CN105443314A - 螺旋涡风叶及螺旋涡风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋涡风叶，包括若干片叶片，叶片呈圆周式阵列分布，各个叶片的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片以其中心部与风机转轴固定连接；还公开了一种螺旋涡风力发电机，包括风叶、发电机舱、风机转轴、调向舵板和固定件，风机转轴与发电机舱一侧的动力输入端连接，所述的调向舵板固定在发电机舱上，调向舵板的板面沿着风机转轴的反方向设置，固定件与发电机舱连接。本发明的螺旋涡风叶应用于风力发电机，在同样的扫风面积下可获得更多的风能；整机安装方便，同等容量功率下体积小，风机启动风速低，风机设计巧妙，外形新颖美观，整体机械强度高，抗风能力好，目前已经通过风洞测试，风能利用效率Cp值可达到0.7以上。

Description

螺旋涡风叶及螺旋涡风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电设备领域，特别是一种发电效率高的螺旋涡风力发电机以及该螺旋涡风力发电机的螺旋涡风叶。

背景技术

预计到2020年，世界风力发电能力占总电力将可能达到12％。我国有较长的海岸线与广袤的沿海地区、风力资源丰富地区，得天独厚的地域风能资源优势，我国风能资源丰富，储量为32亿千瓦，可开发的装机容量为2.5亿千瓦，居世界首位，但目前我国风电所占比例远低于欧洲，风力发电潜力巨大。

传统风力机是采用旋翼式风叶，风叶实度低于8％，适用于贝兹理论推导，贝兹理论是研究风力发电学科中相关风能利用效率最基本的理论，该理论是德国的物理学家AlbertBetz于1926年提出的，该理论公开了平面升阻旋翼式风力机的风能理想利用系数极值为16/27(约为0.593)，因此，传统的风力机永远难以突破极限风能利用系数0.593。在实践中，用于风力发电的风叶装置的风能利用效率Cp值均低于0.5，专利号为201120294088.4的水平轴渐开线螺旋面叶片公开的叶片，风能转换效率Cp值为0.46～0.48，该叶片用于风力机后，风能转换效率仍然比较低。因此，只有对贝兹理论进行突破，另辟蹊径，改变风叶结构，才能使风能转换效率大幅度提升。

发明内容

本发明的第一个发明目的在于针对背景技术中所述的现有技术中的风力发电机风能转换效率低的问题，提供一种能够解决前述问题的螺旋涡风叶。

具体方案如下：

一种螺旋涡风叶，其包括若干片叶片，各个叶片的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片，叶片呈圆周式阵列分布，叶片以其中心部与风机转轴固定连接。

上述方案中，为了提高风能利用率，增强抗风强度，所述的叶片的边沿设有导风边缘。

为了进一步增强抗风强度，所述的叶片的内部设有加强筋结构。

上述方案中，所述的叶片侧视图轮廓为棱形、三角形、圆锥状、圆形、椭圆、或多边形。风叶的旋转运动方向与风叶漩涡线的展式向外的延伸方向相反。侧视图轮廓为近似轮廓，叶片的轮廓形状对风力发电机的风能转换效率具有直接影响，因此，为了进一步提升风力发电机的风能转换效率，可以通过改变叶片的侧视轮廓形状来实现。

上述方案中，所述的风叶包括1片叶片、两片叶片、三片叶片或多片叶片。

本发明的第二个发明目的在于针对背景技术中所述的现有技术中的风力发电机风能转换效率低的问题，提供一种能够解决前述问题的螺旋涡风力发电机。

具体方案如下：

一种螺旋涡风力发电机，其包括风叶、发电机舱、风机转轴、调向舵板和固定件，风叶包括若干片叶片，各个叶片的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片，叶片呈圆周式阵列分布，叶片以其中心部与风机转轴固定连接，风机转轴与发电机舱一侧的动力输入端连接，所述的调向舵板固定在发电机舱上，调向舵板的板面沿着风机转轴的反方向设置，固定件与发电机舱连接。

上述方案中，所述的发电机舱是将机械能转化成电能输出的装置，发电机舱为外转子式或内转子式的发电机。发电机舱可直接或间接与风机转轴相连。

上述方案中，所述的风机转轴通过传动机构将动力传递至发电机舱的转子。风机转轴可通过法兰直连、齿轮传递、带传递等机构与发电机舱的转子实现动力传递，所述的发电机舱可以安装在风叶的前方、后方、上方、下方等各处。

上述方案中，所述的风机转轴为直线度精度较高、圆跳动小的棒材或管材，其材质为金属或复合材料。风机转轴须具有足够的刚度与疲劳强度，根据需要，风机转轴也可是其它截面形状的型材。

