CN204299786U - 一种带有增速叶片的自保护风力提水装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种带有增速叶片的自保护风力提水装置，包括由风力传动机构直接驱动提水机构，其特征在于所述叶片为截面采用NACA系列翼型且具有低风速起动及高输出扭矩的流线型增速叶片，该叶片为低叶尖速比及大扭角的叶根，从叶根到叶尖共分为20个截面设置安装角，各截面之间采用光滑过渡；所述提水机构的水泵的出水口与液压调速机构的出水压力调节缸连接。本实用新型不仅能够解决传统风力提水系统叶片数量多、风能利用率低的问题，而且巧妙地利用大风力下的水泵出水口的水压力来带动液压调速机构动作，控制风力传动机构及时响应偏航，达到自动保护机组的目的，适合于缺乏电力资源的偏远地区的农田灌溉应用。

Description

一种带有增速叶片的自保护风力提水装置
技术领域
本实用新型属于新能源技术领域，特别是涉及一种带有增速叶片的自保护风力提水装置。
背景技术
新能源在当今经济社会的发展中凸显出越来越重要的地位和作用。风能作为一种清洁无污染并且廉价的可再生能源而受到了广泛的利用。目前风能利用的方式主要有两种，一种是通过风力发电的装置将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能并入电网加以利用，这种风能利用方式研究得比较深入，已经形成了成熟的风电理论以及产业模式，然而这种风力发电需要较为复杂的控制系统，还需要发电机、变频器等较为昂贵的电气设备；另一种是利用机械装置将风能直接转化为机械能直接加以利用，风力提水装置属于这一范畴。风力提水只是依靠自然的风资源带动水泵来完成提水作业，与风力发电装置比较其机械结构简单、成本低廉、操作和维护方便，然而风力提水还存在许多难以解决的问题，如叶片数较多、叶片的风能利用率低、功率较小、风机与水泵的匹配等问题，这些都使得风力提水有待于进一步深入研究。
中国专利申请201110316710.1公开了一种“风力提水灌溉系统”，它利用曲轴形成曲柄连杆机构来提水的风力提水灌溉系统；中国专利申请200320104849公开的“风力提水装置”是利用多个风轮大面积采风的风力提水装置，但风轮依然采用弧形多叶片结构，且没有在大风状态下的自动刹车装置；中国专利申请201310358909.X公开了一种风力提水机，可进行深层提水以及浅层提水的风力提水机，但是对弧形多叶片结构并未改进；中国专利申请200810119891.7公开了一种立轴巨能及聚能风力提水机组，即由多个立轴巨能风力机串联形成的共同出力的垂直轴风力提水系统，但由于立轴风机的风能利用系数较低、扭矩小以及多个立轴风机串联，不仅制造成本增加，而且风能利用的效能仍然不够高；中国专利申请201210161249.1公开了一种带有嵌入式导流管的风力机叶片，虽然在一定程度上减少了噪声以及叶尖涡，但由于其出气口开在叶顶，当气流高速喷出时会对叶片径向造成一个很大的反作用力，增加了轮毂以及塔架的受力载荷，既影响到机组的风能利用率，又增大了其制造成本。
目前已经形成产业规模化的风力提水装置大多是采用多叶片、低转速、低风能利用率的系统，叶片数多使得风轮实度较大，流过风轮的气流较少，因而影响了其输出功率；同时，叶片的设计大多采用传统的平板型或者弧板型，风能利用效率较低，易造成风能资源的浪费。综上所述，如何提高风力提水系统的效率是新能源技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本实用新型的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种带有增速叶片的自保护风力提水装置，本实用新型不仅能够解决传统风力提水系统叶片数量多、风能利用率低的问题，而且巧妙地利用大风力下的水泵出水口的水压力来带动液压调速机构动作，控制风力传动机构及时响应偏航，达到自动保护机组的目的。
