(zhǎng)方形形狀加工方便，所以圖中以長(zhǎng)方形形狀標(biāo)示。但是采用長(zhǎng)方形后，與葉片的連接是斜面，安裝并不方便。本發(fā)明建議采用多邊形的設(shè)計(jì)，使得固定架與葉片的連接是一個(gè)正交的平面，可能更好，有待葉片設(shè)計(jì)確定后再確定固定架的具體結(jié)構(gòu)形狀。

在aerogeneratorx設(shè)計(jì)中的風(fēng)葉頂端，有一個(gè)稱為剛性帆的端部風(fēng)葉。在本發(fā)明中，則將剛性帆改變成支撐風(fēng)葉的形式移動(dòng)到雙臂達(dá)里厄風(fēng)葉之間，在能產(chǎn)生更多能量的前提下，又兼作葉片的支撐件，進(jìn)一步增加渦輪機(jī) 葉片的剛度，使之在大風(fēng)中不易發(fā)生振動(dòng)。而原有剛性帆的端部位置，則以遠(yuǎn)端風(fēng)球代替。

圖6為本發(fā)明的葉間支撐風(fēng)葉示意圖。圖中，支撐風(fēng)葉(24)將碩長(zhǎng)的雙臂風(fēng)葉切割成為一個(gè)個(gè)短小三角形，使作為達(dá)里厄風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)主葉片的強(qiáng)度剛度得到提升，防止了大風(fēng)對(duì)葉片的機(jī)械沖擊或致振力的作用，也擴(kuò)大了系統(tǒng)工作風(fēng)速范圍，提高了系統(tǒng)功率容量。支撐風(fēng)葉屬于升力型結(jié)構(gòu)，是將剛性帆換成支撐風(fēng)葉(24)的結(jié)果，一條或多條支撐風(fēng)葉處于翼型結(jié)構(gòu)達(dá)里厄風(fēng)機(jī)(2)雙臂之間，將雙臂風(fēng)葉切割成為一個(gè)個(gè)短小三角形，所以支撐風(fēng)葉既能提高達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度剛度，本身也能截獲風(fēng)中能量。

在本發(fā)明中，達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉的頂端處，固定安裝一個(gè)風(fēng)球，總計(jì)兩個(gè)風(fēng)球?qū)ΨQ分布。風(fēng)球從風(fēng)中截能的原理，簡(jiǎn)要敘之，可以從風(fēng)量計(jì)中得到啟示。

圖7為被改進(jìn)前的帶遠(yuǎn)端風(fēng)球復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中達(dá)里厄風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)端采用平面連接而省卻φ葉片，風(fēng)球(4)則固定安裝在達(dá)里厄遠(yuǎn)端平面上，安裝方向相同。

風(fēng)球的對(duì)稱軸與達(dá)里厄風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的中軸線接近直角相交但不宜采用直交，因?yàn)橹苯缓蟮倪_(dá)里厄風(fēng)機(jī)風(fēng)葉與風(fēng)球受風(fēng)向變化的受力狀況完全相同，達(dá)里厄風(fēng)機(jī)和風(fēng)球風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的合力矩不易越過(guò)零力矩風(fēng)向，相交一個(gè)小角度就可以避免二者共同的零力矩區(qū)，所以建議不采用直交布置。另外，風(fēng)球風(fēng)機(jī)與達(dá)里厄風(fēng)機(jī)沒(méi)有力矩補(bǔ)償作用，這一點(diǎn)與薩沃紐斯風(fēng)機(jī)和達(dá)里厄風(fēng)機(jī)之間的關(guān)系不一樣，所以風(fēng)球和薩沃紐斯風(fēng)機(jī)二者不能相互取代。由于薩沃紐斯風(fēng)機(jī)處于軸心位置，力臂短，而風(fēng)球處于風(fēng)葉外端，力臂特別長(zhǎng)，所以用相同的材料成本的話，風(fēng)球風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)組輸出功率的貢獻(xiàn)比薩沃紐斯風(fēng)機(jī)大得多。當(dāng)然從另一側(cè)面考慮，在運(yùn)行過(guò)程中，由于線速度不一樣，風(fēng)球風(fēng)機(jī)的阻力也比薩沃紐斯風(fēng)機(jī)大得多，所以對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的負(fù)面影響也比薩沃紐斯風(fēng)機(jī)大。這就需要對(duì)各部位的功率分配作合理設(shè)計(jì)安排。

