[发明专利]空气动力制动的大型垂直轴风轮机

说明书

本发明公开了多种大型复合型垂直轴风轮机组结构，有双臂达里厄与H型斜衬或竖衬构成的复合升力型机，也有升力型与阻力型风轮机构成的复合型垂直轴机组；并靠阻力型机的反转机构实现空气动力制动，具备全球大型机中最强的结构刚度强度，以提高截风风速范围，同时解决了空气动力制动的难题，集国内外最新技术的、最大输出功率的、工业化实施程度最高的风力涡轮发电机组，特别适用于高单机功率容量的海上风力发电。

技术领域

本发明属于涡轮动力机发电技术领域，具体地说，是提出一种带有空气动力制动器的大功率复合型垂直轴风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机(以下也可简称为风轮机或风机)，是将风的动能转变为适合发电机轴能接受的机械能，然后带动发电机旋转发电的可再生能源动力装置。在整个风力发电过程中，涡轮机的产能是第一位重要的。在现有广泛使用的水平轴涡轮机中，产业实践证明，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本。因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦(MW)级升高到目前的2～3兆瓦级，当前研发机组集中在5～8兆瓦级，远景瞄准10～15兆瓦级的目标，这是近期来风电技术发展演进的总趋势。

研发中的超大型风轮机系统存在以下诸多技术上的缺陷和难题：

1、对单机功率为10MW级水平轴涡轮机而言，其叶片长达80～100米，三针式叶片为悬臂梁结构，单端固定在轮毂上，受风力和重力双重作用，存在巨大的应力和因而招致的形变，本身结构强度低，易为强风损坏，必须采用结构强度更高的碳纤维材料，材料和工艺成本迅速增高，即使在材料工艺方面付出了巨大成本，但在抵抗强烈暴风下的生存能力方面仍还显不足，经常发生在飓风中叶片被吹折的破坏事故；此外，机组处于高空，随着功率的增加，发电机加重、塔筒高度增大，电气、塔筒和地基建造成本随之而大增，使整机成本急剧升高。

2、如果采用10MW级垂直轴的达里厄涡轮机，虽然叶片为双端支承，克服了悬臂梁单端支承的缺点，但其主轴的长度接近百米，为保证转动时的低晃动度和刚度，主轴制造成本将远大于水平轴主轴。高强度刚度的长主轴，价格昂贵，即使垂直轴涡轮机有许多优点，例如发电装置可以放在地面，便于安装维修，省略水平轴机组塔筒成本，和无需偏航对风在内等等一些优势，但主轴的成本和难度仍然使垂直轴的优势打尽折扣。

3、在遭遇强风时，涡轮机的制动不能简单靠机内制动器解决，必须有空气动力制动器预先将涡轮机转速降低到低转速，才能通过机内制动器实现制动停转。水平轴涡轮机可由叶尖扰流器或调节桨距角的方式实现空气动力制动，但是垂直轴涡轮机的空气动力制动问题很难解决。没有空气动力制动把关，一旦出现强风，很可能一次强风就摧毁了整个涡轮机系统，垂直轴风机在强风下的安全性无法得到保证。

发明内容

本发明要解决的任务是，针对背景技术中列举的现有超大型涡轮机风电系统的三大技术难题和缺陷，提出新的整体解决方案，那就是一种带有空气动力制动结构的多种高强度、高抗风结构的复合型垂直轴风轮机。

本发明是对201310749991.9《改进的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统》、201410026967.7《双臂双三角结构风叶垂直轴风力涡轮机》和201410048976.6《10MW级空气动力制动的垂直轴风电系统》诸发明专利申请的改进。

方案首先采用立体结构的双臂风叶和短主轴来增强涡轮机叶片的结构强度刚度、降低结构成本，使涡轮机组有更高的抗强风能力，同时可以延伸机组的切出风速，增加机组在高风速区的截风能量；其次通过多种复合垂直轴涡轮的合成驱动力矩，增加驱动力矩的稳定性、增加发电量；再通过涡轮机中的辅助风轮机反转结构，实现空气动力制动；使本发明的垂直轴复合机组成为在技术、经济方面都很突出的、适合于工业化生产的完整风力涡轮机装置。