专利名称：串型风轮及磁悬浮串型风车的制作方法
技术领域：
本发明涉一种串型风轮及磁悬浮串型风车的构造方法，属于风力动能利用的能源 领域。
背景技术：
截取风能，用于带动风力发电机主要依靠风轮，风轮的形式不仅与了风能的利用 率密切相关，也与风能利用成本密切相关。达里厄式风轮即是垂直轴升力型风轮，具有无需 对风向、运转安静、制造容易的特点，因此也是目前用于风力发电的主要风轮形式之一，并 且针对它的改进不断，结构多样，它有很多变形，在风轮构型上包括Φ型、H型、Δ型、 型 及S型，在叶片造型上有直叶片、C型弯曲叶片和S型叶片等，尽管它们的外形不同、采用叶 片的造型不同，但是它们都属于利用叶片的升力来驱使风轮转动，因此在广义上仍属于达 里厄式风轮。其中Φ型、H型、Δ型、 型虽然具有叶片制造简单的优点，但是其在叶片仅为 2 3片时，却难以自启动，但这种2 3叶片的形式又是气动动效率高的形式，因此达里厄 风轮存在效率与启动性的矛盾。长期以来，为解决自启动问题，采用的方法是多叶片，或者 加上启动装置，或者与阻力型的风轮结合在一起，这又带来了成本的增加并影响气动效率。使达里厄式风轮能够良好地自启动，同时兼顾高的效率，对于发展这类风轮的应 用具有现实的意义。
发明内容
本发明人经过研究，提出了解决达里厄式风轮既能保持较高的气动效率高，又能 实现较顺利自启动的方案。本发明的技术措施本发明系采用在垂直方向上串联安装两个及以上的2 3叶片达里厄式风轮来构 造成一个新的风轮，即将原有的达里厄风轮进行层叠安装，且每层叶片在轮毂的圆周上相 互错开，每一层称为一个单体风轮。由于当最简单的2个H型风轮上下串联在一起时，整个 风轮就像一个“串”字型，故名“串型风轮”，如图1所示。这种串型风轮可以由多个单体风 轮上下串联而成，如图2中加所示，显然最简单的串型风轮由两个单体风轮构成。这种串 型风轮的特点和能够使其产生自启动能力的关键点是1.在整个风轮垂直方向的投影中，任意相邻两个叶片的横截面，其弦线中心点与 风轮转动中心的连线之间的夹角θ存在以下关系所有锐角(含直角)θ之和大于120度， 如图1中It所示；优选条件为θ = 360/ Σ y，式中y为风轮叶片数；2.上下层叶片在轴向上交叉的部分不应超过上下层风轮高度之和的25%，如图4 所示；3.各层风轮的最大直径处相差不超过1/3 ；4.各层风轮的高度相差不超过50%。串型风轮的造型随各层单体风轮的造型而变，已知的单体风轮造型有H型、Φ型、Δ型、▽型、 型，它们会因以下因素而变叶片形状、支撑叶片的支撑构造、叶片横截面的 形状。串型风轮的叶片形状可为直叶片、C型叶片，其中C型叶片又可以分为跳绳曲线型和 圆弧型。由各种造型叶片构成的每层单体风轮分别有H型、Δ型、▽型、 型、Φ型、鼓型，如 图1、图2、图3所示。串型风轮可由这些造型的单体风轮随意串联组合而成，即可以是H型 与H型相配、H型与Φ型相配、Φ型与Φ型相配、H型与Δ型相配、Δ型与Δ型相配….等 等，但是除非特殊要求，一般以每层单体都相同或互为镜像为优选，这更易于降低制造成 本。单体风轮的造型与支撑结构形状有关，虽然通过简单的串联复数层单体风轮就可 以得到一个串型风轮，但是为了降低整个串型风轮的制造成本、简化结构、降低风阻，在本 发明的串型风轮中有时也会在各层单体风轮上下交叉处的支撑臂做一些变化，最主要的是 上下层单体风轮在交叉处的支撑臂，共用一个水平面。实现这种共用一个水平面的方法，是在上下风轮的交叉处，叶片的支撑臂采用十 字型或1型，如图2中2b和图7所示；Φ型风轮由于可以直接将叶片联到轮毂上，因此在 有些时候，以Φ型风轮作为单体风轮的串型风轮，就可以不采用这些支撑结构。在非交叉处，对叶片的支撑臂可以采用水平悬臂支撑和斜臂三角形支撑，它们均 可以用于直叶片和C型叶片，形成各种构型，如图1、图2、图3、图5、图6中各型串型风轮所
