脑洞大开！叶轮扭矩倍增方案

北极星风力发电网讯:设计理念：源于杠杆原理，特别是系统能绕共轴线旋转，相当于以轴心为支点，以轮缘半径为省力杠杆，以均布在轮缘上的多个小型叶片为动力的“全叶尖”叶轮结构。

两种叶轮结构对此图（左图1，右图2）

背景技术：如图1所示，现有三叶片叶轮虽然也是绕共轴线旋转，即存在着以下缺陷。缺陷1、整个叶轮只有三只叶片，(动力臂)无法实现让更多的动力设置在动力臂的远端。缺陷2、动力分散在整体叶片多处，(叶根至叶尖)而不是积中在力臂的远端。缺陷3、几十米长的大叶片只是靠叶根的一端与轮毂连接，这种单支撑(抗弯曲强度)可靠性差。

如何让更多的动力作用于动力臂远端，首先需要一个具备轻量化、重载荷、高可靠性，可稳固承载多个叶尖的基体轮，从而获取力矩最大化。(如图2所示) 因此，受公路自行车轮，花鼓、辐条、刀圈结构组合的启发，设计了一种，可与现有三叶片结构塔筒、机舱兼容的单支撑水平轴结构的“全叶尖”叶轮。

叶轮具体结构是：在中心轴套的两端(背对)各安装一片碟状法兰，(组装后，类似于自行车轮花鼓)利用碟状法兰边缘均布的通孔固定斜拉索的一端，(斜拉索：类似于自行车辐条)另一端，交叉牵引Ⅴ字形轮缘内缘。(V字形轮缘：类似于自行车轮刀圈)Ⅴ字形轮缘外缘安装密封板后，截面呈高强度的倒三角型形，形成一个刚柔兼顾、利于稳固安装叶片及变桨机构，高可靠性、轻量化、重载的基体轮。以基体轮为载体，根据轮缘直径大小、周长不等，安装十几个至几十个数量不等，只有几平方米的小型叶片。其中，变桨机构安装在Ⅴ字形轮缘内，采用双轴变桨方式，根据风况调整出力叶片数量多少。(如图3所示)其中，一轴(变桨电机轴)可调整叶片攻角。另一轴，(叶片与支架连接销轴)遇，极端风况时关闭叶片，叶片与轮缘合二为一，基本上只是轮体框架，具有优越的抗台风能力。

（左图3-1 右图3-2）

设计理念充分考虑了以下几点：

一、将多个小型叶片均布在轮缘上，叶轮中间取消了筒形结构、气动性为零的叶根，和半筒形结构、气动性较差的叶中。是斜拉索替代了叶根和叶中的过度支撑。因此，全叶尖叶轮中间实度减少了至少85%，使轮缘周边气流通过更顺畅，减少乱流对轮缘上的叶片拢动。

二、采用碟状法兰的理由：1、减少主轴的使用长度。2、保持叶片与塔筒、碟状法兰与机舱罩的净空距离、不刮碰。3、保持轮体重心不前移，与现有三叶片技术轮毂重心相差无几。4、增加碟状法兰与V字形轮缘之间斜拉索的斜拉角度，增强轮体可靠性。

三、高可靠性的理由：反观现有三叶片技术，几十米长的大叶片只是靠叶根的一端与轮毂连接，这种单支撑是抗弯曲强度。而全叶尖结构是：碟状法兰与轮缘之间是利用斜拉索的拉力相互牵引，是抗拉强度。道理很简单，一根筷子可轻易掰断，要想拉断确很难，存在着天壤之别。利用，斜拉索替代了叶根和叶中的过渡支撑，两者可靠性不言而喻。

四、叶片小型化：(单体面积只有几平方米)，从加工工艺、制造难度、所使用的原材料、成本、吊装、运输、疲劳寿命等等，均是根本性的改变，多个小叶片造价之合，只是现有叶片的百分之几。

五、具有噪声低的特点：全叶尖结构的叶轮因多个小型叶片分布均匀，没有三叶片每旋转一圈，嗖、嗖、嗖的噪声和抖动。

六、轮体材料选择：V字形轮缘采用密度低、强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好的钛合金或碳纤维。斜拉索采用耐腐蚀涂层的钢缆。因此，适应海上、陆地多种风力发电场所。

