组配型低重心高效垂直轴风力机的制作方法与工艺

本发明涉及一种垂直轴风力机，尤其是一种组配型低重心高效垂直轴风力机，属于风力发电设备技术领域。

背景技术：
据申请人了解，目前市场上运行的风力发电机组中，所用风力机绝大多数为风轮转轴水平放置的水平轴涡轮式风力机，属于高风速风力机范畴，其中低风速性能差，在年均风速米/秒的地区运行经济效益不佳。此外，这类风力机运行噪音大、会产生次声波，不适合在都市和社区中使用，而且还会危害鸟类的生存环境。此外，还有垂直轴风力机，此类风力机的特点是无风向性要求、噪音小、不产生次声波。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机可利用二维翼型叶片，既能利用叶片的升力、又能利用叶片的推力(也称阻力)；其风轮各叶片在风力机运行时不同时出力，而是依次接替轮换出力，叶片荷载周期性变化(垂直轴叶片转动一周，攻角经历360°变化，只有攻角在约±20°范围内叶片才能出力、在其他角度范围处于失速状态而不能出力)。垂直轴风力机的这些特点有利有弊，利用优点、抑制缺点是研发适用于年均风速米/秒地区和都市人居环境的垂直轴风力机技术的关键。垂直轴风力机所用叶片有三类翼型：第一类是推力型叶片，采用该类叶片的风轮易自起转，但是该类叶片的风能利用系数Cpmax≤0.15且转速低，无法适用于高效的风力发电机；第二类是升力型的对称翼型叶片，该类叶片的翼型为NACA00xy(x=1或2；y=0,1,…,8或9)，其Cpmax高，某些叶片的Cpmax能达到0.45，但采用该类叶片的风轮无法自起转；第三类是升力型的吸力面为凸形、压力面有凹形的翼型叶片，该类叶片数量众多，其Cpmax在0.20—0.30之间，采用该类叶片的风轮能自起转，但起转力矩低于第一类叶片、且Cpmax对应的转速低于第二类叶片。目前，利用升力型翼型叶片的垂直轴风力机，基本上采用Darrieus技术的“Φ”风轮或“H”风轮，这两种风轮的共有特征为主轴长度≥风轮高度，因而这两种风轮重心偏高，为了保证整个风轮的稳定性，要求风轮主轴具有很高的强度和刚度，导致主轴重量很重。其中，“Φ”风轮由“跳绳曲线”形的前述第二类叶片构成（通常采用薄翼型叶片），叶片两端直接连接于主轴(若要解决“Φ”风轮自起转，可将“S”形的前述第一类叶片也连接于主轴)。“Φ”风轮采用的叶片要有足够的柔性，其Cpmax对应的尖速比λ较高，导致“Φ”风轮的中低风速性能差。“H”风轮大多数由前述第三类叶片通过悬臂连接于主轴而成，为抑制叶片震颤，要求悬臂具有很高的强度和刚度，导致悬臂重量很重；同时，第三类叶片Cpmax对应的最佳叶片宽度(也称弦长)比前述第二类叶片要大50-60%，相应地，叶片重量也要重80-100%。受制于此，在相同高度下，“H”风轮的重量比“Φ”风轮要重1-2倍，其离心载荷更大，对主轴的强度和刚度要求更高。由此可见，降低重心并减轻重量、增大高Cpmax翼型的起转力矩是设计高效风力机的两个技术突破点，特别是提高风力机中低风速性能的突破点。本发明发明人于2010年4月4日申请的、专利号201010162074.7、授权公告号CN102213180B的中国发明专利公开了一种垂直轴(也称立轴)风力发电机组的风机。然而，该技术方案尚存在以下主要不利之处：（1）层间支撑部件过于臃肿，对气流干扰较大，影响叶片的风能利用性能；（2）层间支撑结构不够优化，导致其单位重量内的强度和刚度较低，要达到预期的强度和刚度仍需要较大的重量，不利于减轻风轮重量；（3）风轮的轮架与主轴之间的承接结构强度较差，然而为提高强度势必会增加风轮重量，这一问题导致风轮无法大型化；（4）无法实现风力机功率控制。