CN103277247A - 一种风力机叶片、风力机叶轮和风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机叶片、风力机叶轮和风力机，其中，风力机叶片包括上表面和下表面，所述上表面包括固定部分和与所述固定部分铰接的活动部分，所述固定部分与所述活动部分均沿所述叶片的纵向延伸，所述活动部分与所述下表面之间通过弹性部件连接。本发明克服了现有的风力机制动装置在紧急制动时容易导致机械振动加剧、制动盘磨损严重、齿轮断裂等问题的缺点，提供一种可在风力机齿轮箱过载、遭遇大风等情况时降低叶片的升阻比，从而降低风轮的旋转速度实现安全紧急制动的风力机叶片。

Description

一种风力机叶片、风力机叶轮和风力机
技术领域
本发明涉及一种利用空气动力学原理和离心力的装置。具体为一种风力机叶片，具有该叶片的风力机叶轮和具有该叶轮的风力机。
背景技术
风力机是将风的动能转换成机械能的设备，目前对其最重要的应用之一是与发电机等设备一起构成风力发电机。风力发电机按其结构可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，水平轴风力发电机的风轮的轴与风向平行，垂直轴风力机风轮的旋转轴和叶片均竖直设置。风力发电机按其驱动力可分为以升力为驱动力的升力型风力发电机和以阻力为驱动力的阻力型风力发电机。其中垂直轴升力型风力发电机是目前风力发电设备中的主流，和水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有没有对风装置、能量传递转换装置设置在地面便于维修和保养等优点。
垂直轴升力型风力发电机一般包括风轮、传动装置、调速装置、发电机和制动装置。风轮一般包括旋转轴1和通过连接杆2与旋转轴连接的叶片3，如图1和图2所示，叶片一般包括凸出的上表面和平缓的下表面。制动装置一般采用外力驱动刹车片或其他装置，使风力机在需要维修和养护时强制制动。但在遭遇大风的情况时，风轮转速急剧升高，此时风力机承受很高的载荷而容易引发安全事故，同时风力机输出的功率过大也会导致发电机烧坏。此时，需要使风力机紧急制动。而紧急制动往往会造成各部件机械振动加剧、刹车片磨损严重、齿轮断裂等问题。另外，机械制动装置一般结构复杂、部件较多，会增加整个风力机的自重，且如果机械制动系统设计不合理，会给系统的安全和维护带来诸多不便。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有的风力机制动装置在紧急制动时容易导致机械振动加剧、制动盘磨损严重、齿轮断裂等问题的缺点，提供一种可在风力机齿轮箱过载、遭遇大风等情况时降低叶片的升阻比，从而降低风轮的旋转速度实现安全紧急制动的风力机叶片。
本发明的风力机叶片，包括上表面和下表面，所述上表面包括固定部分和与所述固定部分铰接的活动部分，所述固定部分与所述活动部分均沿所述叶片的纵向延伸，所述活动部分与所述下表面之间通过弹性部件连接。
作为优选，所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开10°-50°。
作为优选，所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开20°-40°。
作为进一步的优选，所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开30°。
作为优选，所述活动部分位于所述上表面的中部。
作为进一步的优选，所述活动部分的宽度为所述上表面的宽度的1/4-1/2。
作为进一步的优选，所述活动部分的宽度为所述上表面的宽度的1/3。
作为优选，所述铰接点的位置与所述活动部分和所述弹性部件连接处的位置之间的距离为所述活动部分宽度的1/3-2/3。
作为优选，所述弹性部件为弹簧。
本发明还提供一种风力机叶轮，包括旋转轴、叶片和连接所述叶片的连接件，所述叶片为如上所述的叶片。
本发明还提供一种风力机，包括风轮、传动装置、调速装置、发电机和制动装置，所述风轮为如上所述的风轮。
本发明的风力机叶片、风力机叶轮和风力机和现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的风力机叶片利用叶片上表面在遭遇大风时的形变降低升阻比，从而实现利用风能本身对风力机进行紧急刹车。由于本发明的风力机叶片是利用风能本身对风力机刹车，其刹车动作及时可靠。另外，这种方案结不需要利用额外的机械力，因而不需要利用额外的机械结构，其结构很简单，同时成本也很低。
附图说明
图1为现有的风轮的立体结构示意图；
图2为图1中的风轮的俯视图；
图3为叶片的受力示意图；
图4为本发明的风力机叶片的立体结构示意图；
图5为本发明的风力机叶片的横截面示意图。
1-旋转轴，2-连接杆3-叶片，4-前缘，5-后缘，6-上表面，7-下表面，8-活动部分，9-固定部分，10-弹性部件，11-铰接处。
具体实施方式
现有的风力机叶片，包括凸出的上表面和平缓的下表面，如图1和图2所示，其中叶片3较厚的一端称为“前缘4”，另一端称为“后缘5”。气流流经叶片时在上表面6和下表面7间产生气压差，从而产生指向上表面6的合力R，如图3所示，合力R在风速方向的分力称为阻力D，合力R在垂直于风速方向的分力称为升力L，升力L与阻力D的比值称为“升阻比”。升力L可产生使叶片旋转的力矩，阻力D作用在叶片上有使叶片沿风轮的径向震动的趋势。因此，升阻比越大，叶轮旋转的速度越大，其输出的机械能也越大。
