CN103174583B - 一种风轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮，包括叶片，叶片体转动副，轮毂和杆件，其特征是所述叶片分为固定叶片和可变浆距叶片两种，固定叶片、可变浆距叶片与轮毂和杆件组成桁架结构。改变了已有技术中的叶片是单独固定在轮毂上的细而长的悬臂梁的结构，把叶片根部所受到的巨大的弯应力转化成了桁架的内力，克服了叶片容易从根部折断问题，降低了风电的成本，还为风电机组继续向大型化的方向发展提供了有力的技术支撑。同时由于采用了桁架结构的风轮后仍然可以实现变浆距，并能增加叶片的数量，所以有利于高效率地利用各种类型的风能。

Description

一种风轮

技术领域

本发明涉及用风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮。按结构风力发电机可分为水平轴和垂直轴两种风力发电机。两种风力发电机的风轮有明显的不同。本发明属于水平轴风力发电机所用的风轮，当然水平轴风力发电机只是一种风力发电机的类型，不是说其主轴一定要与水平面平行，有许多风力发电机的主轴的风轮端上翘一个角度，仍属于水平轴风力发电机。按风力发电机的规模可分为小型、中型和大型，本发明属于中型和大型风力发电机。风力发电机分为变桨距控制和失速控制两种，本发明属于一部分叶片变桨距控制，而另一部分叶片采用叶片失速控制的风轮。

背景技术

水平轴风力发电机的风轮包括与水平主轴连接的悬臂布置于水平主轴一端的轮毂，以悬臂梁型式均匀分布在轮毂上的细而长的叶片，一部分风电机组还包括用于驱动叶片自转的变桨距装置。

由于叶片的形状细而长，其长度甚至在50米以上，而且是一个典型的悬臂梁结构，所以在叶片上，尤其是靠近根部的位置上，受到的弯矩非常巨大。为了能够承受这种弯矩，大中型风力发电机叶片的根部都设计得比较粗，把这样的叶片安装在狭窄的轮毂上显得非常拥挤，这是目前95％以上的风轮都采用2至3片叶片的原因之一，显然这样少叶片的风轮中叶片的迎风面积要比风轮旋转时的扫风面积小得多，所以风能利用率低。另一方面，为了避免叶片折断，都是采用高强度的材料制造叶片，同时为了减轻重量，目前所用的主流材料是高强钢材加玻璃钢，随着容量的增大，玻璃钢的强度已不能满足要求，所以近年来出现了碳纤维叶片，但是碳纤维材料比较稀缺，价格很贵，这使得急需降低的风电价格承受不起。另一方面，失速控制的风轮已逐渐被可变桨距的风轮淘汰。这个潮流决定了新型大中型风力发电机必须能够变桨距，可是变桨距时要求各叶片可以绕其自身的轴线独立转动，这个要求使得变桨距叶片多年来一直是悬臂结构，很难改变。另外，风轮的结构复杂又会使风阻加大，所以变桨距操作对风轮形状的要求以及流体力学对风轮形状的要求已经把风轮的形状限制得死死的，所以多年来风轮一直是老样子，很少有突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种使叶片受力状态好，风能利用率高，成本低，材料易得，又能适应风机容量继续增大以降低每度电成本的要求的一种风轮。为了解决上述问题，本发明用于风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮，包括叶片，叶片体转动副、轮毂和杆件，其特征是所述叶片分成抗转矩固定叶片和可变桨距叶片两种，抗转矩固定叶片的横断面为流线型，其一端固定在轮毂上，另一端与抗转矩杆件的一端连接，抗转矩杆件的另一端与设在可变桨距叶片上的叶片体转动副连接，固定叶片、可变桨距叶片与轮毂和杆件之间组成桁架结构，可变桨距叶片通过叶片体转动副与桁架结构连接、在电力或液力驱动下可相对于桁架结构做变桨距转动，所述叶片体转动副是设在除叶片根部以外的叶片体上，使叶片能相对于桁架结构做变桨距转动的转动副，所述可变桨距叶片的根部安装在轮毂上，在设在轮毂内的变桨距装置的驱动下实现变桨距转动。

用于风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮，包括叶片，叶片体转动副，轮毂和杆件，其特征是所述叶片分成抗转矩固定叶片和可变桨距叶片两种，抗转矩固定叶片的横断面为流线型，其一端固定在轮毂上，均布于同一个平面或同一个锥面内的固定叶片成为可变桨距叶片的骨架，所述可变桨距叶片通过叶片体转动副连接在固定叶片的侧面，使可变桨距叶片与固定叶片之间可进行变桨距转动，所述杆件通过与固定叶片、轮毂以及杆件之间的连接构成桁架机构。

