风力发电用自适应风轮

摘要

本发明公开了一种适用于风力发电机的自适应风轮，该自适应风轮包括有3～5个风叶、3～5个压片和一个连接盘；在本发明中，由于在风叶的展向方向上设有4～9个羽片，且每个羽片之间留有间隙，即相邻的两个羽片的间距为d＝3～8mm，每个羽片与支撑杆的安装角Q弦线与旋转面的夹角为0.5°～16.33°。安装在支撑杆的展长段端部的叶尖与最后一片羽片之间的间距也为h＝3～8mm，而叶尖在弦向方向设有的5个叶尖羽片之间间距也为H0＝3～8mm，且相邻两个叶尖羽片之间的夹角为β＝10～20度。

权利要求

1.一种适用于风力发电机的自适应风轮，其特征在于：该自适应风轮包括有3～5个风叶、3～5个压片和一个连接盘；

所述连接盘包括有盘体、连接轴，盘体上均匀设有3～5个半圆槽、6～10个窄缝，盘体的下方为连接轴；每个半圆槽的两侧设置有两个窄缝，且半圆槽的底部设有螺栓孔；半圆槽用于放置风叶的支撑杆的连接端，窄缝用于放置压片的A定位片、B定位片；

所述压片包括有承压面、A定位片、B定位片，A定位片、B定位片分别设置在承压面的两侧，承压面上开有螺杆孔；A定位片、B定位片置于连接盘的半圆槽两侧的两个窄缝内；

每个所述风叶包括有4～9个羽片、一个叶尖和一个支撑杆，支撑杆分为展长段和连接端，每个羽片分为羽片连接端和羽片柔性段，叶尖分为叶尖连接端和叶尖柔性段，叶尖柔性段上设有5个叶尖羽片；每个羽片沿展向方向顺次排列，且通过羽片连接端固定在支撑杆的展长段上；叶尖上的叶尖羽片沿弦向方向顺次排列，且通过叶尖连接端固定在支撑杆的展长段的端部；支撑杆的连接端置于连接盘的半圆槽内。

2.根据权利要求1所述的自适应风轮，其特征在于：所述自适应风轮包括有4个风叶、4个压片和一个连接盘(5)；

4个风叶是指结构相同的A风叶(1)、B风叶(2)、C风叶(3)、D风叶(4)；

4个压片是指结构相同的A压片(6A)、B压片(6B)、C压片(6C)、D压片(6D)；

A风叶(1)包括有6个羽片、一个叶尖(17)和一根A支撑杆(1A)；6个羽片是指结构相同的A羽片(11)、B羽片(12)、C羽片(13)、D羽片(14)、E羽片(15)和F羽片(16)，A羽片(11)、B羽片(12)、C羽片(13)、D羽片(14)、E羽片(15)和F羽片(16)沿展向方向顺次排列安装在A支撑杆(1A)的展长段(1c)上；A支撑杆(1A)分为展长段(1c)和连接端(1a)；A羽片(11)分为B连接端(101)和羽片柔性段(104)；叶尖(17)分为C连接端(171)和叶尖柔性段(174)，且叶尖柔性段(174)上设有结构相同的A叶尖羽片(17A)、B叶尖羽片(17B)、C叶尖羽片(17C)、D叶尖羽片(17D)和E叶尖羽片(17E)，且A叶尖羽片(17A)、B叶尖羽片(17B)、C叶尖羽片(17C)、D叶尖羽片(17D)和E叶尖羽片(17E)沿弦向方向顺次排列；C叶尖羽片(17C)为中心对称将A叶尖羽片(17A)、B叶尖羽片(17B)，D叶尖羽片(17D)、E叶尖羽片(17E)设置在C叶尖羽片(17C)的两侧；所述叶尖(17)的C连接端(171)上开有B通孔(172)，B通孔(172)上设有F螺栓孔(173)、G螺栓孔(175)，且F螺栓孔(173)与G螺栓孔(175)对称，B通孔(172)用于A支撑杆(1A)的展长段(1c)穿过；A支撑杆(1A)的连接端(1a)置于一个连接盘(5)的A半圆槽(5A)内；