在本发明中，所述上表面包括固定部分9和与所述固定部分铰接的活动部分8，如图4和图5所示，所述固定部分9与所述活动部分8均沿所述叶片的纵向延伸，在本实施例中，所述活动部分8包括与所述固定部分9铰接的铰接侧和与所述铰接侧相对的自由侧，所述铰接侧相对于所述自由侧更靠近所述叶片的前缘，即，活动部分8可向前缘的方向旋转张开。所述活动部分8与所述下表面之间通过弹性部件10连接，在本实施例中，弹性部件10为弹簧。
通过上述方案可实现以下功能：
安全风速下风轮正常旋转，叶片的活动部分8所受到的离心力较小，叶片的活动部分8在弹性部件10的作用力下和离心力的作用下与固定部分9相接形成的叶片的上表面的形状与现有的叶片上表面的形状相同，叶片呈流线型，以最大程度地利用风能。
当风速高于安全风速时，即遭遇大风或特大风的情况时，风轮转速急剧升高，叶片的活动部分8所受到的离心力增大，叶片的活动部分8的自由端克服弹性部件10的作用力向前缘方向旋转张开，如图5所示，此动作加大了弹性部件10的形变从而加大了弹性部件10的作用力，使得叶片所受的离心力和弹性部件10的作用力再次达到平衡。此时，叶片上表面的形状的变化使得阻力D大大增加，升力L减小，升阻比大大减小，因而可使风轮的旋转速度降低到安全速度，实现风力机的刹车。
本发明的风力机叶片利用叶片上表面在遭遇大风时的形变降低升阻比，从而实现利用风能本身对风力机进行紧急刹车。由于本发明的风力机叶片是利用风能本身对风力机刹车，其刹车动作及时可靠。另外，这种方案不需要利用额外的机械力，因而不需要利用额外的机械结构，其结构很简单，同时成本也很低。
在实际的操作中，可根据风力机可承受的最高风速选定具有合适预紧力的弹簧。
作为优选，所述活动部分8在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开10°-50°，此范围的选定可防止活动部分8旋转张开的角度太大而导致使叶片震动的阻力D太大，同时可防止活动部分8旋转张开的角度太小而不能起到刹车的作用。作为进一步的优选，所述活动部分8在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开20°-40°。在本实施例中，所述活动部分8在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开30°。
作为优选，所述活动部分8位于所述上表面的中部，即上表面包括位于两端的固定部分9和位于中部的活动部分8。作为优选，所述活动部分8的宽度为所述上表面的宽度的1/4-1/2，此范围的选定既可防止活动部分8的面积太大而导致使叶片震动的阻力D太大，又可可防止活动部分8的面积太小而不能起到刹车的作用。在本实施例中，所述活动部分8的宽度为所述上表面的宽度的1/3。
作为优选，所述铰接点的位置与所述活动部分8和所述弹性部件10铰接处11的位置之间的距离为所述活动部分8宽度的1/3-2/3，此距离范围的选择可使弹性部件10对活动部分8的作用力稳定而有效。
本发明还提供一种风力机叶轮，包括旋转轴、叶片和连接所述叶片的连接件，其中，所述叶片为如上所述的叶片。
本发明还提供一种风力机，包括风轮、传动装置、调速装置和发电机，其中，所述风轮为如上所述的风轮，本发明的风力机还可进一步包括制动装置。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种风力机叶片，包括上表面和下表面，其特征在于：所述上表面包括固定部分和与所述固定部分铰接的活动部分，所述固定部分与所述活动部分均沿所述叶片的纵向延伸，所述活动部分与所述下表面之间通过弹性部件连接。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开10°-50°。
3.根据权利要求2所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开20°-40°。
4.根据权利要求3所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分在风轮旋转速度高于设定速度时旋转张开30°。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分位于所述上表面的中部。
6.根据权利要求5所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分的宽度为所述上表面的宽度的1/4-1/2。
7.根据权利要求6所述的风力机叶片，其特征在于：所述活动部分的宽度为所述上表面的宽度的1/3。
8.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：所述铰接点的位置与所述活动部分和所述弹性部件连接处的位置之间的距离为所述活动部分宽度的1/3-2/3。
9.根据权利要求1-4中任一项或权利要求6-8中任一项所述的风力机叶片，其特征在于：所述弹性部件为弹簧。
10.一种风力机叶轮，包括旋转轴、叶片和连接所述叶片的连接件，其特征在于：所述叶片为如权利要求1-9中任一项所述的叶片。
11.一种风力机，包括风轮、传动装置、调速装置、发电机和制动装置，其特征在于：所述风轮为如权利要求10所述的风轮。
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