具有叶片弯头弯曲部的风轮的制作方法

现有技术已知的是，用于具有水平旋转轴的发电设备的风轮(ep1923567a2，2008年5月21日，f03d1/06)，当其中的叶片手柄安装成具有自垂直平面呈8-10°的迎风倾斜角时，可防止叶片尖端在强阵风期间可能与塔架接触而发生的损坏。在突然袭来的阵风中，该风轮的叶片可仅呈现垂直位置，但叶片尖端不会碰触到发动机塔架。

在现有技术kz28871f03d(2014年8月15日)中，已知的是其中叶片由两部件组成：短根部件以及长翼形部件。短根部件由坚钢制成，覆盖有加强的玻璃纤维护套，并在附接件距离发电设备轮毂的1.5-3.5米处，它具有相反于转子旋转方向30-45°的弯头弯曲部。从附接点到轮毂直到弯曲部的短根部件段称为轴向段，而弯曲部后的段称为套筒段。

所述发明的缺点在于，短部件由铸造锂制成，这会使得在轴向端部与轮毂连接处以及轴向端部与套筒段的内部结构连接处加工金属的技术问题复杂化，其中的套筒段用于连接叶片的翼形部件的手柄。因为玻璃纤维护套与钢制轴向短部件的相容性在不同温度条件(高温和低温)下具有不同的膨胀和压缩程度，所以这产生了一定的技术难度。

在现有技术kz29206f03d(2014年11月17日)中，已知的是其中叶片由两部件组成：短根部件以及长翼形部件。短根部件包括连接到风电设备的轮毂的轴向段以及连接到叶片的翼形部件的手柄的套筒段。这两个部件分别由坚钢制成。轴向段和套筒段以30-45°的角度连接以形成弯头弯曲部。角度弯曲部向后弯曲，以抵抗风轮的旋转。轴向段和套筒段之间的钢缆被拉伸以防止弯头弯曲部发生断裂。

所述发明的缺点在于，轴向段和套筒段(30-45°)的角连接的窄参数形成叶片的短根部件的弯头弯曲部，这限制了长翼形叶片的杠杆作用的可能用途(增加使用其他参数的旋转效果)。关于套筒段骨架与翼形叶片连接轴连接的铰链机构的技术概念和可靠性，其中套筒段的支撑环和翼形叶片的环形突起是单一的，这带来了某些疑惑。因为面向翼形叶片的端部凸缘和弯头弯曲部上的锁紧盘承受着这些机构的附接件的主要负荷，所以缺少对它们的功能的明确说明。

在现有技术fr2863318a1(2005年6月10日)中，已知的是其中叶片手柄具有抵抗风向的弯曲部，并且叶片的长部件相对于手柄的轴线呈一角度位置沿直部经过，该直部被设想为减少由于塔式桅杆之前的前述叶片的通过所产生的空气动力学扰动。弯曲部的一部分表示轴线的延续并且部分地凹入轮毂。与第一部分形成一角度的弯曲部的第二部分位于具有长翼形叶片的直线上，如图8、图9和图10(fr2863318a1)所示，沿其尖端经过与轮毂连接。叶片手柄是一体的，因此杠杆或叶片的作用通过一个支撑件传递，叶片连接到发电设备轮毂，因此手柄的扭曲对于增强叶片旋转和相应的风电设备容量几乎是没有贡献的。

在现有技术wo2008/064678a2中，已知的是其包括风力发电设备叶片，该叶片具有用于安装在圆形变桨轴承中的附接装置，使得叶片的轴线相对于叶片的纵向轴线成一角度设置，这允许主轴存在椭圆形交叉点，并且使得叶片外部与支撑件之间的距离增加，而叶片的前缘迎风向上拉升。

根据说明书，这是通过叶片由两部件组成的事实来实现的：短基座以及长叶片，其中短基座固定在发电设备轮毂上，垂直于主轴的水平轴线，而长叶片安装在短部件的俯仰平面(yuryev-sikorsky装置)上，且可以沿着它的纵轴旋转。这种双部件式装置的主要目的是确保旋转叶片与风电设备塔架的稳定分离“比传统的桨距调节涡轮机更复杂和先进，通过倾斜，叶片可绕其纵向轴转动。”

