一種三段平行摺疊的風力發電葉片的製作方法
2023-04-26 16:56:27 1
本實用新型涉及一種風力發電葉片，具體涉及一種三段平行摺疊的風力發電葉片。
背景技術：
傳統的化石能源日漸枯竭，風能以其清潔、易得、可再生的特點在新能源中脫穎而出，風力發電在電力系統中所佔比重穩步提升。
我國擁有豐富的風能，截止2013年，我國風電新增裝機和累計裝機兩項數據均居世界第一。2014年，我國全年風電新增裝機容量1981萬千瓦，更是佔到全球風電裝機的27％。然而，中國的風力年發電量卻仍低於美國，這反映了我國風能利用的過程仍有許多問題亟待解決。
風能具有風力大小和風向任意變化的特點，一般而言3-20m/s是風能利用的經濟風速，風速低於3-4m/s，風機無法正常啟動，風速高於19-25m/s，風機必須停機，以實現自我保護。為提高風能利用效率，需要提高風機切出風速。同時，在風速過高時，如遇到災害性天氣時，即使風機停機，也可能受到損害，甚至報廢。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種三段平行摺疊的風力發電葉片，能夠提高風機的切出風速，擴大風能利用的風速範圍；同時，本實用新型也能在摺疊時應對過高風速，增強了風電設備的安全性。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
一種三段平行摺疊的風力發電葉片，包括葉片主體和2個摺疊裝置，其特徵在於：每個葉片主體由根部葉片1、中部葉片2和頂部葉片3三部分組成，其長度分別記為L1、L2和L3，同時滿足關係式L1≥L2+L3和L2≥L3；所述葉片主體的相鄰兩部分間均使用摺疊裝置連接在一起；所述摺疊裝置包括旋轉軸4、驅動機構5和鎖定機構6；所述旋轉軸4所在直線均與風機旋轉主軸線空間平行。
所述中部葉片2和頂部葉片3繞各自旋轉軸4的旋轉而產生的各部分間的相對位置構成了若干分離檔位，用以適應於不同的經濟風速範圍。
所述摺疊裝置的驅動機構5採用電機驅動，用以帶動連接的各部分葉片繞旋轉軸4旋轉，改變其相對位置；鎖定機構6採用電磁鎖定，用以保持各部分葉片的旋轉狀態，鎖定其相對位置。
和現有技術相比，本發明具有以下優點：
1、三段摺疊的風力發電葉片能夠根據風速的變化更加靈活地調整葉片形態，在更大的範圍內改變葉片漿距，切實地起到變漿距的功能；同時，利用改變三段葉片間的不同相對位置，三段葉片所受的升力與阻力部分相互抵消或者合併，使得在較大風速時，風機依然可以正常運行，從而有效地提高風機切出風速，擴大風機的工作範圍，提高風力發電效率。進一步地，人們可以根據調整精度的需要，選定對應於不同經濟風速範圍的若干檔位，既滿足漿距的靈活可調性，又避免了葉片頻繁地連續調整造成的滯後和經濟性下降的問題。此外，葉片分為三段，降低了葉片製造和運輸的難度，對於長達數十米的大型風力發電機組葉片，效果尤甚。
2、平行摺疊的方式使得風機運行時減少葉片受到的額外的軸向力，降低塔架負荷，葉片結構更加緊湊。在遭遇災害性天氣時，三段葉片採用平行式完全摺疊，顯著減少受力面積，增強了風機設備的安全性。
附圖說明
圖1是本實用新型的主視圖。
圖2是本實用新型的局部放大圖Ⅰ。
圖3是本實用新型摺疊裝置的局部視圖(前視)。
圖4是本實用新型中部葉片2的受力示意圖。