根据本实用新型提出的一种带有增速叶片的自保护风力提水装置，包括由风力传动机构直接驱动提水机构，其中：由提水机构的主轴通过两端的深沟球轴承水平固定于机舱内，主轴和立轴Ⅰ段上设置伞形齿轮副，立轴Ⅰ段固定在竖直方向，立轴Ⅰ段通过万向联轴器与立轴Ⅱ段连接，立轴Ⅱ段通过花键与立轴Ⅲ段连接，在立轴Ⅲ段的下方设置水泵，带槽圆盘固定在立轴Ⅲ段的下方，由带槽圆盘带动水泵往复运动；风力传动机构的轮毂设置在机舱的前端并固定叶片，整流罩设置在轮毂的前端；提水机构的主轴的前端通过风力传动机构的轮毂法兰与设在机舱前端的轮毂连接；其特征在于所述的叶片为截面采用NACA系列翼型且具有低风速起动及高输出扭矩的流线型增速叶片，该叶片为低叶尖速比及大扭角的叶根，从叶根到叶尖共分为20个截面设置安装角，各截面之间采用光滑过渡；所述提水机构的水泵的出水口与液压调速机构的出水压力调节缸连接。
本实用新型的工作原理是：本实用新型提出的流线型增速叶片的新设计是基于风力机风能利用曲线的最高点对应一个最佳攻角，而只有当风力机叶片处在最佳攻角时风能利用率才能达到最大的原理，因此必须将风力机叶片的每个截面进行扭转，才能保证叶片工作在最佳状态；风力机叶片在旋转时，由于上下翼面的压力差使得压力面的气流会绕过叶尖与吸力面的气流相遇形成叶尖涡，叶尖涡导致翼型的升力系数下降，影响了叶片的风能利用率，当转速高时还会产生噪声等不良影响；因此，本实用新型还在距离叶尖15％叶片长度的压力面翼型厚度最大处内设了引流管，将叶片近叶尖处压力面的气流引至同一长度的叶尖的后缘处喷出，这样可减少叶尖涡的发生，提高风能利用率，同时喷出的气体对叶片后缘产生一个周向的反作用力，加强了叶片的旋转效应，降低了提水装置的起动风速，进一步提高风能利用率；同时，巧妙地利用大风力下的水泵出水口的水压力来带动液压调速机构动作，使得风力传动机构在大风状态时能够及时响应偏航，达到自动保护机组特别是风力传动机构叶片的目的。
本实用新型与现有技术相比其显著优点在于：
一是本实用新型解决了传统风力提水装置叶片数量多、风能利用率低的问题，采用NACA系列翼型设计了风力机的增速叶片，且优化了其弦长及安装角，使得叶片的气动性能得到了很大的提高；试验结果表明，本实用新型作为以低风速起动的风力为动力提水的装置，在风力提水机组中风能利用系数可达到0.42以上，较普通风力提水机组的0.35至少提高了20％。
二是本实用新型的叶片上设有引流管，不仅减少了叶尖涡的发生，同时改变了出气孔的位置使得喷出的气流对叶片的转动有明显推动作用，从而提高了叶片对风能的利用率，使得叶片从原来的起动风速3m/s降低到了2.7m/s。
三是本实用新型的风力提水装置与相同扬程的风力提水机组相比，减少了叶片的个数及叶片长度，而且风能利用系数大幅度提升，大大降低了提水机组的制造成本。
四是本实用新型的液压调速机构受大风力下的水泵出水口的水压力的驱动，使得风力传动机构在大风状态时能够及时响应偏航，达到了自动保护机组特别是风力传动机构叶片的效果。
五是本实用新型的风力提水装置在主轴上设有万向联轴器和花键，便于吊装；投入使用后，除常规维护之外，可全自动完成提水，无需人员看护操作。
六是本实用新型的机械结构简单可靠，造价低廉，具有很高的社会经济效益，适合于缺乏电力资源的偏远地区的农田灌溉。
附图说明
图1是本实用新型提出的一种带有增速叶片的自保护风力提水装置的主视示意图。
图2是本实用新型提出的叶片的主视示意图。
图3是本实用新型提出的叶片的三维示意图。
图4是本实用新型提出的叶片内设的叶尖引流管的示意图。
图5是本实用新型提出的带有引流管的叶片的三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