圖8為幾種風(fēng)球形狀圖。風(fēng)球也可以像薩沃紐斯風(fēng)葉一樣選取不同的形狀，只要將薩沃紐斯風(fēng)葉的平面柱體改為立體球體就可以了。例如球形、橢球形，或不對(duì)稱球形。圖8a)為半球形，相當(dāng)于有一定厚度的半球，將半球的下部牢固安裝在達(dá)里厄上風(fēng)葉或端部φ葉片上即可，半球型的端部風(fēng)球材料最省，也比較容易制作。圖8b)為橢球形風(fēng)葉，橢球形為流線型橢球形狀，橢球形狀的風(fēng)球風(fēng)阻力較小，比半球型的端部風(fēng)球有較大的阻力差，效果較好，但流線形設(shè)計(jì)需要一定的精確計(jì)算。圖8c)為不對(duì)稱球形的端部風(fēng)球，不對(duì)稱球形的風(fēng)球，可以利用一定的翼型邊，在一定方向的風(fēng)流動(dòng)時(shí)同樣可能產(chǎn)生升力，這時(shí)候的風(fēng)球就可能具備既有阻力型又有升力型的特征，是一種阻力升力混合型風(fēng)葉，應(yīng)該具有比前二者更好的截能效果。橢球形或不對(duì)稱球形的安裝方法與半球型相同。

圖9就是本發(fā)明的經(jīng)支撐風(fēng)葉加固改進(jìn)的帶半圓風(fēng)球的復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

由于圖9中的風(fēng)球單邊布置在風(fēng)葉的上側(cè)，受到風(fēng)力的作用，會(huì)對(duì)風(fēng)葉產(chǎn)生一個(gè)扭力，為此，可以在風(fēng)葉的下部固定安裝一個(gè)相同或相似的風(fēng)球，成為雙風(fēng)球機(jī)組，雙風(fēng)球不但可以消除單風(fēng)球的扭力，還能增加風(fēng)機(jī)功率輸 出，可謂一舉雙得。

圖10就是本發(fā)明的雙風(fēng)球復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)平視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。雙風(fēng)球復(fù)合型垂直軸渦輪機(jī)就是在單邊布置風(fēng)葉的下側(cè)位置，按上側(cè)樣式固定安裝一個(gè)相同或相似的風(fēng)球，那么不管是受到的風(fēng)推力或風(fēng)阻力，上下兩個(gè)風(fēng)球產(chǎn)生的力基本一致，風(fēng)的推力阻力可以疊加，扭力則可以相互抵消，達(dá)里厄風(fēng)葉就不會(huì)受單邊扭力作用而產(chǎn)生形變。同時(shí)，如將風(fēng)球也改為更高效率的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，就可構(gòu)筑成升力阻力復(fù)合型風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)機(jī)截風(fēng)效率。

圖11為具有升力的不對(duì)稱球形雙風(fēng)球風(fēng)葉平視簡(jiǎn)圖和俯視簡(jiǎn)圖。兩圖中，上葉片(22)和下葉片(23)在遠(yuǎn)端匯合，成為一個(gè)小結(jié)合平面，平面上下安裝雙風(fēng)球葉片(4)，上下葉片(22、23)的近端分別連接到薩沃紐斯風(fēng)葉(3)的上下端固定架(11、12)，上下端固定架則與主軸(1)連接，發(fā)電機(jī)(5)安裝在基礎(chǔ)(6)上，主軸安裝在軸心的軸承座上。

對(duì)于超大型風(fēng)力渦輪機(jī)而言，巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性在大風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)下，靠機(jī)內(nèi)制動(dòng)器是很難達(dá)到有效制動(dòng)目的的，因此如果超大型風(fēng)力渦輪機(jī)沒(méi)有空氣動(dòng)力制動(dòng)功能的話，機(jī)組的安全性是無(wú)法得到保證的。眾所周知，大型水平軸機(jī)早就解決了空氣動(dòng)力制動(dòng)的問(wèn)題，在早期的固定槳恒速機(jī)組中，是采用葉尖擾流器實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力制動(dòng)功能的，在需要制動(dòng)時(shí)，葉尖擾流器動(dòng)作，改變槳葉角度，使與整個(gè)風(fēng)葉相同的槳角位置轉(zhuǎn)動(dòng)到相反的槳角位置，因此形成一個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩，在該轉(zhuǎn)矩的作用下，渦輪機(jī)才有可能減速直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后，也才能讓機(jī)內(nèi)制動(dòng)器抱閘制動(dòng)。進(jìn)展到目前的變速變槳機(jī)組中，則直接利用槳距角的變化，就可以實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力制動(dòng)。所以說(shuō)，水平軸機(jī)的運(yùn)行安全是有保障的。但是，垂直軸機(jī)，特別是大型垂直軸機(jī)，要靠葉尖擾流器或變槳器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)在結(jié)構(gòu)上較難實(shí)施，所以垂直軸機(jī)的空氣動(dòng)力制動(dòng)是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。