所述A压片(6A)包括有承压面(63)、A定位片(61)、B定位片(62)，A定位片(61)、B定位片(62)分别设置在承压面(63)的两侧，承压面(63)上开有B螺杆孔(64)；

所述一个连接盘(5)的盘体(59)上设有4个半圆槽、8个窄缝，4个半圆槽是指A半圆槽(5A)、B半圆槽(5B)、C半圆槽(5C)、D半圆槽(5D)；8个窄缝是指设置在A半圆槽(5A)两侧的A窄缝(51)、B窄缝(52)，B半圆槽(5B)两侧的C窄缝(53)、D窄缝(54)，C半圆槽(5C)两侧的E窄缝(55)、F窄缝(56)，D半圆槽(5D)两侧的G窄缝(57)、H窄缝(58)；4个半圆槽的底部分别设有螺栓孔。

3.根据权利要求2所述的自适应风轮，其特征在于：所述叶尖(17)上的5个叶尖羽片以C叶尖羽片(17C)为中心对称将A叶尖羽片(17A)、B叶尖羽片(17B)，D叶尖羽片(17D)、E叶尖羽片(17E)设置在C叶尖羽片(17C)的两侧，且A叶尖羽片(17A)与B叶尖羽片(17B)，D叶尖羽片(17D)与E叶尖羽片(17E)的高度比C叶尖羽片(17C)的高度H依次递减5～15％。

4.根据权利要求1或2所述的自适应风轮，其特征在于：自适应风轮的风叶中1个羽片的升力为：自适应风轮的风叶中1个羽片的阻力为：式中，Cy表示升力系数，ρ表示大气密度，V合表示风速与风轮旋转速度的合成速度，S表示该羽片的面积，Cx表示阻力系数。

5.根据权利要求1或2所述的自适应风轮，其特征在于：自适应风轮的每个风叶的叶尖处旋转空速为V旋＝KV风，K表示风叶升阻比，V风表示自适应风轮所处环境的自然风速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风轮结构，更特别地说，是指一种适用于风力发电机的自适应风轮。该风轮上的羽片、叶尖结构采用了空气动力学与鸟类飞行仿生相结合的技术方案。

背景技术

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电不需要燃料，也不会产生辐射或空气污染、是一种绿色能源。
现有风力发电机使用的风轮启动风速一般为3～4米/秒(3级风)才能启动，其风轮额定发电风速大多为8～13米/秒(5～6级风)，这样的风力环境在全球较少，无法大面积推广使用。

发明内容

为了克服现有发电机风轮所需的风力环境少、额定发电风速大的缺陷，本发明提出一种空气动力学与鸟类飞行仿生相结合的、具有展弦比小的、柔性风叶的风轮。该风力发电用自适应风轮的优点是：启动风速小(1～2米/秒，1～2级风)；额定发电风速较低，可设计为5～7米/秒(4级风)，可适合广大地区。在同等风轮直径和自然风速的条件下，该风力发电用自适应风轮与现有三叶、四叶风轮(风轮的叶片为一体构形)互换后，可提高发电功率30％以上。
本发明的一种适用于风力发电机的自适应风轮，其特征在于：该自适应风轮包括有3～5个风叶、3～5个压片和一个连接盘；
所述连接盘包括有盘体、连接轴，盘体上均匀设有3～5个半圆槽、6～10个窄缝，盘体的下方为连接轴；每个半圆槽的两侧设置有两个窄缝，且半圆槽的底部设有螺栓孔；半圆槽用于放置风叶的支撑杆的连接端，窄缝用于放置压片的A定位片、B定位片；
所述压片包括有承压面、A定位片、B定位片，A定位片、B定位片分别设置在承压面的两侧，承压面上开有螺杆孔；A定位片、B定位片置于连接盘的半圆槽两侧的两个窄缝内；
所述风叶包括有4～9个羽片、一个叶尖和一个支撑杆，支撑杆分为展长段和连接端，羽片分为羽片连接端和羽片柔性段，叶尖分为叶尖连接端和叶尖柔性段，叶尖柔性段上设有5个叶尖羽片；每个羽片沿展向方向顺次排列，且通过羽片连接端固定在支撑杆的展长段上；叶尖上的叶尖羽片沿弦向方向顺次排列，且通过叶尖连接端固定在支撑杆的展长段的端部；支撑杆的连接端置于连接盘的半圆槽内；
支撑杆的连接端置于连接盘的半圆槽内，压片的两个定位片置于窄缝中，采用螺栓顺次穿过压片的承压面上的螺栓孔、支撑杆的连接端上的螺栓孔、连接盘的半圆槽底部的螺栓孔后与螺母配合实现将压片、支撑杆和连接盘三者之间的柔性连接。
在本发明中，相邻的两个羽片的间距为d＝3～8mm，每个羽片与支撑杆的安装角Q弦线与旋转面的夹角为0.5°～16.33°。安装在支撑杆的展长段端部的叶尖与最后一片羽片之间的间距也为h＝3～8mm，而叶尖在弦向方向设有的5个叶尖羽片之间间距也为H0＝3～8mm，且相邻两个叶尖羽片之间的夹角为β＝10～20度。