现有技术(wo2008/064678a2)中，变桨轴承的转动改变两种角度(图7a和图7b)，两个叶片轴向旋转角度404(wo2008/064678a2的图4)和自塔架分离的叶片分离角度(未在图中示出)。这是由于变桨轴承的设计以及相应的叶片在空间中的定向造成的。显然，在角度404＝0时，桅杆和叶片之间的角度也将为零。如果弯曲和倾斜占据主轴的主轴线的横向位置，则长叶片可以占据与设备塔架平行的位置，并且可以在强风流中产生叶片和塔架之间的接触危险(如wo2008/064678a2的图11所示)。

所述发明的缺点在于，短部件与长叶片的接头的不可靠性以及用于控制叶片位置的机构的复杂性(同时需要保持长叶片轴线的倾斜并绕其轴线转动)。该装置适用于作为固定直升机桨叶的机构，并且只能用具有小长度的短件操作。由于叶片重量(在中高容量设备中可达到2至7吨)和风压的影响，可能会使得所有机构的连接快速失效，因此该发明的工业实用性可能会很有限。

已知的现有技术wo2014/185758a1(2014年11月20日)、ep2937557b1，f03d1/06(2017年11月15日)，均为类似于kz29206，f03d(2014年11月17日)的类似发明。

在现有技术kz32278f03d(2017年7月31日)中，叶片由两部件组成：短弯头部件和长翼形部件。本发明考虑了作者在发明设计中的某些遗漏，特别是叶片的轴向段和套筒段的角连接在10-80°之内增加，具有弯头弯曲部的叶片的短部件的设计发明的技术有效性被确定，其中使用叶片的长翼部件的附加轴向段和角连接来增强施力力矩。在此，f＝f1+f2。在此提供了一种可靠且新型的将叶片的短弯头部件的套筒段与叶片的长翼形部件连接的方法，其中的套筒段包括三列双环形支撑件。

本发明的目的是创造一种风轮(转子)设计，该设计有效地利用具有风捕获系数(yanson，2007)大于16/27的自由入射风运动带来的动能。

本发明的技术效果是，由于风轮的特殊设计而增加了风能利用率，并减少了风电设备的材料消耗和重量。

这是通过以下事实实现的：为了有效利用入射自由风流，新型转子设计中的叶片形状成型为曲棍球棒(图5)。在要求保护的转子设计中，叶片由两部件组成：具有弯头弯曲部的短根部件(图1a、图1b、图5和图6)和长翼形部件8(图5和图6)。叶片的短弯头部件被分成轴向段3(图1a、图5和图6)，该轴向段3固定在安装在风力涡轮机的主轴2(图5和图6)上的轮毂9(图1a、图5和图6)，以及与长翼形部件8连接(图4、图5和图6)的套筒段4(图1b、图5和图6)。轴向段和套筒段相对于附接件的主轴线以10-80°的角度(弯头弯曲部)连接，并且该角度与叶片的旋转方向相反(图5和图6)。

在轴向段和套筒段的接头处所确定短弯头部件的弯曲角度(在10-80°之间)取决于由翼形叶片的平面上的入射风流产生的高阻力。当弯曲角度小于10°时的连接强度存在技术问题，因为它增加了翼形部件的重力的弯曲压力，该弯曲压力被空气动力学风压的扭矩和叶片上的反向风带来的扭转效应放大。当风轮叶片的弯头弯曲部的角度增加超过80°，则会增加对风流的阻力，产生额外的空气动力载荷。当轴向段和套筒段之间的弯头弯曲部的角度为30-60°时，实现了风轮设计的双杠杆系统的更优化的空气动力学效果。

出于技术原因，在工厂现有条件下制造单件式短弯头部件是困难的。因此，叶片的短弯头部件的轴向段和套筒段均用坚钢分别制成。它们的设计在使用不同的转子类型的用途时是通用的。

