CN114576081B - 双风轮发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双风轮发电装置，所述双风轮发电装置包括：发电机舱(300)；前风轮(100)，所述前风轮(100)的前风轮轴与所述发电机舱(300)连接，所述前风轮(100)包括多个前叶片(101)；以及后风轮(200)，所述后风轮(200)的后风轮轴与所述发电机舱(300)连接，并与所述前风轮(100)的转轴同轴设置，所述后风轮(200)包括多个后叶片(201)；所述前叶片(101)在所述后叶片(201)的纵截面所在平面的投影与所述后叶片(201)的纵截面形成互补。本发明的双风轮发电装置具有发电效率高、可紧凑布置、节约用地的优点。

Description

双风轮发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种双风轮发电装置。

背景技术

风力发电装置是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电装置一般包括风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件。

风力发电装置的工作原理是：风轮在风力的作用下旋转，带动风轮轴旋转，从而把风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机的转子转动，使得发电机在风轮轴的带动下发电。

虽然现有技术的风力发电装置具有清洁、环境效益好、可再生、基建周期短、装机规模灵活等优点，但是，现有的风力发电装置还存在发电效率低、占地面积广的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种双风轮发电装置以及风力发电装置，该双风轮发电装置具有发电效率高、可紧凑布置、节约用地的优点。

根据本发明实施例的双风轮发电装置，包括：发电机舱；前风轮，所述前风轮的前风轮轴与所述发电机舱连接，所述前风轮包括多个前叶片；以及后风轮，所述后风轮的后风轮轴与所述发电机舱连接，并与所述前风轮的转轴同轴设置，所述后风轮包括多个后叶片；所述前叶片在所述后叶片的纵截面所在平面的投影与所述后叶片的纵截面形成互补。

本发明实施例的双风轮发电装置，通过设置前叶片在后叶片的纵截面所在平面的投影与后叶片的纵截面形成互补，当气流从前风轮流经时，未被前叶片阻挡的气流继续向后风轮流动并且刚好能够接触后叶片，从而带动后风轮转动，而能够与气流接触的前叶片的部分，其在后叶片的纵截面所在平面的投影基本上不会与后叶片重合，从而使得后风轮获得的风能较大，提高后风轮的旋转速度，因此使得双风轮发电装置整体的发电效率得以提高。

可选的，所述前叶片的内叶展的最大弦长小于所述前叶片的外叶展的最大弦长。

可选的，所述前叶片的内叶展的纵截面呈矩形。

可选的，所述前叶片的内叶展的展长占该叶片整体展长的50％以下。

可选的，所述前叶片的外叶展的纵截面呈一侧边为直线、另一侧边为向外突出的曲线的异形。

可选的，所述前叶片的外叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的3/5至4/5处。

可选的，沿内叶展至外叶展的方向，所述前叶片的厚度逐渐减小；和/或，沿内叶展至外叶展的方向，所述后叶片的厚度逐渐减小。

可选的，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为50％的位置在距离叶片根部15％至17％处，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为40％的位置在距离叶片根部19％至21％处，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为35％的位置在距离叶片根部23％至25％处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长。

可选的，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为25％的位置在距离叶片根部52％至54％处，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为21％的位置在距离叶片根部66％至72％处，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为15％的位置在叶片的末端。

可选的，所述后叶片的内叶展的最小弦长大于所述后叶片的外叶展的最大弦长。

可选的，所述后叶片的内叶展的最大弦长处位于该叶片的从叶根起整体展长的0.7至0.8处。

可选的，所述后叶片展长为所述前叶片展长的60％至80％。

可选的，所述前风轮和所述后风轮的间距为所述前风轮直径的0.25～0.3倍。

通过上述技术方案，由于双风轮发电装置包括同轴设置的前风轮和后风轮，所述前风轮和所述后风轮能够同时被风力驱动而旋转，当所述前风轮旋转时，其驱动与之连接前风轮轴旋转，带动所述发电机舱中的前端转子转动进行发电，当所述后风轮旋转时，其驱动与之连接后风轮轴旋转，带动所述发电机舱中的后端转子转动进行发电，因此当上述的前风轮和后风轮同时转动时，发电机舱中的前端转子和后端转子同时转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮和后风轮能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

