垂直轴发电环、对拉飞悬机、方法暨翼片、翼轮、翼轮机的制作方法
【技术领域】
[0001]地面垂直轴发电环，属于地面垂直轴风轮发电机。
[0002]高空垂直轴发电环，属于以自转旋翼为风轮的高空发电机。
[0003]水平自转翼环对拉飞悬机，属于翼环对拉机构。
[0004]千米高塔廉价高效建设方法，属于一种廉价、快速地建立超高塔的方法。
[0005]复合式升力翼片，属于旋翼、风轮、水轮或飞行器的翼片。
[0006]变形翼片，属于旋翼、风轮、水轮或飞行器的翼片。
[0007]超越式垂直轴风轮，属于垂直轴风轮或水轮。
[0008]拢翼式环状风轮，属于风轮、水轮或旋翼。
[0009]垂直轴环状竖切式升力翼轮，属于风轮或水轮。
[0010]水平自转翼轮，属于翼环式或中轴式的垂直轴的旋翼或风轮。
[0011]水平自转翼轮机，属于翼环式或中轴式的垂直轴的旋翼机或风轮机。
[0012]夹轮式环状风轮机，属于风轮机或水轮机。
[0013]磁浮式环状风轮机，属于风轮机或水轮机。
[0014]偏心接缆风轮机，属于风轮机或水轮机。
【背景技术】
[0015]一、现有垂直轴向的中轴式地面风轮发电机和翼环式地面发电环具有结构简单、造价低、易于维护、启动风速低、输出扭矩大和无需转向机构而自然适应八方来风等诸多优点，但是缺点也十分突出。
[0016](一)将发电机置于地面的垂直轴风轮发电机具有结构简单、造价低、易于维护、启动风速低、输出扭矩大和无需转向机构而自然适应八方来风等诸多优点，但是有中轴的大型塔式垂直轴风轮发电机却存在抗风能力差、容易倾倒的致命弱点，尤其是当其翼片垂直长度过大时更是难以在强风中立足。这大概就是其难以推广的主要原因。
[0017]( 二)海拔高度越大风力越大，因此以垂直高度大为优势的大型垂直轴风轮发电机的翼片就必然在不同高度承受着不同风速、风压，这就造成上下翼段相互拉扯、抵抗的结果，上翼段截取了大得多的风能本应有更大的功率转化了中轴扭矩，但是速度明显慢得多的下翼段却拖累着它，使它的有效风能大减，并且上下翼段之间的相互抵抗还造成翼片的过早损坏。取消下翼段可以消除上下翼段的相互抵抗，但是，取消下翼显然会白白浪费掉下段风能。
[0018](三)现行垂直轴塔式风轮发电机采用中轴式风轮机作为其动力机，最大只能推动小于十兆瓦(十千千瓦)的发电机，而罗琮贵于2012年提出的以卸纳翼环为风轮的垂直轴环状风轮发电机(详见于CN2012102080577)虽然可以推动总容量达百万千瓦级的发电模块，而且具有启动风速低，输出扭矩大等优点，但是由于卸纳翼片以正面迎风，因此运行速度较慢。
[0019]垂直轴环状风轮发电机怎样才能克服上述弱点而保留上述优点？
[0020]二、现有自转旋翼机构既不能提供广阔的水平平台，也不适宜用作大部分地区的风力发电机构。
[0021](一)目前为止，只有自转旋翼机构能够将平台或装置带上高空并利用风力维持悬停甚至巡航，但是，现有自转旋翼无法实现水平自转(即旋转面处于水平状态下自转，或说是轴向垂直状态下自转)，它只有在中轴形成一定仰角的条件下，才能实现迎风自旋转。罗琮贵原先提出的翼环式自转旋翼机构具有巨大的承载能力，仅就承载力而言，其足以建造广阔的平台，然而，其实现自旋转的前提条件同样必须是中轴线形成一定的后仰角，因此其并不适宜于建造广阔的水平平台。只有在轴向垂直的条件下，翼环式的自旋翼机构才能提供最为广阔的水平平台。
