CN201991692U - 翼展式自适应叶片结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种全新的风力发电风机叶片结构，称为翼展式自适应叶片结构。所述翼展式自适应叶片结构包括主轴、支撑杆、叶片支架、辅助支架、叶片组、连接装置、限位杆、配重模块和牵拉装置。在风力和重力的作用下，翼展式自适应叶片结构如同鸟类扇动翅膀一样，能够根据风速，自动调节叶片形状，叶片形状在“展翼-扇翼-展翼-扇翼……”的状态间变换。翼展式自适应叶片结构，在低风速状态下保持较大的受风面积，易于启动；在高风速状态下通过自动变换形态减少叶片风阻，避免转速过高。翼展式自适应叶片结构构思精巧，结构巧妙，安装简单，解决了风电风机功率控制的难题，为进一步降低风力发电门槛，提高风电电力质量做出了创造性地贡献。

Description

翼展式自适应叶片结构

技术领域

本实用新型涉及一种叶片结构，尤其涉及一种适用于风力发电装置风机的叶片结构。

背景技术

面对煤炭及石油等石化燃料日益枯 竭的威胁，风能与太阳能等可再生能源已在全球受到极大的重视。其中，风力发电是新能源中技术最成熟的、最具商业化发展前景的可再生能源之一。全球许多国家 早已认识到风力发电在调整能源结构、舒缓环境污染等方面的重要性，包括德国、丹麦、西班牙、美国等发达国家争相发展风能。而在亚洲，印度、日本，以及中国近年来也大力装设风机，积极提高风力发电占比。根据全球风能协会GWEC 2007年的报告，目前全球风机装置容量前五名的国家包括德国22.3GW、美国16.8GW、西班牙15.1GW、印度7.8GW，以及中国5.9GW。以美国为例，在2007年一年当中便装 设了5,244MW，装置容量成长了45%，是全球新装设风机容量成长最高的国家。美国预计在2008年所有风场将提供四百八十亿度电，约占全美1%的用 电量。GWEC预计在2009年美国将可能取代德国成为全球风力装机容量最多的国家。另一个近期大力发展风力的国家是中国，中国在2007年一年中新增加 约3,304MW的风机容量，较2006年成长了145%，中国再生能源工业协会CREIA预测到2015年总装置容量可达50GW。伴随风力发电占比的提高，中国风能相关产业也快速成长，两大风机制造商Gold Wind与Sinovel目前已能独立提供42%中国的风机架设。根据GWEC的预测，在2012年以前，全球风机装置容量将可达到240GW，约供应 全球电力的3%。

风力发电目前的发展趋势有以下四个主要方向。

·单机容量增大

在过去20年中，涡轮风机的典型装机容量从50kw增加到5MW。随着技术逐渐成熟，多样化的设计概念也逐渐走向统一。由于风力场中所采用的大的风力发电 机比小的更加经济，因而风机的容量不断增加。风力发电机的容量将继续增大。一些制造商已经开发出了6MW级别的涡轮风机。而且，随着风机容量的增大，其中必然要采用一些新的复合材料和新的技术。大型机器更适合滨海风力场，在人口密度较高的国家，随着陆地风力场利用殆尽，滨海风力场在未来的风能开发中将占有 越来越重要的份额。

·风电机桨叶的变化

单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，目前2MW风机叶轮扫风直径已达72m。目前最长的叶片已做到50m。现有的大部分涡轮风机大都具有3个叶片， 只有极少数涡轮风机还是只有2个叶片的类型，而且这种涡轮风机的数量还在进一步减少之中。涡轮风机技术现已是足够成熟，机器的可靠性极高，可利用率通常在 98%~99%之间。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。 早期的一些风机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，但风机的桨叶是运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增加了风机捕捉风能的效率。例如，在美国国家再生能源实验室开发了一种新型叶片，比早期的一些风机桨叶捕捉风能的能力要大 。因此在丹麦、美国、德国等风电技术发达国家，有多专业研究人员都在利用较先进的设备和技术条件致力于新叶型的从理论到应用的开发研究。风电界普遍认为，风电机组的风轮直径或扫风面积比额定容量更能反映风电机组的特性，而风电机组的风轮直径与额定容量并不是一一对应的。

·塔架高度上升

在中、大型风电机的设计中，采用了更高的塔架，以捕获更多的风能。在地处平坦地带的风机，在50m高度捕捉的风能要比30m高处多20%。

·控制技术的发展

尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近几年来发展了一种变速风电机。其取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机轴上，转子的转速随风速而 改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。由于它被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，从而大大地提高了捕捉风能的效率。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风电机要比恒速风电机多 捕获15%的风能。同时，由于机舱质量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风机的支撑结构减轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。

