双旋翼的垂直轴风力机设计及性能分析

基于6.2.1节升阻互补型垂直轴风力机通用参数矛盾的分析：无论哪种类型的垂直轴风力发电机，风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，因此垂直轴风力机中的主要技术矛盾是：①运动物体的重量与力；②运动物体的重量与物质损失。查询矛盾矩阵，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；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。

在6.2.2节新型支撑杆垂直轴风力机中已介绍的新型支撑杆发明基础上同时考虑发明原理5组合原理和发明原理8重量补偿原理，河海大学潘盼、蔡新等提出了一种新型垂直轴风力机，一种共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力发电机^[5]，如图6-4所示。该发明中两风轮支撑杆上水平旋翼同时旋转至迎风方位角，在主轴控制下，两风轮可相互抵消主轴上不均匀弯矩，使风力机转子在产生转矩的同时产生均匀升力，从而减缓转子重力作用，减少转子磨耗，延长风力机使用寿命并提升功率输出。

图6-4　共轴异向旋转的双风轮垂直轴风力机

该创新发明具体技术方案包括与发电机相连的主轴，主轴上设置上风轮和下风轮，上风轮和下风轮均包括竖向叶片，上风轮和下风轮的竖向叶片翼型相同，安装方向相反，在来流风作用下，气动牵引力相反，风轮异向旋转。上风轮通过轴承安装在主轴上。下风轮通过齿轮箱安装在主轴上。齿轮箱包括太阳轮，太阳轮与各行星轮啮合，各行星轮与齿圈啮合，太阳轮的转轴为主轴，行星轮与齿轮箱下部承台固定连接，齿圈位于齿轮箱外壁的内侧，齿圈与下风轮风轮支撑杆连接。上风轮包括竖直设置的叶片，叶片通过风轮支撑杆连接在轴承上，风轮支撑杆上设置有水平旋翼。下风轮包括竖直设置的叶片，叶片通过风轮支撑杆连接在齿轮箱上，风轮支撑杆上设置有水平旋翼。齿轮箱内行星齿轮顶部设置限位装置，限位装置包括与主轴固定连接的上部承台，齿圈通过滚珠圈抵住上部承台旋转，限位装置将下风轮限制在主轴下部，并将下风轮产生的升力传递给主轴，在齿轮箱和主轴的共同作用下抵消上下旋翼由于不平衡升力产生的弯矩。上风轮与下风轮中竖直叶片叶尖距Δd设计应避免叶尖涡的相互影响，叶尖距Δd需满足(www.xing528.com)

式中 L——风轮竖向叶片的长度。

在最大迎风逆行状态下，随着旋翼展现距离增大，水平旋翼各截面入流合成速度逐渐增大，通过降低扭角和翼型弦长，使旋翼各截面产生均匀竖向升力。

上风轮、下风轮水平旋翼相互对应，即在相同的旋转角速度下，上风轮与下风轮对应水平旋翼同时运行至最大迎风方位角，两叶片以转轴对称且平行状态上风轮与行星齿轮中太阳轮相连，下风轮与行星齿轮的齿圈相连接，星轮固定，通过调整齿圈和太阳轮直径比例，使太阳轮和齿圈转速保持一致。水平旋翼靠近主轴端由风轮支撑杆与主轴固定连接，且风轮支撑杆与叶片的连接处为水平旋翼翼型1/4弦长的气动中心处。

该发明灵活应用TRIZ中的发明原理，利用已有专利再次创新。采用双风轮设计的垂直轴风力机，其下风轮水平旋翼在竖直叶片的带动下进行反向旋转，进而产生较为均匀的升力，避免了单一风轮上的旋翼生成“一边倒”的升力效果。升力作用减缓了风轮转动部分的重量载荷，从而减小摩擦力，降低磨耗，延长了零部件使用时间，提升了风能利用率。