风力发电机叶片、叶片除冰装置及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机叶片、叶片除冰装置及风力发电机组。

背景技术：

直驱永磁风力发电机与轮毂直接连接，由转轴、转子、定子及圆形外壳组成。在工作过程中，转子转动时，带动设在转子内的永久磁极转动，从而产生旋转磁场，通过旋转磁场在定子上的定子绕组中切割运动产生电动势，从而将机械能转化为电能。在此过程中，转子转动会产生大量的热，通常通过在朝向轮毂或背向轮毂方向的转子外壳上连接管道到散热器位置，使热量通过管道传到散热器中进行散热，同时在定子上设有通孔，用于空气流入发电机中。

然而目前，对于安装在寒冷地区的直驱风力发电机组，由于环境寒冷，容易导致叶片结冰，则叶片的重量增加，使其随风转动的速度降低，从而出现一系列的问题，例如风力发电机功率系数下降、载荷变大等，这些问题将严重影响风力发电机组的性能及其零部件的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种风力发电机叶片、叶片除冰装置及风力发电机组，以解决现有技术中叶片表面结冰且难以清除的问题。

为达到上述目的，本实用新型的实施例提供一种风力发电机叶片，包括叶根和叶片主体；还包括：进气口，设置在叶根处；出气口，设置在叶片主体外表面处；空气通道，设置在风力发电机叶片内部并连通进气口和出气口；防回流机构，设置在出气口处；导热部件，连接空气通道和风力发电机叶片的外表面。

可选地，导热部件包括吸热部、传导部和散热部，吸热部设置在空气通道的内壁和/或外壁上；散热部设置在风力发电机叶片的外表面上和/或风力发电机叶片的外表面的内部；传导部连接吸热部和散热部。

可选地，风力发电机叶片内部还设置有支架，空气通道通过支架固定连接在风力发电机叶片的内表面。

可选地，导热部件采用导热金属制成。

可选地，防回流机构是单向阀。

根据本实用新型的第二方面，本实用新型实施例提供一种叶片除冰装置，包括容纳发热元件的舱室和轮毂，还包括：如前述的风力发电机叶片，与轮毂连接；传热通道，连接舱室和风力发电机叶片的进气口。

可选地，发热元件包括发电机；舱室包括第一舱室，第一舱室是发电机的内腔；传热通道包括第一传热通道；第一传热通道包括：转子支架连接口，其贯穿转子支架并与第一舱室连通；空气导管，其一端连接转子支架连接口，另一端连接进气口。

可选地，轮毂上设有开口；空气导管的一端设置在轮毂的外部，并与转子支架连接口相连接；空气导管的另一端通过开口进入轮毂内部，并与风力发电机叶片的进气口相连接。

可选地，空气导管的外侧设置有保温层。

可选地，发热元件包括变流器或主控开关柜；舱室包括用于容纳变流器或主控开关柜的第二舱室；传热通道包括第二传热通道；第二传热通道包括：转接机构，其包括第一接口和第二接口，第一接口和第二接口之间可转动的密封连接；第一连接管，连接第二舱室和转接机构的第一接口；第二连接管，连接转接机构的第二接口和风力发电机叶片的进气口。

可选地，发热元件还包括变流器或主控开关柜；舱室还包括用于容纳变流器或主控开关柜的第二舱室；传热通道还包括第二传热通道；第二传热通道包括：转接机构，其包括第一接口和第二接口，第一接口和第二接口之间可相对转动的密封连接；第一连接管，连接第二舱室和转接机构的第一接口；第二连接管，连接转接机构的第二接口和风力发电机叶片的进气口。

根据本实用新型的第三方面，本实用新型实施例提供一种风力发电机组，包括如前述的叶片除冰装置。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

本实用新型实施例提供的叶片，通过设置空气通道，将舱室与叶片的进气口相连通，当叶片转动时，舱室内的空气压力会大于叶片处的空气压力，进而会产生运动气流，气流可将舱室内的热量通过空气通道传递至出气口，进而实现对出气口附近区域的加热，从而可以融化叶片表面的冰，避免了叶片翼型变化、叶轮质量增加、叶轮不平衡度增加、风机载荷增加等情况的出现。同时，通过在出气口增设防回流机构，阻止了空气中的水分或者冰溶化后的水进入叶片内部。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的风力发电机叶片的示意性结构图；

