專利名稱：可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電裝置，特別是一種適合于任意風(fēng)向的可調(diào)葉片形狀以提高風(fēng)能 利用率的升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的 發(fā)電方式。近十幾年來，世界風(fēng)力發(fā)電以超過30%的速度增長。伴隨著世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速 發(fā)展，我國也越來越重視風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2005年2月《可再生能源法》的頒布標志著我國 能源策略進入新的時期，同時國家發(fā)改委也提出了大功率風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的布局，我國豐富 的風(fēng)能資源也為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展條件。我國風(fēng)能資源儲量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上 離地面10米高度層的風(fēng)能資源可開發(fā)量為2. 53億千瓦；近海區(qū)域離海面10米高度層的風(fēng)能 儲量約為7.5億千瓦。
經(jīng)統(tǒng)計，2005年底，我國風(fēng)電裝機容量126萬千瓦，相對于2004年增長64%， 2007年中 國除臺灣省外新增加風(fēng)電機組3155臺裝機容量，裝機總量330.4萬千瓦。與2006年當(dāng)年新 增裝機133. 7萬千瓦相比，2007年當(dāng)年新增裝機增長率為147. 1%。到2007年底累計裝機容 量為590. 6千瓦，上網(wǎng)電量估計約52億千瓦時。2008年我國的裝機總量為12152MW比之前 的總量翻了一番，位居世界第3位。
已有的立軸風(fēng)力機，如圖1所示，在風(fēng)速和轉(zhuǎn)動速度合成作用下，葉片在AB、 CD段所受到的 相對氣流分別為W1、 W3所對應(yīng)的升力分別為Fl、 F3，因此葉片在AB段做正功，而在CD段 做負功。而當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動到BC、 DA段時，相對氣流方向分別為W2、 W4，葉片此時不做功或者 做負功。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對上述根本性的問題而提供一種可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝 置，提高風(fēng)力機的風(fēng)能利用率。
為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是通過將風(fēng)力機葉片在垂直于翼型的方向上分成2、 段，通過利用凸輪連桿機構(gòu)控制葉片各段，使葉片在轉(zhuǎn)動到圓周的各個位置上時改變?yōu)轭A(yù)期 的形狀(如圖3所示)，圖3中給出了葉片轉(zhuǎn)動特殊位置(位置I 、 II、 III、 IV)的葉片形狀 圖，其他位置為這些特殊位置間的均勻過渡。其具體機構(gòu)原理如圖2、圖4、圖5、圖6和圖 7所示，風(fēng)向改變時，尾翼上方的風(fēng)向標由于力矩的作用將與風(fēng)向保持一致，同時調(diào)整凸輪 的方向。中空的懸臂與驅(qū)動發(fā)電機的法蘭盤固聯(lián)在一起，當(dāng)法蘭盤在電機主軸上轉(zhuǎn)動時，與懸臂內(nèi)部的頂桿聯(lián)在一起的滾珠在凸輪表面滾動，滾珠驅(qū)動頂桿在懸臂內(nèi)腔中滑動，與頂桿 聯(lián)在一起的連桿就會驅(qū)動葉片前段圍繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，從而改變?nèi)~片的形狀。風(fēng)向一定時， 凸輪位置一定，法蘭盤圍繞電機主軸和凸輪轉(zhuǎn)動，其葉片形狀變化如圖3所示。
為保證葉片的連續(xù)性，將葉片分成2l段，各段之間相接之處做成配合的弧面，如圖10 所示，分段葉片21、 22、 23之間采用弧面配合，在設(shè)計轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，弧面配合能夠很好的維 持葉片表面的自然過渡。
亦可在轉(zhuǎn)接部分內(nèi)設(shè)柔性夾層，利用夾層中彈性修補片實現(xiàn)變形葉片的過渡轉(zhuǎn)接。如圖 IO所示，計算出葉片4分段后極限位置時的分段葉片之間的最大間隙Nmax，設(shè)計葉片9上的 槽深為L,則彈性修補片11長M與L與Nmax的關(guān)系為2L〉M〉L+Nmax，彈性修補片在葉片結(jié)合 時能完全收于槽中，在葉片兩段分離到最大時也不至于甩出。
上述的風(fēng)輪將2 30個葉片中心軸繞著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸對稱安置。
上述的風(fēng)輪的半徑為0. 001m 1000m,垂直高度為0. 001m 1000m。