圖5是本實用新型的各檔位及其所受周向轉動力的示意圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，本實用新型一種三段平行摺疊的風力發電葉片由葉片主體和2個摺疊裝置組成，其特徵在於：每個葉片主體由根部葉片1、中部葉片2和頂部葉片3三部分組成，其長度分別記為L1、L2和L3，同時滿足關係式L1≥L2+L3和L2≥L3，這樣可以保證葉片主體的各部分在摺疊的過程中不會發生幹涉。所述葉片主體的相鄰兩部分間均使用摺疊裝置連接在一起；所述摺疊裝置包括旋轉軸4、驅動機構5和鎖定機構6；所述旋轉軸4所在直線均與風機旋轉主軸線空間平行。圖1中，各選取了3部分葉片的一個位置，作出重合斷面圖，以反映葉片的幾何結構。
如圖3所示，作為本實用新型優選的實施方式，所述摺疊裝置的驅動機構5採用電機驅動，用以帶動連接的各部分葉片繞旋轉軸4旋轉，改變其相對位置；鎖定機構6採用電磁鎖定，用以保持各部分葉片的旋轉狀態，鎖定其相對位置。
風電葉片之所以能夠旋轉，是由於葉片特定的幾何結構，使得來流空氣在經過葉片兩側時速度不同，在葉片兩側產生壓力差，這個壓力差提供葉片旋轉的動力。葉片整體受到同一旋轉方向的作用力，從而帶動電機發電。
圖4是中部葉片2的受力示意圖，葉片的其他兩部分受力情況與其相似。如圖，氣流掠過轉動中的中部葉片2，產生了升力和阻力，二者的合力是中部葉片2的真實受力。為了分析方便，此合力分解為軸向的推力和周向的轉動力。軸向的推力最終會作用在塔架上，因此我們不希望其值過大。本實用新型採用的平行摺疊的方式就可以避免摺疊後的葉片在轉動時產生額外的軸向推力，有利於設備的可靠運行。軸向推力並不影響葉片的周向轉動，因此，我們主要關心的還是作用在葉片主體各部分上的周向轉動力，其會產生轉動力矩，推動葉片旋轉。
如前所述，葉片特定的幾何結構使得來流空氣在經過葉片兩側時速度不同，在葉片兩側產生壓力差，產生作用在葉片各部分上的周向轉動力。在葉片未摺疊時，同一葉片上各部分所受的周向轉動力及其力矩是一致的，共同推動葉片旋轉；但是，當葉片的某一部分發生摺疊，即繞其自身轉軸將近180°的旋轉後，其本身受到的周向作用力的方向與葉片其餘未摺疊部分的方向不一致，變成了葉片旋轉的阻力，部分抵消了葉片其餘部分的轉矩，從而達到在較高風速時，降低葉片轉速的目的。而不同數量和位置的葉片的摺疊會產生不同的效果。
圖5給出了葉片主體各部分在不同檔位下受到的周向轉動力的情況。從圖中我們可以看出，本實用新型採用的三段摺疊式的葉片，利用葉片主體各部分間作用力的相互抵消合併的原理，設置了4個分離的檔位「檔位1」「檔位2」「檔位3」「檔位4」。在同樣的風速下，各檔位下的葉片主體受到的周向推動作用是逐次減弱的，轉速也是依次遞減的。
圖5中「檔位1」對應的是葉片各部分未摺疊的情況，此時葉片各部分受到的作用力方向是一致的，在同樣的風速下，其轉速也是4個檔位中最高的。圖5中「檔位2」對應的是頂部葉片3發生摺疊的情況，其受到的周向作用力的方向與葉片其餘未摺疊部分的方向不一致，變成了葉片旋轉的阻力，部分抵消了葉片其餘部分的作用力。圖5中「檔位3」對應的是中部葉片2發生摺疊而頂部葉片3與最初保持一致的情況，此時中部葉片2由於其葉片方向發生調轉，葉片所受周向轉動力反轉，變為阻力；而頂部葉片3依舊提供旋轉的動力。圖5中「檔位4」對應的是中部葉片2與頂部葉片3一同摺疊的情況，二者與葉片根部葉片1所受周向作用力不一致，阻礙葉片的旋轉，在同樣的風速時，其轉速最低。
這樣，我們就可以將這4個檔位應用於不同的經濟風速區間，通過調節檔位，保證葉片的轉速始終保持在合理的範圍內運行。並且，風速高於某一特定值時，由於轉速過高，風機必須停機以自我保護，本實用新型可以顯著提高葉片的切出風速，擴大葉片的工作範圍，提高風能的利用效率。分離的檔位既滿足了漿距的靈活可調性，又避免了葉片頻繁地連續調整造成的經濟性下降的問題。當風速過大時，葉片可以鎖定在「檔位3」的狀態下停機，最大程度地減少受力面積，增強設備的安全性。