在本发明中，所述前叶片在所述后叶片的纵截面所在平面的投影与所述后叶片的纵截面形成互补，也就是说，当气流从所述前风轮流经时，未被所述前叶片阻挡的气流继续向所述后风轮流动并且刚好能够接触所述后叶片，从而带动所述后风轮转动，而能够与气流接触的所述前叶片的部分，其在所述后叶片的纵截面所在平面的投影基本上不会与所述后叶片重合，从而减少所述后叶片的体积、重量，提高所述后风轮的旋转速度，因此使得双风轮发电装置整体的发电效率得以提高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明的风力发电装置的一种实施方式的立体图；

图2是本发明的风力发电装置的前叶片的示意图；

图3是本发明的风力发电装置的前风轮叶片的弦长分布规律图；

图4是本发明的风力发电装置的后风轮叶片的弦长分布规律图。

附图标记：

100-前风轮，101-前叶片，200-后风轮，201-后叶片，300-发电机舱，

D-叶片的厚度，L-叶片的展长

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，本发明的双风轮发电装置，包括：发电机舱300；前风轮100，前风轮100的前风轮轴与发电机舱300连接，前风轮100包括多个前叶片101；以及后风轮200，后风轮200的后风轮轴与发电机舱300连接，并与前风轮100的转轴同轴设置，后风轮200包括多个后叶片201；前叶片101在后叶片201的纵截面所在平面的投影与后叶片201的纵截面形成互补。

需要说明的是，这里的互补是指：当一个前叶片101转动到一个后叶片201的正对位置时，该前叶片101在该后叶片201的纵截面所在平面的投影基本上与该后叶片201的纵截面形成形状互补，当然，本发明也允许该前叶片101在该后叶片201的纵截面所在平面的投影与该后叶片201的纵截面有少许部分的重叠，也允许该前叶片101在该后叶片201的纵截面所在平面的投影与该后叶片201的纵截面有少许的间隔，这并不影响本发明的双风轮发电装置的发电效率。

在本发明中，由于双风轮发电装置包括同轴设置的前风轮100和后风轮200，前风轮100和后风轮200能够同时被风力驱动而旋转，当前风轮100旋转时，其驱动与之连接前风轮轴旋转，带动发电机舱300中的前端转子转动进行发电，当后风轮200旋转时，其驱动与之连接后风轮轴旋转，带动发电机舱300中的后端转子转动进行发电，因此当上述的前风轮100和后风轮200同时转动时，发电机舱300中的前端转子和后端转子同时转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮100和后风轮200能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

在本发明中，前叶片101在后叶片201的纵截面所在平面的投影与后叶片201的纵截面形成互补，也就是说，当气流从前风轮100流经时，未被前叶片101阻挡的气流继续向后风轮200流动并且刚好能够接触后叶片201，从而带动后风轮200转动，而能够与气流接触的前叶片101的部分，其在后叶片201的纵截面所在平面的投影基本上不会与后叶片201重合，从而使得后风轮200获得的风能较大，提高后风轮200的旋转速度，因此使得双风轮发电装置整体的发电效率得以提高。

应当理解的是，前叶片101、后叶片201可以设计成多种形式，只要前叶片101能够在后叶片201的纵截面所在平面的投影与后叶片201的纵截面形成互补即可。

例如，可以将后叶片201设置为内叶展的最大弦长小于外叶展的最小弦长的形式，相应地，应当将前叶片101设置为内叶展的最小弦长大于外叶展的最大弦长的形式以形成互补。

在本发明的一种实施方式中，如图1所示，前叶片101的内叶展的最大弦长小于前叶片101的外叶展的最大弦长。这样设置的好处是，由于外叶展的弦长更大，因此前叶片101的外叶展能够接触到更多的气流，而外叶展到前风轮轴的力臂比内叶展到前风轮轴的力臂要长，从而使得外叶展处的力矩更大，力矩能使物体获得角加速度，并可使物体的动量矩发生改变，对同一物体来说力矩愈大，转动状态就愈容易改变，因此，这种设置方式能够使得前风轮100更加容易转动，也能够进一步提高前风轮100的转动速度。