[0022]( 二)虽然，现有自转旋翼风轮发电机构运行于风向、风速恒定的平流层或运行于对流层某些风向、风速基本恒定的风带或区域，是可以实现定点的悬停的，但是，在这种高度，由于空管的缘故，绝大部分地区不可能获准设置此种类型高空发电机构。只有在千米以下，高空风电才可以广泛设置，而广泛设置，才能极大地减轻电网的压力，极大地降低电网建设和维护的资金耗费和人力、物力的浪费，极大地拓展风电的市场空间，并极大地降低风电价格(目前电价中约有三分之一为长距离电网附加的成本)。
[0023]然而，千米以下的空域，风向极为多变，现有以自转旋翼提供浮升力的机构不可能实现低空定点悬停，而只能随风转向、飘移，而随风转向、飘移就必然占用过大的空域。一个大型发电机构经常性地随风飘移在社区和工厂上空，其必然造成巨大的社会心理威胁。
[0024]要解决这个问题，就必须让自转旋翼具备既不会随风飘移，又无需随风转向的本领。如何才能达到这两个目的呢？
[0025]并且，千米以下的空域，风力极不稳定，常有弱风、无风时段。如何才能使自转旋翼实现永久定点悬停呢？
[0026]三、罗琮贵于2011年提出的翼环对拉飞悬机(CN2011102796483)，其最大起飞重量可以达到数十万吨，并且其可以完全不消耗燃料，仅靠高空逆向风力对拉而实现永久自然悬停或八方自由巡航，但是，由于每次起飞和降落过程都是垂直轴向状态，而实现对拉状态后却必须是倾斜轴向状态(即是必须有后仰角)，否则无法迎风自转，因此有可能每次重新对拉都会令人紧张异常，不解决这个问题，就不可能随意起降，不能随意起降，实用价值就会大打折扣，就不能象普通飞机那样真正成为实用的巨型运输机。
[0027]四、通讯设备、电视广播设备、科研观测设备、军事监测设备、防雷击设备和塔式风力发电机等等，都需要一个高空平台，而高空平台需要高塔承托，但目前高塔建设技术存在以下问题:成本高、工期长、维护难，而且300米以上已经属于超高塔，已经很难实施，千米高塔则完全不可企望。并且，微波塔、风电塔等单用途高塔如果以天价建设，显然物无所值、得不偿失。
[0028]五、罗琮贵于2011年、2012年、2013年提出的种种翼环机构，由于采用作为旋翼或风轮与工作机之间的连接纽带，而车轨耦合体众多的车轮则必然存在噪音问题，这对于可以安装在楼房顶上、社区广场、工厂厂区或城市边缘的低空发电环或地面发电环来说，就会成为其商业推广的一大障碍。而且车轮长年累月不停滚动也必然造成严重磨损。
[0029]六、现有高空翼环式风轮机或旋翼机与地面牵引缆的连接点只能处于机体的下方，而且只能处于中轴线上或紧邻中轴线的位置，这就使翼环对拉飞悬机只能通过增加吊舱的方式达成对拉连接(使两机的牵引缆先连接到下方的吊舱，通过吊舱而达成对拉的两机之间的连接)，这必然会降低机体的稳定性并大大增加机体自重。而现有中轴式风轮机构可以通过缩小塔柱的方式大大减少建造成本，而缩小塔柱使整机抗风能力大为减弱，为弥补这个亏欠，目前的方法是用连接到地面的固定缆从四面八方拉紧塔柱，缆的连接点只能落到塔柱上，但是，使塔柱倒伏的力量主要不是来自塔柱本身，而是来自翼片，因此只有让缆的连接点落到翼片末端且给连接点配置支撑柱，才能最大限度地提高抗风能力，但是这样就会限制翼片的旋转，目前还没有出现实现这个技术构想的可行方案。
[0030]发明目的
[0031]针对上述技术难题，提出本系列发明，达到以下技术目的:
