CN107905945A - 调桨长的万向风车的叶桨头 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是调桨长的万向风车的叶桨头。调桨长的万向风车的叶桨头由三套螺栓(2)(6)(8)和三个连接件组成，螺栓既起转轴作用，也起紧固件作用。大型风车和中小型风车，可采用不同材质和形状的转轴和连接件。叶桨可通过叶桨头上的三个相应转轴，调节叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)；风车在风力作用下启动旋转以后，随着旋转转速不断增加，使叶桨前缘的线速度增加，这相当于叶桨前缘受到的自然风力又增加了由于风车旋转产生的风力，实现了输出到输入之间的反馈。又由于叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，且有一定的偏心度(β)，就使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号形成了正反馈，从而使风车受到的旋转力矩增加，风车转速增加，又反馈到输入端与输入信号叠加产生正反馈效应，提高了风车效率。

Description

调桨长的万向风车的叶桨头

技术领域

本发明专利涉及一种风能利用设备领域，特别是涉及调桨长的万向风车的叶桨头。

背景技术

人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等，风力机械是动力机械的一大支柱。其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。到了19世纪末，开始利用风力来发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，使风力发电又出现了新机，特别是20世纪70年代以后利用风力来发电更进入一个蓬勃发展的阶段。特别是由于化石能源的大量应用，不仅使不可再生的化石能源不断减少，还产生了大量的温室气体，破坏了人类生存的地球环境，这就使风力发电成了世界各国经济上争相发展的重点发展项目。

风力发电就是将风能转化为机械能再转化为电能，这一转换过程必然存在效率问题，所以衡量风力发电设备的好坏，其重要的指标就是看其转化效率如何？在风力机中，风通过风轮扫掠面积时把一部分动能传给风力机，由风力机转化成机械能，然后再用发电机转化成电能。那么，把风轮接受的又通过风力机转化成机械能的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的总动能的比值就称为风能利用系数，也称风车效率。根据贝茨理论，在理想情况下风力机的最大风能利用系数是59％，而实际上，风力机是达不到这个理想数据的。在风力发电事业不断发展的历史长河中，曾有许多风力机因为效率低而被逐渐淘汰，也有许多关于风力机的发明创新，尽管能解决不少问题，但因影响风车效率的提高而没有普及和推广，最后，只剩下了螺旋桨风车、达里厄风车等寥寥几种。当然，衡量风力机的性能好坏，衡量一项风电方面的发明创新是不是达到了合理利用风能的要求，可以有好多指标，诸如：效率、成本、效益、控制、运输、维修、安装……等等，但不能不说效率是其中十分重要的性能指标，转化率高的技术和设备，就会不断发展和推广；相反，转化率低的技术和设备，就会被逐渐淘汰。所以，提高效率也就自然成了技术创新的主要奋斗目标，能不能提高效率也就成了发明创新是否成功的重要标志。

各种形式的风轮的风能利用系数是不同的，阻力型风力机的风能利用系数较低，升力型风力机的风能利用系数较高；同时，风力机的结构，风力机的运行姿态，都是影响风力机效率的重要因素，水平轴要比垂直轴效率高，阻力型垂直轴S形比平板式和风杯式效率高；螺旋桨风车的叶桨是否进行非线性扭曲，效率也不同。大型的螺旋桨风车，叶桨要进行非线性扭转，效率就比较高；中小型螺旋桨风车，叶桨不进行非线性扭转，效率就比较低。

风力发电机组除了风轮的风能利用效率外，还有机械传动系统效率，发电机效率等，这些效率的乘积就是风力发电机的全效率。

在下表中列出了各种形式的风力发电机的全效率。见下表。

风轮形式	全效率	说明
			阻力型垂直轴风力机(平板式)	不超过12％
阻力型垂直轴风力机(风杯式)	不超过7％
			阻力型垂直轴风力机(S形)	不超过25％
升力型垂直轴风力机	15％-30％
			多叶片风轮水平轴风力机	10％-30％
扭曲叶片风轮水平轴风力机(1-10KW)	15％-35％
			扭曲叶片风轮水平轴风力机(10-100KW)	30％-45％
扭曲叶片风轮水平轴风力机(100KW以上)	35％-50％

