CN110307120A - 一种高效利用风能的风力发电机叶片 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高效利用风能的风力发电机叶片,涉及风力发电设备技术领域,包括风叶、调速装置、减速装置和旋转主轴,所述风叶安装在所述旋转主轴上,所述风叶设有多个,多个所述风叶沿旋转主轴呈中心对称设置,多个风叶转动时,转动轴线与所述旋转主轴轴线重合,所述调速装置设置在所述风叶尾部,所述调速装置可转动,所述减速装置设置在所述风叶前部靠近所述旋转主轴一侧,所述减速装置与所述风叶垂直设置。本发明的有益效果是设有调速装置和减速装置,通过调速装置和减速装置的相互配合,可以有效对风力发电机转速进行控制,使其接近额定转速从而提高风力发电机的发电率。

Description

一种高效利用风能的风力发电机叶片
技术领域
本发明涉及风力发电设备技术领域,尤其是涉及一种高效利用风能的风力发电机叶片。
背景技术
为了更好的利用风能,长期以来,人们设计了多种结构形式的风力发电机装置,依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同,划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机,传统的水平轴发电机通常需要偏航操作系统调整风轮方向来更多地捕获风能,但是偏航系统的设置增加了水平轴发电机的总成本,此外偏航系统还需要额外供能实现偏航系统的运转,同时偏航系统占整个风力发电机重量的百分之五十左右,大大增加了风力发电机承载和支撑结构的疲劳风险,增加了风力发电机的维修成本,相对于水平轴风力发电机,垂直轴风力发电机能够在不同风向下运行,因此这种风力发电机不需要偏航系统调整方向,但传统的垂直轴风力发电机的风叶以及连接部件的重量都由中央轴承承担,因此轴承易磨损导致轴承摩擦力增大,从而造成垂直轴风力发电机发电效率下降,同时当风力过大时,为了避免风力发电机损坏,通常会将风力发电机停机,而风力较小时风力发电机的发电率又不高,另一方面,风力发电机运行过程中,风叶会发生扭曲和抖动,影响风力发电机运行的稳定性以及风叶收集风能的效果,因此提供一种高效利用风能的风力发电机叶片,增加风力发电机的发电效率以及使叶片运行更稳定已成为本领域人员亟待解决的问题。
已经存在通过设置碗状浮式基座通过液体福利对风机叶片和连接部件进行支撑,解决中央轴承易磨损的现有技术,例如:CN105715456A,本发明为一种垂直轴风力发电机,具体公开了一种液体浮式垂直轴风力发电机。包括能够绕其中心轴旋转的碗状浮式基座,通过至少一个支承部件与碗状浮式基座连接的多个捕风叶片,多个捕风叶片由碗状浮式基座支承,以及垂直轴支座,以同心于碗状浮式基座的中心轴的方式连接至碗状浮式基座。其中,多个捕风叶片在风力作用下驱动碗状浮式基座以漂浮的方式在液体中转动,从而驱动风力发电机的发电装置将动能转化为电能,然而,该对比文件仅考虑通过设置碗状浮式基座降低连接轴承的摩擦力从而提高风力发电机的发电效率,没有考虑碗状浮式基座不便于安装维护以及叶片在不同风速下对风能进行充分利用、风力发电机在运行过程中叶片扭曲抖动造成风能利用率下降和风力发电机运行不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效利用风能的风力发电机叶片,以解决现有技术中风力发电机叶片在不同风速下无法充分利用风能、风力发电机运行过程中叶片扭曲抖动以及中央轴承易磨损导致摩擦力增大的问题。
本发明提供一种高效利用风能的风力发电机叶片,包括风叶、调速装置、减速装置和旋转主轴,所述风叶安装在所述旋转主轴上,所述风叶设有多个,所述风叶包括主体、连接架和固定柱,所述主体一侧设有流线型凸起,所述连接架共设有两个,两个所述连接架分别设置在所述主体流线型凸起的两侧,所述主体与所述连接架通过所述固定柱连接,所述固定柱轴线穿过所述主体重心,所述连接架为L形板材,所述主体安装在所述连接架的L形拐点上,多个所述风叶沿旋转主轴呈中心对称设置,多个风叶转动时,转动轴线与所述旋转主轴轴线重合,所述调速装置设置在所述风叶尾部,所述调速装置可转动,所述减速装置设置在所述风叶前部靠近所述旋转主轴一侧,所述减速装置与所述风叶垂直设置。
