一種風輪的製作方法
2023-08-04 07:42:16 1
專利名稱：一種風輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及用風力發電的水平軸風力發電機的一種風輪。按結構風力發電機可分為水平軸和垂直軸兩種風力發電機。兩種風力發電機的風輪有明顯的不同。本發明屬於水平軸風力發電機所用的風輪，當然水平軸風力發電機只是一種風力發電機的類型，不是說其主軸一定要與水平面平行，有許多風力發電機的主軸的風輪端上翹一個角度，仍屬於水平軸風力發電機。按風力發電機的規模可分為小型、中型和大型，本發明屬於中型和大型風力發電機。風力發電機分為變漿距控制和失速控制兩種，本發明屬於一部分葉片變漿距控制，而另一部分葉片採用葉片失速控制的風輪。
背景技術：
水平軸風力發電機的風輪包括與水平主軸連接的懸臂布置於水平主軸一端的輪轂，以懸臂梁型式均勻分布在輪轂上的細而長的葉片，一部分風電機組還包括用於驅動葉片自轉的變漿距裝置。由於葉片的形狀細而長，其長度甚至在50米以上，而且是一個典型的懸臂梁結構，所以在葉片上，尤其是靠近根部的位置上，受到的彎矩非常巨大。為了能夠承受這種彎矩，大中型風力發電機葉片的根部都設計得比較粗，把這樣的葉片安裝在狹窄的輪轂上顯得非常擁擠，這是目前95%以上的風輪都採用2至3片葉片的原因之一，顯然這樣少葉片的風輪中葉片的迎風面積要比風輪旋轉時的掃風面積小得多，所以風能利用率低。另一方面，為了避免葉片折斷，都是採用高強度的材料製造葉片，同時為了減輕重量，目前所用的主流材料是高強鋼材加玻璃鋼，隨著容量的增大，玻璃鋼的強度已不能滿足要求，所以近年來出現了碳纖維葉片，但是碳纖維材料比較稀缺，價格很貴，這使得急需降低的風電價格承受不起。另一方面，失速控制的風輪已逐漸被可變漿距的風輪淘汰。這個潮流決定了新型大中型風力發電機必須能夠變漿距，可是變漿距時要求各葉片可以繞其自身的軸線獨立轉動，這個要求使得變漿距葉片多年來一直是懸臂結構，很難改變。另外，風輪的結構複雜又會使風阻加大，所以變漿距操作對風輪形狀的要求以及流體力學對風輪形狀的要求已經把風輪的形狀限制得死死的，所以多年來風輪一直是老樣子，很少有突破。
發明內容
本發明的目的是提供一種使葉片受力狀態好，風能利用率高，成本低，材料易得，又能適應風機容量繼續增大以降低每度電成本的要求的一種風輪。為了解決上述問題，本發明用於風力發電的水平軸風力發電機的一種風輪，包括葉片、葉片體轉動副、輪轂和杆件，其特徵是所述葉片分為固定葉片和可變漿距葉片兩種，固定葉片、可變槳距葉片與輪轂和杆件之間組成桁架結構，可變漿距葉片通過葉片體轉動副與桁架結構連接、在電力或液力驅動下可相對於桁架結構做變漿距轉動；所述葉片體轉動副是設在除葉片根部以外的葉片體上，使葉片或葉片的一部分能相對於桁架結構做變漿距轉動的轉動副。所述的一種風輪，其特徵是組成桁架結構的杆件分為中心杆、緯杆和徑向杆三種，中心杆處於輪轂中心線的位置上，中心杆的一端與輪轂連接，中心杆上連接有徑向杆件，徑向杆的另一端與相應的固定葉片連接，構成桁架結構；緯杆的兩端分別與相鄰的兩個葉片或葉片體轉動副連接，可變槳距葉片通過葉片體轉動副與構成桁架結構的固定葉片的外端連接。所述的一種風輪，其特徵是所述葉片分成抗轉矩固定葉片和可變槳距葉片兩種；抗轉矩固定葉片的橫斷面為流線型，其一端固定在輪轂上，另一端與抗轉矩杆件的一端連接，抗轉矩杆件的另一端與設在可變槳距葉片上的葉片體轉動副連接；所述可變槳距葉片的根部安裝在輪轂上，在設在輪轂內的變槳距裝置的驅動下實現變槳距轉動。