7J\ ο串型风轮的水平悬臂支撑如图1所示。在水平臂太长情况下，可用一条斜向拉绳 连接轮毂与每层单体风轮的下臂，以加强下臂的支撑力。串型风轮的斜臂三角形支撑如图5所示。为了加强支撑的强度，在每个斜臂之间 加用水平梁相连接，这种连接使斜臂与水平梁共同构成了一个三角型，使整个支撑结构更 加强有力和稳固，如图6、图7、图8所示。达里厄式垂直轴风轮都采用横截面为流线型具有升力的翼型，串型风轮也一样， 风轮叶片的截面形状可以是对称翼型、平凸翼型和凹凸翼，如图9所示。根据已有的知识， 制造叶片的材料可以采用铝及铝合金、不锈钢、铁片、玻纤/碳纤复合材料、竹木等，以质 轻、强度高的为好。根据一般的规律，垂直轴风车的风叶在安装时叶片的弦线与轮毂的圆周的切线有 0 10度的夹角，本发明的串型风轮风叶的安装角度也相应地采用这种设置。本发明不仅解决了达里厄式风轮顺利自启动的问题，且保持了 2 3叶片达里厄 式风轮效率高的特点，相较于多叶片的达里厄式风轮而言，同样长度的叶片获得了更大的 扫风面积，降低了单位装机成本，具有更好的效益；对于大型的达里厄式风轮而言，制造过 长的叶片工艺上有难度，采用本技术，就可以用较短的叶片来制造出更高更大型的风轮。在使用本发明串型风轮制作风车的时候，由于本发明系采用多层单体风轮构成， 故风车的发电机可以安装在本串型风轮的底部，也可以安装在本串型风轮的上下单体风轮 之间，如图7所示。进一步地，为了使串型风轮能够在更低的风速下启动，增加低风速下带动发电机 发电的能力，延长风车的使用寿命，本发明人根据磁悬浮能够减轻风轮启动阻力的原理，进 一步提出了建造磁悬浮串型风车的方案。本发明利用磁吸的原理，将风轮全部或部分腾空，并使用径向磁轴承，使风轮在轴向上减少对推力轴承的压力，在径向上减少对径向轴承的摩擦力，以此制造出磁悬浮串型 风车。除了采用目前市场上常用的磁悬浮发电机来制造出磁悬浮串型风车外，本发明还 提供了以下制造出磁悬浮串型风车的方法本发明实现磁悬浮的办法，是将助浮磁体安放于发电机外，并根据发电机转子是 内转子还是外转子来确定吸升磁体的安放位置。对于内转子发电机，如图10所示，需要采用双出轴的发电机，吸升的磁体108安置 于发电机的底部107下，在发电机的下出轴1101上安装固定的极性相反的受吸磁体109和 磁体盘110，风轮则直接安装在发电机的上出轴1105上，依靠磁体的吸力，托起风轮和发电 机转子106 ；其径向摆动的减少，则依靠径向的磁轴承1104来实现，这种径向的磁轴承安装 在发电机上出轴1105和发电机定子壳105之间的套筒内。对于外转子发电机，如图11所示，其定子轴119穿出外转子123，风轮的轮毂120 套在定子轴119上，定子轴穿出风轮的轮毂上端，吸升的磁体113安装在定子轴顶端磁体盘 112下，在风轮轮毂上端安装极性相反的受吸磁体114及相应的磁体盘115，在磁体盘112 和磁体盘115之间安装有推力轴承111，起到避免磁体113和磁体114完全接触的作用，风 轮的轮毂下端则连在发电机的外转子123上，其径向的磁悬浮由安装在定子轴和风轮轮毂 间的径向磁轴承117和122承担。
图1为串型风轮示意图。为采用直叶片的两个“中”字型单体风轮构成的串型风 轮，其中，11为上层单体风轮的风叶，12为上层单体风轮风叶的上水平支撑臂，13为串型风 轮轮毂或转轴，14为上层单体风轮风叶的下水平支撑臂，15为下层单体风轮的风叶。It为 串型风轮的垂直投影，16、17、18为风叶投影的弦线中心点，θ为16至风轮转动中心点19 连线与17至风轮转动中心点19连线之间的夹角。图2为各种形式的串型风轮示意图，2a为三个“中”字型单体风轮构成的串型风 轮，at为该串型风轮在垂直风向上的投影；2b为2个三叶片单体风轮构成的串型风轮，bt 为该串型风轮在垂直风向上投影；2c为两个〇型单体风轮构成的串型风轮，ct为该串型风 轮在垂直方向上投影外轮廓。图3为各种形式串型风轮示意图，图中3a为两个“八”字型单体风轮构成的串型风 轮；3b为两个 型单体风轮构成的串型风轮；3c为两个Δ型单体风轮构成的串型风轮，3d 为两个Δ型单体风轮构成的串型风轮，但是上下层风轮互为镜像；3e为两个倒三角型“▽，， 单体风轮构成的串型风轮，3f为两个鼓型单体风轮构成的串型风轮，3g为两个Φ型单体风 轮构成的串型风轮。图4为上下层单体风轮叶片在轴向上有交叉的示意图，图中如为两个Φ型单体 风轮叶片在轴向上有交叉，4b为两个H型单体风轮叶片在轴向上有交叉；4b中，hi为下 层单体风轮的叶片高度，h2为上层单体风轮的叶片高度，h3为hi与h2的交叉高度，其中 h3 ^ (hl+h2)/4。图5为采用三角形支撑的两个单体风轮，互相独立安装在中心转轴上构成串型风 轮的示意图。
