一种水平轴尾鳍型桨叶式风力发电装置的制作方法

1.本发明涉及一种利用风能发电的新技术。


背景技术：

2.我国现有的风力发电技术，自引进至今已有30多年，然而，我国现有的风电技术全都是照搬欧美的技术，毫无实质性创新，尤其是大容量风电技术仍由欧美主导，5mw以上大容量风力发电机组的关键零部件和自控系统仍需从国外进口，随时都有断供的风险。而欧美现有的风力发电技术开始于20世纪初，截止目前，现有的风力发电技术与20世纪初的技术相比，没有任何实质性创新，扩大单机容量的唯一措施仅仅是延长桨叶的长度，而这丝毫不能提高风轮的风能利用率，而风轮的风能利用率低，风力发电的成本就高，经济效益就差。现代的主流风力发电技术效率低，成本高，可靠性差，技术要求高，制造难度大，前期投资大，收益差，后期维护成本高，风大不敢转，风小又转不起来，只适用于大规模集中式电站，但大规模集中式电站投资大，收益差，传输损耗高，电网运行成本高，很难大范围推广。
3.本发明认为，把飞机的机翼结构完全照搬在水平轴风轮上是极不合适的，因为飞机只需要平动而不需要转动，而风轮只需要转动而不需要平动，当飞机飞行时，凹面的阻力越小越有利，但是，当风轮转动时，叶片凹面的阻力不一定越小越有利，因为叶片凹面的阻力也可以转换成推动风轮旋转的周向力，现有的机翼型桨叶虽然配有变桨矩机构，可随时调节桨距角，但桨叶的升力系数或阻力系数不可同时增大，当其凸面上形成的升力系数达到1.2-1.5时，其凹面上形成的阻力系数却不到0.1，而要提高凹面上的阻力系数，其凸面上的升力系数就会迅速下降，这就是现有的水平轴风轮效率低的主要原因。
4.本发明全面分析了现有的机翼型叶片的横截面结构特点，提出了一种全新的尾鳍型桨叶结构，其目的是大幅提高桨叶以及风轮的风能利用率(即风能转换的效率)，并能大幅降低度电工程造价，从而降低用电成本。