所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中有一種是一端與輪轂連接並處於風輪中心線位置上的中心杆，還有一種是一端與中心杆連接，另一端與葉片或葉片體轉動副連接的徑向杆，所述徑向杆的橫斷面是可使風輪產生圓周推力的流線型。所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中受拉力的杆件是拉索。所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中有一種是一端與輪轂連接並處於風輪中心線位置上的中心杆，該中心杆是桁架結構。所述的一種風輪，其特徵是所述固定葉片向外側傾斜，其靠近輪轂的根部段固定在輪轂上，不能做變漿距轉動，根部段與杆件連接在一起組成稜錐狀的桁架結構，可變槳距葉片與固定葉片的外端採用葉片體轉動副連接。所述的一種風輪，其特徵是所述可變漿距葉片通過葉片體轉動副連接在固定葉片的側面，使他與固定葉片之間可進行變漿距轉動；所述固定葉片的一端與輪轂相連，均布於同一個平面或同一個錐面內，固定葉片成為可變槳距葉片的骨架。所述的一種風輪，其特徵是所述固定葉片是桁架結構，構成桁架的杆件的橫斷面形狀是可產生圓周推力的流線型，固定葉片的一端與輪轂固定在一起，並且作為可變槳距葉片的骨架，固定葉片的桁架與輪轂和杆件組成大的桁架結構，可變槳距葉片，通過葉片體轉動副連接在固定葉片的側邊，使它與固定葉片之間進行變漿距轉動。採用這樣的結構後就可以在可變漿距的情況下把葉片根部受到的巨大的彎矩轉化成桁架結構的內力，從而減小葉片根部的直徑，所以在狹窄的輪轂上可以布置更多的葉片，提高風能利用率，這樣在設備投資增加較少的情況下就能得到更多的電能。另一方面使用原有的主流材料就可以把葉輪做得更大，從而增加發電量，降低每度電的成本。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。圖1是本發明一種風輪第一種實施方式的主視圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是本發明一種風輪第二種實施方式的主視圖。圖4是圖3的俯視圖。圖5是圖3在I處的放大圖。圖6是本發明一種風輪第三種實施方式的主視圖。圖7是圖6的俯視圖。圖8是本發明一種風輪第四種實施方式的主視圖。
圖9是本發明一種風輪第五種實施方式的主視圖。圖10是圖9的A-A剖面的放大圖。
具體實施例方式結合圖1和圖2，本發明一種風輪的第一種實施方式，包括六個可變槳距葉片1、六個固定葉片8、輪轂2、中心杆3、徑杆4、固定緯杆18、葉片體轉動副7。位於風輪旋轉中心線6上的中心杆3的一端與輪轂2連接，另一端與徑杆4連接，徑杆4的另一端與固定葉片8連接。葉片體轉動副7做在可變槳距葉片I的本體與固定葉片8的頂端之間，葉片體轉動副7的軸線與可變漿距葉片I在進行變漿距轉動時的軸線5重合，緯杆18連接在相鄰的兩個固定葉片8之間。在第一種實施方式中，來風方向可以是雙向的。當從有中心杆的一側來風時，徑杆4受拉力，可以用拉索取代。風加在葉片上的力中的來風方向分力的部分會被徑杆4平衡掉，其中徑杆4的數量是按葉片受力狀況確定的，即與同一個葉片連接的徑杆4可以是多個，這樣使得固定葉片8的根部所受彎矩大大減小，所以根部細，可安裝的葉片數量多，風能利用率高，並且可以造更大的風輪，發更多的電。結合圖3圖4和圖5，本發明的第二種實施方式與第一種實施方式大同小異，區別是四組葉片向外側傾斜，並且在構成桁架的杆件中增添了外活緯杆14，頂套19和頂軸10，頂軸10與可變槳距葉片I連成一體，並置於葉片的頂端。