亟需研制出单位重量内强度较高的层间支撑结构和承接结构，从而在达到预期强度的同时不会增加风轮重量、甚至减轻风轮重量；同时研制出能实现功率控制的结构，通过功率控制来扩大风力机运行的风速范围，提高发电量。此外，本发明发明人于2004年12月20日申请的、专利号200410073422.8、授权公告号CN100392240C的中国发明专利公开了一种利用低速风能产生动力的风机翼片，属于低风速叶片，能有效利用较低风速的风能。目前同样亟需研制出能有效发挥该类叶片低速风能利用性能的垂直轴风力机。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种组配型低重心高效垂直轴风力机，采用了针对垂直轴风力机设计的专用叶片、以及能提高起转力矩的低风速叶片，并能有效发挥这两类叶片的风能利用性能。本发明解决其技术问题的基本技术方案如下：一种组配型低重心高效垂直轴风力机，包括确定垂向旋转轴线的固定塔架和支撑于塔架上的风轮，所述风轮与塔架构成轴向约束的水平转动副；所述风轮包括旋转中心支撑于所述塔架的轮架、以及分布于所述轮架周边的叶片；其特征是，所述叶片包括一组交替间隔分布的第一叶片和第二叶片；所述第一、第二叶片分别为垂向延伸的流线形截面叶片，所述第一叶片具有分别呈凸形、且非对称地分布于叶片翼弦两侧的朝外叶面和朝内叶面，所述第二叶片的朝外叶面呈凹形且朝内叶面呈凸形；所述轮架包括一组周向均布水平延伸且上、下对应的辐条，所述轮架的辐条分别构成一旋转中心支撑于塔架的传动框、以及至少一个连接框，所述连接框经支撑件与相邻的连接框或传动框固定连接；所述传动框、连接框辐条的外端分别与所述第一叶片的上、下相应部位直接固定连接、或者与固连于第一叶片的固定件固定连接或转动连接；所述传动框、连接框辐条的中部分别与所述第二叶片的上、下相应部位直接固定连接、或者与固连于第二叶片的固定件固定连接或转动连接。该结构中第一叶片位于辐条外端、第二叶片位于辐条中部，这样可使两种叶片有机组合，既利用第一叶片提高风能利用效率、又利用第二叶片提高风轮起转力矩。上述结构的第一叶片是针对垂直轴风力机周围的非定常流场特点设计的专用叶片，该叶片具有自起转风轮能力和很高的风能利用系数Cpmax（可达0.45—0.50）；第二叶片属于低风速叶片，能有效利用较低风速的风能；申请人经深入实践研究发现，按上述结构将第一叶片、第二叶片固定连接或转动连接于轮架后，可很好地发挥两类叶片的自起转能力和/或风能利用性能。尤其在采用转动连接方式时，风力驱动风轮旋转，第一叶片在风力作用下自动绕转动连接点转动一定角度，可更有效地发挥第一叶片的风能利用性能；同时，第二叶片也会在风力作用下自动转动一定角度，一方面能更好地利用低风速风能，并使第一叶片在低风速下也能利用风能，另一方面能提高风轮起转力矩、并降低高风速时风轮转动力矩，提高风力机的风能利用效率。采用上述结构还可有效缩短风轮主轴长度，甚至可以取消主轴，从而有效降低风轮重心，减少风轮重量。优选地，所述轮架采用第一结构：所述传动框中部呈正多边形、并设有桁架；所述桁架由第一法兰和均布于第一法兰周向且沿径向延伸的承重臂构成，所述承重臂末端分别与传动框中部正多边形各顶点、或者正多边形各边的中部固连；当所述桁架承重臂末端分别与传动框中部正多边形各边的中部固连时，所述传动框中部正多边形相邻两边之间还设有与承重臂固连的连杆；所述第一法兰形成传动框的旋转中心，并与塔架顶端构成轴向约束的水平转动副。更优选地，所述风轮还包括与塔架顶端转动连接、且轴线沿垂向布置的主轴或者负载的动力输入轴，所述第一法兰与主轴或者与动力输入轴同轴固连；所述第一叶片的中弧线拱向所述旋转轴线；所述第一叶片的截面中、垂直于翼弦方向上的厚度最大处在翼弦上的垂足与前缘点之间的距离为翼弦长度的0.12-0.29倍。