CN101008376A - 活叶减阻型旋翼式风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活叶减阻型旋翼式风力发电机组，包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于机舱上部的风叶驱动总成，风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，风轮中心轴为垂直立轴，风轮设有若干个安装在风轮中心轴架上的机翼状风叶。机翼状风叶为沿风轮旋转方向的前端小后部大的受风槽，后表面设有受风槽口。机翼状风叶包括风叶主体，设置于风叶主体下部的活动叶片以及固定于风叶主体的、用于分隔活动叶片并限制活动叶片的活动范围的隔板，活动叶片与风叶主体为转动连接，并与隔板、风叶主体形成活动式受风槽。本发明有效地提高风叶驱动总成的风能效率，适合做大型和超大型的风力发电机组，抗强能力好，无噪音，安装方便，制造成本低。

Description

活叶减阻型旋翼式风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组，特别涉及一种既能产生巨大动力又能在风轮旋转时，自动把阻力减到最小，而且在2级至12级风力时都可以发电的活叶减阻型旋翼式风力发电机组。

背景技术

风力发电已有一百五十多年的历史，科学家在分析了大气环流模型之后发现，大气低层的对流气团所包含的风能是非常巨大的，是人类可利用的取之不尽、用之不竭的再生能源之一，因此，在人类面临的逐渐加剧的能源危机的情况下，对于风力发电的研究就越来越具有重大和深远的现实意义了。在一些发达的国家，如美国、荷兰、丹麦、法国、德国、意大利，风力发电在其国内的电力结构中已起到举足轻重的作用了。我国只有少数地区，如新疆达坂城、广东南澳岛及汕尾红海湾、福建漳州的东山岛等地，靠进口设备，总装机容量还不到70万KW，在我国的电力结构中所占的比率还不到1％。

现有技术中，现有运行的风力发电机的驱动机构——风叶驱动总成通常采用二/三叶式螺旋桨风叶结构的风轮，其不足之处在于：

(1)其风能效率低：由于风叶少的风轮对风力的接收效率低，导致输出扭矩小，即对风能的利用率低，二叶风轮的风能效率仅为13～18％，三叶风轮的风能效率则仅为21～24％；

(2)风轮必须在4级风以上才能发电，低、微风力无法利用，因此风力发电机必须建造在风力充足的地点，这给风力发电机的广泛推广带来了局限性；

(3)风叶重量大、工艺要求复杂：为了提高风轮的风能效率，通常采用加长风叶长度的办法，大功率的风力发电机，风叶长度可达50～70米之长；

(4)风叶抗强能力差，强风突变时，容易折断叶片；

(5)噪音大，不能离生活区太近；

(6)需要偏航装置，来跟踪风向，小型机要靠尾舵来跟踪方向；

(7)需要解缆装置；

(8)必须与电网并网使用。

(9)前述风叶的缺陷大大增加了制造、运输和安装的成本，使风轮成本高昂。

另外，实际使用的风力发电机绝大部分是水平轴螺旋桨风叶风力发电机，即风叶驱动总成采用水平轴结构，风轮的中心轴为卧式，其中心轴和水平面间存在大约15度的仰角，水平放置，风叶固定在卧式轴前端的一个垂直立面上，其不足之处是：

(1)不能全方位有效地利用风能：自然界的风可能从任何一个方向吹来，由于水平轴风轮的叶片仅位于一个垂直扫风面上，这导致风流与该扫风面的角度不同时，风能效率就会有所不同，风流正对于该扫风面时风能效率最大，风流平行于该扫风面时风能效率最小；

(2)所述水平轴结构使风力发电机必须具有一个支撑风叶驱动总成的支撑塔，塔高必须高于风叶的长度，达到最小安全高度，由于大功率的风叶长度可达几十米，所以其塔高一般都要高达几十米甚至上百米，支撑塔必须坚固稳定地支撑塔顶的风叶驱动总成，因此就必须使高塔具有良好的结构设计和足够高的强度才行；

