一种海上浮式风电垂直轴风机及叶片的制作方法

1.本技术涉及海上风电设备技术领域，尤其是涉及一种海上浮式风电垂直轴风机及叶片。


背景技术：

2.海上浮式风电的发展趋势是风机容量大型化、阵列化，要求风机效率提高的同时，浮体对风机载荷的要求也有提高。
3.现有的垂直轴风力机，如图1和图2所示，其一般包括主轴1和叶片2；所述叶片呈条形结构，使得同一叶片上不同高度处的叶片截面与所述主轴形成相同的相位角。这样结构的垂直轴风机的在海上风电发展中具有很多优势：自适应不同方向来风，无需偏航；对风机结构、工作速比低、风速要求不高；制造安装维护成本低；利用多机组阵列和对转布置平衡风机和浮式基础受到的风载荷，最大程度降低浮式风电系统耦合运动对风机性能的影响。
4.但现有的垂直轴风机，由于叶片呈条形结构，因而也存在如下的缺陷：
5.1、主轴和叶片所受载荷都不是恒定的，增加载荷的波动性，不但无法输出平稳的功率，而且还会增加疲劳断裂风险。
6.2、叶片攻角有效范围有较大不确定性，所以在一定范围内叶片可能处于不做功状态，叶片工作效率较低，导致垂直轴风机的自启动性能也较差。


