專利名稱：可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(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)向的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及 方向以增加輸出扭矩的升力型立軸風(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(zhǎng)。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(biāo)志著我國 能源策略進(jìn)入新的時(shí)期，同時(shí)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(chǔ)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(chǔ)量約為7.5億千瓦。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2005年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量126萬千瓦，相對(duì)于2004年增長(zhǎng)64%， 2007年中 國除臺(tái)灣省外新增加風(fēng)電機(jī)組3155臺(tái)裝機(jī)容量，裝機(jī)總量330.4萬千瓦。與2006年當(dāng)年新 增裝機(jī)133. 7萬千瓦相比，2007年當(dāng)年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率為147.1%。到2007年底累計(jì)裝機(jī)容 量為590. 6千瓦，上網(wǎng)電量估計(jì)約52億千瓦時(shí)。2008年我國的裝機(jī)總量為12152MW比之前 的總量翻了一番,位居世界第3位。
已有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖1所示，來流攻角較小時(shí)，升力系數(shù)隨著攻角的增大而增大； 當(dāng)來流攻角大于翼型最大升力攻角(失速攻角)時(shí)，流動(dòng)出現(xiàn)分離，使得升力系數(shù)下降，同 時(shí)導(dǎo)致壓力分布前后不對(duì)稱，出現(xiàn)所謂的壓差阻力，使阻力系數(shù)急劇上升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對(duì)上述根本性的問題而提供一種可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型 立軸風(fēng)力發(fā)電裝置控制其葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向抑制氣流在大攻角的分離，從而提高風(fēng)力 機(jī)的風(fēng)能利用率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是在葉片適當(dāng)位置(一般為曲率較大的輪廓位置上) 裝上廣N個(gè)旋轉(zhuǎn)軸或者控制整個(gè)葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向(如圖2所示)以抑制大攻角下氣 流分離。
通過凸輪連桿機(jī)構(gòu)控制葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與來流保持為一定的理想攻角(大于普通葉片 的最大升力攻角)(如圖3所示)，并通過電機(jī)控制葉片上旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及速度，使葉片 在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中始終與來流方向成大攻角的情況下，氣流不發(fā)生分離，以提高葉片的升力系數(shù)減小其阻力系數(shù)。如圖4所示，葉片在HAB和DEF段為主要的做功段，在BCD和FGH段為調(diào) 整過渡段，葉片在HAB段時(shí)，由攻角調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)葉片攻角與來流方向保持一定的攻角，同 時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片上輪軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，葉片在BCD段時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)過渡，同時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)葉 片輪軸由順時(shí)針旋轉(zhuǎn)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過渡，葉片在DEF段與來流保持一定攻角，同時(shí)輪軸逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn)，在FGH段葉片旋轉(zhuǎn)過渡同時(shí)輪軸由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)向順時(shí)針過渡(圖4中Wi為i位置時(shí) 的來流方向，Li為葉片在i位置時(shí)產(chǎn)生的升力方向)。
其具體的結(jié)構(gòu)原理如圖4、圖5、圖6所示風(fēng)向改變時(shí)，尾翼(2)上方的風(fēng)向標(biāo)由于 力矩的作用將與風(fēng)向保持一致，同時(shí)調(diào)整凸輪(5)的方向。中空的懸臂(6)與發(fā)電機(jī)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(gè)滾針(11)頂靠著所述凸輪(5)的凸輪槽(14)中，所述連桿機(jī)構(gòu)是頂桿(7)外端與 一根連桿(10)鉸聯(lián)，連桿(10)與葉片鉸鏈，使葉片繞旋轉(zhuǎn)中心(12)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)法蘭盤(9) 在電機(jī)主軸(1)上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與懸臂(6)內(nèi)部的頂桿(7)聯(lián)在一起的滾針(11)在凸輪(5) 的凸輪槽(14)滾動(dòng)，滾針(11)驅(qū)動(dòng)頂桿(7)在懸臂(6)內(nèi)腔中滑動(dòng)，與頂桿(7)連在 一起的連桿(10)就會(huì)驅(qū)動(dòng)葉片圍繞葉片旋轉(zhuǎn)中心(12)轉(zhuǎn)動(dòng)，頂桿(7)上行程開關(guān)(15) 驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)(8)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)從而改變?nèi)~片的攻角及輪軸轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期。
根據(jù)以上構(gòu)思，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案-