在本發(fā)明中，不管是單風(fēng)球復(fù)合型還是雙風(fēng)球復(fù)合型，增加風(fēng)球的一個(gè)更大的原因，還在于風(fēng)球可以固定安裝在風(fēng)葉上，也可以在風(fēng)球靠風(fēng)葉的一側(cè)增加一個(gè)垂直底軸，在風(fēng)葉上安裝軸承，風(fēng)球就成為可繞其軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，這樣一種風(fēng)球，稱為可轉(zhuǎn)動(dòng)型風(fēng)球。

由于風(fēng)球上存在巨大的風(fēng)推力，所以風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)力大小將極大影響到風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，為此，風(fēng)球的轉(zhuǎn)軸應(yīng)設(shè)計(jì)在平衡軸的位置上，所謂“平衡軸的位置”，即在無(wú)制動(dòng)約束狀態(tài)下，從任意方向吹向風(fēng)球的風(fēng)力，使風(fēng)球自行旋轉(zhuǎn)的可能性最小。采用平衡軸轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)球，可使驅(qū)動(dòng)電機(jī)更容易驅(qū)動(dòng)風(fēng)球，不易受到風(fēng)推力的影響。平衡軸的概念可以用船舶上的“平衡舵”類似的原理來(lái)理解。

采用可轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)球，可以使風(fēng)球既可以像上文所述的安裝在固定位置時(shí)的風(fēng)球一樣，產(chǎn)生與其他風(fēng)葉相同方向的驅(qū)動(dòng)力矩，截獲風(fēng)能，增大機(jī)組功率，也可以使他們偏轉(zhuǎn)180°，產(chǎn)生與機(jī)組其他部分相反方向的力矩，從而成為一種阻力矩，阻力矩可以使機(jī)組迅速減速，當(dāng)阻力矩足夠大時(shí)，在阻力矩的作用下，機(jī)組能很快停下來(lái)。這就解決了本發(fā)明的復(fù)合型風(fēng)力渦輪機(jī)組的制動(dòng)問(wèn)題?？赊D(zhuǎn)動(dòng)型風(fēng)球的作用相當(dāng)于水平軸渦輪機(jī)中的葉尖擾流器，當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，將風(fēng)球轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)了。

風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)可以有兩種方式，分別稱為直接驅(qū)動(dòng)式和脫扣釋放式。風(fēng)球有 兩個(gè)位置，一個(gè)是工作位置，一個(gè)是制動(dòng)位置，風(fēng)球必須擇一停留在其中一個(gè)位置上。風(fēng)球在不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通常由抱閘裝置制動(dòng)，以防止風(fēng)力作用下產(chǎn)生晃動(dòng)，只有在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，才使抱閘裝置松開(kāi)，允許其轉(zhuǎn)動(dòng)。

所謂直接驅(qū)動(dòng)式，就是風(fēng)球的兩個(gè)位置，工作位置，和制動(dòng)位置，兩個(gè)位置的權(quán)重相同，在安全方面是等價(jià)的。在兩個(gè)位置間的轉(zhuǎn)換則靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。其工作方式為，在風(fēng)球“工作”位置，由風(fēng)球抱閘裝置制動(dòng)成為相對(duì)固定不動(dòng)的風(fēng)球，然后當(dāng)需要使渦輪機(jī)制動(dòng)時(shí)，先使風(fēng)球抱閘裝置脫離制動(dòng)，通入正向驅(qū)動(dòng)電流，使風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)到“制動(dòng)”位置，驅(qū)動(dòng)到位則撤除電流，風(fēng)球制動(dòng)器復(fù)進(jìn)入抱閘制動(dòng)。需要使風(fēng)球回復(fù)正常工作位置時(shí)，同樣先使風(fēng)球抱閘裝置脫離制動(dòng)，通入反向驅(qū)動(dòng)電流，使風(fēng)球反向轉(zhuǎn)動(dòng)回復(fù)到工作位置。

