本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，尤其是涉及一種可以自動(dòng)跟蹤風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪都采用的是三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其安裝形式多是三葉片以輪轂為中心、徑向向外獨(dú)立伸展，如圖1所示，其中圖中，1為輪轂，2為葉片，這種葉片不會(huì)產(chǎn)生力偶矩，跟蹤風(fēng)向的時(shí)候，對(duì)于小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪需要在尾部加風(fēng)舵，通過風(fēng)舵來跟蹤方向；而對(duì)于大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪，其上設(shè)有風(fēng)向傳感器及機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過風(fēng)向傳感器上的控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)向的控制，但是成本較高。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種成本低廉的、可以自動(dòng)跟蹤風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是：

一種自動(dòng)跟蹤風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪，所述葉輪包括輪轂、輪輻、內(nèi)環(huán)輪輞、外環(huán)輪輞和若干沿圓周布置的平面為折扇形的葉片；

所述輪轂位于葉輪的正中心，所述輪轂軸向兩端各設(shè)有法蘭與輪輻連接；

所述輪輞為與所述輪轂同軸心的圓環(huán)狀，分內(nèi)環(huán)輪輞和外環(huán)輪輞，外環(huán)輪輞直徑為葉輪直徑，其內(nèi)側(cè)與扇形葉片大徑連接，內(nèi)環(huán)輪輞外側(cè)與扇形葉片小徑連接；

所述輪輻的一端分別與輪轂兩端法蘭連接，構(gòu)成軸向雙層輪輻向外伸展，兩層輪輻交匯于內(nèi)環(huán)輪輞處變成軸向單層向外伸展，先后與內(nèi)、外輪輞連接；

所述葉片平面為折扇形，間隔的、均勻分布在外環(huán)輪輞內(nèi)側(cè)的圓周上與葉片扇形大徑連接，扇形葉片的小徑與內(nèi)環(huán)輪輞的外側(cè)連接。

進(jìn)一步的，所述葉片的弧長(zhǎng)為葉輪上對(duì)應(yīng)點(diǎn)設(shè)計(jì)線速度的二十分之一到四十分之一，由于在葉輪上安裝葉片對(duì)應(yīng)點(diǎn)的線速度是已經(jīng)設(shè)計(jì)好的，根據(jù)已知的線速度就可以設(shè)計(jì)出該處所安裝葉片的弧長(zhǎng)范圍。

進(jìn)一步的，所述葉片的徑向?qū)挾葹橥猸h(huán)輪輞直徑的十分之一到十二分之一，葉輪直徑與外環(huán)輪輞直徑相同，根據(jù)葉輪直徑計(jì)算出大概葉片的徑向?qū)挾取?/p>

進(jìn)一步的，所述葉片的間隔距離為葉片弧長(zhǎng)的四分之一到六分之一，葉片弧長(zhǎng)前面已經(jīng)計(jì)算出來，根據(jù)計(jì)算的葉片弧長(zhǎng)，得到葉片的間隔距離。

進(jìn)一步的，所述葉輪軸向中心線與水平轉(zhuǎn)動(dòng)中心線之交點(diǎn)與葉輪外環(huán)輪輞圓周各點(diǎn)連線形成錐形，其錐角大于100°小于150°，這樣的角度范圍更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)向的自動(dòng)跟蹤。

進(jìn)一步的，所述葉片的斜度與葉輪旋轉(zhuǎn)平面夾角α滿足以下關(guān)系：

Tgα＝設(shè)計(jì)最小發(fā)電風(fēng)速/葉片線速度/傳動(dòng)效率。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：采用本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)讓葉片在輪輞上環(huán)形均勻分布，當(dāng)有風(fēng)吹向葉輪時(shí)，在葉輪軸的兩側(cè)水平位置可以產(chǎn)生一對(duì)力偶矩，當(dāng)兩力偶矩大小相等時(shí)，葉輪不轉(zhuǎn)動(dòng)；力偶矩大小不相等時(shí)，力偶矩大的一側(cè)將會(huì)自動(dòng)發(fā)生順風(fēng)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)利用風(fēng)力自動(dòng)跟蹤風(fēng)向，無需安裝風(fēng)舵，也無需電驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了成本。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明的主視圖；

圖4是本發(fā)明葉片與輪輞的局部主視圖；

圖5是本發(fā)明葉片與輪輞的局部側(cè)視圖；

圖6是夾角α與葉片、輪輞關(guān)系的示意圖；

圖7是風(fēng)電機(jī)跟蹤風(fēng)向力偶矩變化圖；

圖8是本發(fā)明與圖1的葉輪效率對(duì)比圖。

1、3-輪轂，2、4-葉片，5-內(nèi)環(huán)輪輞，6-外環(huán)輪輞，7-第二輪輻，8-第一輪輻

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說明。

實(shí)施例1：

一種自動(dòng)跟蹤風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪，如圖2和圖3所示，所述葉輪包括輪轂3、第一輪輻8、第二輪輻7、內(nèi)環(huán)輪輞5、外環(huán)輪輞6和若干葉片4；所述輪轂3軸向兩端設(shè)有法蘭，所述第一輪輻8、第二輪輻7分別與輪轂3法蘭連接，形成雙層輪輻向外延伸，兩輪福交匯于內(nèi)環(huán)輪輞5近處，軸向變成單層輪輻向外延伸，單層伸展部分要垂直于風(fēng)向，向外伸展先與內(nèi)環(huán)輪輞5連接，伸展到頭與外環(huán)輪輞6連接，外環(huán)輪輞6直徑為葉輪直徑

