CN207847850U - 一种风力机叶片及风力机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力机叶片及风力机，包括外表面、底面和横流风扇；底面为平面，底面朝向风力机的机舱方向；外表面包括前缘和后缘，后缘为直斜面，前缘设置有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有支撑板；横流风扇设在圆弧凹槽内，并与支撑板转动连接；横流风扇包括两个端部面板、若干个横流风扇叶片和若干个舵机；横流风扇叶片与舵机连接，机舱上设置有风向标和风速计，风向标、风速计和每个舵机均与机舱内的控制柜相连接。本实用新型能利用任意方向的来流，不需要复杂的偏航机构实现风力机的对风。风轮的启动转矩大，横流风扇叶片能根据风速的大小和方向调整迎角，在低风速时起到充分捕获风能的作用，在大风速时起到气动刹车的作用，以防止风力机发生飞车事故。

Description

一种风力机叶片及风力机

技术领域

本实用新型涉及风力机设计、制造和应用领域，特别是一种风力机叶片及风力机。

背景技术

随着可再生清洁能源的不断发展,新能源的利用已经达到了一个新的高度，风能是新能源中最有前途、发展最快的一个，但制约风能开发利用的关键因素是成本居高不下，而降低风电成本的主要方法是高效叶片的设计，叶片的气动设计水平会影响风力机风轮的捕风能力，直接影响风力机的发电成本等。

风力发电机组是将风能转换为机械能再转换为电能的装置，目前的风力发电机组机型按照风轮旋转主轴与地面相对位置的关系，可分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组，而垂直轴风力发电机组根据发电原理不同又可分为阻力性和升力性两大类，目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风力发电机组，其基本结构包括风轮、传动系统、发电机、控制和安全系统、偏航系统、机舱、塔架和基础等部分组成，约占95%以上的市场，其技术已经相当成熟，其目前的主要发展方向为单机容量持续增大，变桨、变速、直驱等技术得到广泛应用，但是一般情况下，水平轴只能利用单方向的来风，只能通过安装结构的偏航装置实现对风，只有一次截风机会，目前水平轴风力机的功率系数Cp值可达到理想情况下贝兹极限(0.593)的80%左右，风能转换效率普遍较低。同时，由于近几年国内风力发电的快速发展，风资源丰富的地区基本都建立了风电场，而现有的风力机低风速启动性能差，因此，对低风速风能的利用率低，国内外也有许多风机制造商致力于研制低风速性风力机，而主要技术也是风力机叶片的研制。

垂直轴风力机无需对风装置，可以利用任意方向的风能，因而制造和维护成本将进一步大幅度下降。垂直轴风力机有两大类，一是升力型风力机，如DarrieuS风力机；另一个就是阻力型风力机，如SavoniuS型风力机。然而升力型垂直轴风力机有一大缺点限制了其应用，一般都启动转矩小，启动性能差，必须靠其他辅助动力启动，达到要求的转速才能正常运行，针对这个缺点，国内外目前采用的方法有：(1)附加电动机起动；(2)增大风轮实度；(3)改变叶片的翘动迎风攻角等，例如申请号为201220090012的专利采用了DarrieuS一SavoniuS组合式垂直轴风力机的型式，这样就较好的解决了D型风力机低风速不启动问题，实现了S型叶片和D型叶片的优势互补，这种风力机大都需要具有启动机构和离合器等，这样就增加了系统的复杂性，提高了成本。

目前水平轴风力发电机组虽然作为风力发电的主流机型，但是一般情况下，定桨距（风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变）、无偏航装置的水平轴风力机只能利用单方向的来风，而且只有在额定风速内具有较高的风能利用系数，当风速超过额定风速以后，叶片则进入失速状态，因此这种机型只能利用单一方向、一定风速的风能，对低风速的风能利用率低；而通过变桨系统和偏航系统实现对风和捕捉风能的风力机，由于风速大小和方向变化的随机性，使得变桨和偏航的控制系统复杂，同时复杂的变桨和偏航机构维护难度加大。而升力型垂直轴风力机，一般都具有启动转矩小，启动性能差的缺点，必须靠其他辅助动力启动，达到要求的转速才能正常运行。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种风力机叶片及风力机，该风力机叶片及风力机既适用于水平轴风力发电装置，也适用于升力型垂直轴风力发电，能利用任意方向的来流，使风力机的启动力矩大，具有更好的低风速启动性能和更高的风能利用率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种风力机叶片，包括外表面、底面和横流风扇。

