串型风轮及磁悬浮串型风车 【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、 △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、 △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 2a 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 1t 所示 ； 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％， 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、
△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、 △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△型相配、 △型与△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 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 示。
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。 附图说明 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。1t 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○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△型单体风轮构成的串型风轮， 3d 为两个△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 4a 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， h1 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 h1 与 h2 的交叉高度， 其中 h3 ≤ (h1+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
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 ：
b1. 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 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 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 ：
g1 ： 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○型单体风轮组成的串型风轮
如图 2 中 2c 所示。图中
c1 ： 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。