附图说明

图1是本发明具有4个风叶的风轮结构图。
图1A是本发明具有3个风叶的风轮结构图。
图1A(a)是用以安装3个风叶的连接盘的结构图。
图1B是本发明具有5个风叶的风轮结构图。
图1B(a)是用以安装5个风叶的连接盘的结构图。
图1C是带有整流罩的风轮结构图。
图2是本发明的A风叶的结构图。
图2A是图2的A向视图。
图3是本发明风叶羽片的结构图。
图4是本发明风叶叶尖的结构图。
图4A是本发明风叶叶尖的正视图。
图5是本发明A连接盘的结构图。
图6是本发明A压片的结构图。
图7是本发明A支撑杆的结构图。
图中：1.A风叶  2.B风叶  3.C风叶  4.D风叶
1A.A支撑杆    1a.A连接端    1b.A螺栓孔    1c.展长段      1d.E螺栓孔
1B.B支撑杆    1C.C支撑杆    1D.D支撑杆    11.A羽片       12.B羽片
13.C羽片      14.D羽片      15.E羽片      16.F羽片       17.叶尖
17A.A叶尖羽片 17B.B叶尖羽片 17C.C叶尖羽片 17D.D叶尖羽片  17E.E叶尖羽片
101.B连接端   102.A通孔     103.C螺栓孔   104.羽片柔性段 105.D螺栓孔
171.C连接端   172.B通孔     173.F螺栓孔   174.叶尖柔性段 175.G螺栓孔
5.A连接盘     5A.A半圆槽    5B.B半圆槽    5C.C半圆槽     5D.D半圆槽
51.A窄缝      52.B窄缝      53.C窄缝      54.D窄缝       55.E窄缝
56.F窄缝      57.G窄缝      58.H窄缝      59.盘体        60.连接轴
6A.A压片      6B.B压片      6C.C压片      6D.D压片
61.A定位片    62.B定位片    63.承压面     64.B螺杆孔     7.整流罩
8.B连接盘     9.C连接盘     10.E风叶