图2为本实用新型实施例二提供的叶片除冰装置的示意性结构图；

图3为图2中叶片除冰装置的工作原理图；

图4为本实用新型实施例三提供的叶片除冰装置的示意性结构图。

附图标记说明：

1、风力发电机叶片；11、叶根；12、叶片主体；14、空气通道；141、进气口；142、出气口；15、防回流机构；2、轮毂；21、固定支架；22、开口；4、转子支架；41、转子支架连接口；5、转接机构；40、第一舱室；50、第二舱室；100、空气导管；200、第一连接管；300、第二连接管。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型实施例的示例性实施例。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的风力发电机叶片的示意性结构图；本实用新型的实施例提供一种风力发电机叶片1，包括叶根11和叶片主体12；还包括：进气口141，设在叶根11处；出气口142，设在叶片主体12外表面处；空气通道14，设置在风力发电机叶片1内部并连通进气口141和出气口142；防回流机构15，设在出气口142处；导热部件，连接空气通道14和风力发电机叶片1的外表面。

实施例一提供的风力发电机叶片1，通过在内部设置叶片空气通道14并在外表面设置出气口142，当风力发电机叶片1随轮毂2转动时，在进气口141与出气口142之间形成空气压力差(形成空气压力差的具体原理将在实施例二中结合叶片除冰装置进行说明)。在空气压力差的作用下进气口141处的空气通过叶片空气通道14引导至出气口142排出，进而在不增设电机的情况下借由风力发电机本身的旋转在风力发电机内部生成流动气流，为将流动气流应用于风力发电机舱室的散热提供了基础；通过设置防回流机构15，可防止空气或者雨水等从外部通过出气口142进入风力发电机叶片1内部进而影响发电机的正常运行。导热部件可将空气通道14内的热空气传递至风力发电机叶片1的外表面，从而提高了风力发电机叶片1的外表面的温度，可以对风力发电机叶片1外表面的结冰处进行加热，从而实现消除冰块的目的。

此外，出气口142距离叶根11的轴向距离L可大于或等于预设距离L₁。这里所说的轴向距离L是指沿从叶根11向叶尖延伸的轴线方向的距离。如图1中所示，此处的轴线指的是风力发电机叶片1的参照轴，而不是有形结构。轴向距离L越大，风力发电机叶片1转动时所形成的空气压力差越大，散热性能越好，对结冰处的加热效果也越明显。

此外，出气口142可设置在叶片主体12的中部和/或叶尖处。叶片主体12包括连接部分、中部和叶尖；其中，连接部分与叶根相连；叶尖位于远离叶根11一端；中部位于连接部分和叶尖之间。优选将出气口142设置在中部和/或叶尖位置，可使出气口142距离叶根11的轴向距离L大于预设距离L₁，以能够形成满足散热要求的空气压力差。

优选地，将出气口142设置在叶尖处，可增大空气压力差，增强气流的流动性，提高换热效果。

此外，防回流机构15可采用单向阀。但不限于单向阀，任何能够允许空气从出气口流出但阻止空气或雨水等从外部经出气口142进入风力发电机叶片1内部的机构均在本实施例的限制范围内。

此外，出气口142可设有多个。如图1中所示，在每个出气口142处均设有防回流机构15。通过设置多个出气口142，可增加气流流量，提高换热效果。

优选地，可设置多个进气口141和多条叶片空气通道14，每条叶片空气通道14连接一个进气口141和一个出气口142。或者，也可采用设置一个进气口141和多条叶片空气通道14的形式(图中未示出)。任何能实现将空气从进气口141引导到出气口142的空气通道14的结构均在本实施例的限制范围内。

本实用新型实施例提供的风力发电机叶片1，通过在内部设置叶片空气通道14并在外表面设置出气口142，当风力发电机叶片1随轮毂2转动时，在进气口141与出气口142之间形成空气压力差，在空气压力差的作用下形成在空气通道14内流动的气流，最终由出气口142排出。在不增设电机的情况下借由风力发电机本身的旋转在风力发电机内部生成流动气流，进而为将流动气流应用于舱室的散热提供了基础。通过设置防回流机构15，可防止空气或者雨水等从外部通过出气口142进入风力发电机叶片1内部进而影响发电机的正常运行。

实施例二

图2和图3示出了实施例二的叶片除冰装置的结构图和原理图。

实施例二的叶片除冰装置包括容纳发热元件的舱室、轮毂2、如实施例一中所描述的风力发电机叶片1以及冷却通道。其中，风力发电机叶片1与轮毂2连接；冷却通道连接该舱室和风力发电机叶片1的进气口141。