上述方案中，为了达到阻风小，质量轻，转向好，平衡性好，抗风强的目的，所述的固定件为金属材料或纤维复合材料制成的，固定件上设有风机转轴支架，风机转轴支架的上端部设有连接帽，连接帽沿着风机转轴的轴向设置，连接帽套在风机转轴的端部并与风机转轴转动配合。固定件以单点、两点或多点固定风叶，实现整体系统的可靠性，增加抗风能力。通过设置风机转轴支架能够在风机转轴的前端部对风机转轴提供支撑，增强抗风能力。

本发明的螺旋涡风叶与传统的旋翼式风叶相比，改变了风叶的形状，本发明的螺旋涡风叶是将阿基米德螺旋线经三维变形成螺旋涡状线，再将螺旋涡状线与其中心轴线通过三维造型软件扫描变成一实体曲面，便完成一个叶片的造型，同轴阵列分布若干个个实体曲面即可形成完整的风叶，风叶可以不断地将风螺旋卷入风叶内并压缩推到风叶的底部再释放。风叶不是旋翼式叶形，不适用于贝兹理论的推导，本发明的螺旋涡式风叶可以将风压缩推进卷入风叶使风叶旋转，将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能输出。本发明的风叶实度为75％左右，风叶重叠率高，风叶内部空间大，风叶的轴向长度尺寸大于风叶的旋转直径，而且风叶的螺旋涡风叶对来流风进行压缩推进，以不影响后面的来流风做功，从而获得很高的风能利用系数。在同样的扫风面积下可获得更多的风能，通过风洞测试，风叶的风能利用效率Cp值可高达0.7以上，而且还具有进一步提高的空间，风能转换效率大幅度提升。本发明的螺旋涡风力发电机是一种低转速，低噪音，高效率的新型螺旋涡式风力发电机系统，尤其适合民用发电储能，真正为人们的生活带来实惠。此发明产品以更小的体积，获取更多的风电输出，推广应用于路灯、高层建筑、船舶、海岛、山区、景区等民用领域，定会以高的风能转换效率推动中小型风电行业的快速发展，产生极高的社会经济效益。

附图说明

图1为本发明的螺旋涡风力发电机的结构示意图；

图2为的图1中X向视图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为三角形轮廓的风叶的示意图；

图5为椭圆形的风叶的示意图；

图6为为具有风机转轴支架的风力发电机的结构示意图；

图中，1为叶片，2为风机转轴，3为发电机舱，4为调向舵板，5为固定件，6为风机转轴支架，7为连接帽。

具体实施方式

如图1至图3所示的一种螺旋涡风叶，其包括若干片叶片1，各个叶片1的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片1的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片1为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片1，叶片1呈圆周式阵列分布，叶片1以其中心部与风机转轴2固定连接。本发明的螺旋涡风叶是将阿基米德螺旋线经三维变形成螺旋涡状线，再将螺旋涡状线与其中心轴线通过三维造型软件扫描变成一实体曲面，便完成一个叶片1的造型。叶片1是通过折弯成型或模具成型的有一定厚度的螺旋式壳体，也可是用板材直接弯曲支撑安装成型的螺旋涡式壳体产品。风叶采用高强度复合材料如高性能碳纤维、玄武岩纤维、无碱玻璃纤维复合材料等拉伸强度高的材料层压而成，柔韧性好，抵抗大风时能起到缓冲的作用，同时，风叶的变形会增加风叶的扫风面积，捕捉到更多的风能，提升输出功率。

上述方案中，为了提高风能利用率，增强抗风强度，所述的叶片1的边沿设有导风边缘。

为了进一步增强抗风强度，所述的叶片1的内部设有加强筋结构。

上述方案中，所述的叶片1侧视图轮廓为棱形如图1所示、三角形如图4所示、圆锥状、圆形、椭圆如图5所示、或多边形。风叶的旋转运动方向与风叶漩涡线的展式向外的延伸方向相反。侧视图轮廓为近似轮廓，叶片1的轮廓形状对风力发电机的风能转换效率具有直接影响，为了保证风叶旋转时的重心一致，风叶的侧视轮廓通常选用轴对称的形状。为了进一步提升风力发电机的风能转换效率，可以通过改变叶片1的侧视轮廓形状来实现。

上述方案中，所述的风叶包括1片叶片1、两片叶片1、三片叶片1或多片叶片1。多个叶片1同轴阵列分布，多片叶片1可以是一体成型，然后与风机转轴2固定连接，也可以是单独成型，各个叶片1再分别与风机转轴2固定连接。

如图1至图6所示的一种螺旋涡风力发电机，其包括风叶、发电机舱3、风机转轴2、调向舵板4和固定件5，风叶包括若干片叶片1，各个叶片1的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片1的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片1为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片1，叶片1呈圆周式阵列分布，叶片1以其中心部与风机转轴2固定连接，风机转轴2与发电机舱3一侧的动力输入端连接，所述的调向舵板4固定在发电机舱3上，调向舵板4的板面沿着风机转轴2的反方向设置，固定件5与发电机舱3连接。所述的调向舵板4是参考鱼类的尾鳍设计，对整机系统启到对风调向的作用，调向对风速度快。外形也可为任意几何形状，可安装于系统的简单部位，以达到调向旋转使风轮对风的目的，舵板可做图案LOGO。