[0032]一、提供一种垂直轴向的塔式地面发电环，它保留卸纳式垂直轴发电环低风速启动和输出扭矩巨大的优点，又能够以更高的速度旋转。
[0033]二、提供一种高空自转旋翼发电环，无论风向、风速如何变化(包括无风期)，其垂直高度和水平位置都可保持不变，而且其无需转向即可适应万向来风发电。从而使人口和工业密集地区也能够遍地开花地设建中低空风力发电环，实现就近提供和满足发达地区用电。
[0034]三、提供一种旋转面呈水平状态(即垂直轴状态)的翼环对拉飞悬机，使翼环对拉飞悬机无论是起飞或降落，也无论是悬停或巡航，都能呈垂直轴向，从而解决必须倾转轴向才能进入对拉状态的问题，使每次重新起飞到设定高度后可以自然进入对拉状态，为随时随意起降创造必要条件，使翼环对拉飞悬机的实用价值倍增。
[0035]四、提供一种高塔建造技术，其成本低、工期短、易于维护且能够使高空定点平台的高度轻易达到数百米至数千米。
[0036]五、提供一种既具有水平推力，又具有垂直推力的复合式升力翼片。
[0037]六、提供一种变形翼片，使升力翼片能够适时变形为卸纳翼片。
[0038]七、提供一种超越式垂直轴风轮，其既可使上下翼段同向推动发电机，又可以在上下翼段承受明显不同的风速时避免相互抵抗，并且其可以使同一个水平自转翼轮中的旋翼轮以较快的惯性速度超越因风速变慢而明显慢于旋翼的风轮，避免升力突然大幅度减小带来的不良后果。
[0039]八、提供一种水平自转翼轮和一种水平自转翼轮机，其能在旋转面呈水平状态(即垂直轴状态)下随风自旋转并自我提供上升力的旋翼及旋翼机构，为实现上述第二、第三个技术目标奠定基础，并解决在高空建造广阔水平平台的技术难题。
[0040]九、提供一种拢翼式环状风轮，其可使翼环的翼片折叠或靠拢在一起，可提高地面翼环式发电机的抗风能力，可降低翼环式飞行器降落船舶所占空间。
[0041]十、提供一种夹轮式环状风轮机，其可使两个翼环共同推动同一组或同一个发电机，为小翼环大功率提供一个途径，并可使高空发电环不通过电刷而以固定连接方式实现电流外接。
[0042]十一、提供一种磁浮式环状风轮机，利用绕环圈设置的磁浮圈取代发电环中的车轨耦合体，并取代翼环飞行器中的发动机或电动机，从而使翼环机构的噪音和机械磨损大大减轻，并进一步减轻机体自重，进一步降低维修率。
[0043]十二、提供一种偏心接缆风轮机，使地面牵引缆能够连接到高空发电环的腰间(侧面)而不只能连接到高空发电环的脚下(下端)，从而使垂直轴高空发电环在起飞、悬停、降落全程都不必须改变轴向(即始终保持垂直轴向状态)；使固定缆能够连接到翼片而不是只能连接到塔柱，并且能够在缆和翼片的连接点设立支柱，从而使地面塔柱式风轮发电机抗风防倒能力达到最大化。
[0044]十三、提供一种复合式升力翼片，使同一翼片具备两个不同方向上的推力。应用于地面垂直轴风轮机，则可减轻风轮对轴承的压力，应用于垂直轴自转旋翼，则可提高其扭矩。
[0045]十四、提供一种变形翼片，使升力翼片既能产生上升力，又能产生平推力。应用于垂直轴风轮，既能在低风速条件下启动风轮，又能在高风速条件下长时间运行，大大减少停机避风的时间。
【发明内容】
[0046]■技术方案及有益效果
[0047]一.地面垂直轴发电环地面垂直轴发电环的技术方案及有益效果
[0048](一 )地面垂直轴发电环地面垂直轴发电环的技术方案:
[0049]地面垂直轴发电环，属于垂直轴向的翼环式地面风轮发电机，垂直轴向的翼环(环状风轮)与发电机作动力连接，而所述垂直轴向的翼环属于卸纳式环状翼轮(即卸纳翼环)、垂直轴环状竖切式升力翼轮、水平自转翼轮、超越式垂直轴翼轮或拢翼式环状翼轮，其特征是:翼环的数量或翼环中环圈的数量多于I个，最少有两个相邻的环圈作动连接，垂直轴向的翼环的环状支架的底端通过耦合体直接地(而不是通过塔架、塔筒或塔台)座落于地台或地基，并且发电机座落于地面或安装在最下位的翼环的底端。
[0050]翼环式风轮发电机，也就是环状风轮发电环。翼环，其特征是无中轴，翼片不是与中轴连接，而是与环圈(环状支架)连接。垂直轴向的或非垂直轴向的环状风轮、环状水轮、环状旋翼和其他任何类型的无中轴的翼轮统称翼环。
[0051]此所谓动力连接，指任何一种能够将风轮的扭矩传达到发电装置的连接方式。
[0052]此所谓“耦合体”，指车轨耦合体、磁浮耦合体或其他具有相同功能的环状耦合体(具有环状轨道和与之耦合的另一个环状体或一组环形阵列体(比如相互间作静连接的或相互不作静连接的环状阵列滑轮车组或通电线圈组)，并且两者既不分离，又能相对旋转运动)。比如车轨耦合体，车轨耦合体其一端是环状轨道，其另一端是沿环状轨道等距离排列的各个轨道车的车架(车身)。
[0053]耦合体两端中的任一端均可与翼环的环圈连接，而两者的对接口可以是环圈的上侦U、下侧、内侧或外侧，不过，在本发明中无论耦合体的一端与最下位的翼环环圈的下端接口只能处于该翼环下侧或者内侧或外侧的底端，并且耦合体的另一端都应座落于地台或地基，而不是连接到塔架、塔筒或塔台。一个翼环中可以有一个、两个或更多的环圈，每个环圈都可以和耦合体连接，而且每个环圈所连接的耦合体数量可以多于I付。
[0054]本发明属于一种无塔的垂直轴风轮发电机，它用垂直轴翼环取代风塔，也就是用垂直轴翼环的高大环状支架(环圈)取代了塔架，或说风轮的塔架就是风轮的环圈(环状支架)，这种“塔架”的底端通过车轨耦合体直接座落于地台或地基，因此整个“塔架”会随翼片旋转，具体连接方式，或者轨道端连接于环圈(环状支架)而车架端连接于地台，或者车架端连接于环圈而轨道端连接于地台。
[0055]( 二 )地面垂直轴发电环的有益效果:
[0056]1.解决了超高型垂直轴地面风轮机在强风中易倾倒的技术难题。
[0057]①独特的按高度切分翼段且各翼段可作相对运动的结构，独有的加固绳上端连接点，和笼式环状的整体结构，此三者结合为一体的超高的地面发电环，可以绝对保证即使在超强风台中也不会发生倾倒的悲剧。
[0058]②即使是仅具有前两个特征的超高型中轴式垂直轴风轮发电机，也可基本保证不发生在超强风中倒伏的悲剧。
[0059]2.可解决地面垂直轴发电环如何分高度、分翼段摄取不同高度(因而强度不同的)风能的技术难题，从而大大提高垂直轴风轮摄取和转化风能的效率。
[0060]3.本发明是目前唯一既可将发电机置于地面，又可分翼段摄取不同高度(因而强度不同)风能的风轮发电机。
[0061]4.可大大减轻超高型垂直轴风轮上下翼段相抵抗的技术难题，大大减轻翼片的自损伤，大大延长翼片寿命。
[0062]5.可解决垂直轴自转旋翼在风力骤减或风力暂停时卸纳翼片会拖累平切式升力翼片而使升力骤减的技术难题。
[0063]6.既保持低风速条件下启动风轮的优点，又能具备高速运行能力，并提高抗风能力而大大减少停机避风的时间。