本实施例中的舱室是指设在风力发电机内且内部容纳有运行时会发热的发热元件的舱室。例如，舱室可以是发电机的内腔或者用于容纳开关柜或电流柜的舱室等，但并不限于上述舱室，风力发电机内任何需要散热的舱室均在本实施例的限制范围内。

在风力发电机运行时，需要对舱室及其容纳的发热元件进行散热。下面就该叶片除冰装置的工作原理进行说明：

当风力发电机处于发电状态时，由伯努利方程可得公式一:

公式一：

$P_1+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}_1^2+{\mathrm{\ρgh}}_1=P_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}_2^2+{\mathrm{\ρgh}}_2$

其中，P₁为舱室的空气平均压强；V₁为舱室的空气平均流动速度；h₁为舱室的平均高度；P₂为风力发电机叶片的出气口142处的空气平均压强；V₂为风力发电机叶片的出气口142处的空气平均流动速度；h₂为风力发电机叶片的出气口142处的平均高度。

由公式一可得公式二：

$\mathrm{\Δ}P=P_1-P_2=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}(v_2^2-v_1^2)+\mathrm{\ρ}g(h_2-h_1)$

由公式二进一步得到公式三：

$\mathrm{\Δ}P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}(v_2^2-v_1^2)+\mathrm{\ρ}g\mathrm{\Δ}h$

在公式三中：ΔP为舱室与出气口142之间的空气压力差，即ΔP＝P₁-P₂，单位为帕；空气密度ρ取1.205kg/m³；重力加速度g取9.8m/s²；Δh为舱室平均高度与出气口142的平均高度的差值，单位为米，即Δh＝h₂-h₁。

随着叶片的转动，出气口142的平均高度h₂也会发生变化，而舱室的平均高度h₁固定不变。因此，在叶片转动时，Δh在一固定范围内动态变化。当舱室接近发电机转轴的轴线时，Δh可视为大致在-L与L之间变化，即Δh∈(-L，L)，其中L为出气口142距离叶根11的轴向距离。

舱室内的空气平均流动速度V₁可大致取0m/s，因为舱室设在风力发电机内部，舱室内的空气基本处于静止状态。

出气口142处的空气平均流动速度V₂可由出气口处的叶片转速v_ω和当前风速v_f的矢量和大致算出，参见公式四：

$v_2^2=v_{\mathrm{\ω}}^2+v_f^2$

其中，v_ω为出气口142处的叶片转速，v_f为当前风速。

出气口142处的叶片转速v_ω可大致由公式五计算得出，参见公式五：

$v_{\mathrm{\ω}}=\frac{2\mathrm{\π}n}{60}\×L$

其中，n为叶轮转速，单位是r/min。

结合公式三、公式四和公式五可得到与空气压力差ΔP的值大致在以下范围内变化：

$\mathrm{\Δ}P\∈(0.0066*n^2{L}^2+0.6V_f^2-11.8*L,0.0066*n^2{L}^2+0.6V_f^2+11.8*L)$

由此可见，在当前风速v_f不变的条件下，空气压力差ΔP主要取决于出气口142距离叶根11的轴向距离L和发电机转速n。发电机转速n越大，空气压力差ΔP越大；出气口142距离叶根11的轴向距离L越远，空气压力差ΔP越大。

在发电机转速n范围一定时，将出气口142距离叶根11的轴向距离L大于预设距离L₁，即可使ΔP大于等于预设的空气压力差值ΔP₁，进而保证舱室与出气口142之间有足够大的空气压力差ΔP能够形成运动气流。

当叶轮开始旋转后，在舱室内部的发热元件产生热量的同时，根据上述计算可知，舱室与出气口142处的空气压力差ΔP也随之产生。在此压力差的驱动下，舱室内部的空气将通过冷却通道和空气导管100向出气口142流动，同时发电机内部其他地方的空气或者外部的空气将补充至舱室，此对流过程能够将舱室内部的热量散至出气口142周围空间。在风机启动至满发过程中，随着风速和叶轮转速的不断增大，舱室内的发热元件的发热量也会不断增加，舱室内部与出气口142处的空气压力差ΔP也随之增大，相应地，散热装置的散热效率也在增加，除冰效果也越明显。同时，舱室和出气口142处的空气温度差越大，本除冰装置的效率也就越高。