图6为采用三角形支撑的两个单体风轮构成的串型风轮，其斜向支撑臂61用水平 横梁62连接起来的示意图。图7为采用三角形支撑的两个2叶片单体风轮构成的串型风轮，其斜向臂72用水 平横梁74连接，在上层风轮与下层风轮的交叉处，采用水平臂75、77支撑，75和77构成一 个十字型，图中71为上层单体风轮风叶、72为斜向支撑臂，73为风轮中心转轴，74为水平 横梁，75水平支撑臂，76为下层单体风轮风叶，77为水平支撑臂，78为水平横梁，79为发电 机。图8为采用斜臂三角形支撑的两个3叶片单体风轮构成的串型风轮，81为上层 单体风轮风叶，82为上层单体风轮斜支撑臂，83为上层单体风轮斜支撑臂间的水平横梁， 84为串型风轮转轴，85为上层单体风轮的下水平支撑臂，86为下层单体风轮的上水平支撑 臂，87为下层单体风轮风叶，88为下层风轮的斜支撑臂，89为下层风轮斜支撑臂间的水平 横梁。其中，85与86构成了一个关型，它们共处于同一水平面上。图9为串型风轮可采用的叶片构型横截面，9a为对称翼，9b为平凸翼，9c为凹凸翼。图10为采用内转子发电机时，磁悬浮串型风车的结构图。图中101.上层单体风 轮风叶102.上层风轮风叶斜向支撑臂103.上层单体风轮斜向支撑臂之间的水平横梁104. 下层单体风轮斜向支撑臂之间的水平横梁105.发电机定子外壳106.发电机转子107.发 电机底部的磁体盘108.磁吸体109.受吸磁体110.受吸磁体盘1101.发电机下出轴1102. 下层单体风轮风叶1103.发电机定子线圈1104.径向磁轴承1105.发电机上出轴1106.上 层单体风轮下水平支撑臂图11为采用外转子发电机时，磁悬浮串型风车的结构图。图中111.推力轴承112. 磁体盘113.磁体114.受吸异性磁体115.受吸磁体盘116.上层单体风轮风叶117.径向 磁轴承118.径向轴承119.发电机定子轴120.风轮轮毂121.下层单体风轮风叶122.径 向磁轴承123.发电机外转子124.磁体125.定子线圈126.定子127.径向轴承
具体实施例方式以下结合实施实例，对本发明做进一步的说明，但本发明并不仅限于这些实例。实例1 由2个H型2叶片风轮单体组成的串型风轮。如附图1所示。图中11为上层单体风轮的风叶，12为上层单体风轮风叶的上水 平支撑臂，13为串型风轮轮毂或转轴，14为上层单体风轮风叶的下水平支撑臂，15为下层 单体风轮的风叶。该串型风轮由上下两个单体风轮组成。每个单体风轮呈“中”字型，各具有2个 直叶片，叶片支撑臂为水平支撑，上层单体风轮的下水平支撑臂与下单体风轮的上水平支 撑臂构成一个十字型，它们共处于同一水平面，优选的构型其垂直投影中的θ角为360/ (2+2) = 90 度。实例2由2个三叶片H型风轮单体组成的串型风轮。如附图2中2b所示。图中bl.上层单体风轮叶片，b2 上层单体风轮上水平支撑臂，b3 风轮中心轴，b4 上 层单体风轮下水平支撑臂，b5 下层单体风轮上水平支撑臂，b6 下层单体风轮风叶，b7 下层单体风轮下水平支撑臂每层单体风轮由一个3叶片H型涡轮组成，叶片支撑臂采用水平支撑，上单元的下水平支撑臂与下单元的上水平支撑臂构成了关型，它们共处于同一水平面，优选的构型其 垂直投影的θ角为360/(3+3) = 60度。以上实例分别说明了由2叶片单体风轮与3叶片单体风轮构成串型风轮的办法及 优选条件，由于优选条件中θ角的计算都是类似的，因此，下列实例将不再就优选条件进 行说明。实例3采用三角形支撑、由2个H型2叶片单体风轮组成的串型风轮。如附图7所示。图中71为上层单体风轮风叶，72为斜向支撑臂，73为风轮中心轴，74为水平横梁，75水 平支撑臂，76为下层单体风轮风叶，77为水平支撑臂，78为水平横梁，79为发电机。