頂套19套在頂軸10上形成處於葉尖的葉片體轉動副9。葉尖葉片體轉動副9的軸線與可變漿距葉片自身的變漿距轉動時的軸線5重合。通過連接件11把外活緯杆14與頂套19連接起來，不但可以實現變漿距，而且與第一種實施方式相比葉片受力狀態更好。此外為了減輕重量，增加剛度，中心杆3由第一種實施方式中的普通杆件變成了桁架。當然這裡邊可以仍用普通杆件，第一種實施方式中的中心杆3也可以用桁架。當作為上風向風輪使用時，徑杆4、固定緯杆18和外活緯杆14受拉力，可用拉索代替。在第二種實施方式中由於葉片成錐形布置，所以可以去掉中心杆3、徑杆4，剩下的桁架結構仍然能夠達到降低葉片彎矩減小葉片變形的目的。結合圖6和圖7，本發明的第三種實施方式與前兩種實施方式不同的地方在於，前兩種實施方式的桁架結構都只減小了葉片在迎風方向的彎矩，推動風輪轉動的轉矩形成的彎應力沒有減小，而在第三種實施方式中，增加了獨立的抗轉矩固定葉片8，該葉片與獨立的可變漿距葉片I相間布置，其根部固定在輪轂上，其尖部與抗轉矩杆件12連接，抗轉矩杆件12的另一端與設在可變槳距葉片I中部的葉片體轉動副13連接，目的是使轉矩主要作用在與輪轂連成一體的固定葉片8上，而不只是作用在可變槳距葉片I的根部，使安裝葉片的軸承延長壽命和減小尺寸，從而可以增加葉片數量，提高風能利用率。此外第三種實施方式還是為了借用目前主流風機的結構和部件設計的，借用原有的變槳距裝置可以降低成本。徑杆4與前兩種實施方式的區別是它的外端與可變漿距葉片中部的葉片體轉動副連接。當然也可以另設一端與中心杆3連接，另一端與固定葉片8連接的徑杆4。結合圖8，本發明的第四種實施方式的固定葉片8的根部固定在輪轂2上。固定葉片8的橫斷面也可以做成能夠產生圓周推力的流線型，它與輪轂2和各杆件組成桁架結構。可變漿距葉片I很像飛機的襟翼，所以被稱為襟翼15，襟翼15通過葉片體轉動副17鉸接在固定葉片8的側邊，在液壓或電力的驅動下襟翼15可相對固定葉片8轉動一定的角度，以實現變漿距操作。襟翼15常設計在葉片體尖部段的側邊，也可以像圖8那樣設置在固定葉片8的全長上。圖8的俯視圖可以像圖7那樣，各葉片都在同一平面內；也可以使各葉片向外側傾斜，如圖4。外固定緯杆14的兩端分別直接固定在相鄰兩個固定葉片8的頂端。徑杆4的一端與中心杆3連接，另一端與固定葉片8連接，以便形成桁架結構。結合圖9和圖10，本發明的第五種實施方式，與第四種實施方式相近。區別在於固定葉片8是桁架結構，其主要杆件也可做成葉片形狀。襟翼15分成兩段或多段，兩段襟翼15在一端與固定葉片8鉸接，另一端與襟翼15鉸接的油缸17推動下可以調成不同的漿距角。兩段襟翼之間的間隙可以使徑杆4通過。把桁架結構的固定葉片8與中心杆3連接起來，形成整個風輪的桁架結構。固定葉片8的桁架結構當然可以做成根部寬，尖部窄的形狀，並且作為葉片當然也可以用板材把桁架的杆件連起來，以增大迎風面積。採用這樣結構的有益效果是，可以增大風輪和增大葉片的迎風面積，可以實現微風發電。在前述五種實施中徑杆和緯杆的數量都可以增加，在保障桁架受力合理的前提下，徑杆、緯杆、中心杆都可以去掉，或把它們重新進行排列組合，象這些簡單的變換也都落在本發明的保護之中。
權利要求
1.用於風力發電的水平軸風力發電機的一種風輪，包括葉片，葉片體轉動副、輪轂和杆件，其特徵是所述葉片分為固定葉片和可變漿距葉片兩種；固定葉片、可變槳距葉片與輪轂和杆件之間組成桁架結構；可變漿距葉片通過葉片體轉動副與桁架結構連接、在電力或液力驅動下可相對於桁架結構做變漿距轉動；所述葉片體轉動副是設在除葉片根部以外的葉片體上，使葉片或葉片的一部分能相對於桁架結構做變漿距轉動的轉動副。
