风电技术革新丨叶轮扭距倍增原理

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，以均布在轮缘周边上的多个小型叶片为动力的“全叶尖”叶轮结构(如图2所示)。

基本结构再描述：叶轮结构类型选用，与目前三叶片大型风机相同的水平轴单支撑结构。“全叶尖叶轮”顾名思义就是没有叶中和叶根。轮毂与轮缘之间利用斜拉索交叉牵引(近似于自行车辐条编排方式)形成一个轮体，将多个(单体面积十平方米以下)的小型叶片均布在轮缘周边。形象的比喻：就像在自行车轮的车圈外缘上安装多个小型叶片(叶片总面积与相同轮径的三叶片相等)。

利用杠杆原理可使叶轮扭距增加200%以上。假设，叶尖处有10公斤的力、叶尖距轴心支点(主轴)100米，相对于主轴的力矩就是1000公斤，同样10公斤的力，叶尖距主轴80米，相对于主轴的力矩就剩500公斤了（减少一半），也就是说同等大小的力，距主轴越远，叶轮获取的力矩越大。

背景技术：(如图1所示)现有三叶片叶轮存在着以下缺陷：

缺陷1、整个叶轮只有三只出力叶片，启动风速高、可利用小时少。

缺陷2、动力(风能)分散在整体叶片多处，并非集中在动力臂的远端，发挥不出杠杆效率、四两拨千斤的作用。

缺陷3、百米长、重达一、二十吨的大叶片只是靠叶根一端与轮毂连接，这种单支撑结构(抗弯曲强度)可靠性极差，叶片材质要求高。

通过以上两种叶轮结构对比至少有五大优势：

1、可见图2多个小叶片总面积≈图1三支叶片面积之合。叶片总面积相同，安装位置不同，实现了让更多的动力作用于动力臂远端。充分利用了杠杆原理，具有科学依据，(物理学杠杆定理是：动力×动力臂=阻力×阻力臂)，又有实验机的验证。

2、小型化的叶片制造材料选择范围宽，可采用非复合材料制作，待风机服役期限结束后，可以回收利用。

3、与现有三叶片技术对比:经过实验机验证，叶轮扭距至少可翻倍。这一结构设计是未来大幅度提升叶轮效率最佳方案。目前三叶片10MW机组，叶轮直径高达210米，如果采用全叶尖叶轮结构，同样也是210米轮径，单机容量可轻松突破30MW。假如单机容量不增加，轮径可减小20%左右。

4、具有高可靠性：反观现有三叶片技术，百米长的大叶片只是靠叶根一端与轮毂连接，这种单支撑设计是抗弯曲强度，而全叶尖结构是：轮毂与轮缘之间利用斜拉索(钢缆)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，轮体中间实度减少了70%左右，大型可超过摩天轮轮径，载荷可达千吨。具有高可靠性、轻量化、重载荷、降本增效多重目的。

5、大幅度降低成本：几厘米厚、几平方米的小型叶片与桶形、半筒形的现有叶片比；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、重量等等，均是根本性的改变。多个小叶片造价之合，只是现有三叶片的百分之几，叶轮总体造价至少降低50%。

6、根据风况变化，调整出力叶片数量。变桨机构密封安装在轮缘内(加装密封板后轮缘截面呈倒三角形)。采用双轴变桨方式，可根据风况变化不同调整出力叶片数量多少。低风速时出力叶片多，高风速时关闭部分叶片，遇，极端风况时关闭所有叶片，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，适应海上、陆地等多种风力发电场所。

全叶尖叶轮设计，具有科学依据又有实验机验证，原理清晰、结构简单。专利看什么？就是看结构，通过结构创新，使叶轮效率倍增、可靠性更高、造价更低、叶轮重量大幅度降低、启动风速更低、年有效发电小时大幅度提升。全叶尖结构设计，为更大兆瓦机型拓展提供了无限的可能。

相信不远的将来风电一定会像光伏那样，通过技术变革大幅度降低度电成本。

图3-1 、3-2 序号说明：1叶片、 2 密封板、 3 轮缘、 4 斜拉索、 5 碟状法兰、 6 主轴、 7 叶轮、 8 变桨电机、 9 电动推杆、 10 通孔、 11 圆弧形导轨、 12 限位滑块、 13 横向支撑杆、 14 杆端轴承、 15 叶片翻转连杆、 16 叶片支架、 17 中滑块、 18 中间导轨。

7、轮体截面图：3-1 局部放大图：3-2

这不是天方夜谭，本人制作了一台轮径6米的小型实验机(有视频)，实验当天(雾霾)当风速达到0.8m/s时叶轮即可启动(空载)其原因是：出力叶片多，而且叶片距离中心轴端远，每只小叶片均处在轮体边缘(叶尖位置)，起到了四两拨千斤作用。

为了务实合作：您可花很少的钱，先制作一个小型全叶尖叶轮(或计算机模拟)。然后用扭矩测试仪与同等轮径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。

另外还有多项专利，寻:愿通过实施知识产权战略，而求变的合作伙伴。

发明人：戚胜基