CN116292078A - 自适应恒速运转风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自适应恒速运转风力发电机，包括主轴，主轴的下端与发电机的旋转轴相连，上端固定有支撑盘，主轴上间隔固定有上限位套和下限位套，上限位套和下限位套之间的主轴上设置有滑动套。主轴的周向均布有叶片，叶片包括叶根，叶根远离主轴的一端连接有外弧体，另一端连接有内弧体，外弧体和内弧体之间形成了开口弧，开口弧朝外，叶根的上端通过支撑杆与支撑盘活动相连，滑动套通过活动杆与支撑杆或叶根相连。本发明的叶片随风轮转速的提高而张开，自动调整风轮转速，使风轮转速降低，从而实现风轮恒速运转。

Description

自适应恒速运转风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，特别是一种自适应恒速运转风力发电机。

背景技术

风力发电是清洁的可再生能源，且存量丰富，传统的风力发电机分为水平轴形式和垂直轴两种形式。水平轴风力发电机的缺点是：需要对风装置，小风速风能转化效率低，有效风速范围窄，有效发电量少等缺点。垂直轴风力发电机的缺点是：风能转化效率低，风轮转速控制困难，发电品质差，这些不足之处一直制约着其发展。

发明内容

本发明提出了一种自适应恒速运转风力发电机，叶片随风轮转速的提高而张开，自动调整风轮转速，从而实现风轮恒速运转。

本发明的技术方案是这样实现的：自适应恒速运转风力发电机，包括主轴，主轴的下端与发电机的旋转轴相连，上端固定有支撑盘，主轴上间隔固定有上限位套和下限位套，上限位套和下限位套之间的主轴上设置有滑动套。主轴的周向均布有叶片，叶片包括叶根，叶根远离主轴的一端连接有外弧体，另一端连接有内弧体，外弧体和内弧体之间形成了开口弧，开口弧朝外，叶根的上端通过支撑杆与支撑盘活动相连，滑动套通过活动杆与支撑杆或叶根相连。

进一步地，支撑杆的一端与支撑盘固定相连，另一端与叶根的顶部铰接，活动杆的一端与活动套铰接，另一端与叶根的中下部位置铰接。

进一步地，支撑杆的一端与支撑盘铰接，另一端与叶根固定相连，活动杆一端与滑动套铰接，另一端与支撑杆的中部铰接。

进一步地，叶片包括叶片本体，叶片本体的截面轮廓线包括依次相连的第一轮廓线、第二轮廓线、第三轮廓线、第四轮廓线、第五轮廓线和第六轮廓线，第一轮廓线和第六轮廓线构成了外弧体，第一轮廓线和第二轮廓线组成了U型的开口弧；第三轮廓线和第四轮廓线组成了内弧体，第三轮廓线和第四轮廓线构成了连接外弧体和内弧体的叶根。

进一步地，内弧体为等厚弧形板，叶根的厚度自内弧体向外弧体方向逐渐增大，外弧体的厚度自叶根向自由端方向逐渐减小。

进一步地，开口弧朝向叶片本体的外侧，内弧体的弧心朝向内弧体远离开口弧的一侧；第一轮廓线和第二轮廓线的弧心朝向叶片本体的外侧，第五轮廓线和第六轮廓线的弧心朝向叶片本体的内侧。

进一步地，外弧体的截面长度为H1，外弧体靠近叶根一端的截面长度为H2，叶根的截面长度为H3，内弧体的截面长度为H4，1/3<H2/H1<1/2，1/2<H3/H1<2/3，7/10<H4/H1<4/5。

进一步地，内弧体的厚度为h，h为H2的0.01-0.015倍。

进一步地，第六轮廓线的曲率小于开口弧槽底的曲率，且大于第四轮廓线的曲率。

本发明的有益效果：

本发明的自适应恒速运转风力发电机，多个叶片构成了风轮，叶片通过外弧体、内弧体和开口弧的配合，可获取风能升力矩和风能阻力矩；初始阶段，风轮转速随风速增大而增加，达到设定值风轮转速不再随风速增大而增加，而是在离心力的作用下，风轮自动适度张开，适度自动张开后的风轮转速会随着风轮直径的增加而降低，风速越大开度越大，转速保持恒定运转，从而保证了发电品质，扩大了有效风速范围，增加了实际发电量。

