专利名称：水平轴叶栅型多级风力发电机的制作方法
技术领域：
本专利属于动力机械技术领域，具体涉及一种水平轴式风力发电机。
技术背景风力发电是利用可再生能源中，目前较成熟应用最广的技术。特别是其中以螺旋桨叶片的水平轴风力发电机，已成为现代风力发电装置的主流，发展很快。现有水平轴风力发电机中的能量转换部件一风力螺旋桨叶片，材质基本上都采用玻璃钢，玻璃钢叶片可制成符合空气动力要求的复杂翼型形状，材质较轻，但强度、刚性往往不足，故对于大型和超大型风力发电机，趋向发展碳纤维叶片，可是碳纤维叶片生产费用更高，这两种材质，都属于高分子复合材料，长期使用易损坏，废弃后不能回收利用，对环境构成污染，对于很长叶片、运输、使用中较易受损，尤其是在特大风力，沙尘暴、雷电等恶劣环境下。我国内蒙、东北、新疆等地区风力发电机玻璃钢叶片，不同程度上曾经出现受风沙冲击磨损，老化变形、甚至损坏的情况。这种叶片几何形状复杂，材质工艺要求较严、制造成本高，而其他类型的风力发电机结构，技术、效率、性能等还存在不同问题。不能取代普通螺旋桨叶片式水平轴风力发电，只在小功率风力发电方面有所应用。专利圆柱转子型水平轴风力发电机(ZL200520001412. 3)，发明一种以旋转薄壁钢管转子代替螺旋桨叶片的方案，解决了上述玻璃钢叶片存在的问题，但这种转子转速较高，重量和转动惯量较大，结构比较复杂。目前，小型风力机额定功率对应的风速一般在10米/秒以下，中型机额定风速约10 12米/秒，大型机额定风速约12米/秒 15米/秒。相当于5 6级，小于7级大风。但不少风能丰富地区，风速往往超过7级、8级，甚至更大。而目前风力发电机的调速，保护等结构性能的限制。此时仍在额定转速附近，保持原来的额定功率基本不变。使超过额定风速更大得多的风能没有得到利用。由此，能量转换上存在很大的浪费。(实际风速超出发电机额定风速26%，就浪费一倍可输出功率的风能。)
发明内容发明针对普通风力发电机叶片形状复杂，材质刚度、易损、老化、成本高的缺点和不足，提供一种以若干简单叶片组成的叶栅，使风流过叶栅时，其绕流动量变化引起的反作用力和叶片内、外叶面压力差引起的升力，推动叶轮和发电机旋转，发电。成为一种新式水平轴叶栅型多级风力发电机。本发明解决其技术问题的叶轮驱动方案(图1、图4)是围绕叶轮轮毂⑴周向均布几组叶栅(21)，(图4)，每组叶栅又由若干叶片(23)组成，分别固定于轮毂(I)周围，通过传动装置(2)(连轴器、增速器等)或直接驱动多级发电机组⑶(5)离心式控制器(8)。(图1)，其他传动，偏航、调速、限速制动、供电保护系统等均与普通风力机装置相同。本专利叶栅(21)中叶片(23)呈特定柱状，圆孤面或由几个圆弧面组成的翼型，(图4)，叶栅(21)外端有叶端板(22)将每组叶栅的叶片端部连接为一体，风能利用系数较高，同时增大了结构强度和刚性，材质采取薄钢板或薄壁钢管，价格低，形状简单，便于制造，与玻璃钢等材质相比，承载能力、可靠性和寿命更高，成本更低。本发明解决其技术问题的发电方案(图1，图2)是多级风力发电机组，由若干数量相同发电机组成，这几台发电机依次排列装在同一发电机轴(7)上，形成多级发电机。由风轮⑴传动装置⑵驱动。图1是两台发电机，由第I发电机(3)，第二发电机(5)组成两级发电机装置。每一发电机分别以第I励磁系统
(20)，第2励磁系统(9)，通过离心式控制器(8)，控制各个发电机依序发电。使其在风速小于或等于发电机额定风速时，第I发电机励磁发电，输出电能，风速略大于额定风速，继续增大时，控制第二发电机励磁发电。两台各自发出电力分别输出。(同样的方案，还可制成由3台发电机，串连在同一轴的3级发电机装置。)可捕获更大流速的风能，发电量相应更大，风大时比普通一台发电机输出电能成倍增加。更适用风力资源丰富地区，大大提高风力机的性能和经济性。本发明的驱动原理是(图1、图4)，当风以速度W吹向风轮时，风轮任一组叶栅