风力发电的最大的痼疾是不稳定, 电网把风电叫做“垃圾电”。风机的启动需要一个启动风速，风速超过某个定值的时候就满发电量了，风速超过最大定值时候就要停机，不然会对机器造成重大破坏。现在的电网还是需要有全天候运转的火电厂作为“基本保障”，它能给用户提供持续的电能，风力发电是难担此重任的。在风力较大、发电量较多的日子，可以把发出的电想象成水，新产生的水源源不断流到用户的池子里，达到平衡。如果一下子水太多，池子装不下，就会溢出来。同样，大风吹来，风力发电机突然发出很多电，超出蓄电池和变电站的容量，就会把机器烧坏。所以，在风力较大的日子里，如果变电站压力过大，电网方面就会通知风力发电站工作人员“限电”。风力发电机接到工作人员的关机指令后，会先靠桨叶的变化减慢转速，然后机械刹车。如果用户消耗电能加大，或者风力减小，电网会通知风力发电站恢复部分发电机运行。 　 　风力发电有时产量不足，有时产量过剩，再加上风力变化很难预测，所以造成产能的很大浪费。解决这个问题的一个方法是发展智能电站。智能电站相当于一个智能水阀系统，依靠电脑实时自动调配各个发电厂发出的电力，让“高水位的水自动流向低水位”。电网现在希望风电厂自身能够解决稳定供电的问题，希望它能够能过储能装置和发电机的配合运用，输出比较稳定的电能，或者通过预测风力大小，给出比较准确的发电曲线图，以便自己能调控分配电量。这两点现在还很难解决。即使有了智能电站，仍然难以避免风力发电有时产量过剩的问题。所以另一个解决途径也值得考虑，那就是储电备用。如果风力发电站离水力发电站较近，可以用风电驱动水泵提水蓄能。还可以给电池充电还可以考虑用电能电解水以生产氢气。 甚至还可以用风电直接淡化海水。目前这些调节技术存在多种问题，并非风力发电中的通用调节手段。

由此可见，风力发电机组必须有一套控制用来限制功率和转速，使风力发电机组在大风或故障过载荷时得到。随着风力发电机组容量增大，相应的安全的费用提高，结构过载的范围也就越小。只有在这些功能的作用下，才能输出良好的电能，如避免功率波动以及产生与电网一致的频率。当风速达到某一值时，风力发电机组达到额定功率。自然风的速度变化常会超过这一风速，在正常运行时，不是限制结构载荷的大小，而是发电机超载后过热的。风力发电机组制造商一般会给出发电机过载的能力。控制允许发电机短时过载，但绝不能长时间或经常过载。由于风速和功率是三次方的关系，当风力发电机组达到额定点以后，必须有相应的功率调节措施，使机组的输出功率不再增加。     尽管风力发电机多种多样，但从旋转轴和叶片结构归纳起来可简单分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。依据风力机叶片运转速度，可分为定速定频发电机系统与变速定频发电机系统，其中定速发电系统较简单，在早期风力发电系统中得到广泛的应用。然而在定速运行中，当风速跃升时，巨大的风能通过叶片传递给机械元件，将产生很大的机械应力，势必需要强度较高的机械零件，因此导致机组零件尺寸较大，重量加大，成本上升，塔架设计难度大。而变速风力机组与定速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于低风速时它能够根据风速变化，保持最佳速度运行以获得最大风能，而在高风速时利用叶片转速的变化，储存或释放部分能量。提高转动系统的柔性，有利于减少机械应力，对零件所需的刚度、强度等指标的要求均可下降，因此在更大容量的风力发电系统中，变速风力发电机组有可能取代定速风力发电机组成为未来的主力机型。特别是一些变速风力发电机组采用了高功率因数的换流器技术，有效地解决了谐波和低功率因数等问题。

无论是水平轴风力发电机还是垂直轴风力发电机，也无论是定速定频发电机还是变速定频发电机，目前主要采用两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节。一种是定桨距失速调节方法；一种是变桨距调节方法。

定桨距失速调节方法主要是通过确定叶片翼型的扭角分布，使风轮功率达到额定点后，减少升力提高阻力来实现的。失速控制是一种很好的功率调节方法，因为它无需任何附加转动部件，叶片刚性固定在轮毂上，因此，其造价比较低。在一般运行情况下，风轮上的动力来源于气流在翼型上流过产生的升力。由于风轮转速恒定，风速增加叶片上的迎角随之增加，直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，这种现象称为失速，就像下图所示的那样。一旦迎角达到失速点，叶素将进入失速区，导致扭矩减小，功率也跟着减小。但由于阻力项的增加，作用在机组上的力是增加的。失速不总是在同一迎角下，而与迎角变化有关（如阵风），是一个动态变化过程。在失速与气流恢复到正常流动之间，有滞后现象存在，造成叶片受力变化很大。