所謂脫扣釋放式，就是風(fēng)球的兩個(gè)位置，工作位置和制動(dòng)位置，兩個(gè)位置的權(quán)重不同，在安全方面是不等價(jià)的，通常是制動(dòng)位置的權(quán)重大于工作位置，雖然渦輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)必須處于工作位置，但考慮到安全第一，不運(yùn)行時(shí)必須處于制動(dòng)位置。脫扣釋放式的抱閘裝置與直接驅(qū)動(dòng)式相同，但渦輪機(jī)開(kāi)始工作前一直處于制動(dòng)狀態(tài)，所以必須先使風(fēng)球的抱閘裝置松開(kāi)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)到工作位置，渦輪機(jī)靠風(fēng)力的作用才能起動(dòng)、加速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。到達(dá)工作位置后，電動(dòng)機(jī)停電，但抱閘裝置始終松開(kāi)，待脫扣器鉤動(dòng)作扣住脫扣器后，抱閘裝置才制動(dòng)風(fēng)球，不會(huì)使風(fēng)球轉(zhuǎn)軸制動(dòng)，所以只有電動(dòng)機(jī)通電與抱閘裝置脫離制動(dòng)同時(shí)發(fā)生允許風(fēng)球轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。但電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)運(yùn)行方向，無(wú)須設(shè)置倒順車接觸器。一旦渦輪機(jī)需要制動(dòng)，脫扣器脫扣后抱閘裝置自動(dòng)松閘，風(fēng)球靠蓄能自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)回復(fù)到制動(dòng)位置，同時(shí)抱閘裝置也動(dòng)作抱閘。脫扣器的原理類似于自動(dòng)開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明的可轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)球的制動(dòng)原理，有些類似于水平軸機(jī)中的葉尖擾流器的制動(dòng)扣，擾流器使葉尖的槳距角翻轉(zhuǎn)，風(fēng)葉總轉(zhuǎn)矩降低到零，渦輪機(jī)停轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的可轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)球中，也可以像葉尖擾流器一樣設(shè)置工作位置和制動(dòng)位置，制動(dòng)時(shí)，風(fēng)球翻轉(zhuǎn)使助轉(zhuǎn)力矩變?yōu)橹苿?dòng)力矩，就可以迅速實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。當(dāng)然空氣動(dòng)力制動(dòng)后，還得依靠發(fā)電機(jī)主軸上的主制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)真正的安全制動(dòng)。在主制動(dòng)器合閘后，不再允許渦輪機(jī)工作轉(zhuǎn)動(dòng)。

風(fēng)球的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電機(jī)抱閘制動(dòng)器安裝在達(dá)里厄風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)端的內(nèi)部，通過(guò)電機(jī)軸上的主齒輪和與之嚙合的風(fēng)球軸上的從齒輪，驅(qū)動(dòng)風(fēng)球轉(zhuǎn)動(dòng)改變位置。電動(dòng)機(jī)的供電電纜和控制電纜在葉片內(nèi)穿越。由于以上部件都處于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上，所以必須設(shè)置滑環(huán)電刷對(duì)和信號(hào)收發(fā)裝置，以輸送電力和信號(hào)。電動(dòng)機(jī)的控制器則放置在葉片的輪轂中。

采用本發(fā)明的可轉(zhuǎn)動(dòng)型風(fēng)球，就解決了空氣動(dòng)力制動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了空氣動(dòng)力制動(dòng)的機(jī)組安全目標(biāo)。

綜上所述，風(fēng)球(4)可以是單風(fēng)球，也可能是雙風(fēng)球，其特征是，達(dá)里厄風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)端采用平面連接而省卻φ葉片，風(fēng)球(4)固定安裝在達(dá)里厄遠(yuǎn)端風(fēng)葉平面上下，安裝方向一致；風(fēng)球形狀為半球形、橢球形或不對(duì)稱球形。

本發(fā)明的傳動(dòng)體系不建議采用齒輪箱增速，而采用無(wú)齒輪箱直驅(qū)，發(fā)電則采用直驅(qū)多極同步發(fā)電機(jī)，該種同步發(fā)電機(jī)也有永磁型和勵(lì)磁型，但沒(méi)有無(wú)刷型。