(21)剖面G-G处(图4)。风轮旋转时对应圆周切向速度为U(图3)，由此和风速W合成，以速度V流入叶栅中每两个叶片组成的通道，受相粼弧形叶片作用，不断转向并加速，最终以速度V1从叶栅出口流出，由此改变气流的动量，形成对叶片内侧的反作用力，同时对于弧形叶型，在流场中沿叶片外侧(凸面)的气流流速，大于沿叶片内侧(凹面)的流速，因此，根据柏努利定理，流速较大的外侧表面相应压力较低，而流速较小的内侧表面压力较高，这两者压力差构成对叶片的升力，与前述气流动量变化所引起的作用力一起，造成对每个叶片的合力，此合力沿G-G剖面周向切线方向的分力T对叶轮轴线的力矩，(转矩)。推动叶轮轮毂(I)传动装置(2)和发电机旋转，将风能转换成电能。本叶栅中叶片产生升力的原理与普通风力螺旋桨叶片相似，但流体动量变化的作用更大，起动切入风速较低，当风速很大，叶栅叶片超速运转时，同样会进入失速状态，使推力减少而阻力大为增加，自动以失速状态，实现调速，还可用普通风力机其他方式的调速系统(6)，(图1)，如侧偏机头等方式进行调速，并以制动方式实施保护。本发明多级发电的原理是(图1，图2，图3)，发电机轴(7)末端装有转盘(10)，转盘(10)两端与带有重块(m)的拨叉架(11)铰接，这样，发电机轴(7)，转臂(10)旋转时，两个重块m在离心惯性力作用下，拨叉架(11)分别可绕各自铰接中心(O1), (O2)转动(图2中双向孤形箭头)。使拨叉架(11)的端部紧压推力盘(12)，推力轴承(13)，作用于推杆的前端，形成推力F(图2)，推杆14后端装有弹簧(18)，弹簧(18)施加于推杆的作用力P与推力F方向相反。第I控制开关(19)位于推杆(14) 一侧，第2控制开关(17)位于推杆(14)另一侦牝这两者沿轴向前后相隔一定距离。每一控制开关都有开关小臂(16)，小臂(16) —端装在控制开关上，另一端支承滚轮(15)，分别可绕各自铰接中心的03、O4摆动一定角度a。(图2)电源A、B(电源来自电网，蓄电池或专用励磁机)，其中，电源A与第I控制开关
(19)、第I励磁系统(20)和第I发电机(3)的励磁绕组C相连，电源B依次与第2控制开关(17)，第2励磁系统(9)，第2发电机励磁绕组D相连，通过各自控制开关上的开关小臂(15)摆动角位移a的大小，及励磁系统，分别控制第1，第2发电机励磁绕组的电压、电流，继而控制第I发电机，第2发电机发电工作状态。当控制开关小臂(15)未摆动，即摆动角位移a = 0时，控制开关处于常开位置。切断电源，以及相连的励磁系统，励磁绕组的电路。励磁电流等于零。发电机不发电，当a>0时，开关导通，随着开关小臂摆角a的增大，励磁电流也逐渐增大，相应地，发电机发电功率也随着增大。图2、图3是本发明，离心控制器(8)、控制开关(19)、(17)依序控制的几种工作状况，其中工况1:(图3a):风轮起动前，或起动后风速很低，角速度《很低时，此时发电机
(7)角速度Q1，相应等于0或很低。离心控制器(8)、转盘(10)、拨义架(11)连同离心重块m同样转速很低。重块m产生的作用力F小于弹簧(18)的作用力P。推杆(14)维持不动。开关小臂(16)也不动，第1、第2控制开关均处于常开位置。所有电源A、B至励磁绕组C、D的电流被截止。(图2)，发电机不发电，叶轮(1)，传动装置⑵只带动发电机轴(7)空转。(空转的阻力矩小，有利于降低起动风速。工况2 :(图3b)，风速较大，叶轮及发电机轴转盘、拨义架角速度值加大。两重块m的离心惯性力增大，导致推力F大于弹簧作用力P，使推杆(14)沿F向位移。通过推杆