短根部件的轴向段和套筒段的尺寸和长度取决于使用原理和风力发动机的计划容量。为了通过具有两个施力支撑臂(臂)的杠杆形叶片的设计特征来获得高效率，本文提供了转子设计的两种变型。

在风轮选项1(qayq1jelqalaq1)中，弯头部件的轴向段长度为1.5-5米(叶片长度的1/10-1/20)，其根端连接到风电设备9(图1a和图5)的轮毂。在加强轴向段和套筒段的连接设计时，作为杠杆臂的叶片的长翼形部件以相对低的长度提供高机械力。在规定的叶片长度(根据现代风力发电设备的比容量计算)中，使用我们的转子设计可以将风力发电机的容量以显著量放大。

在自然风压强烈的地方，我们建议使用风轮选项2(qayq1jelqalaq2)设计，其中短弯头部件3(图6)的轴向段在轮毂外圈外延伸0.2-1.5米(面对弯曲侧)。轮毂内部是具有工人进入开口31(图6)的中央卷筒(drum)30(图6)，用以允许技术工作来维修轴向段和套筒段的机构。风力发电设备的轮毂可以等于或略大于机舱的宽度，但不会影响设备的空气动力负荷。

下面的附图中示出了本发明的转子叶片设计的基本差异，以及它们的连接的部件的形状和结构。图1示出了叶片短弯头部件的轴向段(图1a)和套筒段(图1b)的结构示意图；图2示出了短部件的套筒段与翼形叶片的端轴的连接点的横截面；图3示出了翼形叶片的轴的横截面，其具有三个插入式分段环形突起；图4示出了短部件的轴向段和套筒段的连接以及套筒段与翼形叶片的端轴的连接；图5示出了完全组装的风轮叶片，其中轴向段和套筒段的长度为1.5-5米(风轮选项1)；图6示出了组装的风轮叶片，其中轴向段的长度较短，为0.2-1.5米(风轮选项2)；图7示出了在传统转子设计的叶片中的力施加点；图8示出了具有弯头弯曲部的叶片的力施加点；以及图9示出了带龙骨的翼形叶片的末端。

叶片短弯头部件的轴向段(图1a)和套管段(图1b)的结构细节包括以下：设备轮毂1(其连接到发动机的主轴)、轴向部分圆柱形骨架3、套筒段圆柱形骨架4、轴向和套筒段壁12、顶部边缘突起5(用于连接轴向段和套筒段)、弯曲部6内侧的附加钢筋边缘和壁、边缘孔10、套筒段环形支撑件13以及用于连接到翼形叶片的套筒段端面14。

轴向段呈中空圆柱形状(图1a)，并且通过螺栓(未示出)连接到风电设备轮毂开口9的壁。轴向部分面向弯曲部的一端具有椭圆形，沿轴的轴线和套筒段之间的半弧线倾斜地斜穿过它们的交叉点。斜面自旋转方向向外指向(图4、图5和图6)。沿着圆柱形开口的整个周边是侧边缘5，用于固定短弯头段的两个部段。该边缘的顶侧，位于弯曲部的内部分之上，使用附加钢筋6加强。边缘的侧面和背面均具有向下的斜面，充当圆柱形壁到边缘的过渡。沿着边缘的周边，钻出必要数量的孔10，用于与套筒段螺栓连接。

套筒段可以略短于或等于轴向段的长度。套筒段具有圆柱形状(图1b)并且实际上在设计中复制了环形段。套筒段的不同之处在于具有三个双环形支撑件13(图1b和图2)，其支撑翼形叶片17(图2)的根轴的突起的支撑部，并具有安装在其侧面的轴承18(图2和图4)。套筒的面向轴向段的端部还具有沿轴的轴线和套筒段之间的半弧线倾斜的倾斜开口，所述开口穿过它们的交叉点。斜面指向套筒的外端。倾斜的开口由侧边缘5(图1b)限定边界，并且它的面对弯曲部的顶边缘通过附加的加强筋6来增强。盖边缘的侧面和背面具有向下的斜面，充当圆柱形壁到内壁边缘的过渡。沿着套筒段的倾斜端部的边缘的周边是预定数量的孔10，其容纳具有短弯头部件的轴向段的螺栓连接件11(图4)。

