雙臂雙三角結(jié)構風葉垂直軸風力渦輪機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于動力機械技術領域，具體地說，是提出一種新結(jié)構的復合型垂直軸風力渦輪機裝置。
【背景技術】
[0002]風力渦輪機(以下也可簡稱為風輪機或風機)，是將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合發(fā)電機軸能接受的機械能，然后帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電的可再生能源動力裝置。在整個風力發(fā)電過程中，渦輪機的產(chǎn)能是第一位重要的。在現(xiàn)有廣泛使用的水平軸渦輪機中，產(chǎn)業(yè)實踐證明，單機功率的增大，有利于降低單位功率裝機容量的成本和風力發(fā)電的度電成本。因此，單機額定功率容量不斷增大，水平軸渦輪機的單機功率已普遍從上世紀末的兆瓦級升高到目前的3?6兆瓦級，目前正在向10?20兆瓦級的目標發(fā)展，這是近期來風電技術演進的總趨勢。
[0003]目前特大型風力渦輪機存在以下諸多技術缺陷:
[0004]1、對單機功率為1MW級水平軸渦輪機而言，其葉片長達80?100米，三針式葉片為懸臂梁結(jié)構，單端固定在輪轂上，受風力和重力作用，存在巨大的剪應力，結(jié)構強度低，易為強風損壞，必須采用結(jié)構強度更高的碳纖維材料，材料和工藝成本非常高，尤其在抵抗強烈暴風下的生存能力方面還顯得不足；此外，隨著功率的增加，發(fā)電機加重、塔筒高度增大，電氣、塔筒和地基建造成本隨之而大增，使整機成本急劇升高；
[0005]2、如果采用1MW級垂直軸的達里厄渦輪機，雖然葉片為雙端支承，克服了懸臂梁單端支承的缺點，但其主軸的長度很可能超過百米，為保證轉(zhuǎn)動時的低晃動度和剛度，其制造成本將遠大于水平軸的主軸，需要高強度剛度的長主軸，需要長主軸的缺點，幾使垂直軸渦輪機的發(fā)電裝置可以放在地面，便于安裝維修，省略水平軸機組塔筒成本，和無需偏航對風在內(nèi)的一些優(yōu)勢喪失殆盡；
[0006]3、此外，由于達里厄垂直軸渦輪機自起動能力不夠，必須考慮額外的啟動裝置，特別是在低風速時，又當兩葉片達里厄渦輪機的葉片中軸線與風向平行時轉(zhuǎn)矩為零，即使風速很大，也不可能起動；雖然二葉片達里厄渦輪機的成本較三葉片或多葉片低，但在風機整個360°轉(zhuǎn)動過程中，風能驅(qū)動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩波動十分嚴重，雖然可為機組巨大慣性所平緩，但還是會造成發(fā)電機輸出功率相應的變化，將直接影響電能質(zhì)量。
[0007]4、中國發(fā)明專利申請201310749991.9《改進的特大型垂直軸風力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)》是對法英特大型1MW級垂直軸的改進設計，但在對新設計優(yōu)化過程中，又發(fā)現(xiàn)了該改進設計的主軸仍舊偏長，仍有縮短的可能；而改進設計的葉片抵抗風推力產(chǎn)生的應力和形變的能力不足，仍有對渦輪機的結(jié)構性、經(jīng)濟性作改進提高的余地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的任務是，針對現(xiàn)有渦輪機以上四大技術缺陷，提出整套新的解決方案，即采用立體結(jié)構二葉片雙臂風葉的短主軸來增強渦輪機的結(jié)構強度剛度、降低結(jié)構成本；使渦輪機組有更高的抗強風能力，同時可以延伸機組的切出風速，增加機組在高風速區(qū)的截風能量。
[0009]一種特大型垂直軸風力渦輪機設備，渦輪機組由達里厄結(jié)構和薩沃紐斯結(jié)構復合而成，其特征是，達里厄結(jié)構為二葉片雙臂翼型，葉片對稱分布于主軸(I)兩側(cè)，每一側(cè)葉片由上葉片(22)和下葉片(23)構成的雙臂通過遠端的端部葉片(21)連接，構成為一個穩(wěn)固整體三角形，雙臂的近端則分別連接在薩沃紐斯結(jié)構上下端固定架(11和12)的兩角位置，從而構成另一個立體三角形，使達里厄結(jié)構的葉片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；薩沃紐斯結(jié)構處于軸心位置，安裝在上下端固定架間，上下端固定架都與主軸剛性連接；達里厄結(jié)構和薩沃紐斯結(jié)構所獲得的風能均由上下端固定架傳遞到主軸上。