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的构形做进一步的详细说明。
本发明是一种适用于风力发电机的自适应风轮，该自适应风轮(参见图1所示)包括有3～5个风叶、3～5个压片和一个连接盘；
所述连接盘包括有盘体、连接轴，盘体上均匀设有3～5个半圆槽、6～10个窄缝，盘体的下方为连接轴(通过连接轴使本发明设计的风轮与发电机连接)；每个半圆槽的两侧设置有两个窄缝，且半圆槽的底部设有螺栓孔；半圆槽用于放置风叶的支撑杆的连接端，窄缝用于放置压片的A定位片、B定位片；
所述压片包括有承压面、A定位片、B定位片，A定位片、B定位片分别设置在承压面的两侧，承压面上开有螺杆孔；A定位片、B定位片置于连接盘的半圆槽两侧的两个窄缝内；
所述风叶包括有4～9个羽片、一个叶尖和一个支撑杆，支撑杆分为展长段和连接端，羽片分为羽片连接端(为了叙述方便，下文中对羽片连接端采用了带有编号的形式)和羽片柔性段，叶尖分为叶尖连接端(为了叙述方便，下文中对叶尖连接端采用了带有编号的形式)和叶尖柔性段，叶尖柔性段上设有5个叶尖羽片；每个羽片沿展向方向顺次排列，且通过羽片连接端固定在支撑杆的展长段上；叶尖上的叶尖羽片沿弦向方向顺次排列，且通过叶尖连接端固定在支撑杆的展长段的端部；支撑杆的连接端置于连接盘的半圆槽内；
支撑杆的连接端置于连接盘的半圆槽内，压片的两个定位片置于窄缝中，采用螺栓顺次穿过压片的承压面上的螺栓孔、支撑杆的连接端上的螺栓孔、连接盘的半圆槽底部的螺栓孔后与螺母配合实现将压片、支撑杆和连接盘三者之间的柔性连接。在本发明中，未采用焊接形式，故称压片、支撑杆和连接盘之间为柔性连接。为了使风叶与连接盘的安装无过盈配合，在每个风叶的支撑杆在安装时，上面压盖一压片，并采用螺栓与螺母的配合，使风叶与连接盘固定连接。
在本发明中，由于在风叶的展向方向上设有4～9个羽片，且每个羽片之间留有间隙，即相邻的两个羽片的间距为d＝3～8mm，每个羽片与支撑杆的安装角Q弦线与旋转面的夹角为0.5°～16.33°。安装在支撑杆的展长段端部的叶尖与最后一片羽片之间的间距也为h＝3～8mm，而叶尖在弦向方向设有的5个叶尖羽片之间间距也为H0＝3～8mm，且相邻两个叶尖羽片之间的夹角为β＝10～20度。
在本发明中，以四个风叶的风轮为例，四个风叶均匀地分布在A连接盘5上，四个风叶的结构相同(参见图1所示)；所述的四个风叶是指A风叶1、B风叶2、C风叶3和D风叶4。其中，(参见图2所示)A风叶1包括有6个羽片(A羽片11、B羽片12、C羽片13、D羽片14、E羽片15和F羽片16结构相同，A羽片11、B羽片12、C羽片13、D羽片14、E羽片15和F羽片16沿展向方向顺次排列)、一个叶尖17和一根A支撑杆1A；A支撑杆1A分为展长段1c和连接端1a；A羽片11分为B连接端101和羽片柔性段104；叶尖17分为C连接端171和叶尖柔性段174，且叶尖柔性段174上设有5个叶尖羽片(A叶尖羽片17A、B叶尖羽片17B、C叶尖羽片17C、D叶尖羽片17D和E叶尖羽片17E结构相同，A叶尖羽片17A、B叶尖羽片17B、C叶尖羽片17C、D叶尖羽片17D和E叶尖羽片17E沿弦向方向顺次排列)；A支撑杆1A的连接端1a置于A连接盘5的A半圆槽5A内。A支撑杆1A的展长段1c上沿展向方向顺次安装有A羽片11、B羽片12、C羽片13、D羽片14、E羽片15、F羽片16、叶尖17。具体结构参见图1、图2、图3、图4、图4A、图5、图6、图7所示。
A连接盘5的结构(参见图5所示)：A连接盘5包括有盘体59、连接轴60，盘体59的下方为连接轴60。在A连接盘5的盘体59上以盘心O点为圆心均匀分布切割加工出4个半圆槽(A半圆槽5A、B半圆槽5B、C半圆槽5C、D半圆槽5D)，8个窄缝(A窄缝51、B窄缝52、C窄缝53、D窄缝54、E窄缝55、F窄缝56、G窄缝57、H窄缝58)。A半圆槽5A的两侧分别有A窄缝51、B窄缝52，B半圆槽5B的两侧分别有C窄缝53、D窄缝54，C半圆槽5C的两侧分别有E窄缝55、F窄缝56，D半圆槽5D的两侧分别有G窄缝57、H窄缝58。A连接盘5的底部设有与发电机连接用的连接轴60。A半圆槽5A用于放置A风叶1的A支撑杆1A。
