CN103147913B - 一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，属于风力发电装置领域，包括仅由连续的受拉构件和不连续的至少3个受压构件组成的自平衡的结构体系，所述每个受压构件均与风轮旋转中心轴异面空间交叉成锐角的夹角，且各受压构件间仅通过所述受拉构件连接，所述受拉构件由构成风轮两端面的端面受拉构件和构成风轮侧面的侧面受拉构件组成，该风轮两端面的相对外端点间分别仅由一个所述侧面受拉构件连接，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。本发明是一种结构简单、新颖、经济、安装运输方便、能够充分发挥材料特性的垂直轴风力发电风轮叶片支撑结构，可显著减轻风轮自重，另外能显著提高风轮叶片风荷载承载能力，防止疲劳破坏。

Description

一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构

技术领域

本发明属于风力发电装置领域，尤其涉及一种垂直轴风力发电机风轮。

背景技术

当前，垂直轴风力发电机叶片主要有阻力型和升力型，阻力型叶片是利用空气流在叶片上产生的阻力做功，具有较大的转矩和良好的启动性能，但叶尖速比和风能转化率较低。升力型叶片是利用空气流在叶片上产生的压力差做功，具有较高的叶尖速比和风能转化率，但转矩小，小风难以启动等特点。现有公开的垂直轴风轮装置，不论是阻尼型还是升力型，其叶片支撑结构，既叶片与中心旋转轴的连接结构要么是采取水平或斜向的支撑梁（支撑杆或支撑杆系）相连，要么是直接将叶片整体与中心旋转轴相连（叶片即作为风轮叶片也作为支撑构件）如萨沃尼斯(Savonius) 风轮。

现有的垂直轴风力发电机风轮，其支撑结构构件是一种传统的支撑构件，存在体积大、自重大、安装与运输不方便的问题，因此也造成了整体成本高，效率不高等问题。另一方面，风叶作为风轮的主要构件，除了在空气动力学外形上有特殊要求外，作为一种主要承受风力的复杂受力构件，在提高风荷载承载能力、避免失稳、防止疲劳破坏等方面也遇到了一定挑战。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种结构简单、新颖、经济、安装运输方便、能够充分发挥材料特性的垂直轴风力发电风轮叶片支撑结构，一方面可显著减轻风轮自重；另一方面该支撑体系可以显著提高风轮叶片风荷载承载能力，防止叶片疲劳破坏。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，包括仅由连续的受拉构件和不连续的至少3个受压构件组成的自平衡的结构体系，所述每个受压构件均与风轮旋转中心轴异面空间交叉成锐角的夹角，且各受压构件间仅通过所述受拉构件连接，所述受拉构件由构成风轮两端面的端面受拉构件和构成风轮侧面的侧面受拉构件组成，该风轮两端面由端面受拉构件等长星形连接或首尾正多边形连接构成，两端面的相对外端点间分别仅由一个所述侧面受拉构件连接，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

上述方案中，所述受压构件是指，仅承受轴向压力（由于风引起的侧向力较小，可忽略）的构件。所述受拉构件是指，仅承受轴向拉力的构件。所述风轮两端面的相对外端点是指，一端面的外端点与另一端面的外端点间，由同一侧面受拉构件相连的两外端点即为相对外端点。所述等长星形连接是指，由等长的端面受拉构件均匀分布成星形连接。所述首尾正多边形连接是指，由等长的端面受拉构件首尾相连成封闭环，该环为正多边形。本方案中，在该结构体系下，风轮的叶片可以固定于受压构件或侧面受拉构件上，或者风轮的叶片本身即为受压构件或侧面受拉构件。风轮叶片根据其受力特性可分为阻尼型叶片和升力型叶片两种类型。

作为优选方式，所述受压构件为压杆。

作为优选方式，所述受拉构件为拉索。

上述方案中，受拉构件为拉索，相比于现有传统风轮，大大减轻自重和制作成本。而且这种拉索其截面可以做的很小，远处看可以几乎看不到连接结构，会给人造成一种叶片漂浮在空中的假象。因此是一种造型独特、新颖的垂直轴风力发电风轮。

作为优选方式，所述等长星形连接的端面受拉构件的连接点设有旋转盘。

作为优选方式，该风轮两端面均由端面受拉构件等长星形连接，且两端面的连接中心之间通过伸缩可调的旋转轴连接。

上述方案中，采用伸缩可调的旋转轴，一方面起到旋转轴作用，另一方面可以简单地伸缩调整旋转轴长短，从而调整各受拉构件的绷紧受拉状态，实现风轮刚度调节，这样不但可以简单方便快速地解决因制作加工原因导致的各端面受拉构件无法自然直接绷紧的问题，还可以保证安装的方便性和初始应力的建立。

