一种仿生膜结构风叶轻质风轮结构的制作方法

本发明涉及风力发电设备，具体为一种仿生膜结构风叶轻质风轮结构。

背景技术：

1、对风力发电机组核心部分风轮(叶片、轮毂)进行降本增效技术研发，满足国家风电产业的发展的重大需求。大自然生物在亿万年的进化过程中对材料的利用极度精确高效，本技术通过研究蝙蝠(翼类)、膜翅目昆虫(翅类)飞行器官的生物构造，结合轻质的膜结构技术，通过人工定向功能改造，形成善于吸能旋转的仿生膜结构风叶，再把这种风叶安装在一种轻质组合式轮毂上形成一种轻质风轮，采用这种风轮结构能降低风轮的制造、运输、安装成本，同时更轻的风轮结构，高效的仿生传能形态、能更加有效的提高风能利用率，从而实现风力发电的降本增效目标。

技术实现思路

1、本发明提出一种仿生膜结构风叶轻质风轮结构，作为膜结构和仿生学在风力发电领域融合应用而产生的一种新型风轮结构。该结构采用极轻的膜材料制作仿生翼(或翅)膜形态的膜面，通过高强度轻质材料制成的骨架进行支撑和塑形，形成节材轻盈的善于吸能旋转的膜结构风叶，能够达到高效利用风能实现降本增效的目的。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种仿生膜结构风叶轻质风轮结构，包括仿生风叶和轮毂结构，至少两组所述仿生风叶环绕轮毂结构设置，仿生风叶包括骨架结构和膜面，所述骨架结构连接轮毂结构以建立同步旋转关系，所述膜面叶采用轻质膜材料，骨架结构支撑所述膜面展开形成仿生翼膜结构风叶或仿生翅膜结构风叶，仿生风叶通过骨架结构塑形改造后再与轮毂结构连接传递转动风能，以将善于依附风力飞行的生物翼或翅结构改造形成善于依附风力旋转的风轮结构。

4、与现有技术相比，采用了上述技术方案的仿生膜结构风叶轻质风轮结构，具有如下有益效果：

5、本方案中采用骨架结构支撑轻质膜材料形成翼(或翅)膜型的仿生风叶(仿飞行生物的蝙蝠翼或昆虫翅)，由于膜材料质量极轻，骨架结构相对于整体结构的叶片也具有更加轻盈和更节省材料的优势，因此相对于现有风力发电机采用的风车叶片，本发明的风轮结构更加轻盈、节材，更加符合当前节能高效、绿色生产的趋势；此外，本方案的仿生风叶模仿飞行生物的翅或翼，飞行生物的翅膀或翼在进化过程中已经形成了高效利用风力飞行的结构，本方案通过仿生设计并对其进行了定向功能的塑形改造，形成空间扭转曲面，使风轮结构更高效地利用风力，更易达到降本增效的目的。生物的翼/翅结构具有良好的风力利用外形，在长久的进化中更接近合理的空气动力学模型，本方案所采仿翼式结构或仿翅式结构，不仅利于轻量化，且能够更高效地将风能转化为旋转动能。

6、进一步优选地，轮毂结构为组合轮毂，组合轮毂包括内轮毂和外轮毂，内轮毂和外轮毂之间设置具有节材效用的连接结构，连接结构用于维持内轮毂和外轮毂同轴心相对固定；组合轮毂采用高强度金属或轻质非金属材质，同时设计为内轮毂和外轮毂通过连接结构构成大刚度组合轮毂的空间结构，形成节材和高刚度的主要特征。

7、轮毂机构具体可以采用强度足够达到要求的轻质合金材料，如铝合金、镁合金等，且组合轮毂的结构相对于传统实体轮毂在维持轮毂机构足够大的刚度的同时还能大幅减轻轮毂重量；骨架结构除了可以采用轻质合金材料外，还可以采用高压充气内胆形成的骨架、中空管桁架结构、空心/多孔树脂骨架等，利用上述对结构和材质的优化进一步使本风轮结构轻量化，从而进一步降低机械损耗，提高效能。