(14)上的台肩与其接触的滚轮(15)，推动第I控制开关(19)的小臂(15)产生角位移。开关导通，电源A电流由此经第I控制开关(19)，励磁系统(20)连通第I励磁绕组，形成磁场，使第I发电机⑶发电输出。而第2控制开关(17)的小臂滚轮，与推杆台肩仍相隔一定距离，并未接触。因此仍处于常开。截止电源B至第2励磁绕组的电路。第2发电机空转不发电。工况3 :(图3c)当风速继续增大，角速度《、Co1值，以及力F随之加大，推杆继续位移，第I控制开关(19)的小臂转角a也增大。控制开关及第I励磁系统所控制的第I励磁绕组电流相应增大，直至a值最大位置，第I发电机产生最大的额定功率，而上述第2发电系统仍然不工作，没有电动率输出。工况4 :(图3d)，当风速超过额定风速继续增大，F力也继续增大，推杆继续位移，不仅第I控制开关(19)小臂角位移a继续保持最大，并且推杆(14)台肩接触推动第二控制开关(17)小臂(16)转动，小臂转角a >0直至最大值。电源B通过上述的第2励磁系统(9)，第2发电机励磁绕组，使第2发电机发电，直至也发出额定电功率。实现两台发电机各自同时供电。反之，当风速减少，上述工况程序则反向从图3d —图3c —图3b —图3a指出的程序进行，由两台发电机发电，变成一台发电机发电，风速再低，没有发电输出。以上对2级发电装置工作原理的说明，同样也适用3级以上的多级发电装置。对比普通水平轴风力发电机，本发明的有益效果和优点是1、本专利构成叶栅的叶片翼型是圆弧形或由几个圆弧组成的简单翼型。形状比普通风力螺旋桨简单得多，可用薄壁钢管或钢板直接制造，材质价格及要求低，工艺简单，制造容易，成本只相当对应普通螺旋桨叶片的1/3 1/4。2、钢材强度、刚性远大于玻璃钢，加之本专利叶栅中特定的排列，与叶端端板固定成一体的整体结构，使本专利叶栅结构强度和刚度、承载能力更强。而且钢材表面硬度大。能承受强风、沙石的冲刷，它本身导电，不需要像普通较大叶片中嵌入导电线排的避雷方式，可直接将大的雷电通过叶栅叶片、机架、塔柱传入地下，有很好的防雷电作用，长期使用不会老化，寿命可达30 40年，大约是普通玻璃钢叶片的二倍。3、本发明钢质叶片，弹性模量更大于玻璃和碳纤维等材料，自振频率高，更适应风力大小，各种载荷、随机和周期性变化，频繁振动的工况，便于修复，超过使用期即使报废，回收可重新利用，没有玻璃钢或碳纤维等回收无法利用，造成对环境污染的问题。4、本发明多级发电机装置，既可在风速较低时发挥如普通单级发电较高的效能，更可在超过额定风速时，实现多级联合发电，充分辅获更大风能。遇到7 8级以上大风，相同大小的叶轮，大风时发电功率可提高一倍以上。
图1是本发明水平轴叶栅型多级风力发电机机构图。图2是图1中，离心控制器的内部机构，图3是图2机构中，由推杆(14)和第1、第2控制开关在各个不同工作状态时，相对不同位置、动作，及对应的控制原理图。图4是本发明中由叶栅组成的叶轮、及叶栅受风力作用运转的原理图。图1、图2、图3、图4中1——叶轮轮毂，2——传动装置，3——第I发电机，4——屏蔽隔离板，5—第二发电机，6—调速系统，7—电机轴，8—离心式控制器，9—2励磁系统，10——转盘，11——拨叉架，12——推力盘，13——推力轴承，14——推杆，15—滚轮，16—小臂，17—第2控制开关，18—弹簧，19—第I控制开关，20——第I励磁系统，21—叶栅，22—端板。符号—风轮旋转角速度，Co1—发电机轴旋转角速度，A—第I控制开关电源，B—第2控制开关电源，C—连接第I励磁绕组，
D-连接第2励磁绕组，E1-第I发电机发电输出，E2第2发电机发电输出。F-尚
心力所引起对推杆的推力，P——弹簧作用力。图4中，G-G——叶栅任一旋转半径处剖面，W——风速，U——叶栅G-G剖面对应半径旋转的园周速度，V——由速度W和U合成，进入叶片间的流速，V1——叶片出口流速。T——对应作用于时片(位于旋转平面内)沿切向(的)推力。图3、图4多数字表示的构件与图1，图2相同。
具体实施方式