上述方案中，所述的发电机舱3是将机械能转化成电能输出的装置，发电机舱3为外转子式或内转子式的发电机。发电机舱3可通过法兰直接与风机转轴2连接，或通过齿轮传动、带传动等传动机构间接与风机转轴2相连。

上述方案中，所述的风机转轴2通过传动机构将动力传递至发电机舱3的转子。风机转轴2可通过法兰直连、齿轮传递、带传递等机构与发电机舱3的转子实现动力传递，所述的发电机舱3可以安装在风叶的前方、后方、上方、下方等各处。

上述方案中，所述的风机转轴2为直线度精度较高、圆跳动小的棒材或管材，其材质为金属或复合材料。风机转轴2须具有足够的刚度与疲劳强度，根据需要，风机转轴2也可是其它截面形状的型材。

上述方案中，为了达到阻风小，质量轻，转向好，平衡性好，抗风强的目的，所述的固定件5为金属材料或纤维复合材料制成的，固定件5上设有风机转轴支架6，风机转轴支架6的上端部设有连接帽7，连接帽7沿着风机转轴2的轴向设置，连接帽7套在风机转轴2的端部并与风机转轴2转动配合。固定件5以单点、两点或多点固定风叶，实现整体系统的可靠性，增加抗风能力。通过设置风机转轴支架6能够在风机转轴2的前端部对风机转轴2提供支撑，增强抗风能力。

本发明的螺旋涡风力发电机在应用时，通过固定件5安装在预定的位置，使发电机舱3能够相对固定件5自由转动。风从任意方向吹来时，如果风叶不是正对来风的方向，风会作用在调向舵板4上，使调向舵板4带动发电机舱3转动，直到调向舵板4与风的方向平行，此时，风叶与来风的方向正对，从而捕捉到最大面积的风能。本发明的风叶实度为75％左右，风叶重叠率高，风叶内部空间大，风叶的轴向长度尺寸大于风叶的旋转直径，而且风叶的螺旋涡风叶对来流风进行压缩推进，以不影响后面的来流风做功，从而获得很高的风能利用系数。在同样的扫风面积下可获得更多的风能，通过风洞测试，风叶的风能利用效率Cp值可高达0.7以上，而且还具有进一步提高的空间，风能转换效率大幅度提升。本发明的螺旋涡风力发电机是一种低转速，低噪音，高效率的新型螺旋涡式风力发电机系统，尤其适合民用发电储能，真正为人们的生活带来实惠。此发明产品以更小的体积，获取更多的风电输出，推广应用于路灯、高层建筑、船舶、海岛、山区、景区等民用领域，定会以高的风能转换效率推动中小型风电行业的快速发展，产生极高的社会经济效益。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种螺旋涡风叶，其特征在于：其包括若干片叶片，各个叶片的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片，叶片呈圆周式阵列分布，叶片以其中心部与风机转轴固定连接。

2.根据权利要求1所述的螺旋涡风叶，其特征在于：所述的叶片的边沿设有导风边缘。

3.根据权利要求1所述的螺旋涡风叶，其特征在于：所述的叶片的内部设有加强筋结构。

4.根据权利要求1所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的叶片侧视图轮廓为棱形、三角形、圆锥状、圆形、椭圆、或多边形。

5.根据权利要求1所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的风叶包括1片叶片、两片叶片、三片叶片或多片叶片。

6.一种利用权利要求1至5中任意一种风叶的螺旋涡风力发电机，其特征在于：其包括风叶、发电机舱、风机转轴、调向舵板和固定件，风叶包括若干片叶片，各个叶片的叶面均为自内部向外部锥度逐渐增大的锥面，各个叶片的正视图曲线均为螺旋漩涡状，叶片为金属、塑料或纤维复合材料制成的叶片，叶片呈圆周式阵列分布，叶片以其中心部与风机转轴固定连接，风机转轴与发电机舱一侧的动力输入端连接，所述的调向舵板固定在发电机舱上，调向舵板的板面沿着风机转轴的反方向设置，固定件与发电机舱连接。

7.根据权利要求6所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的发电机舱是将机械能转化成电能输出的装置，发电机舱为外转子式或内转子式的发电机。

8.根据权利要求6所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的风机转轴通过传动机构将动力传递至发电机舱的转子。

9.根据权利要求6所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的风机转轴为直线度精度较高、圆跳动小的棒材或管材，其材质为金属或复合材料。

10.根据权利要求6所述的螺旋涡风力发电机，其特征在于：所述的固定件为金属材料或纤维复合材料制成的，固定件上设有风机转轴支架，风机转轴支架的上端部设有连接帽，连接帽沿着风机转轴的轴向设置，连接帽套在风机转轴的端部并与风机转轴转动配合。