CN111852758A

CN111852758A - 基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构

Info

Publication number: CN111852758A
Application number: CN202010861933.5A
Authority: CN
Inventors: 李寿图; 李晔; 杨从新; 李德顺; 李银然; 王清; 王强; 刘文杰
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2020-10-30

Abstract

本发明公开一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，涉及风力机发电技术领域。主要包括主支撑部件和新叶片，所述新叶片为原水平轴风力机叶片两端切割后保留的中间有效段；所述主支撑部件的外周安装有多个所述新叶片，所述主支撑部件在风力驱动作用下能够带动发电机转动，实现发电目的。本发明提出的基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，既实现了对满足服役年限的大型水平轴风力机叶片的有效再利用，同时采用原叶片的有效段应用于垂直轴风机，有效提高了垂直轴风力机的风能利用率，实用性强。

Description

基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构

技术领域

本发明涉及风力机发电技术领域，特别是涉及一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构。

背景技术

大型水平轴风力机是目前实现将风能转化为电能的主要设备之一。其中，叶片是水平轴风力机捕获风能的主要零部件之一。水平轴风力机具有相对较高的风能利用率和成熟的技术，故世界范围内的大型风电场基本都是由水平轴风力机组成，且目前单机容量和叶片长度均处于不断增加的趋势。

目前，陆地上大型水平轴风力机的整机设计一般寿命是20年。根据风电行业的发展历程，当前、乃至今后，将有大批量的大型水平轴风力机达到服役年限。此时，满足服役年限的风力机将面临着整机或部件废弃的问题，但是，叶片属于不易损坏件，依然具有继续使用的价值。同时，相比较水平轴风力机，垂直轴风力机的发展无论是单机容量还是风能利用率方面均比水平轴风力机迟缓。但是，垂直轴风力机具有结构简单、叶片造型简单多样和风轮结构形式多样的优点。

综上所述，如何针对大型水平轴风力机叶片退役问题，提出一种环保和低成本的大型水平轴风力机叶片再利用的方法，使退役叶片高效应用于垂直轴风力机，以提高垂直轴风力机风能利用率的潜能，是本发明亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，既实现了对满足服役年限的大型水平轴风力机叶片的再利用，同时可提高垂直轴风力机的风能利用率，有效解决了上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，包括主支撑部件和新叶片，所述新叶片为原水平轴风力机叶片两端切割后保留的中间有效段；所述主支撑部件的外周安装有多个所述新叶片，在风力作用下，所述主支撑部件转动，进而带动发电机的转子转动，达到发电的目的。

可选的，所述中间有效段自原水平轴风力机叶片最大弦长位置起始，到原水平轴风力机叶片长度的85％段处终止。

可选的，所述新叶片的每个断面都是翼型形状。

可选的，所述主支撑部件包括主轴，所述主轴的顶端和底端分别安装有上主支架和下主支架，所述新叶片的两端分别连接于所述上主支架和所述下主支架。

可选的，所述上主支架包括叶片顶端部支座和多根带有长度调节器的连接短杆，所述连接短杆在所述主轴的外周均布；所述连接短杆的一端连接于所述主轴，另一端连接所述叶片顶端部支座，所述叶片顶端部支座用于连接所述新叶片的小头端。

可选的，所述叶片顶端部支座的表面形状呈翼型形状，且表面面积大于所述新叶片的小头端端面面积。

可选的，所述下主支架包括叶片底端部支座和多根带有长度调节器的连接长杆，所述连接长杆在所述主轴的外周均布；所述连接长杆的一端连接于所述主轴，另一端连接所述叶片底端部支座，所述叶片底端部支座用于连接所述新叶片的大头端。

可选的，所述叶片底端部支座的表面形状呈翼型形状，且表面面积大于所述新叶片的大头端端面面积。

可选的，所述主支撑部件还包括副支架；所述副支架包括多根拉索，所述拉索在所述主轴的外周均布，所述拉索的一端连接于所述主轴，另一端通过防滑卡锁连接于所述新叶片的中部。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，既实现了对满足服役年限的大型水平轴风力机叶片的有效再利用，同时采用原叶片的有效段应用于垂直轴风机，有效提高了垂直轴风力机的风能利用率，实用性强。

此外，本发明的垂直轴风力机风轮结构中，设置有叶片端部支座来与新叶片端部连接，具有减小叶端损失的作用；同时，本垂直轴风力机风轮结构整体采用梯形设计(上小下大)，利用了大型水平轴风力机叶片变桨设计转化为定桨叶片使用时的力矩平衡和失速控制功能，有利于提高垂直轴风力机风轮结构的风能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。

图1为本发明垂直轴风力机风轮结构的整体示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为本发明水平轴风力机中原叶片的再利用原理示意图；

图5为本发明垂直轴风力机风轮结构的工作原理图；

其中，附图标记为：1、原水平轴风力机叶片；2、新叶片；3、主轴；4、上主支架；5、下主支架；6、叶片顶端部支座；7、长度调节器；8、连接短杆；9、叶片底端部支座；10、连接长杆；11、拉索；12、防滑卡锁；13、电机端连接轴；14、上法兰盘；15、下法兰盘；16、最大弦长位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，既实现了对满足服役年限的大型水平轴风力机叶片的再利用，同时可提高垂直轴风力机的风能利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-3所示，本实施例提供一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，带有上法兰盘14和下法兰盘15的主轴3是整个装置的主支撑部件。其中，主轴3上自而下依次设置有上主支架4、副支架和下主支架5，且上主支架4、副支架和下主支架5均在以主轴3为中心的圆周方向上均布。新叶片2通过上主支架4、下主支架5和副支架连接均布在以主轴3为中心的圆周上。