采用第一结构可利用负载的动力输入轴从而省去了风轮的主轴，能最大限度地降低重心和减轻风轮重量、又降低了成本。同时，采用该结构的传动 框后，其桁架作为轮架与负载动力输入轴之间的承接结构，其单位重量内的强度较高，在达到预期强度的同时不会增加风轮重量、甚至能减轻风轮重量，从而使风轮能有效大型化。此外，第一结构也可用于与塔架顶端主轴连接的风轮。优选地，所述轮架采用第二结构：所述传动框中部呈正多边形、并设有桁架；所述桁架由两上下排布且同轴的第二、第三法兰，以及分别均布于第二、第三法兰周向且沿径向延伸的承重臂和加强臂构成，所述承重臂和加强臂的末端分别与传动框中部正多边形各顶点固连；对应的承重臂和加强臂之间设有至少一个支筋；所述第二、第三法兰形成传动框的旋转中心，并与塔架顶端构成轴向约束的水平转动副。更优选地，所述风轮还包括与塔架顶端转动连接、且轴线沿垂向布置的主轴或者负载的动力输入轴，所述第二、第三法兰与主轴或者与动力输入轴同轴固连；所述第一叶片的中弧线拱向所述旋转轴线；所述第一叶片的截面中、垂直于翼弦方向上的厚度最大处在翼弦上的垂足与前缘点之间的距离为翼弦长度的0.12-0.29倍。第二结构中，桁架作为轮架与主轴之间的承接结构，其单位重量内的强度较高，在达到预期强度的同时不会增加风轮重量、甚至能减轻风轮重量，从而使风轮能有效大型化。同时，采用第二结构后，风轮受力均匀性良好，更利于风轮转动。此外，第二结构也可用于与塔架顶端负载动力输入轴连接的风轮。优选地，所述固定件为一端与传动框或连接框的辐条固定连接或转动连接、另一端与第一或第二叶片朝内叶面固连的直板；或者，所述固定件为具有两外端和一转角端的“V”形件，所述“V”形件的两外端分别与第一或第二叶片朝内叶面或叶片端面固连，所述“V”形件的转角端与传动框或连接框的辐条固定连接或转动连接；或者，所述固定件为具有流线形外边缘的板件，所述板件的板面与叶片端面固连，所述板件朝传动框或连接框延伸有突出耳， 所述突出耳与传动框、连接框辐条的外端固定连接或转动连接；或者，所述固定件为具有流线形外边缘的箍环，所述箍环内边缘箍于叶片周向，所述箍环外边缘朝传动框或连接框延伸有突出耳，所述突出耳与传动框、连接框辐条的外端固定连接或转动连接。这样固定件本身不会影响第一、第二叶片对风能的利用，而且在转动连接时有利于第一、第二叶片顺畅地进行转动，能更好地发挥专用叶片的风能利用性能和低风速叶片的低风速风能利用性能。为实现风力机功率控制，本发明进一步完善的技术方案如下：优选地，所述固定件朝向传动框或连接框的一侧与传动框或连接框辐条之间设有用以转动叶片角度的伸缩式控制器，或者，所述固定件靠近叶片的部位与传动框或连接框辐条之间设有用以转动叶片角度的伸缩式控制器；所述控制器为弹性部件，或者，所述控制器为受控端外接控制设备的电动控制器。当控制器为弹性部件时则能以叶片离心力与弹性力之间的作用力平衡的方式实施风力机功率控制；当控制器为电动控制器时则能以电动控制的方式实施风力机功率控制。实施风力机功率控制后，可扩大风力机的风速适用范围。为简化支撑结构，避免干扰气流、影响叶片的风能利用性能；同时，为提高支撑结构单位重量内的强度和刚度，以利减轻风轮重量，本发明进一步完善的技术方案如下：所述传动框中部与连接框中部呈形状相同且各对应边相互平行的正多边形；所述传动框中部正多边形各顶点与连接框中部正多边形各顶点之间经支撑件固连；所述支撑件为具有四个末端的“X”形件，所述“X”形件上部两端、下部两端分别与传动框或连接框的两相邻顶点固连，且所述“X”形件位于传动框和连接框的同一侧；或者，所述支撑件为固连传动框、连接框中部正多边形各对应顶点的直杆；或者，所述支撑件包括固连传动框、连接框中 部正多边形各对应顶点的直杆，所述直杆与顶点的两侧边之间还设有斜撑。