CN104819096B - 一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置，包括轮毂、变桨距机构、叶片、支撑轴和拉绳，所述轮毂的侧面等距离设置有若干所述变桨距机构，所述叶片的根部与所述变桨距机构相连，所述轮毂的顶面中心竖立有所述支撑轴，所述拉绳的一端与所述支撑轴相连，另一端与所述叶片相连。通过上述方式，本发明的具有拉绳结构的大型风电叶片装置，不但能提高捕捉风能的效率和捕风面积，还能提高叶片承受强风的能力，对于迎风型风电叶片还能避免叶片弯曲撞击塔架，此装置能使风力发电机更加高效、安全地运行。

Description

一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置

技术领域

本发明涉及风力发电机的叶片领域，特别是涉及一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置。

背景技术

风力发电机是一种利用风力推动叶片旋转，再带动发动机发电的新能源装置。根据空气动力学原理，能最大限度的把风能转化成机械能的风电叶片应该具有以下基本特点：一是风电叶片要尽力薄，这样才能提高升阻比，即提高风产生的叶片动力减少叶片旋转的阻力；二是在叶片设计的旋转速度范围内，叶片要有适当的实度，即叶片的宽度即弦长不能太小，特别是叶尖部的宽度不能太小；三是叶片的长度越长越好，尽力增加叶片的扫风面积；四是不考虑叶片受风力弯曲撞击塔架，轮毂的轴没有仰角成水平安装，叶片没有向来凤方向的锥度垂直于轴安装。现在大型风电广泛使用的三叶片风轮，各叶片从根部到尖部依靠自身结构强度独立承受风产生的力，叶片的长度增加一倍，根部承受的力就会增加六倍，大型风电的叶片从提高风能利用率和增加叶轮结构强度两个方面上看，叶片长度、叶片面积、叶片相对厚度、叶片锥度和轴仰角是相互矛盾的。比如增加叶片长度可以提高风能利用率，从叶片自身强度上看就必须增加厚度和减小叶片面积，从叶片弯曲撞击塔架来看必须增加叶片锥度和轴仰角，但后面的几种改变又会降低风能利用率；比如为提高叶片的升阻比提高风能利用率而减少叶片的厚度，从叶片自身强度上看就必须缩短叶片长度和减小叶片面积，从叶片越薄同样的风力弯曲就更大来看也必须增加叶片锥度和轴仰角，但后面的这种改变也会降低风能利用率；总之不管怎样的组合这四项重要的指标都会相互矛盾顾此失彼。从现在正在应用的大型风电叶片来看还没有找到兼顾叶片长度、叶片面积、叶片相对厚度、叶片锥度和轴仰角的方法，所有的设计都是在利弊得失之间权衡取舍。特别是现在的大型风电为降低对变速箱的扭矩强度要求，转速都较快，为减小叶片旋转时的阻力提高升阻比就要求叶片厚度与宽度的比值即叶片相对厚度越小越好。应用现有技术的叶片完全靠自身结构强度承担风产生力，发电机组在发电状态时叶片与旋转面的夹角很小，这个状态的叶片能够较好的承受风产生的旋转力，但承受风产生的轴向力就很小且叶片弯曲很大，这个缺点大大制约了在现有技术条件下把叶片做得更长、更宽、更薄、与风向更垂直。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置，能够克服现有技术不能兼顾叶片长度、叶片面积、叶片相对厚度、叶片锥度和轴仰角，对风能的利用效率不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置，包括轮毂、变桨距机构、叶片、支撑轴和拉绳，所述轮毂的侧面等距离设置有若干所述变桨距机构，所述叶片的根部与所述变桨距机构相连，所述轮毂的顶面中心竖立有所述支撑轴，所述拉绳的一端与所述支撑轴相连，另一端与所述叶片相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述支撑轴与所述轮毂的主轴是同轴心设置的，所述支撑柱的内部为空心。

在本发明一个较佳实施例中，所述支撑柱与所述轮毂之间通过法兰连接，所述叶片根部与所述变桨距机构通过法兰连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述叶片的安装偏离所述变桨距机构旋转轴的轴心线，偏离的距离是使所述变桨距机构的旋转轴心线与所述叶片迎风面的中心线重合。

在本发明一个较佳实施例中，任一个所述叶片与一根或多根拉绳相连接，所述拉绳连接在所述叶片迎风面的中心线上，所述拉绳在所述叶片迎风面的中心线上的具体位置根据所述叶片的受力情况确定。