结合图1，本实用新型提出的一种带有增速叶片的自保护风力提水装置，包括由风力传动机构直接驱动提水机构，其中：由提水机构的主轴(6)通过两端的深沟球轴承(5)水平固定于机舱(15)内，主轴(6)和立轴Ⅰ段(9)上设置伞形齿轮副(8)，立轴Ⅰ段(9)固定在竖直方向，立轴Ⅰ段(9)通过万向联轴器(23)与立轴Ⅱ段(24)连接，立轴Ⅱ段(24)通过花键(22)与立轴Ⅲ段(25)连接，在立轴Ⅲ段(25)的下方设置水泵(28)，带槽圆盘(26)固定在立轴Ⅲ段(25)的下方，由带槽圆盘(26)带动水泵(28)往复运动；风力传动机构的轮毂(2)设置在机舱(15)的前端并固定叶片(1)，整流罩(3)设置在轮毂(2)的前端；提水机构的主轴(6)的前端通过风力传动机构的轮毂法兰(4)与设在机舱(15)前端的轮毂(2)连接；所述的叶片(1)为截面采用NACA系列翼型且具有低风速起动及高输出扭矩的流线型增速叶片，该叶片(1)为低叶尖速比及大扭角的叶根，从叶根到叶尖共分为20个截面设置安装角，各截面之间采用光滑过渡；所述提水机构的水泵(28)的出水口与液压调速机构的出水压力调节缸(12)连接。
结合图2和图3，本实用新型提出的带有增速叶片的自保护风力提水装置的进一步优化方案是：
本实用新型所述叶片(1)的每个截面的安装角和弦长的参数分别如下表1和表2所示：
表1：叶片(1)的截面的安装角参数表
截面序号 安装角(°) 截面序号 安装角(°)
1001 40.14 1011 22.00
1002 40.14 1012 20.29
1003 38.23 1013 18.67
1004 37.87 1014 17.12
1005 35.27 1015 15.63
1006 32.69 1016 14.13
1007 30.23 1017 12.58
1008 27.94 1018 10.86
1009 25.81 1019 8.66
1010 23.84 1020 5.92
从叶根到叶尖安装角与截面个数为6次方拟合，安装角拟合方程为：
Y＝-9.21×10-7x6+8.33×10-5x5-3.71×10-3x4+8.39×10-2x3-0.899x2+2.06x+38.86；
表2：叶片(1)的截面的安装角弦长参数表
截面序号 弦长(m) 截面序号 弦长(m)
1001 0.20 1011 0.44
1002 0.25 1012 0.43
1003 0.30 1013 0.42
1004 0.34 1014 0.40
1005 0.39 1015 0.39
1006 0.42 1016 0.37
1007 0.44 1017 0.35
1008 0.45 1018 0.33
1009 0.45 1019 0.29
1010 0.45 1020 0.12
叶片(1)从叶根到叶尖叶片的弦长与截面个数为7次方拟合，弦长拟合方程为：
Y＝-9.60×10-8x7+6.85×10-6x6-1.99×10-4x5+3.07×10-3x4-2.64×10-2x3+1.21×10-1x2-2.18×10-1x+0.37；
叶片数量为6个，均匀分布在轮毂(2)的周向。
结合图4和图5，本实用新型所述叶片(1)在距离叶尖15％叶片长度的压力面上设置引流管(31)的进气孔(32)，将叶尖压力面的部分气流引至叶尖的后缘，并从叶尖后缘的引流管(31)的出气孔(33)喷出。
本实用新型所述引流管(31)的数量为2个，引流管(31)的进气孔(32)设置在叶片(1)距离叶尖15％叶片长度的压力面翼型厚度最大处，叶尖后缘的引流管(31)的出气孔(33)位于同一长度的叶尖尾缘处，直径不超过叶尖尾缘厚度的50％。
本实用新型所述引流管(31)为由叶片(1)的压力面贯穿叶片(1)内部至吸力面的垂直管道。