风车效率这样重要，无疑在风力机的发展过程中就应该千方百计提高风车效率，而当前在风电场上应用最广的螺旋桨风车是采用什么办法来提高效率的昵？因为升力型螺旋桨风车是利用升力使风车旋转，要想提高效率，就要想办法增大叶桨在自然风中产生的升力，而叶桨产生升力的大小与叶桨的攻角有关，参见附图1翼型的升力系数Cl、阻力系数Cd随攻角α变化曲线图。

从图中可以看出，在-5～15度之间，升力随攻角的增大几乎是线性的增加，而到了15度左右，升力又急剧减小，造成了所谓的失速现象。螺旋桨风车和其他升力型风车就是利用攻角在-5～15度之间，升力随攻角的增大线性增加这一特性来提高风车效率的，增大攻角，升力增加，效率自然也就提高了。

看一下翼型的升力系数、阻力系数随攻角变化曲线，不难发现，这一提高效率的方法有着极大的局限性。首先，攻角的变化区间很小，只有-5～15度之间的20度，且攻角绝对不能大于15度，大于15度就会失速，此时升力急剧减小，阻力大大增加，不仅效率会急剧减小，而且不及时处理还可能造成脱网、跳闸等事故；其次，为了增加风力发电机组的发电容量，现在的风车越造越大，叶桨越来越长，桨距控制系统的控制性能也就越来越差，使通过调桨距来提高风车效率更加困难。所以在一般情况下，用调桨距来提高风车效率的方法，只在大型螺旋桨风车上使用，而在中小型风车上并不使用，这就是说，在中小型升力型风车上，不对效率进行调节，一切顺其自然，这一切都显示出螺旋桨风车的效率还有着很大的提高空间。

那么，有没有更好的方法或思路来提高升力型风车的效率呢？

调桨长的万向风车就另辟蹊径，采取使输出和输入之间形成正反馈，利用正反馈效应来提高风车效率，而不再拘泥于利用调整攻角(也称调桨距)的方法提高效率。

我们知道，所谓“反馈”，就是将一个放大器的输出信号的一部分回送到输入端。如果反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号，就称为正反馈；如果反馈信号与输入信号叠加后减弱了输入信号，就称为负反馈。我们把风车看成是一个放大倍数小于1的放大器，要让它的输出和输入之间形成正反馈，首先必须有反馈通道，也就是说，输出信号必须能反馈到输入端，与输入信号相加。而分析一下升力型风车的工作状况，我们发现，自然风作用在风车叶桨上使风车旋转，风车旋转后就产生了旋转速度，这一叶桨旋转速度就相当于又有一股风作用在了风车叶桨上，这就实现了输出到输入之间的反馈，下一步只要使这一反馈成为正反馈就行了。

那么，怎样才能使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强原来的输入信号呢？这肯定不是一件容易的事，但这是问题的关键。

分析一下Φ型、H型达里厄升力型垂直轴风车，我们看到，之所以相对风速W与风轮线速度之间的夹角发生了变化，又连带着升力方向的变化，最后使旋转力矩减小(参见附图2)，是由于它们变化的平面是在水平平面内，升力在这样的水平平面内变化，升力线离轴越近力臂越小，力矩也就越小，还可能一不留神就会使升力线通过或超过轴心使力臂为零或负值，这样一来力矩也就很可能为零或者为负值，这就不可能使反馈信号与输入信号叠加后加强原来的输入信号。

