新型垂直轴风力机的支撑杆设计

无论哪种类型的垂直轴风力机，风力机在运转过程中整个转子的重量全部作用在转子的轴承上，大大增加了转子运行中的摩擦阻力，降低了风力发电机的性能；而且过大的负载又加剧了轴承磨损，在风力发电机20年的使用寿命中，轴承的频繁更换大大增加风力发电机维护成本并且延长风力发电机的停车时间，降低了能量输出。因此无论是转子中的摩擦阻力，还是轴承磨损造成的物质损失，都是因为垂直轴风力机运动中的重力造成的，所以这里可以提取出两对矛盾通用参数，一对是运动物体的重量与力，一对是运动物体的重量与物质损失。查询矛盾矩阵，可得运动物体的重量与力矛盾中最常用的发明原理是8、10、18、37（见表6-4）；运动物体的重量与物质损失矛盾中最常用来解决问题的发明原理是5、35、3、31。

利用发明原理5、8，组合原理和重量补偿原理，把升力型叶片组合进垂直轴风力机系统，以提供升力来抵消垂直轴风力机的重力，基于这一思考和现有文献，蔡新、潘盼等提出了一种新型支撑杆，并发明了一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力机，如图6-3所示^[4]。

该发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机，在工作过程中可以使风力发电机转动部分产生平稳升力，减缓由于转动部位自身重力造成的摩擦力和零部件的磨损。为实现上述构想采用如下具体技术方案：支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机，包括垂直设置的主轴，叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接，水平设置的桨叶套在支撑杆上，桨叶与桨叶转动控制机构相连。其特征在于：在每根叶片与主轴的上下两端分别设置有支撑杆和桨叶，分别为上桨叶和下桨叶，下桨叶的下方设置有底盘，桨叶转动控制机构包括安装在下桨叶叶根后缘处的滚轮，滚轮通过一传动杆与下桨叶相连，垂直设置的细杆分别穿过上桨叶和下桨叶的后缘，在底盘上表面设置有滚轮轨道，滚轮在滚轮轨道上运动，滚轮轨道上各点不在同一水平面上。滚轮轨道包括设置于底盘同一圆周上的圆弧形凹槽和圆弧形凸台。圆弧形凹槽和圆弧形凸台以圆心为对称点对称设置。圆弧形凹槽和圆弧形凸台上表面和底盘盘面的距离变化相对于攻角变化保持一致，圆弧形凹槽宽度大于圆弧形凸台宽度。在细杆的上桨叶下方处设有弹簧，并在支撑杆上设置有桨叶转动装置限位。细杆上方桨叶下方还包括上风向标和下风向标，并分别与通过水平连接杆与主轴顶端的轴承、底盘固定连接，上风向标和下风向标之间通过竖向连接杆固定连接。上风向标与下风向标之间的距离大于叶片的长度，水平连接杆的臂长大于叶片旋转半径。叶片和桨叶由碳基复合材料制成，上风向标和下风向标由轻质、高强度、耐腐蚀塑料板制成，支撑杆和滚轮采用不锈钢制成，底盘和轴承套选用45钢或A3钢制成。(www.xing528.com)

图6-3　支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力机

该发明充分利用组合原理和重量补偿原理，为支撑杆增加了新的功能，组合了水平轴风力机常用的可变桨距角的桨叶，从而获得桨叶随风轮旋转产生的升力，克服风力机风轮自身重力，并且伴随产生的阻力矩等价于没有安装水平桨叶时支撑杆产生的阻力矩，从而减缓由于风机转动部分的重力而产生的摩擦力和关键部位的磨损。装置结构简单，方便维修和安装，有效地提升了垂直轴风力发电机的功率输出，并且延长了风力发电机的使用寿命。