申请人经深入实践研究发现，采用上述优选结构后，不仅能避免干扰气流，还能在满足预期刚度和强度要求的同时进一步减轻风轮重量。优选地，所述传动框中部正多边形外侧的相邻辐条之间还设有连筋，起到加固作用；所述连接框中部正多边形的相邻辐条之间还设有连杆；或者，所述连接框中部正多边形外侧的相邻辐条之间还设有连杆，起到加固作用。优选地，所述连接框有至少两个、并与传动框形成至少两层辐条，每层辐条分别安装有对应的叶片，相邻两层辐条上安装的叶片交错分布。这样既能提高叶片最佳攻角的迎风概率，使风轮更易起转，又能以分段的形式降低叶片长度，从而降低叶片的制造、运输和安装成本。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：（1）通过组配垂直轴风力机专用叶片和低风速叶片，优化叶片与轮架的连接结构、轮架本身结构、以及叶片固定件结构，确保专用叶片的风能利用性能和低风速叶片的低速风能利用性能可得到充分发挥，同时能降低风轮重心并减轻风轮重量。（2）通过设置并优化桁架结构，使承接结构单位重量内的强度较高，从而有利于风轮大型化。（3）通过优化支撑结构，不仅能避免干扰气流，还能通过提高支撑结构单位重量内的强度和刚度来进一步减轻风轮重量。（4）通过分段、交错安装叶片，提高了叶片最佳攻角的迎风概率而更容易起转风轮，并降低叶片的制造、运输和安装成本。附图说明图1为本发明实施例1的结构示意图。图2、图3、图4分别为图1的A、B、C区域放大图。图5为图4的D区域放大图。图6为本发明实施例1轮架的结构示意图。图7为本发明实施例1传动框和桁架的结构示意图。图8、图9分别为本发明实施例1所用两种连接框的结构示意图。图10为本发明实施例1支撑件的结构示意图。图11为本发明实施例1固定件的结构示意图。图12为本发明实施例2的结构示意图。图13、图14、图15分别为图12的E、F、G区域放大图。图16为本发明实施例2轮架的结构示意图。图17为本发明实施例2传动框和桁架的结构示意图。图18为本发明实施例3的结构示意图。图19至图22分别为图18的H、I、J、K区域放大图。图23为本发明实施例3轮架的结构示意图。图24至图32为本发明可用于实施例1至3的其它传动框示意图。图33至图35为本发明可用于有主轴结构的传动框示意图。图36至图38分别为图33至图35中桁架结构示意图。图39至图45为本发明可用的其它连接框示意图。图46、图47为本发明可用的其它支撑件示意图。图48为本发明风轮有主轴结构的示意图。图49、图50本发明可用的其它固定件示意图。图51为本发明所用垂直轴风力机专用叶片截面的示意图。具体实施方式下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。实施例1本实施例组配型低重心高效垂直轴风力机如图1至图4所示，包括确定垂向旋转轴线的固定塔架1和支撑于塔架1上的风轮2，风轮2与塔架1构成轴向约束的水平转动副；风轮2包括旋转中心支撑于塔架1的轮架3、以及分 布于轮架3周边的叶片；叶片包括一组交替间隔分布的第一叶片4和第二叶片4-1；第一、第二叶片4、4-1分别为垂向延伸的流线形截面叶片，第一叶片4具有分别呈凸形、且非对称地分布于叶片翼弦两侧的朝外叶面和朝内叶面；第二叶片4-1的朝外叶面呈凹形且朝内叶面呈凸形；轮架3包括一组周向均布水平延伸且上、下对应的辐条，上、下对应的辐条外端分别与第一叶片4的上、下相应部位转动连接，上、下对应的辐条中部分别与第二叶片4-1的上、下相应部位转动连接。