一種可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片、尾翼和風(fēng)輪驅(qū) 動(dòng)的電機(jī)主軸，其特征在于所述葉片為可控制其表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)的葉片，其 控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)是通過一個(gè)調(diào)控裝置來實(shí)現(xiàn)的，所述調(diào)控裝置的結(jié)構(gòu)是 所述尾翼帶動(dòng)一個(gè)凸輪，所述凸輪驅(qū)動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，所述連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)葉片隨轉(zhuǎn)動(dòng)相位的 變化調(diào)整與來流的攻角以及其輪軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。
上述葉片上裝有控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的輪軸與伺服電機(jī)，所述尾翼是一個(gè)轉(zhuǎn)軸上端 固定連接的風(fēng)向標(biāo)，尾翼上的風(fēng)向標(biāo)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(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；所述各葉片兩端垂直安裝在上下兩根中空懸臂 外端部，其中一根中空的懸臂與所述發(fā)電機(jī)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(gè)滾針頂靠著所述凸輪的凸輪槽中，所述連桿機(jī)構(gòu)是頂桿外端與一根 連桿鉸聯(lián)，連桿與葉片鉸鏈，使葉片繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)法蘭盤在電機(jī)主軸上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與懸 臂內(nèi)部的頂桿聯(lián)在一起的滾針在凸輪的凸輪槽滾動(dòng)，滾針驅(qū)動(dòng)頂桿在懸臂內(nèi)腔中滑動(dòng)，與頂 桿連在一起的連桿就會(huì)驅(qū)動(dòng)葉片圍繞葉片旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn) ，頂桿上行程開關(guān)控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn) 與反轉(zhuǎn)從而改變?nèi)~片的攻角及輪軸轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期。上述的葉片可安裝1 30個(gè)輪軸以控制葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向。上述的風(fēng)輪將2 30個(gè)葉片中心軸繞著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸對(duì)稱安置。上述的風(fēng)輪的半徑為0. 001m 1000m,垂直高度為0. 001m 1000m。
上述的葉片可根據(jù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和風(fēng)速矢量關(guān)系使翼型幾何弦與轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向成-30° 30°夾角。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實(shí)質(zhì)性突出特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電裝置，采用控制葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的方式提高葉片升力，適用于任意來流風(fēng)向，所涉及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，能有效的提高葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的升力減小其轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，有效的提高風(fēng)能利用率。


圖1是普通葉片在大攻角下氣流分離示意圖。
圖2是本發(fā)明可控表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的葉片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明可控表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的葉片繞流示意圖。
圖4是本發(fā)明可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置的葉片在各個(gè)位置運(yùn)動(dòng)變化示意圖。
圖5本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5示例的懸臂處剖視圖。
圖7是圖5示例尾翼和凸輪結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下
實(shí)施例一參見圖5，本可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片4、尾翼2和風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主軸1，所述葉片4為可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)的葉片，其控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)是通過一個(gè)調(diào)控裝置3來實(shí)現(xiàn)的，所述調(diào)控裝置3的結(jié)構(gòu)是所述尾翼2帶動(dòng)一個(gè)凸輪5，所述凸輪5驅(qū)動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，所述連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)葉片4隨轉(zhuǎn)動(dòng)相位的變化調(diào)整與來流的攻角以及其輪軸13的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，三個(gè)葉片4均布在直徑10m的圓周上，葉片4通過上下兩根懸臂6固聯(lián)于法蘭盤9上。法蘭盤9通過電機(jī)主軸1連接下方的發(fā)電機(jī)。尾翼2通過凸輪5調(diào)整葉片迎風(fēng)面。
葉片翼型采用NACA0018翼型，如圖6、圖7所示，翼弦長(zhǎng)lm。在翼型前緣裝一直徑為80mm的輪軸，其后端裝一伺服電機(jī)8，伺服電機(jī)8通過皮帶驅(qū)動(dòng)輪軸13。尾翼2的轉(zhuǎn)軸16通過鍵17與所述凸輪5連接，頂桿7穿于中空的懸臂6中， 一端與連桿10鉸聯(lián)，另一端與滾針ll鉸接，滾針11置于凸輪5的凸輪槽14中。懸臂6靠近葉片的尾端處安裝行程開關(guān)15控制伺服電機(jī)8的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)葉片居于上風(fēng)向時(shí)，控制伺服電機(jī)8驅(qū)動(dòng)輪軸13順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，居于下風(fēng)向時(shí)控制伺服電機(jī)8驅(qū)動(dòng)輪軸13逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
