北极星风力发电网讯:决定风力发电效率的关键是叶轮效率，如果能将风轮扭矩提高几倍？

对于风力发电来说将是一场革命。现有三叶片风力发电机的叶尖部分，虽然仅占整体叶片长度的20%,但是它所产生的升力既可达到整体叶片的50%(杠杆原理)。假设将叶片全部变为多个只有几平方米的小叶尖，叶轮扭矩（根据轮径不同）至少提升100%以上。

(图1) 三叶片结构、全叶尖结构

通过以上两图对比：叶尖位置均在叶轮最边沿,但是叶尖面积及数量确倍增了。显而易见，叶轮扭矩自然也会倍增。这不是天方夜潭！实验机已经证实了这一设计可行性，轮径相同，扭矩倍增。

风轮结构：安装在主轴前端的两片碟状法兰，利用斜拉索交叉牵引V形轮缘内侧，形成轮体。然后将多个只有几平方米的小叶片(叶尖)，均布在V形轮缘上，形成单支撑、水平轴、全叶尖叶轮。如：图2所示。

图2 全叶尖叶轮结构图 图2-1局部放大图

效率倍增的科学依据：全叶尖结构的轮缘周长是现有三叶片轮毂的几十倍，可设置叶片空间大、数量多(等于增加了动力)。同时叶片设置在轮缘上，距中心轴距离远(又等于延长了动力臂)。物理学杠杆定理是：动力×动力臂=阻力×阻力臂。

虽然全叶尖结构的叶轮风载比三叶片风轮大几倍，可靠性是毋庸置疑的。因为，全叶尖叶轮支撑结构是：法兰与轮缘之间是利用斜拉索(钢缆)以放射状交叉牵引的双支撑结构，是抗拉强度。而三叶片则是将叶根安装在轮毂上的单支撑结构，是抗弯曲强度。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。用钢缆双支撑结构，取代了三叶片靠叶根和叶中的过渡支撑，叶轮可靠性大幅度提升。决定风力发电效率的关键是叶轮效率，应成为创新的主体。据说，额定功率14mw的叶轮轮径达到200多米。如果采用相同轮径的全叶尖叶轮，可靠性高，扭矩可提高100%以上，单机容量可突破30mw。单支撑的三叶片放大己接近极值，必须另辟蹊径。

变桨结构：设置在V形轮缘上的叶片具有双轴变桨功能。如：图2-1局部放大图所示其中，一轴调整叶片攻角，另一轴可使叶片与轮缘处于合二为一的闭合状态。叶片全部闭合时只有1～2厘米左右的(截面)厚度，叶轮基本上只是轮体框架。双轴变桨功能，实现了可根据空气密度、风速调整出力叶片多少，在启动风速、满负荷风速、与切岀风速之间大范围优化控制，可利用小时更长。适用于高风速及低风速多种风力发电场所。

传动结构：如图3所示，主轴经过双轴承支撑，中间直驱一台永磁发电机，再利用主轴未端的内齿圈与外齿轮轴啮合。由于齿轮轴的齿数比内齿圈齿数少，因此，实现了传动扭距和增速的双重目的。只有全叶尖叶轮扭矩倍增及传动方式，才可以半直驱第二台发电机。实现了一个叶轮可同时直驱、半直驱两台发电机。从而解决了永磁直驱发电机机舱配重不均前倾、单一发电机极对多、体积大的问题。

偏航方式：根据滚动摩擦力与滚动体半径相关，(也是杠杆原理)釆用自驱式滚动轮偏航装置。

图4 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。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，带有驱动电机的滚动轮轮缘的下踏面在承重圈上滚动、滚动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，所述滚动轮中间设置驱动电机。形象的比喻：承重圈如同轴承下圈，倒凹字形轨如同轴承上圈，多个可驱动的滚动轮如同滚动体。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。具有稳定性好、工况要求低、造价低、载荷大的特点。

轴承解决方案：根据滚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。因此，本专利主轴、从动轴，均釆用无滚动体的适应低速、重载、抗冲击、可调心的关节滑动轴承。关键在于：轴颈和轴瓦是在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，摩擦阻力小且不易产生高温。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，还具有吸振、低噪声、使用远远超出整机全生命周期。其中，变桨只需小型轴承。偏航釆用可自驱动滚动轮结构。全部解决了现有风机轴承使用中出现的难题。

图5：关节滑动轴承图片

塔架支撑结构：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。本专利采用上塔筒、下筒架，双层支撑结构。(图7所示)其中，下层塔架：是由多根(至少三根)立柱形成，上层：单一塔筒,中间：升降平台所构成。升降平台可以搭载包括塔筒之上的整机，在地面吊装后自助升降。自助升降方案：包括以下步骤：步骤1：将升降平台预留口套入相对应的多根塔架立柱的底部基础，并完成升降平台之上的塔筒及整机吊装。步骤2：安装完第一节塔架立柱(或混凝土浇筑)后，利用长行程的液压缸逐级顶升至一定高度后，完成塔间连接及圈梁，再安装第二节塔架立柱。步骤3：反复循环至所需高度后，将升降平台紧固在最终一层塔间连接圈梁上。吊机只需在地面吊装上层塔筒及整机，大幅度降低了吊装高度，以顶升达到更高高度。为了方便大部件在全生命周期内更换维修，以及退役后拆除，下降步骤与顶升步骤相反。(图6所示)

自助升降最关键是升降平台之上的塔筒及整机稳固。因此，多种措施，保障了塔筒及整机稳固。可将整机顶升至目前吊机无法达到的高度。徦如：下层塔架高度是150米，上层塔筒上的轮毂高度110米，叶轮轮径200米，整机有望突破350米或更高。假如本发明人的设想可以实现，风电十三五规划的风机高度突破300～500米，单机容量突破15兆瓦以上的目标就能实现。

为了您合作的可靠性：经发明人书面同意，您可花很少的钱，先制作一个(全叶尖)小型简易实体叶轮或数字模拟。然后用扭矩测试仪与同等尺寸的三叶片叶轮进行对比，不比不知道，经过对比，您会深切的感受到它将改变风电历史、具有革命性。

图6：塔架支撑结构示意图

综上所述：通过全方位的结构创新，风机可靠性更高，单机容量更大，生命周期更长，整机造价、度电成本、运维成本更低。专利看什么？就是看结构！只有互联网、大数据、人工智能，与结构创新融为一体。(软硬件兼容)才能使我国风电技术领先世界。无论未来是竞价或平价上网，唯有创新才有立足之地。

摘录自：北极星风力发电网

供稿人：穆野/审批人：陈险峰

                             日期：2019年8月20日