CN102305167B - 水流源与气流源动力子母舵叶片元 - Google Patents

Abstract

本技术方案设计了一个流体受力元件，即水流源与气流源动力子母舵叶片元。该元件经定向、定位组装，在气流或水流的作用下可使其产生的升力，可获得力偶产生连续转动。该元件适应于水平轴的固定翼片元与微转动叶片元相间组合叶片风力机的时速控制和调桨距控制，也适应于竖直轴风力机。同时适应于水平方向流动的水流动能式动力机。

Description

水流源与气流源动力子母舵叶片元

1.技术领域：水平流动的潮夕流、河流发电与风力发电技术领域。

2.背景技术

(1)对于水利发电现状，均是以提高水位制造水位差，利用水流势能发电。对于利用水流“动能”发电还是空白。本发明予与补充。

(2)当今的风力发电机的叶片，无论大小、形式如何，任何叶片都是固定的、一体的，单片叶片自身没有相对灵活的转动，所以不能保证叶片上任何一段在任何风向上都获得最大的升力。只能让瞬息万变的风部分适应翼形而产生动力。事实上，在自然环境下，沿翼展方向上各点的自然风向不可能像风洞试验一样产生一致的平行方向的风。为了获得最大的动力(升力)需要随该点风的变化，而改变叶片在该点处适应矢量的风力，才能减少风能的损失，获得更多的风能。

例如：①水平轴风力机在沿半径方向上各个点的风向不可能一致，攻入角即气流方向与叶片横截面弦长的夹角也一定不等，因此至少不会一致产生最佳升力。这说明叶片的工作状是不合理的，所以风轮产生的旋转也没处即时风力的最佳状态。②竖直轴风力机的叶片，以S形为例，叶片在气流经过时，一部分产生旋动力，另一部分产生小于旋转力的阻力，降低了风能的有效利用率。

(3)由于单机容量的加大，给叶片的制造、运输、安装等带来困难。

(4)从风力机调节手段来看“目前，风力机功率调节方式以失速控制和变浆距控制为主。……失速控制缺点是需要叶尖刹车装置、机组动态负荷较大。……变浆控制增加了变浆距装置，增加了故障率，控制程序比较复杂。近年来，变浆距控制正迅速取代失速功率调节方式。”(摘自《风能概论》作者：原鲲、王希麟)。

综上所述，本方案设计的子母舵叶片元，以独立单元形式，将失速控制和变浆距控制的两种调节方式，以简单的自动机械控制方式，整合在一个叶片元。叶片元是将现有的单一叶片沿着翼的横截面分割，其中的任一段都是一个叶片元，并在其尾部加一个子舵，即一个叶片由若干个叶片元组成。叶片元之间以柔塑性蒙皮覆盖，以保证叶片元和叶片元之间产生小角度旋转时，保持叶片的整体性。

该控制机构具有随风速连续变化的功能。这就提高了风机捕获风能的能力，并能随风速变化而起到调整风轮转速的作用，即在高风速下，自动减少风能的吸收。直至停止或倒转，在风速减小时，自动增加风能接收能力。

3.发明内容

一是为了解决“风轮旋转时，叶片不同半径处的线速不同，因而对叶片各处气流速度的大小和方向都不相同，……为了使风在沿整个叶片长度、方向均能以最有利的攻角吹向每个叶片元。”(摘自《风能概论》作者：原鲲、王希麟)吸收较大风能。

二是为解决高风速下，对风力机械输出功率自动的连续控制的问题，也即同时解决失速控制与变浆距的控制问题。

三是将水平流动的水流动能和风能转换成机械能。

本方案采用了沿(横轴风力机)主梁或(竖轴风力机)叶片轴方向上截取一段叶片并在其尾部加一个子舵。即为一个叶片元，如(图1)。叶片元沿风轮半径方向上的两端板，两端板形状如同叶片截面。叶片元和叶片元之间有一定间隔。对于横轴风力机，叶片元与固定翼片元交替排列，彼此之间用蒙皮连接，使叶片元绕横轴风力机主梁转动；对于竖轴风力机，各叶片元之间以柔塑性蒙皮攘坎相连，叶片元绕叶片轴转动。叶片元两端由两块翼形板构成，板的周边有沟槽，用以固定叶片的蒙皮。翼形叶片元内，有与和翼边缘相连的骨架，骨架起着对翼外缘的支撑作用和固定调节机构的作用。

本技术方案近一步在叶片元内设置了调节子舵的摆角机构。使横轴风力机的风轮具有随风速变化而变化的调节功能，当风速大于额定风速时，子舵自动调节攻入角，使吸收能量减少；在风速达到或小于额定风速时，通过子舵使攻入角处于最佳角度，而不需复杂控制程序和装置。

在控制舵尾角度上采用两种机械结构，用于横轴风力机的结构，如(图2)和(图3)，用于竖轴风力机的结构，如(图7)。

本子母舵叶片元适用于水流、气流的水平流动状态，具体表现为三种运作形式：(1)水平轴的固定翼片元与微转动叶片元相间组合叶片风力机、(2)竖直轴风力机、(3)水流动能式动力机。