8、进一步优选地，仿生风叶采用仿生翼膜结构风叶，具体采用仿蝙蝠翼的结构，所述膜面为翼膜。蝙蝠飞行所依靠的翼膜，是由其四肢骨骼撑开的皮脂膜所形成，该结构不仅利于捕捉气流，利于借风力实现飞行，而且该骨架支撑翼膜的结构更加轻量化，本身就可以有效降低能量损耗，同时采用空间弧形扭转迎风面，结合翼膜拉索的拉力控制可以更加有效的把风能转化为用来发电的旋转动能，本方案的仿生风叶是由骨架结构支撑膜面形成类似蝙蝠翼的经过人工塑形改造后的形态，具有蝙蝠翼的轻质节材特性的同时还具有高效风能利用性能。同时，根据市场需求，所述仿生翼膜结构风叶可以选择设计成活动式和固定式，采用活动式设计的仿生翼膜结构风叶造价高，但遇到强风可收起、方便运输安装、具有更高的安全性和适用性。

9、进一步优选地，连接结构采用格构式结构，所述格构式结构由若干个分布在内轮毂和外轮毂之间的轮毂拉杆构成，轮毂拉杆采用高强度抗拉材料，轮毂拉杆连接内轮毂和外轮毂，通过轮毂拉杆的强拉限制作用维持内轮毂和外轮毂同轴心相对固定，形成轻质高刚度空间结构。

10、进一步优选地，骨架结构包括主翼骨架和若干个塑形骨架，主翼骨架和塑形骨架共同支撑膜面以塑造仿生风叶的善于旋转的形态结构。

11、进一步优选地，主翼骨架设置至少一个连接节点，连接节点将主翼骨架分成连接段和一个及以上的收展段，连接段连接轮毂结构，连接段的轴心延长线宜尽可能靠近轮毂结构轴心；仿生翼膜结构风叶设置有收展控制拉索，收展控制拉索连接骨架结构与轮毂结构以传递拉力，通过收展控制拉索的拉力作用控制主翼骨架的收展段相对于连接段打开，致使膜面以张拉形式展开，塑形骨架连接在主翼骨架上，主翼骨架和塑形骨架共同支撑膜面以塑造仿生风叶为仿生翼膜结构风叶。

12、进一步优选地，轮毂结构上设有张拉控制锚具ⅰ，主翼骨架的连接段设有张拉控制锚具ⅱ，主翼骨架的收展段以及塑形骨架上均设有连动节点，收展控制拉索两端分别连接张拉控制锚具ⅰ和张拉控制锚具ⅱ，且收展控制拉索依次经过所述连接节点、收展段的连动节点和塑形骨架的连动节点，收展控制拉索控制主翼骨架和塑形骨架进行同步收展动作；仿生翼膜结构风叶还设有翼膜拉索和用于控制所述翼膜拉索拉力方向的控制骨架，翼膜拉索连接膜面远离主翼骨架的一侧边缘，轮毂结构上设有张拉控制锚具ⅲ，翼膜拉索一端连接至最外端的收展段，另一端连接至张拉控制锚具ⅲ，塑形骨架端部连接翼膜拉索，控制骨架连接翼膜拉索，通过控制所述控制骨架长度伸缩或角度旋转以控制翼膜拉索的拉力方向。

13、通过主翼骨架、塑形骨架、收展控制拉索以及翼膜拉索的共同配合作用，塑造和支持膜面形成仿生翼膜形态，基于风力增效曲面特性，膜面的形态塑造为：膜面以近轮毂端为起点呈相对收窄形态，向骨架结构的中远端逐渐延伸变宽，直至再次收窄于骨架结构的最远端。该形态的膜面中远端相对较宽，形成更大面积的空气接触面，能够提高风能利用高效区的占比率，配合膜面空间扭转曲面的塑形改造，提高了风能转化率，达到风力发电增效的目的。在设计阶段，以膜面多个部位的宽度、扭转角度、曲面曲率作为变量，进行风力增效效果测试并获得风力增效曲面，参考风力增效曲面得到风力增效特性最优的膜面形状。通过增设塑形骨架并对塑形骨架的长度和角度进行设计，可以更有效地对塑造膜面的形态，使其维持风力增效曲面。

