1.本发明涉及新能源风力发电设备技术领域，更具体地说是一种垂直轴风力机。
背景技术：2.为了实现可持续发展，需要以一切可能方式满足日益增长的能源需求。可再生能源在满足能源需求和减少环境影响等方面发挥重要作用。风能是主要的可再生能源之一，在过去的几十年里风能利用规模经历了指数级的增长，其中，风力发电机的安装规模和数量在过去10年里几乎翻了一番，2021年底，风力发电机的总装机功率进一步加速增加至68gw。风力发电机组根据风轮旋转轴的方向可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两大类。在过去的几个世纪里，水平轴风力发电机得到了很大程度的研究和发展，成为应用最广泛的风力发电机，但水平轴风力发电机组的结构系统与控制设备复杂且高度耦合，全生命周期内投资巨大，安装与调试、运行与维护的成本过高。另一方面，自20世纪80年代以来，垂直轴风力发电机已成为一种受关注的风能利用方式，在提高单机发电能力方面显示出了巨大的潜力。
3.根据叶片所利用的气动力种类，垂直轴风力发电机分为阻力型和升力型。升力型垂直轴风力发电机，根据其叶片的形状，可以分为φ型垂直轴风力机和h型垂直轴风力机。特别是h型风轮的垂直轴风力机，由于其风能利用效率高和结构相对简单而得到越来越广泛的应用和发展。相比之下，在额定功率为2kw及以上时，阻力型垂直轴风力发电机风能转换效率低且经济效益低。此外，无风向性要求、低噪声、不产生次声波、重要设备离地近、易于安装、调试、运行、维护等优点更使得升力型垂直轴风力发电机适合大型化设计与应用。廉价的叶片制造技术以最小的制造成本提高了升力型垂直轴风力机的可靠性和适用性。
4.公开号cn101660488a发明的垂直轴风力机，转轴、横梁和支撑轴的t型构型导致风轮的重心过高，垂直轴风力机容易发生倾覆或者根部断裂；公开号cn101302994b发明的垂直轴风力机，转轴、支撑轴和控制系统位于风轮的中心，导致整体重心上移，垂直轴风力机容易发生倾覆；公开号cn106050554b发明的垂直轴风力机横梁和塔架构成的h型风轮，会使得风轮转轴的强度不足，垂直轴风力机容易发生倾覆或者根部断裂。
5.φ型垂直轴风力机和h型垂直轴风力机均存在不同的结构缺点。φ型垂直轴风力机为了使叶片不承受离心力载荷且只承受张力，导致叶片弯曲并且长度增加，同时叶片的两端均需要连接在转轴上，亦导致了转轴长度增加。在运行过程中，风轮会产生其它自由度的相对运动，需要额外增加拉索用于连接转轴顶端与地面支座，拉索的预紧力会导致风力机旋转部件的摩擦损耗增大。h型垂直轴风力机产生的离心力导致直叶片在连接处产生明显的弯曲应力，连接杆与叶片以悬臂梁的形式与转轴连接，导致叶片容易发生挥颤、扭转等其它形式的运行，同时转轴和连接杆需要承受巨大的倾覆力矩。最后，升力型垂直轴风力机的共有特征为主轴长度远大于风轮高度(h
rotor
＞＞h
hub
)，导致此类风力机的重心过高，或者主轴连接处因承受较大载荷而容易发生疲劳断裂；升力型垂直轴风力机在低风速工况下缺乏稳定的自启动能力。
6.由此可见，降低风轮的重心、减轻风轮的重量、提高风轮的结构强度与刚度、提升风轮的自启动能力是实现垂直轴风力发电机的大型化的关键技术路径，特别是提高垂直轴风力发电机单机功率至兆瓦级的突破点。
技术实现要素：7.本发明的目的是提供一种垂直轴风力机，可以克服现有风力发电设备存在的结构与气动方面问题，具有结构简单、稳定性强且故障率低的优点，提高风能利用效率，有利于垂直轴风力发电机的大型化应用与推广。
8.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
9.一种垂直轴风力机，包括多个主叶片，多个主叶片均匀分布在一个虚拟圆上，每个主叶片的下端均耦合有第二横杆，多个第二横杆的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上，每个主叶片和同一竖直平面内对应的第二横杆之间均耦合有第一斜腹杆，多个第一斜腹杆上均固定连接有与其交叉设置的第一横杆，多个第一横杆的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上，第一斜腹杆与主叶片的连接处至主叶片顶端的距离为四分之一主叶片长度；
10.所述第一横杆在第一斜腹杆和第一横杆的连接点处延伸固定在主叶片上；
11.每个第二横杆上均固定连接有第二斜腹杆，第二斜腹杆的中部固定连接在同一竖直平面内对应的第一斜腹杆上，第二斜腹杆的端部固定连接在同一竖直平面内对应的第一横杆上；