(3)前述的缺陷，导致风力发电机综合成本高昂。

在现有技术中已公开了一些垂直轴风力发电机的技术，即风叶驱动总成采用垂直轴结构，风轮的中心轴为垂直的立轴，但通常是以中小功率的风力发电机为应用目标，风轮的叶片结构形式有些改进，但仍以少量风叶为基础进行改进，因此风能效率仍不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种活叶减阻型旋翼式风力发电机组，能有效解决上述现有风力发电机组普遍存在的不足，并高效地利用风能产生巨大动力，提高风能效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种活叶减阻型旋翼式风力发电机组，包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于所述机舱上部的风叶驱动总成，所述风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，所述风轮中心轴为垂直立轴，所述风轮设有若干个安装在风轮中心轴架上的机翼状风叶，机翼状风叶为沿所述风轮旋转方向的前端小后部大的受风槽，后表面为受风槽口。

所述机翼状风叶包括风叶主体，设置于风叶主体下部的活动叶片以及固定于风叶主体的、用于分隔活动叶片并限制活动叶片的活动范围的隔板，所述活动叶片与风叶主体为转动连接，并与所述隔板、所述风叶主体形成活动式受风槽。所述机翼状风叶的前端为圆弧形，上表面为流线形，下表面与水平面呈斜面。

在上述技术方案中，所述风叶主体的上部可以设有活动叶板，所述活动叶板能沿着活动叶板与风叶主体的连接处转动，所述风叶主体与所述活动叶板间设有用于活动叶板复位的弹簧。所述风轮的风轮座盘可以具有轴流风叶。所述风轮的风轮座盘边缘可以设置有使所述风轮中心轴稳定转动的安全稳定装置。所述安全稳定装置设有稳定钢球，所述稳定钢球与所述风轮座盘表面之间设有间隙。所述风轮的风轮座盘边缘还可以设置有防止风轮转速超过规定转速的稳速制动装置。

因此，本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组具有以下显著优点：

1、有效地提高风叶驱动总成的风能效率；

2、风轮启动风力小，推动力矩巨大，转动惯量巨大；

3、适合于做大型和超大型的风力发电机组；

4、抗强能力好，无噪音，工艺制作方便，安装方便，制造成本底。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组的结构示意图；