發(fā)電機(jī)處于將渦輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能流鏈的重要環(huán)節(jié)，所以發(fā)電機(jī)也是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)中的重要部件。對(duì)于無(wú)齒輪箱直驅(qū)的同步發(fā)電機(jī)，由 于10mw垂直軸復(fù)合型渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大約在1.5～3轉(zhuǎn)/分鐘之間，這樣低的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的體積、重量會(huì)相當(dāng)大，成本也非常高，而且運(yùn)輸也相當(dāng)不便，為此，本發(fā)明推薦采用一種新型發(fā)電機(jī)——開(kāi)心式發(fā)電機(jī)。

所謂開(kāi)心式發(fā)電機(jī)，就是一種大直徑的、軸心部為開(kāi)放式布置的多極同步發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)的重量、體積、成本與其轉(zhuǎn)速關(guān)系密切，原因是轉(zhuǎn)速低使發(fā)電機(jī)對(duì)磁場(chǎng)的切割速度低，因此發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓太小，電壓與電流的乘積即發(fā)電機(jī)功率無(wú)法提高。如果發(fā)電機(jī)直徑增大，切割速度相應(yīng)提高，功率將跟著上升。而開(kāi)心式結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)增大直徑后的成本，包括運(yùn)輸成本增加的幅度并不大，開(kāi)心式發(fā)動(dòng)機(jī)中部空間位置寬敞，便于散熱和維護(hù)保養(yǎng)，此外開(kāi)心式結(jié)構(gòu)還有一些其他優(yōu)點(diǎn)適合超大型垂直軸風(fēng)電系統(tǒng)。

圖12為本發(fā)明的開(kāi)心式發(fā)電機(jī)半剖結(jié)構(gòu)圖，圖中發(fā)電機(jī)為大直徑外轉(zhuǎn)子型。

從圖12可以看出，渦輪機(jī)的主軸(1)同時(shí)也是發(fā)電機(jī)的主軸，主軸套在軸心(10)上，軸心的下部插入地基或地基底座中，主軸和軸心間的下軸承(13)在電機(jī)室內(nèi)，上軸承在圖中未標(biāo)出。

發(fā)電機(jī)(5)包括電機(jī)室(50)、轉(zhuǎn)子體及磁場(chǎng)(51)、定子體及繞組(52)、轉(zhuǎn)子滑環(huán)(53)和電機(jī)室門(54)。電機(jī)室實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)較大的電機(jī)外殼，底部有門可供人員進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行維修保養(yǎng)。轉(zhuǎn)子體上有磁極，永磁式的磁極是一塊塊的磁體，磁體的s極和n極按相鄰間隔的方式交錯(cuò)布置在轉(zhuǎn)子體磁軛的內(nèi)側(cè)，如果是勵(lì)磁型，則磁極上鑲嵌有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。定子體的外圓柱面槽孔中鑲嵌有電樞繞組，定子磁軛的內(nèi)側(cè)和下部為定子支架，定子支架的下端安裝在地基或底座中，支架為鋼結(jié)構(gòu)體，也可做成圓筒型，通過(guò)結(jié)構(gòu)體空隙或筒體上的門，人員可以進(jìn)入心區(qū)。電機(jī)內(nèi)部空間大，有利于配置散熱器件。熱量由電機(jī)室頂部的熱吸收器排出。

開(kāi)心式發(fā)電機(jī)也可以設(shè)計(jì)為內(nèi)轉(zhuǎn)子型，兩種型式中都可采用永磁轉(zhuǎn)子或勵(lì)磁轉(zhuǎn)子。

