CN1948717A - 固定或支撑叶片的应力框架及其柔性叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固定叶片的应力框架和绷紧在这种应力框架上的柔性叶片，用以提高叶片的使用寿命；提高叶片结构和性能的稳定性；提高叶片的功率和能量转化效率并降低叶片的制造成本。

Description

固定或支撑叶片的应力框架及其柔性叶片
所属技术领域
本发明涉及的是一种用于固定或支撑各种叶片的应力框架及其柔性叶片。这里所说的叶片是指在机械能与流体动力能之间进行转化的构件。包括将风能转化成机械能的各种风叶、将水流能量转化成机械能的各种叶片、将机械能转化成空气动力的各种浆片和将机械能转化成液体动力的各种浆片。
背景技术
目前上述各种叶片的固定基本有两种形式，一是将叶片直接固定在旋转轴上；二是通过连杆固定在旋转轴上。所存在的问题是：当叶片或连杆的长度较大或对流体受力较大时，容易变形或损坏，极大地影响着叶片的使用寿命、性能的稳定和能量转化效率的提高。我们知道，对于叶片的一个理想要求是：要有很高的强度重量比和结构及性能的稳定性。而目前使用的各种叶片在材质和固定形式上都受到了限制。
例如：一种垂直轴H型风力发电机的叶轮，其叶片的连杆迎风截面高度尺寸要求很小，以减小风阻，但当风轮的直径较大时，叶片的连杆很难达到上述要求，给进一步提高风力发电机的功率和效率带来了一定的困难。
再如：应用最普遍的水平轴风力发电机的传统风叶，一般直接连接在旋转轴上。当其直径很大时，也存在一个强度重量比及性能和结构的稳定性问题；在强风下风叶很容易折断或变形，而修复或更换是十分困难的。另外，大尺寸的这种风叶，其制造成本很高，而且设计和制造工艺复杂，影响了其广泛的推广使用。
另外，目前叶片的材质基本为刚性材料，尤其对于曲面叶片来说更是这样；它们大多用金属或纤维增强树脂制作，不仅制作成本很高，而且在保证结构稳定的前提下，其强度重量比的进一步提高很困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种固定叶片的应力框架和绷紧在这种应力框架上的柔性叶片。它不仅可以解决上述问题，而且可在很大程度上提高叶轮的使用寿命、抵抗强风的袭击和提高各种叶片的结构稳定性。
具体设计方案是：
一、用环形拱件、旋转轴和拉紧在二者之间的线性材料(称作辐条)组成一种应力框架。将叶片固定在这种应力框架上旋转。因为这种应力框架有着很高的强度重量比，而且旋转阻力很小，可使叶轮的直径做得很大，并使叶轮具有很高的结构及性能稳定性。
二、为了固定某些异型叶片或构成某种框架结构的需要，要将一些线性材料拉紧在辐条和环形拱架上，我们把这种线性材料称作网线。
三、用环形拱件、旋转轴、辐条和网线，可以组成多种不同形式和用途的应力框架。
当所用的环形拱件为一件时，其结构特征类似于具有辐条的轮子或具有辐条的轮子与网球拍的结合；我们称这种结构为单环应力框架。这种框架中的辐条可由环形拱件垂直或(和)倾斜拉紧于旋转轴上；倾斜拉紧的方式分为单侧拉紧和双侧拉紧。
四、将至少一对上述单环应力框架面对面平行间隔排列，构成双(多)环应力框架；将叶片连接并固定在其轮廓边缘或框架内，组成旋转叶轮。这种叶轮可用作垂直轴风力发电机的风轮。
五、将至少一对环形拱件面对面平行间隔排列，将线性材料连接并拉紧在环形拱件之间、环形拱件与旋转轴之间以及环形拱件自身上，构成具有立体空间的整体应力框架，根据旋转轴的方向和不同的叶片形式，可将叶片安装固定在其轮廓边缘、环形拱件的平面上或框架空间内。
六、在上述环形拱件上安装充气轮胎，以减轻重量并提高强度。
七、将叶片离开旋转轴，分散固定在应力框架上，以增加风轮效率。
八、由于可将叶片整体固定在强度很高的应力框架上，所以使得用轻薄片状材料制作叶片和用柔性材料绷紧在应力框架上作为叶片成为可能。当用柔性材料制作叶片时，叶片的倾斜角度和曲面形状可用拉紧在叶片和应力框架上的线性材料造成，如同绷紧在框架上的织物。其柔性材料可选用轻质高强的纤维织物或涂有涂料的轻质高强的纤维织物。
用柔性材料作为叶片的优点在于：重量轻、强度高、可修补、可调节、制作简单、成本低廉等。
附图说明
附图1描述的是一种传统的垂直轴风叶的支撑结构。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是连杆；4是风叶。
附图2描述的是用双环应力框架作支撑的垂直轴风轮结构。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是辐条；5是环形拱件，它可由型材或桁架制作，并可在上面安装轮胎；；6是叶片，它可安装在环形拱件上，也可安装在环形拱件之间。
附图3是具有立体空间的整体应力框架所构成的垂直轴风轮结构。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是垂直辐条；4是网线；5是环形拱件；6是叶片；7是斜拉辐条。
附图4是附图3的正视图。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是垂直辐条；4是网线；5是环形拱件；6是叶片；7是斜拉辐条。
附图5是单环应力框架在传统的水平轴叶轮上的使用原理图。图中1是旋转轴；2是辐条，它可垂直或斜拉在旋转轴上；3是环形拱件，它可由型材或桁架制作，并可在上面安装轮胎；4是叶片，它可使用传统刚性叶片，也可用轻薄的片状材料制作；它被固定并倚靠在应力框架上。
附图6是单环应力框架在水平轴叶轮上的使用原理图。图中，叶片被分散安装在应力框架上。图中1是旋转轴；2是辐条，它可垂直或斜拉在旋转轴上；3是环形拱件，4是叶片，它可使用传统刚性叶片，也可用轻薄的片状材料制作。
附图7描述的是用环形拱件、单侧和垂直拉紧在旋转轴和环形拱件上的辐条、旋转轴及叶片构成的具有整体应力结构的水平轴叶轮结构。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是垂直辐条；4是斜拉辐条；5是环形拱件；6是叶片。
附图8描述的是用环形拱件、双侧和垂直拉紧在旋转轴和环形拱件上的辐条、旋转轴及叶片构成的具有整体应力结构的水平轴叶轮结构。图中1是支撑轴；2是旋转轴；3是垂直辐条；4是斜拉辐条；5是环形拱件；6是叶片。
具体实施方式
这种固定叶片的应力框架及其柔性叶片，可广泛用于制作各种垂直轴和水平轴风力和水力发电机的叶轮；大型轴流风机的叶轮；直升机的螺旋桨等。