图2为本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组的内部简要示意图；

图3为本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组沿风轮中心轴的轴心线的局部剖视图；

图4为图3所示的风轮座盘的A处局部剖面放大图；

图5为图3所示的活叶减阻型旋翼式风力发电机组沿H-H线的剖视图；

图6为图3所示的风轮的P向视图；

图7为图6所示的风叶的F向视图；

图8为图6所示的风叶的E向视图；

图9为图7所示的风叶沿K-K线的剖视图；

图10为图9所示的隔板的上定位加强部分沿A-A线的局部剖视图；

图11为图9所示的风叶的G向视图；

图12为图9所示的风叶的各组成部件的状态图(风力为推动力时)；

图13为图9所示的风叶的各组成部件的状态图(风力为阻力时)；

图14为图13所示的隔板的下定位部分沿B-B线的局部剖视图；

图15为图9所示的风叶的各组成部件的状态图(风力为推动力，且风力突然升高时)；

图16为本发明的风轮的工作原理图。

附图标记说明：

1—风叶驱动总成；       2—离合器；               3—增速机；

4—发电机；             5—控制装置；             6—机舱；

7—上稳定钢球；         8—下稳定钢球；           9—稳速制动装置；

11—风叶主体；          12—活动叶板；            13—活动叶片；

14—隔板的上定位加强    15—隔板的下定位部分；    16—弹簧；

部分；

20—风轮中心轴；    21—罩盖；          22—风轮中心轴架；

23—风叶；          24—上稳定装置；    25—风轮座盘；

26—下稳定装置；    27—中心轴底座；    28—稳速制动装置；

29—中法兰座。

具体实施方式

图1、图2为本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组示意图，本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组包括风叶驱动总成1、离合器2、增速机3、发电机4、控制装置5、机舱6、上稳定钢球7、下稳定钢球8和稳速制动装置9。其中离合器2、增速机3、发电机4、控制装置5与机舱6在本发明中的连接关系和功能均为现有风力发电机组的公知技术，在此不再详细叙述。本发明与现有风力发电机组的主要区别在于本发明的风叶驱动总成1，该风叶驱动总成1位于机舱的6上部，风叶驱动总成1由风轮和风轮中心轴20组成。

如图3、图6所示，风轮中心轴20为垂直立轴，风轮包括罩盖21、风轮中心轴架22、风叶23和风轮座盘25。其中，风轮中心轴架22的四周固接六个风叶23，罩盖21通过螺钉连接在风轮中心轴架22的上部，风轮座盘25通过螺栓与风轮中心轴架22的底部连接在一起，风轮座盘25压紧风轮中心轴20最大的轴肩，并通过螺栓连接风轮中心轴20与风轮中心轴架22，组成整个风叶驱动总成1。

图7～图14为本发明的风叶的结构示意图，风叶23包括如同飞机机翼形状的风叶主体11，设置于风叶主体11下部的活动叶片13以及固定于风叶主体11的、用于分隔活动叶片并限制活动叶片13的活动范围的隔板的上定位加强部分14与隔板的下定位部分15。如图9所示，风叶23在不受力状态时，活动叶片13在自身重量的作用，沿着活动叶片13与风叶主体11的连接处旋转，下降到隔板的下定位部分15处。如图12所示，风叶23在受到风力为推动力的作用时，活动叶片13会沿着活动叶片13与风叶主体11的连接处作逆时针方向旋转，直到接触到隔板的下定位部分15，此处隔板的下定位部分15起限位作用，阻止活动叶片13的进一步旋转，使整个风叶23变成一个受风槽，接受风力气流的推动。如图13所示，风叶23在受到风力为阻力的作用时，活动叶片13会沿着活动叶片13与风叶主体11的连接处作顺时针方向旋转，直到接触到隔板的上定位加强部分14，此处隔板的上定位加强部分14起限位作用，阻止活动叶片13的进一步旋转，使风力气流从活动叶片13的上下空间穿过，减少气流对风叶23形成的阻力。

如图9所示，本发明的机翼状风叶23的形状为前端小、后部大的受风槽，机翼状风叶23的前端为圆弧形，上表面为流线形，下表面与水平面呈斜面，后表面为受风槽口。在本实施例中，风叶23的上表面为流线形的弦弧面，与水平面夹角约15°，风叶23的前端与后面呈一斜面，与水平面的夹角约45°。采用上述结构的风叶23能有效地减少风叶23转动时的阻力，增大风力气流作用于风叶23的推动力，从而加快了风叶23的旋转速度，提高发电效率。

图16为本发明的风轮的工作原理图。此处，假定一个水平的风力吹向风轮风叶时，风轮所受推动力可按1/4圆分为A、B、C、D四个不同受力区，其中：

(1)A区为直接推动的风力区

在A区，本发明的机翼状风叶23在风力气流的直接作用下，形成了如图126所示的受风槽，并接受风力推动，使风叶23沿着风轮中心轴20作顺时针方向转动。

(2)B区为气流弱推动与涡流辅助推动的风力区

在风叶23转至B区时，由于各风叶之间的间隔，有一股比A区较弱的风力继续推动风叶23，与此同时，由于风叶23的槽形结构，又使风叶23外部与风叶23周围产生涡流，而此涡流对处B区的风叶23又起到辅助推动作用。