本发明应用的连接盘，其盘体上开有的半圆槽是根据所安装的风叶个数来配套的。在盘体上设有相应个数的半圆槽，以及在每个半圆槽的两侧设有两个窄缝，是以盘体的盘心O点为圆心均匀分布的。(参见图1A、图1A(a)所示)以在B连接盘8上安装3个风叶(A风叶1、B风叶2、C风叶3)，B连接盘8的盘体上将分布有3个半圆槽、6个窄缝与之配套的还有3个压片。压片、A风叶1、B风叶2、C风叶3和B连接盘8之间通过螺栓与螺母的配合实现柔性连接。
(参见图1B、图1B(b)所示)以在C连接盘9上安装5个风叶(A风叶1、B风叶2、C风叶3、D风叶4、E风叶10)，C连接盘9的盘体上将分布有5个半圆槽、10个窄缝与之配套的还有5个压片。压片、A风叶1、B风叶2、C风叶3、D风叶4、E风叶10和C连接盘9之间通过螺栓与螺母的配合实现柔性连接。
A压片6A的结构(参见图6所示)：所述A压片6A包括有承压面63、A定位片61、B定位片62，A定位片61、B定位片62分别设置在承压面63的两侧，承压面63上开有B螺杆孔64。
A风叶1的结构(参见图2所示)：A风叶1由A支撑杆1A、6片羽片、叶尖17组成，6片羽片沿展向方向的排列顺序为A羽片11、B羽片12、C羽片13、D羽片14、E羽片15、F羽片16，A风叶1的展向端部为叶尖17；F羽片16与叶尖羽片17相距h＝3～8mm；相邻两个羽片相距d＝3～8mm，即有A羽片11与B羽片12之间相距d＝3～8mm，B羽片12与C羽片13之间相距d＝3～8mm，C羽片13与D羽片14之间相距d＝3～8mm，D羽片14与E羽片15之间相距d＝3～8mm，E羽片15与F羽片16之间相距d＝3～8mm，F羽片16与叶尖17之间相距d＝3～8mm。
A羽片11的结构(参见图3所示)：A羽片11包括有B连接端101和羽片柔性段104。所述A羽片11的羽片柔性段104为平直板状结构，其平直板端部为圆弧面。所述A羽片11的B连接端101上开有A通孔102，A通孔102上设有C螺栓孔103、D螺栓孔105，且C螺栓孔103与D螺栓孔105对称，A通孔102用于A支撑杆1A的展长段1c穿过。A羽片11与A支撑杆1A的柔性连接为：螺栓的一端顺次穿过C螺栓孔103(开在A通孔102上)、E螺栓孔1d(开在A支撑杆1A上)、D螺栓孔105(开在A通孔102上)后与螺母的配合，实现A羽片11与A支撑杆1在展长段1c的柔性连接。在本发明中，A羽片11与A支撑杆1A的安装角Q弦线与旋转面的夹角为0.5°～16.33°(参见图3所示)。为了使各个羽片与A支撑杆1A的安装形成如图2A所示的布局，通过依次递增安装角Q的度数(度数可以是每隔3°、5°或6.5°进行递增布局)来改变A羽片11、B羽片12、C羽片13、D羽片14、E羽片15和F羽片16在A支撑杆1A上的安装位置便可实现。在本发明中，安装角Q设计为0.5°～16.33°的一个范围值，且在安装上采用依次递增安装角Q度数方式进行将6个羽片安装在A支撑杆1A上。即有叶尖17的安装角最小0.5°，A羽片11安装角最大16.33°。在本发明中，所有羽片通过柔性连接在支撑杆上，能够实现向风速方向弯曲。
