一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及风力发电技术领域，即一种互稳结构的风叶及其风力发电机组入口 O
【背景技术】
[0002]随着燃料能源的消耗与枯竭，风力发电机具有清洁、无污染等特点快速发展。风能是再生能源，然而成本则是风电发展的瓶颈。现有的风力发电机多为水平轴三叶式的风力发电机，这种风力发电机成熟可靠、转动速度快、成本相对低，所以被全世界普遍采用。目前水平轴风力发电机的叶片都做得很长，其目的为了提高发电机的输出功率，大功率的风机叶片的直径已经超过70米，塔体总体高度也随之超过百米，使得功率可以达到或超过MW的级别。但是这种结构设计并不完美，受运转状态、抗力矩方法和自身重量的约束等等，三片式风叶发电机存在的问题多，主要表现为叶片接受到的风能面积小、易折断和成本高等问题，表现如下:
[0003](I)截获到的风能面积太小，这是因为三片式风叶的面积本身就小，当然接收到的风能面积也就小；大家都知道风能与空气的质量和风速的平方成正比，用公式表示为E =l/2mv2，这里m是空气的质量(kg)，v是风速(m/s)，E为总风能；吹过风叶的空气质量m =空气密度X面积X风速，在海平面高度和15°C时干空气密度为1.225千克/立方米，综合为风力发电机获得的最大能量=1/2空气密度X面积X风速3(单位为瓦特)，所以风叶获得的功率与风叶的面积成正比，只有加大风叶的面积才能够获得更大的风能。
[0004](2)由于叶片过长，容易造成变形破坏和易被折断的现象发生，这是因为风叶的长度越长，根部与端部的速度差就越大，其根部受到风力作用的弯曲力矩也越大，端部的颤抖作用也越严重；为了克服这些问题，人们需要增加材料的强度，这又使得重量加大；理论计算得出，风叶的长度每增加一倍，则风叶的重量和投资要增加7-8倍，而发电量却仅增加3-4倍左右(由实际宽度决定)，这如同树木那样，如果树木高了一倍，则树的直径也会增加一倍左右，不然就抵抗不了大风，树木的截面积就增加约4倍，那么整个树干的重量约增加7-8 倍。
[0005](3)叶片加长以后，塔架的高度必然随之增加，塔架所受到的力矩也增大，使得总体成本再次增加，另外过高的塔架和过长的叶片都不利于安装和运输。
[0006](4)叶片任何部位都存在着扭矩力，这是因为叶片与风向有一定的角度所致，越靠近根部其扭矩力越大，扭矩的存在对材料强度的要求再次提高。
[0007](5)刚性材料对于抵抗叶片的颤抖以及风暴的突然变化很差，实践证明相同的功率，弹性结构叶片的成本只有刚性结构叶片的1/2左右，但是弹性叶片存在着一系列难以解决的问题，例如叶片与塔架的碰撞问题，合理的结构设计与创新是解决弹性叶片问题的关键。
[0008]综上所述，水平轴发电技术成熟，成本相对低廉，但风叶容易折断、三叶式风叶接收到的风能面积小、风轮漏风量大等缺点，使得投资大、成本高，生产、安装与运输都困难；另外在风速增至12-13m/s时开始弃风，一般到25m/s左右则风机将停机，然而这却是风能最大的时候，使得发电率和平均小时利用率都大幅度降低。
【发明内容】
[0009]本实用新型的目的是提供一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，克服现有技术中的不足，提高风能的利用率，降低成本。
[0010]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括塔架、发电机、可转动立轴、水平支架，水平轴、机前三片式风叶、弹性风叶等组成整体发电机。其特征在于弹性风叶是由多个叶片组成，目的是增加风能的做功面积，相同的面积可以使叶片的长度缩短。
[0011]所述的机前三片式风叶安装在发电机的前面，其体积较小，起着重量平衡与能量叠加的作用，还能够自动迎风的，当然如果不设机前三片式风叶同样可以达到降低成本的目的。
[0012]所述的弹性叶片是由叶片膜、径向骨架、玮向弹性骨架和拉筋组成，其特征在于径向骨架、玮向弹性骨架交叉固定组成为一个稳定的整体，从而减少旋转受力的力矩，弹性叶片安装在发电机的后面。
[0013]所述的弹性风叶整体与水平轴固定在一起，水平轴与发电机连接，同时被轴承座固定在水平支架上面。
[0014]所述的径向骨架固定在轴环上，轴环与水平轴固定为一体，径向骨架可以是弹性材料也可以是刚性材料，或者其根部为刚性端部为弹性的组合体。
[0015]所述的拉筋可以是柔性材料，也可以是刚性材料，每个叶片都有数量一定的拉筋，每个拉筋的一端固定在水平轴上，另一端与径向骨架固定，同时组成相互牵拉的三角形体系，该三角形的平面与水平轴平行，以增加抗风暴的能力；能够抗风暴的原因其一是稳定的三角形结构能够提高强度；其二是弹性骨架本身就具有抗风暴的能力，根据美国专家计算得出，在相同面积时，弹性叶片的成本只有刚性的1/2，因为弹性的稍微变形就可以化解暴风的弯折力和冲击力，起到减轻材料重量和降低成本的作用。
[0016]所述的三角形结构能够消除了叶片扭矩破坏力的原因是:改变了受力状态，把对风叶的整体扭矩分解若干个小的拉力和压力，同时压力全部被拉力抵消，这样就成为了单纯较小的拉力，这种拉力又被拉筋得以保护，所以大幅度降低了成本；同时叶片可以做的比较宽，以提高所接受到的风能面积，达到在较小风力状况时发电的目的；在相同风叶面积的情况下，风叶的长度缩短一倍，成本可以减少40% -50%，再次降低了成本。