失速型机组对安装角比较敏感，叶片的安装角要尽量达到最佳，以免影响机组额定出力。另外失速型机组受空气密度的影响也比较大，在高海拔地区有可能达不到其额定输出。

失速控制型机组的起动特性比较差，在风轮静止时，出现气流的扰动，那么起动力矩很小，主要是由于在叶片的表面上的流动气流变化而造成的。并网型失速控制机组一般在起动时，发电机作电动机来运行，这时从电网吸收的电能不多，风轮会很快加速到同步转速自动地由电动状态变为发电状态。

失速控制的一个难题是如果风力发电机组脱网，风轮将加速，在这种情况下，迎角将减小，叶片将脱离失速区，导致风轮上的扭矩增加，这将加剧风轮超速的程度，因此，相对变桨距风力发电机组来说，在设计失速型风力发电机组的刹车时，更应注意其安全性。

与变桨距机组相比，当超过额定风速时，迎角进入失速区，气动阻力变得很大，轴向推力随着风速增加而增加；因此，失速型风轮产生的轴向推力，随着风速继续增加时推力会增加，而且当功率恒定或稍微下降时也会这样。这样失速控制型机组的各个部件与变桨距控制机组比所承受的载荷要大。失速控制机组必须有可靠的刹车，以保证风轮能停下来，这样在刹车机构和风轮上的载荷都要比变桨距机组大得多。

功率的变化范围取决于何时开始失速。当气流速度变化越快时，瞬间迎角很大而很快叶片产生失速，部分的短时失速，当功率超过额定值时功率也有相应的变化。叶片失速后，阵风对功率波动影响不大，因为失速时升力变化不大。这一范围内产生的功率波动变化不大，与变桨距机组一样，气流失速就像变桨距机组的功率调节。当风速变化时瞬时功率变化在失速时相对很小，而变桨距机组只有当变距速度很快时才能达到功率变化小的目的。

失速控制型风轮的优缺点如下。

优点：

·叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；

·没有功率调节的维护费；

·在失速后功率的波动相对小。

缺点：

·气动刹车可靠性设计和制造要求高；

·叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；

·由于常需要刹车过程，在叶片和传动中产生很高的机械载荷；

·起动性差；

·机组承受的风载荷大；

·在低空气密度地区难于达到额定功率。

变桨距调节方法主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调节的。变桨距控制多用于大型风力发电机组。变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨调节时叶片迎角可相对气流连续的变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。在90°迎角时是叶片的顺桨位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而限制功率。一般变距范围为90°-100°。从起动角度0°到顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。除此之外，还有一种方式，即主动失速又称负变距，就像失速一样进行调节。负变距范围一般在-5°左右；在额定功率点以前，叶片的桨距角是固定不变的，与定桨距风轮一样；在额定功率以后（即失速点以后），由于叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，适当调整叶片的桨距角，来提高风轮的功率输出。

当达到最佳运行时，一般已达到额定功率，就不再变桨了。70%-80%的运行时间在零至额定功率之间这段范围内桨距处于非最佳状态，这样会产生很大的能量损失，而且确定最佳迎角由测量风速来决定，而风速测量往往不准确，反而产生负作用。由于阵风时，风轮叶片变桨反应滞后会产生能量损失，以至于最佳迎角在部分负载运行时，无法达到稳定的调节。功率调节的好坏，与叶片变距速度有关。叶片变距速度应很快，以产生很小的风轮回转质量惯性力矩，且调节质量保持不变。

变桨距控制型风轮的优缺点如下。

优点：

·起动性好；

·刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；

·额定点以前的功率输出饱满；

·额定点以后的输出功率平滑；

·风轮叶根承受的静、动载荷小。

缺点：

·由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；

·功率调节复杂，费用高。

多年来，风电业界在旋转轴和叶片结构上没有新的构思涌现。未有全新的架构达到或超过目前叶片结构对捕捉风能的效率。特别是没有从叶片结构设计这一角度出发，实现新的功率调节方式。