(3)C区为低阻力区

当风叶23转至C区时，主要由惯性力的作用继续旋转，随着转动角度增大，风叶23逐渐受到阻力，随着阻力的增加，也相当于给了风叶23的活动叶片13一个推力，该推力的增大同时，把活动叶片13尾部往上托，直到接触到隔板的上定位加强部分14。接近D区时，活动叶片13几乎摆到水平位置上，并接触到隔板的上定位加强部分14，如图13所示，相对气流从活动叶片13的上下空间穿过，阻力大幅减小。

(4)D区为迎风减阻区

当风叶23转至D区时，风叶23为逆向正对风力，此时活动叶片13几乎摆到水平位置上，并接触到隔板的上定位加强部分14，如图13所示，风力气流从活动叶片13的上下空间穿过，阻力减到最小状态。随着旋转角度增大，阻力逐渐减小，当风叶23接近A区时，活动叶片13在自重作用下，慢慢下降到正常状态，接触到隔板的下定位部分15。

(5)大型风叶尾部段在A区还有减阻作用

在采用上述结构的大型风力发电机组的风轮结构中，由于机翼状风叶长度较长，如图16所示，当风轮转速较高时，在A区的风叶的第4段尾部就会出现较大的线速度，而且会出现该段的线速度高于推动风速的现象，所以会对该段风叶产生了相对阻力，该相对阻力同样会将活动叶片13托起，如图13所示，相对气流从活动叶片13的上下空间穿过，风叶尾部的相对阻力会自动地减到最小。

由于本发明的风轮所受的风力推动力远远大于阻力，而且受风槽面积可以随意增大，机翼状风叶23可随意加长，所以采用上述结构的风轮可以获得巨大的推力和巨大力臂所形成巨大的力矩，加上风叶23阻力小，因此风轮启动风力小，转动惯量巨大，运转平稳。所以，本发明也是一种大型或超大型风力发电机组的最佳结构。

为使采用上述结构的风力发电机组具有很好的抗强风的性能，本发明可以进一步改进，如图15所示，在风叶主体11的上部设有活动叶板12，活动叶板12能沿着活动叶板12与风叶主体11的连接处转动，风叶主体11与活动叶板12间还设有用于活动叶板12复位的弹簧16。当突然遇到强风时，风压力会推开活动叶板2，强气流从前上窗口流出，在大风过后，活动叶板12会在弹簧16的拉紧力的作用下自动复原。

本发明的机翼状风叶数量和每个风叶的活动叶片间隔数量均可以按需要选用，并不局限并本实施例所示。一般来说，风轮的直径越大，机翼状风叶越多。其中，风叶的受力状况与保持风轮旋转的连续性是决定风叶数量和每个风叶的活动叶片间隔数量选择的两个关键因素。

在本发明的风轮主体结构中，风轮座盘25采用带轴流风叶的座盘，如图3～图5所示，风轮座盘25在旋转时产生向上的轴流风，该轴流风对整个机舱6里的设备能起到散热作用，有效地改善了机舱的通风条件。

本发明还可以在风轮驱动的主体结构上设置有安全稳定装置和稳速制动装置28。如图1、图3所示，安全稳定装置包括固定在中法兰座29的上稳定装置24和固定在中心轴底座27的下稳定装置26，29中法兰座与中心轴底座27通过螺栓连接，中心轴底座27与机舱6通过螺栓连接，风轮中心轴20与中心轴底座27通过孔轴装配连接。其中，上稳定装置24下端含有上稳定钢球7，下稳定装置26上端含有下稳定钢球8。在风轮座盘25边缘的上下表面与各个稳定钢球之间存在3～5mm的间隙。

正常风力时，转动的风轮座盘25与上稳定钢球7、下稳定钢球8之间留有间隙，不会碰到，当风力突然增大或风速波动很大时，由于风叶23的受力面积大，容易产生垂直方向的冲击分力，导致风轮座盘25的上下摆动，这时风轮座盘25便与稳定钢球碰到，并在摩擦中旋转，稳定钢球对风轮座盘25的支撑力就限制了风轮中心轴20加大摆动的倾向，风轮主体就可以平稳地运行，从而保证风轮中心轴20在任何状态下都能稳定地转动。