12.每个主叶片和每个第一斜腹杆之间均固定连接有第三横杆；
13.所述第一斜腹杆的一端通过连接器相对运动连接主叶片上，第一斜腹杆的另一端通过连接器相对运动连接第二横杆上；
14.所述第一斜腹杆的一端固定在主叶片上，第一斜腹杆的另一端固定在第二横杆上；
15.所述主叶片、第一斜腹杆和第一横杆的数量相同，第二横杆设置有两个，两个第二横杆之间固定连接有辅助横杆，辅助横杆的两端和两个第一斜腹杆之间固定连接有四个第四斜拉索；
16.所述主叶片、第一斜腹杆和第一横杆的数量相同，第二横杆至少设置有三个，相邻的第一斜腹杆之间固定连接有第一横拉索和第二横拉索，辅助横杆的两端和两个第一斜腹杆之间设置有第四斜拉索，第一斜腹杆和同一竖直平面内对应的第三横杆之间固定连接有第一斜拉索，第一斜腹杆和同一竖直平面内对应的第一横杆之间固定连接有第二斜拉索，第一斜腹杆和同一竖直平面内对应的第二横杆之间固定连接有第三斜拉索。
17.本发明的有益效果为：
18.通过设计和优化由第一斜腹杆和第二横杆组成的新型支撑系统，代替了原有的转轴和连接杆结构，避免了转轴因强度不足而导致结构断裂等故障问题，提高垂直轴风力发电机的结构性能，也避免了连接杆因刚度不足而导致主叶片挥颤、扭转等气动问题，提高垂直轴风力发电机的气动性能；
19.通过设计和第一斜腹杆和第二横杆的结构，极大地降低了垂直轴风力发电机的重心，减少了装置的弯曲受力，增加装置的使用寿命；
20.通过设计和优化第一斜腹杆、第一横杆、第二横杆、第二斜腹杆、第三横杆和辅助横杆的截面形状，可以适当地增加了启动力矩，有利于提高垂直轴风力发电机在低风速工况下的自启动能力；
21.通过设计和优化第一横拉索、第二横拉索、第一斜拉索、第二斜拉索；第三斜拉索和第四斜拉索的结构，可以进一步地减少新型支撑系统的重量，提高其结构强度和刚度；
22.通过模块化制造方法，提高垂直轴风力发电机组各零部件的通用性与高效性，降低新型垂直轴风力发电机的经济成本，有利于大型化的应用与推广。
附图说明
23.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
24.图1是本发明的两叶片垂直轴风力机结构示意图立体图；
25.图2是本发明的两叶片垂直轴风力机结构示意图正视图；
26.图3是本发明的两叶片垂直轴风力机结构示意图俯视图；
27.图4是本发明的三叶片垂直轴风力机结构示意图立体图；
28.图5是本发明的三叶片垂直轴风力机结构示意图正视图；
29.图6是本发明的三叶片垂直轴风力机结构示意图俯视图；
30.图7是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图立体图；
31.图8是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图正视图；
32.图9是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图俯视图；
33.图10是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图立体图；
34.图11是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图正视图；
35.图12是本发明的中、大型两叶片垂直轴风力机结构示意图俯视图；
36.图13是本发明的主叶片截面外形为naca0018，第一斜腹杆、第一横杆、第二横杆、第二斜腹杆和第三横杆截面外形为naca0030翼型运动仿真示意图；
37.图14是本发明的主叶片截面外形为naca0018，第一斜腹杆、第一横杆、第二横杆、第二斜腹杆和第三横杆截面外形为椭圆型运动仿真示意图。
38.图中：主叶片1；第一斜腹杆2；第一横杆3；第二横杆4；第二斜腹杆5；第三横杆6；第一横拉索7；第二横拉索8；第一斜拉索9；第二斜拉索10；第三斜拉索11；第四斜拉索12；辅助横杆13。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
40.为了解决“如何克服现有风力发电设备存在的结构与气动方面问题”这一技术问题，下面结合附图1至12所示，对一种垂直轴风力机的结构和功能进行详细的说明；
41.主叶片1可以根据不同的使用需求，设置成不同的数量，主叶片1至少设置为两个，对应的第一斜腹杆2、第一横杆3和第二横杆4也设置成相同的数量，同时本发明也对应的不同使用情况，添加了能够增加装置结构强度的第二斜腹杆5、第三横杆6、第一横拉索7、第二横拉索8、第一斜拉索9、第二斜拉索10、第三斜拉索11、第四斜拉索12和辅助横杆13；
