CN102619693A - 一种仿生翼结构叶片的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种仿生翼结构叶片的风力发电机，属于风力发电机领域。发电装置基座设置在地面，基座上设置轴套、垂直轴和与轴套固连的升力型风轮、阻力型辅助风轮；升力型风轮由若干根上支撑杆、若干根下支撑杆和与上下杆相连的周向均匀布置的若干仿生翼叶片所组成；上、下连接支撑杆之间的轴套处设置阻力型辅助风轮。本发明提供的仿生翼结构叶片的风力发电机可以在小风时运转工作不受风向影响，提高风能利用效率，设计特殊的弹性翼结构，自主摆动不需专门机构，具有大风卸载作用，便于使用维护。

Description

一种仿生翼结构叶片的风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种仿生翼结构叶片的风力发电机，属于风力发电机领域。

 

背景技术

现在多半应用的是水平轴风力机，但常规水平轴风力发电机，在小风环境下一般不能运转发电。目前垂直轴（即（转轴沿垂直方向）风力发电机受到重视，是因为其具有不受风向影响、发电装置可安装在地面、便于维护等优点。但现有的垂直轴风力发电机的叶片多半是“刚性”结构，风能利用效率也不高，微小风时难于运转，很大风时由于各方位叶片载荷变化大而易振动。

为了解决小风不转和效率低的问题，根据我们成功研制出仿鸟柔性扑翼飞行器的原理，提出一种仿生翼结构叶片高效风力发电机设计。鸟与昆虫作为自然界的“飞行器”，通过柔性翼的扑动，不但可以产生升力，而且可以产生“前进力”，这是与常规飞机靠“螺旋桨”或“喷气发动机”产生“推力”的原理完全不同。把这一飞行生物的推进原理运用到风力发电机上来，正是我们设计新型风力机的出发点。

 

发明内容

本发明提供了一种一种具有仿生翼结构叶片、升力-阻力结合型垂直轴风力发电机。

解决了上述小风不转和效率低的问题。

本发明采用如下技术方案：

本发明一种仿生翼结构叶片的风力发电机，包括升力型风轮、阻力型风轮、发电装置基座、垂直轴和轴套；所述的发电装置基座上布置垂直轴和轴套，垂直轴套置在轴套内；垂直轴上固定升力型风轮；所述的升力型风轮包括若干根上连接支撑杆与若干根下连接支撑杆，上、下连接支撑杆之间均布置仿生翼叶片;在上、下连接支撑杆之间的垂直轴处布置阻力型风轮；发电装置基座内布置发电机。

本发明所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，所述的仿生翼叶片包括整体翼梁、翼肋、蒙皮、惯性块；所述的整体翼梁成条形、截面为成 “翼型”状且前部曲线形状，在整体翼梁展向上平行布置若干条相互平行的翼肋，每个展向位置上所布置两条翼肋向叶片后缘端逐渐收拢闭合；若干条相互平行的翼肋闭合处的内侧分别布置惯性块，整体翼梁与若干条相互平行的翼肋的外部包裹蒙皮。

本发明所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，所述的整体翼梁与惯性块由纤维增强环氧树脂构成，翼肋由钢丝或薄钢条构成、为弹性可变形结构，所述的蒙皮是聚酯丝织布、聚乙烯与聚氯乙烯熔合复合层结构；所述的整体翼梁与翼肋的内直角处粘连纤维树脂布。

本发明所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，所述的阻力辅助风轮的截面成凹凸S形。

有益效果

本发明提供的仿生翼结构叶片的风力发电机可以在小风时运转,工作不受风向影响，能提高风能利用效率，设计特殊的弹性翼结构，自主摆动不需专门机构，具有大风卸载作用,便于使用维护。

根据不同需求，可按照本发明设计不同尺寸大小的仿生翼结构叶片风力发电机。小尺寸风力发电机，将特别适合家庭、单位和中小企业使用。大尺寸风力发电机，也可用于组网供电和海边、沙漠特大风场环境。

