CN202194772U - 水平轴渐开线螺旋面叶片 - Google Patents

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Abstract

本实用新型为水平轴渐开线螺旋面叶片，可提高风电领域风能利用率，主要由风切入边、风切出边、叶片受风面、叶片背风面、渐开线外边线、搂风片、叶片安装轴套、加强筋组成，风切入边叶片实体为流线形，风切出边叶片实体为薄尾翼形，叶片受风面为螺旋面，背风面为光滑曲面，渐开线外边线在背风面上做有连体搂风片，加强筋将上述结构连为整体，叶片安装轴套以螺栓将加强筋内预埋之特形螺母固连为一体组装成叶片，其特点是：螺旋受风面面积大；尾流风速为“零”，只有离心风速为V离心＝V1/4；搂风片搂风加速流线形受风面与背风面之压力差增大叶片升力，增大风轮扭矩。本实用新型叶片可使Cp值趋近0.593，较大提高风能利用率，增大风力机发电量，提高经济效益。

Description

水平轴渐开线螺旋面叶片
一、所属技术领域
本实用新型属于风力发电领域，尤其涉及一种水平轴渐开线螺旋面叶片。
二、背景技术
现行的水平轴风力发电机均采用三叶片风轮，贝兹(Betz)理论——“理想风轮”圆盘为设计理论，实际上该“理想风轮”圆盘是一个有“三个大扇形漏风洞”的假想圆盘，存在如下缺陷：①风轮直径越大，转速越慢，漏走的风能越多；②风速越高，漏走的风能也越多，风能利用系数Cp值越低，③叶片受风面面积占扫风面面积之比太小，按贝兹理论计算风能利用系数极大值Cp＝0.593，实际相差很大，如M5/5000KW型风力发电机，直径D＝126米，风轮扫风面积为12462m2，风轮转速为6.9转/分～12.1转/分，而三只叶片的总受风面积为549m2，只占扫风面积的4.4％，95.6％的风未能与叶片接触就从三个大扇形面积刮跑了，其Cp＝0.302，又如S77/1500KW型风力发电机，风轮转速为9.9转/分～17.3转/分，风速9m/s时，设计风能利用系数Cp＝0.41，而核算风速13m/s时，Cp＝0.242，实际Cp值与设计Cp值相差太大，风速18m/s时，风能利用系数低至Cp＝0.09，风速越高风能利用系数越低，[见风能与风力发电技术——刘万琨等编著，表4-7、表6-1、4-9]漏走的风能越多，59％～91％的风能从“三个大扇形漏风洞”漏走了。贝兹“理想风轮”圆盘之风能利用系数Cp达到极大值Cp＝0.593时，尾流V2＝V1/3[V1——风轮前风速，V2——流，风轮后风速]，而当风速V1为12m/s至15m/s时，Cp＝0.3降至Cp＝0.16[见表4-9]尾流V2≌V1/2，即尾流中还存有很大部分风能。按贝兹理论计算的风能利用系数极大值Cp＝0.593，三叶式风力机完全不可能达到，必须发明新的叶片风轮才能使Cp值趋近0.593。
三、发明内容
为了克服现行的三叶式风力机“三个大扇形漏风洞”漏走大量风能的缺陷，加大叶片受风面积占叶片扫风面积的比例，克服风速越高风能利用系数Cp值越低的缺陷；提高风能利用率，使风能利用数Cp值趋近于极大值Cp＝0.593。本实用新型提供一种“水平轴渐开线螺旋面叶片”，该叶片可组成“理想风轮”圆盘。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是：以结构完相同的叶片(1)、叶片(2)相对(180°)安装在风力机主轴上，组成风轮。水平轴渐开线螺旋面叶片(1)，主要由风切入边(10)、风切出边(5)、叶片受风面(15)、叶片背风面(13)、渐开线外边线(7)、搂风片(14)、叶片安装轴套(3)、加强筋(8)组成，叶片的受风面(15)是具有螺旋升角(αS)和半螺距(T/2)的螺旋面[T为螺距]；叶片的渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，自叶尖(9)为起点之(y1°)角角内，叶片背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)；风切入边(10)之叶片实体为流线形；风切出边(5)之叶片实体为薄尾翼形；叶片受风面(15)及叶片背风面(13)连接流线形与薄尾翼形；加强筋(8)将上述结构固连为刚性整体；紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与加强筋(8)内预埋之特型螺母(29)固连；二叶片(1)之风切入边(10)及风切出边(5)相对(180°)、其在叶片转动平面(27)之投影相贴合，安装在风力机主轴上组成风轮。风轮旋转方向(n)为顺时针方向。