作为进一步优选方式，所述受压构件为三个，该风轮两端面均为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面，上下三角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述三个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

作为另一进一步优选方式，所述受压构件为三个，该风轮一端面为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面，另一端面为由三个等长端面受拉构件三角形连接构成的三角形端面，所述三角星形端面和三角形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述三个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

作为另一进一步优选方式，所述受压构件为四个，该风轮两端面均为由四个等长端面受拉构件十字交叉连接构成的十字交叉形端面，上下十字交叉形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述四个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

作为另一进一步优选方式，所述受压构件为五个，该风轮两端面均为由五个等长端面受拉构件五角星形连接构成的五角星形端面，上下五角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述五个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

作为另一进一步优选方式，所述受压构件为六个，该风轮两端面均为由六个等长端面受拉构件六角星形连接构成的六角星形端面，上下六角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述六个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

本发明的支撑结构，还可以用于水平轴风力发电风轮、风力发电塔架、以及工程、机械等其它领域。

本发明的有益效果：

1、本发明风轮采用自平衡张拉结构形式，具有自重轻、新颖、经济、安装运输方便、材料性能发挥充分的特点。从而实现降低风力发电风轮制作成本、提高发电效率等目的。

2、在本发明的结构体系下，叶片在受力上既可以作为受拉构件，也可作受压构件。当作为受拉构件时，由于叶片受拉，相比于现有传统风轮中的叶片，因此叶片材料选择面更广，更能降低制作成本。另一方面由于叶片主要受力为拉力，不用考虑叶片失稳，其风荷载承载能力可大幅提高，同时在防止叶片疲劳破坏方面具有明显的优势。

3、本发明造型独特新颖。

4、本发明中的受压构件较少，且受压构件仅轴向受力，（由于风引起的侧向力较小，可忽略），这种简单的受力，加之受压构件较少，同样可以达到节约材料降低制作成本的目的。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3的自平衡张拉结构形俯视图；

图2为本发明实施例1、2、3的自平衡张拉结构形前视图；

图3为本发明实施例1、2、3的自平衡张拉结构形轴测图；

图4为本发明实施例4的自平衡张拉结构形俯视图；

图5为本发明实施例4的自平衡张拉结构形前视图；

图6为本发明实施例4的自平衡张拉结构形轴测图；

图7为本发明实施例5的自平衡张拉结构形俯视图；

图8为本发明实施例5的自平衡张拉结构形前视图；

图9为本发明实施例5的自平衡张拉结构形轴测图；

图10为本发明实施例6的自平衡张拉结构形轴测图；

图11为本发明实施例1的自平衡张拉结构风轮平面图；

图12为本发明实施例1的自平衡张拉结构风轮前视图；

图13为本发明实施例1的自平衡张拉结构风轮轴测图；

图14为本发明实施例2的自平衡张拉结构风轮平面图；

图15为本发明实施例2的自平衡张拉结构风轮前视图；

图16为本发明实施例2的自平衡张拉结构风轮轴测图；

图17为本发明实施例3的自平衡张拉结构风轮平面图；

图18为本发明实施例3的自平衡张拉结构风轮前视图；

图19为本发明实施例3的自平衡张拉结构风轮轴测图；

图20为本发明实施例5的自平衡张拉结构风轮轴测示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，包括仅由连续的受拉构件和不连续的至少3个受压构件组成的自平衡张拉结构体系，每个受压构件均与风轮旋转中心轴异面空间交叉成锐角的夹角，且各受压构件间仅通过受拉构件连接，受拉构件由构成风轮两端面的端面受拉构件和构成风轮侧面的侧面受拉构件组成，该风轮两端面由端面受拉构件等长星形连接或首尾正多边形连接构成，两端面的相对外端点间分别仅由一个侧面受拉构件连接，每一侧面受拉构件仅通过一受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。该自平衡张拉结构形其力学特征还在于，受压构件端部所形成的平面内的力，使受压构件上下端向平面中心收缩，既受压杆件端部所形成的平面内的力，可简化为一个方向指向于平面中心的力；侧面受拉构件对受压构件产生的力，使受压构件端部所形成的平面向两平面中间收缩。在该自平衡张拉结构形下，所述受压构件和受拉构件包含一切可以产生前述力学效果的构件，如压杆、拉索、受拉片材、受拉环、受拉膜、异形受拉受压块体、杆件、钢架、格构柱等等。将该叶片支撑结构与风轮叶片结合即构成风轮，再将该风轮通过动力连接传递机构与发电系统连接，将风轮的转动力传递至发电系统，将风力转化为电力。现有技术中存在各种可将该风轮的转动力进行连接传递的方式，其只需满足将该风轮与发电机连接并传递转动力即可，比如可以在端面受拉构件星形连接中心连接点设置旋转盘，通过旋转盘与发电机形成转动力传递，或者，将端面受拉构件首尾正多边形连接构成的端面通过连接机构进行动力连接传递等等。

