CN102734083A - 一种可抗强风的风力发电机桨叶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抗强风的风力发电机桨叶，包括第一桨叶外壳、第二桨叶外壳和伸缩杆机构，所述第一桨叶外壳的一端连接轮毂，第一桨叶外壳的另一端设有开口，所述第二桨叶外壳的一端通过开口伸进第一桨叶外壳的内腔；所述伸缩杆机构设置在第一桨叶外壳和第二桨叶外壳之间，通过伸缩杆机构的伸缩运动来调节第二桨叶外壳的伸进距离，进而调节第一桨叶外壳和第二桨叶外壳的整体长度。本发明可根据实际风环境自动调节自身长度，在风速很小时，通过充分伸展叶桨获得足够启动弯矩，风速过高时，通过收缩叶桨可有效提高叶桨抗扭转颤振性能，降低了叶片受损风险；其具有广泛的工程应用前景，社会经济效益重大。

Description

一种可抗强风的风力发电机桨叶

技术领域

本发明涉及风力发电机设备，尤其是一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特别适用于处在强台风、飓风等多发区的风力发电机中，可以有效降低风力发电机在遭遇极端风环境时所发生的破坏。 

背景技术

随着人类社会能源消耗的不断增长，化石资源诸如煤炭、石油、天然气等的日益枯竭，环境污染问题不断突显，这些都对能源持续供给形成了很大的压力，能源安全成为当今世界各国发展中所必须直面的一个难题与挑战。风能作为一种可再生能源，因具有储量大、无污染、使用便捷等特点，其开发和利用已经在全世界范围愈加受到重视。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械工程、电机学、计算机技术、材料科学等多学科的综合性高技术系统，它是风能利用最主要形式，当前已成为各国竞相研究的热点。特别是海上风力发电具有风能储量大、节约用地、减少噪音污染等优点，如今已在世界各地得到了快速发展。但是，海上风电场的运行条件较陆上时更为严酷，可能遭受的环境作用包括强风、巨浪、地震、偶然撞击等。由于海上丰富的风能资源及风电技术的发展和经验不断积累，人类势必克服重重困难，推动海上风能的规模化及海上风电产业的进步。 

风力发电机组从能量转换的角度看可分为两大部分：其一是风轮，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是把机械能转换为电能。风轮是获取风中能量的关键部件，由桨叶和轮毂组成。风机桨叶具有尺寸大、外形复杂、精度要求高、对强度和刚度要求高、表面粗糙度要求高、要求质量分布均匀性好等特点，是整个风机的最核心部分，占整个风电机成本的20％。 

由著名的贝兹（Betz）理论可知，风电机实际得到的有用功率输出为 

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρS}{v}_1^3{C}_p$

式中，ρ为气流密度，S为风轮扫及面积，C_p（<0.593）为风力机的实际风能利用系数，v₁为距离风力机一定距离的上游风速。 

上式说明，风力机从自然风中索取的能量是有限的，这部分能量理论上与风力机的风轮扫及面积成正比，即桨叶的长度平方成正比；同时能量的转换将导致功率的下降，其功率的损失部分可以解释为留在尾流中的旋转功能。 

在实践应用当中，工程师们倾向于把结构材料利用到极限，使得结构越来越轻巧，以增加有效荷载，最大限度的利用风能，从而获得更大的经济效益。国外 风机桨叶的研制正朝着大型化、高性能、轻量化、低成本发展。世界上最大的桨叶制造商丹麦的LM公司现已开发54m的全玻璃纤维桨叶，其单位KW小时成本很低，同时开发横梁和端部使用少量碳纤维的61m大型叶片，以开发5MW风机。随着桨叶长度的增长和近海风电的发展，桨叶将遇到更复杂的气动力，进一步增长了由于气动力而导致破坏的危险。 