通过分析不难发现要想使反馈信号与输入信号叠加后加强原来的输入信号就要使叶桨上的受力截面(带弯度的翼型截面)的法线方向处在与旋转面平行的平面内，也就是说，要使叶桨的长度方向垂直于旋转平面的法线方向，但是，叶桨的长度方向垂直于旋转平面的法线方向后，叶桨扫风面积就为零了，不再接受风能，只接受风轮旋转产生的线速度风能，输出也就为零，这是完全不可以的，那就只好采取折中的办法，使叶桨倾斜45度，形成V字型结构。这就是使调浆长的万向风车采用了V字型结构的原因。

但是，使叶桨倾斜45度，叶桨上的受力截面离开了水平平面，虽然不再使升力线通过或超过轴心使力臂为零或负值，但因为叶桨的倾斜使升力产生了水平分力，而升力的水平分力还可能通过或超过轴心使水平分力力臂为零或负值，这就需要对叶桨再进行扭转，也就引入了另一个参数——偏心度(β)，用调节叶桨的偏心度(β)的办法，使叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离逐渐增加，也就使叶桨产生升力的水平分力的力臂逐渐增加，从而使旋转力矩增加。这样，只要偏心度(β)调节合适，就可以使叶桨产生的升力(包括水平分力)不再通过或超过轴心使力臂为零或负值了。

由此可见，使叶桨倾斜45度，再加上叶桨的偏心度(β)的调节，就使反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号，形成正反馈，而这一突出的实质性特点是由叶桨头实现的，可见叶桨头在调桨长的万向风车中的重要性。

发明内容

一、叶桨头的构造

一种调桨长的万向风车的叶桨头由三套螺栓和三个连接件组成，大型风车和中小型风车，可采用不同材质和形状的转轴和连接件(见附图3，附图4)。叶桨可通过叶桨头上的三个相应转轴，调节叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)；其中：叶桨展向轴线与水平方向的夹角定义为叶桨倾斜度(α)，用角度表示；叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离与其最大偏离距离的比值定义为偏心度(β)，用百分数表示；风车静止时翼型弦线与水平方向的夹角定义为安装攻角(γ)，用角度表示；

二、叶桨头的技术特征和应用

调节叶桨头上的三个转轴，使叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)发生变化，就使叶桨翼型截面的方向(截面法线方向)、位置发生了变化，从而使叶桨翼型截面上产生的升力的方向和大小发生变化，也就使作用在叶桨上的力矩发生变化。特别是，因为叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，且有一定的偏心度(β)，就使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号，形成了正反馈，从而使风车受到的旋转力矩增加，风车转速增加，又反馈到输入端与输入信号叠加产生正反馈效应，提高了风车效率。

调节叶桨的倾斜度(α)，使叶桨长度方向由平行于旋转平面法线方向(倾斜度(α)为 90°)到叶桨长度方向垂直于旋转平面法线方向(倾斜度(α)为0°)，叶桨产生向上的升力的水平分力将由最小逐渐增大；

调节叶桨的偏心度(β)，使叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离逐渐增加，也就是使叶桨产生升力的水平分力的力臂逐渐增加，从而旋转力矩增加；

不难看出，以上的调节，使叶桨产生向上升力的水平分力增加了，力臂增加了，旋转力矩也就增加了。风车在风力作用下启动旋转以后，随着旋转转速不断增加，使叶桨前缘的线速度增加，这相当于叶桨前缘受到的自然风力又增加了由于风车旋转产生的风力，实现了输出到输入之间的反馈。又由于叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，且有一定的偏心度(β)，就使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号形成了正反馈，从而使风车受到的旋转力矩增加，风车转速增加，又反馈到输入端与输入信号叠加产生正反馈效应，提高了风车效率。

但是，调节叶桨的倾斜度(α)到叶桨的长度方向垂直于旋转平面的法线方向(倾斜度 (α)为0°)时，叶桨的扫风面积也为零，输出功率也为零，这是不可以的，因此，采用折衷办法，以倾斜度为45°为宜。

调节叶桨的偏心度(β)，使叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离逐渐增加，会影响叶桨的安装攻角(γ)，使安装攻角(γ)变小，甚至为负值。所以，偏心度(β)不能调得太大，一般为5%-15％为宜，并用调节安装攻角(γ)进行修正和弥补。