本发明的风轮叶片随风轮转速的提高而张开，风轮自动张合后能自动调整风轮转速，使风轮转速降低，从而实现风轮恒速运转(额定风速下)；而且启动风速低，最低可实现1m/s启动，远优于国标3m/s的启动风速。

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为本发明风力发电机的结构示意图一；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明风力发电机的结构示意图二；

图4为带有R销的螺栓铰接结构；

图5为铆接的铰接结构；

图6为不带R销的螺栓铰接结构；

图7为图6中A-A的剖视图；

图8为图7中B的局部放大图；

图9为叶根的内部结构示意图；

图10为叶片的结构示意图；

图11为带有坐标轴的叶片结构示意图；

图12为对比例1的叶片结构示意图；

图13为对比例2的叶片结构示意图；

图14为对比例3的叶片结构示意图。

主轴1，塔杆2，支撑盘3，上限位套4，下限位套5，滑动套6，叶根7，外弧体8，内弧体9，开口弧10，支撑杆11，活动杆12，筋板13，连杆14，螺母15，安装槽16，弹簧针17，螺纹槽18，限位凸起19，斜面20，垂直面21，第一轮廓线22，第二轮廓线23，第三轮廓线24，第四轮廓线25，第五轮廓线26，第六轮廓线27，支杆28。

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付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。

实施例1

如图1-3所示，自适应恒速运转风力发电机，包括主轴1，主轴1的下端与发电机的旋转轴相连，上端固定有支撑盘3，主轴1上间隔固定有上限位套4和下限位套5，上限位套4和下限位套5之间的主轴1上滑动套装有滑动套6。主轴1的周向均布有叶片，叶片数量为3-5个，通过多个叶片构成风轮，发电机采用三相永磁盘式发电机，发电机固定在塔杆2上。

叶片包括叶根7，叶根7远离主轴1的一端连接有外弧体8，另一端(靠近主轴1的一端)连接有内弧体9，外弧体8和内弧体9之间形成了开口弧10，开口弧10朝外。叶片结构的设置，内弧体9和外弧体8可以获取风能升力矩，开口弧10获取风能阻力矩，叶片沿主轴1轴向周向设置，主轴1一侧的叶片获取风能阻力矩，另一侧的叶片能获取风能升力矩。叶片在风力的作用下，带动主轴1旋转，主轴1一侧的叶片获取风能阻力矩，主轴1另一侧的叶片获取风能升力矩，力矩方向相同，主轴1带动发电机旋转轴旋转，从而把风能转化城电能。

叶根7的上端通过支撑杆11与支撑盘3活动相连，即支撑杆11至少有一端为铰接相连；滑动套6通过活动杆12与支撑杆11或叶根7相连，即活动杆12的两端均为铰接相连，如采用以下结构：如图1所示，支撑杆11的一端与支撑盘3固定相连，另一端与叶根7的顶部铰接，活动杆12的一端与活动套铰接，另一端与叶根7的中下部位置铰接；也可为：如图3所示，支撑杆11的一端与支撑盘3铰接，另一端与叶根7的顶部固定相连，活动杆12一端与滑动套6铰接，另一端与支撑杆11的中部铰接；也可为其他结构，使叶片的倾斜角度随风力的大小而变化即可；活动杆12可为固定长度杆，也可根据需要采用伸缩杆，或者其他结构，不影响叶片离心展开即可。

为了减轻叶片本体的重量，同时确保叶片本体的强度，如图9所示，叶根7与外弧体8为中空结构，中空的叶根7和外弧体8内沿竖向间隔固定有用于加强的筋板13；叶根7内对应坐标原点的位置处固定有连杆14，连杆14的上端穿过叶根7的顶部，且与支撑杆11相连，连杆14的下端穿过筋板13，且与叶根7的底部相连，若是活动杆12与叶根7的中下部位置铰接，则连杆14的中下部固定有支杆28，支杆28穿过叶根7，且与活动杆12铰接，若是不设置连杆14和支杆28，将支撑杆11或活动杆12直接连接于叶片的对应部位，则叶片旋转过程，容易出现连接部位受力较大，损伤叶片。