实用新型内容

为解决风力发电装置风机调节功率的技术问题，本实用新型提供了一种风力发电装置风机的翼展式自适应叶片结构。所述翼展式自适应叶片结构包括至少一根主轴、至少一根支撑杆、至少两根叶片支架、至少两根辅助支架、至少两根限位杆、至少两片配重模块和叶片组。所述叶片组包括至少一片上层叶片和一片下层叶片。所述支撑杆根部与主轴通过连接装置连接，支撑杆绕主轴旋转。所述叶片支架穿过并固定在支撑杆上，叶片通过安装点与叶片支架活动连接，两片叶片沿支撑杆镜像对称。辅助支架穿过并安装在支撑杆的根部和梢部，将叶片支架夹在中间，辅助支架叶片与叶片支架相平行。限位杆穿过并安装在辅助支架和叶片支架上，限位杆与支撑杆平行。所述叶片以安装点为转动轴转动，静止状态下，叶片与叶片支架的最小夹角为5度。叶片表面上紧贴安装有配重模块，叶片装有配重模块的一端到支撑杆垂直距离大于叶片无配重模块一端到支撑杆垂直距离，所述翼展式自适应叶片结构包括一根主轴和四根支撑杆, 四根支撑杆以主轴为中心十字对称排列，每根支撑杆上装有四根叶片支架、两根辅助支架和两根限位杆，从支撑杆根部到梢部，所述支架安装顺序为一根辅助支架四根叶片支架一根辅助支架，两根限位杆分置于支撑杆两侧，叶片支架装有一片上层叶片、一片中层叶片、一片下层叶片，所述上层叶片包括上层叶片A和上层叶片B，上层叶片A和上层叶片B连接部间留有泄流缝，上层叶片A和上层叶片B一端的表面上，分别装有一片配重模块，所述中层叶片包括中层叶片A和中层叶片B，中层叶片A和中层叶片B连接部间留有泄流缝，中层叶片A和中层叶片B一端的表面上，分别装有一片配重模块，所述下层叶片包括下层叶片A和下层叶片B,下层叶片A和下层叶片B连接部间留有泄流缝, 下层叶片A和下层叶片B一端的表面上，分别装有一片配重模块，叶片装有配重模块的一端到支撑杆垂直距离大于叶片无配重模块一端到支撑杆垂直距离，所述叶片为长方形或方形或梯形片状结构，或者为长方形或方形或梯形空心片状结构，或者为叶根到叶尖逐渐变窄或变宽的实心或空心结构,所述叶片外缘呈流线型。

在无风环境中，受重力影响，上层叶片装有配重模块一端的力矩大于上层叶片无配重模块一端的力矩，上层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，上层叶片装有配重模块一端下沉，与此同时上层叶片无配重模块一端上升，直到上层叶片装有配重模块的一端顶住限位杆而停止转动为止。此时，上层叶片保持张开状态，上层叶片与叶片支架的最小夹角为5度。

在无风环境中，受重力影响，下层叶片装有配重模块一端的力矩小于下层叶片无配重模块一端的力矩，下层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，下层叶片装有配重模块一端上升，与此同时下层叶片无配重模块一端下降，直到下层叶片装有配重模块的一端顶住限位杆而停止转动为止。此时，下层叶片保持张开状态，下层叶片与叶片支架的最小夹角为5度。

此时，上层叶片装有配重模块的一端与下层叶片装有配重模块的一端相对，叶片维持张开状态，形状酷似鸟类舒展开翅膀的样子。此时，受风面积达到最大，能最大限度地捕捉风能，提升转速。

当气流吹向所述翼展式自适应叶片结构时，因为叶片和叶片支架间存在夹角，形成了一个漏斗状的结构，气流沿着叶片表面从没有配重模块的一端向有配重模块的一端流动。如果把处于完全张开状态的叶片视为一个整体，气流从没有配重模块的上下两端向有配重模块的中间部分运动。气流越到靠近配重模块的一端，就越湍急，风压越来越大。当风速超过一个阈值时，气流施加在上层叶片装有配重模块一端的力矩加上上层叶片无配重模块一端的力矩，开始超过配重模块重力施加的力矩，上层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，上层叶片装有配重模块一端上升，与此同时上层叶片无配重模块一端下降，直到上层叶片在风力作用下达到动平衡为止。此时，上层叶片与叶片支架间所能达到的最大夹角为120度。

同样，当风速超过一个阈值时，气流施加在下层叶片装有配重模块一端的的力矩加上配重模块重力施加的力矩，开始超过下层叶片无配重模块一端施加的力矩，下层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，下层叶片装有配重模块一端下降，与此同时下层叶片无配重模块一端上升，直到下层叶片在风力作用下达到动平衡为止。此时，下层叶片与叶片支架间所能达到的最大夹角为120度。

此时，叶片形状类似鸟类扇动翅膀的样子。此时，气流从上层叶片和下层叶片中间的通道通过，受风面积降到最小，减少了风阻，避免风机转速过高。

当支撑杆转过迎风面，气流对叶片的影响减小时，受重力影响，上层叶片装有配重模块一端的力矩大于上层叶片无配重模块一端的力矩，上层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，上层叶片装有配重模块一端下沉，与此同时上层叶片无配重模块一端上升，直到上层叶片装有配重模块的一端顶住限位杆而停止转动或者在与叶片支架夹锐角的位置达到动平衡为止。此时，上层叶片保持张开状态。同样，受重力影响，下层叶片装有配重模块一端的力矩小于下层叶片无配重模块一端的力矩，下层叶片以安装点为转动轴围绕安装点转动，下层叶片装有配重模块一端上升，与此同时下层叶片无配重模块一端下降，直到下层叶片装有配重模块的一端顶住限位杆而停止转动或者在与叶片支架夹锐角的位置达到动平衡为止。此时，下层叶片保持张开状态。叶片维持张开状态时，形状酷似鸟类舒展开翅膀的样子。此时，受风面积变大，叶片又能开始捕捉风能。