凸輪5的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于凸輪槽的設(shè)計(jì)，取葉片在一周運(yùn)動(dòng)中均布的24個(gè)位置時(shí)攻角改變時(shí)的頂桿運(yùn)動(dòng)情況擬合出滾針11的運(yùn)動(dòng)軌跡。上述的葉片4可安裝1 30個(gè)輪軸(13)。
上述的風(fēng)輪上共有2 30個(gè)葉片4繞著風(fēng)輪中心呈軸對(duì)稱安置。上述的葉片4的翼型幾何弦與轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向成-30° 30°夾角。
權(quán)利要求
1、一種可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，包括葉片(4)、尾翼(2)和風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主軸(1)，其特征在于所述葉片(4)為可控制其表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)的葉片，其控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向和攻角調(diào)節(jié)是通過一個(gè)調(diào)控裝置(3)來實(shí)現(xiàn)的，所述調(diào)控裝置(3)的結(jié)構(gòu)是所述尾翼(2)帶動(dòng)一個(gè)凸輪(5)，所述凸輪(5)驅(qū)動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，所述連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)葉片(4)隨轉(zhuǎn)動(dòng)相位的變化調(diào)整與來流的攻角以及其輪軸(13)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征 在于將所述葉片(4)裝有控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的輪軸(13)與伺服電機(jī)(8)，通過 行程開關(guān)(15)控制伺服電機(jī)(8)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)從而改變?nèi)~片的攻角及輪軸(13)轉(zhuǎn)向與 轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征 在于將所述的尾翼(2)上的風(fēng)向標(biāo)由于力矩的作用將與風(fēng)向保持一致，尾翼(2)的轉(zhuǎn)軸(16)通過鍵(17)與所述凸輪(5)連接，凸輪(5)隨尾翼(2)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；所述 各葉片(4)兩端垂直安裝在上下兩根中空懸臂(6)外端部，其中一根中空的懸臂(6) 與所述發(fā)電機(jī)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(gè)滾針(11)頂靠著所述凸輪(5)的凸輪槽(14)中，所述連桿機(jī) 構(gòu)是頂桿(7)外端與一根連桿(10)鉸聯(lián)，連桿(10)與葉片(4)鉸鏈，使葉片繞旋 轉(zhuǎn)中心(12)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)法蘭盤(9)在電機(jī)主軸(1)上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與懸臂(6)內(nèi)部的頂桿(7)聯(lián)在一起的滾針(11)在凸輪(5)的凸輪槽(14)滾動(dòng)，滾針(11)驅(qū)動(dòng)頂桿(7) 在懸臂(6)內(nèi)腔中滑動(dòng)，與頂桿(7)連在一起的連桿(10)就會(huì)驅(qū)動(dòng)葉片圍繞葉片旋轉(zhuǎn) 中心(12)轉(zhuǎn)動(dòng)，以使來流與葉片保持大攻角。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征 在于尾翼(2)驅(qū)動(dòng)凸輪(5)與風(fēng)向一致，通過凸輪(5)的凸輪槽(14)驅(qū)動(dòng)的頂桿(7) 在驅(qū)動(dòng)葉片在主要做功段，上風(fēng)向做功段和下風(fēng)向做功段與來流保持大攻角、在過渡段調(diào) 整攻角的同時(shí)，頂桿(7)還通過控制固定于懸臂(6)上的行程開關(guān)(15)控制電機(jī)(8) 的正反轉(zhuǎn)來控制葉片(4)上的輪軸(13)在上風(fēng)向做功段順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在下風(fēng)向做功段 時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在過渡段時(shí)實(shí)現(xiàn)輪軸轉(zhuǎn)向改變的轉(zhuǎn)換。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征 在于所述葉片(4)上裝有1 30個(gè)輪軸(13)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于共有2 30個(gè)葉片中心軸繞著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸對(duì)稱安裝。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征 在于葉片(4)的翼型幾何弦與轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向成-30° 30°夾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可控葉片表面運(yùn)動(dòng)速度及方向升力型立軸風(fēng)力發(fā)電裝置。它包括葉片、尾翼和風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主軸。葉片為可調(diào)整攻角和控制表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的葉片，葉片攻角的調(diào)整和表面運(yùn)動(dòng)速度及方向的控制是通過一個(gè)調(diào)控裝置來實(shí)現(xiàn)的，該調(diào)控裝置的結(jié)構(gòu)是尾翼帶動(dòng)一個(gè)凸輪槽，凸輪槽驅(qū)動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)葉片隨轉(zhuǎn)動(dòng)相位的改變而改變?nèi)~片與來流的攻角，在改變攻角的同時(shí)控制葉片上可運(yùn)動(dòng)的表面轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向的改變，實(shí)現(xiàn)葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中大攻角下抑制氣流分離提高升力以有效的提高風(fēng)能利用率。本發(fā)明能提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，適用于任意來流風(fēng)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)F03D9/00GK101660502SQ200910196578
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者羅大海, 磊 蔣, 鄧召義, 波 陳, 黃典貴 申請(qǐng)人:上海大學(xué)