风车没启动前启动刹车，然后将螺栓松开，开始调节倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)；调整结束后，将螺栓锁紧，松开刹车，风车启动。

附图说明

附图1翼型的升力系数C1、阻力系数Cd随攻角α变化曲线；

附图2调桨长的万向风车叶桨受力分析图：1弦线；2中弧线；3升力；4线速度方向；5相对风速W；6风速；7攻角；

附图3调桨长的万向风车叶桨头装配正视图：1支架底盘；2偏心度轴螺栓；3连接件1； 4连接件3；5叶桨底盘；6安装攻角轴螺栓；7连接件2；8倾斜度轴螺栓；

附图4调桨长的万向风车叶桨头装配侧视图：1支架底盘；2偏心度轴螺栓；3连接件1； 5叶桨底盘；8倾斜度轴螺栓；

具体实施方式

具体实施方式1.

根据附图3、4，用钢材制造螺栓三条，配套螺母六个；用角钢制造连接件3个，将它们按照附图3、4装配起来，然后装上叶桨。调节时将每个转轴的螺栓松开，分别调节叶桨头上的三个转轴，使叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)发生变化，就使叶桨翼型截面的方向(截面法线方向)、位置发生了变化，从而使叶桨翼型截面上产生的升力的方向和大小发生变化，也就使作用在叶桨上的力矩发生变化，使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号形成了正反馈，从而使风车受到的旋转力矩增加，风车转速增加，又反馈到输入端与输入信号叠加产生正反馈效应，提高了风车效率。倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)调好后，将三条螺栓锁紧。

具体实施方式2.

对于大型风车，将三个转轴加粗加大，并配以螺纹、螺杆进行调节，图中未画。

Claims (3)

1.一种调桨长的万向风车的叶桨头由三套螺栓和三个连接件组成，螺栓既起转轴作用，也起紧固件作用，其特征是，叶桨可通过叶桨头上的三个相应转轴，调节叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)；其中：叶桨展向轴线与水平方向的夹角定义为叶桨倾斜度(α)，用角度表示；叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离与其最大偏离距离的比值定义为偏心度(β)，用百分数表示；风车静止时翼型弦线与水平方向的夹角定义为安装攻角(γ)，用角度表示；风车没启动前启动刹车，然后将螺栓松开，开始调节倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)；调整结束后，将螺栓锁紧，松开刹车，风车启动。

2.根据权利要求1所述的调桨长的万向风车的叶桨头，其特征是，叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，且有一定的偏心度(β)，就使升力型风车的反馈信号与输入信号叠加后加强了原来的输入信号，形成了正反馈，从而使风车受到的旋转力矩增加，风车转速增加，又反馈到输入端与输入信号叠加产生正反馈效应，提高了风车效率。

3.根据权利要求1所述的调桨长的万向风车的叶桨头，其特征在于，调节叶桨的倾斜度(α)，使叶桨长度方向由平行于旋转平面的法线方向(倾斜度(α)为90°)到叶桨长度方向垂直于旋转平面的法线方向(倾斜度(α)为0°)，叶桨产生向上升力的水平分力将由零逐渐增加；

调节叶桨的偏心度(β)，使叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离逐渐增加，也就是使叶桨产生升力的水平分力的力臂逐渐增加，从而力矩增加；

调节叶桨的倾斜度(α)到叶桨长度方向垂直于旋转平面法线方向(倾斜度(α)为0°)时，叶桨的扫风面积也为零，输出功率也为零，这是不可以的，因此，采用折衷办法，以倾斜度为45°为宜。

调节叶桨的偏心度(β)，使叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离逐渐增加，会影响叶桨的安装攻角(γ)，使安装攻角(γ)变小，甚至为负值。所以，偏心度(β)不能调得太大，一般为5％-15％为宜，并用调节安装攻角(γ)进行修正和弥补。