在气流和自身重力的作用下，上层叶片和下层叶片循环往复，叶片根据风速自动调节叶片姿态,整体状态在“展翼-扇翼-展翼-扇翼……”的状态间变换。实验表明，灵活的全动设计，翼展式自适应叶片结构能迅速响应风力变化，主轴转速的波动范围远小于传统结构的风机，并且转速能在大部分时段保持在一个很窄的转速范围内，易于控制风机的输出功率。与目前大型风机普遍使用的复杂昂贵的变桨距系统相比，反应速度远超变桨距系统，构造复杂度大大降低，价格也更为低廉。同时，翼展式自适应叶片结构简化了对齿轮变速箱之类的机械传动装置、逆变器之类“机械能-电能”转换装置的设计，降低了风力发电装备整体的复杂度和制造成本。

所述翼展式自适应叶片结构，在风从水平面任一方向吹来，都可以被叶片捕获。与水平轴风力发电机相比，提高了捕捉风能的效率，省略了复杂的尾舵或者“风向传感元件+伺服电机”形式的对风装置，大大降低了风机系统的成本。与垂直轴风力发电机相比，使用了翼展式自适应叶片的风力发电机可以做到的输出功率远超垂直轴风力发电机，具有垂直轴风力发电机不可比拟的优势。

该翼展式自适应叶片结构简单，组装方便，结构新颖，完全可以替代现有风机叶片结构。解决了风电风机功率控制的难题，为进一步降低风力发电门槛，提高风电电力质量作出了创造性地贡献。并且，本实用新型的启动风力仅为三级，使以往不能使用风电的地区也能用上风电。

本实用新型的一种改进形式。翼展式自适应叶片结构设计为，包括一根主轴、三根支撑杆、十二根叶片支架、六根辅助支架、六根限位杆、六片配重模块、三片上层叶片、三片下层叶片。增加一根支撑杆后，增加了一片上层叶片和一片下层叶片，提高了叶片对风能的利用率，符合当今风机风轮三叶片的发展趋势。辅助支架在支撑杆的根部和梢部，将支撑杆和限位杆固定为一个整体框架结构，提高了翼展式自适应叶片结构的强度和稳定性，避免因为叶片支架扭动形变，将力传导至安装点引发叶片形变，影响叶片的正常开阖。

本实用新型的一种改进形式。支撑杆和主轴之间，通过连接装置连接。连接装置包括穿在主轴上的轴承、轴承伸出端和销轴。支撑杆根部为空心管，支撑杆根部连接轴承伸出端，销轴穿过支撑杆根部与轴承伸出端的结合部将两者固定在一起。轴承伸出端与轴承之间为固定或活动连接，轴承伸出端、支撑杆与主轴夹角在3度到175度之间。当轴承伸出端与轴承之间为活动连接时，支撑杆可以如同伞骨一样在主轴上开阖，调整受风面积，是一种全新的功率调节方式。

本实用新型的一种改进形式。支撑杆根部采用螺纹件预埋式结构。直接将经过特殊表面处理的螺纹件预埋在支撑杆中。经过国外的试验机构试验证明，这种结构形式联接最为可靠，惟一缺点是每个螺纹件的定位必须准确。

本实用新型的一种改进形式。翼展式自适应叶片结构包括牵拉装置，牵拉装置一端连接主轴顶部，牵拉装置另一端连接支撑杆梢部，牵拉装置带有张紧调节装置。牵拉装置和张紧调节装置，一方面实现了在当轴承伸出端与轴承之间为活动连接时，支撑杆自由调整其与主轴夹角的功能。另一方面，牵拉装置减轻了连接装置和支撑杆根部的受力，将支撑杆的重量部分转嫁到主轴上，提高了翼展式自适应叶片结构整体强度和抗强风能力。

本实用新型的一种改进形式。将所述叶片分为叶片A和叶片B，水平拼接在一起，叶片A 和叶片B中间留有泄流缝。气流从泄流缝中流出，减轻叶片承受的风压，提高叶片抗强风的能力，并有效降低叶片制造难度及制造成本。