实施例1：

如图1、2、3所示，一种自平衡张拉结构风轮，其叶片支撑结构包括仅由连续的受拉构件和不连续的3个受压构件组成的自平衡的结构体系，每个受压构件均与风轮旋转中心轴异面空间交叉成锐角的夹角，且各受压构件间仅通过受拉构件连接，受拉构件由构成风轮两端面的端面受拉构件和构成风轮侧面的侧面受拉构件组成。该风轮两端面均为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面，上下三角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，三个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。如本实施例所示，作为优选，受压构件为斜向压杆1；作为优选方式，其中端面受拉构件由上部拉索2和下部拉索3组成，风轮的叶片固定于侧面受拉构件上，或者风轮的叶片本身即为侧面受拉构件，如本实施例所示的侧向阻力型风叶4。如图11、12、13所示，该自平衡张拉结构风轮包含斜向压杆1、上部拉索2、下部拉索3、侧向阻力型风叶4、旋转轴5、旋转轴长度调节装置6、下部拉索连接盘7、上部拉索连接盘8。斜向压杆1上下端分别与风轮上下部拉索2、3相连，风叶4与两相邻斜向压杆1的上端和下端连接，形成侧面受拉构件。上部拉索2星形连接，一端汇聚位于上部端面平面中心的上部拉索连接盘8，并与之连接，下部拉索3星形连接一端汇聚位于下部端面平面中心的下部拉索连接盘7，并与之连接，下部拉索连接盘7设有与发电机相连的装置。上下部拉索连接盘8、7与旋转轴5进行固定连接。旋转轴5上设有用于调节旋转轴长度的旋转轴长度调节装置6。风叶4、上下部拉索2、3以及斜向压杆1的形成一稳定的自平衡张拉结构体系。该结构体系的刚度与各构件的内力密切相关，结构体系内部的自平衡内力越大，其结构体系的整体刚度越大。要增加结构自平衡内力，提高结构体系刚度可通过减小拉索的长度和增加受压杆件的长度方法来调节。在本案中通过旋转轴长度调节装置6调节旋转轴5的长度达到间接改变上、下部拉索2、3实际结构受力长度的方式来实现，该方案本既可满足方便构件组装的需要，也可满足初始张拉力建立和张拉力调节的需要。当风叶4受到风产生的作用力后，风叶4将作用力传给结构体系，结构体系将通过内力重分布传给上下部拉索2、3，上下部拉索2、3通过上下部拉索连接盘8、7，并最终通过旋转轴5和下部拉索连接盘7将转动力传给发电机。或者，该方案中，上下部拉索2、3间也可不连接旋转轴5，现有技术中存在各种将该风轮的转动力进行连接传递的方式，其只需满足将该风轮与发电机连接并传递转动力即可，比如可以在上下部拉索2、3某一中心连接点设置旋转盘，通过旋转盘与发电机形成转动力传递，等等。其中，施加张拉力的方法不限于本方案中采用减小上下两平面拉索中心之间距离，达到间接减少拉索力学长度来施加张力的方法。还包括其它直接或间接改变受拉索或者受压杆构件尺寸来施加张拉力的方法。如：减小上部或下部某一平面内拉索的长度、减小侧面拉索的长度、增加压杆的长度、增加上下拉索汇交中心之间距离，间接减小拉索力学长度等方式。

实施例2：

如图14、15、16所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，风叶4为升力型叶片。

实施例3：

如图17、18、19所示，本实施例与实施例1基本相同，侧面受拉构件4优选为拉索，风轮的风叶可以固定于受压构件上，或者风轮的风叶本身即为受压构件，如本实施例所示，风叶采用将阻力型叶片固定在斜向压杆1（受压构件）上的方式。该方式的优点在于整个风轮简洁，别致。缺点是单独应用，风轮效率低，不能充分发挥该结构体系的优势。因此该案可与前述两种实施方案进行综合应用，以提高风轮整体效率。