叶尖17的结构(参见图2、图4、图4A所示)：叶尖17包括有C连接端171和叶尖柔性段174。所述叶尖17的叶尖柔性段174上沿弦向方向顺次设有A叶尖羽片17A、B叶尖羽片17B、C叶尖羽片17C、D叶尖羽片17D和E叶尖羽片17E，且以C叶尖羽片17C为中心对称将A叶尖羽片17A、B叶尖羽片17B，D叶尖羽片17D、E叶尖羽片17E设置在C叶尖羽片17C的两侧。所述叶尖17的叶尖17的C连接端171上开有B通孔172，B通孔172上设有F螺栓孔173、G螺栓孔175，且F螺栓孔173与G螺栓孔175对称，B通孔172用于A支撑杆1A的展长段1c穿过。叶尖17与A支撑杆1A的展长段1c的连接：螺栓的一端顺次穿过F螺纹孔173(开在B通孔172上)、E螺栓孔1d(开在A支撑杆1A上)、G螺纹孔175(开在B通孔172上)后与螺母的配合，实现叶尖17与A支撑杆1在展长段1c的柔性连接。在本发明中，叶尖17的叶尖柔性段174上也可以设有3、5、7个叶尖羽片，相邻两个叶尖羽片之间的间距H0为3～8mm，叶尖边线与支撑杆夹角为β＝10～20度。叶尖羽片均为柔性。处于中心的C叶尖羽片17C的高度H略长，其他叶尖羽片长度依次递减5～15％。
A支撑杆1A的结构(参见图7所示)：A支撑杆1A分为A连接端1a和展长段1c，A支撑杆1A的A连接端1a上设有A螺栓孔1b(A螺栓孔1b贯穿A支撑杆1A的A连接端1a)。A支撑杆1A的展长段1c上设有多个E螺栓孔1d(E螺栓孔1d贯穿A支撑杆1A的展长段1c，多个的E螺栓孔1d用于与羽片、叶尖连接用)。A螺栓孔1b用于通过螺栓与螺母的配合将A支撑杆1A与A压片6A、A连接盘5柔性连接。E螺栓孔1d用于通过螺栓与螺母的配合将多个羽片和叶尖固定在A支撑杆1A的展长段1c上。A支撑杆1A可以为空心圆柱杆，或者实心圆柱杆。
A风叶1与A连接盘5的连接：在本发明中，A支撑杆1A的A连接端1a置于A半圆槽5A内，A压片6A压紧在A支撑杆1A的A连接端1a上，且A压片6A的A定位片61、B定位片62卡合在A连接盘5的A窄缝51、B窄缝52中采用螺栓顺次穿过B螺栓孔64(B螺栓孔64开设在A压片6A的压面63上)、A螺栓孔1b(A螺栓孔1b开设在A支撑杆1A的A连接端1a上)、螺栓孔(该螺栓孔开设在A连接盘5的A半圆槽5A内)后与螺母配合实现A压片6A、A支撑杆1A和A连接盘5的柔性连接，将A风叶1柔性在连接盘上。其余三个风叶(B风叶2、C风叶3、D风叶4)与连接盘连接与A风叶相同。
风轮的性能设计：
自适应风轮的风叶中1个羽片的升力为：式中，Cy表示升力系数，ρ表示大气密度，V合2表示风速与风轮旋转速度的合成速度，S表示该羽片的面积。
自适应风轮的风叶中1个羽片的阻力为：式中，Cx表示阻力系数。
自适应风轮的每个风叶的叶尖处旋转空速(空载时)为V旋＝KV风，K表示风叶升阻比，V风表示自适应风轮所处环境的自然风速。
空载时风叶的叶尖安装角Q和合成速度V合2的迎角α满足ty表示正切，K表示风叶升阻比。
本发明的风力发电用自适应风轮是借助空气动力学与鸟类飞行仿生相结合的产物。风轮在停止状态，当有风吹过时，叶片平面与风速方向约成90度，羽片向风速方向弯曲，使气流迎角接近有利迎角，风轮开始转动，因此风叶的起动风速小。虽然本发明设计的风叶较宽，由于弦向和叶尖展向开缝，风叶背面涡流减小，提高了风叶的升阻比。本发明风轮上设计有3～5个风叶，每个风叶上设计4～9个羽片，一个叶尖，风叶的展弦比＜6、叶轮实度高、而且风叶升阻比大，因此效率高，可在低风速地域使用，有效地扩大了风力发电机的使用范围。本发明的风轮可克服现有风机在高风速启动时才能发电的缺点，可降低风机启动和发电风速。主要体现在于：①现有风轮风叶启动风速高(3～4米/秒，3级风)，本发明风轮风叶可在2米/秒(2级风)以下启动；②现有风叶额定发电风速大(8～13米/秒，5～6级风)，全球适合该条件的地域少，多数时间处于停机状态；本发明风轮风叶可在5～7米/秒(4级风)额定发电，发电时间比例高。③每个羽片呈柔性，能自动适应较佳的气流迎角，每个羽片均能产生升力，因此容易起动，升阻比大，效率高，额定发电风速低，适合发电的地域广。在同等直径和自然风速条件下，本发明风力发电用自适应风轮与现有三叶、四叶风轮(风轮的叶片为一体构形)互换后，可提高发电功率30％以上。