本实用新型所述液压调速机构包括出水压力调节缸(12)、油泵(11)、油分配器(10)、液压缸(19)、导轨圆环平台(18)、杠杆机构(16)和尾翼(7)，其中：出水压力调节缸(12)固定在塔架(27)底部，其活塞轴与油泵(11)活塞连接，油泵(11)的油管输出端与油分配器(10)连接，油分配器(10)与液压缸(19)连接，该液压缸(19)上端支撑导轨圆环平台(18)，杠杆机构(16)的支点位于机舱(15)的底部尖角处，杠杆机构(16)通过万向轮(17)与导轨圆环平台(18)相切；所述液压缸(19)的数量为3个，均匀布置在塔架(27)的圆周上。
本实用新型所述杠杆机构(16)末端通过钢丝绳绕经导向滑轮(14)通过弹簧(13)与尾翼(7)相连，使得大风状态下尾翼偏转来调节叶片的转动速度。
本实用新型提出的带有增速叶片的自保护风力提水装置的部件参数及装配要求如下：
本实用新型所述的叶片(1)为截面采用NACA系列翼型且具有低风速起动及高输出扭矩的流线型增速叶片，叶片(1)采用1.8的低叶尖速比以及大安装角叶根，从叶根到叶尖共分为20个截面设计其安装角，截面与截面之间采用光滑过渡，叶根安装角为40.14°，叶尖安装角为5.92°，从叶根到叶尖安装角与截面个数为6次方拟合，拟合方程为：
Y＝-9.21×10-7x6+8.33×10-5x5-3.71×10-3x4+8.39×10-2x3-0.899x2+2.06x+38.86；
叶根处的弦长0.2m，叶尖处的弦长为0.12m，叶片(1)的弦长从叶跟到叶尖与截面个数为7次方拟合，拟合方程为：
Y＝-9.60×10-8x7+6.85×10-6x6-1.99×10-4x5+3.07×10-3x4-2.64×10-2x3+1.21×10-1x2-2.18×10-1x+0.37；
在叶片(1)距离叶尖部分15％弦长叶片长度的压力面上设置引流管(31)，将叶尖压力面的部分气流引至叶尖的后缘，引流管(31)的数量为2个，引流管(31)的进气孔(32)设置在叶片(1)距离叶尖15％叶片长度的压力面翼型最大厚度处，叶尖后缘的引流管(31)的出气孔(33)位于同一长度的叶尖尾缘处，引流管(31)为由叶片(1)的压力面贯穿叶片(1)内部至吸力面的垂直管道；当叶片(1)旋转时，由于其压力面气压高于吸力面，气流自发地从叶片(1)压力面的引流管(31)的进气孔(32)进入，从叶尖后缘处的引流管(31)的出气孔(33)喷出，避免了一部分气流从叶尖绕过叶片(1)与吸力面的气流交汇形成旋涡，减少了叶尖涡的产生，提高了升力系数，在风力提水机组中风能利用系数可达到0.42以上，同时叶尖后缘处喷出的气流增强了叶片的转动效应，风力启动叶片(1)旋转，叶片(1)将旋转所产生的扭矩传递到提水机构。
提水机构的主轴(6)通过两端的深沟球轴承(5)水平固定于机舱(19)内，主轴(6)和立轴Ⅰ段(9)上设置伞形齿轮副(8)，该伞形齿轮副(8)为一级伞形齿轮副、其传动比为1：2；为消除立轴(6)太长导致安装中造成的误差以及吊装方便，立轴Ⅰ段(9)通过万向联轴器(23)与立轴Ⅱ段(24)连接，立轴Ⅱ段(24)通过花键(22)与立轴Ⅲ段(25)连接，在立轴Ⅲ段(25)的下方设置水泵(28)，由带槽圆盘(26)带动水泵(28)往复运动，使得水从下游水库(29)提升到上游水库(30)；提水机构的主轴(6)前端通过风力传动机构的轮毂法兰(4)与设在机舱(15)前端的轮毂(2)连接；所述提水机构的水泵(28)的出水口与液压调速机构的出水压力调节缸(12)连接。
