一种背风型风力机的制作方法

本发明涉及一种背风型风力机，属于具有背风m型风轮的风力机技术领域。

背景技术：

风能是可再生能源的重要组成部分。自19世纪70年代起，风力机装机数量迅速增加。风力机的尺寸显著增大。由于陆上风电在高风速区装机量趋于饱和，开发低风速风场、分布式风电是风电产业的近期热点。低风速风力机的显著特点之一是拥有较长的叶片以增加扫掠面积。同时海上风电也在迅猛发展，降低海上风能度电成本costofenergy,的迫切需求驱使风力机叶片长度不断增加。上述两个场景是风力机风轮直径不断增加的行业需求之缩影。风力机单机功率有望达到10-20mw级别，风轮直径增至150-250m范围。

随着叶片的增长，叶片的质量以长度的三次方或亚三次方增加。三叶片的20mw风力机的单个叶片质量会超过75000kg。迅速增加的叶片质量对风力机的其他部件如塔筒、主机架、变速箱等也提出更高要求，导致整机的设计制造难度及总成本迅速增加。在叶片长度超过一定阈值后，叶片变长带来的发电收益增速会小于整机成本的增速，引起coe的升高。因此，抑制叶片质量三次方或亚三次方增加的趋势是coe继续降低的保障。叶片质量的降低可以通过“内部”性能强化如新材料和结构优化等、“外部”受力改善如减小风轮气动载荷和“约束”条件放宽如增大叶尖-塔架防撞间隙等来实现。开发利用新材料受限于成本，结构优化也不能从根本上改变质量的三次方增加规律。在满足发电要求的前提下，减小风轮极限载荷和疲劳载荷可以通过自适应叶片、先进控制方法和附件如变桨控制、尾缘襟翼、尾缘插片等实现。风力机长柔叶片质量的迅速增加主要是为了保证叶片刚度，或者说叶尖-塔架防撞间隙阈值严重限制了叶片减重的可能性。迎风预弯叶片、风轮的锥角和仰角设计是增大叶尖-塔架间隙的常用手段。但是这些设计不能支撑风力机达到20mw级别，必须要进行创新型设计。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种背风型风力机，背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风m型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。

为达到上述目的，本发明提供一种背风型风力机，包括风轮和风轮旋转机构，风轮包括若干个叶片，若干个叶片的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮的竖向横截面呈现m型。

优先地，风轮旋转机构包括轮毂、机舱和塔架，若干个叶片的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂的背风侧，轮毂的迎风侧转动连接机舱，机舱固定设置在塔架上端，塔架下端固定设置在地面上。

优先地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮的竖向横截面呈现m型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮受载逐渐增大，风轮的竖向横截面从m型逐渐向v型过渡，在过渡到v型的这一过程中风轮的竖向横截面呈现帽子的形态，称为hat型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮的竖向横截面呈现v型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮的竖向横截面在侧视图中近似呈现u型。

优先地，风轮和轮毂拥有共同的旋转中心轴线，风轮旋转平面线与旋转中心轴线垂直；

以叶片内端的叶片积叠线所在直线为x轴，以迎风侧垂直于x轴方向所在直线为y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线与水平面的夹角为倾角θt，θt∈[-30°，30°]，叶片的内端所在的叶片积叠线与风轮旋转平面线的夹角为θb，θb∈[0°，90°]，叶片的内端底端所在的叶片积叠线底端与直角坐标系的x轴重合。

优先地，叶片的弯曲形态由叶片积叠线控制，叶片积叠线采用分段函数控制；在x轴和y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线在不同的展向位置x处沿y轴方向的偏移距离ybend可以由公式1求得：

式中xr＝x/r为相对叶片的展向位置，x为实际叶片的展向位置，r为叶片在x轴上的投影长度，a为弯曲型线的控制指数，a为任意实数，且a不等于0；当ybend>0时，a和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。

优先地，向上时所受垂直方向力q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力q2，也即q1<q2,叶片在旋转到竖直向上时所受合力f1与水平线的夹角为θ1，叶片在旋转到竖直向下时所受合力f2与水平线的夹角为θ2,夹角满足关系θ1＜θ2。

优先地，包括2-4个叶片，叶片围绕轮毂环形分布。

优先地，叶片外端顶端与塔架的水平距离l满足l>0.25m。

本发明所达到的有益效果：

本发明对背风型风力机的创新设计，采用特定的曲线形式构造叶片的积叠线形态，叶片以一定角度安装在轮毂上形成背风m型风轮，风轮在未受载或者轻微受载状态下近似呈现m型或者帽子型，在额定风速附近近似呈现v型，在高风速时近似呈现u型，实现载荷降低，在不增加风轮折叠机构的基础上实现背风型风轮的自动变形。背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风m型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。

附图说明

图1为本发明在未启动或低于额定风速运行时的侧视图；

图2为本发明的风轮叶片积叠线的不同形态的示意图；

图3为本发明中叶片积叠线在x轴的不同展向位置处沿y轴方向的偏移示意图；

图4为本发明采用分段函数控制的几种不同叶片积叠线形态示意图；

图5为本发明风轮呈现v型时叶片位于最上方和最下方时的叶片受力示意图。

附图中标记含义，1-风轮；2-轮毂；3-机舱；4-塔架；1-1-叶片；1-2-叶片积叠线；1-3-旋转中心轴线；1-4-风轮旋转平面线。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种背风型风力机，包括风轮1和风轮旋转机构，风轮1包括若干个叶片1-1，若干个叶片1-1的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片1-1围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮1的竖向横截面呈现m型。在现有技术中是存在v型的锥角风轮，而本发明风轮1最大的特点是静止时就是m型，风轮1会随着风速增大逐渐变形。