之所以优先考虑前风轮100的转速是因为前风轮100首先与气流接触，能够最大化转换气流的动能，从而有效地利用风力。

应当理解的是，前叶片101的内叶展的纵截面形状可以设置为多种形状，只有其最大弦长小于外叶展的最大弦长即可，例如，前叶片101的内叶展的纵截面可以呈波浪形、三角形或梯形。

在本发明的一种实施方式中，前叶片101的内叶展的纵截面呈矩形，也就是说，前叶片101的内叶展各处的弦长都基本相同，并且内叶展的弦长小于内叶展的展长。将前叶片101的内叶展的纵截面设置为矩形一方面能够降低制造加工的难度，另一方面也能够提高该部位的抗弯折能力，防止内叶展发生变形，从而降低维护成本。

为了优化前风轮100的转动性能，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的内叶展的展长占该叶片整体展长的50％以下，这就使得至少能够有50％的气流接触到前叶片101的外叶展从而驱动前风轮100转动，而另外的气流能够几乎没有动能损耗地流经前叶片101的内叶展之后而与后叶片201接触，这一方面优化了前风轮100的转动性能，另一方面也有效地提高了后风轮200的发电效率。

当气流在前叶片101上流动时，为了降低气流的动能损失，在本发明的一种实施方式中，将前叶片101的内叶展与外叶展之间的过渡方式设计为平滑曲面过渡，能够有效地减小气流在内叶展与外叶展之间流动时的动能损失。

为了进一步优化前风轮100的转动性能，在本发明的一种实施方式中，将前叶片101的外叶展设计为：其纵截面呈一侧边为直线、另一侧边为向外突出的曲线的异形。向外突出的部分能够有效地与气流接触，而呈直线的一侧也可以更好地降低叶片转动时所受的阻力。

应当理解的是，前叶片101的外叶展具有最大弦长处，该最大弦长处可以位于外叶展的任意位置，例如，该最大弦长处可以位于外叶展的末端，也就是说，该最大弦长处可以位于整个叶片的末端。但是，叶片转动时，其末端也会受到气流的阻力，为了有效地降低叶片末端所受的阻力，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的外叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的3/5至4/5处，优选地，前叶片101的外叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的7/10处。换言之，该最大弦长处大致位于外叶展的中间部分，使得外叶展的一侧边的曲线呈近似圆弧的形状，这样就能够使外叶展的末端(即该叶片的末端)，具有较小的弦长，从而降低其与气流的接触面积，减少叶片末端所受的阻力。

为了降低叶片的重量，提高叶片的转动效率，在本发明的一种实施方式中，沿内叶展至外叶展的方向，前叶片101的厚度逐渐减小，同样的，沿内叶展至外叶展的方向，后叶片201的厚度也逐渐减小。借助于逐渐减小的厚度，叶片的重量得以有效地降低，并且，叶片的根部(即内叶展的最大厚度部位)具有一定的厚度以防止叶片发生弯折、断裂。

为了提高后风轮200的转动速度，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为50％的位置在距离叶片根部15％至17％处，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为40％的位置在距离叶片根部19％至21％处，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为35％的位置在距离叶片根部23％至25％处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长。这样设置使得内叶展的相对厚度的变化速率较快，进一步减少内叶展给气流造成的能量衰减，从而给后风轮200更多的气流以提高其转速。

另一方面，也可以对前叶片101的外叶展进行设计，例如，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为25％的位置在距离叶片根部52％至54％处，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为21％的位置在距离叶片根部66％至72％处，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为15％的位置在叶片的末端。这样设置使得前叶片101的外叶展的相对厚度的变化速率较慢，进一步提高外叶展与气流的接触时间，从而增加前风轮100的转速。

由于前风轮100首先与气流接触，因此，前风轮100对于气流动能的利用率最大，为此，在本发明的一种实施方式中，将前风轮100设计成比后风轮200更大的形式，例如，后叶片201展长为前叶片101展长的60％至80％，优选地，后叶片201展长为前叶片101展长的70％。

应当理解的是，后叶片201的内叶展具有最大弦长处，该最大弦长处可以位于内叶展的任意位置，例如，该最大弦长处可以位于内叶展的起始端，也就是说，该最大弦长处可以位于整个叶片的根部。在本发明的一种实施方式中，后叶片101的内叶展的最大弦长处位于该叶片从叶根起整体展长的0.7至0.8处，在一些实施例中，根据设计要求，后叶片101的内叶展的最大弦长处也可以位于该叶片从叶根起整体展长的0.3处。