本实施例中，如图1-2所示，带有长度调节器7的连接短杆8和叶片顶端部支座6连接组成上主支架4，连接短杆8的一端连接到主轴3的上法兰盘14上，且各连接短杆8在上法兰盘14圆周方向均布安装，连接短杆8的另一端连接叶片顶端部支座6，叶片顶端部支座6用于与新叶片小头端，即顶端连接安装。

进一步地，如图1-2所示，带有长度调节器7的连接长杆10和叶片底端部支座9连接组成下主支架5，连接长杆10的一端连接到主轴3的下法兰盘15上，且各连接长杆10在下法兰盘15圆周方向均布安装，连接长杆10的另一端连接叶片底端部支座9，叶片底端部支座9用于与新叶片大头端，即底端连接安装。其中，连接长杆10的长度长于连接短杆8，使得整个风轮结构呈上小下大的梯形结构。

上述长度调节器7可采用现有任意一种长度调节结构，用于调节连接杆的长度，比如伸缩杆段结构。

进一步地，如图1-3所示，副支架的拉索11一端和主轴3的下法兰盘15连接，且各拉索11在法兰圆周方向均布安装，拉索11另一端与安装在新叶片2中部的防滑卡锁12连接；电机端连接轴13通过法兰与下法兰盘15连接，用于驱动主轴3转动。其中，拉索11优选为钢索结构，防滑卡锁12则为一种现有结构，用于固定连接拉索11，且能够在叶片上滑动调节和位置锁紧，具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，通过调节各连接短杆8、各连接长杆10以及各拉索11的长度，可调节新叶片的安装角度，直至新叶片达到预设工作位置。

本实施例中，如图4所示，新叶片2利用了原水平轴风力机叶片1的有效段，即原叶片的最大弦长位置16到叶片长度的85％段。一般大型水平轴风力机叶片从最大弦长位置到85％L处的位置，叶片具有一定的扭角，且85％L左右位置的翼型具有最优的升阻比，将该有效段机构应用于垂直轴风力机，将有利于提高垂直轴风力机的风能利用率。

本实施例中，成型后新叶片2的每个断面都是翼型形状。

下面对本实施例作具体工作原理说明。其中，新叶片优选为3片均匀分布。

如图5所示，由于新叶片2的每个断面都是翼型形状，故当风速U_∞达到一定速度时，新叶片2会产生升力和阻力，这两个力在整个风轮结构圆周方向的合力驱动该整个风轮结构围绕主轴3以ω的角速度旋转，进而通过电机端连接轴13带动发电机的转子，达到发电的目的。同时，本实施例的风轮结构整体呈现上小下大的梯形结构，以此达到在特定风速下，风轮结构上端的切向力F_t2对主轴3产生的转矩M₂＝F_t2×R₂和装置下端切向力F_t1对主轴3产生的转矩M₁＝F_t1×R₁尽量相等，以避免转子沿高度方向的受力不均衡，同时以便实现定桨叶片的失速控制。同时，叶片底端部支座9和叶片顶端部支座6呈现端板形状，且表面形状均呈翼型形状，面积大于对应的叶片端部面积，以此减小叶尖损失，达到提高风轮结构风能利用率的目的。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于水平轴风力机叶片再利用的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：包括主支撑部件和新叶片，所述新叶片为原水平轴风力机叶片两端切割后保留的中间有效段；所述主支撑部件的外周安装有多个所述新叶片，在风力作用下，所述主支撑部件转动，进而带动发电机的转子转动，达到发电的目的。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述中间有效段自原水平轴风力机叶片最大弦长位置起始，到原水平轴风力机叶片长度的85％段处终止。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述新叶片的每个断面都是翼型形状。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述主支撑部件包括主轴，所述主轴的顶端和底端分别安装有上主支架和下主支架，所述新叶片的两端分别连接于所述上主支架和所述下主支架。

5.根据权利要求4所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述上主支架包括叶片顶端部支座和多根带有长度调节器的连接短杆，所述连接短杆在所述主轴的外周均布；所述连接短杆的一端连接于所述主轴，另一端连接所述叶片顶端部支座，所述叶片顶端部支座用于连接所述新叶片的小头端。

6.根据权利要求5所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述叶片顶端部支座的表面形状呈翼型形状，且表面面积大于所述新叶片的小头端端面面积。

7.根据权利要求4所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述下主支架包括叶片底端部支座和多根带有长度调节器的连接长杆，所述连接长杆在所述主轴的外周均布；所述连接长杆的一端连接于所述主轴，另一端连接所述叶片底端部支座，所述叶片底端部支座用于连接所述新叶片的大头端。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述叶片底端部支座的表面形状呈翼型形状，且表面面积大于所述新叶片的大头端端面面积。

9.根据权利要求4所述的垂直轴风力机风轮结构，其特征在于：所述主支撑部件还包括副支架；所述副支架包括多根拉索，所述拉索在所述主轴的外周均布，所述拉索的一端连接于所述主轴，另一端通过防滑卡锁连接于所述新叶片的中部。