底面为平面，底面朝向风力机的机舱方向。

外表面包括前缘和后缘，后缘为直斜面，前缘设置有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有支撑板。

横流风扇设置在圆弧凹槽内，横流风扇两端与支撑板转动连接。

横流风扇包括两个端部面板、若干个横流风扇叶片和若干个舵机；横流风扇叶片沿端部面板的周向均匀布设在两个端部面板之间；每个横流风扇叶片的一端与其中一个端部面板转动连接，每个横流风扇叶片的另一端连接一个舵机，舵机固定在对应的端部面板的内侧面上。

机舱上设置有风向标和风速计，风向标、风速计和每个舵机均与机舱内的控制柜相连接。

圆弧凹槽内沿轴向均匀设置有若干个支撑板，相邻两个支撑板之间设置一个横流风扇。

每片横流风扇叶片均呈扭转状布置在两个端部面板之间，各横流风扇叶片相互平行。

每片横流风扇叶片均具有空心腔体。

假设每个横流风扇中横流风扇叶片的数量为n，则每片横流风扇叶片的扭转角度为0~7*360°/n。

整流罩设置在机舱的一侧，风力机中底面的一端与整流罩内轮毂相连接，机舱内设置有增速齿轮箱、刹车片、联轴器、发电机及控制柜。

舵机能根据风向标和风速计测出的风向和风速，调整对应横流风扇叶片的迎角大小。

在高风速时，舵机将对应横流风扇的迎角调整为阻力形式，能起到气动刹车的作用。

一种风力机，包括至少3片风力机叶片；至少3片风力机叶片沿整流罩的圆周方向均匀布设；整流罩设置在机舱的一侧，机舱设置在塔筒的顶部，塔筒底部固定设置在底座上。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型结构和操控简单，气动效率高、低噪声等优点，既适用于水平轴风力发电装置，也适用于升力型垂直轴风力发电。

2、相对于水平轴风力机而言，本实用新型提供的风力机叶片装置可以利用任意方向的来流，不需要复杂的偏航机构实现风力机的对风。

3、本实用新型通过横流风扇和风力机叶片共同提供风轮旋转的动力，风轮的启动转矩大，低风速风能利用率高，具有更好的自启动性能和更高的风能利用率。

4、横流风扇叶片能根据风速的大小和方向调整迎角，在低风速时起到充分捕获风能的作用，在大风速时起到气动刹车的作用，以防止风力机发生飞车事故。

附图说明

图1显示了本实用新型中风力机的结构示意图。

图2显示了本实用新型一种风力机叶片的纵剖面视图。

图3显示了本实用新型一种风力机叶片的结构示意图。

图4显示了本实用新型中风力机的正视图。

图5显示了本实用新型中风力机的侧视图。

图6显示了本实用新型一种可变弦长的风力机叶片及风力机示意图。

其中有：

1.风向标；2.机舱；3.风力机叶片；4.整流罩；5.塔筒；6.基座；7.横流风扇；71.端部面板；72.横流风扇叶片；73.舵机。

另外，图2中，A：后缘夹角；B：前缘开口角；C：横流风扇叶片安装角；D：横流风扇叶片弦长；L：横流风扇特征长度；

R1：前缘内表面圆弧半径；R2：横流风扇半径。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、图2和图3所示，一种风力机叶片，包括外表面、底面和横流风扇7。

底面为平面，底面朝向风力机的机舱2方向。

外表面包括前缘和后缘，后缘为直斜面，前缘设置有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有支撑板。

进一步，圆弧凹槽内沿轴向均匀优选设置有若干个支撑板，相邻两个支撑板之间设置一个横流风扇。

横流风扇设置在圆弧凹槽内，横流风扇两端与支撑板转动连接。

横流风扇包括两个端部面板71、若干个横流风扇叶片72和若干个舵机73；横流风扇叶片沿端部面板的周向均匀布设在两个端部面板之间；每个横流风扇叶片的一端与其中一个端部面板转动连接，每个横流风扇叶片的另一端连接一个舵机，舵机固定在对应的端部面板的内侧面上。