随着科学技术迅速发展，风力发电机组朝着大型化挺近，单机容量不断提升。得益于新型高性能材料不断问世，风力发电机组的桨叶越做越长，使得结构的柔度和挠性增大，气流所诱发的结构振动问题日趋严重化。桨叶是风力发电机组中受力最复杂的部件。它不停地旋转，各种激振力几乎都是通过叶片传递出去的。无论是地球附面层形成的风的不均匀流，还是重力的影响以及阵风等因素，都是作用在桨叶上。风电机组桨叶展向长、弦向短，柔性较好，是一个容易发生振动的细长弹性体，风机各种机械振动首先发生在桨叶上。同时，桨叶还是一个典型的气动力元件，在旋转过程中不仅承受机械振动还要承受气动力。在空气动力作用下这些薄壁结构桨叶极易变形而发生颤振，空气与气流耦合振动问题的严重程度不断增加，影响了风力发电机组的健康运转。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的风力发电机桨叶抗风性能不足，本发明提供了一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特别适用于处在强台风、飓风等多发区的风力发电机中，可以有效降低风力发电机在遭遇极端风环境时所发生的破坏。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案： 

一种可抗强风的风力发电机桨叶，包括第一桨叶外壳、第二桨叶外壳，所述第一桨叶外壳的一端连接轮毂，第一桨叶外壳的另一端设有开口，所述第二桨叶外壳的一端通过开口伸进第一桨叶外壳的内腔；在第一桨叶外壳和第二桨叶外壳之间设有可调节第二桨叶外壳的伸进距离的伸缩杆机构。 

进一步的，所述伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳的内腔沿径向设置的支撑导轨，所述支撑导轨的一端连接轮毂，另一端设置驱动齿轮和位移传感器；在第二桨叶外壳的内腔沿径向设置齿条，所述齿条的一端连接第二桨叶外壳的内壁，另一端与驱动齿轮配合，齿条的齿顶平面与支撑导轨的侧面贴合。 

进一步的，所述伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳的内腔沿径向设置的伸缩油缸，所述伸缩油缸的外侧依次套设第一节臂、第二节臂、第三节臂和第四节臂，所述第四节臂的一端与第二桨叶外壳的内壁连接，所述第一节臂的一端分别连接 轮毂和伸缩油缸的塞杆；所述第二节臂的一端固定有伸缩油缸以及第一滑轮，在伸缩油缸的端部设置第二滑轮，在第三节臂的两端分别设置第三滑轮和第四滑轮；所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮上分别缠绕第一伸缩绳、第二伸缩绳、第三伸缩绳和第四伸缩绳，所述第一伸缩绳的两端和第二伸缩绳的两端分别固定连接在第三节臂和第一节臂上，所述第三伸缩绳的两端均固定第四节臂上，所述第四伸缩绳的两端分别固定连接第四节臂和第二节臂上；在第二桨叶外壳伸进端的内壁上设置位移传感器21。 

更进一步的，所述第二桨叶外壳为等截面壳体，第二桨叶外壳的截面形状与第一桨叶外壳开口端的内孔相适配。 

再更进一步的，所述第一桨叶外壳的内腔设置第一加强筋，第二桨叶外壳的内腔设置第二加强筋，在第一桨叶外壳开口端的内壁镶嵌有加强框。 

有益效果：本发明的叶桨外壳具备可根据实际风环境自动调节自身长度的功能，在风速很小时，通过充分伸展叶桨获得足够启动弯矩，风速过高时，通过收缩叶桨可有效提高了叶桨抗扭转颤振性能，降低了叶片受损风险；随着世界范围内风能的开发与利用不断发展与进步，该桨叶结构为电力工程师带来了一种全新的选择，为进一步开发海上风力资源提供了一项重要的技术储备，因此具有广泛的工程应用前景，社会经济效益重大。 

附图说明

图1是本发明实施例一的桨叶伸展状态示意图； 

图2是本发明实施例一的桨叶收缩状态示意图； 

图3是本发明实施例一的伸缩杆机构控制原理图； 

图4是本发明实施例二的桨叶伸展状态示意图； 

图5是本发明实施例二的桨叶收缩状态示意图； 

图6是本发明实施例二的伸缩杆机构的内部构造图； 

图7是本发明实施例二的伸缩杆机构控制原理图。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 

实施例一 

如图1至7所示，本发明的一种可抗强风的风力发电机桨叶包括第一桨叶外壳1、第二桨叶外壳2和伸缩杆机构。 

所述第一桨叶外壳1的一端连接轮毂，另一端设有开口3，第一桨叶外壳1的内壁上装配第一加强筋22，在开口端的内壁镶嵌有加强框24；第二桨叶外壳 2为等截面壳体，截面形状与第一桨叶外壳1开口端的内孔相适配，在第二桨叶外壳2的内腔设置第二加强筋23；第二桨叶外壳2的一端通过开口3伸进第一桨叶外壳1的内腔，与第一桨叶外壳1连接为一整体。 