42.下面以具体的实施方式为例，具体说明；
43.其中图1至图3为适用于小型的两叶片垂直轴风力机，下面对小型的两叶片垂直轴风力机的结构和功能进行详细的说明；
44.第二横杆4设置有两个，两个第二横杆4的内端相互固定连接，这里的固定连接可以是焊接或者螺钉固定连接，两个第二横杆4上均固定连接有主叶片1，这里的固定连接可以是焊接或者螺钉固定连接；
45.主叶片1和第二横杆4之间连接有第一斜腹杆2，第一斜腹杆2可以通过螺栓或者焊接的方式固定连接在主叶片1和第二横杆4之间；
46.第一斜腹杆2也可以通过连接器连接在主叶片1和第二横杆4之间，其中连接器可以是滑轨和滑块，也可以是其它可以进行滑动锁定的机械机构，如将滑轨固定连接在主叶片1上，第一斜腹杆2上固定连接有滑块，在滑块上在通过螺纹连接螺钉，使得螺钉的内端顶在滑轨上，滑块滑动在滑轨上，使得第一斜腹杆2和主叶片1之间可以进行相对滑动，同时还可以通过螺钉进行定位，同理第一斜腹杆2和第二横杆4也这样连接，这样可以根据不同的使用需求，调整第一斜腹杆2的位置，使得主叶片1相对于旋转中心线进行转动，以满足风力机改变主叶片1与来流空气的相对角度；
47.如图2所示，两个第一斜腹杆2之间构成一个u形状对装置进行支撑，通过两个第一斜腹杆2、两个第二横杆4和两个第一横杆3取代了现有技术中的垂直放置的转轴与立柱，承载装置的质量；
48.两个主叶片1均匀分布在一个圆周上，主叶片1的方位垂直于水平面既平行于旋转中心线，当两个主叶片1受到风力时，两个主叶片1旋转带动两个第二横杆4进行转动，两个第二横杆4之间的连接位置和两个主叶片1的旋转中心重合；
49.由于，第二横杆4的连接位置是旋转中心，第二横杆4位于装置的下端，进而降低了装置的重心，减少了装置的弯曲受力，增加装置的使用寿命；
50.在第二横杆4的虚拟圆的圆心处，可设计一个圆柱形连接件，内表面为花键，与轴形的增速器配合连接，将风能传输至发电机或者数字凸轮泵中；
51.进一步的，在第一斜腹杆2之间固定连接有两个第一横杆3，两个第一横杆3的连接位置和两个主叶片1的旋转中心重合，两个第一横杆3用于进一步提高装置的强度；
52.其中图4至图6为适用于小型的三叶片垂直轴风力机，下面对小型的三叶片垂直轴风力机的结构和功能进行详细的说明；
53.第二横杆4设置有三个，三个第二横杆4的内端相互固定连接，这里的固定连接可以是焊接或者螺钉固定连接，三个第二横杆4上均固定连接有主叶片1，这里的固定连接可以是焊接或者螺钉固定连接；
54.主叶片1和第二横杆4之间连接有第一斜腹杆2，第一斜腹杆2可以通过螺栓或者焊接的方式固定连接在主叶片1和第二横杆4之间；
55.第一斜腹杆2也可以通过连接器连接在主叶片1和第二横杆4之间，其中连接器可以是滑轨和滑块，也可以是其它可以进行滑动锁定的机械机构，如将滑轨固定连接在主叶片1上，第一斜腹杆2上固定连接有滑块，在滑块上在通过螺纹连接螺钉，使得螺钉的内端顶在滑轨上，滑块滑动在滑轨上，使得第一斜腹杆2和主叶片1之间可以进行相对滑动，第一斜腹杆2和主叶片1可以相对于旋转中心线转动，第一斜腹杆2和主叶片1可以相对于旋转中心线转动，同时还可以通过螺钉进行定位，同理第一斜腹杆2和第二横杆4也这样连接，这样可
以根据不同的使用需求，调整第一斜腹杆2的位置，使得主叶片1相对于旋转中心线进行转动，以满足风力机改变主叶片1与来流空气的相对角度；
56.如图5所示，相邻的两个第一斜腹杆2之间构成一个u形状对装置进行支撑，通过两个第一斜腹杆2、两个第二横杆4和两个第一横杆3取代了现有技术中的垂直放置的转轴与立柱，承载装置的质量；
57.三个主叶片1均匀分布在一个圆周上，主叶片1的方位垂直于水平面既平行于旋转中心线，当三个主叶片1受到风力时，三个主叶片1旋转带动三个第二横杆4进行转动，三个第二横杆4之间的连接位置和三个主叶片1的旋转中心重合；
58.由于，第二横杆4的连接位置是旋转中心，第二横杆4位于装置的下端，进而降低了装置的重心，减少了装置的弯曲受力，增加装置的使用寿命；
59.进一步的，第一横杆3和第二横杆4相对于旋转中心线对称分布，在三个第一斜腹杆2之间固定连接有三个第一横杆3，三个第一横杆3的连接位置和三个主叶片1的旋转中心重合，三个第一横杆3用于进一步提高装置的强度；