(1)水平轴的固定翼片元与微转动叶片元相间组合叶片风力机，可采用一叶片、二叶片、三叶片、多叶片各种不同形式，由输出功率决定各叶片长度或数量。每个叶片由固定翼片元、微动的叶片元相间构成。

基本结构：如(图2、图3)所示，微动的叶片元由一个翼形中板和上下两个翼形端板构成骨架，且在骨架外敷蒙皮。微动的叶片元的翼尾部设置可摆动的子舵。子舵与翼形中板的调节系统相连。调节系统由离心球体与球体导筒、弹簧、绳索、拉簧、杆件与子舵片、平衡球及杠杆组成。在导筒旁设一副导筒，内设一杠杆，杠杆端放置一平衡球与离心球等质量，另一端与弹簧下端相连，用以平衡离心球重力的影响。

受力分析：在处于立圆平面的工作过程中，子舵调控系统有三种状态：

(1)在风轮竖直最高点转动

(2)在风轮竖直最低点转动

(3)与主轴平行位置的左右两点之间循环转动

离心球在离心力的作用下带动绳索改变子舵的摆动，以调整攻入角。离心球水平位置时，离心球的球体重力对调节系统无影响。在最高点时，离心球的球体重力产生的影响由平衡球平衡，如图(4)。平衡球的重力通过杠杆将力传给弹簧，可保持平衡状态。当离心球向上位移时，平衡球向下运动保持重力平衡。因为平衡球的旋转半径小于离心球半径，在最低点时离心球体重力产生的影响由拉簧平衡。

工作原理：机械调整控制机构零件布置，如(图2、图3)，子舵与杆件相连，杆件与拉索相连，拉索另一端与离心球相连。同时杆件受拉簧控制，使子舵能恢复到最佳摆角，以使叶片元处于最佳攻入角。在额定风速下子舵与翼弦的夹角为180°-最大攻入角，在此状态下离心球在风轮离心力作用下与拉簧拉力相平衡，此时离心球无相对位移产生。

当风速继续增加时，风轮转速也增加，当转速超过额定转速时，离心球受的离心力将大于拉簧拉力，离心球要在离心力作用下在导筒内沿离心力方向产生位移。在最高点时平衡球随重力球同向下移动平衡着离心球的重力的影响，这样由球带索、索带杆、杆带子舵改变攻入角由大到小。减少对风能的吸收，翼的升力亦减小，转速也随着而降低。当风速减小额定风速时由拉簧作用将舵片恢复到最大攻入角状态。这样周而复始地自动完成着风能吸收地过程，使风轮的转速基本恒定在某一速度左右。而攻入角的变化范围：最大攻入角到零。升力变化范围：最大值到零。

对变桨距的调节：由于叶片是由微动叶片元和固定翼片元组成，而微动叶片元可在风轮半径范围自动改变吸收风能的方向。这种适风而动的转动就是最好的调桨距方法。每节叶片元都会自动调节到最佳攻入角状态，这是单只叶片具有的功能。还可以通过增加或减少叶片元的数量改变叶片轮的半径(叶片轴制成节连接)。增加或减少对风能的吸收。也可以起到对桨距的操作性调整。

以上对攻入角的自动控制与增减风轮半径的技术方法可完成对风力机在高速下输出功率的控制，且机构简单、成本低、不用设置复杂的控制程序。能作到即可控制高速下的输出又吸收最大的风能。这样水平轴的固定翼片元与微转动叶片元相间组合叶片风力机双重控制目标就由叶片元一体综合完成了，这是叶片元的应用之一。

(2)竖直轴风力机：总体结构布局，如(图6)。在基架上设置一个可随风向自由转动的空箱，在空箱尾部加一母舵。叶片组及发电机装在空箱上(或叶片组支架与空箱相连发电机放到空箱下面)，以保证机构前方始终朝着来风向，否则可使摆角度无序。发电机的主轴和与四个横梁相连，如(图6)，在横梁另一端有连接叶片元的叶片轴，叶片轴上按需设置叶片元。本案以四个横梁为例。

叶片元由三个翼形板做骨架组成，翼形板平行放置，翼缘由柔性蒙皮包盖。在中间板上安装了子舵摆动机构。叶片中没有固定叶片元。均由活动叶片元组成。

子舵摆动机构，如(图7＝)所示。主动齿轮安装固定在叶片轴上，从动齿轮与连杆机构安装在中间的翼形板上，两个齿轮直径相同，以保证转过的角度相同。在从动齿轮上安装了曲柄连杆摆杆机构。子舵在连杆带动下做左右摆动，为叶片元调整方向。摆角的大小由曲柄转动半径和导杆长短来调整。

子舵摆动机构的安装要求：如(图6)。叶片分为A组位、B组位、C组位、D组位。以A组A位装配为例：设气流从北向南吹来，则A位置处于平衡点处。子舵和气流方向平行，此时叶片不产生升力。在该点安装叶片则要求将舵尾角度调整到左右摆角的中间位置，其它位置按四位置的示意图，如(图7)给出的位置安装。因为主动轮和从动轮的平衡点相差90度。