[0010]按照上述解決方案所獲得的風力渦輪機，其葉片為雙臂連接，接近于四張葉片的截風能力，顯然比單臂連接的結(jié)構發(fā)電量大。同時，葉片通過雙臂連接，結(jié)構強度剛度大大增強，特別是雙臂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，可有效抵御葉片受葉片重力和風推力作用而產(chǎn)生的應力和形變，將有效抵御強風侵襲；主軸長度大幅減短，不易晃動且制造成本低；軸心處的薩沃紐斯葉片可有效增加渦輪機起動力矩且減少渦輪機驅(qū)動力矩的大幅波動，使機組能在較低的風速下更容易起動發(fā)電，驅(qū)動力矩較平衡，波動?。黄浯?，雙臂連接的葉片加上薩沃紐斯葉片都可以增加渦輪機截風能力，增大機組的輸出功率；渦輪機系統(tǒng)的多項結(jié)構創(chuàng)新加在一起，使本發(fā)明的裝置整機性能優(yōu)越，適合工業(yè)制造，并能發(fā)揮出超大型風機的巨大技術優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0011]圖1、傳統(tǒng)達里厄垂直軸風力渦輪機簡圖。
[0012]圖2、公開知識的創(chuàng)新型半臂達里厄風機外形視圖。
[0013]圖3、公開知識的創(chuàng)新型半臂達里厄風機平視結(jié)構簡圖。
[0014]圖4、改進的雙臂達里厄與薩沃紐斯復合風機平視結(jié)構簡圖。
[0015]圖5、本發(fā)明的垂直軸渦輪機平視結(jié)構簡圖。
[0016]圖6、本發(fā)明的垂直軸渦輪機俯視結(jié)構簡圖。
[0017]圖7、幾種薩沃紐斯風機S形葉片形狀圖。
【具體實施方式】
[0018]當前的大型風機，主流型是2-3MW的水平軸機型。水平軸風力渦輪機，通常采用細三針環(huán)氧樹脂翼型葉片，根端固定在輪轂上，通過輪轂連接到主軸，帶動主軸旋轉(zhuǎn)輸出機械能，再通過發(fā)電機和變流器將機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)構的單端固定形式，因此，葉片結(jié)構應力大，結(jié)構強度低，受風力作用容易變形損壞，這是水平軸風機最致命的弱點。因此，當功率增加到超大功率的1MW水平時，葉片必須采用結(jié)構強度更高的碳纖維材料，致使材料成本和工藝成本大幅升高，尤其在抵抗強烈暴風下的生存能力方面更明顯不足。
[0019]垂直軸風力渦輪機葉片可多點支撐，特別是Φ型達里厄風機，葉片二端點固定在主軸上，可獲得足夠支撐，剪切應力大大降低，抗風能力顯著增強，此外，垂直軸風機無須偏航對風，無水平軸風機偏航時的陀螺效應力矩，傳動和發(fā)電機都可以安裝在地面上，省卻塔筒等等，優(yōu)越性明顯。
[0020]垂直軸風力渦輪機有兩大類一阻力型和升力型，阻力機型有平板型、風杯型和S型等多種結(jié)構形式，阻力型的主軸兩邊風葉產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)力矩，所以必須使兩邊風葉的風阻力產(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力矩，但尖速比低，在風輪尺寸、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，主軸兩邊風葉可以產(chǎn)生同方向的旋轉(zhuǎn)力矩，它的啟動力矩較低，但尖速比可以很高，對于給定的風輪重量和成本，有較高的功率輸出，是大型垂直軸風機的首選機型。
[0021]典型的大型垂直軸渦輪機是由法國工程師達里厄(G.J.M.Darrieus)于19世紀30年代發(fā)明的，是現(xiàn)代垂直軸風力渦輪機的最早發(fā)明者。在20世紀70年代，加拿大國家科學研究院對此進行了大量的研究，成為當今水平軸風力發(fā)電機的主要競爭者。達里厄式風輪是一種升力型渦輪機裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，發(fā)展到現(xiàn)在有多種形態(tài)的達里厄式風力發(fā)電機，如Φ型，Λ型，Y型和H型等。這些風輪機通常設計成二葉片，三葉片或者多葉片，從性能、造價等各種因素考慮，在大型機組中，二葉片或三葉片的Φ型達里厄風機用得較多，而二葉片的成本最低。
[0022]圖1為傳統(tǒng)Φ型二葉片達里厄風機簡圖。圖中，兩片半圓外形風葉對稱連接到主軸兩邊，由于采用雙端連接的葉片，所以渦輪機強度和剛度優(yōu)于水平軸風機單端連接的懸臂梁結(jié)構，結(jié)構牢固、應力小。垂直軸風機不需要偏航對風裝置，發(fā)電機可以安放在較低位置甚至可以放在地面，這對安裝和保養(yǎng)十分有利，以上都是垂直軸渦輪機的優(yōu)點。但是達里厄渦輪機最大的結(jié)構缺點是其主軸太長，這么長的主軸，要保證渦輪機總體的強度剛度都存在難度，不但制造成本很高，而且在轉(zhuǎn)動過程中，如何防止晃動，也是需要頗費精力解決的技術問題。
[0023]水平軸風機發(fā)展到MW級和數(shù)MW級，為此，各國也在探索同樣大功率級別的大型和超大型垂直軸風機。經(jīng)過不斷的探索努力，英國Arup公司推出的AerogeneratorX設計,將達里厄取下半段，然后在風葉頂端加上很小的稱為剛性帆的端部風葉，構成的一種變相達里厄垂直軸渦輪機，這樣一來就省略了達里厄風機的長主軸。據(jù)其公開報道的參數(shù)為:
[0024]1、葉片頂點之間的