搂风片(14)之搂风斜弧面将风搂向流线形，从而加速了背风面(13)之风速，使受风面(15)与背风面(13)之风压差增大而增加叶片升力，增大风轮扭矩。风切入边(10)为叶片之长直边，其叶片实体部分为流线形，叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成角(αS1)＞(αS2)(＞αS3)，风切出边(5)为叶片之短直边，其叶片实体部分为薄尾翼形；叶片受风面(15)是螺旋面，其连接流线形与薄尾翼形，形成光滑曲面，其叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成螺旋升角(αS)；其法向剖面中心线与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure BSA00000556295200021
叶片受风面(15)自中心角(x°)处开始逐渐减少螺旋升角(αS)，至风切出边(5)保持(αS-t°)，薄尾翼形向叶片受风面(15)形成光滑的跷曲弧面；叶片背风面(13)为连接流线形与薄尾翼形之过渡光滑曲面；渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，其连接风切入边(10)之叶尖(9)与风切出边(5)之叶尖(6)，其实体部分为三段，自叶尖(9)为起点之(y1°)角段为流线形，(y2°)角段为过渡段，其余段为薄尾翼形，过渡段将流线形与薄尾翼形以曲面光滑相连；以风切入边(10)之叶尖(9)为起点，在(y1°)角内之背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)，搂风片(14)之横截面垂直于叶片转动平面(27)；叶片安装轴套(3)之半外圆柱面与基圆(4)同心，与叶片受风面(15)相贯，相贯线(21)，与叶片背风面(13)相贯，相贯线(26)，风切入边(10)和风切出边(5)与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面中心线共面相交，交角为(α1)，并与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面相交于相贯线(21)之上端点(16)和下端点(22)；加强筋(81)、(82)、(83)、(84)、(85)、(86)、(87)将叶片受风面(15)及叶片背风面(13)和渐开线外边线(7)固连为一体，加强筋(81)～(87)之中心线(11’)与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure BSA00000556295200023
并以叶片安装轴套(3)之半外圆柱面为起点，向渐开线外边线(7)辐射，紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与预埋在加强筋(81)～(87)内的特形螺母(29)固连接为一体，形成整体受力结构；叶片(1)与叶片(2)以安装轴套(3)内孔定位，以叶片安装螺栓(23)安装在风力机主轴(24)上，并以压盖(20)、压盖螺母(19)将叶片(1)及叶片(2)之叶片安装轴套端面压紧，以端面螺栓(25)、压盖螺栓(17)作二次保险安装，风罩(18)以螺栓(12)安装在压盖(20)上。对于小型风力机，主轴伸长允许的情况下，风切入边(10)可为叶片之短直边，其叶片实体部分为流线形；风切出边(5)可为叶片之长直边，其叶片实体部分为薄尾翼形。对于大型风力机，造价很贵，提高风能利用率Cp值非常有实用价值。在叶片(1)及叶片(2)之叶片安装轴套之内孔轴线中心处连结一转轴(30)该转轴(30)安装在风力机轮毂(32)之凸台(31)内孔中，实现叶片(1)、叶片(2)之功率调节及暴风时顺桨动作，并以轮毂螺栓(33)将轮毂(32)安装到风力机主轴上。