支撑杆11或活动杆12的铰接端通过连接件进行铰接，连接件可采用铆接实现铰接(如图5所示)，也可采用螺栓、螺母和R销配合的方式的进行铰接(如图4所示)，但是铆接后续不便于进行拆卸检修或更换，且因叶片受离心力旋转展开，对铆接强度要求较高；而螺栓、螺母和R销的配合，采用高强度螺栓，虽可满足铰接处的强度要求，但是在长时间受风吹雨淋、叶片旋转振动等影响下，R销仍然存在容易松动脱落的问题。

可对螺母15和螺栓进行改进，如图6-8所示，螺母15上沿径向设置有安装槽16，安装槽16内设置有弹簧针17，弹簧针17为弹性伸缩杆结构，螺栓上带有连接螺纹的部分设置有一螺纹槽18，螺纹槽18位于螺母15拧紧的位置处，螺纹槽18内固定有限位凸起19，限位凸起19的一侧为倾斜向外的斜面20，另一侧为垂直面21，斜面20位于限位凸起19朝向弹簧针17进料的一侧。螺母15沿螺杆旋转拧紧过程中，弹簧针17收缩在安装槽16内，当螺母15旋转至螺纹槽18处时，弹簧针17伸出沿螺纹槽18移动至限位凸起19，并沿斜面20移动收缩，越过限位凸起19后，垂直面21限制了弹簧针17的反向移动，进而对螺母15和螺栓的旋转进行了限制，避免出现松开，因弹簧针17设置于安装槽16内，且与限位凸起19的配合，位于螺母15的内侧，避免了其受风吹雨淋等环境的影响，不容易出现腐蚀松动，同时螺杆也可满足铰接的强度要求，而且在螺母15安装过程中即可完成防松动，无需额外的装配工作。若是后续不考虑拆卸问题，弹簧针17固定于安装槽16内，固定方式可采用粘结、焊接等；若是后续为了便于拆卸，弹簧针17采用可拆卸的方式固定于安装槽16内，如弹簧针17螺纹固定于安装槽16内。

所述自适应恒速运转风力发电机，当风速增强，叶片组成的风轮旋转加快，当转速超过设定值时，在离心力的作用下，叶片微微开启，叶片开启后主轴1上的滑动套6移动，这时风轮直径增加，风轮线速度和风速保持平衡，从而使风轮保持恒速运转。

当风速再增加，风轮转速随风速的增加而增加，在离心力的作业下叶片开口再增大，随着风轮直径的增加，风轮转速就不会再增加，风轮线速度和风速保持相对平衡，从而保证了风轮恒速运转。

当风速减少，风轮转速降低，离心力减少，风轮叶片再重力的作用下会自动降低高度，风轮开口自动收合，收合的过程中会保持风轮线速度和风速的平衡，从而保证了风轮恒速运转。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：如图10和11所示，叶片包括叶片本体，叶片本体的截面轮廓线包括依次相连的第一轮廓线22、第二轮廓线23、第三轮廓线24、第四轮廓线25、第五轮廓线26和第六轮廓线27，第一轮廓线22和第二轮廓线23的弧心朝向叶片本体的外侧，第五轮廓线26和第六轮廓线27的弧心朝向叶片本体的内侧。

第一轮廓线22和第六轮廓线27构成了外弧体8，第一轮廓线22和第二轮廓线23组成了U型的开口弧10，开口弧10朝向叶片本体的外侧；第三轮廓线24和第四轮廓线25组成了内弧体9，内弧体9的弧心朝向内弧体9远离开口弧10的一侧，内弧体9为等厚弧形板，第三轮廓线24和第四轮廓线25构成了连接外弧体8和内弧体9的叶根7，叶根7的厚度自内弧体9向外弧体8方向逐渐增大，外弧体8的厚度自叶根7向自由端方向逐渐减小。