所述的一种风轮，其特征是所述杆件中有一种是一端与轮毂连接并处于风轮中心线位置上的中心杆，还有一种是一端与中心杆连接，另一端与叶片或叶片体转动副连接的径向杆，所述径向杆的横断面是可使风轮产生圆周推力的流线型。

所述的一种风轮，其特征是所述其一端固定在轮毂上的抗转矩固定叶片是桁架结构，构成该桁架的从根部直通到尖部的杆件的横断面形状是可产生圆周推力的流线型。

所述的一种风轮，其特征是所述杆件中还有一种是纬杆，纬杆的两端分别与相邻的两个叶片连接。

采用这样的结构后就可以在可变桨距的情况下把叶片根部受到的巨大的弯矩减小，从而减小叶片根部的直径，所以在狭窄的轮毂上可以布置更多的叶片，提高风能利用率，这样在设备投资增加较少的情况下就能得到更多的电能。另一方面使用原有的主流材料就可以把叶轮做得更大，从而增加发电量，降低每度电的成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种风轮第一种实施方式的主视图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明一种风轮第二种实施方式的主视图。

图4是图3的俯视图。

图5是图3在I处的放大图。

图6是本发明一种风轮第三种实施方式的主视图。

图7是图6的俯视图。

图8是本发明一种风轮第四种实施方式的主视图。

图9是本发明一种风轮第五种实施方式的主视图。

图10是图9的A-A剖面的放大图。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明一种风轮的第一种实施方式，包括六个可变桨距叶片1、六个固定叶片8、轮毂2、中心杆3、径杆4、固定纬杆18、叶片体转动副7。位于风轮旋转中心线6上的中心杆3的一端与轮毂2连接，另一端与径杆4连接，径杆4的另一端与固定叶片8连接。叶片体转动副7做在可变桨距叶片1的本体与固定叶片8的顶端之间，叶片体转动副7的轴线与可变桨距叶片1在进行变桨距转动时的轴线5重合，纬杆18连接在相邻的两个固定叶片8之间。

在第一种实施方式中，来风方向可以是双向的。当从有中心杆的一侧来风时，径杆4受拉力，可以用拉索取代。风加在叶片上的力中的来风方向分力的部分会被径杆4平衡掉，其中径杆4的数量是按叶片受力状况确定的，即与同一个叶片连接的径杆4可以是多个，这样使得固定叶片8的根部所受弯矩大大减小，所以根部细，可安装的叶片数量多，风能利用率高，并且可以造更大的风轮，发更多的电。

结合图3图4和图5，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式大同小异，区别是四组叶片向外侧倾斜，并且在构成桁架的杆件中增添了外活纬杆14，顶套19和顶轴10，顶轴10与可变桨距叶片1连成一体，并置于叶片的顶端。顶套19套在顶轴10上形成处于叶尖的叶片体转动副9。叶尖叶片体转动副9的轴线与可变桨距叶片自身的变桨距转动时的轴线5重合。通过连接件11把外活纬杆14与顶套19连接起来，不但可以实现变桨距，而且与第一种实施方式相比叶片受力状态更好。此外为了减轻重量，增加刚度，中心杆3由第一种实施方式中的普通杆件变成了桁架。当然这里边可以仍用普通杆件，第一种实施方式中的中心杆3也可以用桁架。当作为上风向风轮使用时，径杆4、固定纬杆18和外活纬杆14受拉力，可用拉索代替。在第二种实施方式中由于叶片成锥形布置，所以可以去掉中心杆3、径杆4，剩下的桁架结构仍然能够达到降低叶片弯矩减小叶片变形的目的。

结合图6和图7，本发明的第三种实施方式与前两种实施方式不同的地方在于，前两种实施方式的桁架结构都只减小了叶片在迎风方向的弯矩，推动风轮转动的转矩形成的弯应力没有减小，而在第三种实施方式中，增加了独立的抗转矩固定叶片8，该叶片与独立的可变桨距叶片1相间布置，其根部固定在轮毂上，其尖部与抗转矩杆件12连接，抗转矩杆件12的另一端与设在可变桨距叶片1中部的叶片体转动副13连接，目的是使转矩主要作用在与轮毂连成一体的固定叶片8上，而不只是作用在可变桨距叶片1的根部，使安装叶片的轴承延长寿命和减小尺寸，从而可以增加叶片数量，提高风能利用率。此外第三种实施方式还是为了借用目前主流风机的结构和部件设计的，借用原有的变桨距装置可以降低成本。径杆4与前两种实施方式的区别是它的外端与可变桨距叶片中部的叶片体转动副连接。当然也可以另设一端与中心杆3连接，另一端与固定叶片8连接的径杆4。