開(kāi)心式發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在，增大直徑后的發(fā)電機(jī)電樞繞組的切割速度提高，可彌補(bǔ)電機(jī)速度降低的影響。例如，通常2～3mw水平軸直驅(qū)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速約在9轉(zhuǎn)/分，發(fā)電機(jī)定子直徑約6米，aerogeneratorx設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速約在3轉(zhuǎn)/分，如果將開(kāi)心式發(fā)電機(jī)定子直徑設(shè)計(jì)在18米的話，二者的性狀參數(shù)接近，功率可自然提高到6～9mw?；蛘哒f(shuō)相當(dāng)于系統(tǒng)內(nèi)增加了一臺(tái)速比為3倍的半直驅(qū)增速齒輪箱，稍將定子軸向長(zhǎng)度提高，就可達(dá)10mw。由于現(xiàn)有3mw的直驅(qū)發(fā)電機(jī)因超高超寬，陸上運(yùn)輸已十分困難，可想而知，10mw的發(fā)電機(jī)根本無(wú)法運(yùn)輸，采用開(kāi)心式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以像水電站的發(fā)電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)組裝一樣，將發(fā)電機(jī)部件分散運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)組裝，運(yùn)輸問(wèn)題得到解決。雖然10mw機(jī)將來(lái)主要用于海上風(fēng)電場(chǎng)，可以采用船運(yùn)解決問(wèn)題，但也不排除陸上也有許多適合10mw機(jī)使用的場(chǎng)所，特別是在10mw樣機(jī)開(kāi)發(fā)初期，必須先在陸上進(jìn)行樣機(jī)檢測(cè)和觀察使用，待通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)，克服工藝缺陷后再發(fā)展成為海上產(chǎn)品，所以不可完全排除運(yùn)輸條件的制約，開(kāi)心式發(fā)電機(jī)采用部件分散運(yùn)輸，在現(xiàn)場(chǎng)組裝成整機(jī)，可有效克服運(yùn)輸中的困難。

目前的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，都是變速驅(qū)動(dòng)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能頻率和電壓是變化的，不能直接并網(wǎng)，所以必須有一個(gè)直流中間環(huán)節(jié)進(jìn)行解耦，為減少直流整流電流對(duì)發(fā)電機(jī)的諧波影響，部分大型發(fā)電機(jī)不采用三相交流電制，改而采用雙三相的電樞繞組。本發(fā)明中的發(fā)電機(jī)既可以采用三相電制或雙三相電制，但采用先進(jìn)高效的多相結(jié)構(gòu)，例如五相或七相電制的電樞繞組，電氣效果更好。原則上相數(shù)越多諧波頻率越高，諧波的不良影響越小。但相數(shù)太多，電機(jī)的設(shè)計(jì)制造難度會(huì)增加，成本也會(huì)相應(yīng)提高，而五相或七相的難 度接近雙三相，電氣技術(shù)效果卻比雙三相更佳。

轉(zhuǎn)子滑環(huán)是為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子供電所需，因?yàn)榭赊D(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)球需要驅(qū)動(dòng)電源，渦輪機(jī)上的許多控制器和傳感器都需要供電?；h(huán)有三片，可使轉(zhuǎn)子獲得三相電，這樣驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以使用經(jīng)濟(jì)可靠的交流感應(yīng)電機(jī)。與滑環(huán)對(duì)應(yīng)接觸的電刷則安裝在軸心(10)上(圖中未畫(huà)出)。

由于勵(lì)磁型發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)需要的是可調(diào)節(jié)的直流電，而所輸送到轉(zhuǎn)子上的卻是恒壓交流電，所以需要靠安裝在轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子軸上的勵(lì)磁控制器或稱自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器avr將交流電進(jìn)行整流和調(diào)壓，然后才能將勵(lì)磁電流送入到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子上所有輸入輸出的控制信號(hào)，包括avr整流和調(diào)壓信號(hào)、風(fēng)球運(yùn)轉(zhuǎn)等信號(hào)，可以采用無(wú)線傳輸?shù)姆椒ㄍㄟ^(guò)轉(zhuǎn)子上的收發(fā)信機(jī)與地面收發(fā)信機(jī)保持連續(xù)通信，也可采用光控信息傳輸。傳輸信息采用模擬量或數(shù)字量，但采用微電腦或工控機(jī)控制的數(shù)字量傳輸比較合適。光控信息可減少電磁干擾，抗干擾性和可靠性較高。

本發(fā)明的變流器采用電子變流或電機(jī)變流，變流器通常以四象限的pwm或spwm脈寬調(diào)制方式工作，既可輸出有功功率，也可輸出一定的無(wú)功，幫助電網(wǎng)維持電壓穩(wěn)定，因此，變流器必須符合電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有低電壓穿越功能。按照傳統(tǒng)，本發(fā)明可以采用ac/dc/ac電子變流器。