所述的液压调速机构包括水压力调节缸(12)、油泵(11)、油分配器(10)、液压缸(19)、导轨圆环平台(18)、杠杆机构(16)和尾翼(7)，其中：出水压力调节缸(12)固定在塔架(27)的底部，其活塞轴与油泵(11)的活塞连接，油泵(11)的油管输出端与塔架(27)上方的油分配器(10)连接，该油分配器(10)与圆周上均匀分布的液压缸(19)连接，液压缸(19)上端支撑一个导轨圆环平台(18)，杠杆机构(16)通过万向轮(17)与导轨圆环平台(18)相切，杠杆机构(16)末端通过钢丝绳绕经导向滑轮(14)通过弹簧(13)与尾翼(7)相连；当大风来临时，叶片(1)转速加快，水泵(28)出水口压力增大，使得出水压力调节缸(12)的活塞向上，推动与其平行的油泵(11)活塞向上运动，油泵(11)的油管输出端通过油分配器(10)将油均匀地分配至导轨圆环平台(18)上的3个液压缸(19)，推动导轨圆环平台(18)向上，使得杠杆机构(16)一端向上，并通过导向滑轮(14)让尾翼(7)偏转，使得风力传动机构的叶片(1)偏离迎风方向，以达到自动保护本实用新型机组特别是叶片(1)的效果。
本实用新型提出的带有增速叶片的自保护风力提水装置的具体实施例如下：
实施例1：当扬程为5m、来流风速为2.7m/s时，本实用新型的带有增速叶片的自保护风力提水机组的叶片(1)开始转动，此时可直接驱动提水机构开始工作并进行提水；当风速为3m/s时叶片(1)的转速稳定，此时带负载的风力提水机组叶片(1)的转速为25r/min；当风速增大到8m/s的额定风速时，风力提水机组叶片(1)的转速为75r/min，扬程为5m时的提水流量为25m3/h～30m3/h，风能利用率≥0.42。
实施例2：当扬程为9m、来流风速为2.7m/s时，本实用新型的带有增速叶片的自保护风力提水机组的叶片(1)已经开始转动，风力提水机组空载时叶片(1)的转速为27r/min，此时风力传动机构还没有驱动提水机构工作；当风速到达3m/s时，风力提水机组驱动提水机构开始工作并提水；当风速为3.5m/s时风力提水机组的叶片(1)转速稳定，此时由于机组带上负载，叶片(1)的转速达到30r/min；当风速增大到8m/s的额定风速时，风力提水机组叶片(1)的转速为65r/min、提水流量为10m3/h～15m3/h，风能利用率≥0.42。
本实用新型的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本实用新型经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (8)

1.一种带有增速叶片的自保护风力提水装置，包括由风力传动机构直接驱动提水机构，其中：由提水机构的主轴(6)通过两端的深沟球轴承(5)水平固定于机舱(15)内，主轴(6)和立轴Ⅰ段(9)上设置伞形齿轮副(8)，立轴Ⅰ段(9)固定在竖直方向，立轴Ⅰ段(9)通过万向联轴器(23)与立轴Ⅱ段(24)连接，立轴Ⅱ段(24)通过花键(22)与立轴Ⅲ段(25)连接，在立轴Ⅲ段(25)的下方设置水泵(28)，带槽圆盘(26)固定在立轴Ⅲ段(25)的下方，由带槽圆盘(26)带动水泵(28)往复运动；风力传动机构的轮毂(2)设置在机舱(15)的前端并固定叶片(1)，整流罩(3)设置在轮毂(2)的前端；提水机构的主轴(6)的前端通过风力传动机构的轮毂法兰(4)与设在机舱(15)前端的轮毂(2)连接；其特征在于所述的叶片(1)为截面采用NACA系列翼型且具有低风速起动及高输出扭矩的流线型增速叶片，该叶片(1)为低叶尖速比及大扭角的叶根，从叶根到叶尖共分为20个截面设置安装角，各截面之间采用光滑过渡；所述提水机构的水泵(28)的出水口与液压调速机构的出水压力调节缸(12)连接。
2.根据权利要求1所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述叶片(1)的每个截面的安装角和弦长的参数分别如下表1和表2所示：
表1：叶片(1)的截面的安装角参数表