附图说明

图1是本发明的的结构示意图；

图2（a）是本发明的正视图示意图；

图2（b）是本发明的侧视图示意图；

图2（c）是本发明的俯视图示意图；

图3（a）是本发明的升力型风轮与风向为0o和90o状态示意图；

图3（b）是本发明的升力型风轮与风向为45o状态示意图；

图4是鸟扑翼产生推力原理示意图

图5是鱼摆尾前进原理示意图

图6(a)是鸟扑翼产生高升力的上扑时涡结构图；

图6(b)是鸟扑翼产生高升力的下扑时涡结构图；

图7是本发明仿生翼结构叶片提高升力与推力示意图

图8是常规升力型垂直轴风力机固定叶片小叶尖速比时气流分离示意图；

图9是本发明仿生翼结构叶片变形及气流不分离示意图

图10是本发明仿生翼结构叶片翼型图

图11(a)是本发明仿生翼结构叶片平面形状示意图；

图11(b)是本发明仿生翼结构叶片截面形状示意图；

图12是本发明仿生翼结构叶片截面结构示意图；

图13(a)是本发明的弹性翼肋与整体翼梁的后端连接连接示意图；

图13(b)是本发明的弹性翼肋与整体翼梁翼肋的连接剖面图示意图；

图13(c)是本发明的弹性翼肋与整体翼梁的纤维树脂布粘接形式示意图；

图13(d)是本发明的弹性翼肋与整体翼梁的连接俯视图示意图；

图中1是升力型风轮，2是发电装置基座，3是垂直轴，4是上连接支撑杆，41是下连接支撑杆，5是阻力型辅助风轮，6是仿生翼结构叶片，7是整体翼梁，8是翼肋，9是蒙皮，10是惯性块，11是纤维树脂布。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图1、图2所示：一种仿生翼结构叶片的风力发电机，包括升力型风轮1，发电装置基座2，垂直轴3，轴套31，上连接支撑杆4，下连接支撑杆41，阻力型辅助风轮5，仿生翼叶片6，整体翼梁7，翼肋8，蒙皮9，惯性块10，纤维树脂布11。

发电装置基座2上布置垂直轴3和轴套31，垂直轴3套置在轴套31内；垂直轴3上固定升力型风轮1；升力型风轮1包括若干根上连接支撑杆4与若干根下连接支撑杆41，上、下连接支撑杆之间均布置仿生翼叶片6;在上、下连接支撑杆之间的垂直轴3处布置阻力型风轮5；发电装置基座2内布置发电机。

整体翼梁7成条形、截面为成 “翼型”状且前部曲线形状（图10），在整体翼梁7展向上平行布置若干条相互平行的翼肋8，每个展向位置上所布置两条翼肋8向叶片后缘端逐渐收拢闭合；若干条相互平行的翼肋8闭合处的内侧分别布置惯性块10，整体翼梁7与若干条相互平行的翼肋8的外部包裹蒙皮9。

整体翼梁7与惯性块10由纤维增强环氧树脂构成，翼肋8由钢丝或薄钢条构成、为弹性可变形结构，所述的蒙皮9是聚酯丝织布、聚乙烯与聚氯乙烯熔合复合层结构；所述的整体翼梁7与翼肋8的内直角处粘连纤维树脂布11。阻力辅助风轮5的截面成凹凸S形。

发明原理

我们进行了多年的仿生机器鸟的设计与研究，探索了鸟在空中飞行不掉和能前进，有两个原因：柔性扑翼在较低的速度时能产生比固定翼更大的升力，这是由于扑翼表面的卷起涡能够延迟脱落（见我们研究计算的结果图6、图7），故可产生高升力；鸟在扑动翅膀时能前进，是由于产生能对鸟作用推力的特殊尾涡（学术上称之“反卡门涡街”，见图4），这与鱼在水中摆动尾巴可以前进是同样道理（见图5，我们计算分析的结果）。我们研制了人造机器鸟，成功地实现了仿鸟飞行。

借助这一仿生原理，本发明提出并设计一种“仿生翼结构叶片”，以提高叶片的升力和前进力。升力型垂直轴风力机转动前进的“力”，来源于叶片“升力”在前进方向上的分量---“切向力”。常规固定叶片升力型垂直轴风力机，在风速较大、转速不高时（即叶尖速比--转速与风速之比较小时），容易因“迎角”过大而引起气流分离，而大大减小升力（见图 8），从而前进力减小，甚至不转或反转。而本发明的仿生翼结构叶片，可以在转速与风速之比较小时，由于顺风时后部偏转，避免“迎角”过大引起的气流分离，同时延迟翼面涡脱落（见图 9），因而仍能产生较大升力。另一方面，仿生翼结构叶片因后部弹性扑动，而产生额外的“推力”。因此，仿生翼结构叶片从“升力”和“推力”两方面都提高了风力机的效率。