其斜向臂72用水平横梁74连接，在上层风轮与下层风轮的交叉处，采用水平臂 75,77支撑，75和77构成一个十字型，它们共处于同一水平面。实例4采用三角形支撑、由2个三叶片H型单体风轮组成的串型风轮如图8所示。图中81为上层单体风轮风叶，82为上层单体风轮斜支撑臂，83为上层单体风轮斜支撑 臂间的水平横梁，84为串型风轮转轴，85为上层单体风轮的下水平支撑臂，86为下层单体 风轮的上水平支撑臂，87为下层单体风轮风叶，88为下层风轮的斜支撑臂，89为下层风轮 斜支撑臂间的水平横梁。其中，85与86构成了一个关型，它们共处于同一水平面上。在该 图中，上层单体风轮与下层单体风轮构型是相同的，但是支撑结构的朝向相反，互为镜像。 其斜向支撑臂用水平横梁互相连接，构成四面体支撑结构。实例5由2个Φ型单体风轮组成的串型风轮如图3中3g所示。图中gl 风轮中心轴，g2 上层单体风轮叶片，g3 下层单体风轮叶片该串型风轮中，上层单体风轮和下层单体风轮叶片在轴向上无交叉实例6由2个〇型单体风轮组成的串型风轮如图2中2c所示。图中cl 上层单体风轮叶片，c2 风轮中心轴，c3 下层单体风轮叶片该串型风轮中，上层单体风轮与下层单体风轮叶片在轴向上无交叉。实例7由2个Φ型单体风轮组成的串型风轮如图4中4a所示。图中41 风轮中心转轴，42 上层单体风轮风叶，43 下层单体风轮风叶该串型风轮中，上层单体风轮与下层单体风轮叶片在轴向上有交叉。实例8采用内转子结构发电机的磁悬浮串型风车如图10所示。采用上下双出轴的发电机，采用带有斜臂三角形支撑并在斜向臂之 间加有水平横梁的直叶片串型风轮，吸升的磁体108安置于发电机的底部107下，在发电机 的下出轴1101上安装固定的极性相反的受吸磁体109和磁体盘110，风轮则直接安装在发 电机的上出轴1105上，依靠磁体的吸力，托起风轮和发电机转子106 ；其径向摆动的减少， 则依靠径向的磁轴承1104来实现，这种径向的磁轴承安装在发电机上出轴1105和发电机定子壳105之间的套筒内。实例9采用外转子结构发电机的磁悬浮串型风车如图11所示。发电机采用外转子发电机，风轮采用Φ型的串型风轮，发电机定子 轴119穿出外转子123之上，风轮的轮毂120套在定子轴119上，定子轴穿出风轮轮毂120 的上端，吸升的磁体113安装在定子轴顶端磁体盘112下，在风轮轮毂上端安装极性相反的 受吸磁体114及相应的磁体盘115，在磁体盘112和磁体盘115之间安装有推力轴承111， 起到避免磁体113和磁体114完全接触的作用，风轮的轮毂下端则连在发电机的外转子123 上，其径向的磁悬浮由安装在定子轴和风轮轮毂间的径向磁轴承117和122承担。以上实例说明了如何构建串型风轮及磁悬浮串型风车的方法，这些实例仅是用于 说明本发明举例之用，由于本发明的串型风轮可以由多层单体风轮构成，而每层单体风轮 又可以有不同形状和截面的叶片，有不同的支撑结构，因此用本发明的原理来组合出的风 轮形式是非常多的。具有本领域内专业知识的人员，完全可以利用本发明的技术原理构建 出无限多的串型风轮形式，并且在一些构型和支撑结构上做出某些改动，同样在磁悬浮串 型风车方面也可以做出非常多的造型，但只要不脱离本发明给定的必要条件和思路，不会 超出本发明要求的保护范围。 此外，在磁悬浮串型风车方面，用市售的磁悬浮发电机配合本发明的风轮，也可以 方便地制造出磁悬浮串型风车，在此不再举例，但是亦不应超出本发明的保护范围。
权利要求
1.一种串型风轮，为垂直轴升力型风轮，其特征在于系由复数个2 3叶片的达里厄 式风轮以串联的方式层叠安装而成，且每层叶片在轮毂的圆周上相互错开。它们符合以下 条件a.在整个风轮垂直方向的投影中，任意相邻两个叶片的横截面，其弦线中心点与风轮 转动中心的连线之间的夹角θ存在以下关系所有锐角(含直角)θ之和大于120度，优 选条件为θ = 360/ Σ y，式中y为风轮叶片数；b.上下层叶片在轴向上交叉的部分不应超过上下层风轮高度之和的25%；c.各层风轮的最大直径处相差不超过1/3；d.各层风轮的高度相差不超过50%。