为了进一步保证后叶片201的机械强度，在本发明的一种实施方式中，后叶片201的内叶展的最小弦长大于后叶片201的外叶展的最大弦长。这种方式能够使得后叶片201的根部具有较长的弦长，从而保证根部的机械强度，防止发生弯曲、折断。

进一步的，在本发明的一种实施方式中，前风轮100和后风轮200的间距为前风轮100的直径的0.25-0.3倍。在该范围内，能够满足前后风轮的安装要求，且前后风轮的相互干扰较小，提高风能的利用率。

图3示出了本发明的双风轮发电装置的一种实施例，在该实施例中，通过前叶片101弦长分布规律可以知道，前叶片101的内叶展在叶片展长达到20m之前，相对的弦长一直未发生变化，而叶片展长从20m到26m的部分，其相对的弦长则呈曲线上升状，而叶片展长从26m到38m的部分，其相对的弦长则呈曲线下降状。

图4则示出了上述实施例的后叶片201弦长分布规律，在该实施例中，后叶片201的内叶展在叶片展长达到5m之前，相对的弦长呈曲线上升状，而叶片展长从5m到31m的部分，其相对的弦长则呈曲线下降状。

通过上述技术方案，本发明的双风轮发电装置的前风轮100和后风轮200同时转动时，能够同时驱动前端转子和后端转子转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮100和后风轮200能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

另外，由于前叶片101在后叶片201的纵截面所在平面的投影与后叶片201的纵截面形成互补，因此能够有效地改善前后风轮组合效率低的问题，使得双风轮发电装置整体的发电效率得以提高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双风轮发电装置，其特征在于，包括：

发电机舱（300）；

前风轮（100），所述前风轮（100）的前风轮轴与所述发电机舱（300）连接，所述前风轮（100）包括多个前叶片（101）；以及

后风轮（200），所述后风轮（200）的后风轮轴与所述发电机舱（300）连接，并与所述前风轮（100）的转轴同轴设置，所述后风轮（200）包括多个后叶片（201）；

所述前叶片（101）的内叶展的最大弦长小于所述前叶片（101）的外叶展的最大弦长，所述前叶片（101）的内叶展的纵截面呈矩形，所述前叶片（101）的外叶展的纵截面呈一侧边为直线、另一侧边为向外突出异形的曲线；

所述前叶片（101）在所述后叶片（201）的纵截面所在平面的投影与所述后叶片（201）的纵截面形成互补，所述互补指的是当气流从前风轮（100）流经时，未被前叶片（101）阻挡的气流继续向后风轮（200）流动并且刚好能够接触后叶片（201），从而带动后风轮（200）转动，而能够与气流接触的前叶片（101）的部分，其在后叶片（201）的纵截面所在平面的投影基本上不会与后叶片（201）重合。

2.根据权利要求1所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）的内叶展的展长占该叶片整体展长的50%以下。

3.根据权利要求1所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）的外叶展的最大弦长处位于该前叶片（101）整体展长的3/5至4/5处。

4.根据权利要求1所述的双风轮发电装置，其特征在于，沿内叶展至外叶展的方向，所述前叶片（101）的厚度逐渐减小；和/或，沿内叶展至外叶展的方向，所述后叶片（201）的厚度逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为50%的位置在距离叶片根部15%至17%处，所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为40%的位置在距离叶片根部19%至21%处，所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为35%的位置在距离叶片根部23%至25%处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长。

6.根据权利要求5所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为25%的位置在距离叶片根部52%至54%处，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为21%的位置在距离叶片根部66%至72%处，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为15%的位置在叶片的末端。

7.根据权利要求1所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）的内叶展的最小弦长大于所述后叶片（201）的外叶展的最大弦长。

8.根据权利要求7所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）的内叶展的最大弦长处位于该后叶片（201）的从叶根起整体展长的0.7至0.8处。

9.根据权利要求1所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）的展长为所述前叶片（101）的展长的60%至80%。

10.根据权利要求1-8中任意一项所述的双风轮发电装置，其特征在于，所述前风轮（100）和所述后风轮（200）的间距为所述前风轮（100）直径的0.25～0.3倍。

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