进一步,所述调速装置包括电缸、传动杆和调速翼,所述电缸设有多个,每个所述电缸对应一个所述连接架设置,所述电缸与所述连接架长臂方向呈45°角设置,所述传动杆连接所述调速翼和所述电缸,所述调速翼前部铰接在所述连接架上,所述调速翼以铰接处为轴可转动。
进一步,所述减速装置包括减速板、减速弹簧、安装板、导向槽和导向板,所述减速板设置在所述导向板和所述安装板之间,所述减速弹簧共有两个分别设置在所述减速板两侧,所述减速弹簧一端连接所述导向板另一端连接所述安装板,所述安装板与所述连接板焊接,所述导向槽开设在所述连接架上,所述导向板两端卡合在所述导向槽内。
进一步,所述减速板由多块板材铰接而成,所述减速板的两端分别铰接在所述安装板和所述导向板上,所述减速板由导向板控制折叠与伸展。
进一步,所述旋转主轴包括两个安装杆、安装轴、稳定架和支撑轴,两个所述安装杆中部套接在所述安装轴上,每个所述安装杆的一端分别与一个连接架焊接,所述安装轴焊接在所述稳定架上方,所述支撑轴焊接在所述稳定架下方。
进一步,所述稳定架包括两个稳定板、三个稳定液压杆和三个稳定弹簧,所述稳定板为类等边三角形,三个所述稳定液压杆分别设置在所述稳定弹簧内部,所述三个稳定弹簧两端分别焊接在两个所述稳定板上。
与现有技术相比较,本发明的有益效果在于:
其一,设置有调速装置,所述调速装置包括电缸、传动杆和调速翼,所述电缸设有多个,每个所述电缸对应一个所述连接架设置,所述电缸与所述连接架长臂方向呈45°角设置,所述传动杆连接所述电缸与所述调速翼尾部,所述调速翼前部铰接在所述连接架上,所述调速翼以铰接处为轴可转动,当风力发电机工作环境的风速发生改变时,通过电缸动作带动传动杆动作,使调速翼转动,改变调速翼与风向夹角,从而控制调速以迎风面的大小,在风速较大时,调速翼迎风面最大,此时调速翼承受较大风阻产生与风叶旋转方向相反的作用力,从而控制风叶减速,使风叶转速达到风力发电机的额定转速,此时风力发电机发电率最高,当风速较小时,电缸动作调整调速翼,使调速翼与风叶方向一致,减小调速翼所受风阻,使风叶旋转所受阻力减小,从而提高风叶转速,使风力发电机在低风速时也可以保持较高的发电率,此外所述减速翼还可以采用类似风叶的形状,使减速翼在风速较小时可以提供与风叶旋转方向相同的力,为风叶旋转提供动力,从而提升风叶转速,增加风力发电机的风能利用率。
其二,设置有稳定架,所述稳定架包括两个稳定板、三个稳定液压杆和三个稳定弹簧,所述稳定板为类等边三角形,三个所述稳定液压杆分别设置在所述稳定弹簧内部,所述三个稳定弹簧两端分别焊接在两个所述稳定板上,通过所述稳定架的设置,在风叶转动时,风叶与风速间的夹角时刻变化,此时风叶虽然在转动,但是会产生与旋转主轴垂直的力作用在风叶上,由于风叶安装在旋转主轴上,此时旋转风叶产生的与旋转主轴垂直的力会作用在旋转主轴上,使旋转主轴发生倾斜,从而使安装在旋转主轴上的轴承受力不均造成轴承加速磨损,增大轴承的摩擦系数,增大摩擦阻力使风力发电机发电效率下降,此时通过稳定板、液压杆和稳定弹簧的配合,使垂直旋转主轴的力通过安装轴传递至三个稳定液压杆和三个稳定弹簧,通过弹簧进行吸收后均匀分布在稳定板上,从而使稳定架下方的支撑轴各个方向受力均匀,避免轴承因受力不均加速磨损,增加了轴承的使用寿命,减小了轴承的摩擦阻力,从而减小风力发电机的摩擦损耗,增加风力发电机的发电率,同时稳定架的设置降低了了采用一根主轴时主轴承受不同方向的应力产生疲劳磨损,增加了主轴的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,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他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明的俯视图;