技术实现要素：

7.为此，本技术所解决的技术问题在于提供一种海上浮式风电垂直轴风机及叶片，其不但叶片工作效率较高，而且还可以有效地降低叶片载荷的波动性，降低疲劳断裂风险，而且还有助于提升启动性能。
8.为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案内容具体如下：
9.一方面，本技术提供一种海上浮式风电垂直轴风机叶片，包括：
10.一种海上浮式风电垂直轴风机叶片，包括叶片本体，所述叶片本体呈螺旋状结构。
11.进一步地，所述叶片本体的上端与下端之间形成一螺旋角；所述螺旋角的取值范围是30
°‑
100
°
。
12.更优选地，所述螺旋角为60-100
°
。
13.更进一步地，所述叶片本体的形状函数为troposkien曲线。
14.另一方面，本技术提供一种海上浮式风电垂直轴风机，包括：主轴和上述任意一种叶片；所述叶片的上端和下端分别对应固定在所述主轴的上端和下端上。
15.进一步地，所述叶片的上端和下端分别对应直接连接所述主轴的上端和下端。
16.进一步地，所述叶片的数量为至少为2个。
17.优选地，所述叶片数量为2个。
18.优选地，所述叶片的数量为3个。
19.更优选地，相邻的叶片之间的角度为120
°
。
20.综上所述，与现有技术相比，本技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
21.本技术的海上浮式风电垂直轴风机及叶片，由于叶片本体呈螺旋状结构，从而使得叶片本体上每个高度处的叶片截面与所述垂直轴风机的主轴形成不同的相位角，从而使得每个叶片本体上的相位角不是某一确定值，而是覆盖一定的数值范围，相对于现有的叶片呈条形结构的垂直轴风机，本技术的叶片整体所受载荷波动减小，所制得的海上浮式风电垂直轴风机的总体载荷波动也减小，输出功率也较为平稳。而且，由于叶片本体上的相位角不是某一确定值，而是覆盖一定的数值范围，因此当风机在任意位置处停机时，叶片本体上总会有叶片区处于合适的相位角，来提供启动力矩，从而提升启动性能。
附图说明
22.图1是现有垂直轴风机的结构示意图；
23.图2为图1的俯视图；
24.图3是本技术的较优选示例性实施例提供的海上浮式风电垂直轴风机的结构示意图；
25.图4是图3的俯视图；
26.图5是本技术的另一个较优选示例性实施例提供的海上浮式风电垂直轴风机的结构示意图
27.图6是图5的俯视图。
28.其中，图1和图2的附图标记说明如下：
29.1、主轴；2、叶片。
30.图3至图6的附图标记说明如下：
31.1、主轴；2、叶片；3、支撑件；α、螺旋角；h、叶片截面的所在高度；d、叶片截面中心到主轴之间的距离；φ为叶片截面中心和叶轮中心的连线与主轴之间的夹角；o为叶轮中心。
具体实施方式
32.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。
33.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.本技术的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨
在以具体方式呈现相关概念。
36.下面结合说明书附图对本技术实施例作进一步详细描述。
37.图3和图4是本技术的第一个示例性实施例提供的海上浮式风电垂直轴风机，其包括主轴1和叶片2；所述叶片包括叶片本体；所述叶片本体呈螺旋状结构。所述叶片的上端和下端分别对应固定在所述主轴的上端和下端上。
38.其中，所述螺旋状结构的制作方式如下：
39.将叶片本体沿其在主轴上的半径扫掠轨迹圆的切线方向进行扭转，使得叶片本体上不同高度处的叶片截面，分别处在不同相位角下。
40.本技术的海上浮式风电垂直轴风机及叶片，由于叶片本体呈螺旋状结构，从而使得叶片本体上每个高度处的叶片截面与所述垂直轴风机的主轴形成不同的相位角，从而使得每个叶片本体上的相位角不是某一确定值，而是覆盖一定的数值范围，相对于现有的叶片呈条形结构的垂直轴风机，本技术的叶片整体所受载荷波动减小，所制得的海上浮式风电垂直轴风机的总体载荷波动也减小，输出功率也较为平稳。而且，由于叶片本体上的相位角不是某一确定值，而是覆盖一定的数值范围，因此当风机在任意位置处停机时，叶片本体上总会有叶片区处于合适的相位角，来提供启动力矩，从而提升启动性能。为了实现叶片与主轴之间的固定，作为本技术的第一个示例性实施例的进一步改进方案，所述叶片的上端和下端分别对应直接固定在所述主轴的上端和下端上。风机在旋转时离心力与叶片所受弯矩抵消，因此叶片内部和其上下两端只承受拉力，从而可以提高叶片的强度，减小疲劳损伤，提升叶片和风机的整体安全性。
41.所述叶片的数量为至少为2个。其中，叶片的数量较多时，可以使叶片受力更加平稳、功率输出更稳定、所制得的海上浮式风电垂直轴风机的结构安全性更强、启动力矩也会更高；而当叶片的数量较少时，所制得的海上浮式风电垂直轴风机所用的材料消耗更少，不但安装成本更低，而且重量更轻。