实施例4：

如图4、5、6所示，本实施例与实施例1、2或3基本相同，其区别在于，该风轮一端面为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面3，另一端面为由三个等长端面受拉构件三角形连接构成的三角形端面2，三角星形端面3和三角形端面2上下对应端点间仅由一侧面受拉构件4连接，三个侧面受拉构件4构成该风轮的侧面。

实施例5：

如图7、8、9、20所示，本实施例与实施例1、2、3或4基本相同，其区别在于，受压构件1为四个，该风轮两端面均为由四个等长端面受拉构件十字交叉连接构成的十字交叉形端面，上下十字交叉形端面2、3上下对应端点间仅由一侧面受拉构件4连接，四个侧面受拉构件4构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件4仅通过一受压构件1与另一相邻侧面受拉构件4相连，且该受压构件1两端分别连接风轮两端面。与实施例1、2、3或4相似，该方案还可做各种变形，如风轮两端面均为由四个等长端面受拉构件首尾正方形连接构成的正方形端面，或者一端面为正方形端面，另一端面为十字交叉形端面。

实施例6：

如图10所示，本实施例与实施例5基本相同，其区别在于，受压构件1为五个，该风轮两端面均为由五个等长端面受拉构件五角星形连接构成的五角星形端面，上下五角星形端面2、3上下对应端点间仅由一侧面受拉构件4连接，五个侧面受拉构件4构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件4仅通过一受压构件1与另一相邻侧面受拉构件4相连，且该受压构件1两端分别连接风轮两端面。与实施例5相似，该方案还可做各种变形，如风轮两端面均为由五个等长端面受拉构件首尾正方形连接构成的正五边形端面，或者一端面为正五边形端面，另一端面为五角星形端面。

实施例7：

本实施例与实施例5或6基本相同，其区别在于，受压构件为六个，该风轮两端面均为由六个等长端面受拉构件六角星形连接构成的六角星形端面，上下六角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，六个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。与实施例5或6相似，该方案还可做各种变形，如风轮两端面均为由六个等长端面受拉构件首尾正方形连接构成的正六边形端面，或者一端面为正六边形端面，另一端面为六角星形端面。

如实施例1至7所示，给出了3至6个受压构件作为风轮的示意图，本发明不限于其给出的张拉结构形，还包含一切满足权利要求书中提及的其它自平衡张拉结构形，以及按照该方式获得的更多受压构件构成的风轮，以及将叶片作为结构体系中的构件或者作为附加构件固定于结构体系上的方式，设计出各种具有自平衡张拉结构形特征的阻力型和升力型风轮，均在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：包括仅由连续的受拉构件和不连续的至少3个受压构件组成的自平衡的结构体系，所述每个受压构件均与风轮旋转中心轴异面空间交叉成锐角的夹角，且各受压构件间仅通过所述受拉构件连接，所述受拉构件由构成风轮两端面的端面受拉构件和构成风轮侧面的侧面受拉构件组成，该风轮两端面由端面受拉构件等长星形连接或首尾正多边形连接构成，两端面的相对外端点间分别仅由一个所述侧面受拉构件连接，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

2.如权利要求1所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为压杆。

3.如权利要求1所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受拉构件为拉索。

4.如权利要求1所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述等长星形连接的端面受拉构件的连接点设有旋转盘。

5.如权利要求1所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：该风轮两端面均由端面受拉构件等长星形连接，且两端面的连接中心之间通过伸缩可调的旋转轴连接。

6.如权利要求1至5中任一权利要求中所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为三个，该风轮两端面均为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面，上下三角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述三个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

7.如权利要求1至4中任一权利要求中所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为三个，该风轮一端面为由三个等长端面受拉构件星形连接构成的三角星形端面，另一端面为由三个等长端面受拉构件三角形连接构成的三角形端面，所述三角星形端面和三角形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述三个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

8.如权利要求1至5中任一权利要求中所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为四个，该风轮两端面均为由四个等长端面受拉构件十字交叉连接构成的十字交叉形端面，上下十字交叉形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述四个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

9.如权利要求1至5中任一权利要求中所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为五个，该风轮两端面均为由五个等长端面受拉构件五角星形连接构成的五角星形端面，上下五角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述五个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。

10.如权利要求1至5中任一权利要求中所述的自平衡张拉结构风轮的叶片支撑结构，其特征在于：所述受压构件为六个，该风轮两端面均为由六个等长端面受拉构件六角星形连接构成的六角星形端面，上下六角星形端面上下对应端点间仅由一侧面受拉构件连接，所述六个侧面受拉构件构成该风轮的侧面，每一侧面受拉构件仅通过一所述受压构件与另一相邻侧面受拉构件相连，且该受压构件两端分别连接风轮两端面。