第一桨叶外壳1、第二桨叶外壳2采用玻璃钢材料，第一加强筋22、第二加强筋23和加强框24均采用金属钢材质。第一加强筋22和第二加强筋23分别承担第一桨叶外壳1和第二桨叶外壳2大部分的弯曲荷载；第一桨叶外壳1和第二桨叶外壳2除了需满足气动性能外，也要承担部分荷载；加强框24增加了第一桨叶外壳1开口端的强度，防止其开裂。为了提高第一桨叶外壳1的与轮毂之间的连接强度与刚度，在第一桨叶外壳1与轮毂连接的端部采用合金材料加固。 

所述伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳1的内腔沿径向设置的支撑导轨4，所述支撑导轨4的一端连接轮毂，另一端设置驱动齿轮5和位移传感器21；在第二桨叶外壳2的内腔沿径向设置齿条6，所述齿条6的一端连接第二桨叶外壳2的内壁，另一端与驱动齿轮5配合，齿条6的齿顶平面与支撑导轨4的侧面贴合。 

风力发电机桨叶运转时，在第一桨叶外壳1内部安装变桨控制器25和辅助电机26，变桨控制器25分别连接风力发电机主控制器27、辅助电机26和位移传感器21，辅助电机26连接驱动齿轮5的转动轴。在风速很小时，风力发电机主控制器27发送控制信号至变桨控制器25，变桨控制器25控制辅助电机26开启，辅助电机26带动驱动齿轮5旋转，驱动齿轮5带动齿条6向远离轮毂的方向运动，进而带动第二桨叶外壳2向外伸出，桨叶整体长度边长，以获得足够启动弯矩。在遇到强风、台风等风速过高情况下，辅助电机26带动驱动齿轮5反向旋转，驱动齿轮5带动齿条6向靠近轮毂的方向运动，进而带动第二桨叶外壳2向内缩回，桨叶整体长度变短，消除桨叶运行的轴向振动，有效提升桨叶在风速超过额定值时的保护能力，降低了桨叶受损风险。在第二桨叶外壳2伸出或缩回时，位移传感器21可以实时监测第二桨叶外壳2的移动距离，并通过变桨控制器25发送至风力发电机主控制器27，以保证变桨准确控制。 

实施例二 

实施例二与实施例一的不同点在于伸缩杆机构的结构。 

在实施例二中，伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳的内腔沿径向设置的伸缩油缸7，所述伸缩油缸7的外侧依次套设第一节臂11、第二节臂10、第三节臂9和第四节臂8。所述第四节臂8的一端与第二桨叶外壳2的内壁连接，所述第一节臂11的一端分别连接轮毂和伸缩油缸7的塞杆12，所述第二节臂10的一端固定有伸缩油缸7以及第一滑轮13，在伸缩油缸7的端部设置第二滑轮14，在 第三节臂9的两端分别设置第三滑轮15和第四滑轮16；所述第一滑轮13、第二滑轮14、第三滑轮15和第四滑轮16上分别缠绕第一伸缩绳17、第二伸缩绳18、第三伸缩绳19和第四伸缩绳20，所述第一伸缩绳17的两端和第二伸缩绳18的两端分别固定连接在第三节臂9和第一节臂11上，所述第三伸缩绳19的两端均固定在第四节臂8上，所述第四伸缩绳20的两端分别固定连接第四节臂8和第二节臂10上。在第二桨叶外壳2伸进第一桨叶外壳1内腔的端部内壁上设置位移传感器21。 

风力发电机桨叶运转时，在第一桨叶外壳1内部安装变桨控制器25和油泵28，变桨控制器25分别连接风力发电机主控制器27、油泵28和位移传感器21，油泵28驱动伸缩油缸7的缸体运动。 