长翼形叶片8(图4、图5和图6)由玻璃纤维制成，并且其空腔包含由具有复合材料的玻璃纤维制成的叶片压紧梁25(图4)。

翼形叶片与短弯头部件的套筒段的连接通过由钢制成的叶片端轴15(图4)形成。轴骨架具有中空圆柱形状，其外侧光滑，并且在外端具有环形支撑扩展边缘22，并且在另一[端]上多面星形和光滑圆柱形端部(未示出)逐渐变窄。支撑环形轴边缘22通过螺栓24固定到长翼形叶片骨架根部加强件23上(1983年11月1日的美国专利4,412,784，frg发明de19733372c1f03d1/06，1999年1月7日)。翼形叶片的轴同时支撑叶片沿其轴线的旋转。

图2示出了套筒段的附接件和翼形叶片的轴的连接点的纵向切口、套筒段骨架4、套筒段环形支撑件13、翼形叶片轴壁15、轴加强件16、带有轴承18的插入式可拆卸环形突起17、轴壁和内置突起孔19、以及固定螺栓20。在此有两种类型的轴承：指型和球型。指形轴承横向安装在侧边缘上，而球形轴承安装在可拆卸环形突起的外侧，位于轴壁和内置突起孔之间。它们的目的是使横向环形支撑件与套筒段的环形支撑件紧密接触，并使轴沿其轴线容易转动。轴壁和可拆卸突起可具有在轴承座圈中开口的管状通道(未示出)，并且在轴腔侧具有润滑配件。图3描绘了翼形叶片轴壁15及其三个插入式分段突起17的横截面。

如下所述，长叶片的轴附接到短弯头部件的套筒段。三个分段环形突起17在安装有指型轴承18的套筒外部平面上插入在套筒段骨架的支撑环13(图2)之间。然后，长叶片连接轴15安装在套筒段的开口上。插入突起通过螺栓20经由孔19固定到叶片轴。在可拆卸环形突起的连接水平高度上，叶片轴骨架具有加强壁16，以保护其免受破损和损坏。在翼形叶片的侧面上，套筒段的端部由单件式或两半式环形凸缘21紧密地封闭，所述凸缘21在内边缘中配备有橡胶密封件(未示出)。后者提供保护，防止水分和污垢进入套筒段的支撑环和翼形叶片的连接轴的环形突起的轴承之间。凸缘通过螺栓(未示出)固定到套筒段骨架的支撑环上。轴的端面具有阶梯式变窄的多面星形装置，然后其也变窄为圆柱形。轴的刻面部分用于通过环形凸轮28(2008年6月18日的jp4104037，f03d7/00或另一发明)固定液压转动机构29，该环形凸轮28支持翼形叶片在各种风流速度下沿其轴线旋转及定位。锁紧盘26是单件式或两半式，其安装在翼形叶片的轴的圆柱形端部上。它们通过螺栓27固定到套筒段的外环形支撑件上。

连接短弯头部件的套筒段和长翼形叶片的端轴的机构也可以具有其他设计特征。例如，套筒段的双端环形支撑件可以是仅位于圆柱形骨架的端部的两对，并且叶片连接轴因此将具有两对可拆卸突起。在现代转子中用于将叶片手柄与风力涡轮机轮毂连接的同样可以支撑叶片围绕其轴线的旋转的其他结构，也可用于连接套筒段和长翼形叶片的端轴。

叶片中的弯曲以及相应的叶片弯头强度对风速的扭转效应的影响，特别是当风力增强时，引起了一定的担忧。在新的风轮设计中，叶片的翼形部件上的风的空气动力学压力通过弯曲部的弯头传递。短根部件和弯头弯曲部在两个方向上经受压力。第一个是垂直方向上翼形部件由风的气动压力的扭矩放大的重力，第二个是由于相对的风作用在叶片的翼形部件上而产生的扭转效应。随着叶片长度的增加，这些作用会更加明显。