Claims (10)

1、一种固定或支撑叶片的应力框架，其特征是：用环形拱件、旋转轴和拉紧在二者之间的线性材料(称作辐条)组成一种应力框架，将叶片固定在这种应力框架上。
2、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：所述应力框架为单环应力框架，其中的辐条由环形拱件垂直和倾斜拉紧于旋转轴上；倾斜拉紧的方式分为单侧拉紧和双侧拉紧。
3、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：所述应力框架为双(多)环应力框架，将叶片连接并固定在其轮廓边缘或框架内，组成旋转叶轮。
4、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：将至少一对环形拱件面对面平行间隔排列，将线性材料连接并拉紧在环形拱件之间、环形拱件与旋转轴之间以及环形拱件自身上，构成具有立体空间的整体应力框架，根据旋转轴的方向和不同的叶片形式，可将叶片安装固定在其轮廓边缘、环形拱件的平面上或框架空间内。
5、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：在上述环形拱件上安装充气轮胎，以减轻重量并提高强度。
6、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：将叶片离开旋转轴，分散固定在应力框架上，以增加风轮效率。
7、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：用轻薄片状材料制作叶片并固定在所述应力框架上。
8、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：用柔性材料绷紧在所述应力框架上作为叶片，叶片的倾斜角度和曲面形状用拉紧在叶片和应力框架上的线性材料造成。
9、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：将所述应力框架用于固定或支撑各种水平和垂直轴的风力发电机叶轮的叶片。
10、根据权利要求1的固定叶片的应力框架，其特征是：将所述应力框架用于大型轴流风机的叶轮和直升机的螺旋桨。
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