為提高系統(tǒng)機(jī)械性能，本發(fā)明還增加了軸系的磁懸浮結(jié)構(gòu)。

圖13為本發(fā)明中通用型發(fā)電機(jī)的磁懸浮化結(jié)構(gòu)原理圖。圖中所示發(fā)電機(jī)也可采用傳統(tǒng)的立式水力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，凡是采用徑向磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī)，均可采用本發(fā)明的磁懸浮結(jié)構(gòu)。

推薦的磁懸浮結(jié)構(gòu)稱為磁懸浮彈簧，磁懸浮彈簧是一種半磁懸浮結(jié)構(gòu)，可以消除立式發(fā)動(dòng)機(jī)的重力摩擦，相對(duì)來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重力摩擦大于風(fēng)推力摩擦。

其簡(jiǎn)要原理敘述如下：在傳統(tǒng)的軸承設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件如本文所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的重力，是由軸承的軸向力所平衡的。假如不采用止推軸承，會(huì)認(rèn)為轉(zhuǎn)子必定會(huì)向下掉。但實(shí)際情況與我們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這樣一種結(jié)果，轉(zhuǎn)子只稍微往下掉一點(diǎn)點(diǎn)就穩(wěn)定地停住了，這一性狀，就像發(fā)電機(jī)內(nèi)有一個(gè)彈簧在阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)往下掉，這一結(jié)構(gòu)被首次提出并應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，詳見(jiàn)中國(guó)專利授權(quán)201520534983.7，《風(fēng)電機(jī)組中的磁懸浮彈簧》。

結(jié)合圖13，可明了其作用原理。圖中的主軸(1)上直接附著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(51)、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、平臺(tái)上的各種風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(2)等構(gòu)成，包含這機(jī)組全部轉(zhuǎn)動(dòng)體的重力，如果將普通止推軸承換成轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)的二自由度結(jié)構(gòu)。當(dāng)重力作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上后，轉(zhuǎn)子向下移動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁體下移，轉(zhuǎn)子與定子間的磁力線被拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)的磁力線力圖縮短就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的合力。當(dāng)這種磁合力與重力相等時(shí)，則主軸不再上下移動(dòng)，這是一種自適應(yīng)平衡的磁懸浮力，比任何附加磁體產(chǎn)生的磁懸浮力更理想，因?yàn)樗鼪](méi)有任何附加成本。

從本質(zhì)上來(lái)講，既然軸承不再承受重力，那么由重力引起的摩擦損耗也就被完全消除。也就是說(shuō)，重力通過(guò)發(fā)電機(jī)中的磁懸浮彈簧，直接轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)定子，并通過(guò)發(fā)電機(jī)底座傳導(dǎo)到基礎(chǔ)(6)中。

在本發(fā)明中，正如上文所述，發(fā)電機(jī)有足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)和繞組以得到效率非常高的發(fā)電性能和非常低的散熱要求件，所以也有足夠大的磁懸浮力托起整個(gè)風(fēng)機(jī)。

圖14為本發(fā)明的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中，由風(fēng)力復(fù)合型渦輪機(jī)總成(1、2、3、4)截取風(fēng)中動(dòng)能，改變?yōu)闇u輪機(jī)的機(jī)械能，該機(jī)械能輸入發(fā)電機(jī)(5)，轉(zhuǎn)化為電能，由變流器(7)，將電壓和頻率都隨風(fēng)速的變化而波動(dòng)的交流電，變換為恒頻恒壓的交流電送入電網(wǎng)，變流器(7)是一臺(tái)電力電子ac/dc/ac裝置。

本發(fā)明首先是解決了渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，采用達(dá)里厄、薩沃紐斯和風(fēng)球三種復(fù)合型垂直軸組成協(xié)調(diào)高效的超大型風(fēng)機(jī)，最后借助可轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)球?qū)崿F(xiàn)空氣動(dòng)力制動(dòng)。

綜上所述，本發(fā)明的大型垂直軸風(fēng)電系統(tǒng)，所述渦輪機(jī)為10mw級(jí)或以上功率級(jí)超大型機(jī)組，主風(fēng)葉由支撐葉片加固的二葉片雙臂達(dá)里厄、薩沃紐斯、風(fēng)球等復(fù)合而成，風(fēng)球解決了空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)的難題，發(fā)電機(jī)采用永磁直驅(qū)，整個(gè)軸系采用無(wú)需額外磁體的磁懸浮彈簧結(jié)構(gòu)，是目前國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最高、發(fā)電效率最高、安全性最好、工業(yè)化覆蓋面最廣的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組之一。