技术实现要素：

5.本发明首次提出一种水平轴尾鳍型桨叶式风力发电装置，如说明书附图1 和2所示，定位轴(2)固定在塔筒(1)的顶端，轴套(13)通过轴承(14)与定位轴(2) 联结，平台(12)固定在轴套(13)上，叶片(6)固定在轮毂(5)上，轮毂(5)与主轴(8)联结，主轴(8)由轴承座(7)和增速器(9)支承，主轴(8)通过联轴器(10) 与发电机(11)联结，蜗轮(15)固定在定位轴(2)上，蜗杆(4)与蜗轮(15)咬合，蜗杆(4)通过轴承(17)与蜗杆支架(3)联结，蜗杆(4)与电机(16)联结，蜗杆(4) 与轴套(13)联结。
6.如说明书附图1和2所示，当风驱动叶片(6)转动时，叶片(6)就会带动轮毂(5) 转动，而轮毂(5)就会带动主轴(8)转动，而主轴(8)就会带动增速器(9)转动，而增速器(9)就会带动发电机(11)转动，而发电机(11)就会把叶片转动的机械能转换成电能；蜗轮(15)固定在定位轴(2)上，而蜗杆(4)又通过蜗杆支架(3)与轴套(13) 联结，这样，当电机(16)带动蜗杆(4)转动时，轴套(13)及平台(12)就会转动，叶片(6)就会实现偏航。
7.如说明书附图4所示，本发明提出的尾鳍型叶片的横截面结构除保留机翼型叶片的凸面形状不变外，在其凹面及尾部作了创新性改进，即凹面呈45
°
斜面，且尾部增设尾鳍。
8.本发明首次提出一种水平轴尾鳍型桨叶式风力发电装置与现有的水平轴机翼型桨叶式风力发电装置唯一不同的就是风轮的叶片的横截面结构不同：现有的水平轴机翼型桨叶式风力发电装置的叶片横截面结构为机翼型，而本发明提出的尾鳍型叶片的横截面结构为尾鳍型。如说明书附图5所示，当机翼型叶片的攻角等于15
°
时，该叶片凸面上形成的升力系数等于1.2，而其凹面上形成的阻力系数不到0.1，而当机翼型叶片的攻角大于20
°
时，阻力系数迅速上升，而与此同时升力系数迅速下降，也就是说，机翼型叶片的升力系数和阻力系数不可同时增大，这就会使得叶片的旋转动力大打折扣，使风轮的效率大打折扣。如说明书附图3所示，当叶片攻角α＝15
°
时，升力-周向力系数c
z1
＝cos15
°×cl
＝0.96
ꢀ×cl
；cn＝cos75
°×cd
＝0.25 cd，而阻力-周向力系数c
z2
＝cos15
°×cn
＝0.96
×ꢀ
0.25cd＝0.24cd。
9.而本发明提出的尾鳍型叶片与现有的机翼型叶片在结构上有很大的区别，主要区别在于叶片凹面的结构不同；机翼型叶片的凹面平滑收敛，阻力系数较小，而尾鳍型叶片的凹面凸出，阻力系数较大。如说明书附图4所示，当叶片攻角α＝15
°
时，升力-周向力系数c
z1
＝cos15
°×cl
＝0.96
×cl
，cn＝cos45
°×cd
，阻力-周向力系数c
z2
＝cos45
°×ꢀ
cos45
°×cd
＝0.49cd。
10.由以上分析可知，当攻角α＝15
°
时，尾鳍型叶片与机翼型叶片相比较，升力-周向力系数相等，而阻力-周向力系数相差2倍多，尾鳍型叶片的阻力-周向力系数大得多，我们知道，在叶片的凹面上形成的阻力也可以转换成推动叶片旋转的动力，所以，尾鳍型叶片的风动效率比机翼型叶片的风动效率大2倍多。我们知道，叶片的效率越高，则叶片的长度越短，叶片的制造及安装的难度及成本越低。
11.本发明首次提出的偏航机构采用蜗轮-蜗杆副，这样的偏航机构具有自锁功能，省去了制动装置，此外，蜗轮-蜗杆副的减速比较大，省去了减速器，采用低速永磁电机即可，结构简单，成本低，故障少。
12.本发明的特点：
13.(1).由本发明首次提出的尾鳍型桨叶，在保留机翼型桨叶最大升力系数的同时，成倍地提高了阻力系数，从而大幅提高了桨叶的风动效率，缩短了桨叶的长度，降低了桨叶的制造及安装的难度和成本。
14.(2).由本发明首次提出的偏航机构采用蜗轮-蜗杆副，自带自锁功能，减速比较大，无需另配减速器和制动器，结构简单，成本低，故障少。
附图说明
15.图1：本发明提出的水平轴尾鳍型桨叶式风力发电装置的总装图。
16.图2：本发明提出的偏航机构装配图。
17.图3：本发明提出的尾鳍型叶片的横截面受力分析图。
18.图4：现有的机翼型叶片的升力系数和阻力系数随攻角变化的关系图。
19.图5：现有的机翼型叶片的横截面受力分析图。
具体实施方式
20.如说明书附图1和2所示，定位轴(2)固定在塔筒(1)的顶端，轴套(13)通过轴承(14)与定位轴(2)联结，平台(12)固定在轴套(13)上，叶片(6)固定在轮毂 (5)上，轮毂(5)与主轴(8)联结，主轴(8)由轴承座(7)和增速器(9)支承，主轴(8)通过联轴器(10)与发电机(11)联结，蜗轮(15)固定在定位轴(2)上，蜗杆(4) 与蜗轮(15)咬合，蜗杆(4)通过轴承(17)与蜗杆支架(3)联结，蜗杆(4)与电机 (16)联结，蜗杆(4)与轴套(13)联结。
21.如说明书附图1和2所示，当风驱动叶片(6)转动时，叶片(6)就会带动轮毂(5) 转动，而轮毂(5)就会带动主轴(8)转动，而主轴(8)就会带动增速器(9)转动，而增速器(9)就会带动发电机(11)转动，而发电机(11)就会把叶片转动的机械能转换成电能；蜗轮(15)固定在定位轴(2)上，而蜗杆(4)又通过蜗杆支架(3)与轴套(13) 联结，这样，当电机(16)带动蜗杆(4)转动时，轴套(13)及平台(12)就会转动，叶片(6)就会实现偏航。这样的偏航机构充分利用了蜗轮-蜗杆的自锁功能和较大减速比的优点，省去了减速器和制动器，使偏航机构简单高效故障少。
22.如说明书附图4所示，本发明提出的尾鳍型叶片的横截面结构除保留机翼型叶片的凸面形状不变外，在其凹面及尾部作了创新性改进，即凹面呈45
°
斜面，且尾鳍延长。这样，叶片的凹面及尾部的阻力系数就会大幅增大，叶片的旋转动力就会大幅增大，叶片的风动效率就会大幅增大。
23.附录：风轮实验数据及计算结果
24.1.风轮模型数据：风轮直径为2.2米，叶片等宽宽度为0.4米。
25.2.风速u＝7.5m/s，扭矩mn＝22kg.m，转速n＝30r/min。
26.3.计算：风轮角速度
27.风轮扫掠面积a＝1.12×
3.14＝3.79m228.风轮功率为pn＝mn
×
ω＝22
×
3.14
÷
0.1＝690w
29.风轮扫掠面上总风能
30.风能利用率。