一种背风型风力机制造技术

本发明专利技术公开了一种背风型风力机，风轮（1）包括若干个叶片（1‑1），若干个叶片（1‑1）的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片（1‑1）围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮（1）的竖向横截面呈现M型。背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。

A leeward wind turbine

【技术实现步骤摘要】
一种背风型风力机
本专利技术涉及一种背风型风力机，属于具有背风M型风轮的风力机

技术介绍
风能是可再生能源的重要组成部分。自19世纪70年代起，风力机装机数量迅速增加。风力机的尺寸显著增大。由于陆上风电在高风速区装机量趋于饱和，开发低风速风场、分布式风电是风电产业的近期热点。低风速风力机的显著特点之一是拥有较长的叶片以增加扫掠面积。同时海上风电也在迅猛发展，降低海上风能度电成本CostofEnergy,的迫切需求驱使风力机叶片长度不断增加。上述两个场景是风力机风轮直径不断增加的行业需求之缩影。风力机单机功率有望达到10-20MW级别，风轮直径增至150-250m范围。随着叶片的增长，叶片的质量以长度的三次方或亚三次方增加。三叶片的20MW风力机的单个叶片质量会超过75000kg。迅速增加的叶片质量对风力机的其他部件如塔筒、主机架、变速箱等也提出更高要求，导致整机的设计制造难度及总成本迅速增加。在叶片长度超过一定阈值后，叶片变长带来的发电收益增速会小于整机成本的增速，引起COE的升高。因此，抑制叶片质量三次方或亚三次方增加的趋势是COE继续降低的保障。叶片质量的降低可以通过“内部”性能强化如新材料和结构优化等、“外部”受力改善如减小风轮气动载荷和“约束”条件放宽如增大叶尖-塔架防撞间隙等来实现。开发利用新材料受限于成本，结构优化也不能从根本上改变质量的三次方增加规律。在满足发电要求的前提下，减小风轮极限载荷和疲劳载荷可以通过自适应叶片、先进控制方法和附件如变桨控制、尾缘襟翼、尾缘插片等实现。风力机长柔叶片质量的迅速增加主要是为了保证叶片刚度，或者说叶尖-塔架防撞间隙阈值严重限制了叶片减重的可能性。迎风预弯叶片、风轮的锥角和仰角设计是增大叶尖-塔架间隙的常用手段。但是这些设计不能支撑风力机达到20MW级别，必须要进行创新型设计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种背风型风力机，背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。为达到上述目的，本专利技术提供一种背风型风力机，包括风轮和风轮旋转机构，风轮包括若干个叶片，若干个叶片的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮的竖向横截面呈现M型。优先地，风轮旋转机构包括轮毂、机舱和塔架，若干个叶片的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂的背风侧，轮毂的迎风侧转动连接机舱，机舱固定设置在塔架上端，塔架下端固定设置在地面上。优先地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮受载逐渐增大，风轮的竖向横截面从M型逐渐向V型过渡，在过渡到V型的这一过程中风轮的竖向横截面呈现帽子的形态，称为HAT型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮的竖向横截面呈现V型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮的竖向横截面在侧视图中近似呈现U型。优先地，风轮和轮毂拥有共同的旋转中心轴线，风轮旋转平面线与旋转中心轴线垂直；以叶片内端的叶片积叠线所在直线为X轴，以迎风侧垂直于X轴方向所在直线为Y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线与水平面的夹角为倾角θt，θt∈[-30°，30°]，叶片的内端所在的叶片积叠线与风轮旋转平面线的夹角为θb，θb∈[0°，90°]，叶片的内端底端所在的叶片积叠线底端与直角坐标系的X轴重合。优先地，叶片的弯曲形态由叶片积叠线控制，叶片积叠线采用分段函数控制；在X轴和Y轴组成的叶片直角坐标系内，叶片积叠线在不同的展向位置X处沿Y轴方向的偏移距离Ybend可以由公式1求得：式中Xr＝X/R为相对叶片的展向位置，X为实际叶片的展向位置，R为叶片在X轴上的投影长度，A为弯曲型线的控制指数，A为任意实数，且A不等于0；当Ybend>0时，A和叶素处型线的实际偏转角度γ都取正值。优先地，向上时所受垂直方向力Q1要小于旋转到竖直向下时的垂直方向力Q2，也即Q1<Q2,叶片在旋转到竖直向上时所受合力F1与水平线的夹角为θ1，叶片在旋转到竖直向下时所受合力F2与水平线的夹角为θ2,夹角满足关系θ1＜θ2。优先地，包括2-4个叶片，叶片围绕轮毂环形分布。优先地，叶片外端顶端与塔架的水平距离L满足L>0.25m。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术对背风型风力机的创新设计，采用特定的曲线形式构造叶片的积叠线形态，叶片以一定角度安装在轮毂上形成背风M型风轮，风轮在未受载或者轻微受载状态下近似呈现M型或者帽子型，在额定风速附近近似呈现V型，在高风速时近似呈现U型，实现载荷降低，在不增加风轮折叠机构的基础上实现背风型风轮的自动变形。背风型风轮配置不受“塔架干涉”限制，可以使叶片设计得比迎风式配置更柔；同时背风M型风轮随着风速的增大自动变形，使得叶片在额定功率附近的一段风速区间内尽量处于拉伸受力状态，充分发挥叶片的材料强度，使叶片被设计得更柔更轻，进一步降低叶片及整机成本。除此之外，背风型的风轮可以凭借其复位偏航力矩自动对准来流，通常比迎风型有更好的偏航控制性能，也更适用于极端气象条件下的超大型风力机。附图说明图1为本专利技术在未启动或低于额定风速运行时的侧视图；图2为本专利技术的风轮叶片积叠线的不同形态的示意图；图3为本专利技术中叶片积叠线在X轴的不同展向位置处沿Y轴方向的偏移示意图；图4为本专利技术采用分段函数控制的几种不同叶片积叠线形态示意图；图5为本专利技术风轮呈现V型时叶片位于最上方和最下方时的叶片受力示意图。附图中标记含义，1-风轮；2-轮毂；3-机舱；4-塔架；1-1-叶片；1-2-叶片积叠线；1-3-旋转中心轴线；1-4-风轮旋转平面线。具体实施方式以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。一种背风型风力机，包括风轮1和风轮旋转机构，风轮1包括若干个叶片1-1，若干个叶片1-1的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片1-1围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮1的竖向横截面呈现M型。在现有技术中是存在V型的锥角风轮，而本专利技术风轮1最大的特点是静止时就是M型，风轮1会随着风速增大逐渐变形。进一步地，风轮旋转机构包括轮毂2、机舱3和塔架4，若干个叶片1-1的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂2的背风侧，轮毂2的迎风侧转动连接机舱3，机舱3固定设置在塔架4上端，塔架4下端固定设置在地面上。进一步地，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮1的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮1受载逐渐增大，风轮1的竖向横截面从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种背风型风力机，其特征在于，包括风轮(1)和风轮旋转机构，风轮(1)包括若干个叶片(1-1)，若干个叶片(1-1)的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片(1-1)围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮(1)的竖向横截面呈现M型。/n

