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。
[0049] 圖6為本發(fā)明的帶遠(yuǎn)端風(fēng)球的復(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〇葉片，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。
[0050] 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，則以遠(yuǎn)端風(fēng)球代替剛性帆。
[0051] 在本發(fā)明中，達(dá)里厄風(fēng)機(jī)的每一片風(fēng)葉的頂端處，固定安裝一個(gè)風(fēng)球。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。
[0052] 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?交后的達(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)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)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)。
[0053] 圖7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 7a)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 〇葉片上即可，半球型的端部風(fēng)球材料最省，也比較容易制作。圖7b)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7c)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。
[0054] 由于圖6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。
[0055] 圖8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)一樣固定安裝一個(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)受單邊扭力作用而變形。
[0056] 圖9、圖10分別為具有升力的不對(duì)稱球形雙風(fēng)球風(fēng)葉平視簡(jiǎn)圖和俯視簡(jiǎn)圖。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。
[0057] 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)減速直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)候，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。
[0058] 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。
[0059] 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。
[0060] 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。可轉(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。
[0061] 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)。
[0062] 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。
[0063] 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)。
[0064] 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)助轉(zhuǎn)力矩變 為制動(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)。
[0065] 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。 [0066] 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)。
[0067]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。
[0068] 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)。
[0069]所謂開(kāi)心式