本实用新型的有益效果是：(一)本实用新型叶片受风面面积占叶片扫风面面积的20％～30％，由叶片(1)、叶片(2)组成的风轮无漏风洞，风轮后尾流风速为“零”，只有叶尖离心风速，V离心＝V1/4，说明大部分风能传递给了叶片，根据实验初型叶片风轮实测扭矩M和转速n值，根据[风能与风力发电技术——刘万琨等编著第76页(4-25)公式Cp＝2Mω/ρAVw 3，ω＝πn/30][式中：M-扭矩，ω-角速度，ρ-空气密度，1.21kg/m3，A-叶片扫风面积，VW-风速]求得Cp＝0.46～0.48；(二)与现行的小型风力机风能利用系数[164页表6-5]辽宁“天峰绿色能源公司风力机参数：100W机Cp＝0.127；200W机Cp＝0.206，300W机Cp＝0.233”相比较，本实用新型Cp值分别为其3.6倍、2.2倍、1.97倍。(三)由于本实用新型风轮尾流风速为“零”，V2＝0，V离心＝V1/4，将会克服现行风力机风速越高，风能利用系数Cp值越低的缺陷[见132页表4-9、161页6-1]，叶片结构有如下特点：①叶片(1)、叶片(2)的受风面是螺旋面，而螺旋面展开的实质就是斜面，因此，风在螺旋面上产生推力效率高；②风切入边(10)之叶片实体为流线形，产生升力，增大扭矩；③沿叶片的渐开线外边线(7)之叶片背风面(13)做有连体搂风片(14)，风轮转向(n)为顺时针方向，搂风片(14)将风搂向流线形，增大了背风面风速，从而增大了受风面(15)与背风面(13)之风压力差，增大了升力，更增大了风轮扭矩；因风速越高，输入风轮的能量越多E*m＝ρAVw 3/2[73页4-9]可提取的能量E*＝Cp×ρAVw 3/2，可获取的风能与风速Vw 3成正比，而V2＝0，只刮跑V离心＝V1/4。因此本实用新型“水平轴渐开线螺旋面叶片风轮”风速越高，风能利用系数越高，可使Cp值趋近于极大值Cp＝0.593，风力发电机可大力提高风力发电量。
四、附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型水平轴渐开线螺旋面叶片主视图，图中叶片(1)叶片(2)组成风轮。
图2是本实用新型水平轴渐开线螺旋面叶片俯视图。
图3是本实用新型水平轴渐开线螺旋面叶片左侧视图。
图4是图1中A-A剖面图。
图4’是图1中L-L剖面图。
图5是图1中J1-Q剖面图。
图6是图1中J2-Q剖面图。
图7是图1中J3-Q剖面图。
图8是图1中J4-Q剖面图。
图9是图1中J5-Q剖面图。
图10是图1中J6-Q剖面图。
图11是图1中J7-Q剖面图。
图12是图1中N-N剖面图。
图13是图1中R-R剖面图。
图14是图1中B-B剖面放大图。
图15是图1中C-C剖面放大图。
图16是图1中D-D剖面放大图。
图17是图14中E-E剖面放大图。
图18是图15中F-F剖面放大图。
图19是图1中G-G局部剖面图。
图20是图1中H-H局部剖面图。
图21是图1中K-K局部剖面图。
图22是本实用新型水平轴渐开线螺旋面叶片安装到大型风力机轮毂示意图主视图。
图23是本实用新型水平轴渐开线螺旋面叶片安装到大型风力机轮毂示意图左侧视图。
图中：1、叶片，2、叶片，3、叶片安装轴套，4、渐开线基圆，5、风切出边，6、风切出边叶尖，7、渐开线外边线，81～87、加强筋，9、风切入边叶尖，10、风切入边，11、紧固螺栓，12、风罩螺栓，13、叶片背风面，14、搂风片，15、叶片受风面，16、相贯线上端点，17、压盖螺栓，18、风罩，19、压盖螺母，20、压盖，21、相贯线，22、相贯线下端点，23、叶片安装孔，24、风力机主轴，25、端面螺栓，26、相贯线，27、叶片转动平面，28、叶片叶形线，29、特形螺母，30、转轴，31、凸台，32、风力机轮毂，33、轮毂螺栓。
五、具体实施方式：
图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图19、图20、图21中，叶片(2)以双点划线表示，为与叶片(1)结构完全相同的叶片相对180°安装在风力机主轴上，组成风轮。(Vw)为风向，(n)为风轮转向。叶片(1)之风切入边(10)为叶片之长直边，其叶片实体部分为流线形，叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成角(αS1)＞(αS2)＞(αS3)；风切出边(5)为叶片之短直边，其叶片实体部分为薄尾翼形；叶片受风面(15)是螺旋面，其连接流线形与薄尾翼形，形成光滑曲面，其叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成螺旋升角(αS)；其法向剖面中心线(11’)与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure BSA00000556295200051
Figure BSA00000556295200052