14、主翼骨架通过收展控制拉索的拉力在轮毂机构上维持展开。连接段与轮毂机构的连接节点作为最主要的受力点，连接段的轴心延长线越靠近轮毂机构轴心，连接节点处压力的力矩越小，可以降低主翼骨架压力造成动态变化影响的程度；收展控制拉索连接锚固点设置在内轮毂上并接近圆的切线方向，可以降低收展控制拉索拉力产生的不利效应同时延切线锚入内轮毂，受力合理更加安全，通过调整收展控制拉索可将对主翼骨架的压力方向引导至指向外轮毂的轴心附近，以达到减少主翼骨架压力动态变化造成不确定影响的效果，降低控制拉索与轮毂机构连接锚固节点的损坏概率。

15、通过控制张拉控制锚具ⅰ和张拉控制锚具ⅱ可以控制收展控制拉索的收紧方向，致使主翼骨架和塑形骨架上的各节点同步受力，以控制主翼骨架及塑形骨架的收合与展开；而连接于膜面边缘的翼膜拉索可以作为支撑和控制膜面形态的介质，通过调整对翼膜拉索的支撑确定膜面的轮廓；控制骨架可根据需要进行伸缩长度调整，且控制骨架相对于主翼骨架的旋转方向可进行侧向摆动，可调整翼膜拉索对膜面的拉力作用以改变膜面宽度和扭转角度，达到不同的风力转换效果，实现根据实际需求调整膜面形态的目的。

16、本发明除了公开了上述技术方案外，还公开了如下的一种技术方案：

17、在本方案中，仿生风叶采用仿生翅膜结构风叶，具体采用仿膜翅目昆虫翅的结构，所述膜面为翅膜。骨架结构包括有主翅骨架和塑形次骨架，塑形次骨架固定在主翅骨架上，塑形次骨架和主翅骨架共同模仿虫翅的翅脉以起到对翅膜的支撑作用，翅膜边缘连接有翅膜缘索，主翅骨架通过主翅固定座连接在轮毂结构上。主翅骨架和塑形次骨架均可采用柔性的高压充气管制成，高压充气管充入高压气体时使得主翅骨架和塑形次骨架处于具有支撑性的绷紧状态，高压充气管放气后软化使得整个仿生翅膜结构风叶可收卷折叠。

18、主翅骨架和塑形次骨架优先采用充气式橡胶类软质材料，如柔性高压充气管(圆管或椭圆管状)；亦可采用蜂窝状非金属高强材料，如树脂。主翅骨架可为单体独立结构，也可采用组合式结构。主翅骨架设置有翅膜关节，翅膜关节将主翅骨架分隔成若干个骨架段，通过翅膜关节固定连接各个骨架段，达到强化连接节点、调整主翅骨架形态的功能，当采用组合式结构的主翅骨架时，可以实现同等样材料用量的情况下获得更加稳定的大刚度主翅骨架结构。

19、本发明还公开了如下的一种技术方案：

20、在本方案中，连接结构采用实腹式板件，所述实腹式板件可设置孔洞和/或凹槽以减重。

21、本发明中所提出的骨架结构，除上述可折叠或可变形的方案外，还可以基于一些针对性的使用场景或基于经济性考虑而做成固定形态的骨架结构，形成固定展开状、不能进行活动收展的的仿生风叶，由于该方案的仿生风叶与上述方案相比仅存在不能折叠的区别，仍应该列为本发明的保护范围内。