实施例二的叶片除冰装置通过设置冷却通道，将舱室与风力发电机叶片1的进气口141相连通，当风力发电机叶片1随轮毂2转动时，舱室内的空气压力会大于风力发电机叶片出的空气压力，进而会产生运动气流，气流可将舱室内的热量通过冷却通道和叶片空气通道，最后经出气口142带走，同时将冷气流引入舱室以实现对舱室的降温。本实施例的叶片除冰装置在不增加电机和控制装置的情况下有效的利用发电机自身的转动解决了舱室散热的问题，降低了生产成本和运行能耗，减轻了发电机的重量。

此外，本实用新型实施例的叶片除冰装置不依赖于电机驱动，随发电机运行而运行，可靠性好，故障率低。当发电机转速较高，发热量较大时，本除冰装置的除冰效率也相应提高；当发电机停止运行时，本除冰装置也停止运行，不需要额外的控制装置控制。

下面以为发电机内腔散热除冰为例对本实施例的叶片除冰装置进行进一步的说明。

具体地，发热元件可包括例如发电机，舱室包括第一舱室40，第一舱室40是发电机的内腔；冷却通道包括第一冷却通道。

具体地，发电机包括转子和定子，发电机的内腔是指转子和定子形成的空间，在运行过程中，转子和定子会发热；第一冷却通道包括：转子支架连接口41，其贯穿转子支架4并与第一舱室40连通；空气导管100，其一端连接转子支架连接口41，另一端连接风力发电机叶片1的进气口141。

此外，风力发电机叶片1的进气口141通过轮毂2上的叶片安装口与轮毂2的内腔相连通。由此，空气导管100可以在轮毂2的内部与进气口141相连接。

通过设置转子支架连接口41和空气导管100。当轮毂2在风力发电机叶片1带动下旋转时，转子支架4和空气导管100与轮毂2同步旋转。由于转子支架连接口41与第一舱室40始终保持连通，当轮毂2旋转时，第一舱室40内的空气依然可以通过转子支架连接口41和空气导管100进入叶片空气通道14中进而从出气口142排出，带走第一舱室40内的热量。另一方面，冷气流从外部补入第一舱室40，从而实现对第一舱室40的降温。优选地，转子支架连接口41设置在转子支架4的锁定销开口处。

此外，轮毂2上设有开口22；空气导管100的一端设置在轮毂2的外部，并与转子支架连接口41相连接；空气导管100的另一端通过开口22进入轮毂2内部，并与风力发电机叶片1的进气口141相连接。

优选地，如图2中所示，在轮毂2的外部设有固定支架21，固定支架21将空气导管100固定在轮毂2的外部，使得空气导管可以随轮毂2和转子支架4同步旋转。通过这样布置空气导管，可使得第一冷却通道与叶片空气通道14在转子转动时也能始终保持连通的状态，保障冷却气流的流动通畅，达到稳定、可靠、连续的散热除冰效果。

下面结合具体数据对除冰装置用于第一舱室40的效果予以进一步说明。

第一舱室40的设置位置通常靠近发电机转轴的轴线。在本实施例中优选地，将出气口142设于风力发电机叶片1的叶尖处，出气口142距离叶根11的轴向距离L基本等于叶片的长度。

例如，叶片长度可以取60m。舱室平均高度与出气口142的平均高度的差值Δh在大约(-60，60)之间变化。空气密度ρ取1.205kg/m³，重力加速度g取9.8m/s²，则依据公式三，ρgΔh∈(-709,709)。

第一舱室40内部空气流动速度V₁可以取0m/s，叶尖处空气流动速度V₂由公式四计算得出。例如，v_f可以取15m/s，转速n可以取17.3r/min，根据公式五可以算出v_ω大致为108.6m/s；然后公式四可以算出V₂大致为109.6m/s。

将上述数据代入式三可得，ΔP大致在6500-7900范围内变化，其单位为Pa。

由上述数据可知，在发电机转动时，可在第一舱室40与出气口142之间产生比较大的空气压力差ΔP，在空气压力差ΔP作用下第一舱室40内部的空气将通过第一冷却通道和空气导管100向出气口142流动，同时发电机内部其他地方的空气或者外部的空气将补充至第一舱室40，此对流过程能够将第一舱室40内部的热量散至出气口142周围空间，实现对风力发电机叶片1外表面结冰处的加热，进而达到除冰的目的。

实施例三

图4是本实用新型的实施例三的叶片除冰装置的结构图。实施例三的叶片除冰装置与实施例二中为第一舱室40散热的实施例不同之处在于，实施例三的叶片除冰装置可为不同于第一舱室40的第二舱室50散热。第二舱室50可以是容纳变流器或者主控开关柜的舱室，但不限于上述舱室，也可以是其他不同于第一舱室40且有散热需求的舱室。