[0064]二.高空垂直轴发电环的技术方案及有益效果
[0065](一 )高空垂直轴发电环的技术方案:
[0066]1.基础方案:
[0067]高空垂直轴发电环，属于高空风轮发电机构或高空自旋翼发电机构，其风轮机可以属于偏心接缆翼轮机、夹轮式环状翼轮机、磁浮式环状翼轮机或其他任一种翼轮机，其翼环与发电装置作动力连接，而其不随翼环环圈旋转的部分与地面牵引缆的上端连接，地面牵引缆的下端与地面或水底拴接点连接，其特征是:所述翼环属于水平自转翼轮。
[0068]2.优选方案
[0069]所述地面牵引缆的数量不少于三条，而且，各条地面牵引缆下端点的顺序连线所构成的多边形，大于各条地面牵引缆上端点的顺序连线所构成的多边形。所述连线是假想连线(如图54)，各缆绳下端点之间或各缆绳上端点之间并不须要以真的缆线连接。
[0070]本优选方案的最大优点:
[0071]能够实现对流层高空定点悬停，从而解决长久以来的两个技术难题:如何才能使高空风力悬停装置不再随着风向的改变而四处飘荡？不再随着风力的变化而上下浮动？
[0072]对流层风向和风速多变，风向改变则高空悬停装置必然随风转向飘游，从而造成水平座标的变化，而风力的变化则会造成海拔高度的变化。比如，被缆绳的牵引着的氢气球，在风力变化条件下，尤其是大风条件下，氢气球不但会向下风飘流一段距离，而且会被压低高度。
[0073]对于除本优选方案之外的一切高空发电环来说，无论它们处于什么位置，只要是在风力不停的条件下，就必然会形成一个仰角，使翼环旋转面的下侧面能够随时迎风，从而使其被风力推动旋转，因此它们只有运行于风向、风速恒定的平流层，才可以实现永久定点悬停。如果它们不得不运行于对流层，它们就不得不随风飘移，随风飘移就会占用过大的空域，就难以通过空管当局的审批。如果投资者有幸在人群和工业密集区域找到千米低空风力资源良好的风电场(千米低空不受空管限制)，那种随风飘荡的发电环作为一个在头顶上飘来飘去的庞大发电厂，总难免使人感到畏惧，因此，本优选方案的高空定点垂直轴发电环就会是最佳选择。从这里也可以看到:本优选方案是在东部电力紧缺的发达地区建设低空风力发电厂的最佳方案，它不但可以规避空管，还可以节约用地，并能兼顾人们心理安全的需求。
[0074]由于具备这种高空定点的独特功能，因此本优选方案既吸取了现有塔式风轮发电机稳固、安全、可操作性强的优点，又解决了现有塔式风轮发电机维护艰难且在强台风、强雷电来临时无法降落避险的缺点，需要大修或避险时，只需回收缆绳，即可安全降落，而大修后或避险后只要输入电源驱使升力翼片主动旋转，就可飞升到设定高度。
[0075]解决了现有塔式风轮发电机单位建造成本过高而塔筒高度过低的难题，能够风轮发电机本身拖带数条缆绳构数百米至数千米高度的“塔架”，成本极小，高度极大。
[0076]本发明(尤其是本优选方案)的主要原理:
[0077]本优选方案之所以能够做到不随着风向的改变而四处飘荡，是因为:一、高空垂直轴发电环不需要转向而可自然适应八方来风，二、它被地面牵引缆从四周拉定。
[0078]本优选方案之所以能够保持原定海拔高度而不上下浮动的原理如下:
[0079]由于风力越大，水平自转翼轮旋转速度就越快，产生的升力也就越大，因此，在缆绳能够保证不绷断且高空发电环的机械强度足够大的条件下，由水平自转翼轮产生的垂直向上的升力与缆绳提供的倾斜向下的牵引力组成的力学体系在任何强度的风力条件下都会是稳固的、均衡的。