2.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是組成桁架結構的杆件分為中心杆、緯杆和徑向杆三種，中心杆處於輪轂中心線的位置上，中心杆的一端與輪轂連接，中心杆上連接有徑向杆件，徑向杆的另一端與相應的固定葉片連接，構成桁架結構；緯杆的兩端分別與相鄰的兩個葉片或葉片體轉動副連接，可變槳距葉片通過葉片體轉動副與構成桁架結構的固定葉片的外端連接。
3.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述葉片分成抗轉矩固定葉片和可變槳距葉片兩種；抗轉矩固定葉片的橫斷面為流線型，其一端固定在輪轂上，另一端與抗轉矩杆件的一端連接，抗轉矩杆件的另一端與設在可變槳距葉片上的葉片體轉動副連接；所述可變槳距葉片的根部安裝在輪轂上，在設在輪轂內的變槳距裝置的驅動下實現變槳距轉動。
4.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中有一種是一端與輪轂連接並處於風輪中心線位置上的中心杆，還有一種是一端與中心杆連接，另一端與葉片或葉片體轉動副連接的徑向杆，所述徑向杆的橫斷面是可使風輪產生圓周推力的流線型。
5.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中受拉力的杆件是拉索。
6.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述杆件中有一種是一端與輪轂連接並處於風輪中心線位置上的中心杆，該中心杆是桁架結構。
7.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述固定葉片向外側傾斜，其靠近輪轂的根部段固定在輪轂上，不能做變漿距轉動，根部段與杆件連接在一起組成稜錐狀的桁架結構，可變槳距葉片與固定葉片的外端採用葉片體轉動副連接。
8.如權利要求1所述的一種風輪，其特徵是所述可變漿距葉片通過葉片體轉動副連接在固定葉片的側面，使他與固定葉片之間可進行變漿距轉動；所述固定葉片的一端與輪轂相連，均布於同一個平面或同一個錐面內，固定葉片成為可變槳距葉片的骨架。
9.如權利要求8所述的一種風輪，其特徵是所述固定葉片是桁架結構，構成該桁架的從根部直通到尖部的主杆件的橫斷面形狀是可產生圓周推力的流線型，固定葉片的一端與輪轂固定在一起，並且作為可變槳距葉片的骨架，固定葉片的桁架與輪轂和杆件組成大的桁架結構，可變槳距葉片，通過葉片體轉動副連接在固定葉片的側邊，使它與固定葉片之間進行變漿距轉動。
全文摘要
本發明公開了用於風力發電的水平軸風力發電機的一種風輪，包括葉片，葉片體轉動副，輪轂和杆件，其特徵是所述葉片分為固定葉片和可變漿距葉片兩種，固定葉片、可變漿距葉片與輪轂和杆件組成桁架結構。改變了已有技術中的葉片是單獨固定在輪轂上的細而長的懸臂梁的結構，把葉片根部所受到的巨大的彎應力轉化成了桁架的內力，克服了葉片容易從根部折斷問題，降低了風電的成本，還為風電機組繼續向大型化的方向發展提供了有力的技術支撐。同時由於採用了桁架結構的風輪後仍然可以實現變漿距，並能增加葉片的數量，所以有利於高效率地利用各種類型的風能。
文檔編號F03D1/06GK103174583SQ20111042911
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者李澤宇 申請人:李澤宇