上述的風(fēng)輪的葉片可根據(jù)設(shè)計的轉(zhuǎn)動速度和風(fēng)速矢量關(guān)系使翼型幾何弦與轉(zhuǎn)動切線方向 成-30° 30°夾角。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片、尾翼和風(fēng)輪驅(qū)動的電機主軸， 其特征在于所述葉片為可彎曲改變形狀的葉片，其形狀的改變是通過一個改變?nèi)~片形狀裝置
來實現(xiàn)的，所述改變形狀裝置的結(jié)構(gòu)是所述尾翼帶動一個凸輪，所述凸輪驅(qū)動一個連桿機 構(gòu)，所述連桿機構(gòu)驅(qū)動葉片隨轉(zhuǎn)動相位的變化而彎曲改變形狀，實現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。
上述葉片分成2~N段，所述尾翼是一個轉(zhuǎn)軸上端固定連接的風(fēng)向標，尾翼上的風(fēng)向標由
于力矩的作用將與風(fēng)向保持一致，尾翼的轉(zhuǎn)軸通過鍵與所述凸輪連接，凸輪隨尾翼的轉(zhuǎn)動而
轉(zhuǎn)動；中空的懸臂與所述發(fā)電機主軸上端法蘭盤固聯(lián)在一起，各懸臂內(nèi)有一根頂桿，頂桿內(nèi) 端通過一個滾珠頂靠著所述凸輪的輪廓，所述連桿機構(gòu)是頂桿外端與一根連桿鉸聯(lián)，連桿 與葉片彎曲段鉸鏈，使葉片彎曲段繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，當(dāng)法蘭盤在電機主軸上轉(zhuǎn)動時，與懸臂 內(nèi)部的頂桿聯(lián)在一起的滾珠在凸輪表面滾動，滾珠驅(qū)動頂桿在懸臂內(nèi)腔中滑動，與頂桿連在 一起的連桿就會驅(qū)動葉片彎曲段圍繞葉片旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，從而改變?nèi)~片的形狀達到預(yù)期。
上述葉片的各彎曲段連接處設(shè)置柔性夾層，夾層內(nèi)插有彈性修補片；葉片彎曲段連接處 端面有深槽，其槽深為L，則彈性修補片長M與L與Nmax的關(guān)系為2L〉M〉L+Nmax， Nmax為 分段葉片之間最大間隙。
上述葉片的各彎曲段之間相接之處做成相配合的弧面，在設(shè)計轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，弧面配合能夠很好的維持葉片表面的自然過渡。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實質(zhì)性突出特點和顯著的優(yōu)點本發(fā)明 提供的風(fēng)力發(fā)電裝置，采用改變?nèi)~片形狀裝置來改變?nèi)~片形狀，適用于任意來流風(fēng)向，所涉 及機構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，能有效的提高葉片轉(zhuǎn)動過程中的升力減小其轉(zhuǎn)動阻力，有效的提高風(fēng) 能利用率。


圖1是已有技術(shù)的升力型風(fēng)力機原理示意圖 圖2是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明可變?nèi)~片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置葉片在各個位置形狀變化示意圖 圖4是圖2示例局部放大圖 圖5是圖2示例尾翼和凸輪結(jié)構(gòu)示意圖 圖6是圖2示例改變?nèi)~片形狀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7是圖2示例的裝配結(jié)構(gòu)示意圖 圖8是凸輪設(shè)計示意圖 圖9是可調(diào)形狀葉片內(nèi)部連桿構(gòu)件的示意圖 圖10是葉片形狀變化示意圖 圖11是可調(diào)形狀葉片內(nèi)部連桿機構(gòu)原理圖
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合

如下
實施例一參見圖2，本可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片4、尾翼2和 風(fēng)輪驅(qū)動的電機主軸1，所述葉片4為可彎曲改變形狀的葉片，其形狀的改變是通過一個改 變?nèi)~片形狀裝置3來實現(xiàn)的，所述改變形狀裝置3的結(jié)構(gòu)是所述尾翼2帶動一個凸輪5， 所述凸輪5驅(qū)動一個連桿機構(gòu)，所述連桿機構(gòu)驅(qū)動葉片4隨轉(zhuǎn)動相位的變化而彎曲改變形狀。 三個葉片4均布在直徑4m的圓周上，葉片4通過懸臂6固聯(lián)于法蘭盤9上。法蘭盤9通過電 機主軸1連接下方的發(fā)電機。尾翼2通過凸輪5調(diào)整葉片迎風(fēng)面。
葉片翼型采用NACA2412翼型，如圖6、圖7所示，翼弦長0. 8m。在翼弦40%處即最大彎 度處將葉片分成前后兩段(葉片后段15及懸臂6和葉片前段14)，將葉片前段14設(shè)計為向 右擺動12° (即向右擺動6°改變?yōu)榻频腘ACA0012翼型，再向右擺動改變?yōu)榉聪虻慕?NACA2412翼型)。葉片前段14的旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在翼型幾何弦與葉片分段線交點上方0. 003m 處，將葉片背部旋轉(zhuǎn)半徑±6°范圍內(nèi)的部分切除(使葉片前段具有旋轉(zhuǎn)空間)并內(nèi)設(shè)夾層，夾層內(nèi)部含有一段彈性修補片11，其長度為0. 035ra，厚度為0. 002m，分段葉片槽深0. 020m。 如圖4、圖5和圖6所示，分段葉片前段14和后段15在極限位置時最大間隙為0.010ni。于 翼型另一側(cè)同樣設(shè)置夾層彈性修補葉片11。葉片前段14旋轉(zhuǎn)中心到連桿10的距離為0. 04m, 連桿10長度為0. 04m。頂桿7穿于中空的懸臂6中， 一端與連桿10鉸聯(lián)，另一端用銷12聯(lián) 接滾珠13，并通過彈簧8將滾珠13壓在凸輪5的表面上。