附图说明

图1为翼展式自适应叶片结构正视图；

图2为翼展式自适应叶片结构另一角度视图；

图3为叶片处于折叠状态的翼展式自适应叶片结构；

图4为连接装置视图。

图中各元件的标记为：

1、主轴；

2、支撑杆；

3、叶片支架；

3-1、安装点；

4、辅助支架；

5-1、叶片；

5-2、上层叶片；

5-2-1、上层叶片A；

5-2-2、上层叶片B；

5-3、中层叶片；

5-3-1、中层叶片A;

5-3-2、中层叶片B;

5-4、下层叶片；

5-4-1、下层叶片A;

5-4-2、下层叶片B;

6-1、轴承；

6-2、轴承伸出端；

6-3、销轴；

7、限位杆；

8、配重模块；

9、牵拉装置；

9-1、张紧调节装置；

10、泄流缝。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、结构特征、实现的技术目的和技术效果，以下结合附图和实施方式进行详细说明。

实施例1：包括一根主轴1、一根支撑杆2、两根叶片支架3、两根辅助支架4、两根限位杆7、两片配重模块8和叶片组5。所述叶片组一片上层叶片5-2和一片下层叶片5-4。支撑杆2通过连接装置6和主轴1相连。支撑杆2从根部到梢部，依次安装有一根辅助支架4、两根叶片支架3、一根辅助支架4。叶片支架3和辅助支架4中，任意两个支架相互平行。限位杆7穿过所有的叶片支架3和辅助支架4，并和支撑杆2平行。其中一根限位杆7在支撑杆2上方，配合上层叶片5-2工作；另一根限位杆7在支撑杆2下方，配合下层叶片5-4工作。所述叶片5-1以叶片支架3上的安装点3-1为转动轴转动，且配重模块8。

无风静止状态下，受重力影响，上层叶片5-2装有配重模块8一端的力矩大于上层叶片5-2无配重模块8一端的力矩，上层叶片5-2以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，上层叶片5-2装有配重模块8一端下沉，与此同时上层叶片5-2无配重模块8一端上升，直到上层叶片5-2装有配重模块8的一端顶住限位杆7而停止转动为止。此时，上层叶片5-2保持张开状态，上层叶片5-2与叶片支架3的最小夹角为5度。

无风静止状态下，受重力影响，下层叶片5-4装有配重模块8一端的力矩小于下层叶片5-4无配重模块一端8的力矩，下层叶片5-4以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，下层叶片5-4装有配重模块8一端上升，与此同时下层叶片5-4无配重模块8一端下降，直到下层叶片5-4装有配重模块8的一端顶住限位杆7而停止转动为止。此时，下层叶片5-4保持张开状态，下层叶片5-4与叶片支架3的最小夹角为5度。

有风环境中，因为叶片5-1和叶片支架3间存在夹角，形成了一个漏斗状的结构，气流沿着叶片表面从没有配重模块8的一端向有配重模块8的一端流动。气流越到靠近配重模块8的一端，风压就越来越大。当风速超过一个阈值时，气流施加在上层叶片5-2装有配重模块8一端的力矩加上上层叶片5-2无配重模块8一端的力矩，开始超过配重模块8重力施加的力矩，上层叶片5-2开始以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，上层叶片5-2装有配重模块8一端上升，与此同时上层叶片5-2无配重模块8一端下降，直到上层叶片5-2在风力作用下达到动平衡为止。此时，上层叶片5-2与叶片支架3间所能达到的最大夹角为120度。

同样，当风速超过一个阈值时，气流施加在下层叶片5-4装有配重模块8一端的力矩加上配重模块8重力施加的力矩，开始超过下层叶片5-4无配重模块8一端施加的力矩，下层叶片5-4开始以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，下层叶片5-4装有配重模块8一端下降，与此同时下层叶片5-4无配重模块8一端上升，直到下层叶片5-4在风力作用下达到动平衡为止。此时，下层叶片5-4与叶片支架3间所能达到的最大夹角为120度。

当上层叶片5-2、下层叶片5-4与叶片支架3间夹角达到最大时，气流从上层叶片5-2和下层叶片5-4中间的通道通过，受风面积降到最小，减少了风阻。

受风力推动，支撑杆2转过迎风面，气流对叶片5-1的影响减小，受重力影响，上层叶片5-2装有配重模块8一端的力矩大于上层叶片5-2无配重模块8一端的力矩。上层叶片5-2以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，上层叶片5-2装有配重模块8一端下沉，与此同时上层叶片5-2无配重模块8一端上升，直到上层叶片5-2装有配重模块8的一端顶住限位杆7而停止转动为止，或者上层叶片5-2在与叶片支架夹锐角的位置达到风力和重力平衡为止。此时，上层叶片5-2保持张开状态。同样，受重力影响，下层叶片5-4装有配重模块8一端的力矩小于下层叶片5-4无配重模块8一端的力矩，下层叶片5-4以安装点3-1为转动轴围绕安装点3-1转动，下层叶片5-4装有配重模块8一端上升，与此同时下层叶片5-4无配重模块8一端下降，直到下层叶片5-4装有配重模块8的一端顶住限位杆7而停止转动为止，或者在与叶片支架夹锐角的位置达到风力和重力平衡为止。此时，下层叶片5-4保持张开状态。