具体而言，如图6所示，轮架3的辐条分别构成一旋转中心支撑于塔架1的传动框6、以及至少一个连接框7，连接框7经支撑件11与相邻的连接框6或传动框7固定连接；传动框6、连接框7辐条的外端分别与固连于第一叶片4的固定件4-2转动连接，传动框6、连接框7辐条的中部分别与固连于第二叶片4-1的固定件8转动连接；如图4所示，第一叶片4横截面形状呈非对称液滴形，第一叶片4的中弧线拱向旋转轴线；如图51所示，第一叶片4的截面中、垂直于翼弦方向上的厚度最大处在翼弦上的垂足与前缘点之间的距离Xt为翼弦长度的0.12-0.29倍。本实施例采用由三个连接框7与一个传动框6形成的三层结构，形成三层辐条结构，各第一叶片4或第二叶片4-1分别安装于各层辐条，相邻两层辐条上安装的第一叶片4或第二叶片4-1交错分布。如图5所示，固定件4-2为一端与传动框6或连接框7的辐条转动连接、另一端与第一或第二叶片4、4-1朝内叶面固连的直板；如图11所示，固定件8为具有两外端8-1和一转角端8-2的“V”形件，“V”形件的两外端8-1分别与第一或第二叶片4、4-1朝内叶面固连，“V”形件的转角端8-2与传动框6或连接框7的辐条转动连接。需要说明的是，“V”形件的两外端8-1也可分别与第一或第二叶片4、4-1的叶片端面固连。如图2、图6所示，塔架1顶端与负载的动力输入轴13转动连接，动力输入轴13的轴线沿垂向布置；传动框6中部设有形成旋转中心的第一法兰 10-6，第一法兰10-6与动力输入轴13固定连接；第一法兰与塔架顶端构成轴向约束的水平转动副。具体而言，传动框6中部呈正多边形、并设有桁架10；桁架10包括第一法兰10-6，第一法兰10-6与动力输入轴13固定连接，第一法兰10-6周向均布有径向延伸的承重臂10-3，承重臂10-3末端分别与传动框6中部正多边形各顶点固连。如图7至图10所示，传动框6中部与连接框7中部呈形状相同且各对应边相互平行的正多边形（本实施例为正六边形），且连接框7采用两种结构，一种如图8所示，整体呈三角形，另一种如图9所示，整体呈六角形；传动框6中部正多边形各顶点与连接框7中部正多边形各顶点之间经支撑件11固连；支撑件11为具有四个末端的“X”形件，“X”形件上部两端、下部两端分别与传动框6或连接框7的两相邻顶点固连，且“X”形件位于传动框6和连接框7的同一侧。需要说明的是，以上固定件4-2、8也可与传动框6、连接框7辐条的外端固定连接，从而使第一叶片4、第二叶片4-1与轮架辐条固定连接。实施例2本实施例组配型低重心高效垂直轴风力机如图12至图17所示，其基本结构与实施例1相同，不同之处仅在于：（1）本实施例采用由一个连接框7和一个传动框6形成的单层结构。（2）固定件8靠近叶片4-1的部位与传动框6或连接框7辐条之间设有用以转动叶片角度的控制器12。（3）如图17所示，传动框6整体呈三角形。（4）连接框7只有一种结构形式，与图8所示相同。（5）固定件4-2结构与固定件8相同，均与图11所示相同。实施例3本实施例组配型低重心高效垂直轴风力机如图18至图23所示，其基本 结构与实施例1相同，不同之处仅在于：（1）本实施例采用由两个连接框7和一个传动框6形成的双层结构。（2）连接框7只有一种结构形式，与图8所示相同。（3）固定件4-2结构与固定件8相同，均与图11所示相同。（4）固定件4-2和固定件8靠近叶片4-1的部位与传动框6或连接框7辐条之间分别设有用以转动叶片角度的伸缩式控制器12。此外，如图22所示，固定件与传动框或连接框的转动连接点为c点，固定件延伸线与叶片轴线的两交点中远离控制器12的交点为O点，塔架轴线与固定件平面的交点为a点；O点与a点的连线和叶片轴线之间的夹角为θ角。