所述內(nèi)環(huán)輪輞5和外環(huán)輪輞6與輪轂3同軸，其功能是葉片4的環(huán)形支架。所述葉片4平面形同折扇，其大徑與外環(huán)輪輞6連接，小徑與內(nèi)環(huán)輪輞5連接。

若干葉片4，沿外環(huán)輪輞6內(nèi)側(cè)圓周布置。保證葉輪轉(zhuǎn)軸兩側(cè)水平位置永久有葉片4，形成風(fēng)阻，一旦有風(fēng)，軸的水平兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生力偶矩，使葉輪發(fā)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述葉片4的斜度與葉輪旋轉(zhuǎn)平面夾角α滿足以下關(guān)系：

Tgα＝設(shè)計(jì)最小發(fā)電風(fēng)速/葉片線速度/傳動(dòng)效率，其中的夾角α如圖6所示。

所述葉片4的弧長(zhǎng)為葉輪上對(duì)應(yīng)點(diǎn)設(shè)計(jì)線速度的二十分之一到四十分之一，所述葉片4的徑向?qū)挾葹槿~輪直徑的十分之一到十二分之一，所述葉片4的間隔距離為葉片4弧長(zhǎng)的四分之一到六分之一。以上對(duì)于葉片4的設(shè)計(jì)為最優(yōu)設(shè)計(jì)。

所述葉輪軸向中心線與水平轉(zhuǎn)動(dòng)中心線之交點(diǎn)與葉輪外環(huán)輪輞各點(diǎn)連線形成錐形，所成錐角β大于100°小于150°。

葉輪能自動(dòng)跟蹤風(fēng)向應(yīng)具有的條件是：葉輪水平旋轉(zhuǎn)中心兩側(cè)最遠(yuǎn)處必須有一對(duì)力偶，兩力偶與水平旋轉(zhuǎn)中心的連線必有一個(gè)夾角，使兩條連線形成錐形，錐形的頂尖就是水平旋轉(zhuǎn)中心，兩力偶到旋轉(zhuǎn)中心的的距離就是力偶矩。兩力偶連線的中點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心的連線永遠(yuǎn)與風(fēng)向平行，兩力偶矩大小相等，處于對(duì)風(fēng)的平衡狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，兩力偶矩大小發(fā)生變化，兩力偶矩大的邊將會(huì)發(fā)生順風(fēng)旋轉(zhuǎn)，一直轉(zhuǎn)到兩力偶矩大小相等平衡狀態(tài)，這時(shí)也就是對(duì)準(zhǔn)來風(fēng)方向的狀態(tài)。

下面介紹本發(fā)明如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤風(fēng)向的，在跟蹤風(fēng)向過程中轉(zhuǎn)矩的變化，如圖7所示，其中，圖7中a為風(fēng)向?yàn)閺恼娲颠^去，此時(shí)成力偶矩的對(duì)應(yīng)葉片4分別受力F₁和F₂，力偶臂R₁和R₂，而F₁＝F₂，R₁＝R₂，所以F₁R₁＝F₂R₂，此時(shí)葉片4不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)風(fēng)向變成如圖7的b所示，從圖上可以明顯看出，雖然F₁＝F₂，但是R₁＜R₂，因此F₁R₁＜F₂R₂，所以葉片4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；而假如風(fēng)向如圖7的c所示，F(xiàn)₁R₁＞F₂R₂，所以葉片4順著風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)；再或者風(fēng)向如圖7中d所示，此時(shí)，F(xiàn)₁R₁＝F₂R₂，葉片4不轉(zhuǎn)動(dòng)。

采用本發(fā)明所述的葉輪后，其效率比現(xiàn)有的葉輪效率提高了，如圖8的a和b所示，其中圖8中的b為現(xiàn)在常用的三葉片葉輪，與圖1中的三葉片葉輪相同，我們假設(shè)將圖8中的b的3個(gè)葉片中的每一個(gè)葉片1等分成4份，4份葉片每份葉片1對(duì)應(yīng)的半徑分別為R、2R、3R、4R，每份葉片受力為F，每份葉片1的力偶矩就分別為FR、2FR、3FR、4FR，一個(gè)葉片1的力偶矩就是FR+2FR+3FR+4FR＝10FR，一個(gè)葉輪3個(gè)葉片1的力偶矩為(FR+2FR+3FR+4FR)×3＝30FR；而圖8中的a是直接以4R為半徑做出來的葉輪，所述葉輪是24份葉片4，每份葉片4的力偶矩是4FR，24份的力偶矩就是24×4FR＝96FR，由于葉片4間距占據(jù)大約20％的空間，所以力偶矩的合理利用率其實(shí)只有80％，也就是說其實(shí)力偶矩為76.8FR，是圖8中的a力偶矩的2.56倍。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。