截面序号 安装角(°) 截面序号 安装角(°) 1001 40.14 1011 22.00 1002 40.14 1012 20.29 1003 38.23 1013 18.67 1004 37.87 1014 17.12 1005 35.27 1015 15.63 1006 32.69 1016 14.13 1007 30.23 1017 12.58 1008 27.94 1018 10.86 1009 25.81 1019 8.66 1010 23.84 1020 5.92
从叶根到叶尖安装角与截面个数为6次方拟合，安装角拟合方程为：
Y＝-9.21×10-7x6+8.33×10-5x5-3.71×10-3x4+8.39×10-2x3-0.899x2+2.06x+38.86；
表2：叶片(1)的截面的安装角弦长参数表
截面序号 弦长(m) 截面序号 弦长(m) 1001 0.20 1011 0.44 1002 0.25 1012 0.43 1003 0.30 1013 0.42 1004 0.34 1014 0.40 1005 0.39 1015 0.39 1006 0.42 1016 0.37 1007 0.44 1017 0.35 1008 0.45 1018 0.33 1009 0.45 1019 0.29 1010 0.45 1020 0.12
叶片(1)从叶根到叶尖叶片的弦长与截面个数为7次方拟合，弦长拟合方程为：Y＝-9.60×10-8x7+6.85×10-6x6-1.99×10-4x5+3.07×10-3x4-2.64×10-2x3+1.21×10-1x2-2.18×10-1x+0.37；叶片数量为6个，均匀分布在轮毂(2)的周向。
3.根据权利要求1所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述叶片(1)在距离叶尖15％叶片长度的压力面上内设置引流管(31)的进气孔(32)，将叶尖压力面的部分气流引至叶尖的后缘，并从叶尖后缘的引流管(31)的出气孔(33)喷出。
4.根据权利要求3所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述引流管(31)的数量为2个，引流管(31)的进气孔(32)设置在叶片(1)距离叶尖15％叶片长度的压力面翼型厚度最大处，叶尖后缘的引流管(31)的出气孔(33)位于同一长度的叶尖尾缘处，直径不超过叶尖尾缘厚度的50％。
5.根据权利要求3或4所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述引流管(31)为由叶片(1)的压力面贯穿叶片(1)内部至吸力面的垂直管道。
6.根据权利要求1所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述液压调速机构包括出水压力调节缸(12)、油泵(11)、油分配器(10)、液压缸(19)、导轨圆环平台(18)、杠杆机构(16)和尾翼(7)，其中：出水压力调节缸(12)固定在塔架(27)底部，其活塞轴与油泵(11)的活塞连接，油泵(11)的油管输出端与塔架(27)上方的油分配器(10)连接，油分配器(10)与液压缸(19)连接，该液压缸(19)上端支撑导轨圆环平台(18)，杠杆机构(16)的支点位于机舱(15)的底部尖角处，杠杆机构(16)通过万向轮(17)与导轨圆环平台(18)相切。
7.根据权利要求6所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述液压缸(19)的数量为3个，均匀布置在塔架(27)的圆周上。
8.根据权利要求6或7所述的带有增速叶片的自保护风力提水装置，其特征在于所述杠杆机构(16)末端通过钢丝绳绕经导向滑轮(14)通过弹簧(13)与尾翼(7)相连。
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