42.对于风速较高的工况下运行的装机容量较大的大型风力机(例如本实施例)，使用3个叶片的海上浮式风电垂直轴风机，可以有效地保证有较好的启动力矩，并且使功率输出和载荷波动更加平稳，同时安装成本也不会增加太多。更优选当使用3个叶片的海上浮式风电垂直轴风机时，相邻的叶片之间的角度为120
°
，从而使叶片可以均匀地设置在风机的主轴上，从而进一步提高功率输出的稳定性。
43.而对于风速较低工况下运行的装机容量小的风力机(例如其他实施例)，可使用2个叶片的海上浮式风电垂直轴风机，来有效降低安装维护成本。
44.在本实施例中，所述叶片本体的形状函数为troposkien曲线。
45.其中，troposkien曲线(也称为跳绳线)其参数方程如下：
[0046][0047]
其中h为叶片截面的所在高度；d为叶片截面中心到主轴之间的距离；k为叶片本体与主轴的连接点处切线夹角一半的正切值，取值范围为(0,1)；φ为叶片截面中心和叶轮中心o的连线与主轴之间的夹角；f(φ；k)为第一类椭圆积分，数值可根据第一类椭圆积分表查得。
[0048]
而了使所制得的叶片本体更加符合垂直轴风机实际运行的客观条件，减少叶片本体内部的弯矩载荷，进一步降低疲劳断裂风险，作为本实施例的进步一改进方案，需要采用重力来修正troposkien曲线，所以采用重力修正的troposkien曲线的参数方程具体如下：
[0049][0050]
其中，为无量纲化后的叶片截面半径；为无量纲化后的叶片截面至主轴之间距离；为重力加速度与叶轮离心力加速度的比值，根据重力加速度和叶轮离心加速度大小比值确定；为无量纲化后的叶片截面的高度；为微分形式的δ为叶片截面所在位置的切线相对于主轴的偏斜角度；dδ为微分形式的δ，为微分形式的
[0051]
当风机容量增加、叶片载荷较大时，本技术第二个示例性实施例提供的海上浮式风电垂直轴风机，如图5和图6所示，所述叶片的上端和下端分别对应通过支撑件3固定在所述主轴的上端和下端上，不但可以增加叶片与主轴之间的固紧强度，而且还有助于提高风机运行时的安全性和稳定性。作为本实施例的进一步优选，所述支撑件为弹性固紧件，在风速较大的时候，能够有效缓解叶片与主轴连接位处的应力作用，进一步提高风机结构的稳定性。
[0052]
为了获得较好的启动力矩来实现风机的自启动功能，而无需额外增加输入力矩，本技术的第三个和第四个示例性实施例提供的海上浮式风电垂直轴风机，其在本技术第一个和第二个示例性实施例的基础上作进一步改进，具体改进如下：
[0053]
所述叶片本体的上端与下端之间形成一螺旋角α；所述螺旋角的取值范围是30
°‑
100
°
。
[0054]
由于垂直轴风机的静止风载荷力矩系数计算公式如下：
[0055][0056]
其中，q为叶片所受风载荷力矩，ρ为空气密度1.184kg/m3，v为风速，s为垂直轴风机的叶轮迎风面积，r为垂直轴风机的叶轮半径。
[0057]
根据上述静止风载荷力矩系数计算公式，现有的垂直轴风机静止风载荷力矩系数为0.606，而本技术的海上浮式风电垂直轴风机的叶片本体上端与下端之间的螺旋角在不同取值下的静止风载荷力矩系数对比见下表1：
[0058]
表1本技术的海上浮式风电垂直轴风机的叶片本体上端与下端之间的螺旋角在不同取值下的静止风载荷力矩系数对比
[0059]
螺旋角(
°
)静止风载荷力矩系数300.801400.836500.840600.817700.775800.724
900.6751000.6741100.6031200.601
[0060]
由上述表1的数据可知，本技术海上浮式风电垂直轴风机在螺旋角取值为30
°‑
100
°
时的静止风载荷力矩系数均大于现有的垂直轴风机的静止风载荷力矩系数，但是螺旋角取值大于100
°
时，则静止风载荷力矩系数就小于现有垂直轴风机的静止风载荷力矩系数，从而难以满足垂直轴风机对静止风载荷力矩系数的要求。
[0061]
而且，垂直风机在工作时的平均力矩计算公式如下：
[0062][0063]
其中，q为叶轮瞬时合力矩，dθ为角度步长，为叶轮旋转一周的平均力矩。平均力矩代表了叶片获得风载荷力矩的大小。
[0064]
根据上述静止风载荷力矩系数计算公式，现有垂直轴风机工作时的平均力矩为70.796n.m，而本技术的海上浮式风电垂直轴风机的叶片本体上端与下端之间的螺旋角在不同取值下的工作平均力矩对比，详见下表2：
[0065]
表2本技术的海上浮式风电垂直轴风机的叶片本体上端与下端之间的螺旋角在不同取值下的工作平均力矩对比
[0066][0067][0068]
而从表2可知，螺旋角的取值范围在60
°‑
110
°
时，本技术的海上浮式风电垂直轴风机的叶轮平均力矩均高于现有垂直轴风机的工作平均力矩，所以，相对于现有垂直轴风机，本技术的海上浮式风电垂直轴风机可以输出更多机械能，从而大大地提高了风机的发电功率。进一步，本技术的更优选螺旋角的取值范围在60
°‑
100
°
，不但可以满足垂直轴风机对静止风载荷力矩系数的要求，而且还可以增加机械能的输出量，提高海上浮式风电垂直轴风机的发电功率。
[0069]
上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体
实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。