此外，在很大风作用下，仿生翼结构叶片的顺风弹性变形，可以显著减小很大风对风力机的过大载荷，减小叶片结构的损坏。

考虑到常规升力型垂直轴风力机自主启动较困难，本发明风力机增加设计了一个阻力型辅助风轮，S型叶片安装在转轴外套管两侧。它可以在微小风时产生转动力，以便启动升力型风轮。

由于发电装置基座在地面，维护和修理比较方便。

具体实施方式

1．总体与结构

升力型主风轮由4个仿生翼结构叶片所组成，均匀布置在风力机外围。仿生翼结构叶片上下两端分别与上下支撑杆固连，连接点在翼弦1/4点预制孔轴处，叶片安装角度为翼弦30%点与圆周相切。上下支撑杆与水平方向夹角分别为±20°。

阻力型辅助风轮，由连接于轴套两侧、凸凹方向相反的2个半圆叶片所组成，其叶片垂直位置与上下支撑杆对称。

发电装置基座内部安装发电机、变频器、润滑装置等相关设备。发动机选择永磁直驱式发电机。

总体尺寸见图2，需要说明的是，图2注明的尺寸为相对值，实际尺寸可以根据需要设计。以主风轮半径R为基本单位，主风轮叶片长1.2R，展弦比为6；辅助风轮叶片长度为R, 双叶片与转轴总宽度为0.4R，两侧叶片翼型为半圆弧，圆弧开口方向相反（见图3），呈S形状，故又称为“S型”叶片。

2．仿生翼结构叶片

 仿生翼结构叶片是升力型主风轮叶片，也是本发明的关键。

 仿生翼结构叶片的平面形状为矩形，展弦比（即长宽比）为6。

 仿生翼结构叶片的“翼型”（即翼截面形状）为申请者设计的专门翼型，其为对称翼型，最大厚度为8%弦长，最大厚度位置在弦长30%处。

 仿生翼结构叶片由蒙皮、整体翼梁、弹性翼肋和惯性块所组成；整体翼梁为保持叶片弦长30%前段形状的固体结构，由纤维增强环氧树脂材料经模具加工成型；叶片上下两端分别在其在1/4弦长中间点处预制一定长度的孔，以便胶接螺栓，安装时使叶片与支撑杆连接；参考图11，在叶片整体翼梁的后端的相应位置，等距离加工两侧各7个孔，孔径大小与弹性翼肋钢丝直径匹配（钢丝直径大小与所设计的风力机尺寸相关而确定），分别将7根弹性翼肋插入胶接；弹性翼肋与整体翼梁连接处的内侧用纤维增强环氧树脂布（简称：纤维树脂布，其长度为叶片展长，宽度为6%弦长），将弹性翼肋内侧与整体翼梁后端粘接（图13）；每个展向位置的两侧弹性翼肋的后缘端钢丝焊接为一点（见图12）；按图11，将6个惯性块分别胶接在翼肋后缘内部；然后，将剪裁好的蒙皮布，从叶片前缘处绕过，分别与整体翼梁、弹性翼肋与整体翼梁后端连接处纤维树脂布、弹性翼肋用环氧树脂粘接，粘接需在放置叶片的型架上进行，保证蒙皮布粘接平整，外形光滑。叶片整体加工完成后，外表面喷涂一层聚氯乙烯，再喷涂一层聚二氟乙烯保证光洁度和保护作用。

 辅助风轮两个半圆叶片，用纤维增强环氧树脂材料由模具加工成型，与转轴外套管连接一侧留有延伸弧边（见图3），以便与转轴外套管粘接。

3．技术措施

（1）仿生翼结构叶片的气动性能实现

  要保证仿生翼结构叶片在风和相对气流作用下能产生高效前进力，除了设计适合的翼型外，如何使叶片后部产生合理的弹性摆动，是技术的关键。仿生翼结构叶片在风和相对气流作用下之所以能自发产生摆动，是因为风力、相对气流的气动力、叶片后部的弹性力和惯性力相互作用的结果。由于叶片在360o转动一圈周期内的位置相对风向是变化的，因此风对叶片的作用力在周期内也是变化的，而同时受到弹性恢复力和惯性力的作用，所以叶片会发生周期性的左右振动。叶片后部摆动的幅度大小，由风力、弹性力和惯性力三者作用而确定。根据结构力学分析，叶片后部弹性变形近似于抛物线变形，如何保证叶片后缘振幅10% - 15%弦长（即后缘20%－30%弦长变化范围，见图9）首先，根据风轮叶片的大小，通过弹性力试验选择适当直径的钢丝（或钢条）；设计若干尺寸的惯性块，安装在叶片后缘处；然后通过风洞试验，测量不同风速下的叶片摆动的幅度；更换调节惯性块的大小，继续试验，直到获得满意的摆动幅值；如果调节惯性块的大小仍然达不到设计范围，则需更换钢丝的直径材料；更换后，重新进行风洞试验，直到获得满意的结果。