60.其中图7至图9为适用于大型的两叶片垂直轴风力机，为了增加装置的强度，在小型的两叶片垂直轴风力机的机构上，进一步增加设置了第二斜腹杆5、第三横杆6、第一横拉索7、第二横拉索8、第一斜拉索9、第二斜拉索10、第三斜拉索11、第四斜拉索12和辅助横杆13，下面对大型的两叶片垂直轴风力机的结构和功能进行详细的说明；
61.所述第一横杆3在第一斜腹杆2和第一横杆3的连接点处延伸固定在主叶片1上，每个第二横杆4上均固定连接有第二斜腹杆5，第二斜腹杆5的中部固定连接在同一竖直平面内对应的第一斜腹杆2上，第二斜腹杆5的端部固定连接在同一竖直平面内对应的第一横杆3上，每个主叶片1和每个第一斜腹杆2之间均固定连接有第三横杆6；
62.所述主叶片1、第一斜腹杆2和第一横杆3的数量相同，第二横杆4设置有两个，两个第二横杆4之间固定连接有辅助横杆13，辅助横杆13和第二横杆4垂直设置，辅助横杆13的两端和两个第一斜腹杆2之间固定连接有四个第四斜拉索12；
63.相邻的第一斜腹杆2之间固定连接有第一横拉索7和第二横拉索8，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第三横杆6之间固定连接有第一斜拉索9，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第一横杆3之间固定连接有第二斜拉索10，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第二横杆4之间固定连接有第三斜拉索11；
64.其中图10至图12为适用于大型的三叶片垂直轴风力机，为了增加装置的强度，在小型的三叶片垂直轴风力机的机构上，进一步增加设置了第二斜腹杆5、第三横杆6、第一横拉索7、第二横拉索8、第一斜拉索9、第二斜拉索10、第三斜拉索11和第四斜拉索12，当主叶片1的数量大于三个时，则不再设置辅助横杆13，下面对小型的三叶片垂直轴风力机的结构和功能进行详细的说明；
65.所述第一横杆3在第一斜腹杆2和第一横杆3的连接点处延伸固定在主叶片1上，每个第二横杆4上均固定连接有第二斜腹杆5，第二斜腹杆5的中部固定连接在同一竖直平面内对应的第一斜腹杆2上，第二斜腹杆5的端部固定连接在同一竖直平面内对应的第一横杆3上，每个主叶片1和每个第一斜腹杆2之间均固定连接有第三横杆6；
66.所述主叶片1、第一斜腹杆2和第一横杆3的数量相同，第二横杆4设置有三个，相邻的第一斜腹杆2之间固定连接有第一横拉索7和第二横拉索8，第四斜拉索12位于辅助横杆
13的两端和两个第一斜腹杆2之间，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第三横杆6之间固定连接有第一斜拉索9，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第一横杆3之间固定连接有第二斜拉索10，第一斜腹杆2和同一竖直平面内对应的第二横杆4之间固定连接有第三斜拉索11；
67.综上所述其中，主叶片1的展向外形包括但不限于直叶片、弯叶片和多段叶片模块化组装而成；
68.主叶片1的气动翼型包括但不限于对称翼型和非对称翼型；
69.优选的，主叶片1的气动翼型为对称翼型naca0018系列，该系列的翼型外形具有厚度适中，失速攻角较小等优良的气动性能；
70.如图13和图14所示，均表示风力机周围流场的涡量，以速度附着颜色。从如图13可以明显地看出，支撑系统截面外形为naca0030翼型时，主叶片1对周围流场的扰动较小，尾迹区域明显更小，即流场恢复程度更快。相反，图14则显示，支撑系统截面外形为普通椭圆时，风力机周围流场更加紊乱。
71.主叶片1的方位包括但不限于垂直、倾斜或者存在折角；
72.第一斜腹杆2、第一横杆3、第二横杆4、第二斜腹杆5、第三横杆6和辅助横杆13的形状截面包括但不限于气动翼型、椭圆型、圆型、t型和方型；
73.优选的，第一斜腹杆2、第一横杆3、第二横杆4、第二斜腹杆5、第三横杆6和辅助横杆13的形状截面为翼型外形naca0030，该系列的翼型外形具有厚度较大，能够提高较大的结构刚度，保证主叶片1的刚度；同时，naca0030翼型截面的斜杆和横杆能为垂直轴风力发电机的风轮提供额外的气动力，显著地提高风轮的自启动能力；
74.第一斜腹杆2、第一横杆3、第二横杆4、第二斜腹杆5、第三横杆6和辅助横杆13的内部结构包括但不限于桁架和框架；
75.第一斜腹杆2和第二斜腹杆5与地面倾斜的角度优选为45
°
；
76.第一斜腹杆2和第二斜腹杆5两者交叉装配的角度优选为90
°
；