在本发明一个较佳实施例中，当任一个所述叶片有多根拉绳与所述支撑轴连接时，所述拉绳部分连接在所述支撑轴的顶端，剩余部分连接在所述支撑轴的中间位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述叶片的横截面为扁平型，所述变桨距机构的横截面为圆形，所述叶片和所述变桨距机构是圆滑连接的。

本发明的有益效果是：本发明的具有拉绳结构的大型风电叶片装置，该装置不但能提高捕捉风能的效率和捕风面积，还能提高叶片承受强风的能力，对于迎风型风电叶片还能避免叶片的弯曲撞击塔架，此装置能使风力发电机更加高效、安全地运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的具有拉绳结构的大型风电叶片装置一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1的具有拉绳结构的大型风电叶片装置的叶片横截面图；

附图中各部件的标记如下：1、轮毂，2、变桨距机构，3、叶片，4、拉绳，5、支撑轴。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置，包括轮毂1、变桨距机构2、叶片3、支撑轴5和拉绳4。所述轮毂1在风轮的中心，所述轮毂1包括有两个与轴垂直的圆形平面和一个圆柱形侧面，所述轮毂1的侧面上等距离安装有数个可以旋转的所述变桨距机构2，所述轮毂1的一平面中间有孔，连接变速器低速端的轴，变速器高速端连接发电机，另一平面的园心上竖立有所述支撑轴5，用于支撑所述拉绳4。所述叶片3的根部与所述变桨距机构2相连，所述拉绳4的一端与所述支撑轴5相连，另一端与所述叶片3相连。

通过上述方式，本发明装置于风力发电机上的每个所述叶片3只承受风产生的垂直于轴的平面上的旋转力，所述叶片3不靠自身强度承受风产生的轴向力，叶片3上风产生的轴向力由所述拉绳4承受。由于大型风电的叶片3相对于轮毂1的轴都是均衡分布的，所述拉绳4相对于所述轮毂1的轴也是均衡分布的，所述拉绳4在所述支撑轴5的合力其径向分力为零，其轴向分力的方向和所述支撑轴5重合，轴向分力使所述支撑轴5受压。由于所述拉绳4的拉力在轴向分力较大，风力对拉绳的强度要求并不高。有了这种拉绳结构所述叶片3不承受风产生的轴向力，可以让叶片的相对厚度做得更薄，叶片的面积做得更大，叶片的长度做得更长，叶片锥度和轴仰角做的跟小，不但能提高捕捉风能的效率和捕风面积，还能提高所述叶片3承受强风的能力，对于迎风型风电叶片还能避免叶片的弯曲撞击塔架，此装置能使风力发电机更加高效、安全地运行。

所述叶片3和所述变桨距机构2是用法兰连接的，当所述变桨距机构2旋转时所述叶片也跟随着旋转，从而改变所述叶片3对风的攻角。把叶片3偏离所述变桨距机构2的旋转轴轴心一定位置安装，让所述变桨距机构2的旋转轴轴心线与所述叶片3迎风面的中心线重合。这样的叶片安装，一方面连接点在所述叶片3迎风面的中心线上，当所述叶片3在规定的角度旋转时，不会让所述拉绳4缠绕所述叶片3，并且风在所述叶片3上产生的轴向力对称分布在中心线的两边，不会对所述叶片3产生扭曲力。另一方面所述拉绳4与所述叶片3的连接点在所述变桨距机构2旋转轴上，当所述叶片3旋转时，所述叶片3表面中心线上连接拉绳4的点和所述支撑轴5上连接拉绳4的点空间几何距离不变，这样就不会改变所述拉绳4的长度，所述拉绳4就不会对所述叶片3的旋转产生阻力和改变所述叶片3表面中心线的空间位置。

所述拉绳4不一定是每个所述叶片3只有一根，可以根据所述叶片3的大小、可能承受的最大风力强度以及所述拉绳4的旋转时的阻力大小等因数设定，每个所述叶片3上的拉绳4可能是一根连接在所述叶片3上，也可能有数根连接在所述叶片3不同长度的位置上，但都会连接在所述叶片3迎风面的中心线上。所述拉绳4连接在所述叶片3长度方向的具体位置要根据所述叶片3受力情况确定。原则是让所述拉绳4承受风产生的轴向力后尽量降低风力对所述叶片3的强度要求。