叶片弯曲的技术坚固性，对重力作用下弯头弯曲部“断裂”的问题的克服以及作用在叶片的长翼形部件上的风流阻力是通过加强位于侧面的弯曲部(通过加强轴向段和套筒段的顶部边缘的附加钢筋6(图1和图2))的事实来实现的。另外，轴向段和套筒段通过缆索7(图2、图3和图4)紧紧地紧固，以减少短弯头段的轴向和套筒部分的弯曲和(多个)连接载荷。在缩短的轴向段的情况下(图6)，缆索7在风力涡轮机轮毂中的套筒段和中心盘30之间被紧固。在重力和风压的影响下，使用缆索可以可靠地固定长翼形叶片的拉力。缆索的使用是在悬索桥结构中经过充分测试的连接方式，其承受类似的负载。在短弯头的轴向段和套筒段的边缘上的侧向钢筋可靠地防止由于受到来自风压的正面作用的扭转力矩下而发生的断裂。

利用风力发电的关键点在于提高自由通过的风的动能捕获系数。因此，必须在扫掠区域中实现到翼形叶片表面的高风流密度并且“捕获”更多的风流质量，从而确保扫掠区域内的风流具有明显的空气动力学效果。

已知力矩与杠杆臂(旋转中心-此处，主轴-施加力点之间的距离)成比例。根据这个假设，在具有直叶片的操作风轮中，叶片杠杆f1的力施加点是风电设备的轮毂的半径，从主轴的轴线到叶片手柄附接到风力涡轮机轮毂的附接点(图7)。

我们的发明的不同之处在于叶片的短段由两部分组成：轴向段，沿自轴线到轮毂边缘的连接线延伸，以及轴向段以10-80°角(更有效地，30-60°)连接到的套筒段。这产生了两个杠杆支点和两个力施加点(图8)。

如果我们将风轮设计的功能转化为杠杆定律，则通过增加轴向分段力f2来进一步放大力矩f1，并且连接到长翼形叶片的套筒段的角位置充当一个杠杆，风力通过两个支点(弯头弯曲部和轴向段与设备轮毂的连接点(图8))传递。叶片短部件的轴向段是构成附加力矩的连杆(f＝f1+f2)。传递的附加力与轴向段长度(取决于风力发电设备的计划容量，为0.20-5米(连杆f2))的增加成比例。然而，它的效率将取决于后者的长度与翼形叶片的关系，这主要由实现风流动力的高效率的付出以及叶片设计的安全保护准则确定。

在小型风力发电设备中，具有弯头弯曲部的风轮的益处可能不那么显著，因为在快速旋转的情况下，叶片还遇到来自尚未参与运动循环的空气质量的增加的阻力。在转子速度为每分钟11-16转的中型和高容量风力发电设备中，带有弯头弯曲部和两个支点以及位于一侧的两个施力点的叶片设计将比直叶片更能传递额外的力效应。我们的设计在保持中型和大型风力发电设备叶片的现代设计长度的同时，为将容量增加两到三倍、应用强大的发电机以及减少材料和财务支出创造了真正的基础。

叶片的长翼形部件与叶片根部的轴向附接成10-80°角的位置有助于放大风流的运动，并且风流在机翼平面上的密度有所增加。如果是位于直叶片上，风流会从中心(此处，从风电设备轮毂)到周边的距离，在叶片之间的膨胀空间中自由地流出，而我们设计的长转子叶片，假定是角位置相对于与轮毂的附接轴线，在风流的压力下始终保持不变。基于杠杆原理的本发明的叶片或转子设计的不同之处在于具有两个臂和位于一侧的两个力施加点，其特别设计为容易克服密集风流的阻力。

作为替代选择，我们要求保护一种龙骨32(图9)形状的附加结构装置，其横向于其平面地安装在翼部8的端部。该龙骨的高度为45-50cm，这对于从端部分离的风流是相当大的障碍。该装置具有三角形形状，在迎风侧较低(20-25cm高)，并且在后部略微伸长20-25cm，达到45-50cm高。龙骨的基部从翼部的边缘向后突出，并且三角形伸长部在顶部后部延伸。在叶片末端存在限制龙骨还有助于沿翼形部的整个长度产生高风流密度。