结合图8，本发明的第四种实施方式的固定叶片8的根部固定在轮毂2上。固定叶片8的横断面也可以做成能够产生圆周推力的流线型，它与轮毂2和各杆件组成桁架结构。可变桨距叶片1很像飞机的襟翼，所以被称为襟翼15，襟翼15通过叶片体转动副17铰接在固定叶片8的侧边，在液压或电力的驱动下襟翼15可相对固定叶片8转动一定的角度，以实现变桨距操作。襟翼15常设计在叶片体尖部段的侧边，也可以像图8那样设置在固定叶片8的全长上。图8的俯视图可以像图7那样，各叶片都在同一平面内；也可以使各叶片向外侧倾斜，如图4。外固定纬杆14的两端分别直接固定在相邻两个固定叶片8的顶端。径杆4的一端与中心杆3连接，另一端与固定叶片8连接，以便形成桁架结构。

结合图9和图10，本发明的第五种实施方式，与第四种实施方式相近。区别在于固定叶片8是桁架结构，其主要杆件也可做成叶片形状。襟翼15分成两段或多段，两段襟翼15在一端与固定叶片8铰接，另一端与襟翼15铰接的油缸17推动下可以调成不同的桨距角。两段襟翼之间的间隙可以使径杆4通过。把桁架结构的固定叶片8与中心杆3连接起来，形成整个风轮的桁架结构。固定叶片8的桁架结构当然可以做成根部宽，尖部窄的形状，并且作为叶片当然也可以用板材把桁架的杆件连起来，以增大迎风面积。

采用这样结构的有益效果是，可以增大风轮和增大叶片的迎风面积，可以实现微风发电。

在前述五种实施中径杆和纬杆的数量都可以增加，在保障桁架受力合理的前提下，径杆、纬杆、中心杆都可以去掉，或把它们重新进行排列组合，象这些简单的变换也都落在本发明的保护之中。

Claims (5)

1.用于风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮，包括叶片，叶片体转动副、轮毂和杆件，其特征是所述叶片分成抗转矩固定叶片和可变桨距叶片两种，抗转矩固定叶片的横断面为流线型，其一端固定在轮毂上，另一端与抗转矩杆件的一端连接，抗转矩杆件的另一端与设在可变桨距叶片上的叶片体转动副连接，固定叶片、可变桨距叶片与轮毂和杆件之间组成桁架结构，可变桨距叶片通过叶片体转动副与桁架结构连接、在电力或液力驱动下可相对于桁架结构做变桨距转动，所述叶片体转动副是设在除叶片根部以外的叶片体上，使叶片能相对于桁架结构做变桨距转动的转动副，所述可变桨距叶片的根部安装在轮毂上，在设在轮毂内的变桨距装置的驱动下实现变桨距转动。

2.用于风力发电的水平轴风力发电机的一种风轮，包括叶片，叶片体转动副，轮毂和杆件，其特征是所述叶片分成抗转矩固定叶片和可变桨距叶片两种，抗转矩固定叶片的横断面为流线型，其一端固定在轮毂上，均布于同一个平面或同一个锥面内的固定叶片成为可变桨距叶片的骨架，所述可变桨距叶片通过叶片体转动副连接在固定叶片的侧面，使可变桨距叶片与固定叶片之间可进行变桨距转动，所述杆件通过与固定叶片、轮毂以及杆件之间的连接构成桁架机构。

3.如权利要求1或权利要求2所述的一种风轮，其特征是所述杆件中有一种是一端与轮毂连接并处于风轮中心线位置上的中心杆，还有一种是一端与中心杆连接，另一端与叶片或叶片体转动副连接的径向杆，所述径向杆的横断面是可使风轮产生圆周推力的流线型。

4.如权利要求2所述的一种风轮，其特征是所述其一端固定在轮毂上的抗转矩固定叶片是桁架结构，构成该桁架的从根部直通到尖部的杆件的横断面形状是可产生圆周推力的流线型。

5.如权利要求1或权利要求2所述的一种风轮，其特征是所述杆件中还有一种是纬杆，纬杆的两端分别与相邻的两个叶片连接。