每片横流风扇叶片均优选呈扭转状布置在两个端部面板之间，各横流风扇叶片相互平行。假设每个横流风扇中横流风扇叶片的数量为n，则每片横流风扇叶片的扭转角度优选为0~7*360°/n。

进一步，每片横流风扇叶片均优选具有空心腔体。

另外，图2中，A：后缘夹角；B：前缘开口角；C：横流风扇叶片安装角；D：横流风扇叶片弦长；L：横流风扇特征长度；

R1：前缘内表面圆弧半径；R2：横流风扇半径。

横流风扇安装角为零度左右，且叶片为薄叶片时升力较大，横流风扇叶片弦长越大，排出的气流量越大，受到的气流反作用力越大，增加了驱转力矩，一般来说，横流风扇的叶片数量越多，升力越大，但其具体的数目需要依据具体的风力机机型及容量确定；

横流风扇与叶片的间隙越小，升力越大；随着后缘夹角的增大，叶片的升力有增大的趋势；后缘夹角在0-10度范围内，前缘开口为15-30度范围内时，一般升力较大。

风向标1、风速计和每个舵机均与机舱内的控制柜相连接。舵机能根据风向标和风速计测出的风向和风速，调整对应横流风扇叶片的迎角大小。在低风速时，起到最大捕获风能的作用。在高风速时，舵机将对应横流风扇的迎角调整为阻力形式，能起到气动刹车的作用。

常规的风力机叶片主要是依靠风力机叶片自身产生旋转的动力，横流风扇高速旋转，从风力机叶片前缘抽入空气，经旋转加速后射入后部风力机叶片上表面，在横流风扇内部产生较大的低压涡，从而在翼型前缘外表面和底面之间产生较大压差使得风轮能够在低速时产生较大升力，并向后缘排出气流产生推力，从而使风轮在低风速时就能获得较大的旋转力矩，提高风力机启动性能和低风速风能利用率。其工作原理可以用叶片的二维剖面图（如图2）来说明，首先看升力，升力由两部分组成：一部分是当横流风扇旋转时，风力机叶片后半部分外表面和底面的流速不同，造成风力机叶片外表面和底面的压力差，形成风轮的推力；另一部分是因为当风能驱动横流风扇旋转时，在风扇内部偏左下方的位置产生一个很强的偏心漩涡，造成较强的偏心漩涡低压区，这就影响了扇翼水平方向的压强分布，使得风力机叶片前半部分圆弧形区域的外表面和底面产生较大的压力差，进而产生一个向前的推力；同时当风扇旋转时，叶片对空气作用向后推出气流，根据牛顿第三定律，气流给横流风扇叶片向前的反作用，形成向前的分布式推力。推力和升力在风轮旋转平面的分量驱动风轮的旋转，从而实现风能向机械能的转换，进而通过增速齿轮箱、发电机和控制器等装置完成机械能向电能的转换。

由于捕获风能驱动风轮旋转的主要装置是风力机叶片及嵌入叶片的横流风扇，驱动力矩大、启动性能好、低风速利用率高，可以捕获多个方向的风能，因此采用本实用新型风力机叶片的风力机可以不采用复杂的偏航机构就可以捕获多个方向的风能，能量利用系数比较高，同时，横流风扇上的叶片可以根据来流风速的大小和方向调整其迎角的大小，保证在不同风速下均可以产生最大的推力以驱动风轮的旋转，在高风速时可以调整风扇叶片的迎角为阻力形式，以防止风轮转速的进一步提高，因此，嵌入风力机叶片的横流风扇可以起到低风速时充分利用风能和高风速气动刹车的作用，同时，对于大型风力机发电机组，为了提高叶片的抗载荷能力，叶片上的横流风扇亦可采用分段布置的方式。

本实用新型的风力机叶片能够适用各类水平轴风力机及升力型垂直轴风力机。本实用新型以风力机叶片在常规水平轴风力机上的应用为例，对本实用新型的风力机及风力机叶片进行说明。