【技术特征摘要】
1.一种背风型风力机，其特征在于，包括风轮(1)和风轮旋转机构，风轮(1)包括若干个叶片(1-1)，若干个叶片(1-1)的内端固定连接风轮旋转机构的上端，若干个叶片(1-1)围绕风轮旋转机构环形分布，在风静止时风轮(1)的竖向横截面呈现M型。


2.根据权利要求1所述的一种背风型风力机，其特征在于，风轮旋转机构包括轮毂(2)、机舱(3)和塔架(4)，若干个叶片(1-1)的内端固定连接环形等间距固定连接轮毂(2)的背风侧，轮毂(2)的迎风侧转动连接机舱(3)，机舱(3)固定设置在塔架(4)上端，塔架(4)下端固定设置在地面上。


3.根据权利要求2的一种背风型风力机，其特征在于，当外界环境的风速低于额定风速时，风轮(1)的竖向横截面呈现M型；随着外界环境的风速逐渐增大，风轮(1)受载逐渐增大，风轮(1)的竖向横截面从M型逐渐向V型过渡，在过渡到V型的这一过程中风轮(1)的竖向横截面呈现帽子的形态，称为HAT型；当外界环境的风速在额定风速时，风轮(1)的竖向横截面呈现V型；当外界环境的风速超过额定风速时，风轮(1)的竖向横截面在侧视图中近似呈现U型。


4.根据权利要求3所述的一种背风型风力机，其特征在于，风轮(1)和轮毂(2)拥有共同的旋转中心轴线(1-3)，风轮旋转平面线(1-4)与旋转中心轴线(1-3)垂直；
以叶片(1-1)内端的叶片积叠线(1-2)所在直线为X轴，以迎风侧垂直于X轴方向所在直线为Y轴，建立直角坐标系，旋转中心轴线(1-3)与水平面的夹角为倾角θt，θt...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振业，朱卫军，陶秋晗，李迺路，杨华，曹九发，陈东阳，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32