我们发明的叶片设计在风力发电设备中的应用，通过杠杆系统的原理，通过不同的传动比分为短弯曲部件和长翼形部件，两个臂和位于一侧面的两个支点，产生额外的力效应，大大地超过使用直设计叶片时的力效应。这增加了风流(能量生产者)的旋转力系数，并且还使得可以减小叶片长度并降低风力发动机机舱和塔架的重量。这使我们能够增加每单位扫掠面积的年单位电力的产生，同时降低所消耗材料和所进行的工作的每千瓦时能量成本。

引用的参考文献

专利文件

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·kz28871f03d

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·wo2014185758a1,ep2937557b1

·kz32278f03d

非专利文件

·yansonr.a.windturbines.baumanmoscowstatetechnicaluniversity,2007.

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种风轮，包括主轴、风力发电设备轮毂以及由短部件和长翼形部件两部件组成的叶片，短部件具有以成角度连接的轴向段和套筒段，所述角度为30°-45°，长翼形部件的端轴与套筒段连接以及通过支撑装置与轴承连接，其特征在于，每个叶片包括两部件：带有轴向段(1a)和套筒段(1b)的短弯头部件以及长翼形部件(4.8,5.8)，其中短弯头部件由钢制成，位于从它的连接处到轮毂的距离为1.5-5米或0.20-1.5米处，并且在轴向段和套筒段的接合处具有相反于风轮的旋转方向的角度为10°-80°的弯头弯曲部，并且短弯头部件的套筒段具有带有三个双支撑环(1.13,2.13)的圆柱形骨架并且连接到叶片的翼形部件，所述翼形部件的根端设有空心钢轴(2.15)，所述空心钢轴具有三个具有轴承(2.18)的可拆卸突起(2.17)，其中轴通过张紧螺栓(4.22)与翼形部件的骨架连接，其中在套筒段邻近弯头弯曲部处设置液压机构(4.29)，所述液压机构通过允许叶片沿其轴线旋转的凸轮连接到翼形部件的轴的端部。

2.根据权利要求1所述的风轮，其特征在于，所述短部件的轴向段为1.5-5米长并且以成一角度连接到套筒段，其中它们的连接点面向内弯曲部的边缘具有钢筋(1.16)，并且所述短弯头部件的两段均通过缆索(4.7)张紧。

3.根据权利要求1所述的风轮，其特征在于，所述短部件的轴向段为0.2-1.5米长并且以成一角度连接到套筒段，其中它们的连接点面向内弯曲部的边缘具有钢筋，其中支撑弯头弯曲部的缆索(6.7)在位于轮毂上的中心盘(6.30)和叶片短弯头部件的套筒段(6.4)之间张紧。

4.根据权利要求1所述的风轮，其特征在于，所述风轮的具有弯头弯曲部的短根部件构成一杠杆，所述杠杆具有两个臂和位于一侧的两个支点，设计成有效地杠杆利用穿过叶片的翼形部件的高密度风流。

5.一种制造风轮的方法，所述风轮包括主轴、风力发电设备轮毂和由短部件和长翼形部件两部件组成的叶片，短部件具有以成一角度连接的轴向段和套筒段，长翼形部件在它的根轴端通过用于固定和安装轴承的装置连接到套筒段，其特征在于，每个叶片包括两部件：带有轴向段和套筒段的短弯头部件以及长翼形部件，其中施加力的主臂等于从主轴的轴线延伸到叶片与直叶片风力涡轮机中的轮毂的接合处，f1通过轴向段的附接而放大，所述轴向段构成了附加力矩力f2，并赋予更大的空气动力学效果f＝f1+f2，其中套筒段以10°-80°成一角度地安装在轴向段上，所述角度与风轮的旋转方向相反，而带有轴承的可拆卸环形突起插置在套筒段上的双环形支撑环之间，之后安装翼形叶片的圆柱形骨架轴，其中可拆卸突起用螺栓拉紧到轴上，而轴的端部边缘用螺栓固定在叶片的翼形部件的根部骨架上。