风洞试验还可以测出叶片摆动产生的推力大小；以及测量不同迎角时叶片翼型“升力”的大小。

   经上述试验确定弹性翼肋的钢丝直径和惯性块大小后，就可以按满意试验结果，正式制作仿生翼结构叶片。

（2）仿生翼结构叶片的强度性能实现

  为了保证仿生翼结构叶片在周期振动下具有足够的结构强度，要采取以下几方面的措施：

首先蒙皮要有足够的韧性和耐久性，可采用由聚酯丝织布为膜心，双面涂以聚乙烯树脂，再用热熔法喷涂一层聚氯乙烯，制成的复合膜。叶片制作完成后，外表面再喷涂一层增加光洁度的聚二氟乙烯保护层。

其次是弹性翼肋与整体翼梁的连接。弹性翼肋插入整体翼梁孔的胶接，可采用韧性好、强度高的类型AB胶。粘接弹性翼肋内侧与整体翼梁后端的环节，对于加强弹性根部变形强度也十分重要。直角截面的长条粘接布可采用纤维树脂布（图13），如聚酯丝织布为膜心、双面涂以聚乙烯树脂的纤维树脂布。粘接弹性翼肋的纤维树脂布从内侧包裹到外侧（图13），使外蒙皮膜能够与内部长条膜布密切粘接，并保持叶片翼型曲面外形光顺。

对于制作的仿生翼结构叶片样件，还需做振动强度试验。采用适当的激振装置，使叶片样件后部处于长时间（多至数月到半年）的连续振动，以测试其强度和抗疲劳性能。如不能满足设计要求，检查连接强度和材料本身，改进加工工艺，或更换更优良的材料和胶接剂，使其满足强度和抗疲劳要求。

此外还需做大风载荷下的叶片风轮的静强度和动强度试验。

（3）整机试验

选择与风轮尺寸大小匹配的永磁直驱式发电机。发电机可以直接购置，或请电机厂制作与所设计风轮相匹配的发电机。

安装好的风力发电机全部装置，需在具有不同风速环境下作外场试验，主要测试风轮的运转性能，风轮与发电机的匹配性能。

Claims (4)

1.一种仿生翼结构叶片的风力发电机，包括升力型风轮（1）、阻力型风轮（5）、发电装置基座（2）、垂直轴（3）和轴套（31）；所述的发电装置基座（2）上布置垂直轴（3）和轴套（31），垂直轴（3）套置在轴套（31）内；垂直轴（3）上固定升力型风轮（1）；其特征在于：所述的升力型风轮（1）包括若干根上连接支撑杆（4）与若干根下连接支撑杆（41），上、下连接支撑杆之间均布置仿生翼叶片（6）;在上、下连接支撑杆之间的垂直轴（3）处布置阻力型风轮（5）；发电装置基座（2）内布置发电机。

2.根据权利要求1所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，其特征在于：所述的仿生翼叶片（6）包括整体翼梁（7）、翼肋（8）、蒙皮（9）、惯性块（10）；所述的整体翼梁（7）成条形、截面为成 “翼型”状且前部曲线形状，在整体翼梁（7）展向上平行布置若干条相互平行的翼肋（8），每个展向位置上所布置两条翼肋（8）向叶片后缘端逐渐收拢闭合；若干条相互平行的翼肋（8）闭合处的内侧分别布置惯性块（10），整体翼梁（7）与若干条相互平行的翼肋（8）的外部包裹蒙皮（9）。

3.根据权利要求2所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，其特征在于：所述的整体翼梁（7）与惯性块（10）由纤维增强环氧树脂构成，翼肋（8）由钢丝或薄钢条构成、为弹性可变形结构，所述的蒙皮（9）是聚酯丝织布、聚乙烯与聚氯乙烯熔合复合层结构；所述的整体翼梁（7）与翼肋（8）的内直角处粘连纤维树脂布（11）。

4.根据权利要求1所述的仿生翼结构叶片的风力发电机，其特征在于：所述的阻力辅助风轮（5）的截面成凹凸S形。

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