[0080]只有当风力过弱、不足以维持正常转速时，高空发电环才会降低高度，此种情况下只须开动“超千米高塔建造法技术方案”中所述的“动力装置”驱使整个水平自转翼轮或其中的平切式自转翼轮加速达到正常转速，就能维持定点高度。
[0081]在运用本本优选方案时必须注意:如果缆绳和机械达不到理想强度，当遭遇强台风等极致条件时，还是将高空机构暂时返回地面避风为好。实际上，现有的塔式风轮发电机，即使是遭遇一般级别的台风，也已经不得不停机避风了。
[0082]曾有人质疑非垂直轴的高空发电环(罗琮贵于2011年提出的一种早期翼环式高空风电机构)的轴向稳定性，而本发明仍然没有设置特别的控制机构，尤其是本优选方案既不能漂流，也不能上下浮动，它的安全性能如何？会不会翻滚倾覆？
[0083]不会。因为不管是垂直轴机型，还是非垂直轴机型，只要是翼环机都必然具有的极度可靠的轴向稳定性。中国宇航员在太空上所作的、给亿万电视观众留下了深刻印象的陀螺仪演示就说明了这一点。陀螺仪具有极度可靠的轴向稳定性，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能大大减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机稳定捕捉地面目标等等。而本发明中的高空发电环就是一个巨大的陀螺仪，因此其必然具有足够强大的轴向稳定性。
[0084]为什么说高空发电环是一个巨大的陀螺仪呢？
[0085]首先，绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。高空发电环完全具备这些特征，是一个不折不扣的巨型陀螺。
[0086]并且，高空发电环的半径小则数十米，大则数百米，远远地大于专业陀螺仪，因此，尽管它的转速低于现有专业陀螺仪，却仍然具有专业陀螺仪的高度轴向稳定性。这一点可以从地球的轴向稳定性得到证明。
[0087]地球，实际上也是一个陀螺仪。虽然它每24小时才旋转一圈，但是体型和质量极其巨大，因此开天辟地以来其轴向一直保持稳定不变。亿万年来，地球曾无数次遭受其他星球或星系从它身旁经过时的巨大吸引力的拉扯，也曾无数次遭遇天体的猛烈撞击，还曾发生过自身核爆炸(甚至抛出一块成为月亮)，但在历经这些巨大作用力之后，地球仍然能够完全保持或基本保持原有轴向不变，其原因就是地球自身作为陀螺仪的高度轴向稳定性。高空发电环的转速显然远远高于地球转速，因此，没有理由因为其转速低于专用陀螺仪而怀疑其轴向稳定性。
[0088]但是，同样具有旋转的翼，为什么直升机就不能维持其轴向稳定而经常发生倾覆事故呢？原因主要有两个:
[0089](一 )直升机旋翼受制于其中轴式结构，其翼片只能得到中轴提供的单侧的务臂过长的支撑，负荷稍大就会弯曲，因此翼片旋转作功时在迎风阶段和背风阶段的弯曲度是差别很大的，而陀螺定义中说“绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺”，直升机旋翼严格说来并不符合其中的一个关键特征一一 “刚体”。
[0090]( 二)直升机旋翼的质量与直升机的机体相比比例过小，而且直升机旋翼的半径虽然也有数米至十数米，但是，其采用翼片与轴心连接、联动的中轴结构，其真正沿最大圆周轨迹旋转的部分仅