进一步地，风轮旋转机构包括轮毂2、机舱3和塔架4，若干个叶片1-1的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂2的背风侧，轮毂2的迎风侧转动连接机舱3，机舱3固定设置在塔架4上端，塔架4下端固定设置在地面上。

进一步地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮1的竖向横截面呈现m型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮1受载逐渐增大，风轮1的竖向横截面从m型逐渐向v型过渡，在过渡到v型的这一过程中风轮1的竖向横截面呈现帽子的形态，称为hat型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮1的竖向横截面呈现v型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮1的竖向横截面在侧视图中近似呈现u型。

进一步地，风轮1和轮毂2拥有共同的旋转中心轴线1-3，风轮旋转平面线1-4与旋转中心轴线1-3垂直；

以叶片1-1内端的叶片积叠线1-2所在直线为x轴，以迎风侧垂直于x轴方向所在直线为y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线1-3与水平面的夹角为倾角θt，θt∈[-30°，30°]，叶片1-1的内端所在的叶片积叠线1-2与风轮旋转平面线1-4的夹角为θb，θb∈[0°，90°]，叶片1-1的内端底端所在的叶片积叠线1-2底端与直角坐标系的x轴重合。

进一步地，叶片1-1的弯曲形态由叶片积叠线1-2控制，叶片积叠线1-2采用分段函数控制；在x轴和y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线1-2在不同的展向位置x处沿y轴方向的偏移距离ybend可以由公式1求得：

式中xr＝x/r为相对叶片的展向位置，x为实际叶片的展向位置，r为叶片在x轴上的投影长度，a为弯曲型线的控制指数，a为任意实数，且a不等于0，如图4所示，本发明中a取值-5、-1、0.7、1.5、2和5；当ybend>0时，a和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。

进一步地，向上时所受垂直方向力q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力q2，也即q1<q2,叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力f1与水平线的夹角为θ1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力f2与水平线的夹角为θ2,夹角满足关系θ1＜θ2。

进一步地，包括2-4个叶片1-1，叶片1-1围绕轮毂2环形分布。

进一步地，叶片1-1外端顶端与塔架4的水平距离l满足l>0.25m。

公式(1)的优点是只采用一个变量a便可以控制弯曲型线。当控制指数|a|>1时，公式表达平滑弯曲叶片，当|a|≤1时为折叠叶片。规定ybend>0时，a和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。

本装置采用背风型配置，即来流风先流过塔架4和机舱3，然后流过背风m型风轮1，叶片1-1的弯曲形态由叶片积叠线1-2控制。风轮旋转平面线1-4-即叶片的内端旋转所形成平面上的、穿过轮毂2中心的铅垂线所在直线。

若干个叶片组成的风轮在静止或者风速较低时在侧视图中近似呈现m型。随着风速增大，风轮受载增大，风轮从m型逐渐向v型过渡，过渡过程中近似呈现一定帽子的形态，称为hat型，在额定风速时风轮近似呈现v型。叶片1-1所受合力与叶片展向平行，使叶片结构主要承受拉伸作用，而传统的迎风型风轮叶片的受载情况类似于悬臂梁。在风速过大超过额定风速时，风轮在侧视图中近似呈现u型，此时风轮在风轮旋转平面上的投影面积大幅减小，实现卸载功能。本装置中的背风m型风轮1在不同风速下呈现不同姿态，可以降低叶片1-1的极限设计载荷要求或者设计强度要求，使叶片1-1可以被设计的更柔、更轻，继而可以降低叶片1-1的成本。同时，整机的其他部件也因载荷降低而降低成本，最终实现整机成本降低；本发明中额定风速是指风力机达到额定发电功率时的外界环境风速。

叶片1-1在旋转到高空的位置即位于轮毂2上方时，在风轮半径r处受到风给予的推力t1要大于叶片1-1旋转到低空即位于轮毂2下方时的推力t2，也即t1>t2；叶片1-1在旋转到指向天空时，在理想状态下重力与离心力数值近似相等方向相反；叶片1-1在旋转到指向地面时，重力与离心力近乎同向。在离心力和重力共同作用下，叶片1-1在旋转到竖直向上时所受垂直方向力q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力q2，也即q1<q2。叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力f1与水平线的夹角为θ1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力f2与水平线的夹角为θ2，夹角满足关系θ1＜θ2。

θt为旋转中心轴线1-3与水平面的夹角，θb为坐标系的y轴与风轮旋转平面线1-4的夹角，l为叶片(1-1)外端顶端与塔架(4)的水平距离，θ1为所受合力f1与水平线的夹角，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力f2与水平线的夹角为θ2，q1为叶片在旋转到竖直向上时所受垂直方向力，q2为叶片在旋转到竖直向下时的垂直方向力，叶片1-1在旋转到竖直向上时所受合力为f1，叶片1-1在旋转到竖直向下时所受合力为f2。

当旋转中心轴线1-3与水平面的夹角θt<0时，整个风轮呈现“低头”姿态，这与传统迎风式风轮通常采用的“抬头”姿态不同。当风轮近似呈现v型时，倾角θt<0使得叶片积叠线1-2在风轮半径r处的切线与合力方向更加贴近，进而使叶片1-1尽量多的承受拉伸载荷，充分发挥材料的性能，使得叶片可以被设计得更轻，达到进一步降本的效果。

在叶片坐标系的y轴与风轮旋转平面线1-4的夹角θb＞0°时，轮毂2需要做特殊设计，以使得叶片1-1以夹角θb安装在轮毂2上。

综上所述，本发明应用范围较广，可以使用于陆地和海上风力机，对大型风力机减重降本，降低coe有重要作用，对于风力机大型化和海上风电场的发展具有重要意义。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。