图3为本发明中风叶的结构示意图;
图4为图3中A处的放大图;
图5为本发明中减速装置的结构示意图;
图6为本发明中旋转主轴的结构示意图。
附图标记:
风叶1,调速装置2,减速装置3,旋转主轴4,主体1a,连接架1b,固定柱1c,电缸2a,传动杆2b,调速翼2c,减速板3a,减速弹簧3b,安装板3c,导向槽3d,导向板3e,安装杆4a,安装轴4b,稳定架4c,支撑轴4d,稳定板4c1,稳定液压杆4c2,稳定弹簧4c3。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。
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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连同。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图6所示,本发明实施例提供一种高效利用风能的风力发电机叶片,包括风叶1、调速装置2、减速装置3和旋转主轴4,所述风叶1安装在所述旋转主轴4上,所述风叶1设有多个,所述风叶1包括主体1a、连接架1b和固定柱1c,所述主体1a一侧设有流线型凸起,所述连接架1b共设有两个,两个所述连接架1b分别设置在所述主体1a流线型凸起的两侧,所述主体1a与所述连接架1b通过所述固定柱1c连接,所述固定柱1c轴线穿过所述主体1a重心,所述连接架1b为L形板材,所述主体1a安装在所述连接架1b的L形拐点上,多个所述风叶1沿旋转主轴4呈中心对称设置,多个风叶1转动时,转动轴线与所述旋转主轴4轴线重合,所述调速装置2设置在所述风叶1尾部,所述调速装置2可转动,所述减速装置3设置在所述风叶1前部靠近所述旋转主轴4一侧,所述减速装置3与所述风叶1垂直设置。
本发明的工作原理是:当风速较小时,调整调速装置2,使调速装置2配合风叶1提供初始动力让风力发电机启动运转,此时减速装置3不工作,当风力发电机运转时,通过调速装置2,调整风叶1所受阻力,从而控制风力发电机转速,使风力发电机在不同风速下均可以接近额定转速的速度运转,提高风力发电机的发电率,当风速过快调速装置2无法对风力发电机转速进行调整时,此时风力发电机高速转动产生的离心力触发减速装置3工作,产生与风力发电机旋转方向相反的力,使风力发电机减速,使风力发电机维持在其额定转速,同时保护风力发电机风叶1因转速过快损坏,同时当风力过大时,旋转主轴4可以吸收与旋转主轴4垂直的不同方向的应力,避免旋转主轴4疲劳磨损,另一方面,风叶流线型凸起的设计,使得主体1a可以通过两侧气流流速不同产生升力推动风力发电机运转,同时流线型凸起可以减小主体1a与空气之间的摩擦力,降低风力发电机的运转阻力,从而增加风力发电机的发电率,同时固定柱1c轴线穿过所述主体1a重心,使风叶1在转动时离心力作用在固定柱1c上,防止风叶1在转动过程中重心与固定柱1c之间产生力矩使风叶1扭曲变形,增加了风叶1运转的稳定性,减小了风叶1抖动,从而减小风叶1运转过程中自身的能量损耗,增加了风力发电机的发电率。