凸輪5表面分為四段，如圖8所示，在I，K段為橢圓弧，短軸分別設(shè)置為0. 0558m，0.06412m。 H， J段設(shè)置為半徑為0.06m的圓弧。頂桿設(shè)置長為1.9012m。葉片分兩段封住端面。尾翼2 和凸輪5聯(lián)接如圖5所示。
實施例二本實施例基本上與實施例一相同，不同之處是如圖6所示，用滾針16代替 優(yōu)選實施例一中滾珠13并在凸輪上開一個T型槽(凸輪17)以代替實例一中的彈簧8的作 用。其裝配圖如圖6所示。其他與實施實例l相同。
實施例三基本上與實施例一相同，區(qū)別之處在于如圖9和圖11所示，將葉片4分為 三段，甜段21、中段22、后段23，分段葉片以配合弧面處理，葉片能段21、中段22之間的 弧面以旋轉(zhuǎn)中心為圓心，半徑為0.042m，葉片后段23的旋轉(zhuǎn)中心選于翼弦55%處，弧面半徑 為0.039m。葉片前段21的擺動角度為(Tl2。，葉片后段23的擺動角度為0 6° ,連桿24、 25長為0.04m，同鉸聯(lián)在頂桿7外端上。
權(quán)利要求
1、一種可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片(4)、尾翼(2)和風(fēng)輪驅(qū)動的電機主軸(1)，其特征在于所述葉片(4)為可彎曲改變形狀的葉片，其形狀的改變是通過一個改變?nèi)~片形狀裝置(3)來實現(xiàn)的，所述改變形狀裝置(3)的結(jié)構(gòu)是所述尾翼(2)帶動一個凸輪(5)，所述凸輪(5)驅(qū)動一個連桿機構(gòu)，所述連桿機構(gòu)驅(qū)動葉片(4)隨轉(zhuǎn)動相位的變化而彎曲改變形狀，實現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于將所述葉片 (4)分成2 N段，所述尾翼(2)是一個轉(zhuǎn)軸(19)上端固定連接的風(fēng)向標，尾翼(2)上的風(fēng)向標由于力矩的作用將與風(fēng)向保持一致，尾翼(2)的轉(zhuǎn)軸(19)通過鍵(18)與 所述凸輪(5)連接，凸輪(5)隨尾翼(2)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動；中空的懸臂(6)與所述發(fā)電 機主軸(1)上端法蘭盤(9)固聯(lián)在一起，各懸臂(6)內(nèi)有一根頂桿(7)，頂桿(7)內(nèi) 端通過一個滾珠(13)頂靠著所述凸輪(5)的輪廓，所述連桿機構(gòu)是頂桿(7)外端與 一根連桿(10)鉸聯(lián)，連桿(10)與葉片彎曲段鉸鏈，使葉片彎曲段繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，當(dāng) 法蘭盤(9)在電機主軸(1)上轉(zhuǎn)動時，與懸臂(6)內(nèi)部的頂桿(7)聯(lián)在一起的滾珠(13) 在凸輪(5)表面滾動，滾珠(13)驅(qū)動頂桿(7)在懸臂(6)內(nèi)腔中滑動，與頂桿(7) 連在一起的連桿(10)就會驅(qū)動葉片彎曲段圍繞葉片旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，從而改變?nèi)~片的形狀 達到預(yù)期。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于在所述葉片 (4)的各彎曲段連接處設(shè)置柔性夾層，夾層內(nèi)插有彈性修補片(11);葉片(4)彎曲段連接處端面有深槽，其槽深為L，則彈性修補片(11)長M與L與Nmax的關(guān)系為 2L〉M〉L+Nmax， Nmax為分段葉片之間最大間隙。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于將所述葉片 (4)的各彎曲段之間相接之處做成相配合的弧面，在設(shè)計轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，弧面配合能夠很好的維持葉片表面的自然過渡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)葉片形狀升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置。它包括葉片、尾翼和風(fēng)輪驅(qū)動的電機主軸。葉片為彎曲可變形狀的葉片，其形狀的改變是通過一個改變?nèi)~片形狀裝置來實現(xiàn)的，該改變?nèi)~片形狀裝置的結(jié)構(gòu)是尾翼帶動一個凸輪，凸輪驅(qū)動一個連桿機構(gòu)，連桿機構(gòu)驅(qū)動葉片隨轉(zhuǎn)動相位的改變而彎曲改變形狀，實現(xiàn)葉片在轉(zhuǎn)動到圓周各個位置時改變形狀以有效的提高風(fēng)能利用率。
文檔編號F03D3/06GK101560956SQ200910052030
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者磊 蔣, 黃典貴 申請人:上海大學(xué)