[0017]所述的叶片与风向的夹角自动调整，就像枝条那样会根据风力的大小自动调整与风向的角度，直到到合适的角度为止，进一步减小风力的破坏作用。当风力增大时，骨架以及叶片的结合体，在风力作用下使得与风向的角度变小，接收风能的面积也相对减小，这样就不易被大风折断，发电机的塔架也减小了风力作用，不仅大幅度节省了材料成本，而且在暴风时仍然能够发电。
[0018]所述的玮向弹性骨架固定在与之相邻的2根径向骨架之间，组成了新的与水平轴垂直的互相稳定的三角形骨架结构。
[0019]综上所述，在发电机的前面装有一个小型的三片式风叶，可调节重量平衡与能量叠加，在发电机的后面装有多个大面积的弹性叶片，所以能够在较小风力时发电，弹性叶片是由拉筋、叶片膜和骨架结合而成的三角形稳定组合体，拉筋与水平轴固定；径向骨架与玮向弹性骨架交叉固定，又另外组成为一个新的三角形稳定整体，起到减轻材料重量和降低成本的作用，使得风叶总成本只有三叶式风叶1/4?1/6左右，弹性骨架能够随着风力的大小自动调节迎风的角度，不仅能够抵抗暴风，而且在强风时仍然可以发电。强度的提高有望制成大于5MW的世界最大的风力发电机。
【附图说明】
[0020]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0021]图1是本实用新型一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合的正面结构图。
[0022]图2是本实用新型的单片风叶平面结构。
[0023]图3是图1的A-A剖面；反映了本实用新型的弹性风叶整体平面结构。
[0024]图4是本实用新型的弹性风叶整体侧面结构。
[0025]图中1.塔架，2.可转动立轴，3.水平支架，4.机前三片式风叶，5.发电机，6.水平轴，7.轴承座，8.叶片拉筋，9.径向叶片骨架，10-1是外层玮向叶片骨架，10-2是内层玮向叶片骨架，11.叶片膜，12.轴环。
【具体实施方式】
[0026]在图1中，发电机(5)与可转动立轴⑵以及轴环(12)固定为一体，在发电机的前面装有一个小型的机前三片式风叶(4);在发电机的后面装有大面积的弹性叶片，这种叶片与风叶拉筋(8)、径向叶片骨架(9)和玮向叶片骨架(10)组成完整的风叶。
[0027]运行时，在风力的作用下与风向呈一定角度的大面积叶片(8)受风力的作用会带动水平轴(5)转动而做功，达到发电的目的；当风向与风叶不一致时，大面积风叶在风力的作用下会向下风方向移动调整，在风力杠杆作用下迫使可转动立轴(2)转动，弹性风叶到合适的下风位置停留。
[0028]由于风叶的成本低，所以风叶的面积可以增大，在微风时更能够容易发电。
[0029]当风力增大时，径向叶片骨架(9)和玮向叶片骨架(10)以及叶片(11)的结合体在风力作用下迫使与风向的角度变小，接收风能的面积也相对减小了，当然风力对塔架以及风叶的破坏作用就减弱，可以在暴风时继续发电。
【主权项】
1.一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，包括塔架、发电机、可转动立轴、水平支架，水平轴、机前三片式风叶、弹性风叶组成整体发电机；其特征在于弹性风叶是由多个叶片组成。
2.根据权利要求1所述的一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，其特征在于:三片式风叶安装在发电机的前面。
3.根据权利要求1所述的一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，其特征在于:弹性风叶是由叶片膜、径向骨架、玮向弹性骨架和拉筋组成，其特征在于:经向骨架、玮向弹性骨架交叉固定组成为一个稳定的整体，从而减少旋转受力的力矩，弹性叶片安装在发电机的后面。
4.根据权利要求3所述的一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，其特征在于:径向骨架固定在轴环上，轴环与水平轴固定为一体，径向骨架可以是弹性材料也可以是刚性材料，或者其根部为刚性端部为弹性的组合体。
5.根据权利要求4所述的一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，其特征在于:拉筋可以是柔性材料，也可以是刚性材料，每个叶片都有数量一定的拉筋，每个拉筋的一端固定在水平轴上，另一端与径向骨架固定，同时组成相互牵拉的三角形体系。
【专利摘要】一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，在发电机的前面装有一个小型的三片式风叶，可调节重量平衡与能量叠加，在发电机的后面装有多个大面积的弹性叶片，所以能够在较小风力时发电，弹性叶片是由拉筋、叶片膜和骨架结合而成的三角形稳定组合体，拉筋与水平轴固定；经向骨架与纬向弹性骨架交叉固定，又另外组成为一个新的三角形稳定整体，起到减轻材料重量和降低成本的作用，使得风叶总成本只有三叶式风叶1/4～1/6左右，弹性骨架能够随着风力的大小自动调节迎风的角度，不仅能够抵抗暴风，而且在强风时仍然可以发电。
【IPC分类】F03D11-04
【公开号】CN204327421
【申请号】CN201420508916
【发明人】刘荣甫
【申请人】刘荣甫
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年8月27日