叶片元受力分析：如图标示气流方向为例，如(图6)所示，叶片元在A---C轴线以上位置时，在舵尾的调节下，据空气动力学可知此时叶片受气流作用而产生向右的升力。在最高点时升力最大。在A----C轴线位置以下时升力向左。在最低点时最大。这两个不同向的升力形成一个力偶，带动叶片轴绕主轴转动，如此循环下去。

工作原理：四叶片动力机构，叶片元可以绕叶片轴自由转动，这一点非常重要。叶片轴又绕主轴转动。由于舵尾的存在，叶片元将永远保持头在前、尾在后的状态。也正是利用这一点才获得除平衡点以外叶片元全方位、全过程地产生升力。创造出小阻力结构的竖轴升力型风力机。

安装要求：叶片元件整体重心要与叶片元中心重合。

叶片元从A位置开始安装，也在该点开始运动。叶片元组在同一平衡点安装，都是头朝前，每顺时针转动90度后，同样安装一叶片元组。在从上向下吹来吹风的条件下可保持它们始终产生一个力偶。四个叶片形成两个力偶。以A位置叶片为例，它经由A---B---C---D周而复始。叶片绕主轴旋转一周的同时，叶片也绕叶片轴旋转一周。舵尾的摆角也从垂直位置向右摆动到最大。再回到垂直位置，再向左摆动到最大，再回到初始点位置。完成一个周期。其他三位置叶片也按此周期变化。只不过初始位置不同、初始角不同、和方向不同罢了。

(3)水流动能式动力机：其总体结构，如(图8)所示。由三大部分组成：发电机、水上浮箱、水下叶片动力机构。发电装置安装在浮箱之上，在浮箱下面安装动力源叶片组。叶片组周围装有防护架，一能保护叶片，二能作为锚固索的固定点，使锚能将整个装置固定在水域的某一点。

受力原理：同竖直轴风力机原理，只是叶片朝下安装。

工作原理：同理首先给浮箱加一个大的定向舵，足以给整个机构在流动水中定向，保持浮箱前面迎着水流。给叶片工作提供先决条件，叶片安装同样具有方位性，叶片元的前方一定要与浮箱前方相同，以保证力偶的一致性。叶片组是水流动能转换的装置，叶片组数在条件许可的情况下越多越好，可四个、六个……。叶片元的结构与竖轴风力机的叶片元相同，在旋转平面的上半面产生向右的升力，而下半面则产生左的升力。叶片组在主轴的约束下而产生绕主轴的转动。叶片上的叶片元随方位变化而调整着升力的方向。形成力偶以使转动连续。

以上是叶片元三方面的运用。叶片元还有以下特点；

1、结构简单，运用方便。不需要复杂的控制程序。

2、制作、运输、安装方便，可降低成本。

3、应用参数有待通过实验确定。

4.附图说明

图1：横轴风力机的风轮及叶片元立体示意图，图中标号分别为①叶片、②叶片元、③横梁。

图2：叶片元的剖视图，图中标号分别为④离心球护筒、⑤平衡球的护筒、⑥绳索、⑦拉簧、⑧子舵、⑨中间板。

图3：叶片元的俯视剖视图，图中标号分为④离心球护筒、⑥绳索、⑧子舵、⑨中间板、⑩端板、

离心球、平衡球、

弹簧。

图4：叶片元机构受力示意图，图中标号分别⑥绳索、⑧子舵、

离心球。

图5：竖轴风力机的正剖和俯剖示意图，图中标号分别为：

空箱、

舵尾、

支架、叶片、

发电机。

图6：竖轴风力机的叶片元受力分析图，图中标号分别为

叶片。

图7：竖轴风力机的叶片正剖、俯剖、侧剖示意图，图中标号分别为⑧子舵、⑨中间板、

曲柄、

主动齿轮、

被动齿轮、

蒙皮。。

图8：水流动能式动力机示意图，图中标号分别为

舵尾、

叶片、

发电机、

浮箱、

防护装置。

Claims (1)

1.一种水流源或气流源动力子母舵叶片元，其特征在于：为子母双舵定向、定位自动调向动力叶片元装置；

所述叶片元由一个翼形中板和上下两个翼形端板构成骨架，且在骨架外敷蒙皮；

所述叶片元绕所述叶片元的轴转动；

所述叶片元的翼尾部设置可摆动的子舵，所述子舵与翼形中板的调节系统相连；

所述调节系统由离心球体与离心球体的导筒、弹簧、绳索、拉簧、杆件、平衡球及杠杆组成；所述调节系统设置于所述翼形中板上；所述离心球体导筒设置在翼形中板上；

所述子舵与所述杆件相连，所述杆件与所述绳索的一端相连，所述绳索的另一端与所述离心球体相连，同时所述杆件受所述拉簧控制，使子舵能恢复到最佳摆角，以使叶片元处于最佳攻入角；

在所述导筒旁设一副导筒，内设所述杠杆，所述杠杆一端放置的所述平衡球与所述离心球体等质量，另一端与所述弹簧下端相连，所述弹簧的上端与所述离心球体接触。

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