在风速很小时，风力发电机主控制器27发送控制信号至变桨控制器25，变桨控制器25控制油泵28向伸缩油缸7的缸体注油，缸体朝远离轮毂的方向运动，进而带动第二节臂10做同向运动，第二节臂10运动时，由于第二滑轮14上的第二伸缩绳18被拉伸变形，进而带动第三节臂9做同向运动，第二节臂9运动时，由于第四滑轮16上的第四伸缩绳20被拉伸变形，进而带动第四节臂做8同向运动，从而带动第二桨叶外壳2向外伸出，桨叶整体长度边长，以获得足够启动弯矩。 

在遇到强风、台风等风速过高情况下，油泵28将伸缩油缸7的缸体内的油抽出，缸体朝靠近轮毂的方向运动，进而带动第二节臂10做同向运动，第二节臂10运动时，由于第一滑轮13上的第一伸缩绳17被拉伸变形，进而带动第三节臂9做同向运动，第三节臂9运动时，由于第三滑轮15上的第三伸缩绳19被拉伸变形，进而带动第四节臂8做同向运动，从而带动第二桨叶外壳2向里缩回，桨叶整体长度变短，消除桨叶运行的轴向振动，有效提升桨叶在风速超过额定值时的保护能力，降低了桨叶受损风险。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特征在于：包括第一桨叶外壳（1）、第二桨叶外壳（2），所述第一桨叶外壳（1）的一端连接轮毂，第一桨叶外壳（1）的另一端设有开口（3），所述第二桨叶外壳（2）的一端通过开口（3）伸进第一桨叶外壳（1）的内腔；在第一桨叶外壳（1）和第二桨叶外壳（2）之间设有可调节第二桨叶外壳（2）的伸进距离的伸缩杆机构。

2.根据权利要求1所述的一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特征在于：所述伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳（1）的内腔沿径向设置的支撑导轨（4），所述支撑导轨（4）的一端连接轮毂，另一端设置驱动齿轮（5）和位移传感器（21）；在第二桨叶外壳（2）的内腔沿径向设置齿条（6），所述齿条（6）的一端连接第二桨叶外壳（2）的内壁，另一端与驱动齿轮（5）配合，齿条（6）的齿顶平面与支撑导轨（4）的侧面贴合。

3.根据权利要求1所述的一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特征在于：所述伸缩杆机构包括在第一桨叶外壳（1）的内腔沿径向设置的伸缩油缸（7），所述伸缩油缸（7）的外侧依次套设第一节臂（11）、第二节臂（10）、第三节臂（9）和第四节臂（8）；所述第四节臂（8）的一端与第二桨叶外壳（2）的内壁连接，所述第一节臂（11）的一端分别连接轮毂和伸缩油缸（7）的塞杆（12）；所述第二节臂（10）的一端固定有伸缩油缸（7）以及第一滑轮（13），在伸缩油缸（7）的端部设置第二滑轮（14），在第三节臂（9）的两端分别设置第三滑轮（15）和第四滑轮（16）；所述第一滑轮（13）、第二滑轮（14）、第三滑轮（15）和第四滑轮（16）上分别缠绕第一伸缩绳（17）、第二伸缩绳（18）、第三伸缩绳（19）和第四伸缩绳（20），所述第一伸缩绳（17）的两端和第二伸缩绳（18）的两端分别固定连接在第三节臂（9）和第一节臂（11）上，所述第三伸缩绳（19）的两端均固定第四节臂（8）上，所述第四伸缩绳（20）的两端分别固定连接第四节臂（8）和第二节臂（10）上；在第二桨叶外壳（2）伸进第一桨叶外壳（1）内腔的端部内壁上设置位移传感器（21）。

4.根据权利要求2或3所述的一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特征在于：所述第二桨叶外壳（2）为等截面壳体，第二桨叶外壳（2）的截面形状与第一桨叶外壳（1）开口端的内孔相适配。

5.根据权利要求4所述的一种可抗强风的风力发电机桨叶，其特征在于：所述第一桨叶外壳（1）的内腔设置第一加强筋（22），第二桨叶外壳（2）的内腔设置第二加强筋（23），在第一桨叶外壳（1）开口端的内壁镶嵌有加强框（24）。

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