2.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于上下相邻的两层风轮，在轴向上可以 有交叉或无交叉。
3.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于叶片可以采用直叶片、C形叶片，其中 C形叶片包括跳绳曲线型和圆弧型，叶片在安装时其弦线与轮毂的圆周的切线有0 10度 的夹角。
4.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于每层风轮可以采用Φ型、H型、 型、 Δ型、▽型、 型、鼓型等构型；各层风轮的构型，可以相同也可以不同，但以各层风轮的构 型相同或互为镜像为优选。
5.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于风轮叶片的横截面采用流线型横截 面，具体来说就是具有升力的翼型；叶片的制作材料可以采用不锈钢、铁皮、铝及铝合金、玻 璃纤维/碳纤维复合材料等常规用于制造风车叶片的材料。
6.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于可由单体风轮简单串联而成，但是当 风轮叶片有支撑臂时，上下两层风轮在交叉处的支撑臂以采用处于同一水平面的水平支撑 臂为优选，具体来说就是用十字型或丨苦型，它们处于同一水平面上。
7.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于当风轮叶片有支撑臂时，风轮的叶片 支撑臂采用水平悬臂支撑，同时在水平臂太长情况下，允许用一条斜向牵引绳连接轮毂与 每层单体风轮的下臂，以加强下臂的支撑力。
8.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于当风轮叶片有支撑臂时，风轮的叶片 支撑臂采用斜臂三角形支撑，为了加强支撑的强度，在每个斜臂之间加用水平梁相连接，使 斜臂与水平梁共同构成了一个三角型，水平梁可以是一根至多根。
9.根据权利要求1所述的串型风轮，其特征在于当单体风轮为Φ型和〇型时，风轮 叶片可以有支撑臂和无支撑臂。
10.一种磁悬浮串型风车，其特征在于，所述风车采用权利要求1所述的串型风轮作为 风轮。
11.根据权利要求10所述的磁悬浮串型风车，其特征在于，当采用内转子发电机时， 吸升的磁体固定安置于发电机的底部，在发电机的下出轴上安装固定的极性相反的受吸磁 体，风轮则直接安装在发电机的上出轴上，依靠磁体的吸力，托起风轮和发电机转子；其径 向摆动的悬浮，则依靠径向的磁轴承来实现，径向的磁轴承安装在发电机上出轴上。
12.根据权利要求10所述的磁悬浮串型风车，其特征在于，当采用外转子发电机时，其 定子轴穿出外转子，风轮的轮毂套在定子轴上，定子轴穿出风轮的轮毂上端，吸升的磁体固定安装在定子轴的顶端，在风轮轮毂上端安装极性相反的受吸磁体，风轮的轮毂下端则连 在发电机的外转子上，其径向的磁悬浮由安装在定子轴和风轮轮毂间的径向磁轴承承担。
全文摘要
本发明涉及到构建串型风轮和相应的磁悬浮串型风车方法，在垂直方向上串联安装两个及以上的2～3叶片达里厄式风轮来构造成一个新的风轮，风轮的特点和能够使其产生自启动能力的关键点是1.在整个风轮垂直方向的投影中，任意相邻两个叶片的横截面，其几何中心点与风轮转动中心的连线之间的夹角θ存在以下关系所有锐角θ之和大于120度，优选条件为θ＝360/∑y，式中y为风轮叶片数；2.上下层叶片在轴向上交叉的部分不应超过上下层风轮高度之和的25％；3.各层风轮的最大直径处相差不超过1/3；4.各层风轮的高度相差不超过50％。根据这些条件构造成了串型风轮，并进一步采用磁悬浮技术构建磁悬浮串型风车，使之更容易启动和高效。
文档编号F16C32/04GK102062047SQ20111002006
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者李永平 申请人:李永平