具体地,本发明的调速装置2包括电缸2a、传动杆2b和调速翼2c,所述电缸2a设有多个,每个所述电缸2a对应一个所述连接架1b设置,所述电缸2a与所述连接架1b长臂方向呈45°角设置,所述传动杆2b连接所述调速翼2c和所述电缸2a,所述调速翼2c前部铰接在所述连接架1b上,所述调速翼2c以铰接处为轴可转动。当风力发电机工作环境的风速发生改变时,通过电缸2a动作带动传动杆2b动作,使调速翼2c转动,改变调速翼2c与风向夹角,从而控制调速以迎风面的大小,在风速较大时,调速翼2c迎风面最大,此时调速翼2c承受较大风阻产生与风叶1旋转方向相反的作用力,从而控制风叶1减速,使风叶1转速达到风力发电机的额定转速,此时风力发电机发电率最高,当风速较小时,电缸2a动作调整调速翼2c,使调速翼2c与风叶1方向一致,减小调速翼2c所受风阻,使风叶1旋转所受阻力减小,从而提高风叶1转速,使风力发电机在低风速时也可以保持较高的发电率,此外所述减速翼还可以采用类似风叶1的形状,使减速翼在风速较小时可以提供与风叶1旋转方向相同的力,为风叶1旋转提供动力,从而提升风叶1转速,增加风力发电机的风能利用率。
具体地,本发明的减速装置3包括减速板3a、减速弹簧3b、安装板3c、导向槽3d和导向板3e,所述减速板3a设置在所述导向板3e和所述安装板3c之间,所述减速弹簧3b共有两个分别设置在所述减速板3a两侧,所述减速弹簧3b一端连接所述导向板3e另一端连接所述安装板3c,所述安装板3c与所述连接板焊接,所述导向槽3d开设在所述连接架1b上,所述导向板3e两端卡合在所述导向槽3d内。当风力发电机转速过快时,在离心力的作用下,导向板3e沿导向槽3d运动,带动安装在导向板3e上的减速弹簧3b和减速板3a伸展,当减速弹簧3b弹力与离心力平衡后,导向板3e停止运动,此时减速板3a迎风面积变大,产生与风力发电机旋转方向相反的力对风力发电机进行降速,使风力发电机达到其额定转速,增加发电率,当风速下降后,作用在导向板3e上的离心力减小,此时减速弹簧3b弹力大于减速板3a上的离心力,减速弹簧3b拉动减导向板3e复位,从而使减速板3a复位,减小减速板3a的迎风面积,使风力发电机运转阻力减小,从而使风力发电机转速提升适应较小风速,增加风力发电机的发电率。
具体地,本发明的减速板3a由多块板材铰接而成,所述减速板3a的两端分别铰接在所述安装板3c和所述导向板3e上,所述减速板3a由导向板3e控制折叠与伸展。除本实施例外,所述减速板3a还可由一整块柔性材料代替,也可以实现减速板3a的功能,但柔性材料在多次伸展与收缩后可能会产生疲劳应力,造成柔性材料寿命有限,而使用多块板材铰接,可大大增加减速板3a的伸展与收缩次数,增加了减速板3a的使用寿命,降低了风力发电机的维修更换频率,故本实施例应为最优实施方案。
具体地,本发明的旋转主轴4包括两个安装杆4a、安装轴4b、稳定架4c和支撑轴4d,两个所述安装杆4a中部套接在所述安装轴4b上,每个所述安装杆4a的一端分别与一个连接架1b焊接,所述安装轴4b焊接在所述稳定架4c上方,所述支撑轴4d焊接在所述稳定架4c下方。风力发电机运行时,风叶1推动安装杆4a使安装轴4b旋转,安装轴4b带动稳定架4c和支撑轴4d旋转,通过稳定架4c将一根传统主轴分成安装轴4b和支撑轴4d,使稳定架4c可以将旋转主轴4所受的不同方向的力吸收,增加了旋转主轴4的使用寿命。
具体地,本发明的稳定架4c包括两个稳定板4c1、三个稳定液压杆4c2和三个稳定弹簧4c3,所述稳定板4c1为类等边三角形,三个所述稳定液压杆4c2分别设置在所述稳定弹簧4c3内部,所述三个稳定弹簧4c3两端分别焊接在两个所述稳定板4c1上。在风叶1转动时,风叶1与风速间的夹角时刻变化,此时风叶1虽然在转动,但是会产生与旋转主轴4垂直的力作用在风叶1上,由于风叶1安装在旋转主轴4上,此时旋转风叶1产生的与旋转主轴4垂直的力会作用在旋转主轴4上,使旋转主轴4发生倾斜,从而使安装在旋转主轴4上的轴承受力不均造成轴承加速磨损,增大轴承的摩擦系数,增大摩擦阻力使风力发电机发电效率下降,此时通过稳定板4c1、液压杆和稳定弹簧4c3的配合,使垂直旋转主轴4的力通过安装轴4b传递至三个稳定液压杆4c2和三个稳定弹簧4c3,通过弹簧进行吸收后均匀分布在稳定板4c1上,从而使稳定架4c下方的支撑轴4d各个方向受力均匀,避免轴承因受力不均加速磨损,增加了轴承的使用寿命,减小了轴承的摩擦阻力,从而减小风力发电机的摩擦损耗,增加风力发电机的发电率,同时稳定架4c的设置降低了了采用一根主轴时主轴承受不同方向的应力产生疲劳磨损,增加了主轴的使用寿命。