77.所述第一斜腹杆2与主叶片1的连接处至主叶片1顶端的距离为四分之一主叶片1长度。
技术特征：1.一种垂直轴风力机，包括多个主叶片(1)，其特征在于：多个主叶片(1)均匀分布在一个虚拟圆上，每个主叶片(1)的下端均耦合有第二横杆(4)，多个第二横杆(4)的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上，每个主叶片(1)和同一竖直平面内对应的第二横杆(4)之间均耦合有第一斜腹杆(2)。2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述第一斜腹杆(2)的一端通过连接器相对运动连接主叶片(1)上，第一斜腹杆(2)的另一端通过连接器相对运动连接第二横杆(4)上。3.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述第一斜腹杆(2)的一端固定在主叶片(1)上，第一斜腹杆(2)的另一端固定在第二横杆(4)上。4.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：多个第一斜腹杆(2)上均固定连接有与其交叉设置的第一横杆(3)，多个第一横杆(3)的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上。5.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述第一横杆(3)在第一斜腹杆(2)和第一横杆(3)的连接点处延伸固定在主叶片(1)上。6.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：每个第二横杆(4)上均固定连接有第二斜腹杆(5)，第二斜腹杆(5)的中部固定连接在同一竖直平面内对应的第一斜腹杆(2)上，第二斜腹杆(5)的端部固定连接在同一竖直平面内对应的第一横杆(3)上。7.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：每个主叶片(1)和每个第一斜腹杆(2)之间均固定连接有第三横杆(6)。8.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述主叶片(1)、第一斜腹杆(2)和第一横杆(3)的数量相同，第二横杆(4)设置有两个，两个第二横杆(4)之间固定连接有辅助横杆(13)，辅助横杆(13)的两端和两个第一斜腹杆(2)之间固定连接有四个第四斜拉索(12)。9.根据权利要求7所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述主叶片(1)、第一斜腹杆(2)和第一横杆(3)的数量相同，第二横杆(4)至少设置有三个，相邻的第一斜腹杆(2)之间固定连接有第一横拉索(7)和第二横拉索(8)，辅助横杆(13)的两端和两个第一斜腹杆(2)之间连接有第四斜拉索(12)，第一斜腹杆(2)和同一竖直平面内对应的第三横杆(6)之间固定连接有第一斜拉索(9)，第一斜腹杆(2)和同一竖直平面内对应的第一横杆(3)之间固定连接有第二斜拉索(10)，第一斜腹杆(2)和同一竖直平面内对应的第二横杆(4)之间固定连接有第三斜拉索(11)。10.根据权利要求1至9任一项所述的一种垂直轴风力机，其特征在于：所述第一斜腹杆(2)与主叶片(1)的连接处至主叶片(1)顶端的距离为四分之一主叶片(1)长度。
技术总结本发明涉及新能源风力发电设备技术领域，更具体的说是一种垂直轴风力机，包括多个主叶片，多个主叶片均匀分布在一个虚拟圆上，每个主叶片的下端均耦合有第二横杆，多个第二横杆的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上，每个主叶片和同一竖直平面内对应的第二横杆之间均耦合有第一斜腹杆，多个第一斜腹杆上均固定连接有与其交叉设置的第一横杆，多个第一横杆的内端之间相互固定连接在虚拟圆的圆心上，第一斜腹杆与主叶片的连接处至主叶片顶端的距离为四分之一主叶片长度；可以克服现有风力发电设备存在的结构与气动方面问题，具有结构简单、稳定性强且故障率低的优点，提高风能利用效率，有利于垂直轴风力发电机的大型化应用与推广。与推广。与推广。
技术研发人员：姚英学 程碧懿
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2022.05.11
技术公布日：2022/7/5