控制器12可为弹性部件，在施加或撤销外力时，其长度能变化或回复；当某一风速使风力机转速变化时，叶片离心力随之变化，且叶片以c点为轴心转动一定角度，使控制器12伸长或缩短，并使θ值变化，从而改变气流对叶片的作用，该作用又导致风力机转速和叶片离心力的负反馈变化，这时控制器12的弹性力使控制器12的长度、θ值、风力机转速和叶片离心力均再次产生负反馈变化，在这样的循环中，各变量的变化幅度越来越小，直至动态平衡建立、θ值不再变化为止。这样，一方面可即时反馈且成本低，也即从开始变化到开始控制的反馈是由弹性材料瞬时进行的，另一方面控制可靠性高且免维护。此外，控制器12也可采用受控端外接控制设备的电动控制器，但是，在电动控制时，一方面从开始变化到开始控制的反馈中存在响应时间延迟，响应时间越短则电动控制的成本越高，另一方面要提高可靠性只能采用高成本电气元件，且需定期维护。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，例如：（1）风轮还可采用有主轴结构，如图48、图33、图36所示：风轮2还包括与塔架1顶端转动连接、且轴线沿垂向布置的主轴9；传动框6中部呈正多边形、并设有桁架10；桁架10包括两上下排布且同轴的第二、第三法兰 10-1、10-2，第二、第三法兰10-1、10-2分别设于主轴9周向并与主轴9固连，第二、第三法兰10-1、10-2分别周向均布有径向延伸的承重臂10-3和加强臂10-4，承重臂10-3和加强臂10-4的末端分别与传动框6中部正多边形各顶点固连；对应的承重臂10-3和加强臂10-4之间设有至少一个支筋10-5；第二、第三法兰10-1、10-2形成传动框6的旋转中心，并与塔架顶端构成轴向约束的水平转动副。桁架10的支筋10-5、承重臂10-3、加强臂10-4之间形成多个三角形支撑结构。（2）传动框6可以有多种结构形式，传动框6中部可呈正三角形、正方形、正五边形、正六边形等。部分可用于实施例1至3的示例如图24至图32所示。部分可用于有主轴结构的示例如图33至图35所示，各图中的桁架如图36至图38所示。其中，如图25所示，承重臂10-3末端也可分别与传动框6中部正多边形各边的中部固连，同时传动框6中部正多边形相邻两边之间还设有与承重臂10-3末端固连的连杆10-7。如图28、30所示，传动框6中部正多边形外侧的相邻辐条之间还设有连筋6-1。（3）连接框7可以有多种结构形式，连接框7中部可呈正三角形、正方形、正五边形、正六边形等；部分示例如图39至图45所示。其中，如图40所示，连接框7中部正多边形的相邻辐条之间还设有连杆7-2；如图42、44所示，连接框7中部正多边形外侧的相邻辐条之间还设有连杆7-1。（4）如图46所示，支撑件11可以为固连传动框6、连接框7中部正多边形各对应顶点的直杆。或者，如图47所示，支撑件11包括固连传动框6、连接框7中部正多边形各对应顶点的直杆11-1，直杆11-1与顶点的两侧边之间还设有斜撑11-2。（5）固定件还可采用如下结构：如图50所示，固定件为具有流线形外边缘的板件，板件的板面与叶片端面固连，板件朝传动框或连接框延伸有突出耳，突出耳与传动框、连接框辐条的外端固定连接或转动连接；或者，如图49所示，固定件为具有流线形外边缘的箍环，箍环内边缘箍于叶片周向，箍环外边缘朝传动框或连接框延伸有突出耳，突出耳与传动框、连接框辐条的外端固定连接或转动连接。采用这种结构的固定件后，实施功率控制的结构为：固定件朝向传动框或连接框的一侧与传动框或连接框辐条之间设有用以转动叶片角度的伸缩式控制器。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。