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解;其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:包括风叶(1)、调速装置(2)、减速装置(3)和旋转主轴(4),所述风叶(1)安装在所述旋转主轴(4)上,所述风叶(1)设有多个,所述风叶(1)包括主体(1a)、连接架(1b)和固定柱(1c),所述主体(1a)一侧设有流线型凸起,所述连接架(1b)共设有两个,两个所述连接架(1b)分别设置在所述主体(1a)流线型凸起的两侧,所述主体(1a)与所述连接架(1b)通过所述固定柱(1c)连接,所述固定柱(1c)轴线穿过所述主体(1a)重心,所述连接架(1b)为L形板材,所述主体(1a)安装在所述连接架(1b)的L形拐点上,多个所述风叶(1)沿旋转主轴(4)呈中心对称设置,多个风叶(1)转动时,转动轴线与所述旋转主轴(4)轴线重合,所述调速装置(2)设置在所述风叶(1)尾部,所述调速装置(2)可转动,所述减速装置(3)设置在所述风叶(1)前部靠近所述旋转主轴(4)一侧,所述减速装置(3)与所述风叶(1)垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:所述调速装置(2)包括电缸(2a)、传动杆(2b)和调速翼(2c),所述电缸(2a)设有多个,每个所述电缸(2a)对应一个所述连接架(1b)设置,所述电缸(2a)与所述连接架(1b)长臂方向呈45°角设置,所述传动杆(2b)连接所述调速翼(2c)和所述电缸(2a),所述调速翼(2c)前部铰接在所述连接架(1b)上,所述调速翼(2c)以铰接处为轴可转动。
3.根据权利要求1所述的一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:所述减速装置(3)包括减速板(3a)、减速弹簧(3b)、安装板(3c)、导向槽(3d)和导向板(3e),所述减速板(3a)设置在所述导向板(3e)和所述安装板(3c)之间,所述减速弹簧(3b)共有两个分别设置在所述减速板(3a)两侧,所述减速弹簧(3b)一端连接所述导向板(3e)另一端连接所述安装板(3c),所述安装板(3c)与所述连接板焊接,所述导向槽(3d)开设在所述连接架(1b)上,所述导向板(3e)两端卡合在所述导向槽(3d)内。
4.根据权利要求3所述的一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:所述减速板(3a)由多块板材铰接而成,所述减速板(3a)的两端分别铰接在所述安装板(3c)和所述导向板(3e)上,所述减速板(3a)由导向板(3e)控制折叠与伸展。
5.根据权利要求1所述的一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:所述旋转主轴(4)包括两个安装杆(4a)、安装轴(4b)、稳定架(4c)和支撑轴(4d),两个所述安装杆(4a)中部套接在所述安装轴(4b)上,每个所述安装杆(4a)的一端分别与一个连接架(1b)焊接,所述安装轴(4b)焊接在所述稳定架(4c)上方,所述支撑轴(4d)焊接在所述稳定架(4c)下方。
6.根据权利要求5所述的一种高效利用风能的风力发电机叶片,其特征在于:所述稳定架(4c)包括两个稳定板(4c1)、三个稳定液压杆(4c2)和三个稳定弹簧(4c3),所述稳定板(4c1)为类等边三角形,三个所述稳定液压杆(4c2)分别设置在所述稳定弹簧(4c3)内部,所述三个稳定弹簧(4c3)两端分别焊接在两个所述稳定板(4c1)上。
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