本发明由叶栅、叶片、叶片端板、叶轮轮毂、传动装置、多级发电机组、励磁系统、离心式控制器组成。其余为发电、传动、偏航、调速、控制、制动保护、塔架、电力变流等系统与现有风力技术相同。叶栅简单可靠、费用低廉，离心式控制器属机械控制，比对应通过传感器、电力电子开关器件更简单可靠、抗震、不受温度等环境影响，成本低，便于维护、制造，实施推广。本发明第I特征是发电机组由多台发电机组成，叶轮轮毂及叶栅组，传动装置，多级发电机组，离心控制器依序沿轴向排列，离心控制器位于发电机轴末端。本专利第2特征是若干个叶栅绕叶轮圆周均布，每个叶栅由若干叶片组成，叶片沿纵向互相平行。第3特征是叶片呈柱状，横断面为圆弧面或由几个圆弧面组成的翼型。[0038]第4特征是叶片的材质是薄壁钢管或钢板，端板位于每个叶栅叶片的外端，并与叶片固定成一体。第5特征是多台发电机装置位于同一发电机轴上，沿轴向依次排列，每台发电机励磁绕组单独连接各自的励磁系统，控制开关，和输入输出电路。第6特征是离心式控制器由转盘，拨叉架，离心重块，推力轴承，推杆，控制开关，弹簧组成，各个控制开关分别位于推杆两则，沿推杆轴间依次排列。以下是本发明的一个实施例名称水平轴叶栅型多级风力发电机发电机数量2台叶轮上叶栅组数量3组叶栅每组叶片数量3片叶轮直径4. 5m工作风速范围3 25m/s可安全承载最大风速60m/s第I级发电机起动风速3m/s额定风速9m/s额定功率3000W第2级发电机起动风速9. 2m/s额定风速11.5m/s额定功率3000W两台发电机同时发电输出额定功率(比单台发电机发电功率大一倍)6000W整个发电机可产生的最大功率8000W额定转速时风能利用系数0. 4。调速方式叶片(空气动力)失速调节。限速方式偏尾式(带制动器)传动方式直接驱动(带大挠度弹性连轴器)塔架塔管，4点拉索固定。塔架高度10m。本发明便于按不同需求和风力大小，可用周一种发电机组成I级(台)型，2级(台)型，或3级(台)型等不同的多级发电机组，形成各种功率系列产品，便于生产、实施、推广，既可用于风能资源一般的区域。更能用于风能资源丰富地区或海上，相应并使发电功率成倍提高，可广泛用于山区、边远地区、海上、工农、林、牧、渔、船舶、军用及单位、家庭等各个场合。
权利要求1.一种水平轴叶栅型多级风力发电机，由水平轴叶栅型叶轮和多级发电机组成，其特征是由叶片、叶栅组成的叶轮、传动装置、多级风力发电组、离心式控制器依序沿发电机轴轴向排列，离心式控制器位于发电机轴末端。
2.根据权利要求1所述的水平轴叶栅型多级风力发电机，特征在于若干个叶栅绕叶轮轮毂园周均佈、每个叶栅由若干叶片组成，叶片沿纵向互相平行。
3.根据权利要求1所述的水平轴叶栅型多级风力发电机，特征在于叶片呈柱状，横断面为圆弧面或由几个圆弧面组成的翼型。
4.根据权利要求1所述的水平轴叶栅型多级风力发电机，特征在于叶片的材质是薄壁钢管或钢板，端板位于每台叶栅叶片的外端，并与叶片端部固定成一体。
5.根据权利要求1所述的水平轴叶栅型多级风力发电机，特征在于多台发电机装置位于同一发电机轴上，沿轴向依次排列，每台发电机励磁绕组单独连接各自的励磁系统、控制开关、和输入、输出电路。
6.根据权利要求1所述的水平轴叶栅型多级风力发电机，特征在于离心式控制器由转盘、拨叉架、离心重块、推力轴承、推杆、控制开关、弹簧组成，各个控制开关分别位于推杆两侦牝沿轴向依次排列。
专利摘要一种水平轴叶栅型多级风力发电机，属于动力机械领域，特征是叶轮由若干组叶栅，每组叶栅又由若干叶片组成。当气流通过每组叶栅叶片之间特定的弧形通道时，气流不断转向并加速，引起动量变化及对叶片的升力。推动各叶片、叶轮、传动装置及多级发电机、离心控制器等一起旋转。并控制各台发电机按风速增大的程度，依次发电。大风时，发电功率成倍增加。同时本实用新型薄壁钢材制成叶片刚性好、强度高、寿命比普通玻璃钢叶片高一倍以上，生产成本仅为普通叶片的1/3～1/4。不会老化，便于回收。可广泛用于风能较丰富及丰富地区，军用、民用、陆地、船舶、海上风力发电等各种场合。
文档编号F03D9/00GK202883250SQ20122044556
公开日2013年4月17日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者雷良榆 申请人:雷良榆