如图11所示，外弧体8的一端位于第四象限，另一端经第四象限延伸至第一象限，叶根7一端位于第四象限，且与外弧体8相接，叶根7的另一端经坐标原点延伸至第二象限，且与内弧体9相连，内弧体9位于第二象限内，坐标原点为支撑杆11与叶根7的铰接处(如图2所示)。

外弧体8的截面长度为H1，外弧体8靠近叶根7一端的截面长度为H2，叶根7的截面长度为H3，内弧体9的截面长度为H4，这里的截面长度为两端点之间的垂直距离，如H1为外弧体8的自由端至外弧体8靠近叶根7一端之间的垂直距离，1/3<H2/H1<1/2，1/2<H3/H1<2/3，7/10<H4/H1<4/5，内弧体9的厚度为h，h为H2的0.01-0.015倍，如H2/H1＝0.41，H3/H1＝0.60，H4/H1＝0.77，h为H2的0.013倍等。第六轮廓线27的曲率小于开口弧10槽底的曲率，且大于第四轮廓线25的曲率。

对比例1

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：如图12所示，所述叶片本体不包括内弧体9。

对比例2

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：如图13所示，所述内弧体9替换成直板。

对比例3

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：如图14所示，所述内弧体9替换成直板，叶根7和外弧体8与直板的厚度一致。

采用实施例2和对比例1-3的叶片结构，自适应恒速运转风力发电机叶片的风能转化率如下：实施例2的转化率为40％，对比例1的转化率为28％，对比例2的转化率为36％；对比例3的转化率为35％。采用实施例2的叶片结构，具有较大的风能转化率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.自适应恒速运转风力发电机，包括主轴，主轴的下端与发电机的旋转轴相连，上端固定有支撑盘，其特征在于：主轴上间隔固定有上限位套和下限位套，上限位套和下限位套之间的主轴上设置有滑动套。主轴的周向均布有叶片，叶片包括叶根，叶根远离主轴的一端连接有外弧体，另一端连接有内弧体，外弧体和内弧体之间形成了开口弧，开口弧朝外，叶根的上端通过支撑杆与支撑盘活动相连，滑动套通过活动杆与支撑杆或叶根相连。

2.根据权利要求1所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：支撑杆的一端与支撑盘固定相连，另一端与叶根的顶部铰接，活动杆的一端与活动套铰接，另一端与叶根的中下部位置铰接。

3.根据权利要求1所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：支撑杆的一端与支撑盘铰接，另一端与叶根固定相连，活动杆一端与滑动套铰接，另一端与支撑杆的中部铰接。

4.根据权利要求1-3之一所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：叶片包括叶片本体，叶片本体的截面轮廓线包括依次相连的第一轮廓线、第二轮廓线、第三轮廓线、第四轮廓线、第五轮廓线和第六轮廓线，第一轮廓线和第六轮廓线构成了外弧体，第一轮廓线和第二轮廓线组成了U型的开口弧；第三轮廓线和第四轮廓线组成了内弧体，第三轮廓线和第四轮廓线构成了连接外弧体和内弧体的叶根。

5.根据权利要求4所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：内弧体为等厚弧形板，叶根的厚度自内弧体向外弧体方向逐渐增大，外弧体的厚度自叶根向自由端方向逐渐减小。

6.根据权利要求4所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：开口弧朝向叶片本体的外侧，内弧体的弧心朝向内弧体远离开口弧的一侧；第一轮廓线和第二轮廓线的弧心朝向叶片本体的外侧，第五轮廓线和第六轮廓线的弧心朝向叶片本体的内侧。

7.根据权利要求1所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：外弧体的截面长度为H1，外弧体靠近叶根一端的截面长度为H2，叶根的截面长度为H3，内弧体的截面长度为H4，1/3<H2/H1<1/2，1/2<H3/H1<2/3，7/10<H4/H1<4/5。

8.根据权利要求7所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：内弧体的厚度为h，h为H2的0.01-0.015倍。

9.根据权利要求1所述的自适应恒速运转风力发电机，其特征在于：第六轮廓线的曲率小于开口弧槽底的曲率，且大于第四轮廓线的曲率。

Images