当支撑杆再度转到迎风面时，上层叶片5-2与下层叶片5-4处于张开状态，又可以采集风能，再度进入受风加速状态。

此为最简单的原型机，已能根据受风状况，自动完成上层叶片5-2和下层叶片5-4的开阖动作。形成“叶片张开状态→受风面积最大→叶片绕安装点转动→叶片转动到最大角度→受风面积最小→叶片绕安装点转动→叶片转动到最小角度→叶片张开状态”循环。达到在不同风速下，转速保持稳定，易于实现功率控制的技术效果。

实施例2：在实施例1的基础上，进行进一步的改进。将支撑杆2从一根增加到三根，三根支撑杆2在同一平面上，相邻支撑杆2之间夹角为120度。每根支撑杆上装有四根叶片支架3、两根辅助支架4、两根限位杆7。支撑杆2根部到梢部，依次安装有一根辅助支架4、四根叶片支架3、一根辅助支架4。两根限位杆7分别穿过上述所有的叶片支架3和辅助支架4，且两根限位杆7分别位于支撑杆2上下两端。在同一支撑杆2上的叶片支架3的安装点3-1上，安有一片上层叶片5-2、一片中层叶片5-3、一片下层叶片5-4。上层叶片5-2分为上层叶片A5-2-1和上层叶片B5-2-2，上层叶片A5-2-1与上层叶片B5-2-2相连且两者中间留有泄流缝10。中层叶片5-3分为中层叶片5-3-1和中层叶片B5-3-2，中层叶片A5-3-1与中层叶片B5-3-2相连且两者中间留有泄流缝10。下层叶片5-4分为下层叶片A5-4-1和下层叶片B5-4-2相连且两者中间留有泄流缝10。中层叶片5-3在静止无风状态下的姿态，在受风状态下的运动模式，与下层叶片5-4相同。

所述技术方案，采用了现今风机流行的三叶片方案。在风机的造价合理、风能的采集效率较高，风机的制造难度较小，在三者之间，达到了最佳的平衡点。多出的中层叶片5-3填补了上层叶片5-2和下层叶片5-4之间，在无风静止状态下的缝隙，更有利于快速启动，尽快加速到最佳转速。

实施例3：在实施例2的基础上，进行进一步改进。将支撑杆2从三根增加到四根，或者五根，或者六根。每根支撑杆2上的叶片支架3、辅助支架4、限位杆7、中层叶片5-3、上层叶片5-2、下层叶片5-4的数量和排布方式上，与实施2相同。本技术方案更加适用于风速较低的风场，三级风即可启动，甚至能在都市楼宇顶部架设。

实施例4：在实施例1或2或3的基础上，进行技术改进。长方形、方形、梯形片状结构或空心片状结构，或者为叶根到叶尖逐渐变窄或变宽的实心或空心结构。根据不同风场的风力数据模型，采用不同的叶片结构，实现高效采集风力，降低叶片损耗。

实施例5：在实施例1或2或3或4的基础上，进行技术改进。改主轴1垂直通常的垂直安装模式为倾斜安装在支撑座上。这种技术方案适用于特殊结构的风场，在普通主轴垂直安装但无法取得良好效果的位置使用，能获得更加良好的效果。

实施例6：在实施例1或2或3或4的基础上，进行技术改进。牵拉装置9为索状或杆状结构，提供刚性不同的结构以适应不同的风场。

实施例7：对实施例1至6中进行技术改进。目前的叶片一般由有如下材质构成。

木/竹制叶片及布蒙皮叶片。近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。    钢梁玻璃纤维蒙皮。叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。    铝合金等弦长挤压成型叶片。用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。

玻璃钢叶片。所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤 维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆 和涂覆加以改进。现已有开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。

玻璃钢复合叶片。20世纪末，世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片，基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。风力发电转子 叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。美国的研究表 明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低能实际上导致损害的纤维间微振磨损。现有以玻璃钢为主，在横梁和叶片端部只少量选用碳纤维的61m大型叶片，以发展5MW的风力机。     碳纤维复合叶片。随着发电单机功率的增大，要求叶片长度不断增加，其在风力发电上的应用也将会不断扩大。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。研究表明，碳纤维 (carbon fiber，简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵， 影响了它在风力发电上的大范围应用。