具体地，第二舱室50与第一舱室40的不同之处在于，第一舱室40为发电机的内腔，第一舱室40通过转子支架连接口41在发电机转子旋转的状态下始终与第一冷却通道、叶片空气通道14和叶片出气口142保持连通；而位于发电机的其他位置的第二舱室不能通过常规的连接管路直接与处于伴随转子转动的风力发电机叶片1内的叶片空气通道14相连通，否则连接管路会由于一端固定连接于第二舱室50，另一端同风力发电机叶片1一起旋转而发生扭转而导致管路的堵塞或者损坏，无法实现可靠的连接。

为此，实施例三的风力发电机冷却装置通过以下结构来解决第二舱室50与风力发电机叶片1的叶片空气通道14的连接的问题。

具体地，发热元件包括变流器或主控开关柜(图中未示出)，风力发电机冷却装置的舱室包括用于容纳变流器或主控开关柜的第二舱室50，冷却通道包括第二冷却通道。

具体地，第二冷却通道包括：转接机构5，其包括第一接口和第二接口，第一接口和第二接口之间可转动的密封连接；第一连接管200，连接第二舱室50和转接机构5的第一接口；第二连接管300，连接转接机构5的第二接口和风力发电机叶片1的进气口141。

本实施例中通过设置转接机构5，可实现将第二舱室50和转动的风力发电机叶片1上的叶片空气通道14相连通。由于第一接口和第二接口之间可相对转动的密封连接，在实际工作时，第一接口、第一连接管200和第二舱室50相对固定的连接，第二接口、第二连接管300和风力发电机叶片1一起转动，从而解决了连接管路扭转的问题，使得在转子转动时，第二冷却通道和叶片空气通道14之间也保持畅通，进而实现对第二舱室持续稳定、可靠的散热。转接机构5可采用本领域熟知的任意方式，只要能实现第一接口和第二接口的转动密封连接均在本实施例的限制范围内。

在本实施例中，还可进一步的将对第一舱室40和第二舱室50的散热相结合，同时实现对发电机、变流器和主控开关柜的散热。在叶片除冰装置中同时设置第一冷却通道和第二冷却通道，第一冷却通道和第二冷却通道均与叶片空气通道14相连通，在风力发电机叶片1转动时同时实现对第一舱室40和第二舱室50的散热，将热量传递至风力发电机叶片1的外表面。

实施例四

本实用新型的实施例四提供一种风力发电机组，其包括实施例二或实施例三中的叶片除冰装置。通过采用前述的叶片除冰装置，本实施例的风力发电机组可依靠自身叶片的转动为具有发热元件的舱室散热，无需额外设置冷却用的电机，降低了风力发电机组的生产成本，减轻了重量，同时也提高了除冰系统的可靠性，将热量传递至风力发电机叶片1的表面，达到对风力发电机叶片1外表面除冰的效果。

本实用新型实施例提供的风力发电机叶片通过在内部设置叶片空气通道并在外表面设置出气口，当风力发电机叶片随轮毂转动时，在进气口与出气口之间形成压力差，在压力差的作用下进气口处的空气通过叶片空气通道引导至出气口排出；通过设置防回流装置，可防止空气或者雨水等从外部进入叶片内部进而影响发电机的正常运行。

本实用新型实施例提供的叶片除冰装置通过设置冷却通道，将容纳有发热元件的舱室与风力发电机叶片的进气口相连通，当风力发电机叶片随轮毂转动时，舱室内的空气压力会大于风力发电机叶片出的空气压力，进而会产生运动气流，气流可将舱室内的热量通过冷却通道和叶片空气通道，最后经出气口带走，同时将冷气流引入舱室以实现对舱室的降温。本实施例的叶片除冰装置在不增加电机和控制装置的情况下有效的利用发电机自身的转动解决了舱室散热的问题，更重要的是，能够将发热元件产生的热量对结冰处进行加热，解决了风力发电机叶片1表面结冰的问题，降低了生产成本和运行能耗，减轻了发电机的重量。

本实用新型实施例的风力发电机组无需增设冷却电机，成本低、重量轻，可靠性高，并能随着发电机转速的增加自动调整冷却气流的流量，散热性能好，将多余热量用于对结冰处进行加热，避免了风力发电机叶片1翼型变化、叶轮质量增加、叶轮不平衡度增加、风机载荷增加等情况的出现。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。