当一个所述叶片3连接的所述拉绳4多于一根时，连接所述支撑轴5的所述拉绳4可以部分连接在所述支撑轴5的顶端，剩余所述拉绳4连接所述支撑轴5的中间部分，这样所述支撑轴5不容易受压变形。

所述叶片3横截面为扁平型，所述变桨距机构2横截面为圆形，它们的几何形状差异较大，为提高其结构的疲劳强度，可以在二者的连接处设置一段圆滑的过渡段。

所述支撑柱5最好是空心的，并且与所述轮毂1的主轴是同心设置的，所述支撑柱5与所述轮毂1之间可以用法兰连接。

请参阅图2，所述变桨距机构2有旋转轴心线，所述叶片3是偏离旋转轴心线安装的，偏离的距离是使所述叶片3迎风面的中心线与所述变桨距机构2的旋转轴心线重合。图2的叶片位置为发电机组不发电时的位置，即风对风轮不产生旋转力的位置，这个叶片位置在风速低于最低发电风速或风速太高影响安全时使用，所述变桨距机构2沿图中箭头方向旋转，风对风轮就开始产生旋转力，发电机组进入发电状态，由于所述拉绳4一头连接在旋转轴心线上，所述叶片3旋转时旋转轴心线和所述支撑轴5顶端的空间几何距离不变，所述拉绳4不会因为所述叶片3旋转改变受力情况。

由于所述叶片3的宽度较大，风对所述叶片3产生旋转力由所述叶片3自身传递给所述变桨距机构2及所述轮毂1，同时风对所述叶片3产生与所述轮毂1的轴平行的轴向力使所述拉绳4受到张力，由所述拉绳4把轴向力传递到所述支撑轴5，通过所述支撑轴5再传递给轮毂1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：应用现有技术的叶片完全靠自身结构强度承担轴向力，发电机组发电时叶片与旋转面的夹角很小，这个状态的叶片能够承受的风产生的轴向力很小，叶片受轴向力也产生很大的弯曲。本发明通过图1的拉绳结构，风产生的轴向力不由所述叶片3自身结构强度承担，而是由所述拉绳4承担，再通过所述支撑轴5把力传递给所述轮毂1，由于有所述拉绳4的约束所述叶片3不会沿风的方向弯曲。通过图2的结构，把所述叶片3偏离所述变桨距机构2旋转轴心线一定位置安装，让所述变桨距机构2旋转轴心线与所述叶片3迎风面的中心线重合，既很好的保留了现有变桨距机构通过旋转叶片适应风速变化的成熟技术，同时也不会因为变桨距机构让叶片旋转改变拉绳的受力状况影响拉绳结构的使用。通过此装置的应用能使风力发电机更加高效、安全地运行。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有拉绳结构的大型风电叶片装置，其特征在于，包括轮毂、变桨距机构、叶片、支撑轴和拉绳，所述轮毂的侧面等距离设置有若干所述变桨距机构，所述叶片的根部与所述变桨距机构相连，所述轮毂的顶面中心竖立有所述支撑轴，所述拉绳的一端与所述支撑轴相连，另一端与所述叶片相连，所述叶片的安装偏离所述变桨距机构旋转轴的轴心线，偏离的距离是使所述变桨距机构的旋转轴心线与所述叶片迎风面的中心线重合，任一个所述叶片与一根或多根拉绳相连接，所述拉绳连接在所述叶片迎风面的中心线上，所述拉绳在所述叶片迎风面的中心线上的具体位置根据所述叶片的受力情况确定。

2.根据权利要求1所述的大型风电叶片装置，其特征在于，所述支撑轴与所述轮毂的主轴是同轴心设置的，所述支撑轴 的内部为空心。

3.根据权利要求1所述的大型风电叶片装置，其特征在于，所述支撑轴 与所述轮毂之间通过法兰连接，所述叶片根部与所述变桨距机构通过法兰连接。

4.根据权利要求1所述的大型风电叶片装置，其特征在于，当任一个所述叶片有多根拉绳与所述支撑轴连接时，所述拉绳部分连接在所述支撑轴的顶端，剩余部分连接在所述支撑轴的中间位置。

5.根据权利要求1所述的大型风电叶片装置，其特征在于，所述叶片的横截面为扁平型，所述变桨距机构的横截面为圆形，所述叶片和所述变桨距机构是圆滑连接的。