叶片受风面(15)自中心角(x°)处开始逐渐减少螺旋升角(αS)，至风切出边(5)保持(αS-t°)，薄尾翼形向叶片受风面(15)形成光滑的跷曲弧面；叶片背风面(13)为连接流线形与薄尾翼形之过渡光滑曲面；渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，其连接风切入边(10)之叶尖(9)与风切出边(5)之叶尖(6)，其实体部分为三段，自叶尖(9)为起点之(y1°)角段为流线形，(y2°)角段为过渡段，其余段为薄尾翼形，过渡段将流线形与薄尾翼形以曲面光滑相连；以风切入边(10)之叶尖(9)为起点，在(y1°)角内之背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)，搂风片(14)之横截面垂直于叶片转动平面(27)；叶片安装轴套(3)之半外圆柱面与基圆(4)同心，与叶片受风面(15)相贯，相贯线(21)，与叶片背风面(13)相贯，相贯线(26)，风切入边(10)和风切出边(5)与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面中心线共面相交，交角为(α1)，并与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面相交于相贯线(21)之上端点(16)和下端点(22)；加强筋(81)、(82)、(83)、(84)、(85)、(86)、(87)将叶片受风面(15)及叶片背风面(13)和渐开线外边线(7)固连为一体，加强筋(81)～(87)之中心线(11’)与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure BSA00000556295200053
并以叶片安装轴套(3)之半外圆柱面为起点，向渐开线外边线(7)辐射，以紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与预埋在加强筋(81)～(87)内的特形螺母(29)固连接为一体，形成整体受力结构；叶片安装轴套(3)做有安装孔(23)，以其半圆柱内孔定位，以螺栓将叶片安装在风力机主轴(24)上。以压盖(20)、压盖螺母(19)压紧，并以螺栓(17)、螺栓(25)与安装轴套(3)两端螺孔固连作保险安装。叶片的受风面(15)是具有螺旋升角(αS)和半螺距(T/2)的光滑螺旋面[T为螺距]；叶片的渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，自叶尖(9)为起点之(y1°)角内，叶片背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)；风切入边(10)之叶片实体为流线形；风切出边(5)之叶片实体为薄尾翼形；叶片受风面(15)及叶片背风面(13)连接流线形与薄尾翼形；加强筋(81)～(87)将上述结构固连为刚性整体；以紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与加强筋(81)～(87)内预埋之特形螺母(29)固连；二叶片(1)之风切入边(10)及风切出边(5)相对180°、其在叶片转动平面(27)之投影相贴合，安装在风力机主轴上组成风轮。对于小型风力机在主轴伸长允许的情况下，风切入边(10)可为叶片之短直边，其叶片实体部分为流线形；风切出边(5)可为叶片之长直边，其叶片实体部分为薄尾翼形。
图14、图15、图16、图17、图18中，特形螺母(29)是方钢中段为圆柱形，内孔为螺纹，玻璃纤维增强环氧树脂将特形螺母预埋在加强筋(81)～(87)中，从而使特形螺母(29)不能扭转松动，以紧固螺栓(11)将安装轴套(3)与风切入边(10)之筋及风切出边(5)之筋和加强筋(81～87)紧固安装。
图22、图23中，叶片(1)及叶片(2)之叶片安装轴套(3)内孔轴线中心处连结一转轴(30)，该转轴(30)安装在风力机轮毂(32)之凸台(31)内孔中，实现叶片(1)、叶片(2)之功率调节及暴风时顺桨动作，并以轮毂螺栓(33)将轮毂(32)安装到风力机主轴(24)上。
本实用新型具有下述优点：①由于叶片(1)、叶片(2)的受风面是螺旋面，而螺旋面展开之实质就是斜面，因此，风在螺旋面上产生推力之效率高；②叶片(1)、叶片(2)之直边在叶片转动平面(27)上投影相贴合，无漏风洞，实验测得尾流风速V2＝0，只有离心风速V离心＝V1/4；③风切入边(10)之叶片实体为流线形，产生升力，增大扭矩；④沿叶片的渐开线外边线(7)之叶片背风面(13)做有连体搂风片(14)。风轮转向(n)为顺时针方向，搂风片(14)将风搂向流线形，增大了背风面风速，从而增大了受风面(15)与背风面(13)之压力差，增大了升力，更增大了风轮扭矩；⑤风轮受风面面积占扫风面面积之比值达到30％；由于上述优点，大力提高风能利用系数Cp值，使其趋近极大值Cp＝0.593。，从而提高风力发电功率。