七、安装方式：V字形轮缘采用模块化、分瓣拼装，(像大型摩天轮那样的拼装方案)解决了大部件制造、运输、吊装难题。

八、与现有三叶片技术对比：目前三叶片海上概念机型，轮径220余米，容量15MW。假如，按照“全叶尖”结构设计，相同的轮径，功率可提升至40-50MW。实现的理由很简单，相同(投影)面积的叶片，所处的位置不同，叶轮扭距必然会相差N增。(物理学杠杆定理是：动力×动力臂=阻力×阻力臂) 还因为轮缘式结构，斜拉索的牵引可靠性极高，可像摩天轮那样做到超百米轮径、千吨载荷。

九、老旧机型技术改造：伴随着时间推移，昔日的老旧机型技术改造市场巨大。具体实施方案：不增加原有塔筒高度、不增加叶轮轮径。利用具有轻量化、扭距倍增的全叶尖叶轮，即可实现单机容量成倍扩容。

参数估算：小叶片单体面积：≤10平方米。小叶片厚度：≤2厘米。叶轮中间实度：减少85 %。多个小叶片面积之合：≤现有三只叶片投影总面积之合。多个小叶片总重：≤现有三只叶片重量之合的1/5。叶轮整体总重：≤现有三叶片叶轮的2/3。多个小叶片安装位置距离中心轴远，等于将动力设置在动力臂的远端，因此，叶轮扭矩 ≥现有三叶片技术三倍。

综上所述：以上简要介绍了全叶尖叶轮结构，具有原理清晰，结构简单的特点。风力发电发展需要破解的问题不止这一个，对以下问题进一步探索：

1、主轴轴承解决方案：根据滑动摩擦力与接触面积大小无关，不管是点、线、面接触，只跟滑动摩擦系数和正压力有关。主轴轴承采用，最适应于风力发电特点的低速、重载、抗冲击、可调心、无滚动体的滑动轴承。(如图4所示)滑动轴承轴颈和轴瓦是在密封、存油型轴承座内的润滑油中滑动。因滑动轴承没有滚动体和保持架，摩擦阻力小不易产生高温。每转动一圈均有完整、足够的油膜厚度，(0.05mm-0.1mm)消除了轴颈与轴瓦两摩擦表面的直接接触，具有吸振、可靠性高、成本低、不易产生高温、外径小、重量轻、适用于多种工况的优点。运维时只须排出污油、注入新油即可，大幅度延长了轴承使用寿命。

图4 主轴轴承

2、偏航轴承解决方案：根据滚动摩擦力与滚动体半径相关，滚动体越大滚动摩擦力越小。(也是杠杆原理)解决方案：釆用动力轮(类似动车轮)自驱偏航。

图5 偏航装置示意图

它改变了现有偏航轴承采用的内齿圈或外齿圈中间滚动体的结构，也改变了只能安装在塔筒最顶端，着力点集中的弊端。(如图5所示)

具体实施方案是：在塔筒上段的内、外壁上分别固定承重圈、限位圈，其中，动力轮轮缘的下踏面在承重圈上滚动、动力轮轮缘的上踏面在倒凹字形轨道内滚动，并承载机架及之上载荷，多个动力轮中间均设置驱动电机或液压马达。便于理解，可以形象的比喻：承重圈如同环形轨道，多个动力轮如同动车轮，倒凹字形轨道如同转向架，机架及之上的承载如同车箱，可以缓慢的前进、后退和刹车。无需再用电动机，齿轮轴与齿圈啮合的偏航方式。其中，塔筒与套筒之间的限位圈及限位轮、斜置限位轮等，将轴向、径向、倾覆力矩等综合载荷，分解至上段塔筒内、外壁多处。因此它适应于：更大筒径、更大载荷、更极端风况，具有稳定性好、造价低的特点。

3、关于变桨轴承：因采用小型化叶片变桨轻松自如，中小型轴承即可。以上基本解决了现有风机轴承应用中出现的难题。

全叶尖叶轮与三叶片叶轮比较优势在于，轮径相同、转速相同、扭矩倍增等优势，因此可采用：一塔、一轮、一轴、双发电机结构，(机舱前后各设置一台发电机)改变了三叶片一轮、一机，特别是直驱式机型前倾的问题。将对大型发电机制造、运输、吊装产生深远积极的影响。(如图6所示)

图6 变桨轴承示意图

塔架结构：受，空中造楼机可将四、五千吨的自重、材料、塔吊等在内的载荷顶升至五、六百米高空的启发。本专利采用上层塔筒、下层塔架，双层支撑结构。(图7所示)其中，下层塔架：由至少三根基础桩组成，(三点成一面)上层：单一塔筒,中间：自升平台所构成。自升平台可以搭载包括塔筒之上的整机，在地面吊装后自助升高。(如图7所示)