此外，由于风力在不同时间及方向随机性变化莫测。当风力在有时或在较长的一段时里风速很大时，风轮的转速可能会出现超速状态，因此在风轮座盘25边缘加装了稳速制动装置28。从而保证风轮不管风速增到很大时都控制到规定的转速运行，与此同时，在A区(见图16)受推动力的风叶23，由于制动时受风槽风压升高，顶开活动叶板12(见图15)，强气流力从上活动叶板12与风叶主体11的间隙穿过，减小推力，使风轮达到减速效果。

另外，稳速制动装置28可以完全刹车，使风轮处于停止状态，这为整个设备在安装和检修时，提供方便。

本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组可以满足风力发电机组运行外界条件的国际标准：

1、最高风速v为35m/s，高寒地区为40m/s；

2、机组正常运行的温度范围为-20℃～+50℃，高寒地区为-25℃～+45℃；

3、机组运行的最高海拔为4000m；

4、相对湿度为95％；

5、相对于未受化学污染的大气，北方地区应考虑大气中的沙尘条件。

由此可以看出，本发明活叶减阻型旋翼式风力发电机组具有以下显著优点：

1、本发明能有效地提高风叶驱动总成的风能效率，由于本发明的风叶驱动总成的结构特点是：采用垂直轴活叶减阻型旋翼式风轮，一方面风轮能获得巨大推动力矩，而所受阻力减小到最小，另一方面，使得任何一个方向吹来的风力对风轮都能产生同样效果的推动力，因此该结构风轮的风能效率比其它风叶结构风轮的风能效率高50％以上；

2、本发明风轮结构特点，还带来启动风力小，推动力矩巨大，转动惯量巨大，本发明的风轮在风力2m/s～40m/s状态下都可以发电；

3、本发明最适合于做大型和超大型的风力发电机组；

4、本发明既可以离网发电，也可以并网发电；

5、本发明的风轮结构特点，抗强能力好，无噪音；

6、工艺制作方便，安装方便，整机高度可以比螺旋桨风叶型的高度减少一半以上；制造成本在相同功率的机型中，可以比螺旋桨风叶型少1/3以上，它将是未来大型风力发电场最好结构的风力发电机组。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种活叶减阻型旋翼式风力发电机组，包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于所述机舱上部的风叶驱动总成，所述风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，所述风轮中心轴为垂直立轴，其特征在于：所述风轮设有若干个安装在风轮中心轴架上的机翼状风叶，所述机翼状风叶为沿所述风轮旋转方向的前端小后部大的受风槽，后表面设有受风槽口。

2.如权利要求1所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述机翼状风叶包括风叶主体，设置于风叶主体下部的活动叶片以及固定于风叶主体的、用于分隔活动叶片并限制活动叶片的活动范围的隔板，所述活动叶片与风叶主体为转动连接，并与所述隔板、所述风叶主体形成活动式受风槽。

3.如权利要求2所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述机翼状风叶的前端为圆弧形，上表面为流线形，下表面与水平面呈斜面。

4.如权利要求2所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述风叶主体的上部设有活动叶板，所述活动叶板与风叶主体为转动连接，所述风叶主体与所述活动叶板间设有用于活动叶板复位的弹簧。

5.如权利要求1所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述风轮的风轮座盘具有轴流风叶。

6.如权利要求1所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述风轮的风轮座盘边缘设置有使所述风轮中心轴稳定转动的安全稳定装置。

7.如权利要求6所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述安全稳定装置设有稳定钢球，所述稳定钢球与所述风轮座盘表面之间设有间隙。

8.如权利要求1所述的活叶减阻型旋翼式风力发电机组，其特征在于：所述风轮的风轮座盘边缘设置有防止风轮转速超过规定转速的稳速制动装置。

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