Claims (4)

1.一种水平轴渐开线螺旋面叶片，主要由风切入边(10)、风切出边(5)、叶片受风面(15)、叶片背风面(13)、渐开线外边线(7)、搂风片(14)、叶片安装轴套(3)、加强筋(8)组成，其特征是：叶片的受风面(15)是具有螺旋升角(αs)和半螺距(T/2)的光滑螺旋面[T为螺距]；叶片的渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，自叶尖(9)为起点之(y1°)角内，叶片背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)；风切入边(10)之叶片实体为流线形；风切出边(5)之叶片实体为薄尾翼形；叶片受风面(15)及叶片背风面(13)连接流线形与薄尾翼形；加强筋(8)将上述结构固连为刚性整体；紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与加强筋(8)内预埋之特型螺母(29)固连，二叶片(1)之风切入边(10)及风切出边(5)相对180°、其在叶片转动平面之投影相贴合，安装在风力机主轴上组成风轮。
2.根据权利要求1所述的水平轴渐开线螺旋面叶片，其特征是：风切入边(10)为叶片之长直边，其叶片实体部分为流线形，叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成角(αs1)＞(αs2)(＞αs3)；风切出边(5)为叶片之短直边，其叶片实体部分为薄尾翼形；叶片受风面(15)是螺旋面，其连接流线形与薄尾翼形，形成光滑曲面，其叶形线(28)与叶片转动平面(27)形成螺旋升角(αs)，其法向剖面中心线(11’)与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure FSA00000556295100011
叶片受风面(15)自中心角  (x°)处开始逐渐减少螺旋升角(αs)，至风切出边(5)保持(αs-t°)，薄尾翼形向叶片受风面(15)．形成光滑的跷曲弧面；叶片背风面(13)为连接流线形与薄尾翼形之过渡光滑曲面；渐开线外边线(7)为基圆(4)形成的渐开线，其连接风切入边(10)之叶尖(9)与风切出边(5)之叶尖(6)，其实体部分为三段，自叶尖(9)为起点之(y1°)角段为流线形，(y2°)角段为过渡段，其余段为薄尾翼形，过渡段将流线形与薄尾翼形以曲面光滑相连；以风切入边(10)之叶尖(9)为起点，在(y1°)角内之背风面(13)沿渐开线外边线(7)做有连体搂风片(14)，搂风片(14)之横截面垂直于叶片转动平面(27)；叶片安装轴套(3)之半外圆柱面与基圆(4)同心，与叶片受风面(15)相贯，相贯线(21)，与叶片背风面(13)相贯，相贯线(26)；风切入边(10)和风切出边(5)与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面中心线共面相交，交角为(α1)，并与叶片安装轴套(3)之半外圆柱面相交于相贯线(21)之上端点(16)和下端点(22)；加强筋(81)、(82)、(83)、(84)、(85)、(86)、(87)将叶片受风面(15)及叶片背风面(13)和渐开线外边线(7)固连为一体，加强筋(81)～(87)之中心线(11’)与叶片转动平面(27)形成倾角
Figure FSA00000556295100021
并以叶片安装轴套(3)之半外圆柱面为起点，向渐开线外边线(7)辐射；紧固螺栓(11)将叶片安装轴套(3)与预埋在加强筋(81)～(87)内的特形螺母(29)固连接为一体，形成整体受力结构；叶片安装轴套(3)做有安装孔(23)，以其半圆柱内孔定位，以螺栓将叶片安装在风力机主轴(24)上。
3.根据权利要求1、2所述的水平轴渐开线螺旋面叶片，其特征是：风切入边(10)可为叶片之短直边，其叶片实体部分为流线形；风切出边(5)可为叶片之长直边，其叶片实体部分为薄尾翼形。
4.根据权利要求1、2所述的水平轴渐开线螺旋面叶片，其特征是：在叶片(1)及叶片(2)之叶片安装轴套(3)之内孔轴线中心处连结一转轴(30)，该转轴(30)安装在风力机轮毂(32)之凸台(31)内孔中，实现叶片(1)、叶片(2)之功率调节及暴风时顺桨动作，并以轮毂螺栓(33)将轮毂(32)安装到风力机主轴上。
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