目前一般较小型的叶片(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料GFRP，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而较大型的叶片(如42m以上)一般采用碳纤维复合材料CFRP或碳纤维CF与玻璃纤维GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。本实用新型的主体结构材质，都可以采用上述材料，根据客户的需求，制作出性能价格比最为合适的产品。在未来，可以应用碳纳米材料作为叶片材料。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型保护范围的限定，只要是采用本实用新型的技术方案，或者仅仅是通过本领域的普通技术人员都能做出的任何常规修改或等同变化，都落入本实用新型所要求保护的范围之中。

Claims (6)

1.一种翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述翼展式自适应叶片结构包括至少一根主轴（1）、至少一根支撑杆（2）、至少两根叶片支架（3）和一组叶片组（5），所述叶片组（5）包括至少两片叶片（5-1），所述支撑杆（2）根部与主轴（1）通过连接装置（6）连接，支撑杆（2）绕主轴（1）旋转，叶片支架（3）穿过并固定在支撑杆（2）上，叶片（5-1）通过安装点（3-1）与叶片支架（3）活动连接，叶片（5-1）以安装点（3-1）为转动轴转动，叶片（5-1）与叶片支架（3）的夹角在5度到120度之间变动，即在静止状态下叶片（5-1）与叶片支架（3）的最小夹角为5度，运动状态下叶片（5-1）与叶片支架（3）的最大夹角为120度。

2.如权利要求1所述的翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述翼展式自适应叶片结构还包括至少两根辅助支架（4）、至少两根限位杆（7）、至少两片配重模块（8），辅助支架（4）穿过并安装在支撑杆（2）的根部或者梢部，辅助支架（4）与叶片支架（3）相平行，限位杆（7）穿过并安装在辅助支架（4）和叶片支架（3）上，限位杆（7）与支撑杆（2）平行，配重模块（8）紧贴安装在叶片（5-1）一端的表面上。

3.如权利要求1或2所述的翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述连接装置（6）包括穿在主轴（2）上的轴承（6-1）、轴承伸出端（6-2）和销轴（6-3），支撑杆（2）根部为空心管，支撑杆（2）根部连接轴承伸出端（6-2），销轴（6-3）穿过支撑杆（2）根部与轴承伸出端（6-2）的结合部将两者固定在一起，轴承伸出端（6-2）与轴承（6-1）之间为固定或活动连接，轴承伸出端（6-2）、支撑杆（2）与主轴（1）夹角在3度到175度之间，所述翼展式自适应叶片结构还包括牵拉装置（9），牵拉装置（9）一端连接主轴顶部，牵拉装置（9）另一端连接支撑杆（2）梢部，牵拉装置（9）带有张紧调节装置（9-1）。

4.如权利要求3所述的翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述翼展式自适应叶片结构包括一根主轴（1）和四根支撑杆（2）, 四根支撑杆（2）以主轴（1）为中心十字对称排列，每根支撑杆（2）上装有四根叶片支架（3）、两根辅助支架（4）和两根限位杆（7），从支撑杆（2）根部到梢部，所述支架安装顺序为“一根辅助支架（4）-四根叶片支架（3）-一根辅助支架（4）”，两根限位杆（7）分置于支撑杆（2）两侧，叶片支架（3）装有一片上层叶片（5-2）、一片中层叶片（5-3）、一片下层叶片（5-4），

所述上层叶片（5-2）包括上层叶片A（5-2-1）和上层叶片B（5-2-2），上层叶片A（5-2-1）和上层叶片B（5-2-2）连接部间留有泄流缝（10），上层叶片A（5-2-1）和上层叶片B（5-2-2）一端的表面上，分别装有一片配重模块（8）,

所述中层叶片（5-3）包括中层叶片A（5-3-1）和中层叶片B（5-3-2），中层叶片A（5-3-1）和中层叶片B（5-3-2）连接部间留有泄流缝（10），中层叶片A（5-3-1）和中层叶片B（5-3-2）一端的表面上，分别装有一片配重模块（8）,

所述下层叶片（5-4）包括下层叶片A（5-4-1）和下层叶片B（5-4-2）,下层叶片A（5-4-1）和下层叶片B（5-4-2）连接部间留有泄流缝（10）, 下层叶片A（5-4-1）和下层叶片B（5-4-2）一端的表面上，分别装有一片配重模块（8），

叶片（5-1）装有配重模块（8）的一端到支撑杆垂直距离大于叶片（5-1）无配重模块（8）一端到支撑杆垂直距离。

5.如权利要求1或2或4所述的翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述叶片（5-1）为长方形或方形或梯形片状结构，或者为长方形或方形或梯形空心片状结构，或者为叶根到叶尖逐渐变窄或变宽的实心或空心结构,所述叶片（5-1）外缘呈流线型。

6.如权利要求1或2或4所述的翼展式自适应叶片结构，其特征在于：所述主轴（1）垂直或倾斜安装在支撑座上。

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