如图1、图4和图5所示，一种风力机，包括至少3片实用新型所设计的风力机叶片3，优选为3片。

所有3片风力机叶片沿整流罩4的圆周方向均匀布设，风力机叶片中底面的一端与整流罩内轮毂连接。

整流罩设置在机舱2的一侧，通过变桨电机等实现叶片变桨。

机舱设置在塔筒5的顶部，塔筒底部固定设置在底座6上。

机舱内主要有增速齿轮箱、刹车片、联轴器、发电机及控制柜等装置，风力机正常工作时旋转风轮的通过增速齿轮箱带动电机旋转，从而实现风能-机械能-电能的转换，进而通过整流逆变等环节的处理将电能并入电网，同时，在塔筒的顶部与机舱之间有偏航齿轮，可以实现风力机的对风，由于本实用新型为一种新型的风力机叶片装置，仅为风力发电机组的一部分，因此，风力机叶片在风力机上具体的使用方式及风机装置与常规风力机相同（仍然包括风力机叶片、偏航机构、变桨机构、传动系统或直驱、发电机、塔筒、机舱及整流罩等装置）。

相对于传统的风力机叶片而言，本实用新型提供的风力机叶片装置可以利用任意方向的来流，不需要复杂的偏航机构就可实现风力机的对风，通过安装在风力机叶片前缘上表面的横流风扇和风力机叶片共同提供风轮旋转的动力，从而使风力机的启动力矩大，具有更好的低风速启动性能和更高的风能利用率，同时，横流风扇周围的叶片可以根据风速的大小和方向调整迎角，在低风速时起到最大捕获风能的作用，在大风速时起到气动刹车的作用，以防止风力机发生飞车事故。因此，本实用新型提供的风力发电机组叶片装置具有结构和操控简单、风能利用率高、安全性高、噪声低和更好的低风速启动性能等优点，装配该种新型风力机叶片的风力机机型将在多风区、低风速区及海上风场成为性价比更高的优选风力机型。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力机叶片，其特征在于：包括外表面、底面和横流风扇；

底面为平面，底面朝向风力机的机舱方向；

外表面包括前缘和后缘，后缘为直斜面，前缘设置有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有支撑板；

横流风扇设置在圆弧凹槽内，横流风扇两端与支撑板转动连接；

横流风扇包括两个端部面板、若干个横流风扇叶片和若干个舵机；横流风扇叶片沿端部面板的周向均匀布设在两个端部面板之间；每个横流风扇叶片的一端与其中一个端部面板转动连接，每个横流风扇叶片的另一端连接一个舵机，舵机固定在对应的端部面板的内侧面上；

机舱上设置有风向标和风速计，风向标、风速计和每个舵机均与机舱内的控制柜相连接。

2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：圆弧凹槽内沿轴向均匀设置有若干个支撑板，相邻两个支撑板之间设置一个横流风扇。

3.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：每片横流风扇叶片均呈扭转状布置在两个端部面板之间，各横流风扇叶片相互平行。

4.根据权利要求3所述的风力机叶片，其特征在于：每片横流风扇叶片均具有空心腔体。

5.根据权利要求3所述的风力机叶片，其特征在于：假设每个横流风扇中横流风扇叶片的数量为n，则每片横流风扇叶片的扭转角度为0~7*360°/n。

6.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：整流罩设置在机舱的一侧，风力机中底面的一端与整流罩内轮毂相连接，机舱内设置有增速齿轮箱、刹车片、联轴器、发电机及控制柜。

7.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于：舵机能根据风向标和风速计测出的风向和风速，调整对应横流风扇叶片的迎角大小。

8.根据权利要求7所述的风力机叶片，其特征在于：在高风速时，舵机将对应横流风扇的迎角调整为阻力形式，能起到气动刹车的作用。

9.一种风力机，其特征在于：包括至少3片如权利要求1-8任一项所述的风力机叶片；至少3片风力机叶片沿整流罩的圆周方向均匀布设；整流罩设置在机舱的一侧，机舱设置在塔筒的顶部，塔筒底部固定设置在底座上。